Wykłady
 Nauka o materiałach
I Rok WIMiR
KOMPOZYTY
KOMPOZYTY O OSNOWIE CERAMICZNEJ
Kompozyty to materiały dwu lub nawet wielofazowe, w których
wzajemne współoddziaływanie budujących je faz prowadzi do
zamierzonej modyfikacji właściwości mechanicznych
W mikrostrukturze kompozytu wyróżnia się fazę osnowy stanowiącą fazę
ciągłą, w której zdyspergowane są inne fazy zespolone przez osnowę.
Z uwagi na charakter wyróżnia się kompozyty osnowie:
" polimerowej
" metalicznej
" ceramicznej.
Faza zdyspergowana może występować w postaci: włókien ciągłych,
włókien krótkich, ziaren o zdefiniowanym pokroju lub ziaren
ukształtowanych w procesie wytwarzania.
KOMPOZYTY WZMACNIANE WA
ÓKNAMI
Mikrostruktura kompozytu
włóknistego PEEK/węgiel
Fk = Fo + Fw
wyrażając wzór za pomocą naprężenia
�kAk = �oAo + �wAw
gdzie: Ak Ao i Aw pole powierzchni przekroju odpowiednio: kompozytu, osnowy i
włókien
Dzieląc przez Ak otrzymujemy:
�k = �oVo + �wVw
gdzie: Vo i Vw są udziałami objętościowymi tych faz
Jeżeli włókna i osnowa odkształcają się tak samo �k=�o=�w to
�k = Eo�kVo + Ew�kVw
gdzie: Eo i Ew są modułami sprężystości osnowy i włókien
ponieważ Ek = �k/�k to:
Ek = EoVo + EwVw Równanie to nosi nazwę reguły mieszanin
Fw Ew� Vw EwVw
Dla efektywnego wzmocnienia kompozytu istotnym jest
k
= =
by włókna przejmowały większą część obciążenia. Fo Eo� Vo EoVo
k
Model kompozytu 1D
Schemat niszczenia kompozytu 1D
Kompozyt C-C 2D wytworzony z włókien węglowych
w osnowie węglowej otrzymanej w wyniku pirolizy
żywicy fenylowo formaldehydowej
Kompozyt SiC-C 1D otrzymany w wyniku pirolizy żywicy
polikarbosilanowej spajającej włókna węglowe
KOMPOZYTY ZIARNISTE
W technologii wytwarzania materiałów spiekanych nie jest
możliwe wykorzystywanie włókien ciągłych z uwagi na zmiany
objętości materiału podczas spiekania.
Dla ceramiki najbardziej typowe są kompozyty ziarniste.
Otrzymywane w wyniku spiekania:
" mieszanin proszków
" proszków kompozytowych
" krystalizacji eutektyk
" spiekania reakcyjnego
ZWI
KSZENIE WYTRZYMAA
OŚCI MECHANICZNEJ
Przykład: kompozyty SiC-B4C
Materiały spiekane z proszków kompozytowych syntezowanych
techniką SHS
Mikrostruktura kompozytu 0,65 SiC-0,35 B4C
Zwiększenie wytrzymałości wskutek zmniejszania defektów
mikrostruktury i wzajemnego przenikania dwu faz ciągłych materiał.
UMOCNIENIE KOMPOZYTÓW
ZWI
KSZENIE ODPORNOŚCI NA KRUCHE P
KANIE
Kompozyty SiC-TiB2
Materiały spiekane reakcyjnie oraz z mieszanin proszków SiC i TiB2
ąSiC = 4,5 �10-6 1/K, ąTiB2 = 8�10-6 1/K
10
9
8
7
6
5
4
3
0 5 10 15 20 25 30
Zawartość TiB2 [%]
0.5
.
Ic
K [MPa m
]
Wartości naprężeń oszacować można na podstawie modeli analitycznych
opracowanych przez Selesinga i Taya. W modelu opracowanym przez Selesinga
naprężenia wewnątrz ziarna określa wzór:
(ąz - ąm)�" "T
� =
z
1+� 1- 2 �"�
m z
+
2 �" Em Ez
Naprężenia styczne podaje wzór:
� �" R3
z
� =
mĄ"
2r3
Zmianę naprężenia prostopadle do powierzchni ziarna podaje wzór:
� �" R3
z
� =
mR
r3
W modelu opracowanym przez Taya naprężenia wewnątrz ziaren podaje wzór:
( )
2 �" 1- fz - f �" � �"ą1
p
� = �" Em
z
A
W osnowie kompozytu:
2 �" fz �" � �"ą1
� = �" Em
m
A
Ą#�#
ż#
fz �# 3�" � �" fz �"(1-�m)ń#
�#
A = (1- fp)�" 1- �"(� + 2)�"(1+�m)+
ó#�# Ą#
gdzie:
Ź#
1- fp
ó#�# 1- fp �# Ą#
�# �#
Ł# Ś#
TR
1+�m Ez
� = �"
ą1 =
z
+"[(ą -ąm)�"� ]dT
1- 2 �"� Em
Tp
z
Poszczególne symbole oznaczają:
ąm, ąz - współczynnik rozszerzalności cieplnej osnowy i ziaren fazy zdyspergowanej;
�m, �z - liczba Poissona matrycy i ziaren;
Em, Ez  Moduł Younga matrycy i ziaren;
r  odległość od środka ziarna fazy zdyspergowanej;
R  promień ziarna fazy zdyspergowanej;
fz, fp - udział objętościowy fazy zdyspergowanej i porów;
TP  temperatura, poniżej której nie jest możliwa relaksacja naprężeń;
TR  temperatura pokojowa.;
�  delta Kroneckers`a (przyjmuje wartość 1, co wynika z założeń modelu, w którym
przyjęto izotropowość właściwości sprężystych i cieplnych).
Przebieg niszczenia kompozytu 0,7 SiC  0,3 TiB2
KOMPUTEROWE MODELOWANIE STANU NAPR
ŻEC

b)
a)
a) obraz mikroskopowy,
b) obraz binarny,
c) komputerowo generowana
mapa rozkładu naprężeń.
c)
ANIZOTROPIA ROZSZERZALNOŚCI CIEPLNEJ
Kompozyty SiC-C
550
500
�zg
450
400
350
6
300
5
250
KIc
4
200
0 2 4 6 8 10 12 14 16
Zawartość C[%]
zg
�
[MPa]
0.5
.
Ic
K [MPa m ]
KOMPOZYTY SUPERTWARDE
Kompozyty Ti3SiC2-C(DIAMENT)