KOMPOZYTY

Są to tworzywa powstające w wyniku fizycznego połączenia dwóch lub więcej materiałów wyjściowych: osnowy (materiału wiążącego) i fazy wzmacniającej (zbrojenia), przenoszącej obciążenia. W wyniku otrzymuje się materiał konstrukcyjny o właściwościach lepszych lub nowych w porównaniu z właściwościami poszczególnych składników.

Własności materiału złożonego są odmienne od własności poszczególnych składników. Ważnym wskaźnikiem budowy kompozytu jest stosunek objętościowego lub masowego udziału w nim materiału zbrojącego. Materiał może występować w postaci cząstek lub włókien i stąd wyróżnia się:

• kompozyty zbrojone dyspersyjnie - faza zbrojąca występuje w postaci cząstek o wielkości poniżej 1 um a jej udział objętościowy nie przekracza 15%. Efekt umocnienia w tych tworzywach uzyskuje się dzięki hamowaniu przez cząstki ruchu dyslokacji w osnowie, co powoduje znaczne umocnienie materiału na gorąco i na zimno. Zwiękasza w ten sposób odporność materiału na pełzanie. Przykładem jest stop Ni - Cr stosowany na części turbin gazowych,

• zbrojone cząstkami te ostatnie mają od kilku do kilkuset mikrometrów, ich udział objętościowy przekracza 25% dochodząc niekiedy do 60%. W tym przypadku umocnienie osnowy polega na wytwarzaniu w osnowie , wokół cząstek , hydrostatycznego pola naprężeń. Obciążenie jest także przenoszone przez cząstki.

Schemat kompozytu zbrojonego cząstkami

• zbrojone włóknami - wytwarzane przez włókna o bardzo małej średnicy (poniżej 100 um) i znacznej na ogół długości a ich udział objętościowy sięga 60%. Włókna mogą być krótkie. Takie zbrojenie zapewnia największą wytrzymałość kompozytów. W zależności od kierunku ułożenia włókien rozróżnia się kompozyty zbrojone włóknami równoległymi , nierównoległymi , matami , plecionkami , tkaninami itp.

Schemat kompozytu zbrojonego włóknami równoległymi

Odrębnym rodzajem kompozytu jest laminat, w którym faza zbrojąca ma postać warstw.

Kompozyty w zależności od rodzaju osnowy można podzielić na kompozyty o osnowie :

• metalowej

• ceramicznej

• polimerowej

Kompozyty odznaczają się dużą wytrzymałością względną i względnym modułem sprężystości.

Główne materiały stosowane na osnowę to:

Osnowa metalowa - stanowią ją stopy metali które można podzielić ma 3 grupy:

• stopy metali lekkich (Mg, Al., Ti). Odznaczają się bardzo niską temperaturą topnienia , łatwo się je wytwarza, małą gęstością. Stosuje się je w przemyśle lotniczym i samochodowym.

• stopy srebra i miedzi - dobre właściwości cieplne i elektryczne,

• stopy niklu - przeznacz na kompozyty żarowytrzymałe. Są stosowane na łopatki turbin.

• stopy ołowiu i cynku - przeznaczone na kompozyty o dobrych właściwościach ślizgowych.

Osnowa polimerowa - na osnowę stosuje się:

• żywice termoutwardzalne (feno i aminoplasty),

• duroplasty chemoutwardzalne (żywice epoksydowe, poliestrowe),

• silikony,

• termoplasty (głównie poliamidy , polipropylen , poliestry termoplastyczne i poliwęglany)

Osnowa ceramiczna - na osnowę stosuje się:

• materiały budowlane (cement, gips),

• hutnicze (szamotowe, mulitowe i węglowe),

• materiały stosowane w elektronice ( oparte na ceramice tlenkowej)

Rodzaj i postać zbrojenia są czynnikami decydującymi o właściwościach kompozytów. Czynniki te są również związane z technologią wytwarzania kompozytów. Dlatego przy projektowaniu kompozytów zwraca się uwagę na zgodność termodynamiczną kompozytów. Istnieją:

Cząstki zbrojące - wykorzystuje się głównie proszki:

• metali (Al., Ni, Ti, Fe),

• związków ceramicznych: SiO₂, Al₂O₃, TiO₂, ZrO₂, ZrSiO₄ a także grafitu i miki.

Wymiary cząstek sięgają od kilku do kilkuset milimetrów.

Włókna zbrojące - charakterystycznedla nich to duża wytrzymałość na rozciąganie, sprężystość i niezmienność w wysokiej temperaturze, niski koszt wytwarzania. Wyróżniamy:

• włókna metalowe wykonuje się ze stali Cr-Ni, wolframu, Mo, Be i Ti. Wytrzymałość na rozciąganie 3000 Mpa. Otrzymuje się w procesach ciągnięcia. Ich wadą jest duża gęstość. Stosuje się je na styki elektryczne.

• włókna ceramiczne- zalicza się do nich włókna szklane, węglowe, włókna z SiC, Al₂O₃.

• włókna szklane wytwarza się metodą wyciągania z ciekłej masy szklanej głównie ze szkła E i S , po czym przerabia się je metodami tkackimi w postać dogodną do stosowania w procesach wytwarzania kompozytów. Podstawowe włókno ma średnicę 10 um. Jego wytrzymałość zależy od średnicy i stałości średnicy na długości. Głównymi produktami z tych włókien są roving jest to zespół pasm włókien ciągłych, zlepionych apreturą i jedwab szklany do jego wyrobu stosuje się włókna o średnicy poniżej 10um, zlepione preparatem skrobiowo - olejowym.

• włókna węglowe - otrzymuje się je przez pirolizę związków organicznych w procesie w wyniku procesu karbonizacji w atmosferze obojętnej. Rozróżnia się rodzaje włókien:

• węglowe o zawartości 90-98%C (karbonizacja w temp poniżej 2000°C),

• grafitowe o zawartości ok. 99%C (dalsza karbonizacja w temp 2500°C).

Włókna dzielimy także według temperatury karbonizacji na :

• lht - temperatura korbonizacji poniżej 1400°C

• iht - temperatura korbonizacji 144°-2000°C

• hht - temperatura korbonizacji powyżej 2000°C

• włókna kurundowe - stosowane do wytwarzania kompozytów w osnowie metalowej i ceramicznej. Są wytwarzane ze związków glinoorganicznych, które rozpuszcza się w wodzie z dodatkiem kwasu winnego, a następnie odwadnia w próżni. Z tej masy wytłacza się a następnie wyciąga włókna, które są suszone i spiekane w temperaturze do 1500°C

• włókna z węglika krzemu - stosowane do zbrojenia kompozytów w osnowie metalowej. Są otrzymywane dwoma metodami: osadzania na włóknie węglowym i metodą termicznego rozpadu w wysokiej temp polimerów krzemoorganicznych

• włókna polimerowe

• kevlar (włókno aramidowe) jest wytwarzany z poliamidów aromatycznych. Wytwarza się 2 typy włókien aramidowych: nomex i kevlar. Pierwsze stosuje się do celów filtracyjnych oraz elektro i termo izolacyjnych, drugie jako zbrojenie do kompozytów na osnowie tworzyw sztucznych. Włókna kevlarowe stosuje się jako roving i w postaci tkanin i mat. Wykazują ujemny współczynnik rozszerzalności cieplnej.

• włókno polietylenowe - wytwarza się je metodą wytłaczania lub przędzenia z roztworu i ekstrakcji w odpowiednim rozpuszczalniku. Własności: mała gęstość, duża wytrzymałość i odporność na ścieranie, mała nasiąkliwość wodą, dobre własności dialektyczne, dobra udarność i odporność chemiczna. Temperatura pracy wynosi 130°C

W układach metal - metal i metal - materiał ceramiczny są wytwarzane kompozyty z osnową metalową.. Zbrojenie występuje w postaci cząstek lub włókien. Wyróżniamy następujące metody wytwarzania:

• bezpośrednie

strukturę kompozytu otrzymuje się w wyniku odpowiedniego procesu

technologicznego - krzepnięcia i krystalizacji oraz obróbki plastycznej i cieplnej.

• pośrednie

polega na wprowadzaniu do ciekłej osnowy faz zbrojących i osnowy do przygotowanego zbrojenia np. w postaci rovingu.

Klasyfikacja metod wytwarzania kompozytów metalowych

Metody bezpośrednie	Metody pośrednie
Kierunkowa krystalizacja stopów eutektycznych	Metody z ciekłą osnową	Metody przeróbki plastycznej
Wytwarzanie stali kompozytowych	nasycenie swobodne	walcowanie pakietów
	nasycenie wymuszone	wyciskanie
	mieszanie	ciągnienie
	rozpuszczanie	prasowanie i zgrzewanie dyfuzyjne

Metodą kierunkowej krystalizacji wytwarza się kompozyty na osnowie:

aluminium, żelaza, kobaltu, tytanu i niklu. Szczególnie cenne są kompozyty in situ na osnowie Ni i Co stosowane na łopatki turbin i dysze w silnikach odrzutowych dzięki doskonałym właściwościom cieplnym.

Cenną właściwością tej grupy materiałów jest to, że proces tworzenia kompozytu może być realizowany w połączeniu z kształtowaniem gotowych wyrobów.

Podstawowa grupa kompozytów metalowych jest wytwarzana metodami pośrednimi. Wszystkie technologie tej grupy wymagają odrębnego przygotowania osnowy i zbrojenia.

Podstawą wytwarzania kompozytów umacnianych dyspersyjnie jest metalurgia proszków, polegająca na prasowaniu i spiekaniu proszków. Wytwarza się kompozyt aluminiowy, umacniany dyspersyjnie (SAP). Używa się proszku aluminiowego o czystości co najmniej 99% i wielkości ziaren 0,06mm. Właściwości kompozytów SAP zależą od udział€ w nich tlenku AL₂O₃.

Kompozyty te znajdują zastosowanie na elementy maszyn, pracujące w temperaturze do 550° C, np. na koszulki elementów paliwowych w reaktorach jądrowych, na łopatki sprężarek gazów, wirników, tłoków silników spalinowych i korbowodów a także w konstrukcjach lotniczych.

Kompozyty zbrojone cząstkami wytwarza się najczęściej metodami odlewniczymi ( zwanymi metodami z udziałem fazy ciekłej).Metoda polega na mieszaniu ciekłego metalu

z jednoczesnym wprowadzaniem do niego cząstek zbrojących. Na osnowie aluminium można wytworzyć kompozyty

• o zwiększonej wytrzymałości ( odlewane i przerabiane plastycznie), zbrojone cząstkami tlenków bądź węglików

• odporne na ścieranie, zbrojone cząstkami tlenków bądź węglików

• ślizgowe, zbrojone cząstkami grafitu lub miki.

Wykazano, że odporność kompozytów na ścieranie zależy wprost proporcjonalnie od udziału cząstek w kompozycie i odwrotnie proporcjonalnie od ich wielkości.

Kompozyty zbrojone włóknami wytwarza się metodami nasycenia swobodnego lub wymuszonego. Pod pojęciem nasycenia rozumie się nasycenie wiązki zbrojenia ciekłą osnową. Otrzymujemy kompozyty zbrojone drutem stalowym oraz stopy niklu zbrojone drutem wolframowym.

Kompozyty zbrojone włóknami wykazują znacznie wyższe właściwości wytrzymałościowe niż kompozyty zbrojone cząstkami, dlatego znajdują one między innymi zastosowanie w technice lotniczej.

Zastosowanie kompozytów metalowych zbrojonych włóknami przedstawia poniższa tabela:

Zastosowanie	Właściwości	Kompozyt
sztuczne satelity panel montażowy aparatury korpus sputnika	względna sztywność stabilność cieplna wymiarów	Al/C, Mg/C Al/C, Mg/C, Al/B, Mg/B
antena elementy nośne baterii słonecznych obudowa aparatury optycznej		Al/C Al/C
samoloty korpus, dźwigary owiewka	sztywność, duża wytrzymałość względna względna sztywność	Al/C, Al/B, Al/SiC Al/C, Al/B, Al/SiC
helikoptery skrzynia transmisyjna obudowa, dźwigary tylna część łopatki śmigła	względna sztywność wysoka wytrzymałość względna względna sztywność	Al/C, Mg/C Mg/Al2O3, Al/C, Al/B, Al/SiC Al/C, Al/B, Al/SiC
wyroby elektrotechniczne szczotki prądnicy kable, elektryczne łączniki płaskie elektrody baterii wielkogabarytowych łożyska części aparatury dźwiękowej	przewodność elektryczna, odporność na ścieranie przewodność elektryczna, duża wytrzymałość sztywność, wytrzymałość, dobra odporność korozyjna odporność na ścieranie względna sztywność	Cu/C Cu/C Pb/C, Pb/C, Pb/Al2O3, Pb/szkło Cu/C, Sn/C Al/C, Al/B

Istnieją kompozyty o osnowie polimerowej. Są to kompozyty z tworzyw sztucznych. Wyróżniamy trzy rodzaje materiałów osnowy

• żywice termoutwardzalne

• żywice chemoutwardzalne

• silikony oraz termoplasty.

Kompozyty o osnowie tworzyw termoutwardzalnych wytwarza się dwuetapowo: najpierw wytwarza się tłoczywa, następnie przetwarza się je na gotowe wyroby metodami prasowania. Podstawą do produkcji tłoczyw są żywice fenolowo - formaldehydowe, mocznikowe i melaminowe.

Kompozyty o osnowie żywic chemoutwardzalnych to laminaty epoksydowe lub poliestrowe, zależnie od rodzaju osnowy. Wytwarza się je ręcznie lub maszynowo. Główną postacią zbrojenia są tu maty zwłaszcza maty szklane i tkaniny.

Kompozyty na osnowie termoplastów - termoplasty to polipropylen, poliamid, poliwęglany i poliestry termoplastyczne.

W Polsce wytwarza się na skalę przemysłową poliamid 6 zbrojony włóknem szklanym

w 25 i 35 % oraz poliester, zawierający 25% włókna szklanego.

Poniższa tabela przedstawia zalety i wady kompozytów z tworzyw sztucznych.

	Tworzywa sztuczne zbrojone włóknami	Metale zbrojone włóknami
Z a l e t y	dobry wygląd zewnętrzny możliwość kształtowania w temperaturze pokojowej dobra odporność chemiczna dobre właściwości izolacyjne możliwość klejenia przenikalność dla fal elektromagnetycznych przeźroczystość dla światła widzialnego możliwość produkcji jednostkowej	dobra powierzchnia i wysoka jej twardość możliwość wyciskania na gorąco i stosowania innych metod przeróbki plastycznej dobra odporność na warunki atmosferyczne dobra przewodność cieplna i elektryczna możliwość zgrzewania dyfuzyjnego wysoka wytrzymałość na ścianie międzywarstwowe dobra wytrzymałość poprzeczna dobra wytrzymałość cieplna
W a d y	łatwość uszkodzenia powierzchni niedostateczna odporność cieplna mała wytrzymałość zmęczeniowa mała wytrzymałość na ściskanie długi czas formowania wyrobów	wysoka temperatura i ciśnienia formowania trudność kształtowania niemożliwość stosowania tradycyjnych metod zgrzewania konieczność dodatkowych obliczeń miejsc połączeń utrudniona możliwość regulacji reakcji chemicznych na granicy osnowa - włókno

1

1

---