1
Fizyczne podstawy technologii materiałowych –
laboratorium
WIMiC, AGH
Ć
wiczenie nr 4
Wytwarzanie kompozytów włóknistych
Zagadnienia do przygotowania:
1. Poj
ę
cia ogólne: kompozyt, model równoległy, reguła mieszanin
2. Minimalny i krytyczny udział obj
ę
to
ś
ciowy włókien
3. Rodzaje stosowanych włókien i metody ich wytwarzania
4. Materiały stosowane na osnowy polimerowe
5. Metody formowania kompozytów włóknistych
Literatura:
1. M. F. Ashby, D.R.H. Jones: Materiały in
Ŝ
ynierskie. Cz. 2. WNT Warszawa 1996
2. K. Konsztowicz: Kompozyty wzmacniane włóknami. Podstawy technologii. Wyd.
AGH Kraków 1986
3. D.
ś
uchowska: Polimery konstrukcyjne. WNT Warszawa 2000
4. I. Gruin: Materiały polimerowe. PWN Warszawa 2003
Cel
ć
wiczenia
Zastosowanie metody kontaktowej do formowania kompozytów wzmacnianych
włóknami ci
ą
głymi oraz wyznaczenie modułu spr
ęŜ
ysto
ś
ci otrzymanych kompozytów
2
Wprowadzenie
a) Poj
ę
cia podstawowe
Kompozyt to materiał składaj
ą
cy si
ę
z co najmniej dwóch ró
Ŝ
nych faz, którego
wła
ś
ciwo
ś
ci nie s
ą
wypadkow
ą
wła
ś
ciwo
ś
ci poszczególnych faz. Kompozyt składa
si
ę
z osnowy (polimerowej, ceramicznej lub metalicznej) oraz fazy wzmacniaj
ą
cej
(zdyspergowanej), która mo
Ŝ
e mie
ć
posta
ć
włókien, warstw lub cz
ą
steczek. Mówimy
wtedy odpowiednio o kompozytach włóknistych, warstwowych (laminatach) lub
kompozytach cz
ą
steczkowych. Celem wytarzania kompozytów jest otrzymanie
materiałów o polepszonych wła
ś
ciwo
ś
ciach np. mechanicznych, termicznych czy
elektrycznych.
Ostatnio coraz wi
ę
ksze znaczenie zyskuj
ą
tzw. nanokompozyty, czyli materiały,
w których faza wzmacniaj
ą
ca (zdyspergowana) ma rozmiary rz
ę
du kilkunastu –
kilkudziesi
ę
ciu nanometrów (nm = 10
-9
m). Mog
ą
one wykazywa
ć
wła
ś
ciwo
ś
ci
niespotykane w przypadku klasycznych kompozytów i przy znacznie mniejszych
udziałach obj
ę
to
ś
ciowych fazy zdyspergowanej.
Obecnie najbardziej rozpowszechnionym rodzajem kompozytów s
ą
kompozyty
włókniste, składaj
ą
ce si
ę
z osnowy oraz włókien, które oprócz tego,
Ŝ
e mog
ą
by
ć
wykonane z ró
Ŝ
nych materiałów to mog
ą
mie
ć
ró
Ŝ
na posta
ć
: włókien długich, włókien
krótkich, mat, tkanin itp. Zadaniem osnowy jest nadanie kompozytowi zewn
ę
trznego
kształtu, oraz przej
ę
cie obci
ąŜ
enia i przekazanie go włóknom. Z kolei zadaniem
włókien jest przenoszenie obci
ąŜ
e
ń
, oraz zwi
ę
kszenie sztywno
ś
ci osnowy i jej
odporno
ś
ci na kruche p
ę
kanie.
Typowymi przykładami takich materiałów s
ą
kompozyty o osnowach polimerowych
wzmacniane głównie włóknami szklanymi, w
ę
glowymi i grafitowymi oraz
aramidowymi (Kevlar). Do wytwarzania tych kompozytów stosowane s
ą
polimery
chemo- i termoutwardzalne takie jak
Ŝ
ywice epoksydowe, nienasycone
Ŝ
ywice
poliestrowe,
Ŝ
ywice fenolowe i
Ŝ
ywice silikonowe oraz polimery termoplastyczne takie
jak polistyren, polipropylen, poliamid czy poliw
ę
glan.
Wzmocnienie polimerów włóknami jest bardzo efektywne, poniewa
Ŝ
ju
Ŝ
przy ich
10% udziale obj
ę
to
ś
ciowym obserwuje si
ę
znaczn
ą
popraw
ę
wła
ś
ciwo
ś
ci
mechanicznych i cieplnych materiału.
b) Wła
ś
ciwo
ś
ci mechaniczne kompozytów wzmacnianych włóknami
- Moduł spr
ęŜ
ysto
ść
(Younga)
Podstawowa zasada wzmacniania włóknami wykorzystuje wła
ś
ciwo
ś
ci modelu
równoległego tworzywa dwufazowego przy nast
ę
puj
ą
cych zało
Ŝ
eniach:
•
włókna s
ą
jednorodne i ci
ą
głe,
•
s
ą
rozmieszczone równolegle i równomiernie w całej obj
ę
to
ś
ci jednorodnej
osnowy,
•
włókna s
ą
bardzo dobrze zwi
ą
zane z osnow
ą
.
Na podstawie tego modelu mo
Ŝ
na powiedzie
ć
,
Ŝ
e moduł kompozytu włóknistego
rozci
ą
ganego wzdłu
Ŝ
kierunku uło
Ŝ
enia włókien (E
kII
) jest sum
ą
modułu włókna (E
w
)
i modułu osnowy (E
o
) zgodnie z równaniem (prawo mieszanin):
3
E
kII
= V
w
E
W
+ (1 - V
w
)E
o
(1)
gdzie: V
w
– udział obj
ę
to
ś
ciowy włókien
Z kolei moduł tego materiału rozci
ą
ganego w kierunku poprzecznym (E
K
⊥
) uło
Ŝ
enia
włókien jest opisywany przy pomocy modelu szeregowego:
o
W
W
W
K
E
V
1
E
V
E
1
−
+
=
⊥
(2)
Warto
ś
ci modułu poprzecznego s
ą
du
Ŝ
o ni
Ŝ
sze ni
Ŝ
modułu równoległego, co
oznacza,
Ŝ
e taki jednoosiowy kompozyt wykazuje siln
ą
anizotropi
ę
wła
ś
ciwo
ś
ci
(Rys.1 a,b). Uło
Ŝ
enie włókien na krzy
Ŝ
(Rys.1c) powoduje,
Ŝ
e moduły w kierunkach
0 i 90
o
s
ą
równe (i du
Ŝ
e), ale moduły w kierunku 45
o
wci
ąŜ
s
ą
bardzo małe.
Rys.1 Rozci
ą
ganie kompozytu włóknistego:
a) wzdłu
Ŝ
kierunku uło
Ŝ
enia włókien,
b) w poprzek kierunku uło
Ŝ
enia włókien,
c) laminat 0 - 90
o
C ma kierunek o małym
module i kierunek o du
Ŝ
ym o du
Ŝ
ym module [1]
- Wytrzymało
ść
na rozci
ą
ganie
Wła
ś
ciwo
ś
ci wzmacniaj
ą
ce włókien przejawiaj
ą
si
ę
tym,
Ŝ
e ze wzrostem ich udziału
obj
ę
to
ś
ciowego i modułu spr
ęŜ
ysto
ś
ci wzrasta – zgodnie z „prawem mieszanin” –
skuteczno
ść
kompozytu w przenoszeniu obci
ąŜ
e
ń
.
Udział obj
ę
to
ś
ciowy włókien kompozytach mo
Ŝ
e wynosi
ć
nawet 80%. Korzystnie jest
tak
Ŝ
e, gdy warto
ść
modułu spr
ęŜ
ysto
ś
ci włókien przewy
Ŝ
sza wielokrotnie warto
ść
modułu osnowy. W przypadku
Ŝ
ywic wzmacnianych włóknami szklanymi, gdzie
stosunek E
w
/E
o
≈
20, 10%-owy udział włókien przenosi 70% cało
ś
ci obci
ąŜ
enia.
Ponadto, z uwagi na znaczn
ą
powierzchni
ę
kontaktu włókno-osnowa jest równie
Ŝ
wi
ę
ksza efektywno
ść
przenoszenia obci
ąŜ
e
ń
mi
ę
dzy fazami (Rys. 2a).
4
Wytrzymało
ść
idealnego kompozytu (
σ
k), w którym odkształcenie zniszczenia jest
takie samo jak odkształcenie zniszczenia (zerwania) włókien jak i osnowy (
ε
k
=
ε
w
=
ε
o
)
mo
Ŝ
na zgodnie z prawem mieszanin zapisa
ć
jako (Rys.2a):
σ
k
=
σ
w
V
w
+
σ
o
(1-V
w
)
(3)
a)
b)
Rys.2 Krzywa napr
ęŜ
enie-odkształcenie dla kompozytu o włóknach ci
ą
głych: a) gdy
ε
k
=
ε
w
=
ε
o
, b)
ε
w
>
ε
o
w porównaniu do krzywych dla włókien i osnowy. Maksimum na
krzywej oznacza p
ę
kanie włókien [1]
Jednak w praktyce cz
ę
sto mamy do czynienia z kompozytami o ci
ą
gliwej osnowie
(np.
Ŝ
ywica) wzmacnianej kruchymi włóknami (np. szklanymi), dla których
εεεε
w
>
εεεε
o
(Rys.2b). W takim przypadku zale
Ŝ
no
ść
napr
ęŜ
enie-odkształcenie jest liniowa o
nachyleniu E
kII
a
Ŝ
do chwili kiedy osnowa zaczyna p
ę
ka
ć
przy napr
ęŜ
eniu
σσσσ
’
o
ni
Ŝ
szym od jej wytrzymało
ś
ci
σσσσ
o
. Od tego momentu wi
ę
kszo
ść
dodatkowego
obci
ąŜ
enia przenosz
ą
włókna, które w dalszym ci
ą
gu rozci
ą
gaj
ą
si
ę
spr
ęŜ
y
ś
cie a
Ŝ
do
ich p
ę
kni
ę
cia (przy
ε
w
), po czym napr
ęŜ
enie maleje do granicy plastyczno
ś
ci osnowy.
Kompozyt ulega całkowitemu zniszczeniu, gdy p
ę
ka osnowa (przy
σ
o
).
W zastosowaniu konstrukcyjnym znaczenie ma maksymalna warto
ść
napr
ęŜ
enia. W
powy
Ŝ
szym przypadku jest to napr
ęŜ
enie przy którym p
ę
kaj
ą
włókna, a osnowa
zaczyna płyn
ąć
. W tym momencie w osnowie wyst
ę
puje napr
ęŜ
enie (
σ
’
o
) które jest
ni
Ŝ
sze od jej wytrzymało
ś
ci (
σ
m
).
Oznaczaj
ą
c przez
σ
’
o
napr
ęŜ
enie w osnowie, przy którym zachodzi zniszczenie
włókien, mo
Ŝ
na prawo mieszanin przedstawi
ć
w postaci:
σ
k
=
σ
w
V
w
+
σ
'
o
(1-V
w
)
(4)
Stosuje si
ę
ono jedynie w przypadku, gdy w osnowie znajduje si
ę
na tyle du
Ŝ
a ilo
ść
włókien, by mogły one decydowa
ć
o wytrzymało
ś
ci kompozytu. Je
Ŝ
eli ilo
ść
włókien
5
jest niewystarczaj
ą
ca, to przy zało
Ŝ
eniu,
Ŝ
e
ε
o
>
ε
w
włókna mog
ą
nie powstrzyma
ć
odkształcenia osnowy, ulegn
ą
zerwaniu a osnowa nadal b
ę
dzie przenosi
ć
obci
ąŜ
enie
a
Ŝ
do jej zniszczenia. Z tego powodu kompozyty z osnow
ą
plastyczn
ą
musz
ą
zawiera
ć
pewn
ą
minimaln
ą
obj
ę
to
ść
włókien pocz
ą
wszy od której stosuje si
ę
prawo
mieszanin. W celu wyznaczenia tej minimalnej obj
ę
to
ś
ci włókien zakłada si
ę
,
Ŝ
e gdy
włókien jest bardzo mało, to w pewnych granicach obci
ąŜ
e
ń
działaj
ą
one jak
wtr
ą
cenia fazy obcej, które osłabiaj
ą
kompozyt, a jego wytrzymało
ść
zale
Ŝ
y od
udziału obj
ę
to
ś
ciowego i wytrzymało
ś
ci osnowy:
σ
k
=
σ
o
(1-V
w
)
(5)
Mimo,
Ŝ
e włókna p
ę
kaj
ą
wcze
ś
niej od osnowy, to ze zwi
ę
kszeniem ich udziału
obj
ę
to
ś
ciowego, gdy jest ich wystarczaj
ą
co du
Ŝ
o by zacz
ę
ły wzmacnia
ć
osnow
ę
mo
Ŝ
e, zgodnie z równaniem (4) dochodzi
ć
do podnoszenia wytrzymało
ś
ci
kompozytu. Na Rys. 3 przedstawiono proste opisane równaniami 4 i 5, punkt ich
przeci
ę
cia oznacza minimalny udział obj
ę
to
ś
ciowy włókien (V
min
) powy
Ŝ
ej którego
zaczyna wzrasta
ć
wytrzymało
ść
kompozytu. Realne wzmocnienie kompozytu
zachodzi jednak dopiero, gdy udział obj
ę
to
ś
ciowy włókien przekroczy warto
ść
krytyczn
ą
(V
kryt
) powy
Ŝ
ej której wytrzymało
ść
kompozytu (
σ
k
) przekroczy
wytrzymało
ść
osnowy (
σ
ο
). (Rys.3).
Rys.3. Obj
ę
to
ść
minimalna i krytyczna włókien w osnowie plastycznej
- Odporno
ść
na p
ę
kanie
6
Kompozyty wzmacniane włóknami długimi mog
ą
cechowa
ć
si
ę
podwy
Ŝ
szon
ą
odporno
ś
ci
ą
na p
ę
kanie. Jest to zwi
ą
zane z mechanizmami podwy
Ŝ
szania energii
p
ę
kania wyst
ę
puj
ą
cych w tych materiałach a zwi
ą
zanych m.in. z wytrzymało
ś
ci
ą
granicy rozdziału włókno-osnowa oraz z wła
ś
ciwo
ś
ciami mechanicznymi włókien
takimi jak wytrzymało
ść
czy moduł Younga. Typowym mechanizmem jest wyci
ą
ganie
zerwanych włókien (ang. „pull out”) z matrycy, który wymaga wykonania dodatkowej
pracy a tym samym pochłania energi
ę
p
ę
kni
ę
cia.
c) Włókna wzmacniaj
ą
ce
Włókna wzmacniaj
ą
ce mog
ą
by
ć
wykonane z ró
Ŝ
nych materiałów np. z celulozy,
szkła, polimerów syntetycznych, grafitu, metali. Wła
ś
ciwo
ś
ci przykładowych włókien
zebrano w Tabeli1.
Tabela 1. Wła
ś
ciwo
ś
ci niektórych włókien i osnowy
Materiał
Moduł
spr
ęŜ
ysto
ś
ci,
E [GPa]
Wytrzymało
ść
na
rozci
ą
ganie
[MPa]
G
ę
sto
ść
ρ
[g/cm
3
]
Włókno
W
ę
glowe typu 1
390
2200
1,95
W
ę
glowe typu 2
250
2700
1,75
Celulozowe
60
1200
1.61
Szklane typu E
76
1400-2500
2,56
Kevlar (wł.aramidowe)
125
2760
1,45
PAN
10
500
1.15
Osnowa
ś
ywica epoksydowa
4
60
1,3
ś
ywica poliestrowa
3
60
1,2
Pojedyncze włókna maj
ą
ś
rednice rz
ę
du kilku – kilkunastu mikrometrów i w zwi
ą
zku z
tym ich bezpo
ś
rednie u
Ŝ
ycie przy wytwarzaniu kompozytów jest utrudnione dlatego
te
Ŝ
kompozyty otrzymuje si
ę
stosuj
ą
c ró
Ŝ
nego rodzaju materiały włókniste. Poni
Ŝ
ej
przedstawiono formy włókien szklanych stosowanych do wzmacniania tworzyw:
- roving – to płaskie pasmo zło
Ŝ
one z kilkuset pojedynczych włókien poł
ą
czonych
bez skr
ę
tu i powleczonych substancjami chemicznymi zapewniaj
ą
cymi ich zlepienie
oraz lepsz
ą
przyczepno
ść
do osnowy w kompozycie.
- mata nietkana - to warstwy nieplecionych włókien ł
ą
czone chemicznie (lepione) lub
mechanicznie o wła
ś
ciwo
ś
ciach anizotropowych. Najcz
ęś
ciej u
Ŝ
ywane s
ą
rovingowe
7
maty lepione. Maty charakteryzuj
ą
si
ę
nierównomiernym rozkładem grubo
ś
ci i
g
ę
sto
ś
ci na całej powierzchni
- tkaniny – wyrabiane s
ą
na normalnych krosnach bawełnianych lub jedwabniczych,
Przy otrzymywaniu laminatów (tworzyw warstwowych) istotne znaczenie posiada typ
ich splotu. Wpływa on równie
Ŝ
na ich wła
ś
ciwo
ś
ci wytrzymało
ś
ciowe.
d) Osnowy polimerowe
Polimery wzmacniane włóknami s
ą
najstarszymi i najpowszechniej stosowanymi
materiałami kompozytowymi. Materiały stosowane na osnowy kompozytów
organicznych stanowi
ą
zarówno polimery termoplastyczne, jak i polimery
utwardzalne.
W warunkach podwy
Ŝ
szonej temperatury polimery termoplastyczne mi
ę
kn
ą
do
stanu plastycznego a nawet płynnego a przy chłodzeniu twardniej
ą
. Dzi
ę
ki tym
własno
ś
ci
ą
wyroby z tych polimerów formuje si
ę
metodami wytłaczania, wtryskiwania
i prasowania. Do najbardziej znanych tworzyw w tej grupie zaliczy
ć
mo
Ŝ
na polietylen,
polipropylen, polichlorek winylu, poliamidy, polimetakrylan metylu, polistyren i
poliw
ę
glany. Z uwagi na wła
ś
ciwo
ś
ci i wynikaj
ą
c st
ą
d metody formowania, do
wzmacniania termoplastów u
Ŝ
ywa si
ę
tylko włókien krótkich.
Kompozyty
organiczne
otrzymuje
si
ę
głównie
z
Ŝ
ywic
utwardzanych
charakteryzuj
ą
cych si
ę
budow
ą
w postaci sieci przestrzennej, zło
Ŝ
onych z
makrocz
ą
steczek poprzeplatanych z sob
ą
i poł
ą
czonych wi
ą
zaniami atomowymi.
Dzi
ę
ki takiej budowie
Ŝ
ywice utwardzalne (duroplasty)
s
ą
nietopliwe i
nierozpuszczalne. Polimery, w których sieciowanie przestrzenne zachodzi tylko pod
wpływem temperatury, nazywaj
ą
si
ę
termoutwardzalnymi i do najwa
Ŝ
niejszych
zaliczy
ć
tu trzeba fenoplasty (
Ŝ
ywice fenolowe i nowolakowe) i aminoplasty (
Ŝ
ywice
mocznikowe i melaminowe). Polimery, w których wytwarzanie trójwymiarowej sieci
przestrzennej zachodzi pod wpływem czynnika sieciuj
ą
cego w postaci zwi
ą
zku
chemicznego, nazywaj
ą
si
ę
chemoutwardzalnymi i do tej grupy zaliczaj
ą
si
ę
Ŝ
ywice
poliestrowe i epoksydowe. Wła
ś
ciwo
ś
ci tych polimerów zebrano w Tabeli 1.
e) Wybrane metody formowania kompozytów polimerowych
Techniki formowania kompozytów polimerowych cz
ę
sto bazuj
ą
na półproduktach
polimer-napełniacz takich jak:
-preimpreganty (inaczej prepregi), to tkaniny b
ą
d
ź
pasma rovingu impregnowane
lub pokrywane roztworem
Ŝ
ywicy, która nast
ę
pnie jest poddawana wst
ę
pnemu –
niecałkowitemu sieciowaniu.
-tłoczywa, czyli mieszaniny polimeru chemoutwardzalnego (
Ŝ
ywicy) z utwardzaczem
(czynnikiem sieciuj
ą
cym), napełniaczem włóknistym i/lub proszkowym oraz ró
Ŝ
nymi
dodatkami. Tłoczywa mog
ą
by
ć
sypkie, lub o konsystencji kitu.
-granulaty,
s
ą
otrzymywane
w
wyniku
mieszania
stopionego
polimeru
termoplastycznego z włóknistymi napełniaczami oraz wytłaczania przez odpowiednie
dysze i ci
ę
cie na krótkie kawałki.
8
Istnieje wiele metod formowania/kształtowania wyrobów kompozytowych. Poni
Ŝ
ej
wymieniono tylko kilka wybranych.
Metoda kontaktowa – czyli formowanie r
ę
czne, polega na uło
Ŝ
eniu warstwy
odpowiednio przyci
ę
tej maty lub tkaniny w formie, nasyceniu ka
Ŝ
dej warstwy
Ŝ
ywic
ą
za pomoc
ą
p
ę
dzla lub szczotki i odci
ś
ni
ę
ciu nadmiaru
Ŝ
ywicy wałkiem. Metod
ę
t
ą
stosuje si
ę
do niewielkiej produkcji prototypów lub wyrobów o bardzo du
Ŝ
ych
wymiarach. Zalety metody kontaktowej polegaj
ą
na łatwo
ś
ci wykonania form i niskiej
cenie oprzyrz
ą
dowania, a zasadniczymi wadami s
ą
małe wytrzymało
ś
ci tak
produkowanych laminatów oraz niewielki udział obj
ę
to
ś
ciowy wzmocnienia.
Metoda natryskowa – jest stosowana do formowania du
Ŝ
ych powierzchni o niezbyt
skomplikowanym kształcie. Włókna w formie ci
ę
tego rovingu i osnowa (
Ŝ
ywica) s
ą
jednocze
ś
nie natryskiwane przy pomocy specjalnie skonstruowanych pistoletów.
Metoda ta jest wydajniejsza i mniej pracochłonna od m.kontaktowej. Wad
ą
jest mała
efektywno
ść
zbrojenia (przypadkowo uło
Ŝ
one nieci
ą
głe włókna) i mała dokładno
ść
.
Formowanie ci
ś
nieniowe z workiem – polega na uło
Ŝ
eniu w formie kilku warstw
mat lub tkanin i zalaniu cało
ś
ci
Ŝ
ywic
ą
a nast
ę
pnie umieszczeniu na powierzchni folii
rozdzielaj
ą
cej np. z celofanu. Nast
ę
pnie opuszcza si
ę
pokryw
ę
, dokr
ę
ca i wprowadza
do worka spr
ęŜ
one powietrze (Rys. 4). Metoda ta jest wydajniejsza od wy
Ŝ
ej
wymienionych ze wzgl
ę
du na dokładniejsze przesycenie tkaniny
Ŝ
ywic
ą
i wi
ę
kszym
wytrzymało
ś
ci
ą
formy umo
Ŝ
liwiaj
ą
c
ą
otrzymanie tworzyw o wi
ę
kszym udziale
wzmocnienia i bardziej równomiernych wła
ś
ciwo
ś
ciach. Stosuje si
ę
ci
ś
nienia rz
ę
du
0,2-0,4 MPa.
a) b)
Rys.4 Schemat formowania metod
ą
ci
ś
nieniow
ą
z workiem. Forma: a) przed
zamkni
ę
ciem, b) po zamkni
ę
ciu; 1 – pokrywa, 2 – worek, 3 – wyrób, 4 – forma, 5 –
doprowadzenie spr
ęŜ
onego powietrza [2]
Formowanie tłoczne tworzyw chemoutwardzalnych na zimno- Jest to
najprostsza i stosunkowo tania metoda prasowania
Ŝ
ywic polegaj
ą
ca na
zastosowaniu sztywnej formy dwucz
ęś
ciowej. W matrycy układa si
ę
zbrojenie
9
szklane w postaci warstw mat lub tkanin i wlewa odpowiedni
ą
ilo
ść
Ŝ
ywicy. Form
ę
zamyka si
ę
i utrzymuje pod ci
ś
nieniem 0,3-1,2 MPa. Nadmiar
Ŝ
ywicy usuwany jest
kanałami i po podniesieniu stempla otrzymuje si
ę
wyroby obustronnie gładkie
(Rys.5).
Rys.5 Prasowanie laminatu na zimno z u
Ŝ
yciem sztywnej formy: 1) fundamenty
Ŝ
elbetowe matrycy i stempla, 2) warstwa utwardzonej kompozycji poliestrowej z
wypełniaczem, 3) zewn
ę
trzna warstwa formy z laminatu, 4) ciekła
Ŝ
ywica z
utwardzaczem, 5) zbrojenie z włókien, 6) kołki prowadz
ą
ce, 7) odpływ nadmiaru
Ŝ
ywicy, 8) uszczelka
Wykonanie
ć
wiczenia
Ć
wiczenie składa si
ę
z trzech cz
ęś
ci
UWAGA:
Wszelkie czynno
ś
ci zwi
ą
zane z
Ŝ
ywic
ą
, utwardzaczem oraz włóknami
nale
Ŝ
y wykonywa
ć
w fartuchu ochronnym i gumowych r
ę
kawicach, gdy
Ŝ
substancje te łatwo przenikaj
ą
przez skór
ę
i mog
ą
powodowa
ć
objawy
alergiczne.
Za uszkodzenie urz
ą
dze
ń
wykorzystywanych podczas
ć
wiczenia Student ponosi
odpowiedzialno
ść
finansow
ą
Osnow
ę
kompozytu stanowi
Ŝ
ywica epoksydowa (Epidian 5 + utwardzacz Z-1),
natomiast faz
ę
wzmacniaj
ą
c
ą
włókna PAN (poliakrylonitryl) w formie rovingu.
Włókna PAN s
ą
prekursorem do syntezy włókien w
ę
glowych.
a) Wytwarzanie kompozytu wzmacnianego włóknami ci
ą
głymi
Celem tej cz
ęś
ci
ć
wiczenia jest zapoznanie si
ę
z metod
ą
formowania kompozytów
włóknistych metod
ą
kontaktow
ą
10
Sposób post
ę
powania:
1. Obliczenia ilo
ś
ci włókien oraz
Ŝ
ywicy koniecznej do sporz
ą
dzenia kompozytu o
podanym udziale obj
ę
to
ś
ciowym włókien
-W celu wyznaczenia masy 1 mb włókien nale
Ŝ
y zmierzy
ć
i zwa
Ŝ
y
ć
z dokładno
ś
ci
ą
do 0,001g odcinek rovingu (np. 30 cm)
-Obliczy
ć
długo
ść
oraz mas
ę
włókna potrzebnego do wykonania 15 zwoi na zwijarce.
Ś
rednica b
ę
bna zwijarki wynosi 110 mm
-Obliczy
ć
mas
ę
Ŝ
ywicy potrzebn
ą
do sporz
ą
dzenia kompozytu o udziale
obj
ę
to
ś
ciowym włókien wskazanym przez prowadz
ą
cego. Do oblicze
ń
przyj
ąć
g
ę
sto
ść
rzeczywist
ą
Ŝ
ywicy epoksydowej równ
ą
1,20 g/cm
3
oraz g
ę
sto
ść
rzeczywist
ą
włókien PAN równ
ą
1,15 g/cm
3
.
-Obliczy
ć
ilo
ść
potrzebnej
Ŝ
ywicy (Epidian 5) oraz utwardzacza (Z-1) potrzebn
ą
do
sporz
ą
dzenia mieszaniny o stosunku wagowym
Ŝ
ywica : utwardzacz równym
100:10. Wynik przedstawi
ć
prowadz
ą
cemu do sprawdzenia.
2. Wykonywanie kompozytów
-Na b
ę
ben zwijarki nawin
ąć
foli
ę
celofanow
ą
i przytwierdzi
ć
j
ą
przy pomocy ta
ś
my
klej
ą
cej.
-Odmierzy
ć
ilo
ść
włókna potrzebn
ą
do wykonania kompozytu i po odci
ę
ciu ze go
szpuli przytwierdzi
ć
jego koniec do celofanu za pomoc
ą
ta
ś
my klej
ą
cej.
-Nawin
ąć
włókno staraj
ą
c si
ę
uzyska
ć
równoległe ciasno le
Ŝą
ce zwoje. Po nawini
ę
ciu
całego odcinka jego koniec przytwierdzi
ć
do celofanu ta
ś
m
ą
klej
ą
c
ą
.
-Sporz
ą
dzi
ć
mieszanin
ę
Ŝ
ywicy z utwardzaczem w plastikowym pojemniku.
W pierwszej kolejno
ś
ci nale
Ŝ
y nawa
Ŝ
y
ć
utwardzacz przy pomocy strzykawki 10 ml.
Nast
ę
pnie do tego samego naczynia odwa
Ŝ
y
ć
odpowiedni
ą
ilo
ść
Ŝ
ywicy i cało
ść
energicznie wymiesza
ć
.
-Cało
ść
Ŝ
ywicy rozprowadzi
ć
na powierzchni włókien przy pomocy p
ę
dzelka, tak aby
pokryła wszystkie włókna na całej długo
ś
ci.
-Pozostawi
ć
włókna nasycone
Ŝ
ywic
ą
na nawijarce przez 1 godzin
ę
, a nast
ę
pnie
delikatnie je rozci
ąć
razem z celofanem, rozprostowa
ć
i przymocowa
ć
za pomoc
ą
11
ta
ś
my klej
ą
cej do przygotowanej podkładki i umie
ś
ci
ć
w suszarce nastawionej na
50
o
C. Na podkładce nale
Ŝ
y napisa
ć
jaki udział obj
ę
to
ś
ciowy włókien ma
wykonany kompozyt.
b) Wytwarzanie kompozytu wzmacnianego tkanin
ą
Celem tej cz
ęś
ci
ć
wiczenia jest zapoznanie si
ę
z metod
ą
formowania kompozytów
włóknistych metod
ą
kontaktow
ą
Sposób post
ę
powania:
1. Wykonanie tkaniny
- Szklan
ą
płytk
ę
nale
Ŝ
y owin
ąć
foli
ą
spo
Ŝ
ywcz
ą
i jej brzegi zamocowa
ć
przy pomocy
ta
ś
my klej
ą
cej. Nast
ę
pnie nale
Ŝ
y ople
ść
j
ą
w poprzek rovingiem ok. 15 – 20 razy.
Pasma rovingu powinny by
ć
nawijane „lu
ź
no” – tak aby był pomi
ę
dzy nimi pewien
odst
ę
p. Pocz
ą
tek jak i koniec pasma nale
Ŝ
y przymocowa
ć
ta
ś
ma klej
ą
c
ą
do płytki.
- Z pasma rovingu uci
ąć
10-15 odcinków o długo
ś
ci ok. 10 cm a nast
ę
pnie kolejno
przeple
ść
je przez nawini
ę
te pasmo rovingu. Odcinki powinny by
ć
przeplatane na
przemian pod i nad nawini
ę
tym pasmem rovingu. Kolejny odcinek powinien
zaczyna
ć
si
ę
przeciwnie od poprzedniego – tak aby w efekcie powstała tkanina. Po
przepleceniu wszystkich odcinków rovingu nale
Ŝ
y dosun
ąć
do siebie wszystkie
pasma, tak aby uzyska
ć
w miar
ę
„zbit
ą
” tkanin
ę
.
2. Wykonanie kompozytu
-Oszacowa
ć
mas
ę
tkaniny. W tym celu nale
Ŝ
y wyznaczy
ć
długo
ść
odcinków rovingu,
które wchodz
ą
w jej skład.
-Obliczy
ć
mas
ę
Ŝ
ywicy potrzebn
ą
do wykonania kompozytu o udziale obj
ę
to
ś
ciowym
włókien równym 50%.
-Sporz
ą
dzi
ć
ok. 1-2 gramy mieszaniny
Ŝ
ywicy przy zało
Ŝ
eniu,
Ŝ
e stosunek wagowy
Ŝ
ywicy do utwardzacza wynosi 100:10. Przed rozprowadzeniem po tkaninie
Ŝ
ywic
ę
nale
Ŝ
y energicznie wymiesza
ć
.
-Płytk
ę
z kompozytem umie
ś
ci
ć
na wadz
ę
a nast
ę
pnie ostro
Ŝ
nie nawa
Ŝ
y
ć
na tkanin
ę
odpowiedni
ą
ilo
ść
Ŝ
ywicy i delikatnie rozprowadzi
ć
j
ą
po całej tkaninie. Nast
ę
pnie
kompozyt wraz płytk
ą
umie
ś
ci
ć
w suszarce nastawionej na 50
o
C. Na płytce nale
Ŝ
y
napisa
ć
jaki udział obj
ę
to
ś
ciowy włókien ma wykonany kompozyt.
12
c) Wyznaczanie modułu Younga kompozytów włóknistych
Celem tej cz
ęś
ci
ć
wiczenia jest zmierzenie modułu Younga kompozytów włóknistych
metod
ą
statyczn
ą
przy u
Ŝ
yciu uniwersalnej maszyny wytrzymało
ś
ciowej oraz
porównanie tej warto
ś
ci z warto
ś
ci
ą
teoretyczn
ą
.
Sposób post
ę
powania:
1. Przygotowanie próbek do bada
ń
-Ze sporz
ą
dzonych uprzednio kompozytów wzmacnianego włóknami ci
ą
głymi oraz
wzmacnianego tkanin
ą
nale
Ŝ
y wyci
ąć
no
Ŝ
yczkami 5 próbek o długo
ś
ci ok. 5 cm oraz
szeroko
ś
ci ok. 5 mm. Nale
Ŝ
y zwróci
ć
uwag
ę
,
Ŝ
eby próbki były jednolite, to znaczy
pozbawione p
ę
kni
ęć
, rozwarstwie
ń
itp., oraz
Ŝ
eby miały zbli
Ŝ
on
ą
szeroko
ść
na całej
swej długo
ś
ci. Przed przyst
ą
pieniem do wycinania próbek nale
Ŝ
y odklei
ć
kompozyt
od folii celofanowej.
-Ko
ń
ce próbek nale
Ŝ
y oklei
ć
ta
ś
m
ą
klej
ą
c
ą
na długo
ś
ci ok. 1 cm, aby zapobiec ich
wy
ś
lizgiwaniu si
ę
z uchwytów maszyny wytrzymało
ś
ciowej
2. Rozci
ą
ganie próbek
-Maszyn
ę
wytrzymało
ś
ciow
ą
oraz program uruchamia i obsługuje prowadz
ą
cy
-
Zmierzy
ć
szeroko
ść
oraz grubo
ść
próbek przy pomocy suwmiarki
-Próbki nale
Ŝ
y zamontowa
ć
w uchwytach maszyny wytrzymało
ś
ciowej tak aby były
maksymalnie naci
ą
gni
ę
te (wyprostowane) i pionowe
-Nale
Ŝ
y zerwa
ć
przynajmniej po 3 próbki z danego kompozytu i odczyta
ć
i zanotowa
ć
podawan
ą
przez program warto
ść
modułu Younga oraz wytrzymało
ś
ci
Opracowanie wyników cz
ęś
ci „a”, „b” i „c”
ć
wiczenia
Opisa
ć
zastosowan
ą
metod
ą
otrzymywania kompozytów włóknistych zwracaj
ą
c
uwag
ę
na jej zalety i wady.
Obliczy
ć
warto
ś
ci
ś
rednie oraz odchylenia standardowe modułu Younga
i wytrzymało
ś
ci na zrywanie badanych kompozytów. Porówna
ć
warto
ś
ci modułu
Younga dla kompozytów wzmacnianych włóknami ci
ą
głymi i tkaninami –
uwzgl
ę
dniaj
ą
c udziały obj
ę
to
ś
ciowe włókien.
Na podstawie znajomo
ś
ci udziału obj
ę
to
ś
ciowego włókien wyliczy
ć
teoretyczn
ą
warto
ść
modułu Younga dla kompozytu wzmacnianego włóknami ci
ą
głymi
i porówna
ć
j
ą
z warto
ś
ci
ą
zmierzon
ą
.