AKADEMIA MORSKA W SZCZECINIE
ZAKŁAD INśYNIERII MATERIAŁÓW OKRĘTOWYCH
MATERIAŁOZNAWSTWO OKRĘTOWE
Instrukcja do ćwiczenia laboratoryjnego
Temat laboratorium: KOMPOZYTY MMC, PMC.
SZCZECIN
AKADEMIA MORSKA - ZAKŁAD INśYNIERII MATERIAŁÓW OKRĘTOWYCH
Kompozyty MMC,PMC
2
Celem laboratorium jest:
- poznanie podstawowych rodzajów materiałów kompozytowych;
- poznanie budowy materiału kompozytowego;
- poznanie podziału materiałów kompozytowych;
- poznanie podstawowych sposobów wytwarzania materiałów kompozytowych.
Wiadomości podstawowe
Rozwijający się przemysł, określa coraz bardziej sprecyzowane kierunki rozwoju wielu
dziedzin nauki i techniki, ale i równieŜ stawia przed nimi coraz większe wymagania. Ten swego
rodzaju „wyścig” dotyczy równieŜ inŜynierii materiałowej. PoniewaŜ materiały uzyskiwane z
dostępnych pierwiastków, nie spełniają coraz to większych wymagań jakie się przed nimi stawia,
dlatego poszukuję się materiałów nowszych bardziej doskonałych o znacznie lepszych
właściwościach mechanicznych.
WiąŜe się to nie tylko, z poprawą warunków eksploatacji, dłuŜszą Ŝywotnością maszyn i
urządzeń, ale i równieŜ z tańszymi i mniej szkodliwymi dla środowiska metodami ich
pozyskiwania. Przy czym stwierdzenie „nowe i lepsze” dotyczy przede wszystkim poszukiwania
materiałów o coraz to lepszych właściwościach mechanicznych przy zmniejszaniu ich cięŜaru, co
istotnie przekłada się na warunki eksploatacyjne (np. warunki spalania, toksyczność spalin,
sprawność, Ŝywotność itp.).
Głównym kierunkiem poszukiwań jest znalezienie materiału nie tylko lepszego,
charakteryzującego się lepszymi parametrami wytrzymałościowymi, ale równieŜ takiego, gdzie
będzie moŜliwe sterowanie tymi parametrami, zaleŜnie od stawianych przed materiałem
wymogami. Takie sterowanie parametrami danego materiału, pozwoli na znaczne ograniczenie
kosztów magazynowania i produkcji, albowiem odpowiednio opracowana technologia pozwoli na
bazie
tych
samych
składników
(faz)
utworzyć
materiały
o
róŜnych
parametrach
wytrzymałościowych, elektrycznych, cieplnych i fizykochemicznych.
Obiecującą grupę stanowią tu materiały kompozytowe, które wbrew pozorom nie są
materiałami nowymi, choć w XX wieku zaczęły przeŜywać istny renesans. Ślady ich stosowania
moŜna znaleźć juŜ IX w. p. n. e., gdzie wytwarzano cegły z gliny, wzmacniane słomą.
Pierwszy patent na wytwarzanie włókien szklanych powstał w roku 1931, natomiast
pierwsze połączenie Ŝywicy epoksydowej z włóknem szklanym powstało w roku 1942, a następnie
zaczęto stosować materiały kompozytowe do
celów wojskowych. Przykładem takim są
choćby barki betonowe (tankowce) przewoŜące
paliwo z fabryki benzyny syntetycznej w
Policach w okresie II światowej.
Wiele dziedzin nauki i techniki zaczyna obecnie
bazować
na
materiałach
kompozytowych.
Szczególnie popularne są one elektronice,
elektrotechnice, lotnictwie i motoryzacji, a takŜe
przemyśle kosmicznym. Materiały te stają się nie
tylko coraz bardziej popularne w drogich
AKADEMIA MORSKA - ZAKŁAD INśYNIERII MATERIAŁÓW OKRĘTOWYCH
Kompozyty MMC,PMC
3
dziedzinach techniki i nauki, ale równieŜ coraz częściej stosowane są w prostych urządzeniach i
rzeczach uŜytku codziennego. Prostymi przykładami mogą być elementy dekoracji i wykończenia
wnętrz, sprzęt sportowy i turystyczny, a nawet niektóre pasty do zębów i proszki do prania.
Materiał kompozytowe stają się wszechobecne, ze względu na swoje zalety, a technologia ich
wytwarzania pozwala uzyskiwać materiały coraz bardziej wytrzymałe. Rozwój i poprawa
właściwości innych materiałów, przebiegają znacznie wolniej, a w porównaniu do rozwoju
materiałów kompozytowych, są one wręcz znikome.
Czym jest kompozyt
Wyjaśnienie tego terminu w sposób jednoznaczny i prosty nie jest moŜliwe, poniewaŜ nie ma
definicji uniwersalnej, która obejmowała by wszystkie rodzaje materiałów kompozytowych.
Definicje którą moŜna spotkać najczęściej, to definicja podana w 1967 r. przez Broutmana i
Krocka:
1.
kompozyt jest materiałem wytworzonym sztucznie,
2.
kompozyt musi się składać z co najmniej dwóch róŜnych pod względem chemicznym
materiałów z wyraźną granicą rozdziału między komponentami (fazami)
3.
komponenty charakteryzują kompozyt swymi udziałami objętościowymi
4.
kompozyt charakteryzuje się takimi właściwościami, jakich nie mają komponenty
osobno.
Definicja ta, jest róŜnie modyfikowana w literaturze, poniewaŜ nie obejmuje ona
wszystkich grup materiałów. Pomija ona kompozyty naturalne, materiały platerowane i
warstwowe.
Inna definicją materiału kompozytowego, która jest mało precyzyjna a zarazem szeroka, to
definicja stworzona prze Javitza w 1965, który uwaŜa iŜ materiałem kompozytowym moŜe być
kaŜdy materiał, który nie jest czystą substancją.
Definicje te są często modyfikowane i nie zawsze jednoznaczne, dlatego warto by się
przyjrzeć definicji, którą podało wydawnictwo PWN w Encyklopedii Powszechnej z roku 1988.
Idąc za tym źródłem, kompozytem nazywamy „materiał wytworzony z co najmniej dwóch
komponentów (faz) o róŜnych właściwościach w taki sposób, Ŝe ma on właściwości lepsze i (lub)
właściwości nowe (dodatkowe) w stosunku do komponentów uŜytych osobno, lub wynikające z
prostego sumowania tych właściwości; kompozyt jest materiałem zewnętrznie monolitycznym,
jednakŜe z widocznymi granicami między komponentami”.
Kompozyt i jego budowa
Materiał kompozytowy musi być zbudowany z co najmniej dwóch faz, z których jedna
nazywana jest zbrojeniem (umocnieniem), a druga osnową.
Faza wzmacniająca materiał kompozytowy, moŜe przyjąć postać drobnych cząstek,
krótkich włókien lub płatków, a takŜe włókien ciągłych.
Cechą charakterystyczną materiałów kompozytowych jest to iŜ zarówno zbrojenie jak i
osnowa ma do spełnienia określone funkcje i oba elementy wzajemnie się uzupełniają.
AKADEMIA MORSKA - ZAKŁAD INśYNIERII MATERIAŁÓW OKRĘTOWYCH
Kompozyty MMC,PMC
4
Funkcje osnowy:
•
utrzymanie całego układu w zwartej formie;
•
przenoszenie obciąŜeń zewnętrznych na zbrojenie;
•
zabezpieczenie zbrojenia przed uszkodzeniami mechanicznymi;
•
nadanie wyrobom określonego kształtu.
Funkcje zbrojenia:
•
polepszenie właściwości wytrzymałościowych;
•
zwiększenie odporności na zuŜycie ścierne;
•
zmniejszenie rozszerzalności cieplnej;
•
wzrost odporności na szoki termiczne;
•
zatrzymuje rozprzestrzenianie się pęknięć.
PoniŜsze zdjęcie, wykonanie przy pomocy mikroskopu skaningowego przedstawia
materiału kompozytowego, gdzie zbrojenie widoczne jest w postaci ciemniejszych miejsc a
osnowa w postaci jaśniejszych.
Podział materiałów kompozytowych
AKADEMIA MORSKA - ZAKŁAD INśYNIERII MATERIAŁÓW OKRĘTOWYCH
Kompozyty MMC,PMC
5
PoniewaŜ brak jest ogólnie akceptowalnej definicji kompozytów, utrudnia to równieŜ
dokonanie ich klasyfikacji w sposób jednoznaczny. Materiały kompozytowe, podzielić moŜna w
zaleŜności od rodzaju osnowy, rodzaju zbrojenia, sposobu wytwarzania, przeznaczenia,
właściwości technologicznych itd.
Podział w zaleŜności od pochodzenia:
•
„kompozyty naturalne”
•
kompozyty wytwarzane i zaprojektowane przez człowieka
Podział według przeznaczenia:
•
kompozyty konstrukcyjne
•
kompozyty o szczególnych właściwościach fizycznych lub chemicznych;
Podział według rodzaju osnowy:
•
kompozyty o osnowie nie metalicznej:
o
polimerowej (PMC);
o
ceramicznej (CMC);
•
kompozyty o osnowie metalicznej (MMC);
•
kompozyty o osnowie półprzewodnikowej.
•
kompozyty o osnowie organicznej (OMC);
Podział uwzględniający wpływ kształtu i wymiarów komponentu zbrojącego na mechanikę pracy
kompozytów konstrukcyjnych:
•
kompozyty zbrojone włóknem:
o
ciągłym
o
krótkim (ciętym)
•
kompozyty umocnione dyspersyjnie;
•
kompozyty umocnione cząsteczkami.
Podział kompozytów metalicznych według struktury lub sposobu połączenia komponentów:
•
kompozyty umocnione (zbrojone) cząstkami, włóknem lub siatką:
o
zbrojenie wprowadzone do osnowy w procesie wytwarzania kompozytu;
o
zbrojenie zorientowane odpowiednimi procesami technologicznymi (np.
krystalizacja zorientowana, przeróbka plastyczna);
•
kompozyty umocnione wydzieleniowo;
•
kompozyty warstwowe, platerowane lub powlekane.
Podział kompozytów metalicznych według technologii wytwarzania:
•
metodą inkludowania, infiltracji, oblewania, powlekania, natryskiwania włókien lub
cząstek;
•
za pomocą zgrzewania, zwłaszcza dyfuzyjnego;
•
za pomocą przeróbki plastycznej (zgrzewanie, orientowanie);
•
metodami metalurgii proszków;
•
metodą krystalizacji zorientowanej (pierwotnej lub wtórnej).
Podział kompozytów zaleŜnie od tego w jaki sposób powstaje faza zbrojąca:
•
kompozyty „in situ” – gdzie zbrojenie powstaje w trakcie procesu krystalizacji i moŜe
przyjmować róŜny kształt (cząstki, nitki);
•
kompozyty „in vitro” – gdzie faza zbrojąca zostaje wprowadzona do ciekłej osnowy,
(faza zbrojąca wytworzona poza „ustrojem”, poza materiałem kompozytowym).
AKADEMIA MORSKA - ZAKŁAD INśYNIERII MATERIAŁÓW OKRĘTOWYCH
Kompozyty MMC,PMC
6
Kompozyty metalowe otrzymuje się metodami metalurgii proszków oraz metodami
odlewniczymi. Burzliwy rozwój materiały kompozytowe wytwarzane metodami odlewniczymi
zapoczątkowały w latach 80 XX wieku, gdzie w zakładach Toyota Motor Corporation, zaczęto
wykonywać tłoki silników spalinowych zbrojone włóknami krótkimi. Pozwoliło to na zwiększenie
odporności na ścieranie w podwyŜszonych temperaturach.
Rys.1.1. Wytwarzanie odlewanych materiałów kompozytowych
Kompozyty zawiesinowe otrzymywane są poprzez zmieszanie cząstek fazy stałej
(zbrojenia) wraz z z osnową metalową. Uzyskując jednorodną mieszaninę, odlewa się ją
ciśnieniowo bądź grawitacyjnie i otrzymuje materiał kompozytowy umocniony w całej swej
objętości. Jako fazę zbrojącą najczęściej wytwarzana jest na bazie grafitu, miki, boru, węglików
SiC, TiC, CrC, WC, Zr, Moc, tlenków Al2O3, SiO2, ZrO2 i azotków o ziarnistości od kilku do
kilkuset mikrometrów lub włókien o średnicy 0,2 do 0,4 mm i długości 0,5 do 2,0 mm. Udział
zbrojenia w materiale kompozytowy zawiesinowym nie przekracza zazwyczaj 30 %.
Kompozyty nasycane wytwarzane są poprzez wprowadzenie ciekłego metalu osnowy do
wcześniej przygotowanej kształtki porowatej, zwanej preformą, umieszczonej w formie
odlewniczej. Niewątpliwą zaletą kompozytów umacnianych twardymi kształtkami jest bardzo
dobra odporność na zuŜycie, pogarsza się natomiast plastyczności.
PoniŜsze rysunki przedstawiają przykłady materiałów kompozytowych cMMC i dMMC.
a)
b)
c)
Rys. 1. Budowa metalowych kompozytów odlewanych:
a – in situ, b – zawiesinowych, c – nasycanych
AKADEMIA MORSKA - ZAKŁAD INśYNIERII MATERIAŁÓW OKRĘTOWYCH
Kompozyty MMC,PMC
7
a)
b)
c)
Rys. 2. Przykłady metalowych kompozytów odlewanych:
a – in situ, b – zawiesinowych, c – nasycanych
Cel stosowania materiałów kompozytowych
Prawdziwym „motorem” napędzającym rozwój kompozytów aluminiowych jest
niewątpliwie motoryzacja, gdzie stopy aluminium, Ŝeliwa i stali przestały wystarczać otwierając
jednocześnie „drzwi” przed materiałami kompozytowymi.
Zastosowanie materiałów kompozytowych w pojazdach roŜnego typu, pozwoliło na
zwiększenie wytrzymałości i sztywności przy jednoczesnym zmniejszeniu masy. Zwiększono
równieŜ odporności na zuŜycie. Dzięki temu zmniejszyła się masa pojazdów, zmniejszyło się
zuŜycie paliwa, a co za tym idzie zmniejszyła się ilość toksycznych gazów wydzielanych do
atmosfery. A wszystko przekłada się na czynniki ekologiczne i ekonomiczne, które w obecnych
czasach są znacznie bardziej brane pod uwagę niŜ miało to miejsce w poprzednich dekadach.
Jednak poprawa warunków spalania w silnikach to nie wszystko, na co pozwoliły materiały
kompozytowe. Wykonania niektórych elementów układu tłokowo korbowego silnika spalinowego
pozwoliło na lepsze osiągi choćby w sporcie motorowym. Silniki o tych samych gabarytach
osiągają większe moce, miększe prędkości obrotowe, szybciej „wkręcają się na obroty”,
charakteryzują się większą kulturą pracy.
Kompozyty AlMC zaczęto stosować w przemyśle motoryzacyjnym w latach
osiemdziesiątych XX w., kiedy to firma Toyota wprowadziła do produkcji tłok silnika
wysokopręŜnego z kompozytu umocnionego cząstkami. Następnie w roku 1993. wprowadziła tłoki
wzmacniane w okolicach rowków pierścieniowych krótkimi włóknami Al
2
O
3
.
Obecnie wiele firm na całym świecie stosuje materiały kompozytowe do wyrobu
elementów stosowanych w produkcji pojazdów roŜnych typów.
AKADEMIA MORSKA - ZAKŁAD INśYNIERII MATERIAŁÓW OKRĘTOWYCH
Kompozyty MMC,PMC
8
Cel stosowania materiałów kompozytowych jest następujący:
•
zmniejszenie masy;
•
zwiększenie wytrzymałości i sztywności;
•
podniesienie odporności korozyjnej;
•
zwiększenie odporności na pękanie;
•
zwiększenie stabilności wymiarów;
•
duŜa swoboda projektowania;
•
Łatwość wprowadzania zmian;
•
ObniŜenie kosztów projektowania krótkich serii.
Cz
ęś
ci
Firma
Materiał
Tłoki
•
Duralcan,
•
MartinMarietta,
•
Lanxide,
•
Mahle Kolbenschmidt,
•
Yamacha Motor Co;
Korbowody
•
Nissan,
•
Pressmetall,
•
Dupont Chrysler,
•
Martin Marietta
Tuleje cylindrowe
•
Duralcan,
•
Lanxide
Wały nap
ę
dowe
•
Duralcan
(60661/20% Al2O3)
Tarcze hamulcowe
•
Wanpaca Foundy
tajemnica firmy
Tab.1. Przykłady zastosowania materiałów kompozytowych AlMC w przemyśle motoryzacyjnym
Innym bardzo waŜnym odbiorcą kompozytów, są firmy zajmujące się przemysłem lotniczym.
Stosuje się wiele rodzajów róŜnych materiałów kompozytowych. Stosowane są one zarówno przy
budowie modeli latających, szybowców,
samolotów
turystycznych,
samolotów
pasaŜerskich
a
takŜe
samolotów
wojskowych. Bardzo zaawansowanym pod
tym względem jest nowy samolot pasaŜerski
Airbus A380, gdzie całe usterzenie pionowe
i poziome wykonane jest właśnie z
materiałów
kompozytowych
(Ŝywica
epoksydowa i włókna węglowe). RównieŜ
całe
poszycie
górnego
pokładu
jest
wykonane z materiałów kompozytowych, co
pozwoliło
zmniejszyć
masę
startową
samolotu aŜ o 800 kg.
Pomimo iŜ materiały kompozytowe są czasami dosyć drogie to
jednak przyjmuje się iŜ całkowity koszt poniesiony na materiały w całym projekcie nie wynosi
zazwyczaj więcej niŜ 3.5 % całkowitych kosztów. Co jest kolejną cechą przemawiającą za
stosowaniem materiałow kompozytowych.
Wymagane wiadomości
AKADEMIA MORSKA - ZAKŁAD INśYNIERII MATERIAŁÓW OKRĘTOWYCH
Kompozyty MMC,PMC
9
W celu poprawnej analizy próbek i zrozumienia istoty przeprowadzanych badań,
wymagana jest znajomość następujących pojęć:
•
Definicja materiału kompozytowego;
•
Podział materiałów kompozytowych;
•
Zastosowanie materiałów kompozytowych;
•
Znajomość mikrostruktur z ćwiczenia „Aluminium i jego stopy”;
Przebieg laboratorium
Ć
wiczenie „Kompozyty MMC, PMC" podzielone jest na dwie części: teoretyczną
i praktyczną, realizowane w jednym bloku (90 min.).
Część teoretyczna dotyczy:
1.
wprowadzenie do tematu;
2.
omówienie podstawowych pojęć związanych z materiałami kompozytowymi
3.
przedstawienie podstawowych rodzajów materiałów kompozytowych na podstawie
próbek przygotowanych do zajęć;
Część praktyczna w pełni realizowana przez studentów:
1.
wykonać szkice próbek w skali makro, które zostały przedstawione na zajęciach
zaznaczając, charakterystyczne obszary materiałów kompozytowych;
•
zaznaczyć na rysunku zbrojenie;
•
zaznaczyć na rysunku osnowę;
•
porównać przedstawione kompozyty i znaleźć między nimi róŜnice
2.
wykonać szkice próbek kompozytów MMC w skali mikro korzystając z
mikroskopu świetlnego i porównać je z próbkami prezentowanymi na zajęciach
„Aluminium i stopy aluminium”
3.
wykonać zbrojenie przeznaczone do wykonania kompozytu MMC:
•
przygotować włókna;
•
wymieszać z wodą i składnikami w proporcjach podanych przez
prowadzącego;
•
przelać tak wytworzoną gęstwę do przyrządu słuŜącego do wytwarzania
kształtek zbrojących;
•
odsączyć wodę w w/w urządzeniu;
•
włoŜyć kształtkę do suszarki na około 30 min, nastawiając temp. podaną
przez prowadzącego;
4.
wykonać próbki kompozytu PMC wg poniŜszego opisu;
•
przygotować kawałki maty o wymiarach 150 x 300 mm, szt.20
•
przygotować Ŝywicę, rozrabiając ją w odpowiednich proporcjach z
utwardzaczem;
•
nasączając matę Ŝywicą, przy pomocy pędzla przygotować próbki o
następującej ilość warstw: 2, 4, 6, 8;
•
sprawdzić na maszynie wytrzymałościowej przy jakim nacisku próbki
pękną;
wyniki próby umieścić w sprawozdaniu i wykonać wykres: L=f(F)
gdzie: L – ilość
warstw kompozytu, F – siła
Sprawozdanie
Sprawozdanie powinno zawierać:
1.
Cel ćwiczenia;
AKADEMIA MORSKA - ZAKŁAD INśYNIERII MATERIAŁÓW OKRĘTOWYCH
Kompozyty MMC,PMC
10
2.
Wiadomości podstawowe dotyczące materiałów kompozytowych;
3.
Opis przebiegu ćwiczenia;
4.
Rysunki i opis poszczególnych próbek;
5.
Opis wykonania zbrojenia;
6.
Wnioski.
Literatura
1.
Dobrzyński L.: Podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwo, Warszawa 2002.
2.
Domke W.: Vademecum materiałoznawstwa, Warszawa 1982.
3.
Cicholska M, Czechowski M.: Materiałoznawstwo okrętowe, Gdynia 1999.
4.
Prowans S.: Materiałoznawstwo, Warszawa 1997.
5.
Przybyłowicz K.: Metaloznawstwo, Warszawa 1996.
6.
Wesołowski K.: Metaloznawstwo i obróbka cieplna, Wydawnictwo Naukowo Techniczne;