Materiały konstrukcyjne – tworzywa polimerowe i kompozyty stosowane w budowie maszyn

Materiały konstrukcyjne

– tworzywa polimerowe i

kompozyty stosowane w

budowie maszyn

Tworzywo polimerowe

Tworzywo polimerowe jest to materiał, którego głównym
składnikiem, decydującym o jego strukturze i właściwościach
jest polimer.
Inne składniki to:
• Napełniacze (włókna mineralne, węglowe i grafitowe,

proszki metaliczne, sproszkowane tlenki i sole, grafit,
sadza, krzemionka itp.)

• Fotostabilizatory
• Stabilizatory termiczne
• Antyutleniacze
• Środki uniepalniające
• Plastyfikatory
• Środki barwiące

Ze względu na własności użytkowe, tworzywa
polimerowe dzieli się na dwie podstawowe grupy:
elastomery i plastomery.

Elastomerami nazywa się tworzywa, które poddane
dużym odkształceniom w temperaturze pokojowej
po zdjęciu obciążenia prawie natychmiast powracają
do postaci pierwotnej i które są, albo mogą być
modyfikowane do stanu nierozpuszczalnego we
wrzących rozpuszczalnikach organicznych.
Do tych związków należą: kauczuk naturalny,
wszystkie rodzaje kauczuku syntetycznego oraz
poliizobutylen.

Plastomerami nazywa się tworzywa
charakteryzujące się stosunkowo niewielkim
wydłużeniem przy rozerwaniu oraz stosunkowo
dużą wartością modułu sprężystości podłużnej.
W grupie plastomerów rozróżnia się następujące
rodzaje tworzyw:
- Tworzywa termoplastyczne (termoplasty)
- Tworzywa utwardzalne (duroplasty)

Termoplasty

Zbudowane są z cząsteczek liniowych. Podgrzane
przechodzą w stan plastyczny, zaś ostudzone
twardnieją (nie tracąc zdolności do ponownego
uplastycznienia przy powtórnym nagrzaniu).

Należą do nich:
polietylen, polipropylen, polichlorek winylu,
polistyren, poliamidy, polimetakrylan metylu,
poliwęglany, poliacetale, termoplastyczne
pochodne celulozy.

Duroplasty

Cechuje je przestrzennie usieciowana budowa,
tworząca się po wpływem podwyższonej temperatury
lub czynników chemicznych. W związków z tym
wykazują sztywność, stabilność wymiarową,
nierozpuszczalność i nietopliwość i doskonałe
właściwości termoizolacyjne. Główną wadą jest
kruchość i brak możliwości powtórnego formowania.

Należą do nich:
Fenoplasty, aminoplasty, żywice poliestrowe
nienasycone, żywice epoksydowe, silikony.

Kompozyt

Kompozyty są materiałami, w których metal,
ceramika lub polimer (stanowiące osnowę) są
wzmocnione dodatkiem proszku, włókna lub warstwy
pośredniej (zwanych zbrojeniem lub wzmocnieniem).

Do najbardziej znanych kompozytów należą:
żelazobeton, eternit, szkło zbrojone siatką metalową,
węgliki spiekane, włókna szklane, węglowe i inne.
Kompozyty pozwalają na otrzymywanie lekkich,
mocnych i elastycznych konstrukcji

Kompozyt

Kompozyty składają się z osnowy i
rozmieszczonego w niej drugiego składnika o
znacznie wyższych właściwościach
wytrzymałościowych lub większej twardości.

Kompozyt

Osnowa jest to najczęściej polimer.
Funkcje:
- zlepia zbrojenie,
- decyduje o właściwościach chemicznych i cieplnych

kompozytu,

- umożliwia przenoszenie naprężeń na włókna, nadaje

żądany kształt wyrobom,

- dobrze wiąże się ze zbrojeniem.
Zbrojenie – może mieć postać proszku lub włókien. Dodawane
jest w dużej ilości do kompozytu.
Funkcje:
- poprawia właściwości mechaniczne i użytkowe wyrobu,
- zmniejsza koszt wsadu surowcowego.

Materiały polimerowe do niedawna były
stosowane tylko w konstrukcjach specjalnych
(wytwarzanych jednostkowo np. projekty
kosmiczne)

W ostatnich latach nastąpił rozwój inżynierii
materiałowej oraz przemysłu pracującego nad
projektowaniem i wdrażaniem nowych mieszanek
polimerowych. Zaowocowało to wytwarzaniem
układów nośnych i złożonych konstrukcji maszyn z
zastosowaniem materiałów kompozytowych.

Cel stosowania polimerów

- Zwiększenie dokładności wymiarowej układów

przez wyeliminowanie niekorzystnych cech
materiałów tradycyjnych

- Eliminacja ciężkich odlewów na korpusy

mechanizmów (mieszanki kompozytowe na
bazie żywic mineralnych, tzw. kompozycje
mineralno-żywicowe)

- Zmniejszenie kosztów wytwarzania

wielkogabarytowych odlewów

Wady wykorzystania materiałów

kompozytowych

- Maszyny z nich wykonane są drogie
- Kompozyty wytwarza się dość trudno
- Niemożliwość skrawania i nawiercania takich

wyrobów

- Trudne łączenie elementów kompozytowych
- Naprawa materiałów kompozytowych jest

praktycznie niemożliwa

Rodzaje kompozytów

Termoplastyczne kompozyty polimerowe

Zalety

Wady

- Niska cena

- Bardzo mały ciężar

właściwy

- Wysoka zdolność do

tłumienia drgań

- Możliwość dowolnego

kształtowania wyrobu

- Duża odporność na

korozję

- Duża odporność na

„zmęczenie materiałowe”

- Niższa wytrzymałość

- Mniejsza odporność na

temperaturę

- Wytrzymałość i sztywność

uzależniona od
konstrukcji

Rodzaje kompozytów

Tytan

Zalety

Wady

- Mały ciężar właściwy

- Duża wytrzymałość

- Zdolność do tłumienia

drgań

- Mała podatność na

korozję

- Wysoka cena

- Ograniczenia

konstrukcyjne związane

z trudną obróbką

- Mniejsza sztywność

Rodzaje kompozytów

Stal

Zalety

Wady

- Niska cena

- Wysoka wytrzymałość

- Dobra sztywność

- Dość dobre tłumienie

drgań

- Obróbka skrawaniem

większości elementów

- Duży ciężar właściwy

- Duża podatność na

korozję

- Ograniczenia

konstrukcyjne związane z
obróbką

- Mała trwałość

zmęczeniowa

Rodzaje kompozytów

Aluminium

Zalety

Wady

- Mały ciężar właściwy

- Stosunkowo duża

wytrzymałość

- Duża sztywność w

stosunku do ciężaru

- Względna odporność na

korozję w środowisku
pozbawionym soli

- Podatność na

„zmęczenie

materiałowe”

- Słabe tłumienie drgań

- Ograniczenia

konstrukcyjne związane z

obróbką

- Skłonność do pękania

Rodzaje kompozytów

Porównując wytrzymałości różnych materiałów
widzimy, że tzw. współczynnik wytrzymałości
właściwej dla typowych materiałów konstrukcyjnych
- zdefiniowany jako stosunek wytrzymałości na
rozciąganie do ciężaru właściwego - najwyższą swoją
wartość przyjmuje dla kompozytów polimerowych,
co jest jedną z podstawowych przyczyn szybkiego
wzrostu ich produkcji i zastosowań. Dopiero na
dalszych miejscach w tym zestawieniu są różne
stopy tytanu, stal, stopy aluminium.

W zastosowaniach konstrukcyjnych trudno byłoby
się obejść bez powszechnego użycia kompozytów
polimerowych. Wyróżnia je przede wszystkim
mały ciężar właściwy; stosunkowo niska cena,
która ma w przemyśle dominujące znaczenie;
odporność na tzw. zmęczenie materiałowe oraz
być może najważniejszy czynnik w postaci
możliwości prawie nieograniczonego
kształtowania wyrobu.

Przykłady kompozytów

ceramicznych

- Tworzywa sztuczne wzmocnione włóknami
szklanymi lub węglowymi. Włókna szklane lub
węglowe usztywniają dość miękki polimer. Jeżeli
włókno pęknie, pęknięcie rozprzestrzeni się w
miękkim polimerze, ulega w nim zahamowaniu
nie uszkadzając reszty przekroju.

Przykłady kompozytów

ceramicznych

- cermatal. (Cząsteczki twardego węglika wolframu są

powiązane metalicznym kobaltem). Jest spiekiem
ceramiczno – metalowy.

Składniki to: najczęściej tlenki i węgliki, a także azotki, borki i
krzemki.
Cermetale odznaczają się dużą twardością, ogniotrwałością,
odpornością na chemikalia, kruchością.

Zastosowanie:
- do wytwarzania ostrzy narzędzi skrawających,
- do wytwarzania elementów turbin gazowych i silników

odrzutowych,

- do wytwarzania części aparatury chemicznej,
- do wytwarzania osłon paliwa w reaktorach jądrowych.

Przykłady kompozytów

ceramicznych 3

- GFRP – kompozyt polimerowy wzmocniony

włóknami polimerowymi szkło – polimer

- CFPR – kompozyt polimerowy wzmocniony

włóknami węglowymi węgiel – polimer

- Cermetal WC – Co – narzędzia skrawające oraz

do obróbki plastycznej

- Nowe kompozyty ceramiczne -SiC –

zastosowanie do urządzeń pracujących w
wysokich temperaturach, wymagających dużej
odporności na obciążenia dynamiczne

•

Producenci kompozytów w

Polsce

- Zakłady Azotowe SA w Tarnowie, które produkują szeroka gamę

modyfikowanych poliamidów (Tarnamid) i poliacetali (Tarnoform)
– barwionych, wzmacnianych włóknem szklanym,
uniepalnionych, napełnianych (kulki szklane, minerały),
udarnościowych, stabilizowanych termicznie i ślizgowych.

- Firma Xenon z Łodzi produkuje modyfikowane gatunki

polipropylenów - Xenopren (typy napełniane napełniaczami
mineralnymi, wzmacniane włóknem szklanym) oraz poliamidów
- Itamid (typy napełniane talkiem, wzmacniane włóknem
szklanym, stabilizowane, uniepalnione).

- Firma Polimarky z Rzeszowa produkuje polipropyleny,

poliwęglany, poliamidy i poliacetale napełniane talkiem,
barytem, włóknem szklanym lub kulkami szklanymi oraz
modyfikowane udarnościowo, jak i poprzez zawartość
antyutleniaczy i stabilizatorów.

Odbiorcy kompozytów

- przemysł motoryzacyjny - zastępowanie w

budowie samochodów osobowych części
metalowych kompozytami poliamidowymi i innymi
kompozytami polimerowymi, co przyczynia się do
zmniejszenia całkowitej masy pojazdu.

- wyrób części maszyn (koła zębate, łożyska

ślizgowe, gniazda przegubów, korpusy i obudowy
w elektrotechnice),

- budownictwo,
- przemył meblowy,
- części wyrobów AGD

Document Outline