Porównanie struktur i własności wybranych materiałów

kompozytowych

Kompozyt jest to materiał utworzony z co najmniej dwóch składników (faz) o różnych własnościach mający własności lepsze i/lub własności nowe (dodatkowe) w

porównaniu ze składnikami użytymi osobno lub wynikającymi z prostego sumowania tych własności

Składniki kompozytu

faza ciągła - matryca (osnową)

faza rozproszona - zbrojenie

Własności, które chcemy uzyskać projektując materiał kompozytowy:

podwyższona wytrzymałość właściwa,

podwyższona sztywność właściwa,

odporność na pękanie

RÓŻNE POSTACIE WZMOCNIEŃ KOMPOZYTOWYCH:

1) przypadkowe ułożenia wzmocnień

a) proszki (granulki)

b) włókna krótkie

2) jednokierunkowe ułożenie włókien

a) włókna ciągłe

b) włókna krótkie

1) dwukierunkowe wzmocnienia :

a) tkaniny

b) warstwy z różnych włókien

2) Przestrzenne wzmocnienia :

ortogonalne

Typy materiałów kompozytowych:

kompozyt umacniane (wzmocnione) dyspersyjnie,

kompozyty umacniane cząstkami,

kompozyty umacniane włóknami.

Kompozyty zbrojone dyspersyjnie

• metalowa osnowa wzmocniona cząstkami ceramicznymi lub metalicznymi o średnicy ∼10÷100 nm w ilości do ok. 15% objętości kompozytu

• obciążenie przenoszone jest głównie przez osnowę - zbrojenie dyspersyjne nie poprawia znacząco cech mechanicznych i wytrzymałościowych kompozytu

w umiarkowanych temperaturach

• mechanizm wzmocnienia: utrudnianie przez rozproszone cząstki ruchu dyslokacji w osnowie

• wzmocnienie jest efektywne w wysokich temperaturach (do ok. 80% temp.

topnienia)

• niewielki udział cząstek znacznie poprawia np. odporność na pełzanie kompozytu w porównaniu z odpornością materiału osnowy

Kompozyty zbrojone cząstkami

• obciążenie przenoszone przez obie fazy

• mechanizm wzmocnienia: ograniczanie przez cząstki odkształceń matrycy w obszarze sąsiadującym z powierzchnią każdej cząstki

• wzmocnienie jest efektywne, jeśli:

- udział cząstek przekracza 20% objętości kompozytu (niekiedy

nawet

90%)

- cząstki są równomiernie rozłożone w kompozycie

- cząstki powinny mieć mniej więcej te same wymiary we

wszystkich

kierunkach i być małe

Kompozyty zbrojone włóknami

• element nośny - włókna w objętości 45-70% objętości kompozytu

• matryca (metalowa lub polimerowa) - spoiwo łączące włókna, zapewniające rozdział obciążenia zewnętrznego pomiędzy włókna, a także chroniące je przed czynnikami zewnętrznymi

• największa efektywność spośród materiałów kompozytowych - najlepsze własności mechaniczne i wytrzymałościowe przy najmniejszym ciężarze

właściwym

• podstawowe znaczenie praktyczne: kompozyty włókniste o osnowach

polimerowych zbrojonych włóknami węglowymi, grafitowymi, szklanymi,

boronowymi i aramidowymi

Podział kompozytów ze względu na osnowę:

kompozyty o osnowach organicznych,

kompozyty o osnowach metalicznych,

kompozyty o osnowach ceramicznych.

Wytwarzanie kompozytów

metoda kontaktowa

"chałupnicza", ręczna metoda wytwarzania kompozytów włóknistych.

produkcja elementów powierzchniowych w krótkich seriach lub

pojedynczych egzemplarzach, od których nie jest wymagana duża

wytrzymałość i trwałość, ani też jednorodność kolejnych wytworzonych

elementów.

zbrojenie: maty i tkaniny „przycięte” tak, aby odwzorowywały kształt produkowanego elementu.

kolejne warstwy tkaniny nasącza się żywicą poliestrową lub

epoksydową i układa na sobie w odpowiedniej formie umożliwiającej

uzyskanie pożądanego kształtu.

o jakości produktu finalnego decydują przede wszystkim jakość formy oraz kwalifikacje producenta

metoda natryskowa

udoskonalona i zmechanizowana odmiana metody kontaktowej -

formowanie ręczne zastąpiono formowaniem przy użyciu pistoletu,

umożliwiającego jednoczesne nanoszenie na formę zarówno żywicy,

jak i włókien w odpowiednich proporcjach

włókna mają postać taśm składających się z wielu pojedynczych włókien,

połączonych

specjalnym

lepiszczem

i pociętych na krótkie pasemka (tzw. cięty roving)

metoda efektywniejsza i prostsza w stosowaniu od metody ręcznej, ale

wykazuje te same wady

elementy nie są jednorodne, mają stosunkowo małą wytrzymałość, a ich jakość jest trudna do przewidzenia

metoda ciągła wytwarzania prętów, rur, kształtowników

automatyczna produkcja elementów o stałym przekroju

zbrojenie - taśmą składającą się z wiązki równoległych włókien połączonych lepiszczem (tzw. ciągły roving)

taśmy z rovingiem przechodzą przez wannę z żywicą

termoutwardzalną, impregnującą włókna i pełniącą rolę matrycy i

przeciągane są przez stalowy tłocznik, nadający elementowi wstępny

kształt oraz kontrolujący właściwy skład kompozytu

"półprodukt" przeciągany jest przez kolejny, bardzo precyzyjny tłocznik nadający ostateczny kształt przekroju poprzecznego. Układ grzewczy

tłocznika inicjuje proces utwardzania żywicy

prędkością produkcji sterują przeciągarki, ciągnące pręt (prędkość sięga kilkudziesięciu m/godz. )

metoda nawijania włókien

idea metody: ciągłe nawijanie włókien na obracający się rdzeń o kształcie bryły obrotowej, aby uzyskać pożądany układ geometryczny

włókien

w zależności od kierunku obrotu rdzenia i sposobu przesuwu tzw.

sanek z bębnem z nawiniętym włóknem można wykonać nawijanie

obwodowe, śrubowe i planetarne

regulowana prędkość przesuwu sanek i prędkość obrotowa rdzenia

umożliwia zmianę kąta nawijania w zakresie 5-85°

taśmy rovingu wstępnie nasyconego żywicą muszą być ogrzane przed

nawinięciem na rdzeń, aby żywica przeszła w stan płynny

rdzeń jest ogrzewany w celu zapewnienia dokładnego powiązania ze sobą kolejnych nawijanych warstw

Zastosowania kompozytów:

Mc Laren / Mercedes

MOSTY

Cięgna z włókien węglowych w moście podwieszonym

Sprężenie dźwigaru mostowego

podpory pod linie wysokiego napięcia (CH)

Słup sprężony cięgnami węglowymi

Podpory elektrowni wiatrowych (DK)

Opisane materiały ceramiczne i kompozytowe ze względu na swe własności są materiałami których rozwój nie jest ograniczony i stanowią perspektywę przyszłościową dla wielu gałęzi przemysłowych.