263y kompozytowe .ppt) - mech.pg.edu.pl‚y... · MATERIAŁY KOMPOZYTOWE. Definicja i klasyfikacja materia łów kompozytowych Kompozyt - materia ł sk ładaj ący si ęz dwóch lub
Post on 28-Feb-2019
228 Views
Preview:
Transcript
MATERIAŁY KOMPOZYTOWE
Definicja i klasyfikacja materiałów kompozytowych
Kompozyt - materiał składający się z dwóch
lub większej liczby różnych materiałów:
a/ celowo zmieszanych i możliwych do
wyodrębnienia metodami mechanicznymi,
b/ rozłożonych w kontrolowany sposób w
celu nadania optymalnych własności,
c/ posiadających właściwości wyjątkowe i
lepsze niż indywidualne składniki.
Składnik ciągły kompozytu, który często
występuje w większej ilości nazywany jest
osnową lub matrycą.
W osnowie osadzone są włókna lub ziarna
(cząstki) nazywane napełniaczem,
wzmocnieniem lub zbrojeniem.
Podstawą klasyfikacji kompozytów jest rodzaj materiału osnowy:
• metaliczna (głównie stopy aluminium, magnezu,
tytanu, niklu),
• ceramiczna (węglik krzemu, tlenek aluminium, azotek
aluminium),
• polimerowa (poliestry, epoksydy - termoutwardzalne, poliamidy, polipropylen- termoplastyczne).
Osnowa w materiale kompozytowym spełnia
następującą rolę:
• spaja włókna w elemencie konstrukcji,
• jest odpowiedzialna za przenoszenie obciążeń na
włókna,
• chroni włókna przed zniszczeniem na skutek
oddziaływania czynników zewnętrznych.
Najczęściej stosowane wzmocnienia to włókna szklane, węglowe (grafitowe), aramidowe (Kevlar), boru, cząstki węglika krzemu SiC, tlenku aluminium Al2O3, tlenku cyrkonu ZrO2.
Faza wzmacniająca może mieć postać:
•nanocząstek,
•ziaren (wymiary od kilku do kilkuset mikrometrów np. SAP: spiekany proszek Al wzmocniony 14% Al2O3 - części obudowy aparatu fotograficznego),
•ciętych włókien krótkich o długości rzędu milimetra (np. poliamid wzmocniony włóknem szklanym - koła zębate w robocie kuchennym),
•ciętych włókien długich (od kilku do kilkunastu cm) - maty z włókien szklanych w osnowie poliestrowej do laminowania łodzi,
•włókien ciągłych (jednokierunkowych lub tkanych w dwóch kierunkach), np. zbiornik cysterny z włókien szklanych w osnowie poliestrowej nawijanych na rdzeniu.
(a) (b) (c) (d)
Rodzaje i geometria fazy wzmacniającej: a/ nanocząstki(nanowłókna), b) ziarna (cząstki) o rozmiarach rzędu mikrometra, c) włókna cięte krótkie lub długie, d) włókna ciągłe (jednokierunkowe lub tkane w dwóch kierunkach)
Kompozyty z rdzeniem (komórkowym, piankowym lub innym) oraz kompozyty warstwowe (laminaty) nazywają się
kompozytami strukturalnymi.
(a)
(b)
(c)
Przykłady kompozytów strukturalnych: a/ płyta i rura z laminatu, b,c/ konstrukcje przekładkowe z rdzeniem z pianki (b), plastra miodu (c)
Czynniki wpływające na właściwości
kompozytów
• Właściwości osnowy, właściwości fazy
wzmacniającej,
• Ilość włókien
• Geometria fazy wzmacniającej (wielkość
cząstek, długość i orientacja włókien).
• Doskonałość powiązania osnowy i fazy
wzmacniającej
Właściwości osnowy. Właściwości osnowy determinują
odporność cieplną kompozytu, dlatego kompozyty z osnową:
� polimerową można stosować jedynie w temperaturach do
ok. 150°C, (np. z osnową epoksydową utwardzane w
temperaturze 130-180°C),
� kompozyty z osnową metalową - z metali lekkich Al, Mg do
temperatur rzędu 300°C a z Ti rzędu 550°C.
�osnowy ze stopów Ni i Co umożliwiają pracę w
temperaturach rzędu max. 700-1000°C.
� Kompozyty z osnową ceramiczną (SiC, Al2O3) wytrzymują
temperatury do 1650°C a kompozyty węgiel
amorficzny/włókno grafitowe (z ochronną powłoką SiC) -
2700°C (np. dziób wahadłowca kosmicznego).
Właściwości i ilość fazy wzmacniającej wpływają na gęstość,
rozszerzalność cieplną, moduł sprężystości według zależności
określanej mianem reguły mieszanin.
Dla przykładu gęstość kompozytu ρc można obliczyć znając gęstości
włókien ρf i osnowy ρm:
ρc = ρfVf + ρmVm
przy czym do obliczeń najczęściej stosuje się udziały objętościowe
Vm, Vf, Vp odpowiednio: osnowy, włókien, cząstek.
Stosuje się indeksy pochodzące z j. angielskiego: c- composite
(kompozyt), m - od słowa matrix (ang. osnowa), f- fibres (włókna), p particles (cząstki).
Udział objętościowy włókien Vf wyraża się stosunkiem objętości zajmowanej przez włókna do objętości całego kompozytu.
Wstawiając w równaniu w miejsce gęstości inne wielkości, np. przewodnictwo cieplne, rozszerzalność cieplną można przewidywać
jakie będą wybrane własności kompozytu.
Moduł Younga E, jedną z najważniejszych właściwości mechanicznych potrzebnych konstruktorom (od E i grubości elementu zależy sztywność konstrukcji) można równieżprzewidywać na podstawie reguły mieszanin.
Dla pojedynczej warstwy kompozytu wzmocnionego jednokierunkowymi włóknami ciągłymi przy obciążaniu rozciągającym w kierunku długości włókien:
Ec=EmVm+EfVf ( górna granica na rysunku)
W kierunku poprzecznym:
mffm
fm
cEVEV
EEE
+= (dolna granica na rysunku)
Występuje duża anizotropia właściwości kompozytówjednokierunkowych.
Moduł sprężystości w kierunku prostopadłym do długości włókien jest zbliżony do modułu osnowy, czyli wielokrotnie mniejszy niż włókien, stąd konieczność budowy konstrukcji warstwowych (laminatów) w których włókna są rozłożone pod różnymi kątami, dając pozorną(quasi) izotropię materiału w płaszczyźnie płyty.
(a) Układ osi współrzędnych dla pojedynczej warstwy kompozytu z włóknami ciągłymi,
(b) Wykres modułu sprężystości w funkcji ilości włókien kompozytu: epoksydowego o wzmocnieniu z ciągłych, jednokierunkowych włókien szklanych.
Eo oznacza moduł sprężystości osnowy, Ew, Vw (tutaj wyjątkowo) odpowiednio moduł sprężystości i udział objętościowy włókien.
a) b)
Również w przypadku kompozytów wzmocnionych cząstkami (izotropowych) np. osnowa miedź, wzmocnienie cząstki wolframu, występuje dolna i górna granica wartości modułu sprężystości.
W, % masy
GPa
Dolna granica
Górna granica
Jednak w większości przypadków własności kompozytu są
skomplikowanymi funkcjami licznych parametrów, szczególnie geometrii ułożenia wzmocnienia, więc do przewidywania własności sprężystych stosuje się programy komputerowe pozwalające na wyznaczenie poszukiwanych własności w oparciu o metody
numeryczne.
Przy ułożeniu chaotycznym, typowym dla mat z włókien
ciętych, wzrost wytrzymałości jest bardzo mały w porównaniu do
wzmocnienia w postaci tkanin ortogonalnych. Jest to głównie wynikiem tego, iż w przypadku mat maksymalna ilość włókien
jakie udaje się przesycić wynosi ok. Vf= 30%.
Uzyskuje się duże obszary czystej żywicy pomiędzy włóknami
co osłabia materiał.
Najbardziej efektywne jest wzmocnienie w postaci włókien
ciągłych jednokierunkowych.
Nie tylko ilość wzmocnienia jest optymalna (może dochodzić do
Vf=80% w przypadku jednokierunkowych preimpregnatówwytwarzanych przez wyspecjalizowany przemysł) ale i ułożenie
wszystkich włókien w kierunku działania obciążenia
rozciągającego wpływa na ogromny wzrost wytrzymałości i sztywności.
Warunkiem uzyskania optymalnych właściwości kompozytu jest
doskonałe powiązanie osnowy i fazy wzmacniającej (dobra
adhezja włókien i osnowy).
Wiąże się to z dobrą zwilżalnością powierzchni włókien oraz
brakiem pęcherzy i pustek (miejsc gdzie nie dociera materiał
osnowy- na granicy włókno/osnowa.
Cechy te są związane z metodą wytwarzania kompozytu.
Czasami trzeba wykonywać specjalne operacje aby poprawić
zwilżalność włókien ( np. osnowa aluminiowa słabo zwilża włókna
węglowe, trzeba więc na ich powierzchni wytwarzać odpowiednie
powłoki).
Przy dużych wymaganiach odnośnie ilości pustek (poniżej 1% w
przypadku kompozytów konstrukcyjnych dla lotnictwa) konieczne
jest stosowanie metody próżniowego utwardzania w autoklawie.
aramidowe szklane
żywica
Mikrostruktury laminatów
(a) poliestrowo/ szklanego z widocznymi pęcherzami i obszarami bogatymi w żywicę,
(b) hybrydowego laminatu: osnowa epoksydowa: wzmocnienie naprzemienne warstwy włókien szklanych i aramidowych z widocznym
dużym obszarem czystej żywicy
[Imielińska K., Degradation and damage of advanced laminate polymer compositesdue to environmental effects and low velocity impact, wyd. PG 2005]
Przykłady materiałów
kompozytowych i ich zastosowanie
Największe zastosowanie mają obecnie kompozyty polimerowe (ok. 90%).
Typowe zbrojenie: włókna szklane, węglowe i aramidowe.
Wiele polimerów termoplastycznych zawiera celowo wprowadzoną fazę zdyspergowaną, co zalicza je do grupy materiałów kompozytowych.
Przykłady elementów wzmocnionych ciętymi włóknami szklanymi: małe koła zębate z poliamidu (nylonu), panewki łożysk ślizgowych z teflonu, nadproża, zderzaki karoserii (Porsche, Peugeot)
Typowe kompozyty konstrukcyjne z termoutwardzalnych polimerów to laminaty poliestrowe wzmocnione ciągłym lub ciętym włóknem szklanym stosowane do budowy kadłubów łodzi i małych jednostek pływających, małych samolotów, samochodów, cystern wiatraków itd.
W przypadku elementów dużych i silnie obciążonych m.in ster pionowy, wysokości, oprofilowanie skrzydeł,
łopaty wirnika helikoptera, duże (50-80m) kadłuby okrętów, wzmocnienie szklane zastępowane jest
częściowo lub całkowicie przez włókna węglowe oraz
aramidowe w osnowie żywicy epoksydowej.
Często jest to kombinacja tych trzech rodzajów włókien (kompozyt hybrydowy).
Przykład kompozytu o osnowie elastomeru:
poliizopren wzmocniony nanocząstkami (20-30nm)
sadzy, stosowany na opony samochodowe.
Kompozyty o osnowie metalowej są w większości drogie dlatego
ich zakres zastosowań jest wciąż ograniczony.
Najbardziej znane są odlewane lub spiekane elementy z
kompozytów o osnowie stopów Al wzmacniane cząstkami węglika krzemu (SiC) lub Al2O3, takie jak tarcze hamulcowe, tłoki silników
spalinowych, bloki silnikowe, ramy rowerów raz końcówki kijów
golfowych i ostrza łyżew hokejowych z Ti/TiC.
Zaawansowane kompozyty np. o osnowie stopu Ti lub Al i wzmocnieniu z włókien węglowych lub boru stosuje się głównie w
lotnictwie i kosmonautyce. Z włókien węglowych w osnowie Al
wytwarza się elementy kadłuba samolotu, ze stopu Ti wzmocnionego włóknami boru formuje się łopatki kompresora
silnika lotniczego a korbowody silnika spalinowego można
otrzymać z kompozytu Ti/ciągłe włókna SiC.
Pracujące w ekstremalnie wysokich temperaturach i przy
wysokich obciążeniach łopatki turbiny silnika odrzutowego np. ze
stopu niklu mogą być wzmocnione fazą TiC.
Zastosowania kompozytów o osnowie ceramicznej obejmują
narzędzia skrawające z dużymi prędkościami np. z Al2O3
wzmocnionego wiskersami SiC,
elementy silników spalinowych: zawory wlotowe (Nissan), pierścienie
tłokowe (Isuzu), komora spalania, wirniki, łopatki turbin spalinowych
(Toyota) – z kompozytu SiC/SiC.
Kompozyt węgiel/węgiel (z powłoką ochronną SiC) wytrzymuje
ekstremalne temperatury do 2600°C, jest więc wykorzystywany w
takich elementach jak dziób wahadłowca kosmicznego, wykładzina
komory spalania i dysza wylotowa gazów silnika odrzutowego, tarcze
hamulcowe samochodu Porsche.
(a)
(b)
(c )
(d)
(e)
(f)
Przykłady zastosowań kompozytów: (a) łódź patrolowa z laminatu poliestrowo szklanego, (b) elementy karoserii samochodu z tłoczywa arkuszowego poliestrowo szklanego, (c) opony z poliizoprenu wzmocnionego 10% sadzy i 3% ciętych włókien aramidowych, (d) rama roweru górskiego z kompozytu: stop Ti wzmocniony 10% cząstek Al2O3,(e) tłoki silnika spalinowego (Chevrolet) ze stopu Al wzmocnionego 25% cząstek SiC, (f) tarcza hamulcowa z kompozytu ceramicznego w samochodziePorsche
top related