Chapter 11 Composite Materials - WordPress.com · Aramid fibers for reinforcing plastic resins KEVLAR Hydrogen bonding bonds the polymer chains together in the transverse direction.

Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.

Chapter 11

Composite Materials

PowerPoint Presentation to accompany


CO 11


Figure 11.1a


Figure 11.1b


Fibers for reinforce plastic composite materials

1.Glass fibers for reinforcing plastic resins

-High strength to weight ratio

-Good dimensional stability

-Good resistance to heat, cold, moisture, and corrosion

-Good electrical insulation properties

-Ease of fabrication

-Relatively low cost


Fibers for reinforce plastic composite materials

E-glass (electrical) most commonly used glass.

(lime-aluminum borosilicate glass with zero or low Na and K

level)

Tensile strength 500 ksi (3.4 GPa)

E = 10.5 Msi (72.3 GPa)

S-glass (high strength) higher strength to weight ratio and more

expensive. Used for military and aerospace applications.

Tensile strength 650 ksi (4.5 GPa)

E = 12.4 Msi (85.4 GPa)


Fabrication of Glass fibers


(a)ใยแกวทท าเปนเสนส าหรบทอ (b)ใยแกวททอเปนแผน (c)ใยแกวทมวนกนอยางตอเนอง (d)ใยแกวททอเปนผน


(a)เสนใยททอตดตอกนเปนผน (b) แสดงผวของผนใยแกว (c) ใยแกวทตดเปนทอนๆ ท าเปนผน (d) เสนใยแกวทน าไปทอเปนผนรวมกบแผนใยแกวทท าจากใยแกวทตดเปนทอน


Property of glass fibers

Comparing with carbon fiber and aramid fiber, Glass

fiber has lower tensile strength and tensile modulus, but More elongation. However, Cost is lowest.!


Carbon fibers for reinforced plastics

-Light

-High strength

-Hard and high resistance to bending

Good for aerospace

Applications.

Polyacrylonitrile

Or Pitch (Precursor)

Oxidation

Reduce O2, H2, N2

in inert gas aymostphere

Crystal structure like graphite


A tow about 6000 carbon fibers

รป แสดงภาพถายของกลมเสนใยคารบอน(tow) ประมาณ 6000 เสน


Monomer of Kevlar (Aromatic polyamide)

Aramid fibers for reinforcing plastic resins

KEVLAR

Hydrogen bonding bonds the polymer chains together in the transverse

direction. Thus, collectively these fibers have high strength in the longitudinal direction and weak strength in the transverse direction Kevlar aramid is used for high performance composite applications where

light weight, high strength and stiffness, damage resistance and resistance to fatigue

and stress rupture are important. One special interest is that Kevlar-epoxy materials is used for various parts of the space shuttle.


Comparison of tensile properties.

รป แสดงลกษณะของ Stress – Strain

ของเสนใยเสรมแรงแบบตางๆ


Comparison between tensile strength and stiffness

รป แสดงความสมพนธของ tensile strength จ าเพาะ(tensile

strength / density) กบ tensile

modulus จ าเพาะ (tensile

modulus /density) ของเสนใยเสรมแรงแบบตางๆ


Fiber-reinforced-plastic composite materials

2 of the most important plastic resins for fiber-reinforce plastics

is

1. Unsaturated polyester

2. Epoxy

Polyester resins are lower in cost but are usually not as strong as

the epoxy resins.

Boat hulls, building panels, structure panels for automobile, aircraft

and appliances


Cross sectional of a unidirectional fiberglass polyester composite

รป แสดงภาพถายตดขวางของเสนใยแกวทอยในทศทางเดยวดนของวสดผสมเสนใยแกว - พอลเอสเทอร


• The strength of fiber glass-reinforced plastic is mainly related

to the glass content of the materials and the arrangement of the

glass fibers.

• In general, the higher the weight percent glass in the composite, the stronger the reinforced plastic is.

• Parallel stand fiber glass stronger than woven fiber glass.

• Chopped fiber glass has lower strength but isotropy.


Fatigue properties of carbon fiber reinforced epoxy composite materials.

รป แสดงสมบตความลา (ความเคนสงสด v.s จ านวนไซเคลจนเกดการแตกหก) ส าหรบวสดผสมของเสนใยคารบอน – อพอกซทเปนการจดแบบทศทางเดยว โดยเปรยบเทยบกบสมบตความลาของวสดผสมอนๆบางชนด และดลหะผสมอะลมเนยม 2024-T3. R


Unidirectional and multi directional laminate plies for a composite laminate

รป แสดงการประกอบของแผนลามเนตทเปนทศทางเดยวกน และหลายทศทางส าหรบวสดผสมลามเนต


Five-layer bidirectional composite of carbon fiber-epoxy composite materials

รป แสดงภาพถายวสดผสมทประกอบดวย 5 ชนในสองทศทางของเสนใยคารบอน-อพอกซ


Equation for elastic modulus of a lamellar continuous-fiber-plastic matrix composite.

Isostrain

Ec = EfVf + EmVm

For finding elastic

modulus of composite

materials

รป แสดงโครงสรางของวดสทประกอบดวยชนของเสนใย และเมทรกซ (matrix layer) ภายใตสภาวะความเครยดเทากน (ปรมาตรของวสดผสม Ve = area Ae x ความยาว Le)


Isostress condition

รป แสดงโครงสรางของวดสทประกอบดวยชนของเสนใย และเมทรกซ (matrix layer) ภายใตสภาวะความเคนเทากน (ปรมาตรของวสดผสม Vc = area Ac x ความยาว Lc)


Figure 11.16 เปนกราฟทแสดงของ tensile elastic modulus ทเปนฟงกชนกบเศษสวนของปรมาตรของเสนใยในพลาสตกเมทรกซเสรมแรงดวยเสนใยทอยในทศทางเดยวกนของวสดผสมลามเนต ภายใตสภาวะความเครยดเทากนและความเคนเทากน ส าหรบเศษสวนโดยปรมาตรเสนใยทก าหนดใหทสภาวะความเครยดเทากน คา modulus

สงกวา


Open mold processes for fiber-reinforced plastic composite materials

Hand Lay-up process

รป แสดงวธการท าดวยมอโดยการเอาวสดผสมพลาสตกเสรมแรงดวยเสนใยวางลงไปกบแบบ (a) เทเรซนลงในแบบ


Use of a roller to densify the laminate to remove the entrapped air

รป แสดงวธการท าดวยมอโดยการเอาวสดผสมพลาสตกเสรมแรงดวยเสนใยวางลงไปกบแบบ (b) .ใชลกกลงๆ ไปใหทวแผนลามเนต ใหหนาตามตองการ และไลอากาศออก


Spray-up method for molding fiber-reinforced-plastic

composite materials


This process is used to produced high-performance laminates usually of fiber-reinforce-epoxy systems.

Process: 1. lay out a long and wide thin sheet on a table.

2. pieces of the prepreg are cut out and placed on top of each other on a shape tool to form a laminate.

3. after the laminate is constructed, the tooling and the attached laminate are vacuum-bagged, removing of entrapped air from the laminate part.

4. vacuum bag enclosing the laminate and the tooling is put into an autoclave for the final curing of the epoxy resin.

(for example, carbon-fiber-epoxy composite material is usually heated at about 190deg at a pressure of about 100 psi.

5. after removed from the autoclave, the composite part is stripped from its tooling and is ready for further finishing operations.

Vacuum Bag-Autoclave Process


Carbon-fiber-epoxy prepreg sheet being cut

รป แสดงการเตรยมแผนอพอกซเสรมเสนใยคารบอน ซงจะถกดดดวยเครองตดทควบคมดวยคอมพวเตอรทบรษท Mc.

Donal Douglas.


Tooling

รป แสดงเครองมอเพอใชเปนแบบท าลามเนตหลายๆชนของวสดผสมพลาสตกเสรมแรงดวยเสนใยทมโครงสรางโคงๆ และมผวเรยบ


Autoclave

รป แสดงสวนของปกเครองบน AV-8B ซงลามเนตดวยอพอกซเสรมเสนใยคารบอน และน าเขาบมในเครองออโตเคลบทโรงงานผลตเครองบนของบรษท McDonell


Figure 11.22 แสดงกระบวนการปนเสนใยส าหรบท าวสดผสมพลาสตกเสรมดวยเสนใย เรมตนการท าใหเสนใยเปยกชมดวยพลาสตกเรซน แลวพนรอบแกน(mandrel) โดยเสนใยจะออกมาจากหวลอหมน(Carriage) เคลอนทไปมาเพอปเสนใยลงทmandrel


Rolling of KEVLAR 49 and Epoxy Resin

รป แสดงการมวนเวนใย Kevlar 49 และอพอกซทใชท าถงบรรจมอเตอรจรวด


• 1.Compression and Injection molding

• 2. Sheet Molding Compound (SMC)

New process for automobile parts…

Good for large amount and large dimension.

Close mold processes for fiber-reinforced

plastic composite materials


Sheet Molding Compound (SMC)

mandrel


Figure 11.25


Continuous Pultrusion Process

This process is used in fabrication shape of constant dimension or

beam. Product has high strength because of large number of fiber

and longitudinal parallel direction of fibers.


• Ease for design

• Castable

• Low cost

• Durable

• Low tensile strength

• Low ductility

Concrete; ceramic composite.

Portland+water+air+fine mat+ coarse mat


Fabrication process of portland cement;

Lime (Cao) Silica(SiO2) Alumina (Al2O3) and Fe2O3

Heat at 1400-1650ºC in Rotary kiln Cement clinker

Cement clinker + Gypsum


Concrete:


Solidification of portland cement

Hydration reaction of tricalcium silicateand dicalcium silicate

2C3S + 6H2O C3S2·3H2O + 3Ca(OH)2 fast

2C2S + 4H2O C3S2·3H2O + Ca(OH)2 slow


Figure 11.29


Figure 11.30


Figure 11.31


Figure 11.32


Reinforced and prestressed concrete


Figure 11.34


• Hydrocarbon materials

• Mechanical property like thermoplastic

• C 80-86%, H2 9-10%, O2 2-8%, S 0.5-7%, N

• Used with aggregates Asphalt mix

Bitumen


Timber : Natural composite materials between

Cellulose and Lignin (polymer)


• ไมเนอออน ตนไมทมองเหนเมลด หรอ เมลดแยกออกมา เขยวตลอดป เฟอร ตนสน ไมยาง มะมวง ฉ าฉา มะยม • ไมเนอแขง เมลดถกหอหม ผลดใบ โอก เมเปล เชอร ไมสก ประด แดง มะคา เตง ชงชง

Softwoods and Hard woods


Annual growth rings

Only in soft woods


Axes of symmetry for wood


Microstructure of Softwoods

Tracheids and Lumen


Microstructure of Hardwoods


Figure 11.40


Figure 11.41


Figure 11.42


Figure 11.43


Figure 11.44


Figure 11.45


Figure 11.46a


Figure 11.46b


Figure 11.47a


Figure 11.47b


Figure EP11.6


Figure 11.48


Figure EP11.8

Chapter 11 Composite Materials - WordPress.com · Aramid fibers for reinforcing plastic resins KEVLAR Hydrogen bonding bonds the polymer chains together in the transverse direction.

Documents