Kompozyty - Politechnika Wrocławska

10.KOMPOZYTY
Irena Zubel
Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki
Politechnika Wrocławska
(na prawach rękopisu)
Czym jest kompozyt ?
Wyjaśnienie tego terminu w sposób jednoznaczny i prosty nie jest moŜliwe,
poniewaŜ nie ma definicji uniwersalnej, która obejmowałaby 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.
Encyklopedia Powszechna PWN 1988.
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.
Kompozyty-budowa
- Kompozyt jest to materiał utworzony z co najmniej dwóch komponentów
mający właściwości nowe (lepsze) w stosunku do komponentów.
- Kompozyt składa się z osnowy i umieszczonego w niej drugiego składnika
(zbrojenia) o znacznie lepszych właściwościach mechanicznych.
Osnowa (matryca):
-kompozyty z osnową ceramiczną (np. Al2O3,SiO2, SiC, TiO2),
-kompozyty z osnową polimerową:
- Ŝywice termoutwardzalne: fenoplasty i aminoplasty,
- Ŝywice chemoutwardzalne: Ŝywice poliestrowe, epoksydowe i silikonowe,
- tworzywa termoplastyczne: poliamidy, polipropylen, poliestry i poliwęglan,
-kompozyty z osnową metalową (Ti, Ni, Fe, Al, Cu lub ich stopy ).
Zbrojenie (napełniacz, umocnienie):
-włókna (ciągłe, cięte, sploty): szklane, grafitowe, organiczne,
-proszki (dyspersyjne <1 µm lub makrocząstki), dopisać materiały
-inne (np. warstwy) dopisać materiały
Kompozyty-budowa
Funkcje osnowy:
• utrzymuje cały układ w zwartej formie (łączy zbrojenie),
• przenosi obciąŜenia zewnętrzne na zbrojenie,
• zabezpiecza zbrojenia przed uszkodzeniami mechanicznymi,
• decyduje o właściwościach chemicznych i cieplnych,
• zapewnia wytrzymałość na ściskanie,
• nadaje wyrobom określony kształt.
Funkcje zbrojenia:
• poprawia właściwości wytrzymałościowe,
• zwiększa odporność na ścieranie,
• zmniejsza rozszerzalność cieplną,
• zwiększa odporność na szoki termiczne,
• zatrzymuje rozprzestrzenianie się pęknięć
Od kiedy?
Zapisy historyczne wskazują, Ŝe kompozyty stosowano juŜ w staroŜytności.
Wiadomo z przekazów, Ŝe Izraelici (od XIII w. p.n.e.) przy wznoszeniu swoich
domów wykorzystywali bloki z mieszanki błotnej wzmocnionej słomą i końską
sierścią, a Egipcjanie (od ok. 3600 lat p.n.e.) znali juŜ sklejkę drewnianą. W
średniowieczu wykonywano miecze i tarcze składające się z warstw róŜnych
materiałów, aby zapewnić im jak największą trwałość i wytrzymałość.
ok. 800 r. p.n.e. - w Mezopotamii i Babilonie wytwarzano cegły
gliniane wzmacniane słomą
1931–pierwszy patent na otrzymywanie włókien szklanych
1942–połączono Ŝywicę z włóknem szklanym
1943–pierwsze próby zastosowania kompozytów dla celów
wojskowych
1961 –otrzymanie włókien węglowych
1972–otrzymanie włókien aramidowych
(Dobrz. 5.97)
Ogólna klasyfikacja
materiałów kompozytowych
Dlaczego kompozyty? - Synergizm cech
Metale
- zwykle wytrzymałe, tanie,
łatwe w formowaniu, nie
zawsze odporne na wysoką
temperaturę, korozję
Polimery
- lekkie, tanie, odporne na
korozję, łatwe w formowaniu
w procesach fizycznych,
chemicznych i termicznych
Materiały ceramiczne
- twarde, odporne i trwałe,
odporne na korozję i
wysokie temperatury.
Kompozyty
Skupiają niekiedy najlepsze cechy powyŜszych materiałów dając nową jakość
(synergia)
Główne powody zainteresowanie kompozytami:
• zmniejszenie gęstości masy,
• zwiększenie wytrzymałości i sztywności,
• zwiększenie odporności na pękanie, ścieranie
• podniesienie odporności na korozję, trwałości termicznej
• zwiększenie stabilności wymiarów,
• duŜa swoboda projektowania,
• łatwość wprowadzania zmian,
• obniŜenie kosztów projektowania krótkich serii
Podstawowe materiały
Wymagania: mocne, sztywne, trwałe, lekkie, odporne na działanie siły, na pękanie,
ścieranie, odporne termicznie, odporne chemicznie, jednocześnie lekkie i tanie (?)
Np:
metale o duŜej wytrzymałości - są cięŜkie i nie odporne na pękanie
metale lekkie – są nieodporne na ścieranie
metale odporne chemicznie – są drogie
kompozyty
osnowa: M
zbrojenie: C
osnowa: C
zbrojenie: M
M
osnowa: M
zbrojenie: P
zbrojenie Metal
osnowa
Polimer Ceramika
Metal
M-M
M-P
M-C
P-M
P-P
P -C
C-M
C-P
C-C
osnowa: P
Polimer
zbrojenie: M
Ceramika
C
osnowa: C
zbrojenie: P
P
osnowa: P
zbrojenie: C
Parametry kompozytów
Parametry charakterystyczne kompozytów:
• wytrzymałość na rozciąganie, ściskanie, ścinanie
• wytrzymałość na obciąŜenia dynamiczne
• sztywność, odporność na pękanie, ścieranie
• cięŜar właściwy
• stała spręŜystości Younga
• współczynnik Poisson’a
• odporność na korozję i wysoką temperaturę
Parametry kompozytów zaleŜą od:
• właściwości poszczególnych faz (osnowy i zbrojenia)
• względnej zawartości poszczególnych faz
• geometrii fazy rozproszonej (wzmacniającej)
- kształtu cząsteczek (włókien)
- rozmiarów cząsteczek (włókien)
- rozkładu cząsteczek (włókien)
- uporządkowania (orientacji) cząsteczek (włókien)
Parametry zbrojenia
Oprócz właściwości materiału uŜytego na zbrojenie istotne są równieŜ jego
parametry geometryczne.
rozkład
koncentracja
kształt
wielkość
orientacja
Kompozyty naturalne -drewno
Pień drzewa zbudowany jest z
długich, pustych w środku komórek,
w większości równoległych do osi
drzewa.
Ściany komórek zbudowane są z
włókien krystalicznej celulozy –
mikrofibryli (ok. 45% ściany komórki).
Rolę osnowy pełni lignina i celuloza.
Jest to zatem kompozyt wzmacniany
włóknami
Kompozyty naturalne - kość
Kompozyty naturalne - ścięgna
Powszechnie stosowane kompozyty
Sklejka (potocznie dykta) jest to materiał
kompozytowy sklejony z krzyŜujących się
cienkich warstw drewna. Zwykle składa się z
nieparzystej ilości warstw. Sklejki wytwarza się
z róŜnych gatunków drewna. Najczęściej z
brzozy, olchy, sosny, rzadziej z buku lub z
drzew egzotycznych.
śelbet – pręt stalowy
zatopiony w betonie
Płyta wiórowa – materiał
konstrukcyjny wytworzony ze
specjalnie
przygotowanych
wiórów
drzewnych,
sprasowanych z dodatkiem
Ŝywic przy uŜyciu ciśnienia i
temperatury
Duraluminium – stop
zawierający aluminium i
dodatki stopowe
Płyta paździerzowa
− płyta wykonana z
oczyszczonych
paździerzy lnu i
konopi, spajanych
pod ciśnieniem przy
pomocy kleju
Cermet – metal ( Cu, Ni, Co)
z ceramiką (WC, TiC)
Klasyfikaja kompozytów sztucznych
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 (sztuczne).
Podział według rodzaju osnowy:
• kompozyty o osnowie ceramicznej (CMC ceramic-matrix composites),
• kompozyty o osnowie metalicznej (MMC metal-matrix composites),
• kompozyty o osnowie międzymetalicznej (IMC intermetallic-matrix composites)
• kompozyty o osnowie organicznej: polimerowej i węglowej (OMC organic-mtrix composites).
Podział uwzględniający kształty i wymiary komponentu wzmacniającego (zbrojenia):
• kompozyty zbrojone włóknami
- włókna ciągłe
- włókna nieciągłe (zorientowane i rozmieszczone przypadkowo)
- tkaniny
• kompozyty wzmacniane cząstkami (proszkowe)
- makrocząstkami,
- cząstkami dyspersyjnymi
• kompozyty strukturalne
- warstwowe
- z rdzeniem (w postaci plastra miodu)
Klasyfikacja
Podział kompozytów ze względu na rodzaj zbrojenia:
Kompozyty
Proszkowe
(wzmacniane cząstkami)
makrocząstki
Włókniste
(wzmacniane włóknami)
cz.dyspersyjne
w. ciągłe
Strukturalne
warstwowe z rdzeniem
w. nieciągłe
uporządkowane
nieuporządkowane
Klasyfikacja
Kompozyty włókniste
ciągłe
nieciągłe
Kompozyty proszkowe
DuŜe cząstki
małe cząstki
tkaninowe
Kompozyty strukturalne
warstwowe
z rdzeniem
I. Kompozyty włókniste
Dlaczego włókna?
Wytrzymałość włókien o małej średnicy jest znacznie większa niŜ materiału
objętościowego o takim samym składzie. Włókna posiadają mniej zdefektowaną
strukturę i zarodkowanie pęknięć jest utrudnione. Występują jako:
- wiskersy (monokryształy),
- włókna (polikrystaliczne lub amorficzne)
- druty (metale)
Parametry podstawowe włókien: sztywne, kruche, spręŜyste, wytrzymałe
termicznie, wytrzymałe na rozciąganie,
Parametry dodatkowe: - zwilŜalność przez roztopiony materiał osnowy
- chemiczna neutralność w stosunku do osnowy
- odporność na utlenianie
- wytrzymałość właściwa
- właściwy moduł spręŜystości
E=δ/ε - moduł spręŜystości (δ= F/S –napręŜenie; ε = ∆ l/ l - odkształcenie)
Ew = E / ρ - właściwy moduł spręŜystości (ρ - cięŜar właściwy, F-siła, S-pow.)
Rmax= Fmax/So - wytrzymałość (Fm ax – siła zrywanjąca; So- pow. początkowa)
R= Rm/ ρ - wytrzymałość właściwa (ρ - cięŜar właściwy)
Kompozyty włókniste. Właściwości włókien.
Materiał
Wiskersy:
grafit, SiC,
Si3N4, Al2O3
Gęstość
ρ[g/cm3]
E
[GPa]
E/ρ
Rm[MPa]
x103
Rm/ρ
x103
Temp.topn.
[ºC] x103
1,5-4
400-700 100-400
14-20
5-12
2-3
Ceramika: SiC,
B4C, Al2O3,
2-4
400-500 100-200
2-4
0,5-1
2
Metal: beryl,
wolfram, stal
2-20
200-300 20-160
1,2-4
0,2-0,7 1,2-3,5
Szkło
2,5
70-80
30
3,5-4,5
1,3-1,8 1,7
124
2,8
172
86
2,5
177
4,5
0,8
3,3
3
0,7
3,5
Polimer:
Aramid (Kevlar) 1,44
Poliamid
1,14
polietylen
0,97
0,5
0,25
0,15
Osnowa
Osnowa: miękka, ciągliwa, plastyczna, odporna chemicznie, termicznie,
współczynnik spręŜystości E (moduł Youanga) mniejszy niŜ włókien, zwykle
decyduje o wytrzymałości kompozytu.
NajwaŜniejsze zadania osnowy:
• zespolenie włókien
• umoŜliwienie formowania kompozytu,
• zabezpieczenie włókna przed mechanicznym uszkodzeniem,
• oddzielanie włóknien i zapobieganie propagacji pęknięć,
• przekazywanie obciąŜeń na włókna,
• zapewnienie dobrej spójności z włóknami (duŜe siły wiązania),
• zapewnienie dobrej zwilŜalności włókien,
• zapewnienie niskich kosztów wytwarzania i prostej technologii.
Negatywne czynniki związane z osnową osłabiające kompozyt, to:
porowatość, obce wtrącenia, segregujące zanieczyszczeń na granicy włókno –
osnowa, reakcja osnowy z włóknami.
Materiały: zwykle polimery i metale (ceramika nie jest plastyczna).
• Polimery: poliestry, poliimidy, Ŝywice epoksydowe, Ŝywice fenolowe, silikony,
• Metale: Al., Mg, Ti, Cu, Ni, Co (i ich stopy)
Włókna - przykłady
Włos
Włókno węglowe
tkanina z włókna
węglowego
Włókna lnu – oddzielane
od zdrewniałej części
łodygi (paździerzy)
Azbest - minerały
krzemianowe tworzące
włókna. W przyrodzie
Celuloza (C6H10O5)n
występuje około 150
Składnik naturalnych
minerałów w postaci
włókien lnu i konopi
włóknistej.
mineralne
naturalne
roślinne
Włókna szklane otrzymywane ze
szkła wodnego,
czasami teŜ ze
stopionego szkła.
szklane
Włókno węglowe –
powstają w wyniku
pirolizy polimerów
organicznych.
węglowe
sztuczne
Włókna stalowestop Ŝelaza z
węglem
stalowe
Nowa generacja włókien zbrojeniowych
Kompozyty o osnowie polimerowej zbrojone włóknami polimerowymi Kevlar
Polimer o nazwie
Kevlar
Włókna aramidowe
(Kevlar)
Osnowa:
ceramiczna Ti3Al
Włókno:
rdzeń węglowy
pokryty SiC
Kompozyt epoksydowy zbrojony
włóknami Kevlar
Osnowa:
Szkło – ceramika
Włókno: SiC
Włókna - systematyka
Wpływ parametrów włókna na właściwości
kompozytów. Moduł Younga
Przy załoŜeniu doskonałej spójności na granicy włókno-osnowa (duŜe siły
wiązania), moŜna rozpatrywać teoretycznie się trzy wyidealizowane przypadki:
a) włókna równoległe, ciągłe, obciąŜone równolegle do osi włókien
b) włókna równoległe, ciągłe, obciąŜone prostopadle do osi włókien
c) kompozyt agregatowy o równomiernym rozłoŜeniu cząstek
Podstawowe zaleŜności:
σ = F/S - napręŜenie
ε = ∆ l/l - odkształcenie
σ = E ε - prawo Hooka
E=σ/ε
- moduł spręŜystości Younga
Wpływ parametrów włókna na właściwości
kompozytów. Moduł Younga.
Przypadek a):
włókna równoległe, ciągłe, obciąŜone równolegle do osi włókien
Sk, So, Sw – przekrój poprzeczny kompozytu, osnowy, włókna
Ek, Eo, Ew – moduł Younga kompozytu, osnowy, włókna
Fk, Fo, Fw – obciąŜenie, które przenosi kompozyt, osnowa, włókno
εk, εo, εw – odkształcenie kompozytu, osnowy, włókna
σk, σo, σw – napręŜenie kompozytu, osnowy, włókna
Zakładamy mocne granice między włóknem a osnową
Wtedy odkształcenie włókien i osnowy jest takie samo jak kompozytu
εk = εo = εw
σk / Ek = σo / Eo = σw / Ew (ε = σ/E )
ObciąŜenie przenoszone przez kompozyt:
Fk = Fo + Fw
σk Sk = σo So + σw Sw
(F = σ S )
EkεkSk = EoεoSo + EwεwSw (σ = E ε )
PoniewaŜ εk = εo = εw = ε, po podzieleniu przez ε Sk:
Ek = Eo So/Sk + Ew Sw/Sk
Wpływ parametrów włókna na właściwości
kompozytów. Moduł Younga
Przypadek a) cd.
So/Sk – ułamek pow. zajętej przez osnowę
Sw/Sk - ułamek pow. zajętej przez włókna
l – długość włókna
lSo/lSk = Vo - ułamek obj. zajętej przez osnowę
lSw/lSk = Vw- ułamek obj. zajętej przez włókna
(Vw+Vo=1) Stąd:
Ek = Vo Eo +VwEw
Ek = (1−Vw )Eo +VwEw
Moduł Younga kompozytu z włóknami ciągłymi,
obciąŜonego równolegle do osi włókna, jest
średnią waŜoną modułów osnowy i włókna
Wpływ parametrów włókna na właściwości
kompozytów. Moduł Younga
Przypadek b):
włókna równoległe, ciągłe, obciąŜone prostopadle do osi włókien
NapręŜenie:
WydłuŜenie:
σk = σo = σw
∆ lk = ∆ lo +∆ lw
(∆ lk)/lk = (∆ lo)/ lk + (∆ lw)/ lk
/lk
lo = Vo lk,
lk = lo/Vo,
lw = Vw lk,
lk = lw/Vw,
(∆ lk)/lk = (Vo∆ lo)/ lo + (Vw∆ lw)/ lw
Odkształcenie: ∆ l / l = ε
ε = σ/E
εk = Vo εo + Vw εw
σ /Ek = Voσ /Eo + Vwσ /Ew
/σ
1/Ek = Vo /Eo + Vw /Ew
Stąd:
Eo Ew
Ek =
Vo Ew + Vw Eo
Eo Ew
Ek =
(1−Vw )Ew + Vw Eo
Wpływ parametrów włókna na właściwości
kompozytów. Moduł Younga
a)
c)
b)
1. Moduł Younga (spręŜystość)
kompozytów rośnie wraz ze
wzrostem zawartości objętościowej
włókien Vw.
2. Kompozyty wzmacniane włóknami
wykazują bardzo duŜą spręŜystość w
kierunku równoległym do osi włókna;
w kierunku prostopadłym jest ona
znacznie mniejsza.
3. Kompozyty włókniste wykazują
właściwości anizotropowe.
a)
Ek = (1−Vw )Eo +VwEw
b)
Ek =
Eo Ew
(1−Vw )Ew + Vw Eo
4. Kompozyty agregatowe (z cząstkami
kulistymi) mają moduł Younga
zbliŜony do obciąŜonych prostopadle
do osi włóka (wyniki dotyczą danych
doświadczalnych)
Wpływ parametrów włókna na właściwości
kompozytów. Przypadek najprostszy.
ZałoŜenia:
• włókna równoległe, ciągłe, obciąŜenie przyłoŜone równolegle do osi włókien
• osnowa i włókna są liniowo spręŜyste aŜ do zniszczenia
• siły spójności na granicy osnowa-włókno są duŜe i nie wpływają na wytrzymałość
kompozytu
σ
Oznaczenia:
σ
włókno
o -osnowa
*
σw= Ew ε w
w -włókno
zniszczenie
włókna
σo = Eo ε*o
k -kompozyt
osnowa
ε
σ
Włókna - kruche, spręŜyste
Osnowa – ciągliwa, plastyczna
Ew>Eo, εw < εo
zniszczenie
osnowy
ε*w
ε*o
ZaleŜność obciąŜenie-odkształcenie (w całym
zakresie obowiązuje prawo Hooka σ=Eε )
Wpływ parametrów włókna na właściwości
kompozytów. Wytrzymałość
Rm = Fmax/So – wytrzymałość na rozciąganie
Fmax - max sił, przy której nie następuje zniszczenia materiału
So - powierzchnia początkowa materiału
włókno
zniszczenie włókna
Rmo
osnowa
εo=15%
Odkształcenie ε
εw=1,5%
włókno
NapręŜenie σ
NapręŜenie σ
Rmw
εw < εo
kompozyt
osnowa
Odkształcenie ε
początek odkształcenia plastycznego osnowy Zniszczenie kompozytu związane
jest ze zniszczeniem włókna
Wpływ parametrów włókna na właściwości
kompozytów. Wytrzymałość
ObciąŜenie równoległe do osi włókien
1. E=σ /ε = const.
2. Przyrost obciąŜenia przenoszony jest
przez włókna (odkształcenia spręŜ.)
3. Pękanie włókien
4. Przyrost obciąŜenia przenoszony jest
przez osnowę (odkształcenia plast.)
5. Pękanie osnowy
3.
5.
2.
1.
4.
Wpływ parametrów włókna na właściwości
kompozytów. Objętościowy udział włókien
ZałoŜenia dodatkowe:
• wszystkie włókna mają jednakową wytrzymałość
• odkształcenia podłuŜne osnowy i włókien są takie same
Kryterium zniszczenia materiału:
Składniki kompozytu pozostają
nieuszkodzone tak długo, aŜ
odkształcenie wywołane obciąŜeniem
F nie osiągnie wartości obciąŜenia
niszczącego włókna, bądź matrycę
Vw – ułamek objętościowy
włókien w kompozycie
Vw + Vo = 1
σ
σw
σo
σmin
Vw
Vw* Vwkr
wytrzymałość kontrolowana
przez osnowę
1
wytrzymałość kontrolowana
przez włókna
Wpływ parametrów włókna na właściwości
kompozytów. Wytrzymałość, Vkryt
ObciąŜenie równoległe do osi włókien
σ m - napręŜenia max.
σ eo - napr. płynięcia osnowy
σ zo - napr. zrywania osnowy
σ zw - napr. zrywania włókien
σ ew - napr. płynięcia włókien
wytrzymałość kompozytu
wytrzymałość osnowy
Ek = Vo Eo + Vw Ew = (1 − Vw ) E o + Vw E w
σ m = Vwσ zw + Voσ eo = Vwσ zw + (1 − Vw )σ eo
Vkryt – ułamek objętości
włókien, powyŜej którego
następuje wzmocnienie
osnowy przez włókna
Inne właściwości kompozytów. Reguła
mieszania.
RóŜne właściwości kompozytów (mieszanin) moŜna opisać za pomocą
ułamka objętościowego poszczególnych faz. Podobnie jak w
przypadku modułu Younga, moŜna znaleźć górne i dolne ograniczenie
zmian wybranych parametrów.
Ek = Vo Eo + Vw Ew
Ek =
Eo E w
Vo E w + V w E o
Parametry podlegające tej regule to:
• Gęstość, wytrzymałość
• Przewodność cieplna
• Przewodność elektryczna
Xc = XmVm + XfVf
Xc = XmXf/(VmXf + VfVm)
Xc – dowolny parametr mieszaniny
c – composite (kompozyt)
m – matrix (osnowa)
f – fibers (włókna)
Wpływ parametrów włókna na właściwości
kompozytów. Adhezja.
Wykres napręŜenie – odkształcenie dla
kompozytu poliestrowo – szklanego
30%
20%
10%
Optymalna ilość zbrojenia
50
σk
40
0%
30
20
10
1
2
Odkształcenie ε
3
Zakres zmian ułamka
objętościowego włókna:
V kryt – Vopt – Vmax
(45-80%)
dobra adhezja
σo
NapręŜenie
NapręŜenie MPa
60
Wytrzymałość na rozciąganiesilnie zaleŜy od adhezji
zbrojenia i osnowy.
σk > σo
słaba adhezja
σk < σo
Vopt
Vmax Vw
Vmax < 80%. PowyŜej osnowa
nie wypełnia dokładnie
przestrzeni między włóknami
Wpływ parametrów włókna na właściwości
kompozytów. Geometria włókien.
Włókna stanowiące zbrojenie kompozytów mogą
być:
•ciągłe i nieciągłe (cięte)
•zorientowane i rozmieszczone przypadkowo
•nieciągłe długie i nieciągłe krótki
•o małej średnicy i o duŜej średnicy (10-150µm)
ciągłe
Istotny jest teŜ
• stosunek długości włókna do średnicy l/d
• wytrzymałość granicy między włóknem a
l
osnową.
σ
osnowa
zorientowane niezorientowane
długie krótkie
małe d duŜe d
σ
włókno
σ
nieciągłe
d
Przenoszenie napręŜeń na granicy włókno-osnowa
ortogonalne jednokierunkowe
Wpływ parametrów włókna na właściwości
kompozytów. Geometria włókien.
Istnieje pewna krytyczna długość włókna
o średnicy d:
lkryt = Rm d/τk
gdzie:
Rm –wytrzymałość włókien na rozciąganie,
τk – wytrzymałość wiązania między
włóknem a osnową
Wytrzymałość
na rozciąganie
Wytrzymałość kompozytu rośnie ze wzrostem l/d (duŜe l, małe d).
- Włókna pękają poczynając od wad występujących na powierzchni – im
mniejsza średnica tym mniejsza powierzchnia, mniejsze prawdopodobieństwo
wad powierzchniowych sprzyjających pękaniu, wzrasta wytrzymałość.
- Powierzchnia wiązania z osnową powinna być dostatecznie duŜa w celu
zwiększenia wytrzymałości granicy, mniejsze d poprawia stosunek
powierzchni włókna do jego objętości.
- Końce włókien przenoszą mniejsze obciąŜenie – ograniczenie ilości końców
zwiększa zdolność do przenoszenia obciąŜeń.
średnica włókna
Wpływ parametrów włókna na właściwości
kompozytów. Geometria włókien.
Rozkład siły osiowej przekazywanej na włókno przez matrycę
a) lw = lk -włókno przenosi maksymalnego obciąŜenia Rm
jedynie w jednym punkcie
b) lw >lk -włókno przenosi maksymalne obciąŜenie na
długim odcinku
c) lw<lk -włókno za krótkie, nie przenosi maksymalnego
obciąŜenia
Efektywne umacnianie kompozytu przez włókna:
Umacnianie porównywalne z włóknami ciągłymi:
gdy lw>lk
gdy lw>15 lk
Zbrojnie włóknami w postaci tkanin
- Wykorzystywane są w kompozytach o osnowie polimerowej,
- Podlegają wstępnej impregnacji Ŝywicami polimerowymi,
- Dają szerokie moŜliwości splotu i ułoŜenia włókien,
a) płócienny
b) pięcionicelnicowy
c) jednokierunkowy
d) płócienny z krajką
e) trójosiowy oplot
Rodzaje splotów włókien w tkaninach stosowanych
do wzmacniania kompozytów
Wpływ parametrów włókna na właściwości
kompozytów. Orientacja włókien
Włókna ortogonalne
• występują kierunki uporządkowania i
nieuporządkowania (anizotropia)
• najlepsze właściwości mechaniczne
przy obciąŜeniu wzdłuŜ włókien
Włókna nieuporządkowane
• właściwości izotropowe
• graniczna wytrzymałość na zerwanie jest
mniejsza niŜ w przypadku materiałów z
uporządkowanymi włóknami
E1
E2
Orientacja włókien:
Równoległe
-jednokierunkowe
-ortogonalne
Nieuporządkowane
Kombinacje ułoŜenia
E2
E1
E1
E1
Wytrzymałość
Włókna uporządkowane
• właściwości materiału są silnie anizotropowe
• moduł E i wytrzymałość są funkcją ułamków
objętościowych włókien i osnowy
• moduł E i wytrzymałość w kierunku
uporządkowania są znacznie większy niŜ w
kierunku prostopadłym do uporządkowania
Jednokierunkowe
Ortogonalne
Losowe
Vw
Podsumowanie kompozytów włóknistych
Przy projektowaniu kompozytów włóknistych naleŜy uwzględnić:
•Właściwości włókien i osnowy
( Ew > Eo, Rmw > Rmo, εw < εo )
•Wytrzymałość granicy włókno – osnowa
(silne wiązania)
•Ułamek objętości zajętej przez włókna
( 45 - 70% )
•Długość włókien i ich średnicę
( d = 10-150µm, l > 15 lk )
•Orientację włókien
( zgodna z kierunkiem obciąŜenia)
Kompozyty polimerowe z włóknami szklanymi
Produkowane w największych ilościach, mocne, lekkie, wytrzymałe, nieaktywne
chemicznie. Składniki są tanie, łatwe do obróbki, dostępne. Wada: mało sztywne.
Kompozyty zbrojone włóknami
Są najbardziej efektywnymi spośród materiałów kompozytowych, tzn. wykazują
najlepsze właściwości mechaniczne i wytrzymałościowe przy najmniejszym
cięŜarze właściwym. Jedyną ich wadą w porównaniu z proszkowymi jest cena.
Kompozyty proszkowe
Zadawalające parametry, umiarkowana cena, prosta technologia. Powszechnie
stosowane, szczególnie przy duŜych obciąŜeniach, w wysokiej temperaturze.
Kompozyty hybrydowe
Stosowane są zbrojenia kilku rodzajów.
Właściwości materiałów i kompozytów
Materiał
Szklane
Węglowe
Aramidowe(Kevlar)
Poliepoksydowa
Poliestrowa
Włókna szklane w poliestrze
Włókna węglowe w poliepoks.
Włókna Kevlar w poliepoksydzie
Stal
Gęstość
E
ρ[g/cm3]
[GPa]
włókna
2,5
76
1,75
250
1,45
125
osnowa
1,2-1,4
2,1-5,5
1,1-1,4
1,3-4,5
kompozyt
2,0
48
1,5
180
1,4
76
7,8
200
Rm
[MPa]
1400-2500
2700
2760
40-85
45-85
1250
1050
1250
1000
Kompozyty proszkowe, wzmacniane
cząstkami
Istnieją dwa typy takich kompozytów:
• wzmacniane duŜymi cząstkami innej fazy, agregatami (np. beton);
• utwardzane dyspersyjnie cząstkami zbrojenia o średnicy 0.01-0.1µm (np.
stopy metali)
Właściwości kompozytów proszkowych
• osnowę mogą stanowić metale, ceramika, polimery
• na wzrost wytrzymałości wpływa zarówno osnowa jak i cząstki rozproszone
• naleŜą do nich: cermetale, beton, węgliki spiekane,
supertwarde materiały narzędziowe i ścierne (w dowolnej osnowie)
materiały magnetyczne (cz.magnetyczne w dowolnej osnowie)
materiały dielektryczne (cz.dielektryka w dowolnej osnowie)
materiały polimerowe z wypełniaczami (sadza, granulki szklane itp.)
Optymalne właściwości:
• cząstki powinny mieć jednakowe rozmiary,
• powinny być równomiernie rozłoŜone,
• właściwości zaleŜą od procentowej objętości zajętej przez cząstki zbrojenia,
• efektywność wzmacniania zaleŜy od wielkości cząstek.
Kompozyty proszkowe wzmacniane dyspersyjnie
Kompozyty dyspersyjne zawierają równomiernie rozłoŜone cząstki węglików,
tlenków, azotków i inne trwałe termicznie związki (do ok.15% objętości).
• osnowę stanowią najczęściej metale,
• właściwości kompozytu zaleŜą porównywalnie od osnowy i zbrojenia,
• cząstki zdyspergowane nie powinny rozpuszczać się w osnowie,
• odmienny mechanizm wzmocnienia niŜ dla kompozytów włóknistych,
• wzmocnienie polega na utrudnianiu przez rozproszone cząstki ruchu
dyslokacji w osnowie (blokowanie dyslokacji),
• obciąŜenie zewnętrzne przenoszone jest w większości przez osnowę,
dlatego zbrojenie dyspersyjne nie poprawia znacząco cech mechanicznych i
wytrzymałościowych kompozytu w umiarkowanych temperaturach,
• wpływ wzmocnienia jest wyraźny w wysokich temperaturach, np. wzrost
odporność na pełzanie, przeciwdziałanie odkształceniom plastycznym,
• są odporne na wysokie temperatury aŜ do temperatury topnienia osnowy,
• zaletą jest niska cena i prosta technologia (metalurgia proszków).
Przykłady: Ag–CdO, Al-Al2O3, Al.-SiC, Be-BeO, Pb-PbO, CO-ThO2-Y2O3
(materiały magnetyczne), Pt-ThO2 (dielektryczne), W-ThO2-ZrO2 (grzejne)
Kompozyty wzmacniane duŜymi cząstkami
(kompozyty agregatowe)
Cement, beton –osnowa i cząstki wzmacniające są materiałami ceramicznymi
• Cement –kompozyt składający się z naturalnych tlenków, siarczków
• Beton - kompozyt składający się z cementu (osnowa) i drobnego piasku i
Ŝwiru (kruszywo, zbrojenie) – duŜa wytrzymałość na ściskanie, mała
wytrzymałość na rozciąganie (pęknięcia, pory)
• Asfalt – osnowa: bitum, polimer termoplastyczny
uzyskiwany z ropy naftowej,
kruszywo: piasek i Ŝwir lub tłuczone
szkło (glasasfalt)
• śelbeton –beton zbrojony prętami, drutami
lub siatką stalową, w celu zwiększenia
wytrzymałości na rozciąganie,
(osnowa: beton, kompozyt + zbrojenie
włóknami)
kruszywo:
piasek i Ŝwir
osnowa:
cement
beton
Kompozyty wzmacniane duŜymi cząstkami
(kompozyty agregatowe)
Węgliki spiekane: CERMET (kompozyt metalu z ceramiką)
Osnowa: Cu, Ni, Co lub inne metale.
Faza rozproszona: węgliki (WC, TiC) do 90%
Węglik wolframu – bardzo twardy, odporny na
ścieranie i wysoką temperaturę, kruchy.
Stosowany na narzędzia tnące i materiały ścierne
(ceramiczne twarde cząstki umieszczone są w
plastycznej metalicznej osnowie, zwiększającej
odporność na pękanie).
Proszek Co (4,5-25%) + cząstki WC + spiekanie
(powyŜej temp. topn. Co ) –technologia spiekania
proszków.
W czasie eksploatacji wykruszają się stępione
cząstki WC i odsłaniają się nowe.
Jasna faza - osnowa (Co)
Ciemna faza – zbrojenie (WC)
Kompozyty strukturalne
Kompozyty strukturalne składają się z połączonych ze sobą kilku warstw
dwuwymiarowych płyt lub paneli. KaŜda z warstw moŜe mieć uprzywilejowany
kierunek, w którym występują najlepsze właściwości mechaniczne. Obrócenie
tych warstw względem siebie o odpowiedni kąt zapewnia pozyskanie
odpowiednich właściwości w róŜnych kierunkach w płaszczyźnie powierzchni
kompozytu.
Rodzaje:
• warstwowe
• kanapkowe (z rdzeniem )
Materiały:
• płyty, tkaniny, preimpregnaty z tkanin –odpowiednio ułoŜone, połączone (często
za pomocą osnowy) i utwardzone – poprawa właściwości wytrzymałościowych
• laminaty, platery, grube warstwy ochronne, cienkie pokrycia - zwiększenie
odporności chemicznej i odporności na działanie środowiska
• materiały o róŜnych właściwościach mechanicznych, odpowiedniej gęstości i
odporności chemicznej –obniŜenie kosztów produktu przez zastosowanie
odpowiedniego materiału jedynie na powierzchni kompozytu
Kompozyty strukturalne. Laminaty.
Laminat - wiele dwuwymiarowych warstw, róŜnie zorientowanych względem
siebie, ułoŜonych w stos i poddanych odpowiedniej obróbce
Zastosowanie:
•sklejka - utworzona z kilku cienkich fornirów drewna
•narty –struktury hybrydowe, wykonane z warstw
róŜnych materiałów (warstwa amortyzująca i
wzmacniająca z poliuretanu, warstwa usztywniająca
z włókien szklanych, warstwa spodnia, odporna na
ścieranie, z polimeru zbrojonego cząstkami węgla.
Laminat krzyŜowy (J. German)
Kompozyty warstwowe (kanapkowe)
Dwie silne warstwy zewnętrzne rozdzielone warstwą słabszego i mniej gęstego
materiału (rdzeń). Rolą rdzenia jest przeciwdziałanie deformacjom
spowodowanym siłą prostopadłą do powierzchni zewnętrznych. Często rdzeń ma
strukturę plastra miodu, w celu poprawy wytrzymałości, obniŜenia gęstości itp.
UŜywa się w konstrukcji dachów, ścian, skrzydeł samolotów
Metody wytwarzania
pośrednia (wielooperacyjna)
• wytwarzania włókien wzmacniających,
• przygotowania powierzchni włókien,
• właściwe ułoŜenie włókien,
• połączenia włókien z osnową.
Metody te dają szerokie moŜliwości
kształtowania kompozytów poprzez
dobór osnowy i rodzaju włókien.
bezpośrednia (kompozyty in situ)
•Krystalizacja kierunkowa ciekłego
stopu o składzie eutektycznym.
•Proces jednostopniowy, dotyczy
kompozytów z osnową metalową
•Uzyskuje się strukturę włóknistą lub
płytkową, moŜna sterować średnicą
włókien i wymiarami płytek
Techniki wytwarzania:
•Proces trudny, wymaga precyzyjnej
-Nakładanie ręczne
-Prasowanie
kontroli warunków krystalizacji
-Metody wytłaczania -Walcowanie
-Metody wtrysku
-Wyciskanie
-Spiekanie
-Metoda metalurgii
-Odlewanie
-Metoda proszkowa
-Napylanie plazmowe -Dyfuzyjne zgrzewanie
Metody wytwarzania kompozytów
Schemat wytwarzania materiału kompozytowego Al – SiC
Wyciskanie. Kompozyty proszkowe, dyspersyjne.
Metody wytwarzania kompozytów
Schemat wytwarzania taśm przez zgrzewanie dyfuzyjne. Walcowanie folii
metalowych pokrywających włókna wzmacniające. Metoda stosowana dla
kompozytów z osnową metalową wzmacnianych włóknami ciągłymi.
Metody wytwarzania kompozytów.
Schemat procesu formowania tłoczywa arkuszowego (SMC) (kompozyty
polimerowe wzmacniane włóknami) słuŜącego do wytłaczania elementów
Metody wytwarzania kompozytów
Proces pultruzji (wyciąganie, przeciąganie). śywica wzmocniona
włóknami szklanymi
Metody wytwarzania kompozytów.
Schemat procesu BSM
Składniki ciekłe
Składniki proszkowe
Środki
rozdzielcze
śywica
CaCO3
Mieszanie
Mieszanie
Włókna szklane
NóŜ
Roving
Styren
Składniki ciekłe,
proszkowe
i włókno cięte
Pojemniki
Zastosowanie kompozytów
- budownictwo,
- sprzęt uŜytkowy,
- sport
Kable koncentryczne
WąŜ ogrodowy
Zastosowanie kompozytów
Motoryzacja,
transport wodny
Karoseria samochodu zbudowanego w 1992 z
materiału kompozytowego wykorzystującego
włókno węglowe.
Karoseria jest bardziej sztywna od karoserii
stalowej, a waŜy tylko ok. 210 kg, czyli ¼ wagi
karoserii stalowej
Zastosowanie kompozytów
Lotnictwo,
kosmonautyka