1

Gojko Marić

MATERIJALI   II

Akademska godina 2011/12

2

Kompozitni materijali ili kompoziti su proizvedeni umjetnim spajanjem dvaju ili više materijala različitih svojstava s jasnom granicom između njih. Posljedica je dobivanje materijala takvih svojstava kakva ne posjeduje niti jedna komponenta sama za sebe.

DEFINICIJA

3

Composite ‐ composed of separate parts; compoundsastoji od odvojenih dijelova, spoj

Te American Heritage® Dictionary of the English Language, Fourth Edition copyright ©2000 by Houghton Mifflin Company. Updated in 2009. Published by Houghton Mifflin Company

Collins English Dictionary – Complete and Unabridged ©HarperCollins Publishers 1991, 1994, 1998, 2000, 2003

Composite ‐made up of distinct components; compound

sastavljen od različitih komponenti; spoj.

ZNAČENJE

Composite – (latinski Compositum) – sastavljeno.

4

Prve uporaba kompozita datira iz 1500‐ih godina prije Krista kada su Egipćani Mezopotamski doseljenici koristili mješavinu blata i slame za stvaranje jake i izdržljive zgrade.

POVIJEST

5

Kasnije, oko 1200 godine P.K., Mongoli su izumili prvi složeni luk. Koristeći kombinaciju drva, kosti, i ljepila (od životinjskog porijekla) nastali su lukovi koji su prešani i omotani korom od breze.

Ovi lukovi su bili izuzetno snažni i  točni, te su probijali tadašnje oklope i imali izuzetan doseg. Mongolski kompozitni lukovi osigurali su  Genghis Khan vojnu dominaciju, a i bili su najmoćnije oružje na zemlji sve do 

izuma baruta.

6

DANAS

U brodogradnji 1/3 upotrijebljenih materijala su kompoziti!

• Mala brodogradnja ↑↑↑

• Velika brodogradnja↓

7

•‐mogućnost izrade vrlo složenih oblika,•‐smanjenje troškova naknadne obrade dijelova,•‐mogućnost spajanja dijelova tijekom samog 

postupka proizvodnje,•‐dimenzijska stabilnost pri ekstremnim radnim 

uvjetima,•‐otpornost na koroziju,•‐dizajniranje svojstva.

Neke od općih prednosti kompozitnih materijala pred konvencionalnim materijalima jesu sljedeće:

PREDNOSTI

8

Kompozitni materijali se sastoje od dva osnovna konstituenta:

• Matrice

• Ojačala

Zadaća ojačala je da budu nosivi element kompozita, tj da osiguraju:

• visoku čvrstoću, 

• visoki modul elastičnost – krutost

• otpornost na trošenje

9

Zadaće matrica je da:

• drži ojačala zajedno, • štiti ih od vanjskih utjecaja, • ima važnu funkciju u prijenosu opterećenjana ojačalo, 

• daje vanjsku formu kompozitu, • određuje njegovo ponašanje u obzirom nadjelovanje atmosfere, itd..

10

Svojstva kompozita ovisiti će o:

• Svojstvima konstiutenata tj. matrice i ojačala

• Veličini i raspodijeli konstituenata

• Volumnom udjelu konstiutenata

• Obliku konstituenata

• Prirodi i jakosti veza između konstituenata

11

12

Podjela kompozita najčešća je obzirom na:

• Materijal matrice

• Oblik ojačala

PODJELA KOMPOZITA

13

Matrica :

• Metalna ‐MMC

• Keramička ‐ CMC

• Polimerna ‐ PMC

PODJELA PREMA MATERIJALU MATRICE

Noviji: ugljik‐ugljik kompoziti. Mogu podnijeti vrlo visoke temperature ‐ do 1700 °C,a kratkotrajno i do 2700 °C.

14

Plus:_• Provode struju i toplinu• Dobra čvrstoća• Dobra žilavost • Magnetični su (neki)

Minus :• Visoka gustoća• Slaba otpornost na puzanje• Loša korozijska otpornost

Plus:_• Ne provode struju i toplinu• Otporni na trošenje i koroziju• Visoka čvrstoća i krutost • Niska gustoća

Minus :• Loša/teška strojna obrada• Izuzetno niska žilavost

Plus:_• Provode struju i toplinu• Dobra čvrstoća• Dobra žilavost • Magnetični su (neki)

Plus:_• Dobra žilavost• Dobra obradljivost• Izuzetna korozijska otpornost • visoki omjer čvrstoća/težina

Minus :• Niska krutost i čvrstoća• Loša svojstva na visokim temp.

POLIMERIKERAMIKA

METALI

KOMPOZITI

PODJELA PREMA MATERIJALU MATRICE

15

PODJELA PREMA MATERIJALU MATRICE

16

Oblik ojačala:

• Čestice

• Vlakna

• Strukturni kompoziti:

Slojeviti kompoziti – laminati

Sendvič konstrukcije

PODJELA PREMA OBLIKU OJAČALA

17

VRSTE KOMPOZITA

KOMPOZITI, MMC,PMC,CMC

Česticama ojačani Vlaknima ojačani Strukturni

Velike čestice

Disperzijom ojačani

Viskeri Vlakna Žice Laminati Sendvičkonstrukcije

18

KOMPOZITI S ČESTICAMA

Obzirom na veličinu čestica i način na koji čestice utječu na svojstva kompozita možemo izvršiti podjelu na:

• Kompozite s disperzijom

• Kompozite s velikim česticama

19

KOMPOZITI S ČESTICAMA

Kompoziti s disperzijom

• Čestice sprečavaju gibanje dislokacija – ojačanje

• Količina disperziranog materijala – do 15%

20

KOMPOZITI S ČESTICAMA

Kompoziti s disperzijom

Glavne varijable u određivanju učinkovitosti disperzije su:

• Veličina čestica, d →  < 0,1 μm

• Volumni udio, Vp → < 15%

• Razmak između disperziranih čestica, Dp

21

Kompoziti s velikim česticama

KOMPOZITI S ČESTICAMA

Veličina čestica, d →  ≥ 0,1 μmVolumni udio, Vp →  > 15%

Ovi kompoziti sadrže veće udjele velikih čestica koje ne djeluju izravno na sprečavanje gibanja dislokacija. Ovakvi kompoziti su namjenjeni za proizvode kod kojih se ne traži posebno izražena čvrstoća (abrazivne ploče, elek. kontakti)

22

KOMPOZITI OJAČANI S VLAKNIMA

Na osnovu promjera i karaktera, vlakana su svrstana u tri skupine:

• Viskeri

• Vlakna

• Žice

23

Viskeri su  sićušni  monokristali koji  imaju  ekstremno veliki  omjer  "duljina/promjer“.  Posljedica  malih dimenzija  je  veliki  udio  pravilnosti  kristalne  građe,  pa gotovo  nema mogućnosti  tečenja  što  vodi  do  izuzetno visoke  čvrstoće;  oni  su  najčvršći  poznati  materijali. Pored svih nabrojenih svojstava ne primjenjuju se zbog visoke cijene. Vrlo ih je teško ugraditi u matricu.

Viskeri mogu biti od grafita (ugljika), silicij‐karbida, silicij‐nitrida i alumij‐oksida.

Al18B4O33 viskeri

24

Vlakna su ili polikristalna ili amorfna te imaju mali promjer. Materijali vlakana mogu biti polimerni ili keramički (aramid, staklo, ugljik, bor, aluminij‐oksid i silicij‐karbid).woven fibers

cross section view

0.5 mm

0.5 mm Legura Ag‐Cu ojačana s ugljičnim vlaknima

25

Žice su relativno velikog promjera, tipični materijali su čelik, Mo i W. Primjenjuju se pri radijalnom čeličnom ojačavanju (armiranju) automobilskih guma, pri namotavanju čahura/košuljica, te kod žicama omotanih visokotlačnih tuljaka.

2 ‐ Ispletena tekstilna vlakna

6 ‐ Čelične žice

7 – Mekani sloj‐Nylon

Ojačanja automobilske gumeŽicom ojačana cijev

26

Kod vlaknima ojačanih kompozita dolazi do izražaja poboljšanje čvrstoće, žilavosti, krutosti, te povećanja omjera čvrstoća/gustoćauslijed ugradnje čvrstih, krutih i krhkih vlakana u mekaniju, duktilniju matricu. Materijal matrice prenosi opterećenje na vlakna te osigurava duktilnosti žilavost, budući da vlakna nose veći dio opterećenja. Upravo zbog te činjenice je vrlo važna veza između matrice i vlakana. Dva značajna svojstva vlakana su visoka toplinska stabilnost i kontrolirana rastezljivost pri povišenim temperaturama.

Vlakna se razlikuju prema:• vrsti • duljini • promjeru• orijentaciji • hibridizaciji.

27

Istezanje ε, mm/mmIstezanje ε, mm/mm

Nap

reza

nje σ,

N/m

m2

Nap

reza

nje σ,

N/m

m2

Vlaknima ojačani kompoziti spadaju u skupinu anizotropnih materijala budući da imaju znatno bolja svojstva u smjeru vlakana

Matrica

Matrica

Vlakno Vlakno

Lom

KompozitPodručje

Područje

28

Karakteristike kompozita ojačanog vlaknima ovise o :

a. Omjeru duljina/promjer vlakana

b. Volumnom udjelu vlakana

c. Usmjerenosti (rasporedu) vlakana

d. Svojstvima vlakana

e. Svojstvima matrice

29

Omjer duljina/promjer

Različiti načini rasporeda vlaknastih ojačavala

a) kontinuirana jednosmjerna vlakna  b) slučajno usmjerena diskontinuirana vlakna

c) ortogonalno raspoređena vlakna       d) višesmjerno usmjerena vlakna

Kontinuirana vlakna se teže proizvode i  ugrađuju u matricu, ali osiguravaju najbolja svojstva.

Diskontinuirana vlakna s velikim omjerom ‘’duljina/promjer’’ znatno se lakše ugrađuju u matricu, i tako čine materijal visoke krutosti i čvrstoće.

30

Volumni udio vlakana

Veći volumni udio vlakana dovodi do povećanja čvrstoće i krutosti kompozita. 

Gornja granica od oko 40% određena je sposobnošću, odnosno mogućnošću da se vlakna okruže materijalom matrice.

31

Usmjerenost vlakana

Jednakosmjerna vlakna imaju optimalnu krutost i čvrstoću kada je opterećenje paralelno s vlaknima ‐ anizotropnost.

Polaganjem vlakna pod nekim kutem na opterećenj smanjiti ćemo čvrstoću, ali ćemo postići jednoličnija svojstva kompozita.

32

Svojstva vlakana

Vlakna trebaju biti čvrsta, kruta, lagana, a također trebaju imati visoko talište.

Materijali vlakana morali bi imati visoki specifični modul elastičnosti ili čvrstoće.

Specifična čvrstoća = Specifični modul elastičnosti =( )ρ

em RRρE

33

Svojstva matriceUobičajeno je da su materijali matrice žilavi i duktilni tako da prenose opterećenja na vlakna te sprečavaju da napukline od prekinutih vlakana napreduju kroz cijeli kompozit. 

Matrica također mora biti čvrsta tako da doprinosi sveukupnoj čvrstoći kompozita. 

Na prikladnost za matricu utječe i talište (poliesterske nezasićene smole imaju maksimalnu temperaturu uporabe 80OC, 315OC poliimidi. Metalne matrice puno više temperature.

34

Svojstva vlakana

35

Hibridni kompozitiRelativno novija vrsta vlaknima ojačanih kompozita. Dobivaju se uporabom više vrsta  vlakana u jedinstvenoj matrici, čime se dobivaju znatno bolja svojstva.

Postoje brojne kombinacije vlakana i matrice, ali se najčešće koriste:

Ugljik – AramidDobra žilavost + vlačna čvrstoća od aramidaTlačna i vlačna čvrstoća od ugljičnih vlakanaNiska gustoća, ali relativno visoka cijena.Aramid – StakloMala gustoća + žilavost + vlačna čvrstoća od aramidaTlačna + vlačna čvrstoća od staklaNiska cijenaUgljik – StakloTlačna + vlačna čvrstoća + krutost + gustoća od ugljikaDobra svojstva + cijena od staklaNiska cijena

36

Slojevite (laminatne) konstrukcije odnosno slojeviti kompoziti sastavljeni su od dvodimenzionalnih slojeva s preferiranim smjerom visoke čvrstoće (drvo, ili usmjerenim vlaknima ojačanih polimernih materijala). Slojevi su složeni i dodatno međusobno čvrsto povezani, a svojstva variraju obzirom na orijentaciju vlakana u pojedinim slojevima (zbog toga se slojevi slažu različito usmjereni). 

Bimetal

37

Pčelinje saćeLjepilo

Površinski sloj

Površinski sloj

Ljepilo

Sendvič konstrukcije, sastoje se od tankih vanjskih slojeva i laganog srednjeg dijela koji služi za popunjavanje. Niti materijal za popunjavanje niti vanjski slojevi ne moraju biti čvrsti niti kruti, ali će sendvič imati oba svojstva! Primjer: valoviti karton (debeli papir + valoviti karton + debeli papir)

Drugi primjer je struktura u obliku pčelinjih saća koja se primjenjuje u zrakoplovstvu.

38

POLIMERNI KOMPOZITI  PMC

Plastomeri: PA, PE, PP, ABS, visokotemperaturniplastomeri (PEEK, PPS, PEI).

Duromeri: poliesterske, epoksidne, vinil esterske, fenolne smole itd.

Češće su duromerne matrice.

Materijal matrice:

39

Materijal ojačala:‐ Staklena vlakna‐ Ugljična vlakna‐ Aramidna vlakna‐ Ostali vlaknasti materijali (B, SiC, Al2O3)

POLIMERNI KOMPOZITI  PMC

40

METALNI KOMPOZITI 

(MMC –Metal Matrix Composites)

Materijal matrice:superlegure, legure aluminija, magnezija, titana i bakra

Materijal ojačala:‐ čestice‐kontinuirana vlakna (ugljik, silicijev karbid, bor, aluminij i tvrdimetali)

‐ diskontinuiranih vlakana i viskera(silicijeva karbida, sjeckana vlakna od ugljika i aluminija i čestice aluminija i karbida, dijamanti)

41

Prednosti:

• vrlo visoka čvrstoća i krutost uz vrlo malu gustoću,

• visoka toplinska i električna vodljivost i niska toplinska rastezljivost,

• vrlo dobra otpornost na trošenje,• vrlo dobra svojstva na visokim temperaturama.

METALNI KOMPOZITI

42

Nedostaci:

• Komplicirana proizvodnja,

• vrlo visoka cijena ‐cijena će padati sa širenjem primjene,

• nedovoljno podataka o svojstvima materijala,

• još uvijek nema dovoljno smjernica za konstruiranje s ovom vrstom materijala

• loša recikličnost.

METALNI KOMPOZITI

43

Materijal matrice:

OKSIDNE: NEOKSIDNE:

‐ Al2O3 ‐ SiC

‐ SiO2 ‐ Si3N4

‐Mulit 3Al2O3 2SiO2 ‐ B4C

‐ Ba‐, Li‐ i Ca‐aluminosilikat ‐ AlN

KERAMIČKI  KOMPOZITI(CMC – Ceramic Matrix Composites)

44

Materijal ojačala:Diskontinuirana (viskeri, pločice, čestice)

- Si3N4, SiC, AlN, TiB2, B4C, BN

‐ SiC najzastupljeniji zbog stabilnosti u nizu oksidnih i neoksidnihkeramičkih matrica ‐ rezni alatiKontinuirana vlakna

- staklo, mulit, Al2O3, C, SiC

‐ SiC vlakna najviše se koriste zbog visoke čvrstoće, tvrdoće i toplinske stabilnosti

KERAMIČKI  KOMPOZITI(CMC – Ceramic Matrix Composites)

45

KERAMIČKI  KOMPOZITI(CMC – Ceramic Matrix Composites)

Prednosti:

• stabilnost na ekstremno visokim temperaturama,

• otpornost na toplinski šok,

• iznimna otpornost na koroziju,

• velika tvrdoća,

• mala masa.

46

Nedostatak:

• sklonost krhkom lomu. 

Rješenje:  keramička matrica + keramička ojačanja.

47

Produljenje Δl, mm

Sila

F, N

48

Bio‐based composites

Kompoziti od obnovljivih resursa????

Bio kompoziti???

49

Definicija BIOKOMPOZITA

Biokompoziti su kompozitni materijali načinjeni od:

• prirodnih vlakana (biljnog ili životinjskog podrijetla) i i biološki nerazgradljivih polimera nastalih derivacijama nafte (duromera ‐ npr. epoksidna smola, fenolna smola i plastomera: PE, PP, PVC, PS).

• sintetičkih (umjetnih) vlakana i biopolimera (nastalih preradom biljaka) 

• od prirodnih vlakana i i biopolimera koje su ujedno najekološkiji kompoziti i često se nazivaju zeleni kompoziti.

50

PRIRODNA VLAKNA

• Biljnog podrijetla:vlakna (drva, trave, slame itd.)

lišće

sjeme

voće

liko

• Životinjskog podrijetla:vuna

dlaka

svila

51

Porast primjene biokompozita u SAD u periodu 2000 – 2005.

Građevinarstvo Industrija Automobilska Brodogradnja

industrija

52

Porast primjene biokompozita u Njemačkoj auto industriji u periodu 1999–2005.

2000 cijela auto industrija Europe potrošila je 28000 t prirodnih vlakana

53

Zašto prirodna vlaknaPREDNOSTI:

• Obnovljivi izvori• Laka dostupnost • Niska cijena i mali udio utroška energije tijekom proizvodnje• Mala gustoća (spec. težina) osigurava visoku spec. čvrstoću i 

krutost u usporedbi s staklenim vlaknima • Sigurnije za rukovanje i proizvodnju u odnosu prema 

sintetičkim vlaknima• Uštede zbog manjeg trošenja opreme jer su prirodna vlakna 

ne abrazivna u odnosu prema sintetičkim vlaknima vlaknima• Visoka električna nevodljivost• Dobra zvučna izolacija • Ne nastaje CO2 (biljke stvaraju jedino ugljične spojeve 

prilikom izgaranja ili kompostiranja)

54

Zašto prirodna vlakna?NEDOSTACI:

• Teško raspršljivi u matrici.• Prirodna vlakna su higroskopna‐upijaju vlagu, što ima za 

posljedicu stvaranje pora, slabljenje veza a time i lošijih mehaničkih svojstava kompozita.

• Vlakna počinju degradirati u rasponu do 90 do 200 oC, pa su temperatura obrade i izbor materijala matrice ograničeni.

• Osjetljiva su  na truljenje / degradacije iz okruženja (mikroorganizmi, gljivice, itd.).

• Dimenzije vlakana i mehanička svojstva variraju od biljke do biljke.

• Sadnja biljaka za izradu ojačala smanjuje zemljišta za sadnju prehrambenih sorti!!!