CAP.1 Materiale Compozite

  • View
    216

  • Download
    1

Embed Size (px)

Text of CAP.1 Materiale Compozite

  • 8/17/2019 CAP.1 Materiale Compozite

    1/19

    CAPITOLUL 1

    MATERIALE COMPOZITE – PREZENTARE GENERALĂ

    1.1 Proliferarea şi diversificarea a!erialelor co"o#i!e

     Materialele compozite  au fost folosite cu mult înainte de a fi fost definite (piatra, lemnul, iar mai târziu, dar cu peste o sută de ani în urmă, betonul).

    Au trecut aproape 60 de ani de când materialele plastice armate cu fibre de sticlă au fost utilizate pentru prima oară datorită calităţilor lor deosebite în comparaţie cu ale materialelor clasice.

    Performanţele tot mai înalte cerute structurilor de rezistenţă în general, dar mai ales celor destinate aeronauticii i aplicaţiilor militare, impun acestora condiţii foarte se!ere în timpul funcţionării.

    "n general, prioritare sunt considerentele aerodinamice de optimizare funcţionalăa profilelor structurilor aeronautice i satisfacerea condiţiilor restricti!e legate de# rezistenţe mecanice deosebite într$un inter!al larg de !alori ale temperaturii ambientale, !ibraţii, rezistenţă la oboseală, rigiditate, greutate minimă i fiabilitate ma%imă.

    &a urmare, apar tot mai frec!ent situaţii în care materialele tradiţionale nu pot satisface în totalitate multitudinea restricţiilor menţionate iar cum configuraţia geometrică a structurilor este în general impusă, singura pârg'ie unde se poate acţiona, rămâne cea a utilizării de materiale noi, cu calităţi deosebite.

    Pentru o structură mecanică cu configuraţie geometrică i condiţii de lucru

    cunoscute, este necesar să se proiecteze i să se realizeze materialul adec!at din care aceasta să fie confecţionată.

     Au apărut astfel materialele compozite, care sunt o nouă clasă de materiale ce  prezintă o mare importanţă tehnologică şi ale căror aplicaţii cunosc în prezent o dezvoltare intensă în mai multe domenii *.

    +aterialele compozite fac parte din categoria noilor materiale- i sunt create special pentru a răspunde unor e%igenţe deosebite în ceea ce pri!ete#

    $ rezistenţa mecanică i rigiditatea $ rezistenţa la coroziune

    $ rezistenţa la acţiunea agenţilor c'imici$ greutatea scăzută   $ stabilitatea dimensională

    1

  • 8/17/2019 CAP.1 Materiale Compozite

    2/19

  • 8/17/2019 CAP.1 Materiale Compozite

    3/19

    .$ Clasificarea a!erialelor co"o#i!e

    +aterialele compozite suscită din partea specialitilor din cercetare, în!ăţământ i producţie un interes crescând, interesând mai ales comportarea lor în diferite condiţii de e%ploatare (solicitări mecanice simple sau comple%e i acţiunea mediului).

     Materialele compozite se definesc ca fiind sisteme de corpuri solide, deformaile, oţinute prin cominaţii la scară macroscopică ale mai multor  materiale.

    4. +. 1ones clasifică materialele compozite astfel 5*# $materiale compozite firoase, obţinute din materiale sub formă de fibre,

    introduse într$un material de bază numit matrice $materiale compozite laminate, rezultând din straturi suprapuse din diferite

    materiale $materiale compozite speciale, alcătuite din particule introduse în matrice.

     . &ristescu prezintă o altă clasificare a materialelor compozite 7*#$materiale compozite armate cu fire !firoase"  $ fibre lungi plasate într$un aran/ament prestabilit sau fibre scurte plasate aleatoriu

    $materiale compozite hiride, alcătuite din mai multe fibre $materiale compozite stratificate, realizate din mai multe straturi, lipite între ele $materiale compozite armate cu particule.

    1.$.1 Ma!eriale co"o#i!e fi%roase

    Aceste materiale sunt obţinute din fibre de di!erse forme i dimensiuni înglobate într$o matrice, fiind utilizate într$o largă !arietate 8*, 6*#

    a) fibre naturale (iută i sisal), utilizate cu ani în urmă i înlocuite în prezent cu fibre sintetice.

     b) fibre sintetice organice termoplastice (polipropilenă, n9lon, poliester)  i termorigide (aramide) a!ând densitate i rigiditate scăzute, dar rezistenţă ridicată.

    c) fibre sintetice anorganice (sticlă, bor, carbon etc.), fibrele de sticlă fiind cele mai utilizate datorită preţului scăzut.

    :ibrele sunt în general mult mai rezistente la întindere decât acelai material

    aflat în formă masi!ă, datorită structurii interne a fibrei cât i datorită purităţiimaterialului ei. ;pre e%emplu, sticla, care în forma sa obinuită nu rezistă decât la tensiuni de ordinul a câtor!a zeci de +Pa, sub formă de fibre rezistă la tensiuni de ordinul a 07 +Pa. 3neori, în locul fibrelor lungi, sunt utilizate fibre scurte

  • 8/17/2019 CAP.1 Materiale Compozite

    4/19

    tensiunea, redistribuie eforturile când unele fibre se rup. +atricea are în general densitate mai mică i rezistenţă mult mai mică decât fibrele.

    +atricele pot fi organice, metalice i ceramice. +atricele organice au densităţi i rezistenţe relati! scăzute iar relaţia dintre

    tensiuni i deformaţii este neliniară. ;unt cele mai utilizate matrice, întrucât au a!anta/ul că pot fi fabricate mai uor i pot încorpora un număr mai mare de fibre decât

    cele metalice sau ceramice.

    1.$.$ Ma!eriale co"o#i!e s!ra!ifica!e

    +aterialele compozite stratificate (laminate) sunt constituite din straturi din cel  puţin două materiale lipite împreună printr$un adezi!. @in această categorie fac parte 7*, 8*#

    a) +aterialele stratificate, obţinute din materiale care pot fi saturate cu di!erse

    substanţe plastice i apoi tratate în mod corespunzător. b) +aterialele compozite fibroase i stratificate, cunoscute i sub denumirea de materiale compozite stratificate şi armate cu fire !stratificate", realizate dintr$o succesiune de straturi (lamine) suprapuse astfel încât fibrele unui strat să fie paralele i fiecare strat să fie orientat în mod corespunzător, pentru a obţine o cât mai bună rezistenţă i rigiditate.

    c) imetalele, obţinute din două metale diferite, cu coeficienţi de dilatare termică semnificati! diferiţi. Ba sc'imbarea temperaturii bimetalul se deformează i

     poate fi folosit ca mi/loc de măsurare a temperaturii. d) +etalele de protecţie, rezultate în urma acoperirii unui metal cu un alt metal,

    obţinându$se astfel un material compozit cu anumite proprietăţi îmbunătăţite faţă de materialul de bază.

    e) ;ticla laminată (securitul), material compozit care se obţine prin lipirea unui strat de poli!inil între două straturi de sticlă.

    1.$.& Ma!eriale co"o#i!e ara!e c' "ar!ic'le

    Această categorie de materiale compozite constă din înglobarea într$o matrice a

    unuia sau mai multor materiale.Particulele i matricea pot fi metalice sau nemetalice în următoarele !ariante 7*, 8*#

    a) Particule nemetalice în matrice nemetalică. 3n e%emplu din această categorie de materiale îl constituie cel rezultat din

     particule de nisip i rocă într$un amestec de ciment i apă, care reacţionează c'imic i se întărete. Alt e%emplu îl constituie i particulele de mică sau de sticlă, înglobate într$ o matrice de material plastic.

     b) Particule metalice în matrice nemetalică. 3n astfel de material compozit îl reprezintă carburantul pentru rac'ete, alcătuit

    din pudră de aluminiu i anumiţi o%izi încorporaţi într$o legătură organică fle%ibilă (poliuretan sau cauciuc polisulfid).

    c) Particule metalice în matrice metalică.

    4

  • 8/17/2019 CAP.1 Materiale Compozite

    5/19

    "n această categorie putem include materialul compozit rezultat din înglobarea unor particule de plumb într$o matrice realizată dintr$un alia/ de cupru sau oţel. Pentru realizarea unor materiale ductile i rezistente la temperaturi ridicate se recomandă armarea unei matrice metalice cu particule de tungsten, crom sau molibden.

    d) Particule nemetalice în matrice metalică. Particulele nemetalice (particule ceramice) înglobate într$o matrice metalică dau

    natere unui material compozit numit cermet. Atunci când în matrice se introduc particule de o%izi se obţin cermeţi pe bază de

    o%izi, ce au rezistenţă mare la uzură i temperaturi înalte. "n urma înglobării în matrice metalice a unor particule de carburi de tungstem,

    crom sau titan se obţin cermeţi pe bază de carburi. &ând matricea este din cobalt se obţine un material caracterizat printr$o duritate ridicată i prin rezistenţă mare la uzură i coroziune.

    1.& Clasificarea a!erialelor co"o#i!e d'"( )'(r'l de co)s!a)!e elas!ice"ri) care s')! carac!eri#a!e

    +aterialele compozite stratificate i armate cu fibre sunt considerate din punct de !edere macroscopic, ca fiind omogene i anizotrope, adică au proprietăţi distincte

     pe direcţii diferite, ce pornesc dintr$un acelai punct. ;ub sarcină, materialele compozite pot fi considerate ca fiind corpuri liniar$elastice, deci relaţiile dintre tensiuni i deformaţii specifice sunt cele corespunzătoare legii lui Coo>e.

    Begea lui Coo>e generală, se scrie sub forma D*, E*#

    { }   [ ]   { },@   ε⋅=σ (.)unde# $ FσG $ reprezintă !ectorul tensiunilor

      $ @* $ (di/) i, / H ,...,6 este matricea de elasticitate

    $ FεG $ reprezintă !ectorul deformaţiilor specifice. Prin in!ersarea relaţiei (.