Chimie - Curs 7.Materiale Compozite

Curs Nr. 7Materiale compozite

7.1. Introducere

Sfârşitul secolului XX este considerat de către numeroşi specialişti ca fiind epoca materialelor compozite. Aceste materiale cu proprietăţi programabile superioare materialelor tradiţionale au pătruns în domeniile tehnicii de vârf, cum ar fi: tehnologii aerospaţiale, microelectronica, tehnica nucleară, tehnica de construcţie medicală a implanturilor, dar şi în industria de automobile, de nave, industria chimică, a mobilei, în construcţii, în industria materialelor sportive.

Materialele compozite sunt realizate din doi sau mai mulţi componenţi care formează faze distincte, fiecare componentă păstrându-şi caracteristicile individuale şi a căror combinare conduce la obţinerea unor efecte sinergetice, care se concretizează prin performanţe ridicate, ceea ce permite lărgirea domeniului de utilizare a acestora. Materialele compozite pot include toate tipurile de materiale constituite din două sau mai multe componente.

Materialele compozite sunt alcătuite, în general, din materialul de rigidizare sau materialul de umplutură şi din matricea de legătură compatibilă.

Materialul de rigidizare (de armare sau de ranforsare) prezintă rezistenţă mecanică mare şi modul înalt, reprezintă componenta principală de preluare a sarcinii.

Materialul de umplutură reduce costul de producţie, dar poate să conducă şi la îmbunătăţirea unor caracteristici electrice, mecanice, termice etc.

Matricea constituie componenta de legătură, care serveşte şi ca mediu de transfer de sarcină între fibre.

În calitate de material de ramforsare, se folosesc:

* fire sau fibre continue, discontinue şi „whiskers” din materiale polimerice (fibre aramidice – poliamide aromatice, poliamidice – khevler etc.), metalice (din oţeluri inoxidabile, titan, aluminiu, wolfram, molibden etc.), fibre de sticlă, fibre carbon, alte tipuri de fibre: bor, carbură de siliciu, azbest, bazalt sau fibre ceramice;

* pulberi şi particule cu forme diferite (microsfere, fulgi, cilindrice sau neregulate) şi de dimensiuni diferite (de la pulbere de ordinul micronilor, la particule de câţiva milimetri), de natură anorganică (oxid de aluminiu, oxid de zirconiu, carbură de siliciu sau de titan, nitruri de siliciu sau de aluminiu etc.) sau organică.

Studii şi Cercetări asupra interfeţei materialelor compozite

Pentru realizarea materialelor compozite performante, se folosesc fibre cu rezistenţe specifice mari (rezistenţă / greutate specifică) şi module specifice înalte (modul de elasticitate / greutate specifică) cum sunt fibrele de bor, fibrele de sticlă, în

special sticla E, S sau R, fibrele de carbon (cu rezistenţă înaltă, cu modul înalt sau cu modul ultraînalt) şi fibrele aramidice de tip kevlar.

Fibrele de sticlă au cea mai mare utilizare în tehnologiile de obţinere a materialelor compozite. Acest lucru este dat şi de faptul că sunt printre primele tipuri de fibre dar şi pentru faptul că prezintă un raport preţ/calitate foarte avantajos.

Cercetările actuale continuă să pună în valoare calităţile acestor fibre în diverse moduri de prezentare.

Pentru elementele structurale utilizate în condiţii de solicitări mecanice şi termice înalte se folosesc fibre carbon şi fibre ceramice, precum şi SiC, Al2O3, SiO2

etc.

În funcţie de natura matricei, materialele compozite se clasifică în următoarele categorii:

- materiale compozite cu matrice polimeră MCP;- materiale compozite cu matrice metalică MCM;- materiale compozite cu matrice ceramică MCC.

Realizarea de materiale compozite s-a impus pe baza a numeroase considerente tehnice şi economice, între care amintim:

- necesitatea realizării unor materiale cu proprietăţi deosebite, imposibil de atins cu materialele tradiţionale;

- necesitatea creşterii siguranţei şi a fiabilităţii în exploatare a diferitelor construcţii şi instalaţii;

- necesitatea reducerii consumurilor de materiale deficitare, scumpe sau preţioase;

- posibilitatea reducerii consumurilor de manoperă şi a reducerii duratelor tehnologice de fabricaţie.

Competitivitatea economico-industrială a viitorului umanităţii impune obţinerea

de bunuri şi produse noi, cu parametri tehnici superiori, la care caracteristicile deosebit de complexe geometrico-funcţionale se combină cu exploatarea completă a proprietăţilor materialelor. Acest scop urmărit în prezent, se atinge utilizând materiale noi prelucrabile şi tehnologii noi sau modernizate, adaptate pentru noile materiale.

Dezvoltarea constantă şi continuă a tehnologiilor pentru materiale noi (compozite, ceramice, minerale şi sinterizate) constituie tematica cercetărilor intense şi a descoperirilor tehnice din ultimii ani şi a preocupărilor oamenilor de ştiinţă în viitor, pe plan naţional şi internaţional.

Facultatea de Ştiinţe 2


În acest context tehnologic internaţional se înscriu şi materialele noi, denumite generic materiale compozite, minerale, ceramice şi sinterizate pe care specialiştii le numesc “materiale din generaţia a doua”, care au deja o largă utilizare în construcţiade maşini-unelte şi utilaj tehnologic, în industria aerospaţială, în industria de transport

naval, în industria de material rulant, în industria electronică şi electrotehnică, în industria de maşini energetice etc., ca urmare a caracteristicilor tehnice superioare ale acestora. Pe măsură ce s-au elaborat şi asimilat aceste noi materiale, avansate din punctul de vedere al caracteristicilor tehnice, faţă de materialele metalice şi nemetalice clasice, au apărut şi probleme noi privind domeniul proiectării şi tehnologiilor de prelucrare primară, intermediară şi finală ale diferitelor piese sau produse, care să le asigure acestora precizia dimensională, de formă geometrică şi de calitate a suprafeţelor impuse de rolul funcţional, gradul de solicitare şi condiţiile de lucru.

În cadrul acestui curs, se va încerca abordarea, într-un mod sintetic şi accesibil, clasificarea şi caracteristicile materialelor compozite, tehnologiile de elaborare a materialelor compozite şi de prelucrare a acestora, precum şi domeniile de utilizare, având în vedere rezultatele spectaculoase ale cercetărilor teoretice şi de laborator, studiile şi cercetările efectuate, până în prezent, asupra interfeţei materialelor compozite.

Astfel, datele referitoare la proprietăţile chimice şi fizico-mecanice ale materialelor compozite, precum şi la regimurile de prelucrare, inclusiv precizia dimensională, de formă geometrică şi rugozitatea suprafeţelor, constituie elemente preţioase oferite corpului de specialişti pentru proiectarea şi elaborarea tehnologiilor de prelucrare primară, convenţională sau neconvenţională, a produselor din materiale compozite. Cursul de faţă se încadrează în preocupările generale în domeniul materialelor compozite. Un aspect esenţial îl reprezintă îmbunătăţirea calităţii materialului compozit.

Există totuşi domenii mai puţin abordate, cum ar fi:

- modul de realizarea al interfazei;- influenţa acesteia asupra proprietăţilor finale ale materialului compozit.

Acest curs abordează această problematică, atât sub aspect teoretic, cât şi experimental.



7.2. Materiale de tip compozit.

7.2.1. Noţiuni generale.

7.2.1.1. Componentele materialelor de tip compozit.

Materialele compozite fac parte din categoria materialelor compuse speciale. În cadrul generaţiei de materiale noi care înlocuiesc metalele, având în vedere caracteristicile şi perspectivele lor de viitor, o atenţie deosebită se cuvine a fi acordată compozitelor, denumite, până nu demult, materiale plastice consolidate.

Materialele compozite sunt primele materiale a căror dispunere structurală internă o concepe omul, nu numai în înlănţuirea lor moleculară, ci conferindu-le rezistenţe favorabile în direcţii preferenţiale.

Ca o definiţie generală, materialele compozite sunt sisteme de două sau mai multe componente, ale căror proprietăţi se completează reciproc, rezultând un material cu proprietăţi superioare celor specifice fiecărui component în parte. Astfel, aceste componente vor coopera, deficienţele unora fiind suplinite de calităţile altora, conferind ansamblului, proprietăţi pe care nici un component nu le poate avea singur. Termenul de material compozit se referă la un material care în principiu diferă de materialele care sunt omogene la scară macroscopică. În mod obişnuit unii autori consideră drept materiale compozite, aranjamente de fibre continue sau discontinue, realizate dintr-un material existent, ranfortul, care este cufundat într-o matrice a cărei rezistenţă mecanică este mult mai scăzută.

Din punct de vedere tehnic, noţiunea de materiale compozite se referă la materialele care posedă următoarele proprietăţi:

- sunt create artificial, prin combinarea diferitelor componente (sunt excluse compozitele naturale sau cele apărute fără intenţia de a crea un compozit, cum ar fi lemnul, fonta cenuşie etc.);

- reprezintă o combinare a cel puţin două materiale deosebite din punct de vedere chimic, cu proprietati anizotrope între care există o suprafaţă de separaţie distinctă, interfaţă;

- prezintă proprietăţi pe care nici un component luat separat, nu le poate avea.

Unii autori consideră o zonă numită interfază, responsabilă de eventualele deteriorări ale sistemului compozit. Facultatea de Ştiinţe 4


Modificările induse sunt rezultatul interacţiunii la nivelul interfeţei în timpul formării materialului compozit.

Problemele care au apărut în încercarea de a defini cât mai exact, materialele compozite sunt o dovadă a domeniului extrem de larg pe care îl ocupă acest tip de materiale, domeniu aflat într-o continuă şi rapidă extindere. În mod elocvent se observă că în timp ce la materialele plastice, care posedă proprietăţi izotrope, sunt folosite tehnici de proiectare şi execuţie a pieselor atât de apropiate celor utilizate pentru metale, la materialele compozite trebuie construită structura care se cere. Rezultatul îl reprezintă un sistem care include:

- natura ranfortului, - textura ranfortului- forma ranfortului;- concentraţia ranfortului;- natura răşinii şi a şarjelor sau aditivilor;- calitatea interfeţei ranfort-matrice;- geometria piesei de analizat;- procedeul de punere în lucru utilizat etc.

În particular, cuplul constituienţi-procedeu este indisociabil, deoarece proprietăţile structurii de realizat depind direct, iar acestea nu vor fi identificate decât în stadiul de produs finit elaborat. Avantajul major, esenţial al compozitelor constă în posibilitatea modulării proprietăţilor şi obţinerea în acest fel a unei game foarte variate de materiale, a căror utilizare se poate extinde în aproape toate domeniile de activitate tehnică.

În cele mai multe cazuri, compozitul cuprinde un material de bază, matricea, în care se află dispersat un material complementar sub formă de fibre sau particule, iar principalele proprietăţi care se urmăresc să se obţină, sub o formă îmbunătăţită sunt:

o rezistenţa la rupere;o rezistenţa la uzare, o densitatea, o rezistenţa la temperaturi înalte,o duritatea superficială, o stabilitatea dimensională, o capacitatea de amortizare a vibraţiilor etc.

O clasificare mai generală a materialelor compozite, care le prezintă într-un

mod sintetic, are la baza utilizarea concomitentă a două criterii şi anume:



particularităţile geometrice ale materialului complementar şi modul de orientare a acestuia în matrice (figura 7.1.1).

Figura 7.1.1. Schema clasificării materialelor compozite

7.2.2. Clasificarea materialelor de tip compozit reprezintă o gamă foarte mare de produse, de aceea este necesar a se lua în considerare mai multe criterii: astfel, compozitele pot fi clasificate în categoriile prezentate în continuare:

7.2.2.1. după starea de agregare a matricei şi a materialului dispersat: compozite de tip lichid-solid (suspensii, barbotine); compozite de tip lichid-lichid (emulsii); compozite de tip gaz-solid (structuri „fagure”, aerodispersii); compozite solid-solid (metal-carbon, metal-fibre, carbon-carbon,

polimer-fibre etc.);

7.2.2.2. după natura matricei:


Materiale compozite

Compozite

cu fibre

Compozite

cu particule

Stratifi-cate

(laminate)Nestratificate

Particule mici(microparticule)

Parti-culemari

Cu fibre continue

Cu fibre discontinue

Unidirecţionale Multidirecţionale Orientate NeorientateOrientate

PreferenţialNeorientate


compozite cu matrice metalică (Al,Cu, Ni, Mg, aliaje); compozite cu matrice organică (polimeri); compozite cu matrice din carbon; compozite cu matrice ceramică (SiC, B4N3, Al2O3 etc.)

7.2.2.3. după configuraţia geometrică a materialului complementar: compozite cu fibre discontinue (fibre scurte, mono sau multi-

funcţionale); compozite cu fibre continue; compozite cu particule mari (grafit, oxizi, nitruri, carbon, aliaje)

acestea având dimensiuni mai mari de 1 m şi diferite forme: sferică, plată, elipsoidală, neregulată;

compozite cu microparticule (la care materialul dispersat în matrice reprezintă 1-15 %, iar diametrul mediu al particulelor nu depăşeşte de regulă 0,1 mm);

compozite lamelare stratificate.

7.2.2.4. după modul de distribuţie a materialului complementar: compozite izotrope, care conţin elemente disperse de tip particule,

granule metalice sau fibre scurte, uniform repartizate; compozite anizotrope cu proprietăţi variabile cu direcţia, la care

materialul complementar este sub formă de fibre continue (inserţii, împletituri), orientate unidirecţional, în plan sau în spaţiu sau fibre scurte repartizate liniar;

compozite stratificate, în cazul cărora elementele componente sunt bidimensionale;

compozite cu o distribuţie dirijată a materialului dispersat, obţinute prin solidificarea unidirecţională sau deformarea plastică la rece.

7.2.2.5. după modul de realizare a suprafeţei de contact: compozite integrate chimic, la care interacţiunile din suprafaţa de

contact sunt de natură chimică (vitroceramul gama silicioasă, masele refractare fosfatice, cermeţii);

compozite obţinute prin agregare, la care predomină forţele de adeziune şi coeziune între componenţi;

compozite cu armură dispersă, care constau dintr-o matrice rigidă (ceramică) sau deformabilă (metale, aliaje, polimeri), în care se înglobează materialul complementar, constituit din fibre sau particule, forţele de legătură fiind de natură fizică şi/sau chimică.

7.2.2.6. după mărimea materialului complementar: microcompozite la care materialul dispers este la scară

microscopică sub formă de: fibre continue (aliniate sau împletite); fibre scurte (aliniate sau nealiniate); particule (sferice, plate, elipsoidale, alte configuraţii); microparticule; structuri lamelare;



reţele spaţiale; componente multiple.

macrocompozite, categorie în care se încadrează: compozitele stratificate macroscopic; materiale acoperite; materiale cu elemente de armare la scară macro.

7.2.3.Componentele materialelor compozite cu matrice polimeră.

7.2.3.1. Noţiuni de bază. Pentru materialele compozite cu matrice polimeră se au în vedere următorii constituienţi (Figura nr. 7.1.3.)

o ranfortul, care constituie armătura sau scheletul asigurând rezistenţa mecanică (este de natură filamentară: fibre minerale sau organice);

o matricea, leagă ranfortul, repartizând eforturile şi asigurând protecţia chimică, totodată dă şi forma piesei (este prin definiţie un polimer sau o răşină organică);

o interfaţa, asigură compatibilitatea ranfort-matrice, asigurând transmiterea eforturilor de la unul la celălalt fără o deplasare relativă (prezintă o bună aderenţă în strat subţire: de ordinul micronilor.

Fig. Nr. 7.1.3. Materiale compozite polimerice – componente de bază



o şarjele, asigură proprietăţi particulare sau complementare, sau încă permit o scădere a costurilor şi se prezintă sub formă de particule;

o aditivii sunt de regulă catalizatori, acceleratori de polimerizare, agenţi tixotropici etc.

Fig. nr. 7.1.4. Modul de realizare a interfeţei şi interfazei matrice - ramfort.

7.2.3.2. Materiale compozite polimerice armate (MCPA)

Materialele compozite polimerice sunt solide, cu structură eterogenă, obţinute prin asocierea, într-o ordine dirijată, a unor componenţi dintre care cel de bază este de natură polimerică şi care sunt caracterizate prin proprietăţi fizico-chimice diferenţiate.

Posibilitatea de a folosi, în cadrul unor combinaţii foarte variate, materii prime componente foarte diverse se concretizează în obţinerea unei game largi de compozite polimerice.

Materialele compozite polimerice armate, MCPA deţin ponderea cantitativă a utilizărilor actuale, peste 80% şi de perspectivă. Aceasta se explică prin prisma proprietăţilor specifice remarcabile, net superioare materialelor tradiţionale şi materialelor compozite cu matrice metalică şi ceramică:

- greutate specifică redusă;- rezistenţă superioară la agenţi chimici;- proprietăţi mecanice superioare (rezistenţă specifică şi modul specific înalt);- proprietăţi termice şi electrice îmbunătăţite, comparativ cu a materialelor

plastice; - proprietăţi dirijat diferenţiate.

Impunerea materialelor compozite polimerice în domeniile de vârf ale tehnicii, dar şi în alte domenii industriale:

în construcţii, sectorul bunurilor de larg consum etc.,



se datorează şi caracteristicilor tehnologice ale acestora: prelucrabilitate uşoară, cu posibilitatea obţinerii de piese finite printr-o singură operaţie sau prin operaţii nu deosebit de dificile, operaţii în multe cazuri posibil de mecanizat şi automatizat, ceea

ce determină situarea costurilor la niveluri relativ scăzute, competitive.

În tabelul 2.1. voi oferi o prezentare generală a materialelor compozite polimerice în raport cu materialul tradiţional înlocuit. Tipuri de materiale compozite polimerice, armături şi materiale înlocuite tabelul 2.1.

Polimer ArmăturaMaterial

tradiţional înlocuit

Poliamide, poliesteri, răşini epoxidice

Fibre de sticlă, umpluturi minerale Metale

Poliamidă, poliesteri, polibutiltereftalat

Fibre de sticlă, de azbest, de carbon, fibre aramidice, fibre whiskers

Metale uşoare

Polipropilenă, polietilenă, poliesteri, policarbonat

Talc, făină de lemn, fibre de sticlă Oţel, tablă

Polipropilenă, poliuretan, termoplaste celulare

Fibre şi microsfere de sticlă,umpluturi minerale

Lemn de diferite esenţe

Poliesteri, răşini epoxi, fenoplaste

Caolin, cretă, fibre de sticlă, de azbest Ceramică

Componentele de bază ale compozitelor polimerice sunt, în general, diferiţi polimeri:

poliamide, polipropilenă, polietilenă, policarbonaţi, răşini epoxidice, răşini fenolice, poliuretani, polietilentereftalat, acrilonitrilbutadienstiren, polifenilenoxid etc.

După modelul de îmbinare a componentelor (structură), compozitele polimerice se clasifică în următoarele tipuri principale:

* compozite polimerice din elemente stratificate;* compozite polimerice cu armături sub formă de fibre: înfăşurări, reţele;* compozite polimerice cu umpluturi disperse (diferite elemente de armare, pulberi,

particule etc.);Facultatea de Ştiinţe 10

http://www.ase.ro/Bib/HTML/tehnodimo/tabelul8.htm


Studii şi Cercetări asupra interfeţei materialelor compozite * aliaje de polimeri.

Tabelul 7.2.2. prezintă rapoartele preţurilor unitare pentru câteva materiale compozite, în comparaţie cu materialele tradiţionale de construcţie.

Raportul preţurilor unitare pentru unele metale şi materiale compozite Tabelul 7.2.2.

Nr.crt.

Tip de material Raportul preţurilorunitare

1. Oţel 1

2. Aluminiu 2

3. Compozit polimeric armat cu fibre de sticlă 6

4. Compozit armat cu fibre de carbon 12

Competitivitatea compozitelor cu matrici polimerice este determinată şi de consumurile relativ reduse de energie în procesul de obţinere a matricei polimerice (tabel 7.2.3.) şi a compozitului polimeric, de costurile tehnologiilor moderne de formare mai reduse şi de costul de fabricare pe unitatea de structură.

Aceste avantaje sunt un parametru economic important care conduc la reducerea costurilor directe de confecţionare a unor repere, elemente de structură, sau elemente de construcţie. Consumuri energetice comparative Tabelul 7.2.3.

Nr.crt.

Denumirea materialului consum energetic, [kwh/kg]

1. Material compozit polimeric 23

2. Oţel 82

3. Aluminiu 158

4. Titan 200

Trebuie luate în considerare şi valorile înalte ale rezistenţelor mecanice specifice, a modulului de elasticitate specific, cât şi integritatea pe termen lung a materialului compozit, a construcţiilor şi a pieselor realizate din aceste materiale, în condiţiile de mediu caracteristice domeniului de exploatare.





Tehnologiile de fabricaţie foarte diverse ale acestor materiale implică utilaje şi procese pentru: obţinerea matricei polimerice, pregătirea componentelor de armare, impregnarea sau tratarea fibrelor, tăierea fibrelor, realizarea armăturii (sub formă de

reţea, ţesătură, împletitură etc.), realizarea compoziţiei propriu-zise prin injecţie, extrudare, presare – matriţare, alte procedee.

În principiu, pentru fiecare tip de material compozit polimeric şi pentru fiecare reper, este necesară o tehnologie distinctă, cu operaţii şi utilaje sau dispozitive şi scule specifice.

7.2.3.2.1. Materialele compozite polimerice se clasifică în următoarele categorii:

Compozite macroscopice, care includ următoarele tipuri:

* materiale polimere expandate, cu pori închişi sau deschişi;* materiale stratificate (placaj, stratificat cu textile, alte materiale);* Placări şi lăcuiri;* îmbinări adezive.

7.2.3.2.2. Sisteme poroase impregnate, de tipul:

* beton (impregnare cu latex, impregnare cu soluţie, monomer);

* ceramică (impregnare, polimerizare în situ);

* lemn (impregnare, polimerizare în situ, policondensare în situ).

7.2.3.2.3. Polimeri ranforsaţi, de tip:

* ranforsare cu fibre (fibre lungi sau scurte orientate sau aleator, ţesături, împletituri de fibre, fibre combinate);

* ranforsare cu lamele;* ranforsare cu pulberi (elastomeri, materiale termoplaste, materiale termoreactive, toate în sisteme înalt şarjate).

7.2.3.2.4. Materiale compozite cu doi polimeri (două unităţi monomerice):

* sisteme monofazice;* amestecuri de polimeri: compatibili şi necompatibili (amorfi: mecano-chimic, în latex, în soluţie; cristalini: dicomponente, difazice);

* amestecuri de polimeri legaţi: - copolimeri (cristalin – amorfi, polibloc, gradient – bloc), - copolimeri legaţi: (polimeri grefaţi, RIP – reţele interpenetrante polimere –

concomitent, RIP în latex, semi – RIP);


Studii şi Cercetări asupra interfeţei materialelor compozite * grefare superficială.

7.2.3.2.5. Materiale compozite hibride.

Materialele compozite hibride reprezintă ranforsarea matricei cu două tipuri de fibre distincte.

7.2.3.2.6. Componentele de bază ale materialelor compozite polimerice sunt:

7.2.3.2.6. a Matricea, care poate fi realizată din următoarele materiale:

* o răşină termoplastică: poliesteri nesaturaţi, răşini vinilesterice, răşini epoxidice clasice sau modificate, răşini fenolice şi răşini speciale rezistente la temperaturi mari, ca poliamidele;

* polimeri termoplastici, ca: - poliesteri liniari;- poliamide;- polietilenă;- polipropilenă;- policarbonaţi;- polimeri rezistenţi la temperaturi mari;

* blende polimerice reactive realizate prin amestecarea unui polimer termoreactiv cu un elastomer sau termoplast sau prin amestecarea polimerilor termoreactivi.

7.2.3.2.6. b Materialul de armare, care la compozitele polimerice moderne sunt în special fibre de sticlă, fibre de carbon şi fibre aramidice şi într-o măsură mai mică fibre polietilenice sau fibre celulozice. Recent, s-a început ranforsarea cu fibre ceramice, în special a răşinilor epoxidice modificate, a siliconilor şi a altor polimeri cu rezistenţă termică mare.

Datorită costului mult mai mare comparativ cu celelalte tipuri de fibre, cele de bor, deşi au performanţe mecanice superioare la solicitări de întindere, comprimare, lovire şi o rezistenţă mare la oboseală, nu sunt folosite decât în acele domenii şi aplicaţii care să justifice utilizarea economică a acestora, cum ar fi: construcţii aeronautice şi aerospaţiale şi tehnică militară.

Caracteristicile mecanice ale MCPA depind nu numai de proprietăţile componentelor, dar şi de tăria legăturii interfaciale fibră – matrice. Pentru îmbunătăţirea adeziunii interfaciale, fibrele de sticlă şi fibrele de carbon cu aderenţă mică la matrici polimerice sunt supuse unor tratamente speciale termice, chimice şi de finisare cu pelicule de polimeri peliculogeni.

Aliajele din materiale plastice reprezintă un domeniu nou; acestea rezultă din amestecul de polimer – polimer, inclusiv polimeri grefaţi, polimer – metal şi polimer – Facultatea de Ştiinţe 13


ceramică, pe lângă aliajele metal – metal, proiectate de multă vreme şi aliajele ceramică – ceramică, ceramică – metal.

Aliajele din materiale plastice sunt preferate în multe cazuri aliajelor metalice, datorită proprietăţilor mecanice superioare în procesele de frecare, elimină în multe cazuri ungerea.

7.2.4. Materialele compozite metalice (MCM).

Materialele compozite cu matrice metalică „metal matrix composites” sunt materiale compuse, care prezintă rezistenţă mecanică mare şi care rezistă la temperaturi mari, până la aproximativ 1.500 K.

Aceste materiale sunt constituite dintr-o bază (matrice) metalică (metale sau aliaje metalice) şi componente de inserţie (armare) metalice, fibră de carbon sau fibre ceramice, ultimele sub formă de fire sau fibre (lungi, scurte sau whiskers) şi în unele cazuri în formă de benzi, solzi sau pulbere.

Materialele compozite metalice se referă la următoarele categorii de materiale:

* materiale placate (stratificate de tip „sandwich”);* aliaje ranforsate cu dispersii de oxizi, realizate prin metalurgia pulberilor metalice

(materiale antifricţiune, electrotehnice, de scule etc.);* materiale de tip fagure, de tipul materialelor cu feţe şi miez metalic;* materiale metalice pseudocompozite, de tip eutectic solidificat dirijat (cu orientare

dirijată sub formă filamentară a unor compuşi intermediari durificaţi, proprii aliajului metalic, prin solidificare controlată);

* materiale compozite cu matrice metalică armate cu fire şi fibre.

Materialele compozite metalice se prezintă sub diferite forme: semifabricate (plăci, table, sârme, profile); piese de configuraţii prestabilite (piese finite); ansambluri cu funcţionalitate precizată (de exemplu, radiatoare).

În calitate de componente ale MCM, se utilizează: matrice metalică din metalele sau aliajele acestora (aluminiu, magneziu, cupru, titan, plumb, superaliaje etc.); componente de armare (sârme metalice sau benzi) din oţeluri inoxidabile, wolfram, beriliu, titan, fibre de bor (depuse pe filamente de wolfram, acoperite cu SiC sau BC); fibre de carbon (lungi sau scurte); fibre ceramice oxidice sau neoxidice, cum sunt fibrele lungi de Al2O3, SiC, de cuarţ, sau fibrele scurte şi whiskers din SiC, carbură de bor etc., particule (pulberi sau solzi) din materiale ceramice sau metalice.

Diversitatea de materiale compozite metalice cunoscute sau posibil de realizat este determinată de numărul de combinaţii posibile matrice – elemente de armare, de natura acestora, cât şi de modul de distribuţie şi fracţia volumică a constituenţilor.



Metodele şi tehnologiile de fabricaţie ale MCM sunt foarte diverse, implicând condiţii speciale dificile ale operaţiilor determinate de prelucrări la temperaturi ridicate

şi depinzând de natura materialelor metalice (metale sau aliaje greu fuzibile sau cu o mare reactivitate faţă de diferite gaze sau de atmosferă).

Pentru realizarea MCM, metodele principale utilizate, în raport cu starea matricei, sunt metode în fază solidă, metode în fază lichidă, metode de depunere chimică etc.

Metodele în fază solidă de obţinere a MCM sunt: - presarea la cald;- laminarea la cald;- sinterizarea (după presare, tehnica metalurgiei pulberilor);- tragerea la cald.

Metodele în fază lichidă pentru obţinerea MCM sunt: - infiltrarea sub presiune sau în vid;- turnarea cu forjare;- turnarea în matriţă;- omogenizarea în stare lichidă.

Diferitele faze tehnologice se realizează prin procese fizice (pulverizare cu plasmă, placare cu ioni, depunere din stare de vapori), chimice sau fizico-chimice (depuneri chimice, electrolitice, depuneri chimice din stare de vapori) şi mecanice. 7.2.5. Materiale compozite ceramice (MCC).

Materiale compozite ceramice sunt materialele compuse, cu matrice ceramică (oxizi, carburi, nitruri, boruri, siliciuri, oxicarburi etc.) ranforsate cu fibre ceramice sau cu fibre de carbon, lungi sau scurte. Ele se caracterizează prin rezistenţă mecanică relativ mare şi sunt stabile la temperaturi înalte.

În ceea ce priveşte comportarea termomecanică până la 1.200 0C sau chiar la temperaturi mai mari, oboseală la clivaj termic, fluajul sub sarcină, inerţie chimică, materialele compozite ceramice sunt superioare tuturor celorlalte materiale.

Fragilitatea mare a matricei ceramice, tenacitatea insuficientă în raport cu oţelurile refractare pentru aplicaţiile în structuri care funcţionează la temperaturi mari constituie încă un dezavantaj al acestor materiale.

În calitate de matrice, se folosesc: compuşi oxidici (Al2O3, SiO2, Al2O3 cu adaos de TiO2 sau de Zr2O3) şi compuşi neoxidici (SiC, Si3N4, AlB etc.). Pentru ranforsarea matricei, se folosesc fibre de carbon şi mai ales fibre ceramice continue, discontinue şi mai recent, whiskers ceramic.

Metodele principale de fabricaţie a materialelor compozite ceramice sunt:Facultatea de Ştiinţe 15


o formarea plastică din pulberi fine şi un lichid purtător; o prin turnare într-un model şi apoi arderea la temperatură ridicată; o presare la rece şi sinterizare (din pulberi fine şi un liant;

o prin compactare la rece, la presiune mare şi apoi arderea la temperaturi ridicate);

o sinterizare în stare vitroasă ca în cazul anterior, cu includerea unei faze sticloase care micşorează vâscozitatea, în funcţie de temperatură;

o presare la cald (pulbere fină, cu aplicare simultană a presiunii şi temperaturii) şi depunere în fază de vapori.

7.2.6. Materialele compozite de mare difuziune (GD – grand difusion) şi de înaltă performanţă (HP – haute performance)

Compozitele de „mare difuziune” (GD), mai cunoscute, provin cel mai adesea din cuplul de sticlă E/răşină poliester sau sticlă/tehnopolimeri, cu un procent de ranforsare aproape de 30%.

Compozitele de „înaltă performanţă” (HP), încă puţin utilizate, provin din asocierea fibrelor lungi de sticlă R, carbon sau aramide cu răşini epoxidice având un procent de ranforsare de peste 50%.

Proprietăţile lor mecanice cum ar fi rezistenţa şi modulul specific (R/d şi E/d) sunt net superioare materialelor convenţionale, depinzând numai de costurile care se menţin încă ridicate.



Material compozit de mare difuziune (GD)

7.3. Fazele constitutive ale materialelor compozite;

7.3.1. Matricea compozitelor: Matricea compozitelor trebuie să fie constituită dintr-un material capabil să înglobeze componenta dispersă, pe care să nu o distrugă prin dizolvare, topire, reacţie chimică sau acţiune mecanică. Rezistenţa compozitului la temperatură şi la coroziune sau oxidare este determinată în primul rând de natura matricei. În cele mai multe cazuri, aceasta reprezintă partea deformabilă a materialului, având o rezistenţă mecanică mai scăzută decât materialul complementar pe care îl include.

Alegerea matricei se face în funcţie de scopul urmărit şi de posibilităţile de producere a compozitului. În tehnologiile actuale se folosesc numeroase tipuri de matrici: metalică, ceramică, organică.

7.3.1.1. Matrici metalice

Matricile metalice s-au folosit din necesitatea de a obţine compozite care să poată fi utilizate la temperaturi relativ înalte, comparativ cu cele de natură organică.



Metalele prezintă şi alte proprietăţi care le recomandă în calitate de matrice: proprietăţi mecanice bune, conductivitate termică şi electrică mari, rezistenţă mare la aprindere, stabilitate dimensională, capacitate bună de prelucrare, porozitate scăzută.

În schimb, densitatea este relativ mare (1,74 ... 7,0 g/cm3), iar fabricarea compozitelor este uneori dificilă.

Principalele metale şi aliaje folosite ca matrice sunt cele pe bază de aluminiu, cupru, magneziu, titan, fier (tabelul 3.1.) şi ele intră în procesul de fabricaţie în stare solidă (pulbere), lichidă, păstoasă sau în stare de vapori.

Aluminiu ranforsat discontinuu pentru aplicaţii electronice

comandă de putere realizata din aliaj Si Cp /Al componente Grp/Al (firma Lockheed Martin Corporation-USA) (firma MMCC Inc. USA)

În prezent există două categorii de compozite cu caracteristici funcţionale superioare: cu matricea din aluminiu (armată cu particule de carbură de siliciu, până la 15% în volum, obţinută prin turnare în amestecuri de formare fluide) şi cu matricea din oţel (ranforsată cu carbură de wolfram, elaborată printr-un procedeu original, materialul aflându-se în stare semifluidă).

Tabelul 7.3.1.

Materialul MetalicCăldură

specifică[kJ / kg K]

Conductivitatea termică[W/m K]

Coeficientulde dilatare x

10-6C-1

Aluminiul şi aliajele sale 0,875 ... 0,980 130 ... 247 22,90 ... 23,60

Cuprul şi aliajele sale 0,376 ... 0,439 189 ... 391 16,20 ... 18,30

Aliaje pe bază de magneziu

1,05 100 ... 107 26,10 ... 26,60

Aliaje pe bază de titan 0,540 ... 0,670 6,6 ... 19 9,00 ... 9,50

Superaliaje 0,400 ... 0,420 10,9 ... 12,7 10,60 ... 11,90


http://www.tms.org/pubs/journals/JOM/0104/fig5a.gif


În cazul matricilor metalice rezistente la temperaturi înalte, nu se poate folosi un material complementar organic, ci doar unul de natură ceramică sau metalică.

Materialele metalice utilizate în componenţa matricelor se remarcă prin foarte bune proprietăţi tribologice (în special uzuri reduse) şi o bună rezistenţă la impact.

Pentru materialele destinate produselor care lucrează la temperaturi sub 450 0C se poate utiliza ca matrice metalică, aluminiul şi aliajele sale, datorită costului relativ scăzut, densităţii mici, conductivităţii termice mari, fluidităţii bune şi prelucrării uşoare.

În vederea îmbunătăţirii comportării aliajelor de aluminiu la temperaturi înalte se recomandă utilizarea titanului ca element de aliere. Prezenţa acestuia măreşte stabilitatea termică şi influenţează pozitiv caracteristicile structurii primare.

În ultimul timp s-au impus titanul şi aliajele sale datorită unei bune ductibilităţi şi posibilităţii de a ţine sub control interacţiunea chimică cu materialul complementar. Matricele din titan au densităţi mici şi rezistenţă la rupere bună (în special aliajele aliate cu aluminiu, vanadiu, molibden, crom), fragilitate la rece redusă, iar coeficientul de dilatare liniară este de 1,4 ori mai mic decât cel al fierului şi de 2,8 ori mai mic decât al aluminiului, ceea ce înseamnă o mai mare stabilitate dimensională la temperaturi înalte. 7.3.1.2. Matrici ceramice

Ceramica tehnică este tot mai frecvent utilizată pentru realizarea compozitelor,

deoarece această categorie de materiale este caracterizată prin proprietăţi intrinseci deosebite (tabelul 7.3.2.), datorate în principal legăturilor interatomice (legături puternice ionice-covalente care limitează mişcarea electronilor).

Aceste proprietăţi sunt:

o rezistenţa mecanică mare la temperaturi înalte;o rezistenţa la rupere foarte mare uneori mai mare decât a celor mai bune

oţeluri;o rezistenţa la oxidare şi la agenţi chimici;o modul de elasticitate mare, superior oţelurilor;o duritate mare şi stabilă la creşterea temperaturii.

Tabelul 7.3.2.

Materialul Rezistenţa la flexiune

[MPa]

Dilatarea termicăX 10-6 C-1

Modul de elesticitate

[GPa]

Rezistenţa la şoc termic [0C]

Alumină 350 7,4 385 96


Studii şi Cercetări asupra interfeţei materialelor compozite Carbură de siliciu 420 3,8 406 230

Nitrură de siliciu 315 2,4 175 570

Fragilitatea mare pe care o prezintă aceste materiale, datorită defectelor interne şi superficiale, se reduce substanţial prin prezenţa materialului complementar care blochează procesul de propagare a microfisurilor, determinând astfel îmbunătăţirea tenacităţii.

7.3.1.3. Matrici polimerice (organice)

Materialele organice folosite frecvent ca matrice sunt cele termoplastice şi cele termorigide (tabelul 7.3.3.), proprietăţile acestor materiale sunt dependente aproape în exclusivitate de temperatură, comportarea lor fiind determinată de mărimea forţelor de legătura dintre atomi, numărul de legături chimice pe unitatea de volum şi rezistenţa la degradare a legăturilor sub acţiunea unor agenţi externi.

Deşi matricile de natură organică satisfac cele mai multe dintre cerinţele care se impun pentru a putea fi folosite la producerea materialelor compozite, ele prezintă şi numeroase dezavantaje:

o rezistenţă mecanică redusă la temperaturi înalte;o o durată scurtă de menţinere în stare lichidă după preparare;o conductivitatea termică redusă;o un coeficient mare de dilatare;

o rezistenţă relativ mică la şoc mecanic.

Tabelul 7.3.3.

Materialul Densitatea[g/cm3]

Rezistenţa la tracţiune

[MPa]

Modulul de elasticitate

[GPa]

Răşini poliesterice 1,10 ... 1,46 12 ... 90 3,5 ... 4,3

Răşini fenolice 1,25 ... 1,30 49 ... 56 5,24 ... 7,00

Răşini epoxidice 1,11 ... 1,40 28 ... 91 2,44

Poliamide 1,01 ... 1,15 46 ... 85 0,60 ... 1,34

Polipropilena 0,90 ... 0,91 30 ... 59 1,11 ... 1,57



Cea mai utilizată clasă de materiale pentru matricea compozitelor sunt răşinile sintetice şi în general plasticele.

Se evidenţiază prin procedee tehnologice simple şi ieftine de elaborare. Principalul avantaj al compozitelor, anizotropia, ridică probleme în cazul pieselor cu forme complicate şi variaţii bruşte de secţiune. În contrast cu răşinile termorigide, termoplastele permit aplicarea unor tehnici de fabricaţie uşor adaptabile la orice formă a piesei, elaborarea unor procese tehnologice flexibile şi eficiente, utilizarea unor procedee de formare superplastică. Principalul neajuns al matricilor organice, şi anume slaba rezistenţă la temperatură, a menţinut în atenţie materialele organice gen sticlă şi pentru matrice. Se pot obţine astfel compozite cu temperaturi de lucru între 500 0C ... 1200 0C.

7.3.1.4. Matrici termoplaste (TP):

Ranfortul conferă pe lângă o mai bună rezistenţă mecanică, o bună stabilitate dimensională şi o creştere a rezistenţei la temperatură.

Polimerii cei mai adesea folosiţi în compozite sunt termoplastele (TP tehnice) care în stadiul final posedă următoarele calităţi esenţiale:

Proprietăţile fizico-chimice ale matricelor TP Tabelul 7.3.4.

ŞO

C

OB

OS

EA

LĂ

Co

efic

ien

t fr

icţi

un

e

Că

ldu

ră

Flu

aj

Au

to-s

tin

ge

re

Ele

ctr

ic

Ch

imic

Fis

ura

re s

ub

te

ns

iun

e

Ap

ă c

ald

ă

U.V

.

Sta

bili

tate

d

imen

sio

na

lă

Tra

ns

pa

ren

ţă

PC B M M B M M B M BPET B B B B B M B BPBT B B M M B B M B BPPO M M B M B B B BPSU M B B B B B B BPPS B B B B B B B B BPOM M B B M M M M B BPA66 B B B M M B M M M M M


Studii şi Cercetări asupra interfeţei materialelor compozite PA11 B M B M M M M B M M M M M

B = bun M = mediu S = slab

Se mai utilizează, de asemenea, plastice semitehnice cum ar fi: PP care sunt mai puţin scumpe şi stabile din punct de vedere termic şi mai puţin ABS-ul pentru anumite scopuri.

Cele mai utilizate (termoplastice) TP pentru compozite care să reziste la temperaturi mai ridicate (200 – 250 0C) sunt:

PAI - poliamid-imidelePEI - polieterimidelePES - polietersulfonelePEEK - polieter-eter-cetonele

Compozit termoplastic arătând varietatea fibrelor constitutive

7.3.1.5. Matrici termodure (TD).

La alegerea unei răşini termodure concură mai mulţi parametri dintre care mai importanţi sunt:

o vâscozitatea – caracterizează posibilitatea cufundării ranfortului;o timpul de gelifiere (de staţionare în reactor) – reprezintă timpul care se măsoară între momentul amestecării cu catalizatorii şi acceleratorii, până

la vâscozitatea maximă permisă pentru adăugarea ranfortului.

Aceasta depinde esenţialmente de temperatură (variază între 1 - 50 ore funcţie de sistemul ales):

o durata de polimerizare – care începe odată cu amestecarea reactanţilor (poate fi activat procesul prin încălzire);

o alungirea la rupere în tracţiune a răşinii polimerizate care trebuie să fie superioară celei corespunzătoare ranfortului;

o punctul de tranziţie vitroasă – temperatura la care răşina pierde proprietăţile mecanice.



Principalele proprietăţi ale celor mai reprezentative răşini termodure Tabelul 7.3.5.

RĂŞINIDensitate(kg/dm3)

Rezistenţa la tracţiune

(MPa)


(GPa)

Rezistenţa la temperatură

(0C)Poliester 1,20 50 - 65 3 120

Vinilester 1,15 70 - 80 3,4 - 3,5 140

Fenolice 1,20 40 - 50 3 120 – 150

Epoxidice 1,1 – 1,4 50 - 90 3 150 – 200

Poliimidice 1,3 – 1,4 30 - 40 4 250 – 300

Poliuretanice 1,1 – 1,5 20 - 70 1 100 – 120

7.3.1.6. Răşini termodure:

7.3.1.6.1. Poliesteri nesaturaţi

Compozitele GD utilizează cu precădere acest tip de răşini TD. Ele sunt obţinute prin policondensarea de poliacizi şi polialcooli dizolvaţi într-un monomer care să permită reticularea.

Procesul de reticulare poate fi optimizat cu ajutorul unui sistem catalizator accelerator şi/sau căldură (cu eliberare de apă sau volatile).

Există numeroase varietăţi de poliesteri, dar cele mai utilizate sunt:

- ortoftalice : cele mai curente şi rezultă din: poliacid – anhidridă maleică; polialcool – propilenglicol; solvent – stiren.

- izoftalice : conferă o bună rezistenţă chimică şi la umiditate;- clorurate : autoextinctoare;- bisfenol : prezintă cele mai bune caracteristici chimice şi termice.

7.3.1.6.2. Vinilesteri

Aceste răşini sunt produse care au drept componentă de bază acizi acrilici sau metacrilici. Ele prezintă o foarte bună rezistenţă la coroziune fiind utilizate pe scară largă în industria chimică.

7.3.1.6.3. Răşini siliconice.



Răşinile siliconice se pot arma cu aproape toate materialele de armare recomandate pentru mase plastice (fibre de sticlă, de azbest, de carbon etc.).

Tabelul 7.3.6.

Caracteristica U.M.STICLĂ

CUARŢD E

Rezistenţă la tracţiune

N/mm2

176 278 239

Rezistenţă la compresiune 129 192 169

Rezistenţă la încovoiere 294 - 253

Modulul longitudinal de elasticitate 20 400 - 20 000

În tabelul 7.3.6. sunt incluse constante care caracterizează rezistenţa monostratului în direcţiile naturale, adică tensiunile maxime pe care le poate suporta monostratul fără a se produce deteriorarea lui, sub acţiunea unor forţe ce se află în sau perpendicular pe planul său.

Direcţiile naturale, în acest caz, sunt: direcţia fibrelor de armare şi direcţia perpendiculară pe acestea, situate în planul monostratului (laminei).

7.3.1.6.4.Răşini fenolice

Prin policondensarea sistemului bicomponent fenol-formol se obţine o gamă foarte largă de răşini fenolice.

Acestea au un preţ scăzut şi bune proprietăţi mecanice şi termice.

Se folosesc în obţinerea de compozite necesare unor componente în special în transporturi pe calea ferată sau la arzătoarele rachetelor.

În România se fabrică mai multe tipuri de răşini fenolice: - Novolac I şi II;- Romfen B I şi B II, - Rezol RSA, - Platifen 881 etc.

Proprietăţile răşinilor fenolice armate cu ţesături din fire de cuarţ şi de silice Tabelul 7.3.7.

CaracteristicaŢesătură grea Ţesătură uşoară

Silice Cuarţ Silice Cuarţ

Greutatea pe suprafaţă [N/mm2] 6,25 6,60 3,50 2,65



Rezistenţa la încovoiere:- între (24 ... 27) 0 C- între (255 ... 265) 0 C

234174

504250

257,5148

670422

Densitatea (kg/m3) 1 700 1 700 1 600 1 600

Procentul de armare [%] 70 66 63 69

Numărul de straturi 6 6 12 12

Rezistenţa la tracţiune [N/mm2]- între (24 ... 27) 0 C

- între (255 ... 265) 0 C162,5134

400352

160108

507330

În tabelul 7.3.7. sunt incluse tensiunile maxime pe care le poate suporta monostratul de răşină fenolică armată cu ţesături din fire de cuarţ sau de silice, fără a se produce deteriorarea lui.

7.3.1.6.5. Poliuretani şi poliuree

Poliuretanii se folosesc drept elastomeri în obţinerea de compozite. Vâscozitatea redusă le permite o bună amestecare cu ranfortul şi o umplere bună a formelor de turnare.

Constituienţii sunt livraţi în stadiul de prepolimeri lichizi:polioli şi poliizocianaţi pentru poliuretani;polieteri şi poliamine pentru poliuree.

Prezintă facilităţi deosebite în ceea ce priveşte procesul de formare al compozitelor prin metoda in-situ şi au o rezistenţă chimică foarte bună la produsele petroliere, apă de mare.

Rezistenţa la abraziune şi antistaticitatea produselor le fac utile în industrie, la fabricarea elementelor mobile ale utilajelor tehnologice.

7.3.1.6.6. Răşini epoxidice Aceste răşini sunt în mod esenţial utilizate pentru realizarea de compozite HP.

Ele provin din reacţia epiclorhidrinei şi bifenol A, care necesită un agent de reticulare sau un întăritor. Se disting numeroase clase de răşini de acest tip, specializate a lucra în condiţii de temperaturi joase sau ridicate.



Răşinile epoxi au o bună rezistenţă la oboseală rezistând până la temperaturi de 200 0C. Sunt autoextinctibile, au o bună comportare chimică şi o excelentă aderenţă la fibre de metale.

7.3.1.6.7. Poliimide (bismaleimide) Aceste răşini sunt utilizate în compozite supuse la temperaturi ridicate (peste 250 0C). Există două forme sub care sunt livrate:

- răşină lichidă de impregnare;- pudră ranforsată cu fibre.

Prezintă rezistenţă mecanică bună, fără fluaj. Sunt practic incombustibile, au o bună comportare faţă de agenţii chimici oxidanţi şi un coeficient scăzut la frecare.

7.3.1.6.8. Polistirilpiridine

Aceste răşini au o rezistenţă remarcabilă la temperatură înaltă (4000C), preţul ridicat al acestora le recomandă în mod special pentru compozitele HP folosite în tehnologiile aerospaţiale.

7.3.2. Materiale de armare (ranforsanţi):

7.3.2.1. Materialele complementare, utilizate în scopul ranforsării matricei sau pentru inducerea proprietăţilor de autolubrifiere ale materialului compozit, diferă între ele prin natură chimică şi configuraţie. După configuraţie, materialele complementare se împart în două categorii: fibre şi

particule, categorie incluzând numeroase alte tipuri, diferenţiate după mărime, după raportul lungime/diametru şi după compoziţia chimică în secţiunea transversală. Comparativ cu fibrele, particulele sunt mai uşor de realizat şi de înglobat în materialul matricei. În schimb, fibrele sunt de neînlocuit dacă se urmăreşte obţinerea unui compozit cu tenacitate mare. 7.3.2.2. Fibrele sunt folosite ca elemente de ranforsare, având rolul de a prelua o mare parte din solicitările la care este supus materialul matricei.

Clasificarea fibrelor în funcţie de configuraţia geometrică este prezentată în figura 7.3.2.2.

FIBRE


Studii şi Cercetări asupra interfeţei materialelor compozite Continue Discontinue

Monofilament Multifilament Lungi Scurte Whiskers

Dispuse unidirecţionale

Figura nr. 7.3.2.2. Clasificarea fibrelor materialelor compozite în funcţie de configuraţia geometrică

7.3.2.2.a Fibrele continue sunt caracterizate prin valori mari ale raportului lungime/diametru (peste 1000 m), având forma unor fire simple (monofilament, cu diametrul peste 100 m) sau răsucite (multifilamente, cu diametrul de 5 .... 25 m). Se realizează din bor, carbon, sticlă, materiale ceramice, oţel inoxidabil, răşini şi se folosesc sub diverse forme de aranjare: unidirecţională, tip ţesătură (bidirecţională) sau spaţială (tridirecţională).

Corp - fibră de carbon

7.3.2.2.b Fibrele discontinue se pot produce ca atare sau rezultă prin fragmentarea fibrelor cu lungime mai mare. Fibrele lungi se caracterizează prin raportul lungime/diametru între 300 ... 1000, lungimea fiind de câţiva milimetri, iar diametrul de 3 ... 10 m. Fibrele scurte, obţinute prin tăierea fibrelor continue sau discontinue lungi, sunt caracterizate de valori ale raportului 1/d de circa 100, cu lungimea sub 300 m, iar diametrul de aproximativ 3 m.

Facultatea de Ştiinţe

Orientate selectiv

Dispuse aleatoriu

27


Fibrele discontinue foarte scurte (whiskers), cu dimensiuni reduse (diametrul sub 1m), sunt constituite din microcristale filiforme de natură ceramică sau realizate din bor, carbon. În tabelul 3.8. sunt prezentate caracteristicile diferitelor fibre pentru realizarea materialelor compozite de înaltă performanţă.

Folosirea materialului complementar sub formă de particule a cunoscut o mare extindere, deoarece prezintă unele avantaje importante, cum ar fi:

- cost scăzut – în comparaţie cu fibrele, particulele sunt mult mai ieftine;- tehnologii simple de înglobare şi dispersare a particulelor în matrice;- posibilitatea obţinerii unor materiale izotrope.

Tabelul 7.3.8.

MaterialDiametrul

[m]Rezistenţa la tracţiune Rm

[MPa]


E [MPa]

Densitatea

[g/cm3]

Rezistenţa specifică

[Rm/d]

Sticlă - 4.000 ... 6.000 87.000 2,5 2 x 10 12

Grafit 8 2.000 360.000 1,92 1

Bor 100...200 3.200 420.000 2,7 1,2

Carbură de siliciu

100 1.500 ... 3.000 490.000 3,3 -

Kevlar 49 12 2.700 130.000 1,45 1,9

Hyfil - 1.800 17.500 1,80 -

Există o mare varietate de particule produse din SiC, grafit, Al2O3, mică, SiO2, nitrură de bor, sticlă, MgO, TiC, Si3N4, alice din oţel sau fontă, ZrO2, TiO2, Pb, Zn, cu dimensiuni variind în limite largi de la mai puţin de un micron (microcristale) până la 500 microni sau chiar mai mari.

7.3.2.3. Particulele, mari sau mici (microparticulele), de formă sferică, plată sau de altă configuraţie, se utilizează în special pentru producerea compozitelor cu rezistenţă mare la uzare, asigurând produsului realizat greutate redusă, stabilitate dimensională remarcabilă şi capacitate mare de amortizare a vibraţiilor. Prezenţa particulelor conduce însă la micşorarea alungirii şi deci a tenacităţii materialului (comparativ cu alungirea şi tenacitatea matricei), care determină limitarea folosirii acestora doar la producerea compozitelor care nu sunt solicitate excesiv la şoc mecanic şi termic. Particulele se folosesc, în cele mai multe cazuri, la producerea materialelor compozite cu matrice metalică. Fiind relativ ieftine şi uşor de produs, compozitele metalice cu particule s-au diversificat foarte mult şi reprezintă, în momentul de faţă, o categorie de materiale de care nu se poate face abstracţie.



particule de grafit

Pulberile folosite la realizarea materialelor compozite se produc prin diverse procedee chimice sau fizice, fiind preferate metodele care asigură grad mare de fineţe şi puritate ale particulelor. În tabelul 3.9. sunt date câteva materiale sub formă de particule utilizate la producerea compozitelor.

Proprietăţi ale răşinilor TD Tabelul 7.3.9.

Materialul Densitatea[g/cm3]

Coeficient de dilatare x 10-6

Rezistenţa la tracţiune [MPa]

Modulul de elasticitate [GPa]

SiC 3,21 5,40 - 324

Al2O3 3,98 7,92 221 379TiC 4,93 7,60 55 269

ZrC 6,73 6,66 90 359

7.3.2.4. Ranforturi.

Se utilizează ranforturi sub formă filamentară începând de la particule alungite pănă la fibre continue. Fibrele se caracterizează prin titlul lor (tex) care corespunde masei în grame a unui km de fir. În general, în structurile compozite (anizotrope) fibrele lucrează bine la tracţiune, dar în comparaţie cu structurile metalice (izotrope), performanţele în ceea ce priveşte rezistenţa la compresiune şi tăiere sunt foarte scăzute. De aici interesul de a se realiza structuri care să reziste ad-hoc. În funcţie de proprietăţile căutate se disting trei mari tipuri de ranforsanţi (figura nr. 7.1.4.):

- fibre unidirecţionale (fig. 7.1.4.a);- fibre bidirecţionale, ţesături sD (fig. nr. 7.1.4.b);- fibre scurte şi foarte scurte -wiskers-uri (fig. nr. 7.1.4.c)



a) b) c) unidirecţionale bidirecţionale multidirecţionale

Figura nr. 7.1.4. Tipuri de arhitecturi de ranforturi

7.3.2.5. Şarje de ranforsare

Acestea sunt microbile din sticlă poroasă (sfere de 10-50 m în diametru) care au drept scop repartizarea uniformă a eforturilor în compozite.

Prezintă o densitate scăzută 0,1-0,4 au forme sferice regulate cu diametre reglabile din tehnologiile de obţinere.

Realizează o creştere a rigidităţii şi a rezistenţei la compresiune contribuind, prin preţul lor relativ scăzut, la realizarea unui preţ al compozitului, convenabil.

7.3.2.6. Pregătirea ranforturilor.

Această operaţie constituie un loc deosebit de important în filiera de obţinere a compozitelor. Ea implică o cunoaştere a tuturor factorilor care concură la realizarea unei arhitecturi adecvate a ranforturilor pentru un anumit tip de reper.

Se utilizează, de regulă, în compozite patru texturi de bază:

unidirecţională (fir);neţesute (mată);ţesute;trese.

Primele două se realizează în procesul de fabricaţie a fibrelor iar celelalte două în ţesături specializate în acest sens. Ţesătura se realizează prin dispunerea perpendiculară a fibrelor cu urzeală şi se caracterizează prin:



armura: modul de întrepătrundere a firelor cu urzeală;contul: numărul de fire pe centimetru în fire şi urzeală;natura firelor;greutatea specifică (g/m2).

7.3.2.7. Caracterizarea ranforturilor: Armarea materialelor plastice are drept scop îmbunătăţirea proprietăţilor fizico-mecanice ale acestora. Influenţa materialului de armare asupra materialului plastic diferă în funcţie de materialul ales, de modul de dispunere al acestuia, de proporţia în care este folosit şi de măsura în care se realizează o bună aderenţă polimer-armătură.

Alegerea materialului de armare corespunzător scopului propus impune cunoaşterea condiţiilor pe care acesta trebuie să le îndeplinească:

-rezistenţa la tracţiune, la încovoiere şi la şoc, sensibil mai mari decât cele ale matricei pe care o armează; -modul de elasticitate mai mare decât cel al matricei; -rezistenţă chimică faţă de matrice; -formă corespunzătoare necesităţilor; -suprafaţă la care matricea să adere cât mai bine.

În multe cazuri, pentru îndeplinirea acestei ultime condiţii se folosesc procedee speciale de creştere a aderenţei fibră-matrice. Cele mai utilizate elemente de armare sunt fibrele de: sticlă, azbest, silice, cuarţ, grafit, carbon, bor, beriliu şi tungsten.

7.3.2.7.a Fibrele de sticlă, obţinute prin filare, se caracterizează prin valori ridicate ale rezistenţelor de rupere la tracţiune, şoc şi compresiune. Ele au o foarte bună stabilitate dimensională şi o ridicată rezistenţă la coroziune. Nu sunt higroscopice, nu putrezesc şi nu ard. La 370 0C îşi păstrează aproximativ 50% din valorile caracteristicilor fizico-mecanice pe care le au la temperatură obişnuită. Au caracteristici de buni izolatori.

Proprietăţile deosebite ale fibrelor de sticlă corelate cu densitatea redusă, asigură materialelor plastice armate cel mai bun raport rezistenţă-greutate. De asemenea, preţul redus, în corelaţie cu a altor fibre (carbon, cuarţ, bor, wolfram), precum şi multitudinea formelor de prezentare (rowing, mat, ţesături) explică de ce 85% din fibrele de sticlă produse în lume servesc la armarea materialelor elastice. Rezistenţa la tracţiune a fibrelor de sticlă este mai mare la diametre mici (figura 7.3.10.).

Proprietăţile fibrelor de sticlă depind şi de compoziţia chimică a sticlei. Ele pot fi modificate, în funcţie de necesităţi, prin introducerea anumitor oxizi metalici în



compoziţie. În tabelul 7.3.10. sunt indicate câteva caracteristici fizico-mecanice ale unor tipuri de sticlă, folosite la armarea materialelor plastice.

Caracteristici fizico-mecanice ale fibrelor de sticlă de tip E, S, D, Cfolosite la armarea materialelor plastice

Tabelul 7.3.10.

CaracteristicaU.M. Sticla

E S D CDensitatea Kg/m3 2540 2490 2160 2490

Rezistenţa iniţială la tracţiune N/mm2 3515 4675 2500 2812

Modulul longitudinal de elasticitate la 22 0C

N/mm2 73815 87000 52000 70300

Alungirea specifica la 22 0C

% 4,8 5,4 4,7 -

Punctul de înmuiere a masei de sticlă 0C 846 969,9 771,1 748,8

Sticla E, sticlă nealcalină, folosită la început în electrotehnică, este un borosilicat de calciu şi aluminiu, care are largă utilizare în diferitele ramuri ale industriei. Sticla S, are cele mai bune caracteristici mecanice şi de rezistenţă la temperaturi ridicate. Astfel, în timp ce la 760 0C sticla E îşi pierde rezistenţa mecanică, sticla S şi-o păstrează în proporţie de 70%. În componenţa sticlei S sunt cuprinşi următorii oxizi:

SiO2 (65% din greutate), Al2O3 (25% din greutate); MgO (10%) din

greutate. Sticla D, cu un conţinut foarte mare de bioxid de siliciu, densitate redusă şi constantă dielectrică apropiată de cea a silicei, este folosită în industria electronică. Sticla C, sau sticla chimică se foloseşte în cazul în care este necesară o foarte bună rezistenţă la acizi, adică în industria fibrelor cu rezistenţă chimică şi în realizarea barierelor chimice la produse din materiale plastice armate. La tragerea fibrelor prin filieră se obţine firul de bază, numit strand . Acesta este un semifabricat din care se realizează o serie de produse ca rowing, mat, fibre textile, ţesături etc. Firul de bază, produs în ţara noastră din bile de sticlă tip E (v. tabelul 1.5.) este prelucrat în produse destinate armării maselor plastice.



Un ansamblu de filamente paralele având grosimi de ordinul milimetrilor, produse simultan şi uşor legate împreună, fără o răsucire intenţionată, formează un strand – fir de bază.

Fibrele de sticlă sunt constituite din filamente (50 sau mai multe sute) care au fost tratate special şi au fost răsucite în scopul protejării fibrei la abraziune şi pentru facilitarea operaţiilor de ţesere sau împletire. 7.3.2.7.b Rowingul.

Rowingul este un ansamblu de fibre de bază paralele, sau de filamente paralele şi nerăsucite. În funcţie de tehnicile de prelucrare, se produc mai multe tipuri de rowing: pentru tocare, pentru înfăşurare, pentru ţesere şi pentru impregnare continuă.

Prin măcinarea fibrelor de bază (strand), în mori cu ciocane, se obţin fibre scurte de 0,4 până la 6 mm, care ulterior sunt tratate pentru a li se asigura compatibilitatea cu răşinile poliesterice sau epoxidice.

Masele plastice armate cu fibre de sticlă măcinate au caracteristici electrice şi mecanice superioare matricei. Acest tip de armătură limitează apariţia tensiunilor interne şi a fisurilor. 7.3.2.7.c Matul din fibră de sticlă, este un produs din fibre de bază, tocate sau continue, distribuite la întâmplare, fără o orientare intenţionată şi fixate cu un liant. 7.3.2.7.d Matul de suprafata este o pâslă foarte subţire din filamente de sticlă având grosimea de (0,3 ... 0,4 mm), masă pe unitatea de suprafaţă în jurul valorii de 50g/m2 şi o mare putere de absorbţie a răşinii poliesterice nesaturate.

Armarea materialelor plastice cu fibră de sticlă cere o bună aderenţă a răşinii la aceste fibre. Altfel, tensiunile apărute în astfel de structuri nu mai sunt preluate efectiv de fibre şi operaţia de armare nu-şi atinge scopul. Pentru îmbunătăţirea acestei aderenţe, precum şi a proprietăţilor fizico-mecanice ale stratificatelor, se practică tratarea superficială a fibrelor, chiar la obţinere, cu diverse amestecuri de încleiere (ancolanti). 7.3.2.7.e Fibrele de azbest sunt folosite frecvent la armarea maselor plastice termorigide datorită calităţii lor: rezistenţă la temperatură şi umiditate, rezistenţă chimică, rezistenţă la foc, constantă a proprietăţilor în timp. 7.3.2.7.f Azbestul de tip crisotil (silicat de magneziu hidratat) reprezintă aproximativ 95% din producţia mondială de azbest. Pentru armare el se prezintă sub formă de fibre de diferite lunigimi, fire, pâsle, ţesături etc. Fibrele au rezistenţă de rupere la tracţiune de (500 ... 700) N/mm2, punctul de topire la (1500 ...1520) 0C, fiind fiabile la temperaturi ridicate şi având rezistenţă slabă la acţiunea acizilor.



Răşinile - fenolice, siliconice, epoxidice, poliesterice - pot fi armate cu azbest. Adeziunea fibrelor de azbest la răşinile de armare este suficient de mare, nefiind necesară o tratare specială a lor în acest scop. Rezistenţa mecanică a fibrelor de azbest este ceva mai mică decât a fibrelor de sticla, iar modulul de elasticitate este mai mare.

Preţul azbestului este însă mult mai mic decât al fibrelor de sticlă. Adesea, fibrele de azbest şi fibrele de sticlă sunt folosite împreună la armarea răşinilor termorigide, completându-se reciproc. 7.3.2.7.g Fibrele de silice şi fibrele de cuarţ răspund cerinţelor din industria aviatică şi aerospaţială a ultimelor decenii, păstrându-şi caracteristicile fizico-mecanice până la 1050 0C.

Fibrele de cuarţ se obţin prin topirea cristalelor de cuarţ de înaltă puritate (99,95 % SiO2) şi tragerea lor printr-o filieră, iar fibrele de silice se produc prin tratarea fibrelor de sticlă E (65% SiO2) cu un acid anorganic, care la o anumită temperatură dizolvă toate impurităţile fibrei de sticlă. 7.3.2.7.h Fibrele de grafit se obţin din grafit natural sau prin oxidarea sau prin piroliza controlată a unor fibre anorganice. Au un conţinut ridicat de carbon (98,8 ... 99,9) % şi constituie forme unice de grafit prin structura lor – orientare preferenţială paralelă a straturilor de grafit faţă de axa filamentului. 7.3.2.7.i Fibrele de carbon, obţinute prin piroliza controlată, la (1000 ... 1700) 0C, în atmosferă inertă, a unor fibre organice, conţin (80 ... 90) % carbon. Prin piroliza controlată a fibrei de P.A.N. (poliacrilonitril) s-au obţinut fibre cu un modul de elasticitate de 4,5 x 105 N/mm2.

Materiale de armare foarte flexibile, ţesăturile din fibre de carbon şi de grafit, au

rezistenţe mecanice remarcabile, densitate redusă şi o deosebită rezistenţă la temperaturi ridicate, până la 2300 0C.

Rezistenţa la forfecare a laminatelor cu fibre de carbon şi de grafit se măreşte considerabil prin tratarea termică a fibrelor.

Prin depunerea cristalelor de carbură de siliciu pe fibrele de grafit şi de carbon se asigură o bună aderare a răşinilor epoxidice la fibrele de armare, realizându-se materiale rezistente la forfecare.

Caracteristicile fibrelor de carbon şi de grafit Tabel 7.3.11.

CaracteristicaFibre de carbon

Fibre de grafit cu rezistenţă mare şi modul de elasticitate

mare, obţinute din:



obţinute din celuloză

Mătase P.A.N.

Rezistenţă de rupere la tracţiune [N/mm2] 840 1260 ... 2000 1460 ... 2160

Alungirea specifică la rupere [%]

2,0 0,6-0,7 0,6

Modulul longitudinal de elasticitate [N/mm2]

4200 176000...352000 246000 ... 457000

Densitatea [g/cm3] 1,53 1,5 ... 1,63 1,06 ... 1,70

Diametrul [m] 9,5 6,6 ... 7,4 7,7 ... 8,3

Conţinutul de carbon [%] 90,0 99,1 ... 99,9 -

7.3.2.7.j Filamentele de bor.

Filamentele de bor produse industrial prin depunerea borului pe un suport de wolfram, au o structură deosebită. Astfel, funcţie de parametrii de lucru (timp-temperatură), miezul poate conţine wolfram sau boruri de wolfram (WB, WB4, W2B5) formate prin difuziunea borului în wolfram. Filamentul de wolfram folosit are diametrul de 0,013 mm, cu depunerea de bor atingând 0,1 mm.

Proprietăţile mecanice deosebite ale filamentelor de bor răspund excelent exigenţelor unor industrii cu caracter special (aviaţie, astronautică).

Rezistenţa lor de rupere la tracţiune este în funcţie de temperatura la care se obţin (tabelul 7.3.12.)

Rezistenţa de rupere la tracţiune a filamentelor de bor în funcţie de temperatura de obţinere a lor

Tabelul 7.3.12.Temperatura de obţinere

[0C]Rezistenţa de rupere la

tracţiune a filamentului de bor [N/mm2]

980 7801100 17401240 36721400 127

Temperatura optimă de obţinere este situată în jurul valorii de 1250 0C, de aceasta depinzând structura monocristalină a filamentului de bor. Acestea prezintă un interes deosebit datorită rezistenţei lor remarcabile şi a densităţii reduse.



Obţinerea presupune procedee asemănătoare fibrelor de SiC în sensul depunerii de bor pe un substrat de wolfram sau carbon:

2 BX3 + 3 H2 = 2 B + 6 HXsau

BxHy -------- xB+ H2

7.3.2.7.k Filamentele de carbură de siliciu şi cele de diborură de titan se pot realiza prin metoda de obţinere a filamentului de bor – depunere chimică vapori pe un suport incandescent (placare chimică).

Fibrele de SiC sunt compuse din plane tetraedice de tip SiC4 sau CSi4 ceea ce conferă acestora proprietăţi remarcabile.

Se obţin prin două procedee:

- primul constă în depunerea SiC pe un substrat fin de wolfram sau carbon (3-5 μm) din faza gazoasă SiCl4+CH4=SiC+4 HCl;

- al doilea procedeu constă în piroliza unui carbosilan când transformarea este incompletă şi de aici şi deosebirile în ceea ce priveşte proprietăţile celor două tipuri de fibre.

Se utilizează în tehnica aerospaţială.

7.3.2.7.l Fibrele de tip whiskers reprezintă o nouă clasă de materiale de armare, sub formă de filamente cu diametre foarte mici, de (1 ... 50) m, practic constituite din monocristale. Rezistenţele lor mecanice sunt deosebite pentru că sunt alcătuite din cristale perfecte. Diametrele lor fiind foarte mici, se elimină posibilitatea apariţiei defectelor structurale. Ele se obţin prin diferite procedee de creştere, cu viteze determinate, a cristalelor, la temperatură controlată.

Proprietăţile materialelor de armare obţinute prin placare chimică Tabelul 7.3.13.

CaracteristicaDiborură de titan

TiB2

Carbură de siliciu

SiCBor

B

Bor acoperit cu carbură de siliciu (B cu SiC)

Punctul de topire[0C] 2980 2688 2300 2300

Densitatea[kg/m3] 4650 3500 2600 2700

Modulul longitudinal de elasticitate [N/mm2] 499 500 457 000 422 000 408 000


t oC

Studii şi Cercetări asupra interfeţei materialelor compozite Rezistenţa la

tracţiune[N/mm2] 1700..2100 2500... 2800 3000 ... 2500 -

La armarea răşinilor epoxidice cu fibre de tip whiskers au fost obţinute rezultate remarcabile. Astfel, o răşină epoxidică cu un conţinut de 30% fibre de tip whiskers are o rezistenţa de rupere de circa 2100 N/mm2 şi un modul de elasticitate de peste 2 x 105 N/mm2.

Fibrele de tip whiskers se folosesc şi pentru armarea suplimentară a unor compozite armate cu fibră de sticlă, filamente de bor sau fibre de carbon, adaosul fiind de (1 ... 5) % fibre de tip whiskers.

Performanţele atinse depind de tipul şi cantitatea de fibre, dar mai ales de tehnicile de prelucrare folosite. Preţul ridicat al fibrelor de acest tip este principalul obstacol în folosirea lor pe scară largă.

Caracteristicile fizico-mecanice ale unor fibre de tip whiskers Tabel 7.3.14.

Natura fibreide

tip whiskers

Densi-tatea

[kg/m3]

Punctul de

topire[0C]

Rezistenţa de rupere la tracţiune

[N/mm2]

Modulul longitudinal de

elasticitate [N/mm2]

Oxidul de aluminiu (Safir)

3900 2080 14 000 ... 28 000 700 000

Nitrură de aluminiu 3300 2200 14 000 ... 21 000 350 000Oxidul de beriliu 1800 2550 14000 ... 19 000 700 000Carbură de bor 2500 2450 7 000 450 000Grafitul 2250 3570 21 000 990 000Oxidul de magneziu 3600 2800 24 000 310 000Carbură de siliciu 3150 2310 7 000 ... 55 000 490 000Nitrură de siliciu 3200 1890 3 500 ... 10 000 700 000

7.3.2.7.m Fibrele de aramide

Fibrele de aramide sunt adesea denumite KEVLAR după marca de origine a firmei DUPONT DE NEMOURS - USA care a fost primul producător (dar astăzi au apărut pe piaţă diverse mărci).



Aramida

Drept materii prime se pleacă de la monomeri aromatici care formează legături amidice similare poliamidelor curente tip PA 6-6 „nylon" de unde şi numele de aramide.

Fibra de aramidă se sintetizează chimic la temperaturi joase (-10° C) şi se comportă în soluţie ca cristalele lichide (au proprietăţi liotrope) ceea ce creează molecule autoorientate deci o bună rezistenţă mecanică. Se produc două tipuri de fibre: de modul scăzut şi de modul înalt (HM), acesta din urmă este utilizat în compozite.

Aramidele au cunoscut o dezvoltare spectaculoasă în fabricarea compozitelor deoarece se recomandă prin proprietăţi remarcabile:

- rezistenţă specifică la tracţiune bună;- densitate scăzută (1,45);- dilataţie termică nulă;- absoarbe vibraţiile, deci amortizează şocurile;- excelentă rezistenţă la şoc şi la oboseală- bună rezistenţă chimică faţă de carburanţi.

7.3.2.7.n Fibrele de alumină şi de alumină-silice Acestea au la bază de regulă α-Al2O3 care prezintă refractaritate mare. Se obţin din geluri de Al(OH)3 şi AlOH prin descompunerea acestora. În cazul fibrelor alumino-silice rezultă:

3 Al2O3 + 2 SiO2 = 3 Al2O3 · 2 SiO2,

tratându-se fibrele de alumină cu pulberi de silice care realizează o creştere a rezistenţei la rupere.

7.3.2.7.o Alte tipuri de fibre.

Există o multitudine de fibre care se dezvoltă în scopul obţinerii de compozite cu proprietăţi noi. Acestea sunt de natură metalică sau nemetalică având locul lor de



aplicare. Fibrele metalice de wolfram, crom, nichel sau fibrele scurte şi monocristaline au o aplicabilitate mare în compozitele metalice sau ceramice.

Principalele proprietăţi ale diferitelor tipuri de ranforturi sub formă de fibre sunt prezentate în tabelul 7.3.15.

Caracteristicile generale ale principalelor tipuri de ranforturi Tabel 7.3.15.

FIBRA Diametru DensitateRezistenţa

la tracţiune

Rezistenţa la compresiune

Rezistenţa la flexiune

Modulul de

flexiune

Şoc Charpy

Alungire

(μm) (Kg/dm3) (MPa) (MPa) (MPa) (GPa) (j/cm3) %

Sticlă E 4-13 2,54-5,55 3200-3500 900 1100 73-74 9,8 3-4,8

Sticlă R9-10 2,48 3700-4500 1100 1300 86-87 10,6 5,4

Carbon HR

7-8 1,75-1,78 2700-3500 900-1100 1200 230-250 2,2 1,5-1,8

Carbon IM

1,70 3900 1,3

Carbon HM

5-7 1,81-1,96 2700-3500 1300 370-430 0,5-0,6

Carbon Pitch

<1000 <100

Aramide 12-19 1,45 2700-2900 190-280 600 130-135 9,1 2,1-2,5

Bor 100-140 2,63 3200-3500 390-420 0,7-0,9

Silice 2,2 3200-3900 62-72 5,1-5,4

Poliamide 14 1,14 900-1000 5,6 16-18

Poliester12 1,38 800-1200 13,4 14-16

7.3.2.8. Procedee de ţesere Pentru a putea fi ţesute firele trebuiesc „spălate” în sensul înlăturării aditivilor adăugaţi în procesele de obţinere a acestora.

Ele sunt transformate pe războaie cu:navetă – 250 lovituri/minut;lansă – 500-600 lovituri/minut;jet de apă – 600-1000 lovituri/minut.

După ţesere se tratează cu aditivi specifici care să permită o mai bună

impregnare a răşinilor (figura nr. 7.3.2.8.1 şi figura nr. 7.3.2.8.2). Pentru structuri foarte solicitate (compozite HP), se realizează ţesături şi/sau tridimensionale.



Figura nr. 7.3.2.8.1 Principalele armuri de ţesături unidirecţionale

Figura nr. 7.3.2.8.2 Ţesături bi şi tridimensionale

Armarea materialelor plastice are drept scop îmbunătăţirea proprietăţilor fizico-mecanice ale acestora. Influenţa materialului de armare asupra materialului plastic diferă în funcţie de materialul ales, de modul de dispunere al acestuia, de proporţia în care este folosit şi de măsura în care se realizează o bună aderenţă polimer-armătură.



Alegerea materialului de armare corespunzător scopului propus impune cunoaşterea condiţiilor pe care acesta trebuie să le îndeplinească:

-rezistenţa la tracţiune, la încovoiere şi la şoc, sensibil mai mari decât cele ale matricei pe care o armează; -modul de elasticitate mai mare decât cel al matricei; -rezistenţă chimică faţă de matrice; -formă corespunzătoare necesităţilor; -suprafaţă la care matricea să adere cât mai bine.

În multe cazuri, pentru îndeplinirea acestei ultime condiţii se folosesc procedee speciale de creştere a aderenţei fibră-matrice. Cele mai utilizate elemente de armare sunt fibrele de: sticlă, azbest, silice, cuarţ, grafit, carbon, bor, beriliu şi tungsten.

7.3.2.9. Materiale compozite stratificate.

Materialele compozite stratificate laminate constau în straturi de cel puţin 2 materiale lipite (legate împreună). Se pot combina astfel cele mai bune proprietăţi ale materialelor componente, obţinându-se un material superior ca rezistenţă, rigiditate, densitate, estetică, rezistenţă la coroziune şi umiditate, izolare termică, acustică etc. Din această clasă fac parte: bimetalele, metalele de protecţie, sticla laminată, materialele stratificate, materialele fibroase stratificate.

Bimetalele: sunt materiale compozite stratificate, obţinute din două metale diferite, cu coeficienţi de dilatare termică semnificativ diferiţi. La schimbarea temperaturii, bimetalul se deformează tipic şi poate fi folosit ca mijloc de măsurare a temperaturii;

Metalele de protecţie: realizează acoperirea unor metale cu altele, obţinându-se materiale compozite cu unele proprietăţi îmbunătăţite faţă de metalele de bază;

Sticla laminată (securitul sau sticla de securitate): este un material compus dintr-un strat de polivinil-butirol, aşezat între două straturi de sticlă. Sticla protejează plasticul de zgârâieturi şi îi conferă rigiditate, în timp ce plasticul o face mai puţin casantă;

Materialele stratificate: se obţin din materiale care pot fi saturate cu diverse substanţe plastice şi apoi tratate în mod corespunzător. Straturi de sticlă sau de azbest pot fi impregnate cu silicon pentru a se obţine materialele compozite rezistente la temperaturi înalte. Sticla sau o structură poliamidă 6, poate fi stratificată cu diverse răşini, rezultând un material compozit cu o rezistenţă ridicată la şoc;



Materialele compozite fibroase stratificate: constituie o clasă hibridă a materialelor compozite, implicând materiale fibroase şi o tehnică a aşezării lor în straturi. Numele obişnuit este acela de materiale compozite stratificate laminate, armate cu fibre. Straturile de material armat cu fibre sunt realizate astfel încât fibrele unui strat să fie paralele şi fiecare strat să fie orientat în mod corespunzător, pentru a obţine o cât mai bună rezistenţă şi rigiditate pe anumite direcţii.

Materialele compozite fibroase sunt obţinute prin înglobarea în materialele de bază – numite matrice - a unor fibre de forme diferite, în configuraţii şi prin procedee prezentate în figura nr.7.2.9.

COMPOZITE FIBROASE

cu fibre continue cu fibre discontinue

Armate cu fibre

Pânzâţesută

Straturi aliniate

Aşezate la întâmplare

Filament bobinat

Tridimensional împletitură

În straturiTurnare Laminare

Figura nr. 7.2.9. Obţinerea materialelor compozite fibroase.

Materialele compozite utilizate sub formă de plăci sunt constituite din lamine (folii armate unidirecţional), fiecare cu o orientare precizată a fibrelor în structura plăcilor multistrat.

Straturile suprapuse sunt supuse unui proces tehnologic care are ca efect realizarea unor legături structurale între matricele straturilor învecinate (presare în matriţe închise, la temperatură înaltă, cu eliminarea gazelor şi a surplusului de material).

Teoria laminatelor (plăcile multistrat) are la bază următoarele premise: Laminatul este considerat quasi-omogen şi izotrop; Fiecare strat este ortotrop, cu izotropie transversală; Toate substraturile au proprietăţile de material identice (cu excepţia

compozitelor hibride);

Laminatul şi straturile sale sunt considerate în stare plană de tensiune;Facultatea de Ştiinţe 42


Deplasările variază liniar pe grosimea laminatului şi sunt continue peste tot.

În raport cu secvenţa de aşezare a straturilor, compozitele multistrat pot fi clasificate astfel:

- laminate unidirecţionale: la care orientarea fibrelor tuturor straturilor respectă aceeaşi direcţie (de ex. θ=00 pentru toate straturile);

- laminate cu straturi încrucişate: la care orientarea fibrelor alternează de la un strat la altul, adică secvenţa de suprapunere se prezintă în formularea .../θ/-θ/θ/-θ/..., cu θ0 00 sau 900;

- laminate cu fibrele încrucişate: la care secvenţa de suprapunere a straturilor este: .../00/900/00/900/...;

- laminate simetrice: la care straturile prezintă o simetrie a secvenţei de suprapunere în raport cu planul median: orice strat are un corespondent cu aceeaşi orientare şi la aceeaşi distanţă faţă de planul median, adică:

unde z = distanţă a stratului faţă de planul median.

În acest caz, codul secvenţei de suprapunere se scrie pentru o singură jumătate şi se însoţeşte de indicativul s (de la simetric): de exemplu [0/+45/90/90/+45/0] este echivalent cu [0/+45/90]s.

- laminate antisimetrice: în corelaţie cu laminatele simetrice, aceste compozite sunt caracterizate prin relaţia:

- laminate nesimetrice;

- laminate quasi-isotrope: dacă total al straturilor este n şi unghiul de orientare de la un strat la altul variază cu π/n, proprietăţile laminatului în planul (x,y) se apropie de proprietăţile materialelor izotrope. Materialele quasi-isotrope mai des folosite sunt cele cu secvenţa de suprapunere [0/±45/90]s.

7.3.2.10. Materiale compozite cu particule.

Aceste materiale sunt alcătuite dintr-un material de bază (matrice) în care sunt înglobate particule, din unul sau mai multe materiale.



Particulele pot fi metalice sau nemetalice, aşa cum poate fi şi matricea / metalică sau nemetalică:

Particule metalice în matrice nemetalice: un astfel de material compozit este carburantul solid pentru rachete, alcătuit din pudră de aluminiu şi oxizi, într-o legătură organică flexibilă, ca aceea de poliuretan sau cauciuc polisulfid. Un alt exemplu este cel al materialului obţinut dintr-o pudră metalică aflată în suspensie într-o răşină termoreactivă. Materialul compozit rezultat este rezistent, dur, bun conducător de căldură şi electricitate. Se foloseşte la lipiri la rece;

Particule nemetalice cu matrice nemetalice: un exemplu din această categorie este materialul alcătuit din particule de nisip şi rocă într-un amestec de ciment cu apă, care reacţionează chimic şi se întăreşte (betonul). Particule de materiale nemetalice pot fi şi cele de mică sau de sticlă, care formează un material compozit atunci când se află gaz într-o matrice de sticlă sau din material plastic;

Particule metalice în matrice metalice: deosebit de un aliaj, materialul compozit se obţine din particule metalice aflate într-o matrice metalică, fără a se “dizolva”. Particulele de plumb sunt în mod curent folosite în aliaje de cupru şi oţel. Unele metale sunt fragile la temperatură obişnuită; particule din aceste metale, cum ar fi: tungstenul (wolframul), cromul, molibdenul, pot fi incluse într-o matrice ductilă. Materialul compozit rezultă ductil ca matricea şi rezistent la temperatură ridicată, cum este constituientul lor fragil;

Particule nemetalice în matrice metalice: particule nemetalice, cum ar fi cele din ceramică, pot fi înglobate într-o matrice metalică. Materialul compozit rezultat este numit – cermet.

Sunt cunoscute două clase de cermeţi:

compozite pe bază de oxizi: compozite pe bază de carburi.

Cermeţii pe bază de oxizi sunt obţinuţi dintr-o matrice metalică în care au fost înglobate particule de oxizi sau sunt obţinuţi dintr-o matrice de oxizi în care au fost incluse particule de metal.

Cermeţii oxidici au rezistenţă mare la uzură şi la temperaturi înalte.



Compozit cermet bazat pe materiale reciclate

Cermeţii pe bază de carburi sunt obţinuţi din particule de carburi de tungsten, crom sau titan, incluse în matrice metalice. Materialul rezultat din particule de carbură de tungsten înglobate într-o matrice de cobalt este caracterizat prin densitate mare. Particulele de carbură de crom într-o matrice de cobalt conduc la obţinerea unui compozit cu mare rezistenţă la uzură şi coroziune.

7.3.2.11. Variaţia rezistenţei la rupere funcţie de condiţiile de ranforsare şi de condiţiile de temperatură.

Caracteristicile materialelor compozite rezultă din asocierea ranfort matrice şi sunt în funcţie de: proporţia ranfort-matrice, condiţiile de ranforsare şi procesul de fabricaţie. Un exemplu în acest sens îl reprezintă modul în care variază efortul la rupere pentru compozite fibre de sticlă-răşină având proporţii diferite de ranfort şi condiţii tehnologice diferite:

Fig. nr. 7.3.45. Variaţia rezistenţei la rupere funcţie de condiţiile de ranforsare pentru un compozit fibră de sticlă-răşină


r

[MPa]

20001500

1500

1000

500

20 40 60 80 % Sticlă ranfort


Materialele compozite polimerice prezintă pe lângă remarcabile proprietăţi mecanice şi o rezistenţă deosebită la coroziune şi agenţi chimici dar ca un impediment, o reprezintă temperatura de lucru limitată de răşina utilizată drept matrice.

Acest handicap este însă rezolvat în mod cu totul şi cu totul strălucit de un alt tip de materiale compozite cu matrice de tip anorganic (carbon, SiC, B4C3 etc).

Fig. nr. 7.3.46. Variaţia rezistenţei specifice la rupere a unor materiale

funcţie de temperatură

De asemenea, materialele compozite nu se plastifiază, limita de elasticitate corespunzând limitei de rupere.

Acest lucru este foarte important zonele pieselor compozite supuse la concentratori de eforturi (tracţiune, înconvoiere, forfecare etc).

Materialele compozite sunt foarte rezistente la oboseală, la fluaj, la unii solvenţi, petrol, etc.

Însă, există şi limite ale utilizării acestora în sensul că au rezistenţă la foc mult mai mică decât aliajele uşoare, îmbătrânesc sub acţiunea umidităţii, a energiei radiante şi calorice.

Aceste proprietăţi remarcabile cât şi limitele prezentate fac ca utilizarea materialelor compozite să se realizeze după o analiză temeinică a factorilor care influenţează calitatea acestor materiale.

Un studiu actual şi de perspectivă al gradului de utilizare al materialelor compozite într-una din cele mai importante ramuri ale industriei constructoare de maşini, industria aviatică arată o creştere spectaculoasă a acestuia.


/ [GPa]

T[0C]


Este de la sine înţeles că cercetarea în acest domeniu vizează în primul rând tehnologiile de vârf şi în mod special industria aerospaţială dar se ştie că pentru a deveni competitive din punct de vedere economic pe piaţă trebuie să acopere o gamă foarte largă de cerinţe şi utilizări.

Acest lucru s-a realizat, astăzi nu există practic nici un domeniu, fie că este vorba de ramuri de vârf sau de industrii tradiţionale, în care compozitele - polimerice să nu fi pătruns.

7.3.3.Compozite cu matrice organică. Compozitele polimerice sunt segmentul de compozite cu cea mai largă utilizare datorită – în principal – tehnologiei de fabricare, relativ simplă, care permite un preţ convenabil. Componentele sunt alese astfel încât să asigure proprietăţile de utilizare dorite, principalele probleme fiind legate de compatibilitatea fibră-matrice, temperatura de serviciu, caracterisiticile mecanice urmărite şi stabilitatea dimensională obţinută.

Relativa uşurinţă de fabricare a compozitelor de acest tip permite dispunerea facilă a fibrelor în arhitecturile dorite şi astfel este posibilă determinarea prin calcul, cu aproximaţie suficient de bună, a proprietăţilor.

7.3.3.1. Tipuri de compozite polimerice şi proprietăţile lor:

7.3.3.1.1.Compozite cu matrici termorigide:

7.3.3.1.1.a Compozite cu matrice poliesterică şi fibră de sticlă;

Cercetările experimentale au dovedit importanţă deosebită pe care o au agenţii de cuplare asupra proprietăţilor compozitelor de acest tip. Calităţile interfeţei formate depind de compatibilitatea dintre agentul de cuplare cu matricea şi de mediul în care este menţinut materialul compozit.

7.3.3.1.1.b Compozite cu matrice epoxidică şi fibră de sticlă.

Acest tip de compozite au preţ mai mare decât cele poliesterice, dar se bucură de proprietăţi superioare care le recomandă pentru utilizarea în produse din domeniile de vârf. Rezistenţa la forfecare interlaminară este ridicată (30 ... 75 MPa) şi se datorează faptului că matricele epoxidice asigură cea mai bună legătură cu fibrele. Chiar şi în acest caz se utilizează agenţi de cuplare care să reducă în special efectele mediului asupra rezistenţei la rupere.

Scăderea proprietăţilor materialelor compozite ca urmare a absorbţiei de apa apare sub efectul cumulat al degradării fibrelor la contactul cu apă care ajunge la fibre prin interfeţe slabe sau prin difuzie în matrice. În acelaşi timp apar modificări ale temperaturii de tranziţie sticloase care scad performanţele, în special la utilizarea la temperaturi înalte.



7.3.3.1.1.c Compozite cu matrice epoxidică şi alte tipuri de fibre. Deşi au utilizarea cea mai extinsă, fibrele de sticlă sunt adeseori înlocuite ca şi componente ale materialelor compozite performanţe de alte tipuri de fibre. Chiar dacă fibrele de sticlă par să asigure proprietăţi comparabile sau chiar mai bune, analiza valorilor specifice (Rm/;E/) arată că fibrele de carbon şi aramidele ar fi de preferat în utilizare. Acestea însă sunt dezavantajate de preţul ridicat. Rezistenţă bună la compresiune şi la oboseală a fibrelor de bor poate fi utilizată la îmbunătăţirea comportării compozitelor ranforsate cu fibră de sticlă. Se realizează compozite hibride la care o parte a fibrelor de sticlă sunt substituite de fibre de bor. Efectul acestei înlocuiri este reliefat în tabelul 1.8., remarcându-se faptul că apar creşteri de 2-3 ori ale rezistenţei la încovoiere Rincov şi ale modului de elasticitate (E). Temperatura maximă de utilizare este limitată de proprietăţile matricii şi se situeaza între 100 -125 0C.

Tabelul 7.1.8Tipul de compozit Fibre de sticlă

[%]Fibre de bor [%] Rincov

[MPa]E

[Mpa]Epoxi + fibre de sticlă 55 0 530 22.000

EPOXI + Fibre de sticlă + fibre de bor

44 8 1.280 65.000

Proprietăţile foarte bune se obţin la compozitele cu fibre de bor şi carbon în matrice epoxidică. În special în cazul fibrelor de bor s-a obţinut rigiditatea şi rezistenţa comparabile cu cele ale oţelurilor, rezistenţa la compresiune şi oboseală foarte bună şi masa specifică redusă. În tabelul 7.1.9 sunt date caracteristicile mecanice ale unor laminate cu matrice epoxidică şi ranforsate cu fibre de bor şi de carbon.

Tabelul 7.1.9 Matrice Fibră Rm

[MPa]Rc

[MPa]E

[MPa]

[g/dm3]Epoxidică Bor 700 1.750 13.000 2

Carbon 680 650 7.000 1,60 Proprietăţile ridicate se datorează adeziunii foarte bune dintre fibră şi matrice, care asigură o rezistenţă bună la forfecare. Dezavantajul major este dat de preţul ridicat al fibrelor de bor.

7.3.3.1.1.d.Compozite cu matrici termoplaste.

Avantajele compozitelor cu matrici termoplate rezidă în principal în calităţile matricii care, apar deosebire de cele termorigide (termoreactive), prezintă o tenacitate ridicată, nu au tendinţa de a absorbi apa, rezistă la solvenţi se pot utiliza la temperaturi relativ ridicate. Ranforsarea cu fibre conduce adeseori la ridicarea temperaturii de utilizare. De exemplu, fibrele de sticla încorporate în matrice termoplaste cresc temperatura maximă de utilizare cu 10 0C până la 30 0C, cea mai înaltă temperatură de utilizare fiind înregistrată la matrici de polietersulfon cu fibre de sticlă care pot să fie



utilizate până la 190 0C. Rezistenţă la temperatură ridicată este influenţată şi de forma şi de dispunerea ranfortului. S-au constatat diminuări semnificative, în special în ceea ce priveşte modulul de elasticitate longitudinal, odată cu depăşirea unei temperaturi. Rezistenţa la fluaj este îmbunătăţită prin ranforsarea cu fibre, cele mai bune rezultate obţinându-se pentru cazul ranforsării cu fibre de carbon.

Compozitele cu matrici termoplaste îsi găsesc utilizarea în special atunci când temperaturile de utilizare sunt mari: ele rezistă de obicei la foc şi au chiar tendinţa sa se autostingă. Tenacitatea ridicată se manifestă chiar în cazul crestăturilor ascuţite, iar rezistenţa la oboseală depinde de natura, cantitatea şi forma ranforsantului.

7.3.4. Clasificarea compozitelor în raport de domeniul de utilizare. Materialele compozite cu caracteristici îmbunătăţite, răşini epoxidice sau poliesterice, poliuretani sau polimeri vinilici armaţi cu fibre carbonice, aramidice sau borice posedă un nivel ridicat al rezistenţei şi rigidităţii masei, stabilitate ridicată la coroziune şi uzură abrazivă, conductibilitate termică scăzută şi o mare rezistenţă la uzură şi la deformări repetate. Ele înlocuiesc avantajos metalele uşoare şi aliajele de înaltă rezistenţă, deoarece (în raport specific) sunt mai rezistente decât oţelul, mai uşoare decât aluminiul şi mai rigide decât titanul.

7.3.4.1.Compozite termice, izolanţi rigizi şi ablativi, care sunt realizaţi cu matrice rigidă (răşină termodură) sau plastică (elastomeri sub formă de cauciucuri naturali şi sintetici) şi fibre refractare (fibre de carbon sau siliciu). Dacă aceste materiale sunt folosite cu matrice de carbon, caracteristicile mecanice ale acestora sunt acceptabile la temperaturi foarte înalte (2000 0C). Sunt folosite pentru protecţia termică a propulsoarelor cu pulbere şi conductelor motoarelor cu propergoli lichizi, a standurilor de încercare, a pereţilor antifoc etc. 7.3.4.2.Compozite structurale, care sunt compozite clasice cu matrice de răşină epoxidică sau poliesteri ranforsaţi cu fibre (sticlă, carbon, kevlar). Au o rezistenţă mecanică ridicată în raport cu densitatea (piesele sunt mai uşoare cu 30-50 % faţă de cele metalice şi o foarte bună rezistenţă la oboseală – în special compozitul siliciu-răşină fenolică. Se folosesc pentru structuri aeronautice (fuselaj, aripă), motoare şi rachete (corp şi coif), structuri de automobil.

Bombardierul B 2 B (fuselaj)



7.3.4.3.Compozite carbon-carbon, constituite dintr-o matrice de carbon cu puţin grafit si ranforsate cu fibre de carbon tip ţesătură, pâslă sau textura multidirecţională (în patru direcţii). Au o densitate de 1,5-2 g/cm3, rezistenţă foarte bună la şoc, la oboseală, la uzură, la şoc termic şi la ablaţiune, precum şi o foarte bună inerţie chimică şi biologică.

Se folosesc pentru protecţia termică a corpurilor rachetelor ruseşti şi a navetelor spaţiale americane la întoarcerea în atmosfera Pământului, a conductelor motoarelor de rachetă, a sistemelor de frânare a avioanelor şi vehiculelor terestre, precum şi pentru catozii aparatelor radiologice, proteze chirurgicale etc.

7.3.4.4.Compozite ceramică-ceramică, constituite dintr-o matrice din materiale refractare pure (siliciu, alumină) sau în amestec cu carbon (carburi, nitruri, boruri) şi fibre refractare (carbon, siliciu, aluminiu, carbură de siliciu) sub formă de ţesătură, pâslă sau textură multidirecţională.

Rezistenţa la încovoiere este de 700 MPa (faţă de 400-500 MPa, la ceramicele clasice), rezistenţa la fisurare este de 50-100 ori superioară ceramicelor obişnuite iar rezistenţa la temperaturi înalte, la oxidare şi la agenţi chimici este ridicată.

Se utilizează pentru anumite piese de motoare de avion (turbine), în metalurgie, în industria chimică şi nucleară (pompe, creuzete, articulaţii).

7.3.4.5.Compozite lamelare, care sunt structuri de compozite compuse din straturi alternative de elastomeri şi lamele metalice de ranforsare, asamblate prin lipire.

Avantajul principal al acestor compozite constă în simplificarea şi uşurarea articulaţiilor ca şi într-o fiabilitate ridicată.

Materiale antifricţiune pentru construcţiile aerospaţiale Tabel 7.3.16

Compoziţia Structură cristalină

Caracteristicile reţelei c/a1)

Temperatura de lucru, 0C

Mg2 Ni Hexagonala 2,547 750

Mg Ni2 Hexagonala 3,294 1100Ni2 Al2 Hexagonala 1,214 800 ... 1100 - Ti (Ti + Al) Hexagonala 1,594 ... 1,604 850 ... 1200

- Ti Al2 Tetragonala 1,581 1300 - Co (Co + Zn) Cubica = 6,314 ... 6,369 A0 800 ... 900

unde, c -- este înălţimea faţetelor laterale, iar a – lăţimea faţetelor celulei cristaline elementare



7.4. Domenii de utilizare a materialelor compozite

Apărute în 1940, răşinile sintetice armate cu fibre de sticlă au fost introduse treptat în industria auto, aviaţie şi navete spaţiale (70% din scutul termic al navetei spaţiale Columbia), la realizarea unor recipienţi pentru industria chimică şi alimentară (rezistente la acizi), îmbrăcăminte de protecţie (veste antiglonţ, căşti) etc.

7.4.1.În industria aerospaţială.

În domeniul aerospaţial, în care s-au aplicat prima dată, prezintă o rată de utilizare foarte mare, fie sub formă de fibre de carbon, de bor şi de siliciu, ca atare, fie ca materiale de ranforsare în matrice din răşini epoxidice, în general pentru structuri de aeronave şi de nave spaţiale, fie sub formă de ceramice şi metale.

Compozitele cu matrice din aliaje pe bază de Ni şi Co ranforsate cu fibre din carburi şi oxizi metalici (TaC, NiC, ZrC, Al2O3 – figura 7.4.1) sunt utilizate pentru componente vitale, care funcţioneaza în regim termic ridicat, ale motoarelor turboreactoare şi rachetelor.

Figura 7.4.1 Compozite cu matrice de bază din oxid de aluminiu şi titan

Compozitele tip spumă denumite „sintactic” au o densitate foarte mică (0,4 g/cm3). Specialiştii au în vedere ca în cercetarea spaţială să se folosească instalaţii şi echipamente compozite tip spumă.

Ei apreciază că o centrală solară, satelit al Terrei, ar putea produce mai mult de 12 KW cu un panou de 130 m2 care nu ar cântări mai mult de 250 kg. Aplicaţii importante au acestea şi în exploatarea mediului marin.

Cu ajutorul lor se prevede o exploatare mult mai eficientă a nodulilor submarini în care Ni şi Co sunt de cinci ori, respectiv de 35 ori mai abundente pe fundul oceanului decât pe continente. Folosind compozite-spumă forajele la adâncime sunt mai uşoare (un tub de foraj de 200 m construit din metale este de 100 t). Deci aeronavele spaţiale, subansamblele din compozite-spumă vor fi mai uşoare, cu caracteristici pozitive: rezistenţa la tracţiune, viteze, consumuri mai mici.

Prin calităţile lor, compozitele conduc la simplificarea structurilor aerospaţiale, cu consecinţe favorabile asupra economicităţii şi fiabilităţii aeronavelor în producţie şi



în exploatare. Astfel, dacă piesele mecanismului de direcţie al avionului comercial Airbus 340 (figura 7.4.2) ar fi executate din materiale tradiţionale (metale), ar fi necesare 7.015 piese fundamentale şi 600 piese secundare. În timp ce dacă ar fi executate din materiale compozite cifrele se reduc la 4.800 şi respectiv 425.

Figura 7.4.2 Avion Airbus 340

Similar, pentru cabina pilotului confecţionată din structură tip fagure din foi de răşină epoxidică întărită cu fibre de carbon, numărul componentelor s-ar reduce de la 2.076 la 96. Aceste avantaje conduc la situaţia ca în viitor foarte puţini polimeri să mai fie utilizaţi ca atare, marea majoritate fiind înglobaţi în materiale compozite.

La avionul european Airbus 340 (figura 7.4.3) este încorporată o mare cantitate de compozite (cca. 40% din greutate) sub formă de compozite cu radom în aramidă (răşină) sau de compozit hibrid (frâne aerodinamice, aripioare, trapele trenului de aterizare, ampenajul orizontal şi profundorul, deriva şi direcţia), acesta din urmă placat cu câteva straturi de aramidă pentru a mări rezistenţa la şocuri. Multe detalii din interior sunt confecţionate din materiale compozite cu fibre de siliciu.

Figura 7.4.3. Localizarea compozitelor utilizate la constructia Airbus 340



7.4.1.În domeniul militar.

În industria de apărare a S.U.A. (figura 7.4.4) şi Europei de Vest s-au utilizat pentru armarea unor compozite, fibre de sticlă 54%, fibre de carbon 31% şi fibre poliamide aromatice (aramidice) 14%.

Figura 7.4.4. Avionul F 117 Stealth - bombardier american

Fibrele carbon au o rezistenţă la rupere superioară oţelului (de ~ 14,5 ori mai mare) şi rezistenţă la temperaturi ridicate (3000 0C), fapt ce a determinat utilizarea lor în construcţia motoarelor de turboreactoare şi rachete.

De dată mai recentă sunt fibrele de bor şi bor-aluminiu, care fiind mai scumpe, se utilizează numai în aeronautică şi tehnica aerospaţială.

În etapa actuală, întreaga industrie prezintă „sindromul uşurării” care a generat materiale mai uşoare, vehicule mai uşoare, consumuri energetice mai mici, confort sporit, poluare redusă, satisfacţii depline. Materialele compozite răspund acestor căutări.

În domeniul transportului naval ca materiale compozite se folosesc cu precădere răşini poliesterice, armate cu fibre de sticlă, cu fibre de carbon şi fibre de aramide, în special pentru ambarcaţiuni sportive şi nave uşoare, având avantajele că au greutăţi reduse şi rigidităţi mărite, ceea ce a permis creşterea vitezei şi reducerea consumului de combustibil al navelor. Materialele composite usoare se folosesc, cu precadere, la constructia yachturilor (figura 7.4.5) si a vaselor de croaziera si agreement, datorita rezistentei deosebite si a celorlate proprietati exceptionale pe care le poseda.



Fig. 7.4.5 Yachturile sunt realizate în proporţie de 65 % din materiale compozite

7.4.3În industria de film şi divertisment.

În industria filmului aparatele speciale de filmat (figura 7.4.6) sunt solicitate de regizori la realizarea filmelor de acţiune sau S.F. care să ofere anumite caracteristici tehnice deosebite, şi anume:

Uşoare şi cu capacitate de închidere ermetică;. Toleranţă foarte mică; Rezistenţă ridicată la loviri, impacturi cu corpuri grele; Trebuie să faciliteze filmări în condiţii extreme etc.

Figura 7.4.6 Carcasă de aparat de filmat



Figura 7.4.7 Magazie pentru role de film de 1000 de feet (picioare), din material termoset, vedere interioară şi exterioară

7.4.3.În industria constructoare de maşini.

În domeniul transportului rutier materialele compozite se folosesc în primul rând datorită greutăţii lor reduse, rezistenţei la oxidare şi coroziune, în procente ce reprezintă creşteri anuale 5 – 10%, în locul metalelor. S-a calculat că reducerea greutăţii unui autoturism cu 100 kg echivalează cu economisirea unui litru de benzina la fiecare 100 km. În componenţa unui autoturism compozitele se folosesc pentru:

-caroserii, -sistemul de alimentare cu combustibil, -panoul de comandă etc.

Figura 7.4.8. Cockpit-ul bolidului de formula 1 este integral realizat din materiale compozite

În sistemul de frânare al autovehiculelor compozitele din fibre de carbon sunt deosebit de eficiente, întrucât coeficientul de frecare creşte cu temperatura.



În domeniul electronicii şi electrotehnicii (figura 6.9)sunt solicitate materiale compozite în cantităţi tot mai mari de la an la an, cu precădere compozite conţinând materiale plastice speciale, răşini poliamidice, policarbonaţi, siliconi, polibutilen tereftalat etc. Se apreciază că în prezent acest domeniu absoarbe un sfert din consumul total de materiale compozite cu destinaţie industrială, atât pentru componentele electronice active (capsule pentru circuite integrate) cât şi pentru componente pasive (suporţi pentru imprimante, conductoare, conectoare etc.).

Figura 7.4.9 Diverse produse electrotehnice realizate din materiale compozite

În domeniul telecomunicaţiilor, în continuă dezvoltare, materialele compozite se folosesc la izolaţii de cabluri telefonice din polietilenă de înaltă şi joasă presiune, la transmisiile prin sateliţi, unde pentru structurile de rezistenţă şi pentru discurile antenelor sunt utilizate compozite armate cu fibre de sticlă.

În domeniul casnic utilizările se referă la probleme de design, de protecţie împotriva poluării, de consum energetic şi de rafinament gastronomic.

Extinderea în viitor a aplicaţiilor compozitelor metalice, îndeosebi în domeniul construcţiilor de autovehicule, implică anumite cerinţe care necesită rezolvare:

*realizarea de investiţii pentru introducerea unor procedee de prelucrare a compozitelor cu materiale de ranforsare dure (SiC, Al2O3);

*schimbarea şi adaptarea principiilor de proiectare a pieselor şi ansamblurilor, ţinând seama de proprietăţile specifice pe care le reprezintă materialele compozite;

*îmbogăţirea pe cale experimentală a cunoştinţelor privind: comportarea la frecare, rezistenţa la uzare, prelucrabilitatea, tenacitatea şi rezistenţa la oboseală;

*dezvoltarea procedeelor de control, care să asigure verificarea conţinutului şi distribuţiei materialelor de ranforsare în interiorul pieselor, metodele de control al calităţii fiind considerate în mare parte inadecvate;

*analiza posibilităţilor de reciclare a deşeurilor rezultate în urma prelucrării; de exemplu, tratarea specială a topiturilor pentru îndepărtarea materialului complementar;

*rezolvarea unor probleme care ţin de producerea prin turnare a compozitelor: fluiditatea materialului în stare semisolidă, porozitatea reziduală, deformarea

preformei, fenomenele de segregare gravitaţională ...;


Studii şi Cercetări asupra interfeţei materialelor compozite *găsirea unor materiale metalice noi ieftine pentru realizarea matricei şi a unor aliaje la care microstructura sau microsegregarea sunt mai puţin afectate la solidificare de prezenţa componentei de ranforsare;

*dezvoltarea compozitelor la care materialul de ranforsare se creează în timpul unei solidificări dirijate;

*studierea mai profundă a proceselor chimice de la interfaţa matrice-material complementar, care influenţează într-o măsură importantă calitatea compozitelor;

*stabilirea unor metode specifice de testare a prototipurilor;*restructurarea strategiei de promovare a folosirii materialelor compozite în diferite aplicaţii industriale.

Pe lângă aliajele metal-metal, cunoscute de multă vreme şi aliajele mai noi de tip ceramică-ceramică şi ceramică-metal, se conturează utilizarea aliajelor din materiale plastice, polimer-polimer, polimer-metal şi polimer-ceramică. Ele au proprietăţi mecanice superioare şi în multe procese de frecare, elimină ungerea.

7.4.5.Utilizări în medicină.S-a creat o revoluţie în domeniul biomaterialelor, în care aliajele plastice şi

polimerii grefaţi sunt folosiţi în tehnica medicală pentru realizarea ţesuturilor artificiale, utilizate în cazul unor arsuri grave sau care pot înlocui organele corpului omenesc:

-valve cardiace, -artere artificiale, -plămâni artificiali, -implanturi de natură osoasă etc.

În domeniul medical se utilizează materiale compozite cum sunt: compuşi cu polimeri pentru transplanturi, proteze şi implanturi cardiace, unele substanţe pentru coagularea sângelui (poliuretani, cauciucul siliconic, dacron, teflon expandat, polietilenă specială, floropolimeri etc.), în ortopedie, unde trebuie să răspundă şi unor mari necesităţi biologice şi unde cele mai adecvate s-au dovedit a fi sistemele de compoziţie de grafit polisulfuric şi sticlă – aramid – polipropilene şi sticlă epoxidică cu bune proprietăţi de adaptabilitate biologică.

Se poate considera că cercetarea în acest domeniu, de obţinerea unor materiale noi, cu caracteristici prestabile, a devenit o ştiinţă a materialelor.

Se consideră că ştiinţa şi tehnologia materialelor va cunoaşte dezvoltări şi descoperiri de perspectivă în viitorul secol.

7.5.Tendinţe moderne în ştiinţa şi tehnologia materialelor compoziteFacultatea de Ştiinţe 57


Secolul al 20-lea a fost martorul unei dezvoltări uluitoare a ştiinţei şi tehnologiei, cu impact asupra omului sub toate aspectele vieţii. Trei ştiinţe majore s-au dezvoltat şi au marcat secolul:

fizica, ştiinţa care a reuşit înţelegerea structurii atomilor prin prisma mecanicii cuantice;

biologia (cu ramurile sale, biofizica, biochimia şi genetica), prin care s-a reuşit înţelegerea structurii celulei şi a mecanismelor vieţii;

informatica, prin care s-au dezvoltat în simbioză mijloacele de comunicare şi de calcul.

Începutul secolului al 21-lea surprinde omenirea în faţa unor noi provocări: modificări neprevăzute de climă, apariţia unor noi agenţi patogeni, poluarea la toate nivelurile şi sub toate formele posibile (chimică, electromagnetică, etc.), radiaţia radioactivă, epuizarea unor surse de energie, terorismul cu toate formele lui (atacuri bacteriologice, atacuri cu arme convenţionale, atacuri cu gaze de luptă).

În aceste condiţii, ştiinţa omenirii îşi regrupează forţele, încercând să ofere soluţii fundamentale, care să poată fi preluate de tehnologia modernă.

O abordare cu totul diferită este avută în vedere pentru modul în care va fi condusă dezvoltarea ştiinţei şi tehnologiei materialelor, în secolul nostru.

Noua abordare constă în dezvoltarea cercetărilor în direcţia apropierii de nivelul structurii atomice, folosind aşa-numita electronică la scară nano sau nano-electronică. Prin mişcarea către dimensiuni mai mici se urmăreşte creşterea densităţii de integrare, a funcţionalităţii sistemelor şi a performanţei acestora (spre exemplu, creşterea vitezei de operare şi scăderea puterii consumate).

Datorită nano-electronicii va fi posibil ca, în viitor, să se creeze sisteme atomice şi molecule artificiale, sisteme multifuncţionale integrate la scara atomilor. Ştiinţa materialelor are un rol esenţial în pregătirea saltului tehnologic de mâine prin crearea de noi materiale şi noi structuri, dar, nu în ultimul rând, prin descoperirea de noi fenomene fizice şi proprietăţi specifice la scară atomică.

Realizările de vârf în domeniul materialelor avansate prefigurează, printr-o linie de extrapolare pe termen mediu, evoluţia ştiinţelor, în particular cea a fizicii materiei condensate, precum şi impactul tehnologic la scară nanometrică.

Cercetarea fundamentală în domeniul materialelor avansate trebuie să fie dirijată către descoperirea relaţiilor dintre proprietăţile care determină funcţionalitatea materialului, compoziţia chimică şi structura lui. Este important de remarcat că diferite proprietăţi de material sunt determinate de comportarea colectivă a moleculelor, atomilor şi electronilor iar această comportare ar putea fi extrem de neliniară pentru



scări de timp şi de mărime diferite. Înţelegerea fundamentală este esenţială dacă vrem ca funcţionalitatea materialelor să fie asigurată pe perioade lungi de timp.

Încercăm în cele ce urmează să arătăm, în mod sintetic, care sunt principalele linii directoare ale noii evoluţii în ştiinţa şi tehnologia materialelor compozite avansate:

Ştiinţa şi ingineria materialelor compozite. Compozitele sunt materiale în care se îmbină două faze complet diferite: fie o fază cristalină şi una amorfă, fie o matrice amorfă sau cristalină în care se introduce o a doua fază sub formă dimensională diferită: de exemplu, fibre, plăci, clusteri, aglomerări fractale, etc

Înţelegerea fenomenologiei unui material neomogen, cu bariere structurale şi electronice abrupte, este deosebit de actuală. Matricile cu nanotuburi de carbon au proprietăti fizice foarte diferite de cele ale componenţilor. În compozite efectele sinergice trebuie investigate în scopul maximizării acestora. Problemele fundamentale ale interacţiunilor fizice şi chimice se află pe prim plan şi stabilirea legităţilor este importantă pentru toate celelalte domenii ale stării condensate a materiei. Relevanţa asupra aplicaţiilor este remarcabilă.

Materialul plastic amestecat cu oxidul de siliciu conduce la un material cu rezistenţa mecanică de câteva ori mai mare decât cea a polimerului. Proprietăţile excepţionale de disipare a energiei mecanice sunt deosebit de importante pentru utilizare la şocuri (ciocnirile vehiculelor, lovirea clădirilor la cutremure, etc.). Proprietăţile de absorbţie şi disipare a energiei mecanice sunt legate de procesele care au loc la scara nanometrică (dimensiunea particulelor de silice este de ordinul a 50 nm iar microporii au circa 2 nm diametru. Compozitele sunt uşoare, pot fi dure ca oţelul şi rezistente la căldură.

Exploatarea proprietăţilor fundamentale ale materialelor compozite pentru crearea de structuri macroscopice cu proprietăţi superioare: rezistente la tracţiune, la şoc, uşoare, elastice etc., reprezinta o provocare tehnologica.

Materialele cu gradient funcţional sunt materiale noi la scară nanometrică, bazate pe combinaţii de componente cu proprietăţi radical diferite. Proprietăţile acestor materiale sunt determinate, în mare măsură, de interfeţele dintre componente, la care gradienţii de compoziţie sunt mari. Cele două tipuri de astfel de materiale sunt: a) materiale bazate pe straturi subţiri şi multistraturi de compoziţii foarte diferite şi b) materiale bazate pe nanoparticulele unui component înglobate în matricea altuia.

Este nevoie de cunoaşterea structurilor cu diferite dimensiuni ce implică combinaţii de sisteme puternic corelate. Înţelegerea acestora poate duce la noi proprietăţi în care multistratul ca atare poate fi privit ca un nou material dacă straturile componente sunt suficient de subţiri, adică mai subţiri decât lungimea de coerenţă

Este necesară producerea unor structuri perfect controlabile tehnologic, reproductibile, lipsite de defecte sau cu un minim de defecte.

Ceramicile electronice de tip perovskit (piezoceramicile) sunt extrem de importante pentru aplicaţii tehnice. Fragmentele de structuri de tip perovskit pot fi combinate cu multe alte elemente structurale. Se generează astfel noi materiale cu



proprietăţi deosebite. Este importantă realizarea unor legături între elemente diferite şi, de aceea, potrivirea geometrică este esenţială. Prezenţa vacanţelor de oxigen sporeşte adaptabilitatea componentelor structurale. Substituirea a două tipuri de cationi măreşte potenţialul de modificare a proprietăţilor ceramicilor, precum şi abilitatea de a încorpora diferite elemente structurale. Supraconductorii de oxid de cupru compoziţi sunt grăitori în această privinţă. În multe cazuri, stoichiometria oxigenului diferă de cea ideală. Vacanţele de oxigen sunt adesea ordonate şi formează suprastructuri. Oxidările şi reducerile influenţează proprietăţile ceramicilor. Proprietăţile piezoceramicilor pot fi astfel controlate cu fineţe. Studiul fundamental al perovskiţilor este obiectul unei cercetări continue.

Sunt avute în vedere clase noi de materiale feroelectrice cu avantaje aplicative, precum compozitele ceramică/polimer. Se combină faze cu proprietăţi diferite.

Proprietăţile mecanice şi electrice ale compozitelor pot fi modificate cu multe ordine de mărime în funcţie de modul în care se conectează fazele individuale. Se pot obţine senzori de presiune sensibili şi ieftini. Cu ajutorul dopanţilor (Ca, Pb, Mn, negru de fum...) se pot controla uşor temperatura Curie, anizotropia, polarizabilitatea şi pierderile dielectrice, precum şi rezistivitatea materialului.

Cvazi-cristalele sunt aliaje metalice cu conţinut mare de aluminiu, care prezintă o simetrie cristalografică interzisă (axe de ordin 5). Cvazi-cristalele pot fi formate prin multe combinaţii de elemente. Studiile fundamentale sunt încă la început. Putem exemplica:

- Producerea de îmbrăcăminte pentru militari, cu efect de vindecare a rănilor, la scurt timp după apariţia acestora.

- Crearea de noi materiale super-rezistente prin mimarea unor materiale produse în sfera bio (de exemplu materialul pentru veste anti-glonţ, Kevlarul, foloseşte fibre produse de o specie de paianjen).

- În cazul supraconductorilor de temperatură critică ridicată, materialele cu oxid de cupru sunt greu de înlocuit, deoarece scara de energie asociată magnetismului (care este implicat fundamental în mod fundamental în supraconducţie) este foarte înaltă, depăşind pe cea din cazul altor materiale supraconductoare.

- Materiale noi pot fi găsite doar în afara şi în pofida teoriei cvazi-unanim acceptate astăzi (starea de supraconducţie este o stare rezonantă a legăturii de valenţă dopată, cu pronunţat caracter d). Cercetarea de material se va dezvolta în continuare, incluzând noi clase, ca de pildă, cea a compuşilor cu bor, la care s-au observat recent temperaturi critice suficient de înalte. Este importantă perfecţionarea tehnologiei de obţinere a supraconductorilor ceramici.

Se va pune la punct tehnologia circuitelor de microunde cu supraconductori calzi. Cercetările tehnologice pentru obţinerea de multistraturi de înaltă calitate, lipsite de defecte vor preceda aplicaţiile în domeniul dezvoltării de magnetometre sensibile pentru medicină, pentru scopuri militare şi pentru defectoscopie nedestructivă (bazate pe joncţiuni Josephson). Se are în vedere crearea de circuite ultrarapide.



- În cazul materialelor structurate artificial, se vor avea în vedere în mod special dispozitivele optoelectronice. Se va pune le punct tehnologia pentru obţinerea structurilor cu compoziţie modulată. Ţinând seama de proprietăţile cristalelor fotonice, se pot construi oglinzi de foarte înaltă reflectivitate pentru anumite lungimi de undă ale radiaţiei electromagnetice.

- Ceramicile piezoelectrice vor fi procesate astfel încât să se obţină catalizatori performanţi, supraconductori şi electrozi de oxigen. În toate cazurile, morfologia produselor trebuie controlată, jucând un rol principal. Dezvoltarea unor tehnologii de preparare controlate pentru fazele care prezintă proprietăţi specifice fizico-chimice, morfologice, structurale şi compoziţionale, necesită studii experimentale sistematice.

- Cvazi-cristalele sunt sugerate pentru aplicaţii. Se are în vedere un compozit promiţător: material polimeric în care se introduce pulbere cvazi-cristalină de Al-Cu-Fe.

Particulele de Al-Cu-Fe sporesc rezistenţa la uzură a polimerului. Se presupune că acest fapt se datoreşte combinării durităţii cvazi-cristalitelor, cu coeficientul de frecare mic şi conductivitatea termică redusă a polimerului.

Pentru aplicaţii de anvergură, la acoperiri rezistente, este nevoie de o cercetare experimentală extinsă, având în vedere sensibilitatea acoperirilor la fazele prezente în material.

Se va încerca aplicarea cvazi-cristalelor în cataliză, stocarea hidrogenului, generarea de termo-electricitate şi drept absorbanţi optici.


Documents

Chimie - Curs 7.Materiale Compozite