compozite termoplastice

  • View
    240

  • Download
    0

Embed Size (px)

Text of compozite termoplastice

  • 7/28/2019 compozite termoplastice

    1/14

    Universitatea Politehnica Bucuresti

    Facultatea de Chimie Aplicata si Stiinta Materialelor

    NANOCOMPOZITE CERAMICE

    ARMATE CU POLIMERI

    Student:

    Nanora Gabriel

  • 7/28/2019 compozite termoplastice

    2/14

    Bucuresti, 2013

    2

  • 7/28/2019 compozite termoplastice

    3/14

    Introducere

    Materialele compozite au fost concepute pentru a nlocui, ntr-o

    proporie tot mai mare, materialele tradiionale feroase i neferoase, care

    sunt caracterizate de unele neajunsuri referitoare la performanele,

    procedeele de obinere i prelucrare, gabarite, mase, complexiti

    geometrice, domenii de utilizare i costuri importante.

    Materialele compozite sunt materiale cu proprieti anizotrope, formatedin mai multe componente, a cror organizare i elaborare permit

    folosirea celor mai bune caracteristici ale componentelor.

    Din punct de vedere tehnic, noiunea de materiale compozite

    se refer la materialele care posed urmtoarele proprieti:

    sunt create artificial, prin combinarea diferitelor componente;

    reprezint o combinare a cel puin dou materiale deosebite dinpunct de vedere chimic, ntre care exist o suprafa de separaie

    distinct;

    prezint proprieti pe care nici un component luat separat nu le poate

    avea.

    Avantajul major, esenial al compozitelor const n posibilitatea

    modulrii proprietilor i obinerea n acest fel a unei game foartevariate de materiale, a cror utilizare se poate extinde n aproape toate

    domeniile de activitate tehnic.

    Practic, materialele compozite sunt formate dintr-o matrice (plastic,

    ceramic sau metalic) i elemente de armare (ranforsani), care sunt

    dispuse n matrice n diferite proporii i orientri. Armtura confer

    materialului compozit o rezisten ridicat i reprezint elementul principal

    de preluare a sarcinii, iar matricea are rolul de material de legtur ntre

    3

  • 7/28/2019 compozite termoplastice

    4/14

    elementele de armare i mediul de transfer al sarcinii exterioare spre

    acestea.

    n general, aceste dou faze nu reacioneaz ntre ele i se aleg

    astfel nct s fie inerte una fa de cealalt n condiiile utilizrilor.

    Materialele compozite prezint o serie de avantaje ntre care se

    menioneaz:

    mas volumic mic n raport cu metalele (de exemplu compozitele din

    rini epoxidice armate cu fibre de siliciu, bor i carbon au mas

    volumic sub 2 kg/dm3)

    rezisten mare la traciune (compozitul denumit Kevlar, polimer

    organic cu fibre de aramide, are o rezisten la traciune de dou orimai mare dect a sticlei);

    coeficient de dilatare foarte mic n raport cu metalele;

    rezisten la oc ridicat;

    durabilitate ridicat

    capacitate mare de amortizare a vibraiilor;

    siguran mare n funcionare (ruperea unei fibre dintr-o pies din

    material compozit nu constituie amors de rupere);

    consum energetic sczut i instalaii mai puin costisitoare n procesul

    de obinere, n raport cu metalele;

    rezisten chimic i rezisten mare la temperaturi ridicate (fibrele de

    Kevlar, teflon i hyfil pn la 500oC, iar fibrele ceramice de tip SiC,

    Si3N4, i Al2O3 ntre 1400oC i 2000oC).

    Clasificarea materialelor compozite

    O clasificare mai generala a materialelor compozite, care le

    prezint intr-un mod sintetic, are la baza utilizarea concomitenta

    a doua criterii si anume: particularitile geometrice ale materialului

    complementar si modul de orientare a acestuia in matrice (fig.1).

    4

  • 7/28/2019 compozite termoplastice

    5/14

    Fig.1.Clasificarea materialelor compozite

    Materialele compozite sunt grupate, in funcie de ali autori, nu in 2,

    ci n trei categorii:

    - materiale compozite durificate cu fibre;- materiale compozite durificate cu particule (disperse);

    - materiale compozite obinute prin laminare(stratificate).

    5

    http://2.bp.blogspot.com/_4aMVq4rDr6A/ShQpMlbZjOI/AAAAAAAAAPM/Otuk6wF4XmU/s1600-h/18.bmp
  • 7/28/2019 compozite termoplastice

    6/14

    Fig.2.Materiale compozite:

    a armate cu fibre

    b - disperse

    c - stratificate

    Materiale compozite armate cu fibre

    n figura de mai sus sunt prezentate diferite moduri de orientare a

    acestor fibre n interiorul matricei. Se obin astfel materiale compozite cu

    caracteristici foarte bune de rezisten, rigiditate i raport rezisten -

    densitate.

    Comportamentul mecanic al unui asemenea compozit depinde de:

    - proprietile fiecrui component;- proporia dintre componeni;

    Betoane armate cu fibr de sticl

    6

    http://4.bp.blogspot.com/_4aMVq4rDr6A/ShQo5ebElFI/AAAAAAAAAPE/H78-bjaT7Y8/s1600-h/17.bmp
  • 7/28/2019 compozite termoplastice

    7/14

    Tendina spre construcii ct mai uoare poate fi considerat una din

    principalele trsturi ale dezvoltrii tiinei i tehnicii n domeniu.Aplicarea

    n practic se face n msura n care apar noi materiale de construcie,

    concomitent cu tehnologiile specifice de obinere i prelucrare a acestora.

    Apar concepii noi privind geometria formelor, alctuirea elementelor i

    structurilor, perfecionndu-se metodologia calculului de rezisten.

    Unul dintre aceste materialele care face o construcie mai uoar este

    i sticla.

    Sticla este un borosilicat de aluminiu obinut prin topirea unui amestec

    de SiO2-Al2O3-CaO-MgO-BO3. Aceste componente sunt ieftine i se

    asociaz prin procedee simple, conferind fibrelor de

    sticl un excelent raport performan - pre, plasndu-le

    pe primul loc,ca material de armare a materialelor

    compozite.

    Fibrele de sticl sunt n principal de 3 tipuri:

    Fibre casice-silice, sodiu, calciu;

    Fibre de sticl cu bazosilicai; Fibre de sticl cu zirconiu.

    Aceast proprietate de tragere n fire a fost

    descoperit de ctre egipteni, materialele din fibre de

    sticls-au folosit doar din prima jumtate a secolului al-

    XVIII-lea. Producia industrial a nceput dup anul

    1930(n Anglia la Glasgow), avnd ca aplicabilitate izolarea conductelor

    electrice,iar mai tarziu,la armarea rinilor. n Romania debutul producieindustriale a fibrelor de sticl a avut loc abia n anul 1975 la ntreprindrea

    FIROS Bucureti.

    Fibrele de sticl nu sunt higroscopice, nu putrezesc i nu ard. La

    temperatura de 370C,i pstreaz aproximativ 50% din caracteristicile

    iniiale. Proprietile foarte bune ale fibrelor de sticl, corelate cu

    densitatea redus, determin pentru materialele plastice armate cel mai

    bun raport rezisten-greutate.

    7

  • 7/28/2019 compozite termoplastice

    8/14

    Rezistena la traciune a fibrelor de sticl este mai mare pentru

    diametre mici 915m. Compoziia chimic a fibrelor influeneaz

    proprietile acestora, astfel nct prin introducerea unor oxizi, se pot

    obine performante superioare.

    Materialul compozit este un sistem creat prin asamblarea artificial a

    dou sau trei componente, mai precis, a unui component de armare i a

    unei mase de baz compatibile, astfel nct s se obin caracteristicile i

    proprietile dorite.

    Proiectarea panourilor BAFS pleac de la o cunoatere a proprietilor

    sale de baz precum rezistena la traciune, la compresiune, ndoire i

    forfecare, mpreun cu estimrile de comportament la fluaj, latratamentele termice i n condiii de umiditate.

    Existanumite diferene ntre structurile metalice simple i cele

    compozite, armate cu fibre de sticl. Matricea metalic, cedeaz foarte

    repede la deformarea plastic, ns fibrele sunt mai elastice i

    mbuntesc comportamentul la deformare plastic, acesta din urm fiind

    mai elastic. O alt caracteristic foarte important a BAFS-urilor este

    comportamentul anticoroziv, i coeficientul mic de dilatare termic.

    Fibra de sticl din matricea de beton are un aspect de panouri de beton

    prefabricat, dar sunt diferite din alte puncte de vedere. De exemplu,

    panorile de BAFS cntresc mai puin dect panourile de beton prefabricat

    din cauza grosimii reduse a fibrelor. Cadrul cldirii devine mai economic

    din acest punct de vedere.

    GFRC Glass Fiber Reinforced Concrete este o form de

    beton care folosete nisip fin, ciment, polimeri(de obicei un polimer acrilic),

    ap, ali aditivi i fibre de sticl alcalino-rezistente(AR).Multe modele de

    amestecuri primare sunt disponibile pe pia, dar toate se aseamn din

    punct de vedere al ponderii elementelor n matericea de baz.

    00

    Scurt istoric aupra BAFS-urilor

    8

  • 7/28/2019 compozite termoplastice

    9/14

    BAFS a fost iniial dezvoltat n anii 1940 n Rusia, dar numai n 1970, a

    intrat n utilizarea pe scar larg n forma actual.

    Din punct de vedere comercial, BAFS este folosit pentru a face panouri

    mari, uoare, care sunt adesea folosite ca faade.Aceste panouri sunt

    considerate non-structurale, n sensul c sunt concepute pentru a se

    sprijini pe propria lor greutate. Panourile sunt considerate uoare, din

    cauza grosimii materialului, nu pentru c BAFS are o densitate semnificativ

    mai mic dect beton normal.

    Panourile faad sunt n mod normal, legate la un cadru de oel

    structural pe care se sprijin panoul li ofer puncte de conexiune pentru

    suspendare.

    Proprieti structurale ale GFRC

    GFRC are o capacitate mare datorit cantitii mari de fibre de sticl

    AR i a cantitii relativ mare de polimer acrilic. n timp ce rezistena la

    compresiune a GFRC poate fi destul de mare, din cauza raportului dintre

    coninutul redus de ap i coninutul ridicat de ciment, rezistena la

    ncovoiere i ntindere l fac s fie superior betonului obinuit. n esen,

    cantitile mari de fibre ridic rezistena la traciune, iar coninutul ridicat

    de polimer l face s fie un beton flexibil, fr fisuri.

    GFRC este analog la tipul de fibre de sticl tocate utilizate la fabricarea

    obiectelor precum brci i alte corpuri complexe cu forme

    tridimensionale. Procesul de fabricaie este similar, dar GFRC este mult

    mai slab dect fibr de sticl.

    n timp ce proprietile structurale ale GFRC sunt superioare betonului

    nearmat, proiectarea corectde consolidare cu oelul crete n mod

    semnificativ rezistena elementelor, fie ceste beton obinuit sau

    GFRC. Acest lucru este important atunci cnd se cere o anumit rezisten,

    cum ar fi consolele i alte condiii critice, n care fisurile vizibile nu sunt

    tolerate.

    GFRC nu nlocuiete betonul armat atunci cnd sunt necesare rezistene

    la ncrcri mari. Cea mai bun folosin este pentru carcase

    9

  • 7/28/2019 compozite termoplastice

    10/14

    tridimensionale unde ncrcrile sunt mici. Elementele la care se potrivete

    cel mai bine GFRC sunt nveliul emineului, panouri de perete i alte

    elemente similare.

    Cum funcioneaz fibrele

    GFRC utilizeaz fibre de sticl alcalin ca principal element al creterii

    rezistenei la traciune. Matricea polimeric din beton servete pentru a

    lega fibre i de a facilita transferul ncrcrii de la o fibr la alta prin

    forfecri.

    Fibra de armare este o metod comun utilizat pentru cretereaproprietilor mecanice ale materialelor. Este un subiect important, mai

    ales n domeniul tiinei materialelor. Fibra de sticl este utilizat cel mai

    des la armarea betonului.

    Pentru a rezista la traciune (i pentru a preveni piesa de GFRC de

    rupere sau de fisurare), trebuie s existe o cantitate suficient de fibre n

    amestec. n plus, orientarea fibrelor determin ct e eficient rezist fibra la

    ac

    iunea ncrcrii. Fibra trebuie s fie rigid

    i suficient de puternicpentru a asigura rezistena la traciune necesar. Fibre de sticl sunt de

    mult timp elemente de armare a betonului datorit proprietilor fizice i

    al costul relativ sczut.

    Orientarea fibrelor este foarte important. Cu ct este mai

    dezordonat,cu att fibrele trebuie s fie ntr-o cantitate mai mare pentru

    a rezista aciunii ncrcrii. Asta deoarece, n medie, doar o mic parte din

    fibre orientate aleatoriu sunt orientate n direcia cea bun.

    Exist trei niveluri de armare, care sunt utilizate pentru betonul

    obinuit, inclusiv GFRC.

    Primul nivel este dezordonat, consolidareatridimensional(3D). Acest lucru

    se ntmpl atunci cnd fibrele sunt amestecate n beton i betonul este

    turnat n forme. Fibrele sunt distribuite uniform n ntreaga mas a

    betonului i orientate n toate direciile. Aceasta descrie beton obinuit

    armat cu fibre. Din cauza orientrii dezordonate i 3D, foarte puine dintre

    fibrele sunt capabile s reziste la sarcini de traciune care se dezvolt ntr-

    10

  • 7/28/2019 compozite termoplastice

    11/14

    o anumit direcie. Acest nivel de armare este foarte ineficient, necesitnd

    ncrctur foarte mare de fibre. De obicei numai aproximativ 15% din

    fibre sunt orientate corect.

    Fibre orientate aleator

    n cel de-al doilea nivel,fibrele sunt orientate aleator, consolidare

    bidimensional(2D). Fibrele sunt orientate aleatoriu ntr-un plan

    subire. Deoarece fibrele sunt pulverizate n forme, elese aeaz uniform,

    lund forma cofrajului. De obicei 30% la 50% din fibre sunt orientate optim.

    Acest nivel le orienteaz n planul n care se dezvolt si tensiunile. Dei

    este mai eficient dect nivelul 3D, consolidarea 2D rmne tot ineficient

    datorit mari varieti a orientrilor n plan orizontal. n plus, majoritatea

    fibrelor sunt situate n afara zonei unde forele de traciune sunt mari.

    Aceast zon este situat ntotdeauna la suprafaa inferioar a unui

    planeu sau la partea superioar a unei console. Inginerii structurali sunt

    foarte contieni de acest lucru i de aceea consolidrile grinzilor se fac

    aproape de partea inferioar.

    11

  • 7/28/2019 compozite termoplastice

    12/14

    Al treilea nivel de armare este monodimensional.Acesta estemodul ncare grinzile structurale consolidate cu oel sunt proiectate. Este cea mai

    eficient form de consolidare pentru ca se folosete cea mai mic

    cantitate de material pentru a rezista la forele de traciune. Consolidarea

    este plasat n ntregime n zona de traciune, maximiznd astfel eficiena

    fr a pierde consolidarea n zonele n care nu se genereaz solicitari de

    traciune. Mijlocul unui planeu este o astfel de zon.

    Coninutul de fibre variaz, dar este, n general, aproximativ 5% la 7%din greutatea de ciment. Unele amestecuri pot sa aiba pana la 10% din

    greutatea cimentului. Coninutul crescut de fibre crete rezistena la

    solicitari, dar scade lucrabilitate.

    Raportul obinuit dintre api ciment din beton este de 0.3 - 0.35. Cu

    toate acestea, polimerul acrilic se adaug, astfel nct o parte din apa din

    amestec provine din polimerul acrilic. Acest lucru face caraportul a/c s fie

    dificil de calculat, cu excepia cazului n care cantitatea de polimer estecunoscut. Cu un coninut de polimer de 46%, 15 kg de polimer plus 23 kg

    de ap se adaug pentru fiecare 100 kg de ciment.

    Acrilul este opiunea principal printre polimerii EVA sau SBR. Cei mai

    muli polimeri acrilici utilizate n GFRC au coninut solid variind de la 46%

    la peste 50%. Doi polimeri acrilici de ncredere sunt Smooth-Ons duoMatrix-

    Ci Forton VF-774.

    Nisipul utilizat n GFRC ar trebui s aib o dimensiune medie care trecede la un ochi al sitei de 0,3 mm la 0,6 mm. Nisipul fin tinde s mpiedice

    12

  • 7/28/2019 compozite termoplastice

    13/14

    fluiditate n timp ce materialele mai grosiere tind s fug din seciunile

    verticale i sar napoi atunci cnd este pulverizat.

    Superplastifianii sunt adesea folosite pentru a crete fluiditatea. Cu

    toate acestea superplastifianii foarte puternici se depun foarte greu pe

    suprafeele verticale, deoarece materialul nu adera la suprafeele

    verticale.

    13

  • 7/28/2019 compozite termoplastice

    14/14

    Bibliografie

    1. Curs Materiale compozite stratificate i armate cu fibre

    2. ef lucr.dr.ing. CONSTANA IBNESCU Ingineria materialelor

    compozite polimerice si procese de prelucrare a acestora

    3. http://mihaelabucur.blogspot.ro/2009/05/materiale-compozite-

    i.html

    4. http://www.slideshare.net/larisapaun/prezentare-materiale-

    compozite

    14

    http://mihaelabucur.blogspot.ro/2009/05/materiale-compozite-i.htmlhttp://mihaelabucur.blogspot.ro/2009/05/materiale-compozite-i.htmlhttp://www.slideshare.net/larisapaun/prezentare-materiale-compozitehttp://www.slideshare.net/larisapaun/prezentare-materiale-compozitehttp://mihaelabucur.blogspot.ro/2009/05/materiale-compozite-i.htmlhttp://mihaelabucur.blogspot.ro/2009/05/materiale-compozite-i.htmlhttp://www.slideshare.net/larisapaun/prezentare-materiale-compozitehttp://www.slideshare.net/larisapaun/prezentare-materiale-compozite