FAKULTET ELEKTROTEHNIKE STROJARSTVA I BRODOGRADNJE SPLIT
SEMINARSKI RAD
KOMPOZITNI MATERIJALLI NA BAZI UGLJINI VLAKANA
SEMINAR IZRADIO: Stipe Perii Bodogradnj 440
Openito Kada se meusobno kombiniraju dva ili vie razliitih
materijala dobiva se kompozitni (sloeni) materijal. Njegova
svojstva nema ni jedna od komponenti kompozitnoga materijala, nego
su ta svojstva negdje izmeu svojstava komponenti, obino u skladu sa
zakonom mijeanja. No, neka svojstva, posebice vrstoa, mogu se
znatno poboljati u odnosu prema vrijednostima koje imaju pojedine
komponente kompozitnoga materijala. Tako se kombinacijom volumnog
udjela i poloaja komponenti u kompozitu mogu stvarati materijali
eljenih, poboljanih svojstava. Moderni kompozitni materijali su i
razvijeni sa zadaom da zadovolje to vie zahtjeva koji se
postavljaju u tehnici, brodogradnji, zrakoplovnoj industriji,
graditeljstvu, medicini itd. No, valja istaknuti kako je upravo
priroda ta koja je izgradila prve kompozite- i to bioloke, kao na
primjer miie, kosti, dentin, itd. Tako je kost prirodni kompozitni
materijal u kojemu kolagena vlakna obavljaju zadau vlaknastih
ojaanja i s hidroksiapatitom ine vrlo sloeni kompozit komplicirane
strukturalne grae .Svojstva vlaknima ojaanih kompozita ne mijenjaju
se samo u ovisnosti o svojstvima graevnih komponenti, nego i
njihova geometrijskog poloaja u kompozitu. No, glavna zadaa vlakana
u kompozitima jest poveati krutost i vrstou. Osnovni materijal
matriks titi vlakna i odrava ih u odreenom poloaju koji daje
najbolja svojstva kompozitnom materijalu. Pri tome spojno podruje
izmeu tih dvaju materijala ima vanu zadau u prijenosu optereenja s
matriksa na vlaknasta ojaanja .Ako su vlaknasta ojaanja slabo
povezana s matriksom, tada se na njih moe prenijeti samo mali dio
optereenja. Nepravilna impregnacija vlakana polimernom osnovom
uzrokuje smanjenje vrstoe novostvorenoga kompozita, a manjak
adsorbiranog monomera na povrini vlakna prije polimerizacije
uzrokuje nastanak upljina unutar kompozita .Ta slaba mjesta spojnog
podruja prema svojoj smanjenoj vrstoi odgovaraju podrujima na
kojima se pojavljuju upljine u polimernoj osnovi (matriksu), tj.
nepravilnosti u grai samog materijala. Granina povrina izmeu vlakna
i osnove nastaje kao rezultat vezivanja vlakna i osnove (matriksa),
a od njih se razlikuje morfologijom i kemizmom te predstavlja
kritino podruje kod vlaknima kompozita. Na graninoj povrini, tj.
izmeu vlakna i polimerne osnove, postoje barem tri vrste veza:
kemijske, mehanike i elektrine. No, neovisno o prirodi i vrsti veza
na graninoj povrini, prijenos optereenja preko nje iskljuivo je
mehaniki. Tako granina povrina ima zadatak prenositi optereenja s
polimerne osnove na vlakna za ojaanje .Moe se rei da je granina
povrina podruje u kojemu se svojstva vlakna mijenjaju do
svojstava
polimerne osnove, i obrnuto. Zna se da reakcije koje nastaju
izmeu polimerne osnove i povrine vlakna nisu odreene vezom u samo
jednoj plohi, nego se to podruje meusobnog djelovanja iri u obliku
prijelaznoga podruja - jednog meusloja ija debljina moe varirati od
5 do 100 nm. Pretpostavlja se da je taj meusloj trodimenzijsko
podruje koje okruuje cijelo vlakno i ija su svojstva drugaija od
svojstava osnove, ali postupno konvergiraju prema njima porastom
udaljenosti od vlakna. Struktura i priroda toga prijelaznog podruja
ili meusloja znatno utjee na karakteristike i svojstva vlaknima
ojaanih kompozita, a osobito na mehaniku vrstou, otpornost na zamor
te na kemijsku i toplinsku postojanost(4)
sl. 1 shematski prikaz kompozitnog materijala(4)
Sl. 2 izgled kompozitnog materijala na bazi ugljinih
vlakana(5)
Kompoziti na bazi ugljinih vlakana u brodogradnji Iz godine u
godinu brzine plovila na jedra postaju sve vee, neprestano se
obaraju brzinski rekordi, a jedrilice za koje smo do nedavno
mislili da ne mogu ii bre iznenauju nas svojim novim performansama.
Razvojem novih materijala i tehnologija jedrenje konstantno
napreduje. U biti cijela stvar se vrti oko dva presudna faktora,
teine i izdrljivosti. Novi, nazovimo ih egzotini materijali,
zamijenjuju dosadanje u svim kljunim dijelovima jedrilica. Tako, uz
jednaku teinu, novi materijali imaju drastino bolja mehanika
svojistva ili uz puno manju teinu gotovo identina svojstva.
Pronalaenje granica novih materijala provodi se u laboratorijima,
no najvaniji testovi se ipak primjenjuju na licu mjesta, na moru, u
vrlo kompleksnim uvjetima gdje ipak glavnu rije ima onaj ljudski
faktor.
Sl.3 itavi brod napravljen od komp. mat. na bazi ugljinih
vlakana(2)
Jedan od najpoznatijih egzotinih materijala zasigurno su
karbonska/epoxy, odnosno ugljina vlakna (carbon fiber). Pogreno bi
bilo napisati samo carbon (ugljik) umjesto carbon fiber (ugljina,
karbonska vlakna) iako je on njihova glavna komponenta. Carbon
fiber su u prijevodu i praksi ugljina odnosno, kako je svima drae
rei, karbonska vlakna. Formiraju se pod velikom temp i kao takva
sadre izmeu 93% i 95% karbona. Postoje tri vrste: ona standardne
(250 Gpa), srednje (300 Gpa), i visoke elastinosti (> 300 Gpa).
Otpor na istezanje, odnosno vlana vrstoa se protee od 2000 do 7000
Mpa. Takoer imaju i veliku toplinsku otpornost. (5)
sl.4 itavi brod napravljen od komp. mat. na bazi ugljinih
vlakana(2)
Karbon zagrijavan : - pri temp 1500-2000 C bit e otporniji na
istezanje (5,650 N/mm ili 5,650 Mpa). Tada se dobije High Tensile
Strength Carbon Fiber T-700. - pri temp 2500 to 3000 C imat e veu
elastinost (531 kN/mm ili 531 Gpa). Ime ovoga je High Modulus
Carbon Fiber, 10% je jai te 20% vri od onog T700. - trei je High
Strength Unidirectional Carbon Fiber ET Epoxy i ini kompromis izmeu
prethodna dva. Osim toplinom eljena smjesa moe se postii vakuumom i
velikim pritiskom. Gustoa karbonskih vlakana je oko 1750 kg/m3.
Najee se koriste kako bi ojaali kompozitne materijale pa tako npr.
postoji i ''carbon fiber reinforced plastic''. Svugdje se trai
lakoa, vrstoa, brzina...podruje taman za karbonska vlakna. Njihov
utjecaj uvelike se osjeti.(5)
Najvanija svojstva karbonskih vlakana : - velika vrstoa (ovisno
o klasi) - mala teina - velika elastinost (ovisno o klasi) - visoka
termika otpornost - smanjuju vibracije - dimenzionalna stabilnost -
elektromagnetski tit - dostupniji, jeftiniji, prilagodljiviji no
ikad prije...
Imaju oni i negativne strane : - abrazivna neotpornost -
propusnost X zraka - kompliciran rad s njima - male temp.
izdrljivosti smola s kojima se radi - komplicirano za legiranje sa
nekim materijalima (5)
Sl.5 tri naj komercijalnije mogunosti pripreme ugljinih
vlakana(1)
Postoi mnotvo razlicitih mogucnosti za pripremu kompozitnih
materijala na bazi ugljinih vlakana Prikazujemo tri komercijalno
dostupna primjera :
a) ugljicna vlakna promjera 8 - 10 m trodimenzionalno ispletena
u ravne trake koje se ponovno pletu u dvodimenzionalnu matricu
(slika 1a), b) ugljicna vlakna promjera 8 - 10 m prethodno
skupljena u svenjeve, a potom ispletena u dvodimenzionalnu matricu
(slika 1b), c) kratka ugljicna vlakna promjera 10 m pripremljena
slucajnim rasporedom u smolnoj matrici (slika 1c).(1) Razlicit
nacin pripreme vlakana, koji ukljucuje i variranje koliine vezivnog
sredstva neophodnog za izradu materijala, ima kao posljedicu
razlicita mehanicko-dinamicka svojstva, ali utjece i na cijenu
kotanja, ponovljivost izrade i ostala svojstva materijala.(1)
Karbonska vlakna se proizvode oksidacijom, dodatnom
karbonizacijom i grafitizacijom materijala koji je bogat ugljikom
te je ve u obliku vlakna. Ova vlakna su vrlo velike vrstoe, otporna
na nagrizanje (koroziju), puzanje (trajne deformacije pod
konstantnim optereenjem) i umor materijala. Istezanje im je vrlo
malo, imaju vrlo malu teinu i to ih ini vrlo prikladnim za izradu
materijala za jedra. Imaju manju udarnu vrstou od Aramida no
specifina tvrdoa im je najvea od svih komercijalno dostupnih
materijala. Prije im je cijena bila izrazito visoka pa su jedra od
takvih materijala naruivali samo funancijski najjai timovi. Danas
su ova vlakna puno pristupanija Hrvatska brodogradnja Trendovi
suvremene svjetske brodogradnje reflektiraju se i utjeu i na nau
hrvatsku brodogradnju, pogotovo malu. Kako bi konkurirali na tom
tritu neobhodno je pratiti zahtjeve za uvoenjem novih materijala.
Karbon, kevlar, epoxidne, vinilesterske i izoftalne smole polako
istiskuju materijale starih tehnologija. Prilagoditi te materijale
brodogradnji mogue je samo uporabom suvremenih naina proizvodnje te
specifinom obradom i proizvodnim procesom. Kod nas najpoznatiji
strunjak koi se bavi proizvodnjom brodova ovom tehnologiom je Vjeko
Orlandini.
sl.6 jedro izraeno od karbonskog vlakna (1)
U svom proizvodnom procesu uspio je objediniti najkvalitetnije
materijale koji svi imaju CE certifikate i tehnoloke procese
koristei vakuumsku i pneumatsku tehniku. Pomno odabrane komponente
opreme, projektirali i vlastitim snagama izradili jedinstvene
strojeve, koje su danas prepoznatljive na tritu. Koristei specifina
znanja, dosadanje iskustvo, nae strojeve, vrhunske sirovine i
repromaterijale razvili smo jedinstvenu tehnologiju te proizvodimo
kompozitne i sendvi laminate vrhunske kvalitete uz potivanje
tradicionalog dizajna.
Sl.6 usporedba al-jedra i jedra od kompozitnog materijala(6)
Recikliraje Jedna od najboljih karakteristika kompozitnih
materikala na bazi ugljinih vlakana je racikliranje jer takvi
materijali imaju gotovo beskonaan vijek trajanja.neka kompanije su
uspijele iskoristiti otpatke od ovod materijala i upotrijebiti ga u
elaktronikoj industriji , kao to je proizvodnja kuita za laptop,
jer je tu potrebna mala teina , kako bi olakali prijenos i
poboljali trajnost , ali to je samo jedan primjer, ovaj materijal
se moe iskoristiti jo u puno svrha.(3)
Literatura: 1.-www.hrcak.srce.hr
/index.php?show=clanak_download&id_clanak_jezik=11030
2.-www.nautica.st/testovi/jedrilice/RUSSELL-COUTTS-44
3.-google-Wikipedia-carbon fiber reinforced plastic
4.-www.ascro.net (vlaknima ojaani polimeri) 5.-www.najtuning.com
/materijali/carbon-fiber 6.-www.fibraspars.com
