Materiale Compozite

1ELEMENTE INTRODUCTIVE

Crearea de noi materiale care să acopere o paletă mai largă de exigenţe, impuse de dezvoltarea în noi parametri a domeniilor de utilizare, este o necesitate de permanentă şi stringentă actualitate.

Conceptul de material compozit este vechi şi nou în acelaşi timp. Este vechi pentru că materialele compozite au fost utilizate încă din antichitate, cunoscându-se faptul că prin combinarea mai multor materiale se obţin materiale cu proprietăţi superioare. Este nou pentru că dorinţa explorării spaţiului a readus problema în actualitate, pe altă spirală a dezvoltării şi cu implicaţii în mult mai multe domenii (Isopescu 1995)

Cercetările efectuate au evidenţiat şi mai mult că viitorul este al materialelor compozite, pentru că ele îmbină în mod raţional proprietăţile favorabile ale componentelor şi oferă proiectantului posibilitatea de a dirija acest proces în funcţie de necesităţi.

Conceptul de material compozit permite ca noul să poată fi strict dirijat spre rezultate dinainte aşteptate, cât şi crearea unor materiale cu anumite proprietăţi impuse, astfel ca parametrii tehnici ai unui element să fie satisfăcuţi prin calităţile unui material special creat pentru aceasta (Ţăranu ş.a.1992).

Această modalitate nouă de a privi creaţia în tehnică prin prisma unui material propriu oferă un teren fertil cercetării materialelor compozite, materiale caracterizate prin maleabilitate conceptuală şi interdisciplinaritate .

Modalitatea este nouă doar în tehnică, natura generând astfel de materiale pe scara evoluţiei organice, spre exemplu :

� lemnul = fibre de celuloză +liant de lignină;� oasele = cristale de apatită + liant de colagen.

Compozitele artificiale oferă :� posibilitatea materialelor tradiţionale (lemn, metal, piatră) de a depăşi anumite limite ale

proprietăţilor;�dezvoltarea unor noi metode de calcul analitic;�noi posibilităţi de inovaţii în domeniul structural şi arhitectural;�posibilitatea creării unui material unic la care componentele se completează reciproc, deficienţele unora fiind suplinite de calităţile altora, rezultând calităţi superioare fiecăruia luat separat.

1.1 Definiţii

Materialul compozit

este sistem multifazic obţinut pe cale artificială, prin asocierea a cel puţin două materiale, chimic distincte, cu interfaţa de separare clară între cele două componente, în scopul obţinerii unor performanţe superioare în raport cu cele ale componentelor de plecare (Agarwal şi Broutman1990).

saueste un material format din mai multe componente, a căror organizare şi elaborare, permit folosirea celor mai bune caracteristici ale componentelor, astfel încât acestea să aibă

Mecanica mediilor compozite armate cu fibre

proprietăţi finale în general superioare componentelor din care sunt alcătuite (Lee 1989).

Concepţia de bază a materialelor compozite este folosirea asociată a unor materiale cu proprietăţi cunoscute pentru obţinerea unui material nou cu proprietăţi superioare şi posibilitatea de dirijare a acestor proprietăţi.

1.2 Fazele constituente ale materialului compozit

Materialul compozit, este alcătuit (fig.1.1) din:�faza discontinuă, cunoscută sub denumirea de armătură sau ranforsant (fibre,foiţe, solzi,

particule);�faza continuă, cunoscută sub denumirea de matrice sau masă de bază;�adaosurile tehnologice.

Figura 1.1 Fazele componente ale compozitelor

Proprietăţile compozitelor sunt puternic influenţate de (fig.1.2):�caracteristicile componentelor; �distribuţia acestora; �interacţiunea dintre ele.

12

proprietăţile fibrei

structura fibrelor

proprietăţile matricei

Proprietăţile compozitului

interacţiunea fibră-matrice

adeziunea chimică şi fizică

compatibilitateafizică, chimică

Elemente introductive

Figura. 1.2 Parametrii care influenţează proprietăţile compozitului1.2.1 Matricea

Matricea este masa de bază, identificată cu un “continuu” al compozitului. Funcţie de natura materialului folosit, matricea poate fi (fig.1.3.):

Figura. 1.3 Natura matricei

Funcţiunile matricei

Matricea îndeplineşte în compozit următoarele funcţiuni (Ţăranu ş.a.1992):�stabileşte forma definitivă a produsului realizat din materialul compozit;�înveleşte fibrele astfel încât să le protejeze atât în fazele de formare ale produsului cât şi pe

durata de serviciu;�păstrează armăturile la distanţe corespunzătoare transmiterii eforturilor între faze prin adeziune,

frecare sau alte mecanisme de conlucrare;�împiedică flambajul fibrelor, deoarece fără mediul de susţinere armătura nu este capabilă să preia

eforturi de compresiune;�matricea constituie mediul de transmitere a eforturilor prin compozit astfel că, la ruperea unei

fibre, reîncărcarea celorlalte fibre se poate realiza prin contactul de la interfaţă;�asigură contribuţia principală la stabilirea rezistenţei şi rigidităţii în direcţia normală pe fibre;�permite redistribuirea concentrărilor de tensiuni şi deformaţii evitând propagarea rapidă a

fisurilor prin compozit;�stabileşte continuitatea transversală dintre lamelele ansamblului stratificat;�asigură compatibilitatea termică şi chimică în raport cu armătura.

1.2.2 Armătura

Armatura este faza discontinuă constituită din elemente insolubile în masa matricei şi dispuse mai mult sau mai puţin uniform în matrice. Armarea masei de bază se prezintă sub mai multe forme (fig.1.4.):

MATRICE

ceramică metalică polimerică minerală

13


Figura 1.4 Tipuri de armare (Bejan 2000)

Distribuţia efortului în masa compozitului necesită existenţa posibilităţilor de transfer a tensiunilor dintre componenţi prin interfaţa fibră-matrice.

Alegerea cuplului fibră-matrice ţine seama de posibilitatea apariţiei unor compuşi între cele după materiale.

O cerinţă esenţială ce apare la utilizarea fibrelor este ca matricea să adere cât mai bine la suprafaţa materialului de armare fără să apară procese importante de coroziune.

Efectul distructiv al unor reacţii chimice poate fi limitat şi prin adoptarea unor anumite tehnologii de producere a compozitului, ce evită desfăşurarea intensă a acestor reacţii.

Funcţiunile armăturii

Principalele aspecte care trebuie reţinute în legătură cu folosirea fibrelor şi rolul lor în armarea compozitelor (Ţăranu 1978) sunt:

�armătura (datorită naturii unidimensionale a fibrelor) contribuie la creşterea rigidităţii şi rezistenţei compozitului în principal după direcţia fibrelor, deşi nu sunt excluse unele contribuţii "laterale";

�creşterea rigidităţii şi a rezistenţei compozitului este proporţională cu fracţiunea volumetrică de fibră dispusă paralel cu direcţia efortului aplicat, atâta vreme cât matricea polimerică

14

fibre

particulepulberi lamele

solzi

discontinue

unidirecţionale

aleatorii

continue

unidirecţionale bidirecţionale

tridirecţionale

ARMĂTURA


asigură învelirea corectă a fibrelor şi transferul eforturilor între componente;�în cazul unor anumite fracţiuni volumetrice de fibră şi dispuneri geometrice ale armăturii,

rezistenţa şi rigiditatea la tracţiune a compozitului cresc prin sporirea rigidităţii relative a armăturii faţă de matrice;

�fibrelor li se cere să aibă variaţii reduse ale rezistenţelor individuale, caracteristici geometrice uniforme şi stabilitatea proprietăţilor în timpul operaţiunilor de manipulare şi punere în operă.

Dintre cele mai utilizate fibre folosite la armarea matricelor, amintim (fig.1.5):

Figura 1.5. Tipuri de fibre 1.2.3. Interfaţa fibră-matrice

Analiza unui material compozit nu se poate face fără cunoaşterea fenomenelor care au loc la interfaţa fibră-matrice. Interfaţa fibră-matrice este o regiune de tranziţie cu o evoluţie gradată a proprietăţilor.

Transferul eforturilor la interfaţă este posibil numai dacă între componenţi se realizează un contact molecular intim prin distanţe comparabile cu cele din materialul obişnuit.

Regiunea de contact fibră-matrice poate fi tratată ca o a treia fază a compozitului; cedarea la interfaţă este adesea critică pentru proprietăţile compozitului, iar conlucrarea este asigurată mai ales în măsura în care se realizează pe cale chimică (Agarwal şi Broutman 1990).

1.3. Caracteristici ale materialelor compozite

fibre de

sticlă

fibre

metalice

fibre de

sisal fibre

poliamidice

ce

fibre de

azbest

fibre

Kevlar

fibre de

bor

fibre de

carbon

Fibre

15


Proprietăţile compozitului sunt puternic influenţate de proprietăţile materialelor constituente, de distribuţia lor, şi de interacţiunea dintre ele. Astfel, în descrierea materialului compozit ca sistem, în afară de specificarea materialelor constituente şi ale proprietăţilor lor, este necesar să se specifice geometria armăturii în ansamblul sistemului, aceasta din urmă putând fi descrisă de formă, mărime (proporţii), distribuţie (ca mărime şi concentraţie) (Agarwal şi Broutman 1990). Sistemele care conţin armături cu geometria identică pot fi diferenţiate prin concentraţie, distribuţia concentraţiilor şi orientarea armăturilor.

Forma unităţii discrete a fazei discontinue poate fi aproximată prin sfere sau cilindri, iar în general pentru armături naturale sau obţinute pe cale industrială, forma poate fi asemănată cu a unor secţiuni prismatice.

Mărimea şi distribuţia armăturii controlează textura materialului. Împreună cu fracţiunea volumică se poate determina aria zonei de interfaţă, care joacă un rol important în determinarea interacţiunii dintre armătură şi matrice.

Concentraţia unui component se apreciază, în general, în fracţiune volumică sau masică. Contribuţia unui singur constituent la toate proprietăţile compozitului se determină prin acest parametru. De asemenea concentraţia este o variabilă uşor de controlat şi utilizat în timpul execuţiei pentru a modifica proprietăţile compozitului.

Omogenitatea este o caracteristică importantă care determină măsura în care un volum reprezentativ de material poate diferi prin proprietăţile mecanice şi fizice faţă de proprietăţile medii ale materialului. Neuniformitatea sistemului ar trebui evitată pentru că aceasta reduce proprietăţile care sunt guvernate de legăturile cele mai slabe din material.

Orientarea armăturii afectează izotropia sistemului. Acolo unde armătura se prezintă sub forma de particule, care au dimensiunile aproximativ egale, compozitul se comportă ca un material izotrop, ale cărui proprietăţi sunt independente de direcţie. Dacă dimensiunile particulelor reprezentative sunt inegale, compozitul se comportă ca un material cvasiizotrop dacă particulele sunt orientate aleator, ca şi în cazul armării cu fibre scurte.

In cazul compozitelor armate cu fibre lungi, continue, cum ar fi compozitele unidirecţionale, anizotropia devine o caracteristică principală. Mai mult decât atât, un avantaj important al acestor compozite este abilitatea în controlul anizotropiei prin proiectare şi fabricaţie.

Distribuţia concentraţiei particulelor se referă la relaţia spaţială dintre ele şi este o măsură a omogenităţii sau a uniformităţii sistemului. Particulele trebuie să fie uniform dispersate în compozit astfel încât să formeze o reţea cu trasee continue ce conectează toate particulele. Situaţia este posibilă în cazul unei concentraţii mult scăzute, iar aceste reţele au o influenţă semnificativă asupra proprietăţilor electrice ale compozitelor.

16


1.4 Proprietăţi fizice ale materialelor compozite

1.4.1 Generalităţi

Ţinând seama de ponderea compozitelor cu matrice polimerică, în continuare se vor analiza în special proprietăţile acestor sisteme multifazice.

Gama principalelor proprietăţi ale materialelor sau combinarea acestora este determinantă în stabilirea domeniului de utilizare. Deşi proprietăţile mecanice au stat în centrul atenţiei cercetătorilor privind posibilităţile de aplicare ale materialelor compozite polimerice, alte proprietăţi care pot fi incluse în domeniul larg al proprietăţilor fizice si chimice sunt de mare interes.

Dintre proprietaţile fizice, cele mai importante sunt cele termice, electrice, optice, magnetice si acustice. În ce privesc teoriile ce guvernează proprietăţile fizice, se cunosc mult mai puţine date decât pentru proprietăţile mecanice.

Dintre proprietăţile chimice interesează, în mod special, rezistenţa la atacul agentilor chimici ce includ apa şi O2, cât si modificările chimice care pot surveni în condiţiile aplicării unor eforturi mecanice sau a unor câmpuri electrice.

O descriere exhaustivă a proprietăţilor fizice a compozitelor polimerice este realizată în (Hubcă ş.a. 1999).

1.4.2 Proprietăţi termice

1.4.2.1 Dilatarea termică

Polimerii şi compozitele lor suferă adesea schimbări mari de volum în funcţie de temperatura din cursul procesului de fabricaţie. De asemenea, materialele polimerice sunt folosite în aplicaţii, într-o gamă largă de temperaturi.

De asemenea, la răcirea unui compozit la care exista o adezivitate bună sau mai putin bună între faze, pot avea loc modificari semnificative care au un efect considerabil asupra proprietăţilor mecanice. Uneori, aceste modificari se manifesta sub forma, unor ruperi la interfaţă sau în aproprierea acesteia, pregătind astfel compozitul pentru o rupere prematură.

Intre coeficientul de dilatare liniara, , si cel de dilatare în volum , există urmatoarele

relaţii pentru un material izotrop (1.1) şi pentru sisteme tridimensionale (1.2)

(1.1)

(1.2)

17


unde reprezintă coeficienţii de dilatare termică pe cele trei direcţii principale 1, 2, 3.

Dilatarea termică a materialelor compozite este influenţată de mai mulţi factori: natura compozitelor, posibilitatea existenţei microfisurilor, natura legăturii la interfaţa, forma şi orientarea agentului de umplutură, tranziţiile termice care pot apare în polimer, (Hubcă ş.a. 2000).

1.4.2.2 Conductivitatea termică

Această proprietate este în strânsă legătură cu utilizarea polimerilor ca izolatori. Unele materiale polimerice folosite ca matrice au conductivităţi termice scăzute, dar prin ranforsarea lor cu filamente metalice sau de carbon se înregistrează o creştere importantă a acestei caracteristici.

În cazul armării cu fibre orientate, conductivitatea termică pe direcţia fibrelor poate fi foarte diferită faţă de conductivitatea pe direcţia transversală. În cazul fibrelor continue conductivitatea este mai mare decât la cele discontinue.

1.4.3 Proprietăţi electrice

1.4.3.1 Conductivitatea electrică

Majoritatea sistemelor compozite pe bază de polimeri au un nivel scăzut al conductivităţii electrice.

Mecanismul exact al acestui fenomen nu este bine cunoscut. Astfel o impuritate bună conducătoare poate produce o creştere a conductivitatii electrice a materialului compozit de câteva ori.

Este cunoscut faptul că prin adăugarea unui agent de umplututră conductivitatea creşte. Spre exemplu, pentru compozitele pe bază de polipropilenă la adăugarea pulberii de nichel are loc o creştere considerabilă a conductivităţii electrice.

1.4.3.2 Permitivitatea electrică

În ce priveşte permitivitatea electrică, s-a stabilit că ea este influenţată de temperatură şi de frecvenţă. Unul din efectele adăugării unui material de ranforsare este acela de a produce polarizare la interfaţă.

În general, materialele de ranforsare minerale şi metalice tind să crească permitivitatea globală, în timp ce materialele organice o scad.

1.4.4. Proprietăţi optice

18


Utilizarea materialelor de ranforsare infuenţează proprietăţile optice ale polimerilor. În cazul polimerilor de tip polimetilmetacrilat, polistiren, policarbonaţi şi polivinilbutiral, (care permit transmiterea a până la 90% din lumina vizibilă) ranforsarea se face cu multă atenţie pentru că are ca efect o scădere a indicelui de transmisie. Difuzia luminii de către materialele compozite se caracterizează prin indicele de reflexie din ecuaţia Fresnel, (Hubcă ş.a. 2000):

(1.3)

unde

R = indice de reflexie;n,n’= indicii de reflexie ale celor două faze din materialul compozit.

1.4.5 Proprietăţi magnetice

Polimerii au proprietăţi fizice bine definite, dar nu au caracter magnetic intrinsec. Prin adăugarea unor materiale magnetice, cum ar fi ferita, se pot obţine proprietăţi magnetice ale materialelor compozite Polimeri ca nylon, polietilenă, răşini epoxidice, polipropilenă, împreună cu adausuri de materiale cu proprietăţi magnetice conduc la obţinerea de componenete magnetice, flexibile, uşoare, ce pot fi folosite în televiziune şi telecomunicaţii.

1.4.6 Proprietăţi acustice

Când o undă sonoră atinge o suprafaţă, o parte este reflectată şi o parte este absorbită. Partea care este transmisă depinde de modul de recepţionare a energiei sonore prin impact, direct sau prin intermediul aerului. Materialele plastice dure prezintă o reflexie avansată a sunetului conducând la persistenţa undelor sonore.

Un avantaj recent descoperit la materialele compozite, faţă de cele convenţionale, este cel al polimerilor armaţi din care se realizează conductele de apă, în care zgomotul curgerii este mult mai mic, pocniturile şi loviturile apei fiind mai silenţioase.

1.5 Avantajele materialelor compozite

Particularităţile de alcătuire, proiectare, fabricare şi utilizare ale materialelor compozite asigură acestor sisteme avantaje importante faţă de materilele tradiţionale, cum ar fi:

19


�comportarea globală a materialului compozit poate fi dirijată şi prognozată;

�oferă posibilitatea de a se proiecta simultan materialul şi structura piesei;

�numărul mare de variabile permite optimizarea din mai multe condiţii deodată prin procese de analiză foarte complexe (Mareş 2002);

�elementele realizate din materiale compozite au o siguranţă mai mare de funcţionare ;

�au caracteristici mecanice ridicate atât la acţiuni statice cât şi la acţiuni dinamice cu raportul dintre rezistenţă şi greutatea specifică superior majorităţii materialelor tradiţionale (Ţăranu ş.a.1992);

�unele materiale compozite se pot proiecta şi realiza astfel încât să poată funcţiona timp îndelungat în medii agresive (Mareş 2002);

�elementele realizate din materiale compozite au o capacitate ridicată de amortizare a vibraţiilor (Ţăranu ş.a.1992);

�fibrele au de obicei tenacitate mică, dar care este compensată de ductilitatea matricei şi de disiparea la interfaţă a energiei caracteristice solicitării (Mareş 2002);

�stabilitate chimică şi rezistenţa mare la temperaturi ridicate (ex.:fibrele de Kevlar rezistă până la 5000C, iar fibrele ceramice tip Al2O3,SiC între 1400-20000C) (Ţăranu ş.a.1992);

�densitate redusă în raport cu cea a metalelor (Ispas 1987);

�rezistenţă ridicată la fisurare şi uzură;

�coeficient de dilatare ce poate fi dirijat;

�materialele compozite au o rezistenţă deosebit de ridicată la acţiunea proceselor determinate de agenţii atmosferici (Ţăranu ş.a. 1992).

1.6 Clasificări

Datorită faptului că materialul compozit este realizat din două faze, apare naturală clasificarea acestora având la baza natura matricei, geometria unei unităţi reprezentative a armăturii, orientarea armăturii, numărul de straturi .

Analizând diverse clasificări se observă disponibilitatea combinatorie ale fibrelor, mai ales sticlă, carbon, silice, bor, ceramice, disponibilităţile combinatorii ale matricelor, şi câmpul larg ce poate fi

20


explorat pentru realizarea de noi materiale compozite, diferenţiate ca structură, natură, proprietăţi şi performanţe şi chiar domenii de folosire.

Criterii de clasificare a materialelor compozite:

a) După configuraţia şi orientarea armăturii (fig.1.6 ) (Bejan 2000)

b) După modul de distribuţie a ranforsantului (Bibu 2004):�compozite izotrope (compozite care conţin elemente disperse uniform repartizate de tip

particule, granule, fibre scurte);�compozite anizotrope (compozite la care proprietăţile sunt variabile funcţie de direcţie).

21

MATERIALECOMPOZITE

compozite armate cu fibre

compozite armate cu particule

particule cu orientare aleatorie

particule cu orientare

ordonatăcompozite monostratcompozite

monostrat

compozite multistratcompozite

multistrat

laminate

hibrid

compozite cu fibre continue

compozite cu fibre discontinue

armare unidirecţională


Figura 1.6. Clasificarea după configuraţia ranforsantului (Bejan 2000)

c) După numărul fazelor continue (Zgură 1999):�monomatriceale; când au o singură fază continuă ;�polimatriceale când au mai multe faze continue şi fiecare fază continuă conţine una sau mai multe faze disperse.

d) După numărul materialelor de armare (Zgură 1999):�compozite monotip, compozite care se caracterizează prin faptul că au armătura dintr-un singur material şi sub o singură formă;�compozite hibride care au armătura dintr-un singur material dar sub mai multe forme, fie două sau mai multe materiale sub una sau mai multe forme.

e) După natura matricei�compozite cu matrice ceramică;�compozite cu matrice polimerică;�compozite cu matrice metalică.

Compozite cu matrice ceramicăCeramica tehnică este frecvent utilizată ca matrice datorită proprietăţilor intrinseci deosebite,

cum ar fi: rezistenţă mecanică superioară la temperaturi ridicate ( acolo unde cele mai bune aliaje, chiar supuse la tratamente de ameliorare îşi pierd proprietăţile mecanice cu mult înaintea atingerii temperaturii de fluaj), valori mari ale rezistenţei la rupere sub sarcină la temperatura mediului ambiant, densitate de 2-3 ori mai mică decât a oţelurilor şi o duritate mare şi stabilă la creşterea temperaturii (Bibu 2004). Marele dezavantaj al acestora este fragilitatea ridicată. Datorită proprietăţilor superioare, ceramicele tehnice prezintă un interes deosebit pentru activităţi din foarte multe domenii. Astfel s-au dezvoltat mai multe tipuri, cum ar fi: ceramici funcţionale, ceramici structurale, ceramici industriale, ceramici înalt performante, electroceramice, bioceramice, ceramice abrazive (Goanţă 2003).

Compozite cu matrice polimericăMaterialele polimerice folosite frecvent ca matrice sunt materialele termoplastice şi materialele

22

armare bidirecţională

(ţesături)

orientare aleatorie

orientare ordonatăarmare

tridirecţională (ţesături)


termorigide. Materialele termorigide indică în mod generic, un tip de polimer la care legăturile între şiruri

blochează structura moleculară într-o reţea tridimensională rigidă. Aceste răşini sunt constituite din grupe nesaturate de natură diversă, funcţie de tipul de răşină ales., care în urma acţiunii unui agent de catalizare, reacţionează între ele realizând legături spaţiale încrucişate şi ajungând astfel la o stare solidă (Ştefănescu 1996).

Materialele termoplastice au stabilitate dimensională mai redusă, dar se prelucrează mai uşor, fapt ce permite utilizarea lor în aplicaţii de serie mare, cu avantajele ce rezultă în privinţa costului produsului final Dumitraş 1994).

Compozite cu matrice metalicăMetalele şi aliajele prezintă proprietăţi fizico-mecanice deosebite care le recomandă ca matrice:

rezistenţa la temperaturi înalte, proprietăţi mecanice bune, conductivitate termică şi conductivitate electrică ridicate, stabilitate dimensională, compactitate şi prelucrabilitate bună. Principalele aliaje folosite ca matrice sunt cele pe bază de Al, Cu, Mg, Fe, superaliajele.

Prin asociaţii corespunzătoare ale materialelor folosite ca matrice şi armătură, se pot realiza compozite care să prezinte simultan noi combinaţii de proprietăţi: rigiditate, rezistenţă mecanică, duritate, refractaritate, rezistenţă la coroziune, conductibilitate termică şi electrică (Bibu 2004).

1.7 Tendinţe de cercetare si dezvoltare

Pe plan mondial direcţiile de cercetare-dezvoltare, în domeniul materialelor compozite, rezultă din strategia economică a fiecărei ţări sau a comunităţi economice.

Direcţiile de cercetare-dezvoltare în domeniul materialelor compozite sunt diferenţiate pentru multitudinea de materiale noi performante. Dintre aceste direcţii amintim:

�obţinerea de noi tipuri de sisteme multifazice care să satisfacă cerinţe din ce în ce mai exigente ale diverselor domenii de aplicabilitate;

�elaborarea de studii teoretice şi experimentale privind transformările structurale şi defectele, în materialele supuse acţiunilor de deformare plastică sau radiaţiilor nucleare (compozite metalice);

�modelarea matematică a modificărilor proprietăţilor materialelor în funcţie de parametrii proceselor tehnologice;

�stabilirea bazelor teoretice privind fenomenele fizico-chimice care au loc la limita de separare a fazelor;

�dezvoltarea tehnicilor de control nedestructiv al acestor materiale;

23


�elaborarea de noi studii teoretice şi experimentale pentru stabilirea comportării materialelor armate cu structuri textile de diverse arhitecturi;

�generare de noi dispozitive specifice pentru prelucrare şi control;

�stabilirea principiilor fizice de prognozare a uzurii materiale anizotrope;

�analiza tridimensională a acumulării uzurii în materialele compozite metalice stratificate;

�noi materiale de inaltă complexitate care să aiba o componentă constitutivă la nivel nano;

�dezvoltarea de noi materiale de înaltă performanţă şi multifuncţionale utilizând nanotehnologiile şi nanoprocesele;

�dezvoltarea de noi procese şi procedee de producţie pentru o industrie ce combină ştiinţa materialelor definită la nivel nano, tehnologiile de producţie clasice cărora li se adaugă tehnologiile informatice, biotehnologiile etc;

�noi nano-materiale, bio-materiale şi materiale hibride, incluzând proiectarea şi controlul proprietăţilor acestora.

1.8 Domenii de utilizare

Domeniul construcţiei automobilelor

Industria constructoare de automobile reprezintă una dintre principalele utilizatoare de materiale compozite. Evoluţia consumului de materiale compozite în construcţia automobilelor este perfect justificată de calităţile lor şi de costul lor scăzut, care conduc la avantaje substanţiale atât pentru producător cât şi pentru consumator. Dintre aceste avantaje amintim: scăderea greutăţii automobilului, scăderea costului de producţie, rezistenţa la coroziune, protecţia faţă de şocurile exterioare (materialele plastice armate permit realizarea paraşocurilor care prin mecanismul propriu de deformare, absorb o parte din energia de impact. ), posibililatea utilizării unei game largi de tehnologii, supleţe în utilizare, libertate de concepţie şi mobilitate, confort ridicat, siguranţă în exploatare, calităţi aerodinamice ale reperelor exterioare, obţinerea cu uşurinţă a unor suprafeţe complexe.

Dintre cele mai cunoscute componente realizate din materiale compozite amintim: caroserii, aripi, capote, portiere, protecţii laterale, paraşocuri (materiale plastice armate cu fibre dc sticlă), arbori de transmisie, şasiuri şi suspensii (răşina epoxi +fibre de sticlă+fibre de carbon; kevlar/ carbon/ răşină epoxi), bloc motor şi garnituri de chiulasă, tablouri de bord, amenajarea interiorului automobilului.

Domeniul construcţiilor navale.24


Domeniul construcţiilor navale utilizează în fabricaţie materiale compozite din poliester armat cu fibre de sticlă.

Pentru construcţiile mai performante există aplicaţii speciale pentru sistemele epoxi/fibre de sticlă şi poliester/fibre de Kevlar.

Dintre cele mai cunoscute utilizări amintim: şalupe, bărci, iahturi, culegătoare de mine, nave de pescuit, submarine mici pentru cercetare, vapoare comerciale şi militare.

Domeniul aerospaţial

In acest domeniu s-au folosit pentru prima dată materialele compozite prezentând şi rata de utilizare cea mai ridicată. Compozitele, prin calităţile lor, conduc la simplificarea structurilor aerospaţiale.

Construcţia aerospaţială utilizează materiale, cum ar fi: fibrele de carbon, bor, aramidă, wiskers-urile, materiale compozite metalice, polimerice şi ceramice.

Compozitele din aliaje cu baza Ni, Co, ranforsate cu fibre din carburi şi oxizi metalici sunt utilizate pentru componentele vitale care funcţionează în regim termic ridicat ale turboreactoarelor şi rachetelor. Compozitele din carbon ranforsat cu grafit şi matrice din răşini epoxidice ( Kevlar, hyfil) ale căror structuri moleculare neregulate absorb undele radar sau le deviază se folosesc pentru scăderea vulnerabilităţii avioanelor militare.

Cele mai cunoscute aplicaţii ale componentelor realizate din materiale compozite, amintim: structuri de aeronave şi nave spaţiale, componente vitale ale motoarelor pentru rachete şi turboreactoare, măşti de motor şi uşi, planoare şi machete de aeronave, tubulaturi de aer pentru bord la avioane.

Compozitele tip spumă denumite sintactice au o densitate foarte mică şi au aplicaţii importante în instalaţii, echipamente aerospaţiale şi în exploatarea mediului marin la forarea de adâncime mare.

Domeniul electronicii şi telecomunicaţiilor

Materialele compozite se folosesc la izolaţii de cabluri telefonice din polietilenă de joasă şi înaltă presiune, respectiv poliamide şi polisulfone. Totodată, pentru structurile de rezistenţă ale sateliţilor de comunicaţii se folosesc structuri confecţionate din polietilenă armată cu fibre de sticlă.

Deosebit de interesante şi cu o largă aplicabilitate sunt fibrele optice. Fibrele optice reprezintă elementele principale ale tehnicii moderne de transmisia informaţiei şi sunt fire de sticlă de compoziţie specială, prin intermediul cărora se propagă undele luminoase modulate. Realizări

25


cunoscute: structurile de rezistenţă şi discurile antenelor la transmisiile prin sateliţi, antenele tubulare, construcţiile pentru protecţia instalaţiilor radar.

Domeniul medical.

Biomaterialele sunt substanţe sintetice, destinate implantării în organismul uman datorită adaptibilităţii biologice, cum ar fi: proteze, organelor artificiale...etc.

Printre exigenţele impuse biomaterialelor, în scopul implantări într-un mediu fiziologic, pot fi enumerate: proprietăţi biochimice: puritate, inerţie biologică, stabilitate, rezistenţă 1a acţiunea fluidelor din corp, proprietăţi fizice: rezistenţă, elasticitate, permeabilitate, proprietăţi mecanice: calităţi tribologice, durabilitate, soliditate, fiabiltate.

Cele mai cunoscute realizări în domeniu amintim: proteze chirurgicale, organe artificiale (pielea artificială, transplantul de plămâni, vase sanguine, implanturi dentare), aparatură medicală electronică, elemente ajutătoare, atele, tuburi de drenaj, cărucioare.

Domeniul chimic

Domeniul chimic este unul din marii consumatori de materiale compozite care prezintă rezistenţă deosebită la acţiunea produselor chimice, durată mare de viaţă în exploatare, excelentă stabilitate dimensională la cald. Frecvent se întâlnesc materialele compozite la: unităţi de electroliză a clorurilor alcaline, reactoare chimice, rezervoare şi ventilatoare, pompe, rezervoarele de apă caldă, vane, piese rezistente la coroziune, membrane, benzi şi piese de uzură, cisterne şi containere pentu produse alimentare.

Domeniul sport – agrement.

Materialele compozite, cele mai utilizate în acest domeniu sunt răşinile epoxidice armate cu fibre. Exemple: schiuri, rachete de tenis şi badminton, undiţe, bastoane de golf, biciclete şi motociclete, alte articole de sport – agrement (arcuri şi săgeţi, echipamente de gimnastică sau atletism, căşti de siguranţă pentru competiţii sportive, etc.)

In cadrul acestui domeniu materialele trebuie să îndeplinească nişte cerinţe, cum ar fi: �rigiditate adecvată (pentru a putea transmite maximul de energie cinetică şi de viteză);�flexibilitate şi elasticitate (undiţele de pescuit, bastoanele de golf);�greutate scăzută (pentru a uşura efortul muscular );�capacitate de amortizare a vibraţiilor (în cazul practicării jocurilor de tenis sau golf se impune amortizarea rapidă a vibraţiilor);

26


�rezistenţă la îndoiri puternice (undiţele de pescuit sau prăjinile utilizate pentru practicarea săriturii cu prăjina);�rezistenţa la şocuri şi la oboseală (de exemplu bastoanele pentru practicarea golfului suportă un şoc considerabil în momentul impactului cu mingea).

Domeniul construcţiilor

În acest domeniu materialele compozite s-au utilizat cu mult timp înainte de a se pune problema definirii lor. Dintre aplicaţiile întâlnite în domeniul construcţiilor amintim:

�construcţii civile şi industriale: plăci plane, ondulate, cutate pentru pereţi şi acoperişuri la hale industriale, sere, garaje şi copertine, acoperişuri tip cupolă cu simplă sau dublă curbură, luminatoare, jgheaburi, elemente de faţadă, profile pultrudate pentru pane, grinzi secundare şi principale, profile chesonate folosite la stâlpi pentru construcţiile în medii cu agresivitate ridicată, adăposturi pentru refugii pe munte, tâmplărie pentru uşi şi ferestre, construcţii pentru agrement;

�construcţii speciale: acoperişuri la rezervoare şi castele de apă, turnuri de răcire, coşuri de tiraj, cuve şi rezervoare pentru lichide cu agresivitate ridicată;

�instalaţii sanitare: căzi de baie, cuve pentru duşuri, cabinete spaţiale de baie, conducte şi racorduri pentru instalaţii;

�construcţii pentru transporturi: poduri pentru trafic pedestru şi autovehicule uşoare, poduri mobile pentru acţiuni militare;

�îmbunătăţiri funciare: ţevi şi conducte pentru canale de irigaţii, vane, piese, accesorii pentru sistemele de irigaţii.

Domeniul transporturilor

În domeniul transporturilor rutiere materialele compozite au ca destinaţie principală înlocuirea pieselor metalice supuse unor acţiuni corozive. Exemple de asemenea utilizări: caroserii, panouri de comandă, panouri de pereţi la vagoane şi remorci, uşi pentru vagoane de metrou şi cale ferată, cisterne pentru camioane şi vagoane, containere, cabine de tractor sau autocamion.

Bibliografie

27


1.1 Agarwal B.D., Broutman L.J., (1990), Analysis and performance of fiber composites, John Wiley & sons, Inc.,New York,1.. Bejan L., (2000), Introducere in micromecanica materialelor composite armate cu tesaturi, Ed. Gh.Asachi, Iasi, ISBN 973-8050-34-0,1.3 Bibu M., Nemeş T., (2004), Studiul materialelor. Materiale utilizate în construcţii de maşini, Ed. Universităţii Lucian Blaga Sibiu, ISBN 973-651-825-6,1.4 Drăgulescu D., Popescu M., (2001), Materiale compozite metalice. Prezent cu perspective, Ed.Orizonturi Universitare, Timişoara, ISBN 973-9400-48-5,1.5 Dumitraş D., Opran C., (1994) Prelucrarea materialelor composite, ceramice şi minerale, Ed Tehnică, Bucurşti, ISBN 973-31-0602-X,1.6 Goanţă V., (2003) Materiale ceramice tehnice Studiul proprietăţilor mecanice, Ed. Performantica, Iaşi, ISBN 973-7994-15-9, 1.7 Hubcă Gh., Iovu H., Tomescu M., Roşca Iosif D., Novac O., Ivănuş Gh. , (2000), Materiale compozite, Ed. Tehnică, Bucureşti, ISBN 973-31-1126-0,1.8 Isopescu D., (1995), Elemente de construcţii stratificate din materiale compozite şi asociate, Teza de doctorat, UTIaşi1.9 Ispas St.C., (1987) Materiale compozite, Ed. Tehnică, Bucureşti,.1.10 Lee S. M. ed., (1989), Dictionary of Composite Materials Technology, Technomic, Lancaster,1.11 Ştefănescu T., Neagu G., Mihai A., (1996) Materialele viitorului se fabrică azi. Materiale compozite, Ed. Didactică şi Pedagogică, Bucureşti,.ISBN 973-30-4628-0,1.12 Ţăranu N., Secu A., Decher E., Isopesu D., (1992) Structuri din materiale compozite şi asociate, Rotaprint, Iasi,1.13 Ţăranu N.,(1978), Elemente portante din materiale plastice.Teza de doctorat, I.P.Iaşi,1.14 Zgură Gh., V.Moga, (1999), Bazele proiectării materialelor compozite, Ed. Bren, Bucureşti, 1999, ISBN 973-9493-01-7.

28

Documents

Materiale Compozite