materiale compozite

  • View
    922

  • Download
    7

Embed Size (px)

Text of materiale compozite

4/17/20101MATERIALE COMPOZITEOCaracterizareOProducereOUtilizareMATERIALE COMPOZITEI. Definiii i clasificri4/17/20102DefiniiiMaterial compozit (n sens restrns):Mai multe definiii posibilep ( ) Aranjament de fibre (lungi sau scurte) dintr-un material rezistent = ranforsant nglobatentr-un material cu rezisten mecanic mult mai redusrezisten mecanic mult mai redus = matriceSe rezum practic doar la compozite structuraleArmate cu fibre (Fiber Reinforced Composites)DefiniiiMaterialul compozit structural este format din componente distincte i separate la scar macroscopic: Ranforsant (element de armare) - rezistent i rigid, preia n mare parte sarcinile mecanice Matrice - continu, mai puin rigid i rezistent, asigur interaciunea cu mediul (rezisten la coroziune, culoaretexturconductivitate etc ) culoare, textur, conductivitate etc.) Uneori datorit interaciunii chimice dintre matrice i ranforsant poate aprea o faz intermediar numit interfa sau interfaz4/17/20103DefiniiiMaterial compozit (n sens mai larg)Un material care ndeplinete simultan 3 condiii: p 1. Este multifazic2. Fazele componente sunt distincte la nivel macroscopic3. Componentele aparin unor clase diferite de materiale(metalice, ceramice, polimerice)Este util pentru c include i compozitele cu particule sau sandwich dar comport excepiiDefiniiiExcepie de la regula 2: Unele compozite cu matrice metalic armate cu particule sau fibre de dimensiuni microscopice particule sau fibre de dimensiuni microscopice Nanocompozite: ranforsanii au dimensiuni nanometrice Excepii de la regula 3:cep de a egu a 3 Compozitele C-C (fibre C + matrice de C amorf)4/17/20104Unele dintre definiii sunt legate de existena unui efect micromecanic al combinaiei de fazeDefiniii Tranfer de sarcin la compozite cu fibre lungi Fixarea dizlocaiilor (dislocation pinning) la compozite armate cu particulel f i i ( f Alte efecte sinergice (performane superioare componentelor folosite independent)Transferul de sarcin Transmiterea sarcinii aplicate matricei ctre ranforsant ranforsant(care fiind mai rigid preia o mare parte din sarcin) Presupune existena unei legturi suficient de puternice fibr-matrice (adeziuneexistena unei interfee) (adeziune, existena unei interfee)4/17/20105Fixarea dizlocaiilorLa compozitele cu matrice metalic (MMC) Deformaia plastic este nsoit de deplasarea dizlocaiilor n reeaua cristalin a matricei metalice Dac deplasarea dizlocaiilor este mpiedicat, tensiunea mecanic necesar deformrii este mai mare Se produce creterea proprietilor mecanice (limita de curgere, rezistena mecanic)Fixarea dizlocaiilorComponente necesare: Matrice ductil (de obicei metalic)Particule dure de armare: Particule dure de armare:O faze intermetalice (durificarea structural a aliajelor prin mbtrnire) O particule ceramice, nanoparticule4/17/20106Fixarea dizlocaiilor Limita de curgere este dat de tensiunea mecanic necesar unei dizlocaii pentrumecanic necesar unei dizlocaii pentru ocolirea unei particule (Orowan)Fixarea dizlocaiilor / b G = G modulul transversal al materialului b vectorul Burgers (direcia i mrimea dizlocaiei dintr-o reea cristalin) distana ntre particule4/17/20107Fixarea dizlocaiilor Limita de curgere c crete cu ct distana dintre particule este mai mic particule este mai mic La aceai proporie volumic de particule distana dintre particule este mai mic dac particulele sunt mai fine Durificarea este mai accentuat cu ct particulele sunt mai fine (de ex. Nanoparticulele)Scopul dezvoltrii compozitelor: Combinaie favorabil a unor proprieti tipice (antagonice); p ( g );Exemplu: tenacitate (ductilitate)rezisten mecanic (duritate) mbuntirea unei performaneExemplu: Exemplu:Rezisten mecanic specific (Rm/) de valoare mare Comportamentul la temperaturi ridicate Realizarea unei anumite aplicaii4/17/20108Scopul dezvoltrii compozitelor:Un nou concept:l l PROIECTAREA materialului pentru o anumit aplicaie Alternativ la SELECIA materialului pentru aplicaii pentru aplicaiiPROIECTAREA MATERIALULUIMaterialul este configurat n funcie de aplicaie:Engl. Material designProprietile finale sunt influenate de RANFORSANT: prin natura, proporia, poziionare, configuraie MATRICE: tipul materialuluistarea structural MATRICE: tipul materialului, starea structuralPiesa i materialul sunt realizate n acelai timp4/17/20109PROIECTAREA MATERIALULUIPuternic ANIZOTROPIE a materialului:Se bazeaz pe anizotropia proprietilor Proprietile sunt mult diferite n funcie de direcie Exist i la materialele clasice Exemplu: tabla laminat, srma tras etc. Compozite cu fibre lungi: proprietile mecanice sunt mult mai ridicate pe direcia fibrelorCLASIFICARE Compozite cu fibre lungisau armare continu(C ti l Fib R i f d C it ) (Continuously Fiber Reinforced Composites); Compozite cu armare discontinu Particule(Particle Reinforced Composites) Fibre scurte(Short Fiber Reinforced Composites) etc. Stratificate sau sandwich;4/17/201010CLASIFICARE Compozite cu fibre lungisau armare continu continuUnidirecional(fibre monofilare + matrice metalic)Multidirecional(fibre multifilare+matrice polimeric)CLASIFICAREP i l Particule: Poliedrice Sferice Discuri etc.Fibre scurte: Aliniate(anizotropie) Nealiniate(cvasi-izotropie)(cvasi-izotropia proprietilor)4/17/201011CLASIFICARECompozite stratificate sau sandwich;CLASIFICAREDup natura materialului matricei:P li i Polimeric Metalic Ceramic Ceramic4/17/201012Au aprut ca nlocuitori ai aliajelor metalice uoareCompozite cu matrice polimericSunt de obicei armate cu fibre lungi (multifilament) sau scurte de natur:+Ceramic: sticl, carbon, +Organic: aramide (KEVLAR)Prezint o puternic anizotropie: +diferena de proprieti ntre matrice i ranforsant este pronunat armare multidirecionalAvantaje: Proprieti mecanice (specifice) (Rm/) R i t tl b lCompozite cu matrice polimeric Rezistente la oboseal Disponibile n cantiti ridicate la costuri reduse Cunotiine de proiectare i tehnologice bune Rezistente la produse folosite n industrie Rezistente la produse folosite n industrie(ulei, grsimi, lichide hidraulice, vopsele, solveni, petrol) Nu corodeaz4/17/201013Dezavantaje:Compozite cu matrice polimeric Instabilitatea proprietilor (mbtrnesc): matricea polimeric este sensibil la umiditate, radiaii, fungi etc.; Sensibilitate la temperaturi mari i medii corozive; Nu preia sarcini transversale: este necesar armarea multidirecional, ceea ce duce la complicaii tehnologice i mrete costurile.Compozite cu matrice metalic MMC Metal Matrix Composites Creterea proprietilor prin armare este mai Creterea proprietilor prin armare este mai puin pronunat Metale uoare (Al, Mg, Ti) armate cu particule sau fibre scurte de natur ceramic: bor, carbur de siliciu (SiC), carbur de bor (B4C)alumin Al2O3carbur de bor (B4C), alumin Al2O3 Titan armat cu fibre lungi de diametre mai mari, de natur ceramic4/17/201014Compozite cu matrice metalicTi-5Al-5V/80vol%SiC (fibre monofilament)Avantaje: Proprieti superioare la temperaturi ridicate;Compozite cu matrice metalicp p p ; Rezisten la solicitri transversale pe direcia fibrelor +Este posibil armarea unidirecional Rezisten bun la coroziune i stabilitate fizic a proprietilor Avantaje tehnologice procesare similar cu materiale clasice (turnare, deformare, achiere, sudare) Posibilitatea aplicrii tratamentelor termice, pentru modificarea proprietilor matricei4/17/201015Dezavantaje: C t iidi tCompozite cu matrice metalic Costuri ridicate+Utilaje complicate (de natur tehnologic);+Cost ridicat al materiilor prime (mai ales la fibre lungi) Dificulti tehnologice de producere(nglobare, infiltrare, aliniere) Experien practic limitatEste dificil impunerea pe pia a unei noi clase de materiale: costuri iniiale mari, conservatorism n ceea ce privete concepiaCompozite cu matrice ceramic Dezvoltarea lor este incipient Obiectiv principal: reducerea fragilitii Rezistena mecanic i rigiditatea nu se modific semnificativ;;4/17/201016 Matrice: oxizi, carburi, nitruriCompozite cu matrice ceramic, , Ranforsani:+ Whiskers fibre scurte, monocristaline SiC, Al2O3, Si3N4etc.(diam.~1 m sau mai puin, lung. 200-300 m)+ Fibre lungi monofilament ceramica devine flexibil: Avantaje: Compozite cu matrice ceramic Proprieti superioare la temperaturi foarte ridicate; Rezisten foarte ridicat la coroziune i stabilitate foarte bun a proprietilor;Dezavantaje: Costuri; Dificulti tehnologice de producere cu t te o og ce de p oduce e(metalurgia pulberilor, depunere n vid, reacii chimice); Insuficiente cunotiine teoretice;4/17/201017CLASIFICAREDup tipul procedeului de fabricare Artificiale - (cu nglobare); In-situ prin transformri chimice sau structurale n nsi intimitatea materialului materialuluiCLASIFICAREExemple de compozite produse In-situ: oxidaresau nitrurare intern a unei topituri metalice (insuflare de gaz: aer, azot, oxigen) solidificare dirijat a unui eutectic4/17/201018MATERIALE COMPOZITEAplicaii: StructuraleFuncionaleMATERIALE COMPOZITEAplicaii: Electronic, ElectrotehnicSupori pentru plcii de circuite imprimateDulapuri, cofreteAnteneCi pentru cabluri Ci pentru cabluriRadiatoare termice4/17/201019MATERIALE COMPOZITEAplicaii: Construcii, lucrri publiceCosuri, tubulaturCofraje pentru betoanePiscinePanouri pentru faadeprofile Panouri pentru faade, profileObiecte sanitareMATERIALE COMPOZITEAplicaii: Transport rutierComponente de caroserieArbori de transmisie, blocuri motoare, bieleRezervoare de carburantProfile de rezistensuspensii Profile de rezisten, suspensiiCisterne, incinte izoterme4/17/201020MATERIALE COMPOZITEAplicaii: Transport rutierMATERIALE COMPOZITEAplicaii: Transport rutier4/17/201021MATERIALE COMPOZITEAplicaii: Transport feroviarPiese de transmisieCaroserii de vagoaneUi, panouri interioareCi de ventilaie Ci de ventilaieMATERIALE COMPOZITEAplicaii: Transport maritimHovercraftsAmbarcaiuni uoare, sportive, alupe (coca)4/17/201022MATERIALE COMPOZITEAplicaii: Transport aerianAvioane ultrauoarePlanoare a oa eComponente de avioane mari: borduri, derivoarePalete de helicopterDiscuri de frne, echipamente de rulare, arboriDiuze pentru motoareMAT

Search related