Click here to load reader

Materiale Compozite

  • View
    256

  • Download
    4

Embed Size (px)

Text of Materiale Compozite

2/13/2012 1 Materiale compozite Conf. Dr. Ing. Mircea Nicoar Departamentul Ingineria Materialelor i Fabricaiei Sala 111 SPM,Tel.: 403660, 0722-644975 E-mail: [email protected] Web: www.eng.utt.ro./~mnicoara http://groups.yahoo.com/group/cursuri_materiale_UPT/ 20:121 MATERIALE COMPOZITE Caracterizare Producere Utilizare 20:122 2/13/2012 2 Cuprins Introducere Definiii, caracterizare,clasificri, istoric Aplicaii Compozite armate cu fibre lungi Definiii, caracterizare Elemente de armare: tipuri, forme de prezentare, proprieti Tehnologia de producere a compozitelor cu fibre lungi Compozite cu armare discontinu Micromecanica materialelor compozite 20:123 MATERIALE COMPOZITE I. Introducere 20:124 2/13/2012 3 Definiii Material compozit (n sens restrns): Aranjament de fibre (lungi sau scurte) dintr-un material rezistent = ranforsant nglobatentr-un material cu rezisten mecanic mult mai redus = matrice Mai multe definiii posibile Se rezum practic doar la compozite structurale Armate cu fibre (Fiber Reinforced Composites) 20:125 Definiii Materialul 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, culoare, textur, conductivitate etc.) Uneori datorit interaciunii chimice dintre matrice i ranforsant poate aprea o faz intermediar numit interfa sau interfaz 20:126 2/13/2012 4 Definiii Material compozit (n sens mai larg) Un material care ndeplinete simultan 3 condiii: 1. Este multifazic 2. Fazele componente sunt distincte la nivel macroscopic 3. Componentele aparin unor clase diferite de materiale (metalice, ceramice, polimerice) Este util pentru c include i compozitele cu particule sau sandwich dar comport excepii 20:127 Definiii Excepie de la regula 2: Unele compozite cu matrice metalic armate cu particule sau fibre de dimensiuni microscopice Nanocompozite: ranforsanii au dimensiuni nanometrice Excepii de la regula 3:Compozitele C-C (fibre C + matrice de C amorf) 20:128 2/13/2012 5 Unele dintre definiii sunt legate de existena unui efect micromecanic al combinaiei de faze Tranfer de sarcin la compozite cu fibre lungi Fixarea dizlocaiilor (dislocation pinning) la compozite armate cu particule Alte efecte sinergice (performane superioare componentelor folosite independent) Definiii 20:129 Transferul de sarcin Sarcina aplicat matricei ctre ranforsant(care fiind mai rigid preia o mare parte din sarcin) Presupune existena unei legturi suficient de puternice fibr-matrice(adeziune, existena unei interfee) 20:1210 2/13/2012 6 Fixarea dizlocaiilor La 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) 20:1211 Fixarea dizlocaiilor Componente necesare: Matrice ductil (de obicei metalic) Particule dure de armare: faze intermetalice (durificarea structural a aliajelor prin mbtrnire) particule ceramice, nanoparticule 20:1212 2/13/2012 7 Fixarea dizlocaiilor Limita de curgere a compozitului este dat de tensiunea mecanic necesar unei dizlocaii pentru ocolirea unei particule (Orowan) 20:1213 Fixarea dizlocaiilor G modulul transversal al materialului b vectorul Burgers (direcia i mrimea dizlocaiei dintr-o reea cristalin) distana ntre particule / b G 20:1214 2/13/2012 8 Fixarea dizlocaiilor Limita de curgere c crete cu ct distana dintre 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) 20:1215 IstoricArcuri mongole: Zona comprimat corn de animal Zona ntins lemn Lipite sau legate cu tendoane Sbii japoneze: Lame de oel i fier moale 20:1216 2/13/2012 9 1939-Gordon si De Bryne:- rasina fenolica+fibre de in =GORDONAEROLITE (ca o alternativa la aliajele de Al) 1942-1943- Rasini poliesterice+fibre de sticla= materiale compozite pentru ecranele transparente ale radarelor 1966: fibre de bor; 1968: fibre de carbon; 1972: fibre aramidice; 1976: fibre polietilenice 2000: 6o milioane tone compozite se produc pe glob Apollo-11 (75% din MC);Discovery (87% din MC !) Istoric 20:1217 Scopul dezvoltrii compozitelor: Combinaie favorabil a unor proprieti tipice (antagonice); Exemplu:tenacitate (ductilitate)rezisten mecanic (duritate) mbuntirea unei performane Exemplu: Rezisten mecanic specific (Rm/) de valoare mare Comportamentul la temperaturi ridicateRealizarea unei anumite aplicaii 20:1218 2/13/2012 10 Scopul dezvoltrii compozitelor: Un nou concept: PROIECTAREA materialului pentru o anumit aplicaie Alternativ la SELECIA materialului pentru aplicaii 20:1219 PROIECTAREA MATERIALULUI Materialul este configurat n funcie de aplicaie: Proprietile finale sunt influenate de RANFORSANT: prin natura, proporia, poziionare, configuraie MATRICE: tipul materialului, starea structural Piesa i materialul sunt realizate n acelai timp Engl. Material design 20:1220 2/13/2012 11 PROIECTAREA MATERIALULUI Puternic ANIZOTROPIE a materialului: 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 fibrelor Se bazeaz pe anizotropia proprietilor 20:1221 CLASIFICARE Compozite cu fibre lungisau armare continu (Continuously Fiber Reinforced Composites); Compozite cu armare discontinuParticule(Particle Reinforced Composites) Fibre scurte(Short Fiber Reinforced Composites) etc. Stratificate sau sandwich; 20:1222 2/13/2012 12 CLASIFICARE Compozite cu fibre lungisau armare continu Unidirecional (fibre monofilare + matrice metalic) Multidirecional (fibre multifilare+matrice polimeric) 20:1223 CLASIFICARE Compozite cu fibre lungisau armare continu Unidirecional Au STRATURILE orientate pe ACEAI direcie STRATURI engl. LAMINA (pl. LAMINAE), LAYER sau PLY Multidirecional Au STRATURILE orientate pe direcii DIFERITE Se numesc compozite stratificate engl. LAMINATE COMPOSITES Dac STRATURILE nu sunt disctincte (nu exist o stratificare clar), se numesc BULK COMPOSITES de ex. compozitele cu particule 20:1224 2/13/2012 13 CLASIFICARE Particule: Poliedrice Sferice Discuri etc. Fibre scurte: Aliniate (anizotropie) Nealiniate(cvasi-izotropie) (cvasi-izotropia proprietilor) 20:1225 CLASIFICARE Compozite stratificate sau sandwich; 20:1226 2/13/2012 14 CLASIFICARE Dup natura materialului matricei: Polimeric Metalic Ceramic 20:1227 Au aprut ca nlocuitori ai aliajelor metalice uoare Sunt 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 multidirecional Compozite cu matrice polimeric 20:1228 2/13/2012 15 Avantaje: Proprieti mecanice (specifice) (Rm/) Rezistente la oboseal Disponibile n cantiti ridicate la costuri reduse Cunotiine de proiectare i tehnologice bune Rezistente la produse folosite n industrie (ulei, grsimi, lichide hidraulice, vopsele, solveni, petrol) Nu corodeaz Compozite cu matrice polimeric 20:1229 Dezavantaje: 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 polimeric 20:1230 2/13/2012 16 Compozite cu matrice metalic MMC Metal Matrix Composites 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 Al2O3 Titan armat cu fibre lungi de diametre mai mari, de natur ceramic 20:1231 Compozite cu matrice metalic Ti-5Al-5V/80vol%SiC (fibre monofilament) 20:1232 2/13/2012 17 Avantaje: Proprieti superioare la temperaturi ridicate; Rezisten la solicitri transversale pe direcia fibrelorEste 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 matricei Compozite cu matrice metalic 20:1233 Dezavantaje: 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 limitat Este dificil impunerea pe pia a unei noi clase de materiale: costuri iniiale mari, conservatorism n ceea ce privete concepia Compozite cu matrice metalic 20:1234 2/13/2012 18 Dezvoltarea lor este incipient Obiectiv principal: reducerea fragilitii Rezistena mecanic i rigiditatea nu se modific semnificativ; Compozite cu matrice ceramic 20:1235 Matrice: oxizi, carburi, nitruri Ranforsani: Whiskers fibre scurte, monocristaline SiC, Al2O3, Si3N4 etc. (diam.~1 m sau mai puin, lung. 200-300 m) Fibre lungi monofilament ceramica devine flexibil:Compozite cu matrice ceramic 20:1236 2/13/2012 19 Avantaje: Proprieti superioare la temperaturi foarte ridicate; Rezisten foarte ridicat la coroziune i stabilitate foarte bun a proprietilor; Dezavantaje: Costuri; Dificulti tehnologice de producere(metalurgia pulberilor, depunere n vid, reacii chimice); Insuficiente cunotiine teoretice; Compozite cu matrice ceramic 20:1237 CLASIFICARE Dup tipul procedeului de fabricare Artificiale -(cu nglobare); In-situ prin transformri chimice sau st

Search related