29
Facultatea : Mecanică și Tehnologie Departamentul : Inginerie și Management Programul de studii : Inginerie Economică Industrială MATERIALELE COMPOZITE Student : Grupa : Cadru didactic coordonator : Prof.univ.dr. Abrudeanu Marioara 1

Materiale compozite

Embed Size (px)

DESCRIPTION

lucrare in domeniul stiintei materialelor

Citation preview

Page 1: Materiale compozite

Facultatea : Mecanică și Tehnologie

Departamentul : Inginerie și Management

Programul de studii : Inginerie Economică Industrială

MATERIALELE COMPOZITE

Student : Grupa :

Cadru didactic coordonator : Prof.univ.dr. Abrudeanu Marioara

2014-2015

1

Page 2: Materiale compozite

CUPRINS

1. Introducere ................................................................................................... pag. 3

2. Clasificarea materialelor compozite.............................................................. pag. 42.1. Materialele compozite cu particule .................................................. pag. 42.2. Materialele compozite cu fibre ......................................................... pag. 72.3. Materialele compozite laminare ....................................................... pag. 11

3. Domenii de utilizare a materialelor compozite ............................................. pag. 133.1. Aplicații în construcția aerospațială .................................................. pag. 133.2. Aplicații în industria aeronautică ...................................................... pag. 153.3. Materialele compozite în construcția automobilului ......................... pag. 17

4. Concluzii ....................................................................................................... pag. 19

5. Referinte bibliografice .................................................................................. pag. 20

2

Page 3: Materiale compozite

INTRODUCERE

În ultimele decenii s-au evidenţiat pe plan mondial schimbări semnificative în ceea ce priveşte utilizarea materialelor în diverse domenii, schimbări reclamate atât de cerinţele speciale ale domeniilor de vârf cât şi de cerinţele tot mai diversificate legate de producerea bunurilor de larg consum şi nu în ultimul rând de cerinţele ecologice.

Materialele compozite reprezintă o clasă de materiale inginereşti ce prezintă un interes ştiinţific şi tehnic deosebit. Ele sunt nu numai un înlocuitor perfect al materialelor feroase sau neferoase, ci şi materiale ce permit rezolvarea unor serii întregi de probleme tehnice în diferite ramuri industriale. Unele probleme tehnice sunt greu sau uneori chiar imposibil de rezolvat prin utilizarea materialelor clasice, tradiţionale.

Compozit - adj.= Corp alcătuit din elemente disparate, felurite. (Dicţionarul explicativ al limbii române).

Materialele compozite sunt materiale formate din două sau mai multe materiale,din ale căror combinaţie rezultă proprietăţi pe care nu le posedă materialele iniţiale.[1]

Obţinerea materialelor compozite de către oameni a început odată cu relizarea primului chirpic întărit cu paie.

Structura materialelor compozite este formată dintr-o matrice în care se găseşte un material mai dur sau durificator.

O examinare a istoriei materialelor compozite evidenţiază o implicare deosebită a omului primitiv în utilizarea resurselor naturale ale pământului. Este clar că, în anumite împrejurări, combinarea a două materiale diferite, poate avea rezultate mai bune decât în cazul utilizării materialelor unitare.

Constrâns chiar de instinctele sale animalice să folosească o piatră pentru a sparge coaja unei nuci sau a lovi un inamic, omul primitiv şi-a dat seama că aceiaşi piatră legată de o bucată rezistentă de lemn, poate fi folosită mai eficient. De asemenea, se pare că unele materiale compozite preistorice au luat naştere din impulsuri artistice de moment, nefiind rodul unei decizii impuse de funcţii specific planificate. Întrucât culturile preistorice au folosit materiale de origine litică sau organică: lemn, fibre naturale, seminţe, coji, oase, frunze de copac etc., multe din aceste compozite au dispărut datorită caracterului lor biodegradabil. Totuşi unele structuri de lemn au reuşit să supravieţuiască în regiunile cu climă uscată. Câteva statuiete de lemn, vechi de mii de ani, se găsesc şi acum într-un muzeu din Cairo. [7] Unele din cele mai deosebite materiale compozite, sunt cele realizate prin inserţia pietrelor preţioase şi lipirea cu adeziv pe suprafeţe de marmură. Aditivii utilizaţi sunt răşini de conifere, smoală şi răşini de la alte plante.

Apariţia materialelor plastice, ca rezultat al descoperirii compuşilor macromoleculari în a doua jumătate a secolului al XX-lea, a deschis noi posibilităţi şi în domeniul realizării de materiale compozite. La început s-au realizat compounduri specifice, prin înglobarea de diferiţi aditivi în matricile polimerice. [7]

Realizarea de materiale plastice compozite a cunoscut un avât deosebit mai ales după descoperirea tehnopolimerilor şi a principalilor polimeri cu aplicaţii speciale.

Primele compozite s-au realizat prin armarea polimerilor cu fibre de sticlă. O dată acceptate aceste produse, mai ales în SUA, Europa şi Japonia, gama polimerilor ramforsaţi a crescut foarte mult, în acelaşi timp multiplicându-se şi sursele lor de realizare. [7]

3

Page 4: Materiale compozite

CLASIFICAREA MATERIALELOR COMPOZITE

Materialele compozite pot fi clasificate astfel [1]:-după natura materialelor:

-materiale compozite metal-metal;-materiale compozite metal-ceramic;-materiale compozite metal-polimer;-materiale compozite ceramic-polimer;-materiale compozite polimer-polimer;

-după modul de aranjare al materialelor:-materiale compozite cu particule (Fig.1.1.a);-materiale compozite cu fibre (Fig.1.1.b);-materiale compozite laminare (Fig.1.1.c).

particulă dispersată fibră material A material B

a. b. c.

Fig.1.1 Materiale compozite:

a - materiale compozite cu particule; b - materiale compozite cu fibre;c - materiale compozite laminare.[1]

2.1. Materialele compozite cu particuleMaterialele compozite cu particule conţin particule dure într-o matrice mai

ductilă. Scopul introducerii acestor particule poate fi [1] :-ameliorarea unor proprietăţi, ca de exemplu:

-limitei elastice;-durităţii;-rezistenţei la uzare;-rezilienţei;-lucrabilităţii;-refractarităţii;-absorbţiei de neutroni;-conductivităţii electrice;

-micşorarea preţului de cost, dacă particulele sunt mai ieftine decât matricea.

4

Page 5: Materiale compozite

Fig.2.1 Ilustrarea deplasării unei linii de dislocaţie printre particulele de oxid:

a,b,c,d-etapele deplasării unei linii de dislocaţie printre particulele de oxid, particulecare se găsesc în planul ei de alunecare;

dp-distanţa dintre două particule de oxid.[1]

Ameliorarea limitei elastice sau de curgere prin introducerea unor particule se întâlneşte la matricele metalice şi se realizează prin mecanismul de blocare a dislocaţiilor.

Acest mecanism este identic cu cel al durificării aliajelor prin precipitarea unei a doua faze (Fig. 2.1). Este de remarcat faptul că materialele metalice durificate prin precipitare nu sunt

considerate materiale compozite.Particulele de întărire sunt, de obicei, oxizi şi trebuie să satisfacă următoarele

cerinţe:-să reprezinte obstacole eficiente la deplasarea dislocaţiilor;-să aibă o valoare optimă a:

-mărimii;-formei;-distribuţiei în matrice.

Exemplul clasic de material compozit cu particule de oxid cu limită elastică ameliorată este pudra de aluminiu sinterizată şi întărită cu oxid de aluminiu (SAPAluminium Sinterized Powder). Oxidul de aluminiu este introdus în compoziţie sub formă de:

-pudră, care apoi este amestecată cu pudra de aluminiu şi sinterizată;-film în jurul particulelor de aluminiu, care prin presare se sparge,

formând particule, care apoi sunt supuse sinterizării.În cazul superaliajului de nichel cu 20 % crom şi 1 - 2 % wolfram, cei trei

componenţi sunt sub formă de pudră sinterizată, după care este trecut un curent de oxigen , care oxidează numai toriul, formâdu-se, astfel, particule de oxid de toriu (oxidare internă).

Astfel, matricea este superaliajul, iar particulele întăritoare sunt din ThO2. Unele dintre utilizările materialelor compozite întărite cu particule cu limită elastică ameliorată sunt date în tabelul 41 [1].

5

Page 6: Materiale compozite

Îmbunătăţirea durităţii matricei este unul din cele mai frecvente scopuri ale materialelor compozite cu particule şi depinde în principal de [1] : -densitatea particulelor dure;

-duritatea particulelor.

Un exemplu de îmbunătăţire excepţională a durităţii şi a rezistenţei la uzare la temperaturi ridicate este cazul pastilelor obţinute prin agregare de pulbere de WC (97-85%) și pulbere de Co (3-15%), utilizate la sculele aşchietoare.

Matricea este formată din cobalt, iar particula dură este WC. Sinterizarea are loc la o temperatură puţin superioară temperaturii de topire a cobaltului, pentru ca fiecare particulă de carbură de wolfram să fie înconjurată de metalul topit. Cobaltul este într-o cantitate care să permită desprinderea particulelor tocite şi să fie expuse alte particule cu muchii tăioase.

Produsele din materiale abrazive (pietrele de polizor etc.) pot fi considerate exemple de materiale compozite la care s-a obţinut o creştere a rezistenţei la uzare.

Matricea poate fi formată din:-sticlă;-polimeri etc.Un alt exemplu este materialul compozit format dintr-o reţea dură de wolfram în

interstiţiile căreia se găseşte o matrice moale de argint. Reţeaua de wolfram este realizată prin sinterizare, iar umplerea golurilor cu argint lichid - prin infiltrare în vacuum. Acest material compozit este utilizat pentru întrerupătoare electrice.

De asemenea, îmbunătăţirea durităţii şi a rezistenţei la uzare la temperaturi ridicate a fost obţinută prin introducerea negrului de fum în cauciucul pneurilor. Particulele de negru de fum au o formă sferoidală cu diametrul de 50 - 5000 A şi sunt adăugate împreună cu multe alte materiale pentru a satisface cerinţele de calitate ale diferitelor produse de cauciuc.

2.2. Materialele compozite cu fibre

6

Page 7: Materiale compozite

Aceste materiale sunt formate dintr-o matrice ductilă şi fibre rigide, astfel că, la un bun transfer al forţei de la matrice la fibre, posedă o rezistenţă mecanică apropiată fibrelor fără a avea fragilitatea acestora [1].

Fibrele pot avea orientări diferite, ca de exemplu:-paralele (Fig.2.2.1.a);-întâmplătoare (Fig.2.2.1.b);-ţesute (Fig.2.2.1.c);-ortogonale (Fig.2.2.1.d).

a. b.

c. d.

Fig. 2.2.1 Modalităţi de aranjare a fibrelor în materialul compozit:

a-paralele; b- întâmplătoare; c- ţesute; d- ortogonale.[1]

Matricea asigură:-ductilitatea necesară;-transmite forţa exterioară fibrelor.Fibrele preiau cea mai mare parte a forţei exterioare, astfel încât în calculele de

rezistenţă se ia în considerare numai modulul de elasticitate al fibrei.Fibrele continui unidirecţionale conferă o rezistenţă optimă materialului compozit

atunci când forţa este aplicată pe direcţia fibrei, dar mult mai mică pe alte direcţii (comportare anizotropică). Fibrele scurte orientate întâmplător conferă materialului compozit o rezistenţă uniformă pe toate direcţiile.

Rezistenţa la rupere a unor fibre utilizate la realizarea materialelor compozite este dată în tabelul 42 [1].

7

Page 8: Materiale compozite

Mecanismul transferului de sarcină de la matrice la fibră este reprezentat schematic în figura 2.2.2. Dacă nu există legătură la interfaţa fibră-matrice, atunci în timpul aplicării unei forţe exterioare de întindere asupra matrialului compozit, fibra şi matricea se deformează independent cu ∆f, respectiv cu ∆m. Dacă există o bună legătură la interfaţa fibră-matrice, atunci deformarea matricei este micşorată de prezenţa fibrei. Cu cât punctul considerat al matricei este mai depărtat de fibră, cu atât deformarea matricei este mai mare, iar influenţa fibrei devine nulă când distanţa dintre punctul considerat (d) este mai mare decât jumătate din diametrul de acţiune a fibrei:

d >daf / 2 [1]Diferenţa de alungire dintre fibră şi matrice duce la apariţia unor tensiuni de întindere

în fibre şi de forfecare în matrice.

8

Page 9: Materiale compozite

c e

Fig.2.2.2 Mecanismul transferului de sarcină de la matrice la fibră:

a-materialul compozit înainte de aplicarea sarcinii; b-materialul compozit după aplicarea sarcinii la care matricea nu este solidară cu fibra; c- materialul compozit după aplicarea sarcinii la care matricea este solidară cu fibra; d-variaţia alungirii matricei în funcţie de distanţa de fibră dacă matricea nu este solidară cu fibra; e- variaţia alungirii matricei în

funcţie de distanţa de fibră dacă matricea este solidară cu fibra daf - diametrul de acţiune a fibrei; dm-diametrul cilindrului care conţine punctulconsiderat al matricei; ∆m-alungirea

matricei; ∆f-alungirea fibrei; ∆mf-alungirea relativă dintre matrice şi fibră.[1]

Variaţia tensiunilor cu lungimea fibrei este prezentată în figura 2.2.3. Astfel,tensiunea tangenţială în matrice creşte (τ1, τ2, …) proporţional cu creşterea lungimea fibrei (l1, l2, …) până ce atinge limita elastică sau de curgere, după care matricea începe să se deformeze plastic. Lungimea fibrei care corespunde tensiunii tangenţiale de curgere a matricei este denumită lungimea critică a fibrei (lcr). Rezultă că dacă lungimea fibrei devine mai mare decât lungimea critică, atunci matricea se deformează plastic în porţiunile cuprinse chiar în diametrul de acţiune al fibrei, între capetele fibrei la o distanţă l cr/2 de fiecare capăt.

Fig. 2.2.3 Variaţia tensiunilor cu lungimea fibrei:

a-variaţia tensiunilor de forfecare în matrice cu lungimea fibrei;b-variaţia tensiunilor de întindereîn în fibră cu lungimea fibrei.[1]

9

Page 10: Materiale compozite

Fig.2.2.4 Element al fibrei [1]

Dacă se consideră o fibră cu lungimea L şi diametrul 2R (Fig.2.2.4), atunci se poate calcula lungimea critică a fibrei (lcr m) ponindu-se de la relaţia:

πR2 σf = 2πRL τ [1]

în care: σf este efortul unitar de întindere al matricei; τm - efortul unitar de forfecare al matricei.

Unele dintre utilizările materialelor compozite cu fibre sunt date în tabelul 43[1]:

10

Page 11: Materiale compozite

2.3. Materialele compozite laminare

Materialele compozite laminare cuprind următoarele grupe principale [1]:-acoperiri cu folii;-acoperiri dure;-placări;-bimetale;-laminate.Acoperirile cu folii constă dintr-o căptuşeală de una sau mai multe folii aplicate pe

suprafaţa metalică de protejat contra coroziunii. De cele mai multe ori foliile sunt din mase plastice sau cauciuc.

Acoperirile dure sunt depuneri de diferite materiale dure, rezistente, în principal, la uzură, dar pot fi rezistente şi la coroziune. Materialele utilizate în acest scop sunt oţeluri dure, aliaje pe bază de cobalt, carburi de wolfram etc.

Placările sunt materiale compozite formate din două sau mai multe straturi de metale, din care unul este materialul placat (ieftin şi mai puţin rezistent la coroziune), iar celălalt este rezistent la coroziune şi are un aspect plăcut. În mod frecvent, placarea are loc pe ambele părţi pentru obţinerea unei mai bune rezistenţe la coroziune.

Bimetalele sunt materiale compozite formate din două materiale metalice cu o diferenţă relativ mare a coeficienţilor de dilatare, astfel că, la creşterea temperaturii, lamela care are coeficientul de dilatare mai mare se alungeşte mai mult şi provoacă o curbare a ansamblului celor două lamele. (Fig.2.3).

a. b.

Fig.2.3 Curbarea bimetalelor datorită coeficienţilor de dilatare diferiţi

a-înainte de încălzire; b- în timpul încălzirii [1]

În tabelul 44 [1] sunt date valorile coeficienţilor de dilatare pentru unele materiale metalice.

Bimetalele sunt utilizate la termostate deoarece la o anumită temperatură se curbează suficient pentru a deschide sau a închide un circuit.

11

Page 12: Materiale compozite

Laminatele sunt materiale compozite formate din straturi de materiale lipite cu adezivi. Un exemplu clasic este sticla triplex, formată din două straturi de sticlă, între care se găseşte o folie de polivinil, care joacă rolul de adeziv. Acest material compozit nu produce cioburi atunci când se sparge.

Plăcuţele cu circuite imprimate sunt, de asemenea, materiale compozite formate din unul sau mai multe straturi izolante, cu rol de suport pentru conductoarele circuitelor electrice.

Alte materiale compozite formate din straturi de materiale lipite cu adezivi sunt următoarele semifabricatele din lemn:

-placajul;-panelul;-plăcile din fibre de lemn (PFL);

-plăcile din aşchii din lemn (PAL).

12

Page 13: Materiale compozite

DOMENII DE UTILIZARE A MATERIALELOR COMPOZITE

Datorită caracteristicilor lor deosebite, materialele compozite au numeroase aplicaţii în diverse domenii, cum ar fi: construcţia structurilor aerospaţiale şi aeronautice, construcţia de maşini, automobile şi nave, medicină, chimie, electronică şi energetică, bunuri de larg consum, optică etc., aşa cum se poate observa şi din figura 3.[2,4] :

Fig. 3. Domenii de utilizare a materialelor compozite [2,4]

3.1. Aplicații in construcția aerospațială

Greutate scăzută, rigiditate ridicată, coeficient de dilatare termică scăzut şi stabilitate dimensională în timpul duratei de viaţă, reprezintă câteva din cerinţele uzuale pe care trebuie să le îndeplinească aplicaţiile militare. Se cunosc trei mari categorii de asemenea aplicaţii [5,6] :

- sisteme de proiectile-rachetă tactice;- sisteme de proiectile-rachetă strategice;

13

Page 14: Materiale compozite

- sisteme de proiectile-rachetă defensive.Componentele structurale ale primei categorii sunt de obicei uşoare si mici iar în

timpul funcţionării trebuie să reziste la acceleraţii foarte mari şi la vibraţii în condiţii de lucru foarte severe (umiditate ridicată, nisip, sare şi substanţe chimice). Carcasele motoarelor acestor rachete trebuie să funcţioneze la presiuni ridicate şi să aibă o rigiditate axială mare. De aceea, majoritatea componentelor rachetelor tactice sunt realizate din metal, materialele compozite fiind doar înlocuitori ai metalelor.

Rachetele strategice au în general componentele de dimensiuni foarte mari, nu lucrează la temperaturi ridicate iar carcasa motorului funcţionează la presiuni scăzute. Datorită gabaritului lor aceste componente sunt realizate în mod obişnuit din filamente de carbon înfăşurate, cu scopul reducerii greutăţii. Componentele rachetelor defensive trebuie să fie uşoare şi rezistente la variaţii mari de temperatură. În plus, acestea sunt supuse unor acceleraţii foarte mari la lansare, precum şi unor solicitări de şoc, vibraţii etc. Una dintre cele mai severe cerinţe ale acestor rachete este aceea de a rezista la radiaţiile nucleare şi de a corespunde din punct de vedere structural şi aerodinamic atunci când sunt supuse presiunilor ridicate datorate exploziilor nucleare. Datorită acestor cerinţe cea mai mare parte a componentelor rachetelor defensive sunt realizate din materiale compozite.

Protecţia termică joacă un rol foarte important, cu precădere la intrarea în atmosferă a navelor spaţiale. La naveta aerospaţială NASA (USA) se utilizează garnituri din compozit carbon – carbon, siliciu – siliciu şi piese structurale din bor - aluminiu (fig. 3.1). Temperatura de utilizare este de 300 C, dar poate ajunge şi la 600 C.

Partea centrală este protejată de plăcuţe din compozite ceramice siliciu – siliciu, care constituie un scut termic radiant. Ele sunt separate printr-un perete dintr-un aliaj uşor sau un stratificat bor – aluminiu dar şi printr-un sandwich din fetru şi naylon neinflamabil (silicon – fagure de albină).

În ceea ce priveşte fibrele, o largă utilizare în această industrie o au fibrele de sticlă (sticla E şi S), fibrele aramide şi cele de carbon - grafit. Sticla E este folosită la izolaţii iar sticla S la confecţionarea carcaselor motoarelor rachetelor.

Fibrele aramide introduse în aplicaţii pentru prima dată la începutul anilor '70, sunt utilizate la fabricarea carcaselor motoarelor rachetelor strategice şi tactice ca şi pentru rezervoarele sub presiune ale navetelor spaţiale şi ale sateliţilor.

Figura 3.1. Componente ale navetei aerospațiale NASA realizate din materiale compozite [6].

14

Page 15: Materiale compozite

Fibrele de carbon, introduse în aplicaţii curente tot prin anii '70, sunt utilizate pe scară largă în structurile ce necesită o bună stabilitate structurală şi rigiditate foarte mare. Aceste fibre sunt folosite sub formă de filamente înfăşurate la realizarea structurii de rezistenţă şi a carcasei rachetelor strategice.

Răşinile cele mai utilizate în aplicaţiile aerospaţiale sunt cele epoxidice. Acestea au o bună comportare atât la temperaturi ridicate (120-180C). cât şi la temperaturi scăzute (-90C). Răşinile epoxidice răspund bine şi altor cerinţe cum ar fi: tenacitate şi rezistenţă mare la rupere, propagare foarte lentă a fisurilor. Alte tipuri de răşini utilizate mai recent în acest domeniu îl reprezintă răşinile poliimidice şi termoplastice. Răşinile poliimidice au performanţe foarte bune la temperaturi cuprinse între 200 şi 300C şi se utilizează cu precădere la realizarea rachetelor tactice, dar au dezavantajul unei tehnologii dificile de prelucrare şi un preţ de cost mult mai mare decât cel al răşinilor epoxidice.

3.2 Aplicaţii în industria aeronautică

Un scurt istoric ne permite să observăm că cerinţele unei mase mici aliate cu robusteţea au dirijat foarte devreme constructorii de avioane către materialele compozite [3] :

- în 1938 avionul Morane 406 (Franţa) utiliza panourile sandwich cu miez de lemn acoperit cu plăci de aliaj uşor;

- în 1943 se utilizau la Spitfire (Marea Britanie), pentru lonjeron şi piese componente ale fuselajului, compozite cu matrice fenolică ranforsate cu fibre de cânepă;

- compozitul sticlă-răşină se utilizează începând din anul 1950, el permiţând realizarea unor carenaje complexe;

- piese cu structură de carbon – epoxy au fost folosite începând din 1970;În prezent, marea majoritate a industriei aeronautice a S.U.A. foloseşte ca materiale de

bază compozitele armate cu fibre de carbon. Acestea se prezintă sub formă de benzi preimpregnate - denumite "prepreg" - şi sunt folosite pe scară largă de firmele Boeing, McDonnell Douglas, General Dynamics şi Northrop.

15

Fig. 3.2.1. Avionul F-18 [5]

Page 16: Materiale compozite

Cele mai multe aplicaţii ale acestor materiale sunt destinate programelor militare, ce reprezintă mai mult de 40% din industria totală de aviaţie [5]. În anul 1985 concernul McDonnell Douglas a utilizat 181500 kg materiale compozite pentru avioanele de luptă F-18 şi AV-8B. Circa 26% din greutatea structurii avionului AV-8B o reprezintă materialele compozite, ceea ce contribuie la o reducere a greutăţii acestuia cu aproape 225 kg. Sunt realizate din materiale compozite următoarele elemente: chesonul aripii, fuselajul din faţă, stabilizatorul orizontal, profundorul, flettnerul, carenajul şi alte suprafeţe de control. Învelişurile aripilor sunt alcătuite din mai multe plăci stratificate puse cap la cap şi îmbinate într-o structură tip multilonjeron.

Pentru avionul F-18, 10,3% din greutatea sa şi mai mult de 50% din suprafaţa sa sunt realizate din compozite armate cu fibre de carbon (fig. 3.2.1). Aceste materiale sunt îndeosebi

folosite pentru învelişul aripilor, pentru suprafeţele de comandă de pe aripă şi ampenaje, frâna aerodinamică, cât şi pentru prelungirea bordului de atac. Învelişurile aripilor acestui avion sunt realizate din plăci stratificate a căror grosime variază de la bază spre vârf având grosimea minimă de 2 mm.

Bombardierul B-18 utilizează un număr mare de componente ale structurii realizate din materiale compozite.

În figura 3.2.2 sunt prezentate câteva din aceste componente. Acestea includ lonjeroanele din spate, uşa gondolei armamentului şi flapsurile. Toate aceste materiale, inclusiv adezivii, sunt tratate termic la 175C. Aceste componente includ stratificatele, structuri în fagure precum şi structuri sandwich (plăci compozite cu miez de aluminiu).

Uşile gondolelor armamentului sunt realizate din materiale sandwich la care miezul este alcătuit din structură de tip fagure de aluminiu iar învelişul din foi de carbon - epoxy.

16

Fig. 3.2.2 Componente ale bombardierului B-18 realizate din materiale compozite [5]

Page 17: Materiale compozite

Datorită faptului că uşile sunt aşezate într-o poziţie vulnerabilă, putând fi supuse la deteriorări, acestea sunt prevăzute cu straturi exterioare alcătuite din răşini fenolice armate cu

fibre aramide, realizându-se astfel o rezistenţă la penetrare foarte ridicată. Pentru fiecare avion se folosesc 3040 kg. materiale compozite, rezultând o scădere a greutăţii de circa 1360 kg.

Firma Gruman Aerospace a realizat, plecând de la un compozit armat cu fibre de bor, stabilizatoare orizontale pentru avionul de luptă F-14A.

Firma General Dynamics utilizează un compozit armat cu fibre de carbon pentru stabilizatorul orizontal şi vertical.

Aripile avionului de atac A-6 sunt realizate în prezent din materiale compozite foarte uşoare, cu proprietăţi mecanice îmbunătăţite şi cu o mai bună rezistenţă la coroziune.

Elicopterele constituie o categorie mai puţin dezvoltată decât avioanele, dar ţinând cont de specificul acestor aparate, cadenţa de implementare a materialelor compozite este mai ridicată şi ocupă procentaje mai importante decât în cazul avioanelor.

În figura 3.2.3 sunt prezentate câteva dintre componentele elicopterului Aerospatiale, realizate din materiale compozite.

Elicopterul V-22 are fuselajul realizat din compozite, aceste materiale contribuind la o reducere a greutăţii cu aproximativ 50%.

17

Fig. 3.23 Componente ale elicopterului Aerospatiale realizate din materiale compozite [5]

Page 18: Materiale compozite

Tendinţele actuale indică foarte clar că, materialele compozite vor fi utilizate din ce în ce mai mult, atât în industria comercială cât şi în tehnica militară.

3.3. Materialele compozite în construcţia automobilului

Cerinţele actuale şi de viitor în domeniul autovehiculelor privesc creşterea eficienţei motorului, reducerea emisiilor nocive, reciclarea materialelor componente etc. Acestea impun schimbări tehnologice importante, precum şi apariţia unei noi clase de autovehicule, care să fie ecologice, eficiente din punct de vedere al vânzării şi economice în utilizare.

Pentru respectarea acestor cerinţe, domeniile în care sunt necesare noi tehnologii sunt [3] :

- dezvoltarea de motoare de tracţiune cu randamentul mărit – consum scăzut de carburant însoţit de creşterea puterii motorului la capacitate cilindrică mică;

- reducerea greutăţii totale a autovehiculului cu până la 40%, obţinută în special prin reducerea greutăţii caroseriei şi a structurii interioare;

- reducerea coeficientului aerodinamic al autovehiculului, printr-o formă corespunzătoare a caroseriei.

O parte dintre cerinţele de mai sus pot fi satisfăcute prin utilizarea în structura caroseriei a materialelor noi şi în special a materialelor compozite polimerice.

O structură modernă a caroseriei unui autovehicul este constituită dintr-un şasiu de rezistenţă din oţel înalt aliat sau din aliaje de aluminiu, la care se adaugă panourile de caroserie (exterioare şi interioare) realizate din compozite polimerice. Există şi varianta folosirii unor panouri exterioare din aliaje de aluminiu sau din oţel inoxidabil, dar care din cauza preţului de cost ridicat se utilizează doar în cazuri cu totul speciale.

Compozitele polimerice care se utilizează în acest caz au drept elemente de ranforsare structuri din fibră de sticlă sau mai rar fibre de carbon şi aramide, lungi şi scurte.

Ca matrice a compozitului se utilizează materialele termoplastice, care sunt reciclabile şi mai rar materialele termorigide.

18

Page 19: Materiale compozite

Marile societăţi constructoare de autovehicule precum FORD, ROVER, RENAULT, CHRYSLER, FIAT, GENERAL MOTORS, MERCEDES etc., folosesc în mod uzual, cu foarte bune rezultate, materialele compozite polimerice în construcţia autovehiculelor.

Materialele compozite au fost introduse progresiv în construcţia autovehiculelor, volumul actual de utilizare fiind deosebit de mare. Ca exemplu, în figura 3.3 se prezintă aria de utilizare a compozitelor în cazul unui autovehicul construit de firma FORD.

În România, ARO Câmpulung – Muscel foloseşte compozitele polimerice în construcţia caroseriei autovehiculelor de teren.

CONCLUZII

Deşi există şi factori care pot opri folosirea pe scară largă a materialelor compozite (costuri ridicate, programe de cercetare complicate, lipsa standardelor de testare etc.) totuşi, având în vedere avantajele create de utilizarea acestor materiale, se va constata, la nivel mondial, o sporire considerabilă a aplicaţiilor realizate din materiale compozite.

19

Fig. 3.3 Componente ale unui autovehicul FORD realizate din materiale compozite [3]

Page 20: Materiale compozite

Performanţele tot mai înalte cerute structurilor de rezistenţă în general, dar mai ales celor destinate aeronauticii şi aplicaţiilor militare, impun acestora condiţii foarte severe în timpul funcţionării.

Materialele compozite fac parte din categoria „noilor materiale” şi sunt create special pentru a răspunde unor exigenţe deosebite în ceea ce priveşte:

- rezistenţa mecanică şi rigiditatea;- rezistenţa la coroziune;- rezistenţa la acţiunea agenţilor chimici; - greutatea scăzută;

- stabilitatea dimensională;- rezistenţa la solicitări variabile, la şoc şi la uzură;- proprietăţile izolatoare şi estetica.Principalul avantaj al acestor materiale este raportul ridicat între rezistenţa şi greutatea

lor volumică. Materialele compozite constituie o soluţie tot mai des adoptată în realizarea

structurilor performante, cu aplicabilitate în toate ramurile industriale. Implementarea acestora în diverse domenii, ca alternative avantajoase ale materialelor clasice, sau pentru obţinerea de noi aplicaţii, altfel greu sau imposibil de realizat, ridică însă şi o serie de probleme generate de structura deosebit de complexă a acestora şi de posibilităţile de obţinere, de comportamentul încă insuficient cunoscut la diverse solicitări.

În toate ţările industrializate, materialele compozite reprezintă un domeniu prioritar, situat în avangarda procesului continuu de inovare tehnologică.

Perspectiva folosirii pe scară largă a unor asemenea materiale în România impune efectuarea unor cercetări care să completeze informaţiile accesibile din literatura de specialitate.

Numărul mare de lucrări apărute în acest domeniu este datorat nu numai importanţei pe care o au materialele compozite ci, mai ales, complexităţii problemelor lor de rezolvat.

REFERINȚE BIBLIOGRAFICE

1. Doru Ciucescu: Știința și ingineria materialelor, Editura Didactică și pedagogică, București 2006

2. Hadăr, A., Probleme locale la materiale compozite, Teză de doctorat, U.P.B., 1997

20

Page 21: Materiale compozite

3. Pavel, R., Contribuţii privind implementarea materialelor compozite în construcţia de maşini, Teză de doctorat, Bucureşti, 1999

4. Gheorghiu, H., Hadăr, A., Constantin, N., Analiza structurilor din materiale izotrope şi anizotrope, Editura Printech, Bucureşti, 1998

5. Anglin, J. M., Aircraft Applications, Engineered Materials Handbook – Composites, Vol. 1, 1989

6. Hadăr, A., Structuri din compozite stratificate, Editura Academiei şi Editura AGIR, Bucureşti, 2002

7. Constanța Ibănescu, Ingineria materialelor compozite polimerice și procese de prelucrare a acestora, Curs, http://omicron.ch.tuiasi.ro/~inor/matmip/publicatii.html

21