MATERIALE COMPOZITE

- note de curs -

s.l. Adrian Catangiu Facultatea IMMR

Universitatea Valahia din Targoviste

CUPRINS

1. Scurt istoric al materialelor compozite 1

2. Scopul i obiectivele cursului 2

3. Descrierea capitolelor 3

4. Descrierea materialelor compozite 4

5. Componentele unui material compozit 10

5.1 Rina 10

5.1.1 Caracteristicile rinilor 14

5.1.2 Rinile epoxidice 16

5.2 Fibrele 19

5.2.1 Caracteristicile fibrelor 19

5.2.2 Fibrele de sticl 22

6. Materiale compozite structurale 28

7. Procedee de punere n form a materialelor compozite 30

8. Tehnologia preimpregnatelor 36

9. Factori ce influeneaz complexitatea cunoaterii materialelor compozite

46

10. Modele de omogenizare a caracteristicilor compozitului pornind de la caracteristicile componentelor

48

10.1 Modele de omogenizare a caracteristicilor mecanice 48

10.2 Modele de omogenizare a caracteristicilor termice 53

11. Consideraii despre comportarea n exploatare a materialelor compozite

66

11.1 Degradarea compozitelor - generaliti 66

11.2. Modelarea degradrii la oboseal a compozitelor 72

11.2.1 Determinarea curbei de durabilitate 72

11.2.2. Metode hibride micro-macromecanice bazate pe noiunea de rezisten rezidual

74

11.2.3. Modele bazate pe pierderea de rigiditate 78

11.2.4. Modele bazate pe micromecanisme de degradare 81

11.3. Cumulul degradrii 82

12. Materialele utilizate la experimente 84

12.1 Construcia plcilor prin tehnologia de termoformare cu sac vidat

84

12.2 Construcia tuburilor prin nfurare filamentar 90

13. Aparate i metode utilizate pentru investigaii 102

14. Msurarea caracteristicilor termofizice ale materialelor compozite cu matrice organic

123

15. Msurarea difuzivitii i conductivitii termice a plcilor 135

16. Caracteristicile mecanice ale plcilor din materiale compozite stratificate [0/90]s

149

16.1 Traciunea epruvetelor asupra crora fora de traciune s-a aplicat pe direcia fibrelor din straturile exterioare

150

16.2 Traciunea epruvetelor asupra crora fora de traciune s-a aplicat pe direcia ce formeaz un unghi de 900 cu direcia fibrelor din straturile exterioare

160

16.3 Traciunea epruvetelor asupra crora fora de traciune s-a aplicat pe direcii ce formeaz unghiuri de 150, 250 respectiv 450 cu direcia fibrelor din straturile exterioare

165

17. Msurarea modulului de forfecare plan 170

18. Modelarea matematic a comportrii plcilor din materiale compozite stratificate sticl epoxi la traciune

180

19. Estimarea degradrii materialelor compozite prin intermediul 193

rezistenei reziduale

20. Degradarea prin ncovoiere a plcilor din materialelor compozite cu matrice organic

200

21. Caracteristicile mecanice ale tuburilor din materiale compozite stratificate

214

21.1 ncercarea tuburilor la oboseal 215

21.2 ncercarea tuburilor la presiune intern 220

1. SCURT ISTORIC AL MATERIALELOR COMPOZITE

Termenul compozit ar fi trebuit probabil s dateze din perioada n care s-

a utilizat pentru prima dat chirpiciul n construcii. De asemenea, betoanele au

fost fabricate cu mult nainte ca termenul s le fie asociat.

Compozitele polimerice au aprut la nceputul secolului XX, cnd s-a

nregistrat primul patent de obinere a rinilor fenol formaldehidice, depus de

Leo Hendric Baekeland, iar n 1910 a luat fiin n SUA General Bakelite

Company.

Utilizarea pentru prima dat a fibrelor de sticl ca material de armare a

polimerilor dateaz din 1940 dup care apare o adevrat explozie a

fenomenului compozit, datorat n principal nceperii produciei de rini

epoxidice. Firma Ciba-Geigy unul din principalii furnizori mondiali de rini

epoxidice a produs primele rini de acest tip n 1946.

Dei fundamentele industriale ale producerii materialelor compozite

dateaz de la mijlocul secolului trecut, trecerea de la aplicaii de uz curent la

aplicaiile de nalt performan s-a realizat dificil, datorit n principal nevoii de

utilizare a materialelor n medii de lucru agresive, tendinei de utilizare la

temperaturi din ce n ce mai ridicate i nu n ultimul rnd necesitii de atingere a

unor caracteristici specifice de excepie.

Astfel, pe lng rafinarea din punct de vedere compoziional a matricilor

polimerice s-a urmrit producerea de materiale de ranforsare cu caracteristici

superioare: fibrele de sticl, fibrele de carbon Union Carbide (1957), fibrele de

bor, kevlarul (patent al firmei Du Pont de Nemour).

Funcie de aplicaii, n ultimii ani accentul s-a mutat nu att pe materialele

n sine (din punct de vedere compoziional), ct pe ameliorarea caracteristicilor

legate de creterea proporiei de element de ranforsare, mrirea aderenei fibre -

matrice (tratarea suprafeei fibrelor) i respectiv, caracterizrii materialelor

compozite n principal la solicitri de lung durat.

2. SCOPUL I OBIECTIVELE CURSULUI

Scopul cursului este familiarizarea studenilor cu noiuni legate de obinerea

materialelor compozite, componentele i punerea n form a acestora, metodele de

testare, comportarea la solicitrile termice i mecanice.

Sistemul compozit ales tratat n detaliu, rina epoxidic armat cu fibre de

sticl lungi, ce face parte din clasa materialelor compozite de nalt performan,

prezint o anizotropie accentuat i unul din scopurile cursului este evidenierea

acesteia. Funcie de orientarea elementului de armare fa de direcia de aplicare a

sarcinilor n exploatare, comportamentul materialului compozit este diferit. Lucrarea

i propune s completeze baza de date referitoare la degradarea mecanic a

materialelor compozite i s se constituie ntr-un instrument util proiectanilor de

structuri. 3. DESCRIEREA CAPITOLELOR

Multe structuri moderne necesit materiale care s aib proprieti variabile

de la un punct la altul, cu o funcionalitate mrit. Posibilitatea conferirii

caracteristicilor diferite pe direcii diferite (anizotropie) reprezint un pas important n

cunoatere la care i-au adus contribuia cercettori din ntreaga lume. Sunt

renumite colile din Frana, Marea Britanie, SUA, Germania, iar n ultimii ani se

nregistreaz o masiv ofensiv asiatic. Cercetrile materialelor anizotrope au n

centrul ateniei la ora actual materialele cu gradient (caracteristici variabile continuu

pe o anumit direcie) n principal datorit aplicaiilor medicale, dar materialele

compozite armate cu fibre lungi (caracteristici diferite funcie de direcia de armare)

chiar dac sunt utilizate de mai multe decenii, nu sunt suficient descrise mai ales din

punct de vedere al comportrii la solicitri ciclice.

Primele capitole ale lucrrii (partea I) prezint un cadru general asupra

cursului.

Lucrarea i propune (n partea a II a), dup o descriere general a

materialelor compozite (Capitolul 4) i detalierea elementelor componente (Capitolul

5), prezentarea materialelor compozite structurale (Capitolul 6).

2

n Capitolul 7 sunt trecute n revist principalele procedee de punere n form

a materialelor compozite i sunt evideniate particularitile acestora. Capitolul 8

prezint n detaliu tehnologiile care utilizeaz ca materie prim preimpregnatele i

evideniaz locul i rolul lor n obinerea materialelor compozite de nalt

performan. Problemele legate de complexitatea nelegerii fenomenului compozit

sunt explicate succint n Capitolul 9, iar n Capitolul 10 am prezentat un studiu

bibliografic referitor la modelele matematice simple utilizate la omogenizarea

caracteristicilor termice i mecanice ale materialelor anizotrope.

n Capitolul 11 sunt tratate principalele etape care apar n degradarea

mecanic a structurilor din materiale compozite stratificate i un studiu bibliografic

asupra modelrii matematice a fenomenelor de degradare.

Construcia plcilor i tuburilor din material compozit stratificat este descris

detaliat, cu accent asupra modului de funcionare a mainii de nfurare

filamentar, n Capitolul 12. Capitolul 13 prezint aparatura utilizat n decursul

experimentelor precum i principiile de funcionare (unde am considerat c este

cazul). Capitolele 14 i 15 prezint analiza termic a materialelor compozite din

rini epoxidice armate cu fibre de sticl realizat prin calorimetrie diferenial

scanning (determinarea temperaturii limit de utilizare a materialului (temperatura

de tranziie vitroas), cldura specific), printr-o metod n regim tranzitoriu (flash

laser) n vederea determinrii difuzivitii i conductivitii termice respectiv, prin

dilatometrie.

Capitolul 16 prezint experimentele de traciune asupra epruvetelor prelevate

din plci cu evidenierea determinrii modulelor de elasticitate, funcie de orientarea

fibrelor fa de direcia de aplicare a forei de traciune, iar n Capitolul 17 este

descris procedura de evaluare a modulului de forfecare plan.

Modalitatea de comportare n spaiul tensiune-deformaie observat n

Capitolul 16 este modelat n Capitolul 18, pornind de la un model cu un parametru

dezvoltat de Sun i Chen pentru materialele unidirecionale i adaptat de Ogihara i

Reifsnider pentru ranforsri de tip estur. Modelul cu parametrii proprii determinai

din analiza datelor experimentale, modeleaz foarte bine comportarea stratificatelor

cu secvena de mpachetare [0/90/90/0].

n Capitolul 19 sunt prezentate rezultate ale traciunii aplicate epruvetelor

prelevate din plci care au fost supuse n prealabil unui anumit nivel de degradare.

3

Experimentele au fost realizate n scopul determinrii corelaiei dintre valorile

parametrului de degradare exprimat ca reducere relativ a modulului de elasticitate

i valorile parametrului de degradare exprimat ca rezisten rezidual a stratificatului.

Capitolul 20 trateaz o serie de experimente de oboseal prin ncovoiere

aplicate epruvetelor plane, cu o main de concepie proprie construit n

laboratoarele Universitii Valahia din Trgovite. Este prezentat modul de

comportare la oboseal a epruvetelor unidirecionale i stratificate [0/90/90/0] cu

fibrele din straturile exterioare plasate pe direcia longitudinal i respectiv la un

unghi de 250 fa de direcia longitudinal.

Comportarea la oboseal prin ntindere i la presiune intern a tuburilor din

compozite stratificate construite prin procedeul de nfurare filamentar este

prezentat n Capitolul 21.

n Capitolul 22 sunt prezentate concluziile finale i respectiv, perspectivele de

cercetare oferit de lumea constituit de materialele compozite.

4. DESCRIEREA MATERIALELOR COMPOZITE

Compozitul n sensul cel mai general este definit ca o combinaie de materiale

diferite prin natura compoziiei chimice, formei sau structurii microscopice.

Dup punerea n form a materialului, componentele pstreaz propria lor

identitate i apar distincte din punct de vedere fizic (n toat masa materialului exist

interfee bine definite).

Un material compozit este un solid alctuit prin combinaia fizic a dou sau

mai multe materiale, pentru a produce un sistem multifazic cu proprieti diferite de

ale materialelor iniiale [4.1].

Materialele compozite sunt ntlnite pretutindeni: de la compozitele naturale -

osul din lumea animal i compozitele minerale betoanele pn la materialele de

nalt performan realizate exclusiv artificial utilizate n industria arospaial.

Compozitele cu matrice polimeric sunt prin excelen materiale cu

caracteristici duale; fazele constitutive, rina i fibrele prezint caracteristici care le

plaseaz la extremele caracteristicilor materialelor. Compozitul sub forma de straturi

4

aranjate funcie de direcia de aplicare a sarcinilor n exploatare (stratificat) permite

printr-o astfel de mpachetare optimizarea construciei unei structuri (crearea

corespondenei ntre axele de solicitare i axele de rigiditate).

Pentru trecerea din stadiul de materie prim n cel de produs finit sunt

dezirabile echipamente ieftine i eficiente n vederea reducerii preului de cost. De

asemenea sunt de dorit caracteristici mecanice ridicate (rezilien i rigiditate) n

condiiile pstrrii unei densiti reduse.

Prin satisfacerea acestor cerine, materialele compozite (n special

compozitele cu matrice organic armate cu fibre) au devenit cele mai utilizate tipuri

de materiale pentru un domeniu larg de aplicaii.

Aplicabilitatea deosebit, a avut ca efect desfurarea unor campanii

experimentale vaste, n care lumea tiinific a fost i este implicat, dar

multitudinea de sisteme compozite (matrici, elemente de armare, tipuri de dispunere,

proporii relative ntre componente) constituie o lume care niciodat nu poate fi n

totalitate investigat. Datorit complexitii problemei la ora actual se poate

considera c se cunoate comportamentul compozitelor la ncercri mecanice

statice, dar campaniile de ncercri pentru determinarea modului de comportare n

exploatare (testele de oboseal), sunt nc departe de a fi finalizate, unul dintre

motive fiind durata i costurile relativ ridicate pe care le implic.

n absena unor modele foarte precise de descriere a comportamentului

structurilor, se apeleaz la supradimensionarea acestora, fapt care are ca efect

reducerea interesului n aplicarea soluiilor compozite. Un plus n cunoatere

(identificarea unor legi mai mult sau mai puin realiste de modelare a fenomenelor de

comportare n exploatare a materialelor compozite stratificate) ar permite

optimizarea proiectrii structurilor de acest tip, respectiv reducerea masei, a

costurilor i creterea fiabilitii.

Datorit multitudinii de combinaii posibile, exist o diversitate de modaliti de

clasificare a materialelor compozite, dar cele mai generale sunt funcie de tipul

materialului de armare i de matura matricei [4.2].

Funcie de natura materialului de armare compozitele pot fi:

5

- armate cu particule (sfere din sticl sau alte materiale, pline sau goale n

interior cu diametrul n gama 5500 m).

Datorit dimensiunilor reduse are elementului de armare i distribuiei relativ

uniforme n matrice prezint cel mai ridicat grad de izotropie.

- armate cu fibre scurte (whiskers).

Armtura se prezint sub forma monocristalelor filiforme cu lungime foarte mic,

uzual sub 0,5 mm, foarte rar pn la 2,5 mm din metale (Al, Ti, Cu, Ni) sau ceramice

(oxid de aluminiu, nitrur de aluminiu, carbur de bor, carbon,nitrur de siliciu, etc. )

- armate cu fibre lungi sau tocate.

Orientarea agentului de armare conduce la o puternic anizotropie, dar acest tip de

compozite posed cele mai bune caracteristici.

Natura matricei n general definete domeniul de temperatur la care sunt

utilizate materialele compozite:

- matrice ceramic (destinat utilizrii la temperaturi extrem de ridicate).

Materialele matricei pot fi carbura de siliciu, carbonul, oxidul de zirconiu, etc.

- matrice metalic (Al, Mg, Ti, Ni, Co i aliajele acestora) destinate utilizrii n

domeniul de temperaturi medii.

- cu matrice organic (polimeric).

Sunt ideale pentru utilizri la temperaturi n general reduse. Expunerea la

temperatur ridicat conduce la degradarea matricei. Matricile pot fi termorigide

(epoxidice, poliesterice, fenolice) sau termoplastice (PVC, poliamide, polipropilen,

poliuretani).

6

Figura 4.1 Constituenii materialelor compozite cu matrice organic

O caracterizare mult mai general dar i mai relevant plaseaz compozitele

funcie de performane n dou mai categorii:

- de uz general (UG) 95% din materialele utilizate;

- de nalt performan (IP).

Compozitele de uz general sunt materiale plastice armate, la care proporia

volumic de element de armare nu depete de regul 30%. Ponderea cea mai

mare n ceea ce privete componentele utilizate la fabricarea materialelor compozite

de uz general, o au fibrele de sticl (aproximativ 99%) respectiv, rinile poliesterice

(aproximativ 95%)

Compozitele de nalt performan sunt destinate aplicaiilor aeronautice,

militare, domenii unde preul de cost nu reprezint un impediment. n majoritatea

cazurilor elementul de armare aflat n proporie volumic limitat inferior la 50%, se

prezint sub form de fibre lungi. Spre deosebire de materialele compozite de uz

7

general, caracteristicile specifice ale compozitelor de nalt performan le pot

depi pe cele ale materialelor metalice (Figura 4.2).

Figura 4.2 Rezistena specific a materialelor metalice uzuale i a materialelor

compozite de nalt performan

Caracteristicile prezentate n Figura 4.2 corespund raportrii rezistenei la

rupere a materialului, la densitatea acestuia.

Apar tot mai frecvent situaii n care materialele tradiionale nu pot satisface n

totalitate multitudinea restriciilor legate de lejeritatea punerii n form, rezisten

ridicat, densitate redus i cum configuraia geometric a structurilor este n

general impus, singura prghie asupra creia se poate aciona rmne cea a

utilizrii materialelor noi, cu caliti deosebite. n aceste condiii, pentru o structur

mecanic cu o geometrie cunoscut i condiii de lucru de asemenea cunoscute,

este necesar s se proiecteze i s se realizeze materialul adecvat din care aceasta

s fie confecionat. Necesitatea utilizrii pe scar tot mai larg a materialelor

8

compozite, n vederea obinerii unor structuri uoare i fiabile, a condus i la

perfecionarea metodologiilor de analiz a acestora.

Pentru obinerea unui material compozit performant trebuie ndeplinite trei

condiii de baz [4.3]. Prima dintre acestea este identificarea proporiei fiecrui

constituent necesar obinerii caracteristicilor finale. Variaia proprietilor unui

material (ex. Pc1 i Pc2 ) funcie de compoziie, ilustrat n Figura 4.3 poate fi un

instrument util n alegerea compoziiei optime.

Figura 4.3 Variaia proprietilor unui material compozit (ex. Pc1 i Pc2 ) cu

proporia volumic a elementului de armare Vf [4.3]

Deoarece nu sunt efectuate experimente pentru fiecare proporie de

constituent n parte, foarte util este omogenizarea, un procedeu de modelare a

caracteristicilor compozitului funcie de caracteristicile matricei, ale elementelor de

armare i de proporia fiecrui component al amestecului.

A doua condiie ce trebuie respectat la fabricare este dozarea componenilor

i asigurarea legturii ntre materialul de ranforsare i matrice. ntreruperea interfeei

matrice-element de armare (decoeziunea), conduce la apariia defectelor cu

suprafa din ce n ce mai mare i la reducerea caracteristicilor mecanice [4.4,5].

Rolul interfeelor este att de important, nct productorii acoper suprafaa

elementelor de armare (a fibrelor n special) cu substane (aditivi), care asigur o

compatibilitate mrit cu materialul matricei (umectare) i contribuie la mrirea

suprafeei de contact interfazic, astfel nct eforturile s poat fi transmise optim de

la o fibr la alta prin intermediul matricei. n cazul compozitelor cu caracteristici

9

magnetice (magnei permaneni) este esenial calitatea interfeei (separarea

particulelor de pulberi magnetice pentru conferirea proprietilor dorite) [4.6].

A treia condiie este alegerea procedeului de punere n form, astfel nct

produsul final s prezinte compactitate maxim i o repartiie uniform sau nu (dac

se impune acest lucru) a elementului de armare.

Interesul acordat subiectului este susinut i de faptul c pe plan mondial au

loc numeroase simpozioane i conferine, se public monografii i articole, exist

reviste de prestigiu dedicate materialelor compozite.

Materialele care vor fi tratate pe parcursul expunerilor, se plaseaz n categoria materialelor compozite de nalt performan i provin din asocierea unei matrici organice cu elemente de armare de tip fibros.

Materialul compozit este prin excelen multifazic, componentele acestuia

(elementele de ranforsare, respectiv rina) avnd caracteristici foarte de diferite,

care conduc la o anizotropie pronunat a caracteristicilor.

Punerea n eviden a anizotropiei poate fi fcut printr-o analiz difereniat

la diverse niveluri (micro, mezo sau macroscopic) i implic cunoaterea

caracteristicilor elementelor componente ale sistemului compozit. n acest sens se

va analiza difereniat fiecare component: matricea polimeric respectiv, fibrele cele

mai utilizate n producia de compozite armate cu fibre. Urmtorul pas este analiza

caracteristicilor materialului compus din ambele faze (cu punerea n eviden a

anizotropiei geometrice), iar n final identificarea comportrii mecanice a materialului

compozit solicitat pe diverse direcii fa de direcia elementului de ranforsare, cu

modelarea matematic a comportamentului neliniar i simularea curbelor de

traciune.

5. COMPONENTELE UNUI MATERIAL COMPOZIT 5.1 RINA

Cerinele pe care ar trebui s le ndeplineasc materialul matricei pentru ca

acesta s fie bine adaptat la tipul de fibre utilizat i s conduc n consecin la o

bun comportate n funcionare a materialului sunt:

- s prezinte o bun adeziune la suprafaa fibrelor [5.1];

10

- s fie destul de deformabil;

- s aib rezisten ridicat la oboseal, la condiiile de mediu (termice i

chimice);

- s fie uor de stocat, pus n form i nu n ultimul rnd s aib un pre de

cost accesibil.

Diversele tipuri de materiale utilizate ca matrice n fabricarea materialelor

compozite sunt prezentate n Figura 5.1.

Figura 5.1 Reprezentare schematic a tipurilor de matrici utilizate la fabricarea

materialelor compozite

Toi polimerii prezin o caracteristic comun, sunt constituii din lanuri lungi

de molecule, provenite dintr-o structur simpl care se repet. Polimerii sintetizai

artificial sunt denumii sintetici sau rini.

Elastomerii sunt caracterizai prin elasticitate ridicat, dar prezint un modul

de elasticitate foarte redus.

Materialele cele mai utilizate n fabricarea materialelor compozite, din punct

de vederea al comportrii la ciclurile nclzire rcire se plaseaz n dou mari

categorii: termorigide i termoplastice.

Polimerii termoplastici se comport similar aliajelor metalice, prin nclzire se

constat o reducere a caracteristicilor mecanice, unii dintre acetia pot fi chiar topii

i se durific la rcire. Procesul de nclzire-rcire se poate repeta (reversibilitate) cu

pstrarea aproximativ nealterat a caracteristicilor fiecrei stri n parte. Materialele

11

termoplastice tipice sunt nylonul i polipropilena i se ranforseaz uzual numai cu

fibre scurte (n general sticl).

Polimerii termorigizi sunt formai printr-o reacie chimic n care rina i

agentul de durificare sau catalizatorul sunt amestecai, iar n urma reaciei chimice

ireversibile, formeaz compusul dur utilizat n materialele compozite. n unele rini

(ex. fenolice), n timpul procesului de polimerizare se degaj substane volatile

(reacie de condensare). Rinile epoxidice polimerizeaz prin mecanisme care nu

implic degajarea de produi volatili (reacii de adiie). Dup ncheierea polimerizrii,

aceste tipuri de rini nu vor mai deveni lichide prin nclzire, cu toate acestea peste

o anumit temperatur (temperatura de tranziie vitroas - Tg) caracteristicile

mecanice se modific semnificativ. Temperatura de tranziie vitroas este

dependent de tipul de rin i de gradul de reticulare al polimerului. nclzirea la

temperaturi mult mai ridicate conduce la sublimarea acestora (distrugerea structural

a materialului compozit).

Deasupra Tg structura molecular a rinii polimerizate se modific dintr-o

structur polimeric rigid ntr-una amorf, mult mai flexibil. Aceast modificare

este reversibil prin rcirea sub Tg. La temperaturi superioare celei de tranziie

vitroas, caracteristici cum ar fi modulul de elasticitate, se reduc considerabil.

Matricea utilizat n cadrul prezentului studiu este de tip termorigid. Printre rinile folosite ca matrice organic se pot enumera:

Rinile Epoxidice sunt cele mai utilizate conferind cele mai bune

caracteristici structurale. Rezist n serviciu la temperaturi n jurul a 1000C

i sunt facil de utilizat;

Rinile Bismaleimidice pot fi utilizate pn 1800C i sunt facil de utilizat;

Rinile Poliimidice rezist pn la 260-3150C, dar sunt dificil de stocat

i pus n form;

Rinile Poliesterice - facil de utilizat dar au cele mai reduse caracteristici

structurale;

Rinile Fenolice dificil de utilizat i au caracteristici structurale slabe.

Cercetrile efectuate asupra materialelor polimerice n ultimii ani au progresat

rapid i sunt orientate ctre rini care s prezinte o temperatur redus de

12

polimerizare, timp de autopolimerizare ndelungat (intervalul de timp din momentul

fabricaiei pn la punerea n form), netoxicitate.

n Tabelul 5.1 sunt prezentate spre comparaie preurile de cost ale rinilor

folosite uzual ca matrice la fabricarea compozitelor.

Tabelul 5.1. Comparaie ntre costul diverselor tipuri de rini [5.2]

Tip rin Cost (/kg)

Poliesteric 1-2

Viniesteric 2-4

Epoxidic 3-15

Fenolic 2-4

Cianat ester 40

Poliuretanic 2-8

Bismaleimidic (BMI) >50

Poliimidic (PMR15, LaRC160) >80

Se evideniaz diferene extrem de mari ntre diverse tipuri de rini n privina

preului de cost, datorate n cea mai mare msur costului precursorilor utilizai la

obinere, respectiv complexitii procesului tehnologic.

Rina epoxidic are caracteristici superioare celor poliesterice sau

vinilesterice n ceea ce privete rezistena, ct i rigiditatea. De asemenea

temperatura la care are loc reticularea conduce la caracteristici diferite chiar i

pentru acelai tip de rin. Rinile bismaleimidice prezint stabilitate pn la

temperatura de 2600 C i au o comportare foarte bun la foc, radiaii, ageni chimici,

dar preul de cost extrem de ridicat le recomand numai pentru construcia pieselor

pentru motoare n industria aeronautic i aplicaii militare.

O caracteristic important n ceea ce privete procesul de reticulare de care

trebuie s in cont proiectanii i constructorii sunt abaterile dimensionale datorate

rearanjrii i reorientrii moleculelor rinii n faza lichid i semilichid. Rinile

poliesterice i vinilesterice implic rearanjri considerabile ale moleculelor, astfel

nct atingerea strii de reticulare poate conduce la contracii de pn la 8%. Natura

13

diferit a reaciilor din sistemele epoxidice, n care nu sunt implicai i compui

volatili conduce la abateri dimensionale de pn la 2%. Absena contraciilor este

ntr-o anumit msur explicaia caracteristicilor mecanice superioare ale sistemelor

epoxidice, datorit faptului c modificrile dimensionale sunt asociate cu apariia

tensiunilor interne n material i conduc la fragilizarea acestuia.

Rina dup ce este polimerizat, are rolul esenial de a adera la suprafaa

fibrelor i a transfera eforturile de la o fibr la alta.

Funcie de masa molecular i temperatur rina comport trei stadii

diferite :

a. Starea fluid : Rinile cu mas molecular redus sunt fluide la temperatur

ambiant. Prin nclzire, ntr-o prim etap vscozitatea se reduce (rina poate

umecta optim materialul de armare i limiteaz tendina de apariie a golurilor de

aer). Aceast reducere de vscozitate se produce naintea etapei de reticulare a

polimerului.

b. Starea de gel : reprezint etapa de debut a reticulrii. Pe msur ce reacia de

reticulare avanseaz, vscozitatea rinii crete i are loc tranziia ntr-o stare

intermediar, semisolid.

c. Starea solid : Pe msur ce temperatura de nclzire crete, mecanismul de

reticulare avanseaz i polimerul se durific. Structura materialului este amorf.

Dac temperatura la care se face polimerizarea depete cu mult temperatura de

tranziie vitroas se poate produce degradarea rinii.

5.1.1 Caracteristicile rinilor Figura 5.2 prezint curba tensiune-deformaie pentru un sistem polimeric

ideal. Curba pune n eviden o ridicat rezisten la rupere, rigiditate bun (indicat

de panta iniial a curbei) i alungire la rupere semnificativ. Aceasta ar presupune

c rina este rigid dar n acelai timp nu prezint un aspect fragil al ruperii.

Dac materialul compozit este supus ntinderii, pentru a utiliza n totalitatea

capacitarea fibrelor de a rspunde la solicitri, rina trebuie s se poat deforma

cel puin la fel de mult ca i fibrele.

14

Fig. 5.2 Comportarea mecanic ideal a unei rini (stnga) respectiv, comparaia

ntre comportarea la traciune a unei rini i a elementelor de armare [5.3]

Figura 5.2 prezint alungirea la rupere pentru diverse tipuri de fibre folosite

uzual la fabricarea materialelor compozite (sticl tip E, sticl tip S (R), fibre aramidice

i fibre de carbon de nalt rezisten). Curbele caracteristice definesc

comportamentul materialului fr ca acesta s fac parte dintr-un compozit. Spre

comparaie este prezentat i curba caracteristic pentru rina epoxidic.

Se poate observa c rezistena la rupere a rinii este net inferioar

materialului de armare. Fibrele care prezint o alungire la rupere ridicat (ex. fibrele

de sticl de tip S aproximativ 5,3%), se asociaz cu rini care s aib o alungire la

rupere cel puin egal. n caz contrar, sub tensiuni de ntindere, materialul matricei

ncepe s cedeze nainte de ruperea fibrelor, determinnd o slab exploatare a

caracteristicilor acestora.

Comportarea mecanic a fibrelor este de tip elastic pe ntreg domeniul de

ncrcare.

Aderena ntre rin i fibre este determinant pentru orice sistem polimeric folosit ca matrice. Aceasta favorizeaz transferul eficient al tensiunilor ntre fibre i

previne propagarea fisurilor, respectiv decoeziunile fibr-matrice (defecte care dup

un proces rapid de cumulare, conduc la distrugerea structural a materialului

compozit).

15

Reziliena este o msur a capacitii rinii de a se opune propagrii fisurilor, dar n materialele compozite este destul de dificil de msurat cu precizie.

Exist unele modele micromecanice care ncearc s explice comportarea

materialului dup apariia unei fisuri, prin redistribuirea tensiunilor n elementele

rmase nedeteriorate, dar care rmn la nivel empiric datorit dificultii verificrilor

experimentale.

Cu toate acestea curba tensiune-deformaie a polimerului furnizeaz o

orientare, n sensul c o alungire la rupere mai ridicat, sugereaz de asemenea, o

rezisten superioar la propagarea fisurilor. n mod similar, o rin cu alungirea la

rupere redus va favoriza un comportament fragil al materialului compozit. Este

foarte important corelarea acestei caracteristici a matricei cu proprietile fibrelor.

Rezistena ridicat la aciunea factorilor de mediu (apa sau alte substane corozive), corelat cu o bun comportare la solicitri ciclice (oboseal), sunt de

asemenea caracteristici eseniale pentru sistemele polimerice folosite ca matrice.

Aceste caracteristici sunt importante n particular pentru utilizarea n mediu marin.

Costurile relativ reduse ale rinilor epoxidice comparativ cu rinile cu

caracteristici speciale (bismaleimidice, poliimidice) le recomand ca fiind materialele

cu cel mai bun raport calitate/pre.

5.1.2 Rinile epoxidice

Rinile epoxidice sunt utilizate pentru o multitudine de aplicaii ca adezivi

structurali, matrici pentru fabricarea materialelor compozite, elemente izolatoare

electric.

Caracteristici de baz [5.4]:

caracteristici mecanice deosebite; rezistena la aciunea factorilor de mediu i a agenilor chimici; la fabricarea stratificatelor se remarc prin aderen deosebit la agentul de

armare i comportare excelent la aciunea apei (componente pentru ambarcaiuni

de nalt performan);

reacia rin-agent de polimerizare nu are loc cu eliminarea de compui volatili (ca n cazul rinii poliesterice);

16

stabilitate dimensional; prezena gruprilor oxiranice confer capacitate de reacie cu o mare varietate de

grupri funcionale care particip la polimerizare. Efectul funcional const n

atingerea unei game largi de caracteristici ce pot fi obinute.

Termenul epoxi [5.5-6] se refer la o grupare care conine un atom de oxigen

legat de doi atomi de carbon (Figura 5.3)

Figura 5.3 Gruparea epoxi (oxiranic)

Sunt comercializate mai multe tipuri de rini epoxidice dar peste 95% din

acestea sunt de tip DGEBA (diglicidil eter al bisfenolului A) [5.7-8], un produs

macromolecular liniar, obinut prin policondensarea bisfenolului A (2-2 bis (p-

hidroxifenil) propan) cu epiclorhidrina n prezena NaOH cu rol de catalizator de

reacie (fig. 5.4).

Figura 5.4 Obinerea unei molecule de rin epoxidic DGEBA

Se pot obine rini cu mase moleculare diferite funcie de raportul dintre

reactani. Rinile epoxidice prezint stri de agregare i vscoziti diferite funcie

de masa molecular (lichid pentru n=0-1, solid pentru n>2)[5.9].

17

Tabelul 5.2. Proprietile rinilor epoxidice [5.9]

Lungimea catenei

(n)

Masa molecular

(aprox.)

Temperatura de

topire (0C)

0-1 400 Lichid

2 1000 70

4 2000 100

8 3500 130

12 6000 150

Agenii de durificare pot avea structur chimic divers, dar cu toii sunt

caracterizai prin prezena hidrogenului activ. Cei mai utilizai durificatori sunt

aminele alifatice primare i secundare, poliaminele primare i secundare, etc.

Funcie de temperatura de lucru, exist aditivi care conduc la polimerizarea la

rece, ageni durificatori pentru lucrul n atmosfer umed sau temperatur ridicat.

Dac amina i rina epoxidic nu sunt amestecate n proporia corect, vor

rmne cantiti de durificator n exces sau de rin nepolimerizat, care au ca

efect alterarea caracteristicilor mecanice obinute n urma polimerizrii. Rinile

epoxidice pot reticula ntr-un interval extrem de larg de temperaturi funcie de

agentul de polimerizare.

Spre deosebire de reticularea rinilor poliesterice, unde este nevoie de un

catalizator s declaneze reacia ntre componentele care sunt amestecate n

prealabil i nu reacioneaz n lipsa acestuia, rinile epoxidice polimerizeaz prin

adugarea unui durificator care particip activ la reacie (adiie).

18

Figura 5.5. Reacia epoxi-amin

n urma reaciei de adiie, se creaz o reea complex funcie de tipul aminei.

Caracteristicile mecanice ale compozitului sunt dependente direct de gradul

acestuia de compactitate (lipsa porilor), de aderena fibre-matrice i nivelul de

impregnare a fibrelor. Se poate pune n eviden o variaie destul de nsemnat a

acestor caracteristici chiar i n cazul folosirii aceleiai proporii fibre-matrice, i tip de

fibre respectiv, rin.

Cu ct reeaua spaial creat n urma reticulrii matricei polimerice este mai

complex, cu att materialul compozit prezint caracteristici termice i mecanice mai

bune.

5.2 FIBRELE 5.2.1 Caracteristicile fibrelor Fibrele folosite ca elemente de ranforsare sunt extrem de variate n ceea ce

privete compoziia chimic i caracteristicile mecanice. Comportarea n exploatare

a compozitului depinde n mod esenial de comportarea fibrelor. Principalele

materiale utilizate ca elemente de armare sunt prezentate n Figura 5.6.

19

Fig. 5.6 Elemente de armare

Elementele de armare cu cele mai ridicate performane se prezint sub form

de fibre. Tipurile de fibre utilizate uzual sunt: fibrele de sticl, fibrele de carbon i

fibrele aramidice.

Fibrele de tip aramidic, cunoscute sub denumirea comercial Kevlar, au la

origine fibre de poliaramide sau poliamide aromatice tratate prin sintez la

temperatur joas (-100C), urmat de tragere. Pentru mbuntirea caracteristicilor

mecanice (modulului de elasticitate), sunt ulterior tratate termic. Prezint

performane excelente la oc i au densitate redus.

Fibrele de carbon sunt obinute pornind de la fibre acrilice supuse

descompunerii termice prin procedee de oxidare la 3000C, urmat de carbonizare

ntr-un mediu de gaz inert care s conduc la grafitizare i oxidare controlat

folosind acid azotic. Acest tip de fibre prezint un excelent raport modul de

elasticitate/densitate. Densitatea fibrelor de carbon reprezint aproximativ 80% din

cea a celor de sticl, n timp de modulul de elasticitate ajunge pn la de 8 ori mai

mare.

Fibrele de sticl de nalt rezisten (tip R), prezint n schimb o rezisten la

rupere superioar.

20

Spre deosebire de fibrele de sticl i carbon, fibrele ceramice pot fi

considerate ca fiind de o nou generaie, dezvoltate abia n ultimii ani. Diverse tipuri

de fibre ceramice sunt obinute prin depunere chimic din faz de vapori pe un fir

suport (n general wolfram sau carbon cu diametru de 10 m): fibre de bor (B), fibre

de bor-carbur de bor (B4C), fibre de carbur de siliciu (SiC) i fibre de bor-carbur

de siliciu (BorSic). Caracteristica de baz a acestor tipuri de materiale este

rezistena la temperaturi ridicate, domeniu n care compozitele cu matrice polimeric

nu mai pot fi folosite.

Tabelul 5.3 Comparaie ntre caracteristicile diverselor tipuri de fibre

Tip fibre Caracteristica

Sticl E Kevlar HM Carbon

HM

Bor

Modul de elasticitate (MPa) 73000 130000 400000 430000

Rezistena la rupere (MPa) 3400 3100 2200 3500

Densitatea (kg/m3) 2600 1450 1800 2630

Pre (comparativ) 1 30 65-70

Diametru (m) 3 -30 12 7 100-150

Fig. 5.7 Costul fibrelor utilizate uzual

21

5.2.2 Fibrele de sticl Fibrele de sticl prezint cel mai bun raport performane/pre.

Sunt obinute prin tragerea filamentelor din sticl topit, cu o vitez i un timp

de rcire extrem de bine controlat prin filiere de platin. Pot fi obinute n dou

variante: continue sau discontinue. Elementele constitutive ale topiturii sunt n

general oxizi: oxid de siliciu,oxid de aluminiu, oxizi de fier, oxid de titan, oxid de bor,

oxizi de sodiu i potasiu. Funcie de compoziie, caracteristicile fibrelor de sticl sunt

diferite, fapt pentru care sunt clasate n 6 categorii:

A comportare bun n medii alcaline;

C rezisten chimic;

D caracteristici dielectrice ridicate;

E bune proprieti electrice;

R,S nalt rezisten mecanic (R simbolizarea european).

Imediat dup filare, fibrele de sticl sunt supuse unor tratamente de finisare,

aceasta fcndu-se cu o soluie ce conine agent de finisare, lubrifiant, antistatizant

i agent de cuplare. Funciile acestora sunt urmtoarele:

agentul de finisare (un polimer peliculogen: alcool polivinilic, poliacetat de vinil) unete filamentele de sticl i formeaz o pelicul care le protejeaz

de distrugere prin abraziune;

lubrifiantul (de obicei un ulei vegetal) micoreaz coeficientul mare de frecare al fibrelor, reducnd uzura;

antistatizantul previne sau reduce ncrcarea electrostatic de suprafa; agentul de cuplare (de obicei un organosilan bifuncional) asigur

compatibilitatea dintre fibr i matrice.

Caracteristicile diverselor tipuri de fibre de sticl sunt dependente de

compoziia lor chimic.

22

Tabelul 5.4 Compoziia chimic a diverselor tipuri de fibre de sticl [5.10]

Compoziie [%] E R C

SiO2 52-56 65 64-68

Al2O3 12-16 25 3-5

B2O3 5-10 - 4-6

Na2O sau K2O 0-2 - 7-10

MgO 0-5 10 2-4

CaO 16-25 - 11-15

BaO - - 0-1

TiO >1,5 - -

Fe2O3 0-0,8 - 0-0,8

Fe 0-1 - -

Un interes deosebit a fost acordat n ultimii ani studiului calitii interfeei ntre

fibre i matrice n conferirea caracteristicilor fizico-mecanice ale compozitului.

Structura acestei regiuni, depinde de agentul de cuplare aplicat pe suprafaa fibrelor

nainte de impregnarea cu rin.

Se consider c interaciunea dintre organosilani ca i ageni de cuplare i

fibrele de sticl const n crearea unei reele la suprafae fibrei, care are ca efect

principal mrirea suprafeei de contact fibr matrice polimeric i implicit creterea

capacitii de transmitere a eforturilor de la o faz la alta a compozitului.

n Tabelul 5.5 sunt prezentate cteva caracteristici ale fibrelor de sticl n

comparaie cu ale altor materiale uzuale. Se remarc cu uurin faptul c aceste

tipuri de fibre au caracteristicile specifice uor superioare celor ale oelurilor inox.

Tabelul 5.5. Caracteristicile fibrelor de sticl n comparaie cu ale altor materiale Tip material Rezistena la

rupere (MPa)

Modulul de

elasticitate (GPa)

Densitatea

(g/cm3)

Modulul

specific

Sticl E 2400 69 2,5 27

Sticl R 3450 86 2,5 34

Cuar 3700 69 2,2 31

Aliaj aluminiu 400 69 2,7 26

23

(7020)

Titan 950 110 4,5 24

Oel inox 800 196 7,8 25

Oel HS 1241 197 7,8 25

Dup normele ISO 2078-1976 fibrele pe baz de sticl sunt simbolizate

funcie de urmtorii parametri:

- tip de sticl (ex. E, C, A, R etc.);

- tip de fibr (C continu, D - discontinu);

- diametrul nominal al fibrei (m);

- masa liniar a fibrei exprimat n tex (mg/km).

Sunt prezentate n continuare elemente caracteristice ale fibrelor de sticl de

nalt performan tip R i ale fibrelor E furnizate de Vetrotex, unul dintre marii

productori de fibre de sticl ai lumii.

Conform Tabelului 5.4, fibrele tip R conin o proporie mai ridicat de SiO2 i

Al2O3 dect fibrele E. Temperatura de procesare n aceste condiii este mai ridicat

iar caracteristicile fizice i termice sunt superioare fibrelor E. Lipsa B2O3 din

compoziia chimic a fibrelor R conduce la creterea rezistenei chimice i la

aciunea factorilor de mediu.

Durata de utilizare n condiii de ploaie acid a cablurilor de fibre optice din

fibre de sticl R ajunge la 20 ani, comparativ cu cele construite din sticl E de numai

2 ani [5.11]. Caracteristicile termice ale fibrelor R sunt superioare celor de tip E nu

numai n privina coeficientului de dilatare termic mai redus (Tabelul 5.6), ci i a

comportrii sub solicitri mecanice Figura 5.8.

Tabelul 5.6 Caracteristicile fibrelor de sticl furnizate de productor [5.12].

Caracteristica Fibre sticl R Fibre sticl E

Coeficient de dilatare termic [1/0C] 4 10-6 5,3 10-6

Cldura specific [J/gK] 0.732 la 200C

0.982 la 2000C

0.764 la 200C

0.958 la 2000C

Coeficient de conductivitate termic [W/mK] 1 1

24

Figura 5.8 Rezistena la rupere funcie de temperatur pentru fibra de sticl

neimpregnat [5.12]

Fibrele R manifest la temperaturi cu 2000C mai ridicate, aceeai rezisten

ca fibrele E [Figura 5.8].

n general, testele aplicate fibrelor neimpregnate sunt prezentate de

productorii de fibre de sticl, dar rezultatele acestora nu pot fi aplicate la calculul de

proiectare a structurilor compozite, datorit faptului c rezistena este o funcie de

mai muli parametrii, nu numai de cei ai elementului de armare.

Din acest motiv testele reprezentative pentru materialul compozit sunt

efectuate asupra fasciculelor de fibre impregnate i se aplic dup polimerizarea

rinii.

n Tabelul 5.7 sunt prezentate spre comparaie caracteristicile mecanice ale

fibrelor individuale i ale fasciculului de fibre impregnate, dar raportate la seciunea

transversal a fibrelor.

25

Tabelul 5.7 Caracteristici ale fibrelor neimpregnate respectiv, impregnate furnizate

de productorul Hexcel Composite

Caracteristica Sticl R Sticl E

Rezistena la rupere (fibra

neimpregnat) [MPa]

4400 3400

Rezistena la rupere (fascicul de

fibre impregnate) calculat la

seciunea fibrelor [MPa]

3400 2400

Modulul lui Young [GPa] 86 72

Se observ diferene semnificative ntre caracteristicile fibrelor msurate pe

fibre individuale i cele msurate pe fasciculele impregnate: (30%) pentru tipul R

respectiv, 42% pentru tipul E.

De asemenea se evideniaz importana puritii oxizilor utilizai ca materie

prim la fabricarea fibrelor de sticl. Prezena Fe i B2O3 n fibrele de sticl E, au ca

efect reducerea rezistenei la rupere cu 22% n cazul testului efectuat asupra fibrelor

neimpregnate respectiv, 30% asupra celor impregnate, fa de rezistena la rupere a

fibrelor tip R.

n Tabelul 5.8 sunt prezentate caracteristicile unui material compozit

unidirecional cu 60% proporie volumic de fibre R respectiv, E i matrice din rin

epoxidic.

Tabelul 5.8 Caracteristicile compozitului armat cu 60% fibre

Caracteristica compozit cu 40%

vol. rin epoxidic

Standard Sticl R Sticl E

Rezistena la rupere [MPa] ISO 3258 1750 1300

Modulul lui Young [GPa] ISO 3258 52,8 45,6

Rezistena la ncovoiere [MPa] ISO 178 1440 1300

Modulul de elasticitate la

ncovoiere [GPa]

ISO 178 51.6 43,2

26

Figura 5.9 Comportarea la oboseal a compozitelor armate cu fibre de sticl R

respectiv, E [5.12]

Rezistena la oboseal a fibrelor de sticl R este cu un ordin de mrime

superioar fibrelor E n cazul solicitrii sub aceeai tensiune. Figura [5.9] ilustreaz

curbele lui Wohler pentru compozitele sticl R respectiv, E impregnate cu rin

epoxidic, pentru solicitarea la oboseal, furnizate de productorul Saint-Gobain

Vetrotex.

De asemenea, materialul compozit armat cu fibre de sticl tip R, solicitat cu

aproximativ 200 MPa peste valoarea solicitrii materialului compozit armat cu fibre

E, rezist la oboseal acelai numr de cicluri.

Indiferent de calitatea materialului de ranforsare sau al matricei,

caracteristicile globale ale materialului compozit sunt dependente n foarte mare

msur de calitatea legturilor dintre componentele compozitului i proporia

acestora, nu mumai n cazul polimerilor armai cu fibre. Spre exemplu, anumite

tipuri de betoane cu coninut redus de ciment, prezint caracteristici superioare

betoanelor clasice din clasa lor, n cazul folosirii sistemelor de liere complexe, care

conduc la formarea legturilor mai puternice matrice-element de armare [5.13].

27

Structura regiunii de interfa, depinde de agentul de cuplare aplicat pe

suprafaa fibrelor nainte de impregnarea cu rin.

n majoritatea cazurilor agentul de cuplare este un silan organofuncional care

poate reaciona la suprafaa sticlei cu gruprile silanol i favorizeaz mrirea

aderenei ntre matricea polimeric i fibrele de sticl.

Se consider c interaciunea dintre organosilani ca i ageni de cuplare i

fibrele de sticl const n crearea unei reele la suprafae fibrei ca are ca efect

principal creterea rugozitii fibrei (mrirea suprafeei de contact fibr matrice

polimeric) i implicit creterea capacitii de transmitere a eforturilor de la o faz la

alta a compozitului.

Caracteristicile mecanice ale reelei sunt dependente de natura agentului de

cuplare depus (tipul de silan depus din soluia apoas la suprafaa fibrelor de sticl).

Structura acestui strat intermediar nu este la ora actual foarte bine cunoscut.

Efectul agenilor de cuplare ca o consecin a structurii interfeei fibre-matrice

a fost analizat n lucrri de dimensiunea tezelor de doctorat. Caracteristicile

interfeei sunt studiate prin mijloace care iau n considerare efectele micromecanice

(testul de fragmentare [5.14]) sau teste mecanice macroscopice (torsiune [5.15]).

6. MATERIALE COMPOZITE STRUCTURALE Din punct de vedere al structurii macroscopice, materialele compozite

stratificate, se pot clasa n trei mari categorii:

- lamin;

- stratificat;

- sandwich.

Lamina reprezint elementul de baz al structurii compozite i reprezint un

strat din secvena de mpachetare a materialului compozit stratificat. Laminele sunt

difereniate funcie de caracteristicile i tipul elementului de armare (fibrelor). Fibrele

din componena compozitelor pot fi: continue (unidirecionale UD), bidirecionale

(sub form de estur) sau orientate aleator (fibre unidirecionale scurte cu

orientare aleatorie).

28

Figura 6.1 Diverse moduri de dispunere a fibrelor n lamine (ordonat bidirecional

estur respectiv, aleatorie)

Stratificatele sunt realizate prin mpachetarea mai multor lamine care prezint

orientare proprie fa de sistemul de referin al stratificatului.

Secvena de de mpachetare a laminelor componente i orientarea elementului de

armare n cadrul laminei au un rol esenial asupra caracteristicilor mecanice ale

materialului.

Figura 6.2 Sistemul de coordonate ataat unui stratificat

29

Compozitele stratificate armate cu fibre lungi sunt de trei tipuri:

a. simetrice laminele stratificatului sunt dispuse simetric fa de un plan mediu;

b. ortogonale stratificatul este constituit din lamine cu fibrele orientate la 00 i

din lamine cu fibrele orientate la 900 fa de una din axele planului

stratificatului;

c. echilibrate stratificatul conine acelai numr de lamine cu fibrele orientate

la + respective, - fa de axa longitudinal.

Structurile de tip sandwich sunt formate din dou straturi exterioare subiri dar

cu rigiditate mare (n general rini armate cu fibre) i o zon interioar cu grosime

ridicat dar rigiditate redus (carton, aluminiu, diverse tipuri de spume (ex.

poliuretanic)).

Ex: material compozit stratificat de tip plac constituit din 4 lamine cu fibre lungi. Fibrele formeaz unghiuri de 00 (cele corespunztoare laminelor exterioare) respectiv, 900 (cele corespunztoare laminelor interioare) cu axa longitudinal a stratificatului. Stratificatul se simbolizeaz [0/90/90/0] caz n care este redat ntreaga structur de mpachetare, sau [0/90]s. Simbolul s semnific faptul c stratificatul este simetric. 7. PROCEDEE DE PUNERE N FORM A MATERIALELOR COMPOZITE Exist la ora actual o multitudine de tehnologii de fabricaie a materialelor

compozite, tehnologii care n cea mai mare msur iau n considerare tipul

materialului utilizat ca matrice. Polimerii termoplastici necesit n general tehnologii

mai costisitoare [7.1-2]. Procedeele de punere n form a materialelor compozite

sunt descrise n detaliu n literatura de specialitate.

n continuare sunt trecute n revist tehnologiile de punere n form a compozitelor cu matrice polimeric termorigid.

De metoda de fabricare a materialului compozit depind direct performanele

mecanice ale structurii finale. Indiferent de procedeul ales, tehnologia de punere n

form cuprinde urmtoarele etape:

30

impregnarea elementelor de armare cu rina; mularea amestecului pe matri sau formarea pe utilaj; tratamentul termic de durificare a structurii.

Procedeele de punere n form sunt considerate cu att mai performante cu

ct permit obinerea unui material compozit cu o proporie volumic mai ridicat de

element de armare i confer produsului compactitatea maxim (lipsa golurilor de

aer).

Principalele tehnologii de punere n form a materialelor compozite sunt:

1. Pulverizarea simultan a fibrelor i rinii (Figura 7.1)

Fibrele tiate ntr-un dispozitiv specific sunt introduse n jetul pulverizat de

rin amestecat n prealabil cu agentul durificator i depuse direct pe matri

(form). Compozitul astfel depus se durific (polimerizeaz) n condiiile mediului

ambiant. Metoda se remarc prin simplitate i are aplicabilitate optim la fabricarea

produselor de dimensiuni mari. Datorit dificultilor de dozare, piesele obinute au o

proporie relativ ridicat de rin. Sunt utilizate numai fibre tiate, fapt ce limiteaz

caracteristicile mecanice ale compozitului. Nu pot fi pulverizate dect rini cu

vscozitate redus.

Figura 7.1 Pulverizarea simultan a fibrelor i rinii

Aplicaii specifice:

31

- panouri supuse la ncrcri uoare, caroserii simple, tuburi pentru canalizaii,

ambarcaiuni uoare.

2. Formarea manual (Figura 7.2)

Fibrele sub form de estur, cu dispunere regulat sau aleatorie, scurte sau

lungi sunt impregnate cu rin manual, direct pe matria suport.

Pentru impregnare sunt utilizate pensule sau dispozitive cu rulou. Se

urmrete impregnarea complet a materialului de ranforsare i compactarea

produsului direct pe suprafaa formei.

Dei pare extrem de simplu la o prim apreciere, operatorul trebuie s

cunoasc bine caracteristicile polimerului utilizat (vscozitate, timp de gelifiere),

datorit faptului c n momentul nceperii gelifierii rina nedepus nu mai poate fi

aplicat. Prin acest procedeu este destul de greu de evitat apariia bulelor de aer,

mai ales n cazul folosirii esturilor dense din fibre. Metoda se preteaz la

construcia structurilor de dimensiuni mari care nu sunt produse n serie mare

(ambarcaiuni, rotoare ale generatoarelor eoliene).

Figura 7.2 Procedeul de formare manual

Caracteristicile piesei obinute depind n mare msur de calificarea

operatorului (nu pot fi obinute proporii ridicate de fibre dect dac rina este foarte

fluid, datorit dificultilor de impregnare manual).

32

3. Procedeul de termoformare cu sac vidat

Este o extensie a procedeului de formare manual, prin care se urmrete

consolidarea produsului (o compactitate superioar i eliminarea tendinei de

formare a golurilor de aer), care reprezint de fapt defecte de structur, ce conduc la

limitarea caracteristicilor mecanice i accentuarea degradrii prin oboseal.

Stratificatul pus n form prin procedeul de formare manual este acoperit cu

o folie de material plastic etanat pe matria suport. Aerul este evacuat cu ajutorul

unui sistem de vidare (pomp de vid), astfel nct procesul de polimerizare se

desfoar n condiiile aplicrii asupra compozitului stratificat a presiunii

atmosferice. Polimerizarea poate s aib loc la temperatura ambiant sau la

temperatur ridicat.

Procedeul se aplic n general rinilor epoxidice i fenolice. Din rinile

poliesterice i vinilesterice se degaj cantiti importante de compui volatili care

mpiedic realizarea unui nivel ridicat de vidare.

Acest procedeu este unul dintre cele ce se preteaz cel mai bine la utilizarea ca

materie prim a preimpregnatelor.

Figura 7.3 Procedeul de termoformare cu sac vidat

4. Procedeul de nfurare filamentar

Prin aceast tehnologie se obin materiale compozite de nalt performan de

tipul pieselor de revoluie (tuburi, rezervoare) din materiale compozite stratificate.

33

Figura 7.4 nfurarea filamentar

Pentru aplicarea acestui procedeu de punere n form sunt necesare utilaje

specializate dotate cu sisteme suport pentru piesa ce urmeaz a fi construit, care

sunt antrenate n micare de rotaie, un sistem de distribuie a filamentului (permite

ghidarea fibrelor i poziionarea acestora n vederea obinerii unghiului de nfurare

dorit), sisteme de impregnare cu rin, de tensionare, etc.

Caracteristicile mecanice ale produsului compozit (comportarea la traciune,

presiune intern, etc.) sunt dependente de modul de aplicare a straturilor succesive

componente ale stratificatului i de unghiul de nfurare. Obinerea unghiului de

nfurare dorit se realizeaz prin corelarea micrii de rotaie a suportului piesei cu

cea de translaie a sistemului de poziionare. O asemenea main permite un grad

nalt de automatizare a procesului, distribuia optim a elementului de armare pe

direciile de solicitare a produsului, atingerea unei proporii importante de fibre.

Tehnologia este limitat la obinerea pieselor de revoluie fr concaviti iar fibrele

utilizate sunt numai de tip roving (fibre lungi).

5. Pultruziunea

Pultruziunea este un procedeu continuu prin care se obin produse cu

seciune constant. Fibrele sunt trecute printr-o baie de rin, unde se

34

preimpregneaz, iar ulterior printr-o matri nclzit pentru polimerizarea final a

compozitului.

Figura 7.5 Pultruziunea [7.3]

Exist i o variant cunoscut sub denumirea pulforming care permite

producerea de profile cu mici variaii de seciune. Aceast tehnologie implic

existena unor dispozitive de presare mobile, care conin matrie cu diverse seciuni

ce se aplic pe profilul preformat i se deplaseaz mpreun cu acesta, eliberndu-l

cnd polimerizarea este complet (deplasarea se realizeaz cu actuatori hidraulici).

Procesul devine relativ discontinuu, dar permite introducerea unor mici variaii

dimensionale n seciune.

Tehnologia este rapid i economic i permite obinerea produselor cu proporie

foarte ridicat de fibre, dar se limiteaz la producerea de componente cu seciune

constant sau aproximativ constant de tipul elementelor de structur pentru

construcii.

6. Transferul rinii n matri (Resin Transfer Moulding)

Procedeul presupune stratificarea iniial a elementelor de ranforsare (fibre,

adaosuri de umplere), presarea acestora n matri, eventual adugarea unor adezivi

pentru pstrarea poziiei relative a diverselor straturi. Aceste preforme sunt mai uor

de poziionat n cavitatea matriei.

35

Figura 7.6 RTM

Dup nchiderea celor dou semimatrie, rina se injecteaz sub presiune n

cavitate. Procedeul poate fi completat prin adugarea unui sistem de vidare, pentru

o mai bun umplere a matriei, cu precdere n cazul matrielor complexe cu caviti

subiri (injecie de rin asistat de vid). Dup umplerea matriei, polimerizarea se

face la cald sau la temperatura ambiant (produsul este meninut n matri pn la

durificare).

Produsele obinute au o proporie foarte ridicat de element de armare, n

condiiile prezenei unei proporii extrem de sczute de goluri de aer, dar procedeul

este limitat la obinerea de piese cu dimensiuni reduse.

8. TEHNOLOGIA PREIMPREGNATELOR

Preimpregnatele (prepreg) sunt constituite din fascicule de fibre sau esturi

acoperite n prealabil de productor, n condiii specifice de presiune i temperatur

sau n prezena unui solvent, cu rina precatalizat. Acestea se prezint sub form

de benzi cu diverse limi funcie de aplicaiile specifice pentru care sunt destinate,

acoperite pe ambele fee cu folii din material plastic, ce se ndeprteaz n momentul

punerii n form de ctre utilizator.

Termenul prepreg definete cele dou etape importante din tehnologia de obinere:

36

- preimpregnarea cu rin a materialului de armare, - prepolimerizarea rinii.

Figura 8.1 Preimpregnatele armate cu fibre continue lungi unidirecionale sau cu

diverse alte tipuri de esturi

Rinii i se reduce vscozitatea printr-un procedeu de prepolimerizare, astfel

nct n timpul stocrii sau manipulrii, aceasta s rmn aderent la suprafaa

fibrelor. Prepregul trebuie s permit rinii, ntr-o prim etap de nclzire ulterioar

n vederea punerii n form a compozitului, s devin suficient de fluid pentru

umplerea complet a spaiilor dintre straturile de preimpregnat.

Figura 8.2 Modaliti de distribuie a fibrelor n preimpregnatele armate cu

estur

Componentele prepregurilor sunt:

- materialul de armare;

37

- matricea (uzual sisteme epoxidice n amestec cu agentul de ntrire i eventual

acceleratorul de reacie).

Materialele ce pot fi utilizate la fabricarea preimpregnatelor sunt dintre cele

mai diverse: rini epoxidice, poliesterice, fenolice, precum i rini pentru formare

la temperatur nalt (poliimidice i bismaleimidice) iar ca elemente de armare se

utilizeaz toate tipurile de fibre.

Principalele avantaje ale folosirii preimpregnatelor la fabricarea materialelor

compozite sunt urmtoarele:

- proporia rin-agent de polimerizare este dozat optim de ctre productor,

produsele ating proporii ridicate de fibre;

- siguran deplin n manipulare i punere n form;

- costul fibrelor este minim n cazul preimpregnatelor unidirecionale;

- compoziia rinii este optimizat de productor pentru atingerea performanelor

mecanice ridicate (polimer cu mas molecular ridicat), nu se pune problema

fluiditii pentru punerea n form;

- adugarea de ctre productor la suprafaa elementelor de armare a unui agent

de cuplare optim pentru tipul de rin ales ;

- posibilitate de automatizare a procesului.

Principalele dezavantaje :

- costurile preimpregnatelor sunt mai ridicate dect ale componentelor individuale;

- produsele de nalt performen necesit polimerizarea n autoclav (procedeu

lent, care limiteaz i dimensiunile acestora).

Aplicaii specifice:

- componente de structur pentru aeronave (seciuni de arip i fuselaj),

componente auto de nalt performan (F1), schiuri, rachete de tenis, etc.

n Figura 8.3 este prezentat schematic tehnologia de obinere a

preimpregnatelor.

Lucrrile de specialitate care trateaz modalitatea de obinere a

preimpregnatelor evideniaz aceleai etape tehnologice principale, chiar dac apar

mici variaii de la o tehnologie la alta [8.1-2].

38

Figura 8.3 Schema simplificat a tehnologiei de fabricaie a prepregurilor [8.1-2]

O alt variant tehnologic dect cea prezentat n Figura 8.3, presupune

formarea preimpregnatului n dou etape distincte: prima urmrete formarea filmului

de matrice ntre foliile de protecie, iar cea de a doua plasarea agentului de armare

pe filmul de rin deja creat.

Foliile de protecie au rol antiadeziv (mpiedic lipirea straturilor sucesive din

rulou). Prin nclzirea n cuptor se realizeaz etapa de prepolimerizare n care

rina capt o vscozitate controlat i astfel este facilitat transportul i

manipularea preimpregnatului.

Preimpregnatele, indiferent de modul de amplasare a fibrelor, pot fi tiate cu

uurin la dimensiunile dorite (Figura 8.4), iar foliile de protecie sunt nlturate

numai n momentul crerii secvenei de stratificare. Tehnologiile de punere n form

cele mai utilizate n care preimpregnatele sunt utilizate ca materie prim sunt

termoformarea cu sac vidat sau termoformarea n autoclav (ambele, tehnologii care

presupun nclzirea ulterioar n vederea reticulrii totale a rinii).

n timpul nclzirii preimpregnatului pentru polimerizare, catacteristicile

polimerului prezint variaii importante.

Variaia difuzivitii termice n timpul operaiei de polimerizare a fost investigat

experimental de Garnier i Sommier, care au reuit msurarea acesteia printr-o

metod n regim periodic. Materialele termorigide sunt dificil de caracterizat n

decursul reaciei de polimerizare pe de o parte datorit prezenei reaciei chimice

exoterme de polimerizare, iar pe de alt parte datorit dependenei caracteristicilor

termofizice ale materialului cu temperatura i cu gradul de polimerizare. Msurrile

de difuzivitate termic (msurat cu un calorimetru care permite i modularea

39

temperaturii) arat o cretere neliniar a acesteia, care depete 100% n timpul

polimerizrii compozitelor sticl-epoxi, pe cnd creterea cldurii specifice nu

depete 10% [8.3]

Figura 8.4 Preimpregnat unidirecional din rin epoxidic armat cu fibre de sticl

Pentru prelungirea duratei de stocare, preimpregnatul se menine la

temperaturi sczute (de exemplu preimpregnatul HexPly M10 produs de Hexcel

Composite pe baz de fibre de sticl E continue, impregnate cu rin epoxidic, se

stocheaz pn la 12 luni la -180C, iar dup aducerea la temperatura ambiant

poate fi pus n form n termen de 2 luni).

Catalizatorul introdus n amestecul rin-durificator este latent la

temperatura ambiant timp de cteva sptmni dup decongelare. Rina este semisolid la temperatura ambiant i prezint aderena unei

benzi adezive. Preimpregnatele se formeaz manual sau ntr-o matri i sunt

polimerizate la temperaturi cuprinse n intervalul 120-1800C prin procedeul de

termoformare cu sac vidat. Ciclul de polimerizare recomandat de productor este de

1 or la 1200C.

40

Figura 8.5 Dependena vscozitii i a timpului de gelifiere al matricei preimpregnatului

HexPly M10 de temperatur [8.4]

Prin nclzire, se reduce iniial vscozitatea rinii i are loc acoperirea

complet a cavitii matriei. Preimpregnatele pot fi polimerizate i n autoclav unde

asupra laminatului se aplic suplimentar presiune de pn la 5 atmosfere.

Figura 8.6 Preimpregnat HexPly M10 polimerizat natural

Figura 8.6 prezint un fragment de preimpregnat rmas la temperatura

ambiant timp de 12 luni. Catalizatorul se activeaz dup un anumit interval de timp

41

(peste 2 luni) i n matricea polimeric ncepe procesul de reticulare. Ajuns ntr-un

asemenea stadiu preimpregnatul nu mai poate fi utilizat.

Rina devine din ce n ce mai vscoas, iar n final se solidific

(polimerizeaz parial), astfel nct la o nclzire ulterioar nu mai poate deveni fluid

i preimpregnatul nu mai poate fi pus n form.

Figura 8.7 prezint vederea lateral a unei epruvete din material compozit,

fabricat dup ce preimpregnatul folosit ca materie prim a fost pstrat la temperatura

ambiant timp de 3 luni de la decongelare. Procesarea a respectat condiiile

standard de punere n form, cu excepia duratei de utilizare de la decongelare care

a fost depit.

Creterea vscozitii rinii datorat proceselor de prereticulare, nu mai

permite curgerea optim a acesteia n timpul nclzirii pentru polimerizare i are ca

efect apariia golurilor, cu densitatea maxim la limita dintre straturile de

preimpregnat. Epruveta conine 4 lamine de preimpregnat cu aceeai orientare.

Figura 8.7 Defecte n seciunea la 450 a unei epruvete unidirecional

Porozitate deschis n marginea unei epruvete tip unidirecional debitat la 450 fa de direcia fibrelor.

n Figura 8.8 sunt prezentate defecte ntr-o epruvet lefuit n plan

longitudinal. Defectele de tip goluri de aer, a cror cauz a fost explicat anterior au

marginile rotunjite datorit tendinei de expansiune (dilatare a gazului rmas, prin

nclzirea la temperatura de polimerizare a preimpregnatului).

Acestea se orienteaz paralel cu fibrele datorit rezistenei slabe opus de

matricea nclzit pentru polimerizarea final.

42

Figura 8.8 Defecte (goluri de aer) paralele cu fibrele ntr-un stratificat fabricat din

preimpregnat cu durata de stocare dup decongelare depit.

Verificarea afirmaiei c rina din preimpregnat este prepolimerizat poate fi

fcut prin spectrofotometrie n infrarou. Principiul determinrii se bazeaz pe

evaluarea benzilor de absorbie caracteristice unor grupri care se consum n

timpul reaciei de polimerizare.

Fiecare tip de legtur a unui compus chimic absoarbe difereniat radiaia cu

o anumit lungime de und. Chiar i n cazul aceluiai tip de legtur, lungimea de

und a radiaiei absorbite poate s depind de modalitatea de vibraie a acesteia.

43

Gruprile epoxi, care se deschid prin polimerizare, absorb energie n domeniul 910-

916 cm-1 [8.5-7]

Aceste numere de und sunt plasate n domeniul IR mediu care este cel mai

bogat n informaii din punct de vedere analitic, cu aplicaii n studiul sistemelor

polimerice aflate n etapa de reticulare.

Diveri autori propun ca metod de determinare a gradului de desfurare a

reaciei de reticulare a rinii epoxidice, compararea variaiilor n intensitate a

semnalelor caracteristice benzii gruprii epoxi cu variaia unui peak de referin.

=

)()(

1int

0,int

0, tAA

AtA

aarefer

arefer

epoxi

epoxi (8.1)

Indicele 0 semnific absorbana gruprii nainte de reacia de reticulare.

n [8.5] este folosit ca peak de referin cel caracteristic 2920 cm-1 cauzat de

CH2 (vibraie de forfecare) care rmne nemodificat n timpul reticulrii.

Fraga i al. [8.7] consider ca referin peak-ul de la 830cm-1 datorat gruprii

fenilen. Acetia au demonstrat c peak-ul datorat forfecrii legturii OH de la 3450

cm-1 este utilizabil n locul celui caracteristic gruprii epoxi.

Mijovic i al. [8.8] folosesc peak-ul de la 4530cm-1 pentru absorbia gruprii

epoxi i cel de la 4673cm-1 (atribuit vibraiei de forfecare a C-H din inelul benzenic,

combinat cu forfecarea legturii C = C)

Musto i al. [8.9] au comparat rezultatele obinute prin analiza peak-ului

4524cm-1 (similar celui prezentat n [8.8]) i cel de la 6064 cm-1 caracteristic de

asemenea gruprii epoxi. Conversiile obinute (gradul de reticulare) calculate pentru

cele dou peak-uri au fost diferite.

Aplicaii ale FTIR n domeniul IR apropiat au fost raportate i de ali cercettori

[8.10,11].

Pentru a putea urmri evoluia procesului de reticulare a unei rini epoxidice

Iovu [8.12] folosete raportul dintre benzile de la 906 cm-1 (banda ce corespunde

vibraiei de intindere a inelului epoxidic, band care variaz n cursul procesului de

reticulare datorit faptului c gruparea epoxidic se consum) i banda de la 1601.7

cm-1 (asociat vibraiei inelului benzenic, care nu se consum), aceasta fiind utilizat

ca band de referin. n Figura 8.9 este prezentat spectrul FTIR al rinii epoxidice

tip DGEBA nereticulat.

44

Figura 8.9 Spectrul FTIR iniial al rinii epoxidice de tip DGEBA (nereticulat) [8.12]

Tabelul 8.1 prezint lungimile de und ale radiaiei absorbite de diverse

legturi prezente n rina epoxidic.

Tabelul 8.1. Principalele atribuiri spectrale ale rinii epoxidice DGEBA [8.12]

Grupa , cm-1 Atribuire spectral 3062

O 906

2925 as-CH2- 2873 s

C-Caromatic 1601.7 C-Haromatic 767 C-O-C 1263

45

9. FACTORI CE INFLUENEAZ COMPLEXITATEA CUNOATERII

MATERIALELOR COMPOZITE

La ora actual, cercettorii studiaz fenomenul compozit n principal datorit

potenialului imens de utilizare pe care l reprezint aceste tipuri de materiale.

Numrul mare de tipuri de elemente de armare, tipuri de matrici, gama larg de

proporii n care se pot combina, conduc la posibiliti nelimitate pe care tehnologii le

au la dispoziie n exploatarea materialelor compozite.

Problema se complic suplimentar datorit caracterului anizotrop al

materialului pus n form i necesitii crerii de modele de estimare a

comportamentului n exploatare a materialului.

Dificultatea modelrii const n primul rnd n estimarea caracteristicilor

materialului compozit (teste efectuate pe epruvete stratificate [0/90]s solicitate la

diverse unghiuri fa de direcia fibrelor confirm o mprtiere destul de ridicat a

datelor experimentale), iar curbele tensiune-deformaie nu sunt identice chiar i

pentru pentru acelai tip de epruvet ).

Mecanismele de degradare i de rupere sunt numeroase, intervin la scri

diferite (micro, mezo, macro) i sunt n general cuplate ntre ele. Noiunea de cuplare

semnific faptul c apariia unui anumit tip de defect, care influeneaz un mod de

degradare, poate genera apariia i a altor tipuri de defecte.

Elucidarea acestor mecanisme i modelarea fenomenelor, implic un volum

de munc considerabil i necesit optimizarea studiului acestora.

Un exemplu de cooperare n lumea tiinific, n studiul materialelor

compozite, este constituit de reuniunile periodice ale reprezentanilor institutelor de

cercetare i productorilor francezi, n cadrul seminarelor AMERICO (Analise Multi-

Echelles : Recherches Innovantes pour les Composites a Matrices Organique).

Programul presupune repartizarea resurselor, diseminarea rezultatelor cercetrii i

optimizarea rezultatelor acesteia.

Modul n care este necesar descrierea n detaliu a materialelor compozite

este mult mai complex dect cel necesar descrierii materialelor metalice

(Tabelul.9.1-2).

46

Tabelul 9.1. Nivele dimensionale caracteristice studiului metalelor

Scara Constitueni Dimensiune m

Nano atomi angstromi 10-10

Micro gruni civa microni 10-6

Intermediar VER (volum elementar

reprezentativ) fictiv

zecimi de mm 10-4

Macro structura industrial decimetri-metri 10-1

Tabelul 9.2. Nivele dimensionale caracteristice studiului materialelor

compozite

Scara Constitueni Dimensiune m

Nano atomi angstromi 10-10

Intermediara interfaa fibre/matrice zeci de nanometri 10-8

Micro fibre civa microni 10-6

Intermediar lamina zecimi de mm 10-4

Intermediar stratificat civa mm 10-3

Macro structura industrial decimetri-metri 10-1

Elementul principal n calculul structurilor compozite, n absena unor teste,

este estimarea caracteristicilor materialului compozit n ansamblu, pornind de la

caracteristicile individuale ale componetelor (fibre i matrice) n general cunoscute

din specificaiile tehnice ale productorilor.

Procedeul poart numele de OMOGENIZARE i permite realizarea unui calcul

aproximativ, prin considerarea ulterioar a compozitului ca fiind un material omogen.

Procedura, dei simpl n aparen, a condus la estimarea unor caracteristici

folosind diverse modele (prezentate n capitolul urmtor), dar prezint importante

limitri datorit diferenelor locale reale de proprieti (neomogenitate uneori la scar

macroscopic) i imposibilitii de cuantificare a efectelor interfeelor.

47

10. MODELE DE OMOGENIZARE A CARACTERISTICILOR COMPOZITULUI

PORNIND DE LA CARACTERISTICILE COMPONENTELOR 10.1 MODELE DE OMOGENIZARE A CARACTERISTICILOR MECANICE La scara corespunztoare dimensiunii elementelor de ranforsare, compozitele

sunt materiale eterogene. Pentru determinarea caracteristicilor compozitului masiv,

ar trebui s se in cont de toate aceste eterogeneiti, lucru imposibil de realizat.

Astfel, se impune idealizarea materialului, prin considerarea acestuia ca fiind continuu, n condiiile medierii caracteristicilor la o anumit scar, funcie de microstructur. Procedeul de omogenizare se aplic la nivel de volum elementar

reprezentativ (domeniu din materialul masiv cruia i se atribuie caracteristici identice

cu caracteristicile medii ale materialului masiv).

Volumul elementar reprezentativ trebuie s ndeplineasc dou condiii :

s fie suficient de mic pentru a lua n considerare structura microscopic a materialului i suficient de mare pentru a putea descrie comportamentul global al

materialului ;

caracteristicile s fie independente de locul de unde este prelevat.

Figura 10.1 Seciune transversal printr-un compozit unidirecional

Chiar dac n condiii reale materialul compozit nu este constituit dintr-o reea

regulat de fibre (Figura 10.1), el poate fi schematizat ca n Figura 10.2 pentru

determinarea caracteristicilor volumului elementar reprezentativ. Suprafaa ocupat

de fibre n Figura 10.2, raportat la suprafaa total reprezint proporia volumic de

48

fibre a materialului compozit. De asemenea, n acelai raport se afl i suprafaa

fibrei raportat la suprafaa ptratului ce reprezint volumul elementar reprezentativ.

Figura 10.2 Aranjament ptratic pentru aprecierea VER

Modele matematice pentru estimarea modulului de elasticitate Evaluarea modulelor de elasticitate longitudinal i transversal pentru un

material compozit unidirecional se poate realiza pornind de la caracteristicile

constituenilor (fibre i matrice) i proporiile lor relative.

Dac sunt impuse tensiuni i deformaii la frontiera volumului elementar

reprezentativ, calculul de omogenizare presupune determinarea cmpului de

tensiuni i deformaii n acest volum.

Deformaia i tensiunea medie se calculeaz prin integrare pe volumul elementar

reprezentativ, cu relaia (10.1);

=V

ii dVV1

=V

ii dVV1

(10.1)

Pornind de la valorile medii ale tensiunilor i deformaiilor din totalitatea

volumelor elementare reprezentative din care este constituit materialul compozit este

posibil determinarea proprietilor elastice ale materialului omogenizat.

49

Omogenizarea modulului de elasticitate longitudinal

Modulul lui Young se determin practic printr-o ncercare la traciune n

direcia fibrelor.

Figura 10.3 Volumul elementar reprezentativ n cazul traciunii longitudinale

Indicii f i m denot fibrele i respectiv matricea. Indicii x i y denot direcia pe care

o mrime este msurat (x longitudinal, y-transversal).

mf VV , proporia volumic de fibre respectiv, matrice.

+=Vf Vm

xm

xf

x dVV1dV

V1

(10.2)

sidVV1

vfx

ffx =

=

vmx

mmx dVV

1

(10.3)

Tensiunea total din materialul compozit aplicat pe direcia de traciune este suma

tensiunilor medii aplicate fibrelor i matricei:

mxmfxfx vv += (10.4)

50

xmmffx )EvEv( += (10.5) Expresia modulului de elasticitate longitudinal va fi :

mmffx EvEvE += (10.6)

Omogenizarea modulului de elasticitate transversal

n acest caz deformaia medie este dat de suma deformaiilor cumulate ale

fibrelor i matricei i este definit prin :

myy mfyf VV += (10.7)

Figura 10.4 Volumul elementar reprezentativ n cazul traciunii transversale

Tensiunea aplicat transversal este transmis integral de la fibre la matrice i invers.

fyfmymfy vE += (10.8)

ymf

x Ev

Ev

+=

Modulul de elasticitate t

ra

mf (10.9) nsversal va fi definit sub forma :

(10.10)

m

m

f

f

y Ev

Ev

E1 +=

51

Expresiile obinute sunt similare celor pentru calculul rezistenei echivalente a unui

circuit electric cu rezistorii legai n serie respectiv, paralel.

Dateexperimentale

Figura 10.5 Valorile modulelor de elasticitate longitudinal i transversal funcie de

proporia de fibre

Dac aproximarea modelului paralel ofer rezutate corecte pentru modulul de

elasticitate longitudinal, modelul serie d n general valori subevaluate pentru

modulul de elasticitate transversal. Aceasta pune n eviden faptul c materialele

compozite unidirecionale solicitate transversal nu pot fi modelate printr-un model

serie fr corecii.

Se poate considera c pentru o compoziie dat (valoare dat a proporiei de

fibre) valorile Ex i Ey definite mai sus ncadreaz valorile posibile pentru modulele

de elasticitate ale unui compozit).

Se desprinde concluzia c modelarea simplist a caracteristicilor materialului

pornind de la componente furnizeaz uneori soluii eronate.

52

10.2 MODELE DE OMOGENIZARE A CARACTERISTICILOR TERMICE

Sub influena temperaturii fibrele i matricea sunt supuse variaiilor

dimensionale care conduc la apariia tensiunilor interne n material. Tensiunile

interne sunt efectul nu numai al prezenei unui gradient de temperatur n materialul

compozit ci i al coeficienilor diferii de dilatare termic al fibrelor i matricei.

Sunt analizate aceste influene n cazul unui strat de material compozit

(lamin) constituit din fibre lungi impregnate cu rin.

Tensiunile interne din materialul compozit au la origine dou procese fizice:

1. Reticularea reelei durificabile termic (polimerizarea), care se manifest printr-o

contracie a matricei (pentru rina epoxidic, contracia nu depete 2%).

Aceasta se produce la o temperatur apropiat de temperatura de tranziie

vitroas iar vscozitatea reelei permite relaxarea unei proporii importante din

tensiunile interne. ntr-o prim aproximare putem considera c nu exist tensiuni

reziduale importante la temperatura de polimerizare.

2. La rcire, din cauza contraciei termice diferite a fibrelor i matricei sunt generate

tensiuni interne care acioneaz la dou nivele :

La scar microscopic, n fiecare lamin a stratificatului. Matricea are un coeficient de dilatare termic mai mare dect cel al fibrelor

(Tabelul 10.1.), fibrele tind s intind matricea iar ele sunt supuse la compresiune.

De asemenea, matricea supune suprafaa fibrelor unor tensiuni radiale de

compresiune.

La scar macroscopic, anizotropia coeficientului de dilatare termic a fiecrei lamine induce dezvoltarea de tensiuni ntre lamine. Fiecare strat (lamin) tinde s fie

supus variaiilor dimensionale datorate temperaturii, dar deformaia rezultant se

opune reaciei straturilor adiacente. Dac stratificatul este dezechilibrat, tensiunile

create conduc la apariia unei curburi.

n Tabelul 10.1 se evideniaz caracteristicile fizico-mecanice ale fibrelor de

sticl comparativ cu caracteristicile rinii epoxidice. Se remarc diferene

semnificative, care n unele cazuri depesc un ordin de mrime.

53

Tabelul 10.1 Principalele caracteristici fizice ale elementelor de ranforsare i ale

matricei [10.1]. Material Densitate

[kg/m 3]

Modul de

elasticitate

longitudinal

[MPa]

Coeficient

Poisson

Coef. de dilatare

termic la

20C

x10-5 [K-1]

Conductivitate

termic la

20C

[W/mK]

Sticl R 2500 86000 0,2 0,4 1

Sticl E 2600 74000 0,25 0,53 1

Rin epoxidic

[10.1]

1200 4500 0,4 11 0,2

Omogenizarea coeficienilor de dilatare termic ai unei lamine Coeficientul de dilatare termic longitudinal sau transversal al unui strat

unidirecional (lamin) poate fi estimat pornind de la o abordare simplificat similar

celei utilizate pentru determinarea modulului de elasticitate.

Calculul poate fi efectuat dac sunt cunoscute caracteristicile termice

(coeficienii de dilatare termic) ai fibrelor i matricei, respectiv, caracteristicile

mecanice (modulele de elasticitate i coeficienii lui Poisson).

Coeficientul de dilatare termic longitudinal Un calcul interesant n care sunt corelate efectele termice i mecanice ntr-un

material anizotrop este prezentat n [10.2].

Deformaiile totale induse n fibre i matrice sunt rezultatul tensiunilor fx respectiv, mx i a variaiei dimensionale datorate diferenei de temperatur. Simbolul x denot

direcia longitudinal a compozitului (direcia fibrelor).

fxfx f

f

TE = + mxmx m

m

TE = + (10.11)

fx - deformaia fibrelor pe direcia longitudinal a materialului compozit (direcia fibrelor);

mx - deformaia matricei pe direcia longitudinal a materialului compozit (direcia fibrelor);

54

fE - modulul de elasticitate longitudinal al fibrelor;

mE - modulul de elasticitate al matricei;

f , m - coeficienii de dilatare termic ai fibrei i matricei; T - variaia de temperatur.

Se consider comportarea materialul compozit ca fiind cea a unui corp masiv

(deformaia fibrelor este egal cu cea a matricei):

mxfxx == Datorit faptului c forele interne trebuie s fie n echilibru,

0=+ mmxffx VV (10.12) mf VV , proporiile volumice de fibre i matrice din compozit

Din egalitatea deformaiilor rezult:

mx mm mx f

m f f

VT TE V E + = +

( )1f m

mxm

m f f

TV

E V E

1 =+

(10.13)

Deformaia longitudinal devine :

f f f m m mmx fx

f f m m

E V E VT

E V E V += = +

(10.14)

i permite deducerea coeficientului de dilatare termic longitudinal al laminei :

f f f m m ml

f f m m

E V E VE V E V

+= + (10.15)

Prin aceast metod de calcul s-a determinal coeficientul de dilatare termic

longitudinal al laminei (compozitului) pornind de la caracteristicile individuale ale

fibrelor i matricei. Coeficientul determinat l echivalent cu x , caracterizeaz compozitul omogen la dilatarea n sensul fibrelor.

55

Coeficientul de dilatare termic transversal

Se consider deformaia transversal a materialului compozit ca fiind suma

deformaiilor fibrelor i matricei ponderat prin proporiile lor volumice (ipoteza

sistemului paralel).

Simbolul y semnific direcia perpendicular pe direcia fibrelor.

mmyfyy VVf += (10.16)

Deformaiile transversale sunt calculate pornind de la tensiunile longitudinale fx i mx precum i de la coeficienii lui Poisson fx i mx ai fibrelor i matricei.

fmy mx m m fx f

m f

T V T VE E

= + + + f (10.17)

( ) ( ) ( )m f f my f f m m m f f mf f m m

E EV V V V

E V E V + = + + +

T (10.18)

( ) ( )m f f my f f m m f mfm

f m

E EV V EE

V V

= + + +

(10.19)

Coeficientul de dilatare termic transversal, caracterizeaz comportarea

global a materialului compozit.

n Figura 10.6 este ilustrat variaia coeficienilor de dilatare termic liniar

longitudinal i transversal pentru un material compozit din rin epoxidic armat cu

fibre de sticl, funcie de proporia volumic de element de armare.

Se constat o variaie neliniar a coeficientului de dilatare termic transversal

pentru proporii reduse de fibre dup care o variaie aproximativ liniar. Alura curbei

de dependen depinde foarte mult de valoarea coeficientului lui Poisson.

56

Figura 10.6 Coeficienii de dilatare termic longitudinal i transversal pentru un

compozit sticl-epoxi funcie de proporia de fibre [10.2].

Diveri cercettori [10.3-4], au afirmat c n unele materiale compozite

stratificate, n mod deosebit n cele echilibrate (numr de lamine egal pentru orientri

de tip ) se pot obine valori ale coeficientului lui Poisson