MAteriale compozite cursuri

  • View
    235

  • Download
    2

Embed Size (px)

Text of MAteriale compozite cursuri

  • 7/30/2019 MAteriale compozite cursuri

    1/68

    ELEMENTE DE CONSTRUCTIICOMPOZITE

  • 7/30/2019 MAteriale compozite cursuri

    2/68

    Caracterizarea general a materialelor compozite

    Definirea materialelor compozite

    Materialele compozite sunt sisteme multifazice obinute pe cale artificial,prin asocierea a cel puin dou materiale chimic distincte, cu interfa deseparare clar ntre componente, iar materialul compus rezultat estecreat n scopul obinerii unor proprieti care nu pot fi obinute de oricare

    dintre componeni lucrnd individual.Proprietile compozitelorsunt determinate de caracteristicilecomponentelor, distribuia acestora i interaciunea dintre ele.

    particule

    foie, solzi

    fibre

    matrice

  • 7/30/2019 MAteriale compozite cursuri

    3/68

    APLICATII

  • 7/30/2019 MAteriale compozite cursuri

    4/68

  • 7/30/2019 MAteriale compozite cursuri

    5/68

    Clasificarea materialelor compozite

    A - Dup tipul masei de baz

    1.materiale compozite cu matrice metalica;

    2.materiale compozite cu matrice ceramica;

    3.materiale compozite cu matrice polimerica.

    B - Dup forma i natura armturii

    1.compozite armate cu particule;

    2.compozite armate cu fibre: a - Compozitele monostrat

    b - Compozitele multistrat

    a1. Compozite armate cu fibre lungi

    (continue)a2. Compozite armate cu esturi

    a3. Compozite armate cu fibre scurte (discontinue)

    b1. Compozite hibride (multistrat)

  • 7/30/2019 MAteriale compozite cursuri

    6/68

    MATERIALE COMPOZITE

    cu fibre continue cu fibre discontinue

    armate unidirecional armate bidirecional orientate aleatoriu orientate preferenial

    Armate cu particule

    orientate aleatoriu orientate preferenial

    Compozite monostrat incluzndcompozitele cu aceeai orientare iproprieti identice n fiecare strat

    Compozite multistrat(stratificate unghiulare)

    cu straturi identice sub

    aspectul componenilorhibride

    Armate cu fibre

  • 7/30/2019 MAteriale compozite cursuri

    7/68

    ALCTUIREA I CALCULUL ELEMENTELORSTRATIFICATE DIN MATERIALE COMPOZITE

    POLIMERICE

    Armare

    cu fibre

    Stratificat

    Matrice

    Structur

    MICROMECANICA MACROMECANICA

    Lamela compozit

  • 7/30/2019 MAteriale compozite cursuri

    8/68

    Micromecanicaeste un ansamblu de concepte, modele, relaiimatematice, i studii utilizate pentru a determina proprietilecompozitului plecnd de la caracteristicile materialelor constituente,configuraia geometric i parametrii de fabricare. Micromecanica

    studiaz comportarea materialelor compozite din punct de vedere alinteraciunii materialelor componente.

    Macromecanicaeste un ansamblu de concepte, modele i relaii

    matematice utilizate pentru a transforma proprietile lamelei de laaxele sale principale (ale materialului) la axe oarecare (aleelementului sau structurii). Macromecanica studiaz materialulcompozit sub aspect macroscopic, presupunnd c acesta esteomogen, iar influena componenilor este evaluat numai prinvalorile medii aparente ale caracteristicilor mecanice.

  • 7/30/2019 MAteriale compozite cursuri

    9/68

    Rolul fazelor n stabilirea proprietilor materialelor compozitearmate cu fibre

    Lamela este piesa elementar a stratificatului compozit, fiind alctuitdintr-un eantion de matrice i fibre, aranjate n modul n careaceste componente sunt dispuse n ansamblul produsului.

    Alctuirea stratificatelor din materiale compozite cu sisteme diverse de armare:

    a. fibre continue unidirecionale; b. fibre discontinue (scurte) aleatorii;

    c. reea ortogonal de fibre; d. stratificat cu armare tridirecional.

    2

    (T)

    1

    (L)

    3

    b.1

    (L)

    3

    a.

    2

    (T)

    1

    (L)

    3

    c.

    2 (T)

    1

    (L)

    3

    d.

    2 (T)

  • 7/30/2019 MAteriale compozite cursuri

    10/68

    n funcie de sistemul de axe adoptat, pentru materialele compozite armate cu fibre,se definesc urmtoarele caracteristici mecanice necesare n proiectare:

    EL = E1 - modulul de elasticitate longitudinal al lamelei (n direcie paralel cu fibrele);ET = E2- modulul de elasticitate transversal al lamelei (n direcie perpendicular pefibre);

    GLT = G12 - modulul de elasticitate la forfecare al lamelei n planul(L,T) sau (1,2);LT =12 i TL =21 - coeficienii Poisson n planul (L,T) sau (1,2);RtL - rezistena la traciune a lamelei n direcie longitudinal;RtT - rezistena la traciune a lamelei n direcie trasversal;RcL - rezistena la compresiune a lamelei n direcie longitudinal;RcT - rezistena la compresiune a lamelei direcie transversal;Rf(LT)=Rf(12) - rezistena la forfecare a lamelei n planul (L,T) sau (1,2);

    3

    (2) T

    (1) L

    y

    x

    z

    3

    (2) T

    (1) L

    y

    x

    z

    Sistemele de axe ale lameleiortotrope

    - (1, 2, 3) sistemul de axe

    principale ale materialului;

    - (x, y, z) sistemul de axe de

    solicitare.

  • 7/30/2019 MAteriale compozite cursuri

    11/68

    Funciunile matricei

    nvelete fibrele astfel nct s le protejeze att n fazele de formare ale

    produsului ct i pe durata de serviciu.Pstreaz armturile la distane corespunztoare transmiterii eforturilor

    ntre faze prin adeziune, frecare sau alte mecanisme de conlucrare.mpiedic flambajul fibrelor, deoarece fr mediul de susinere armtura

    nu este capabil s preia eforturi de compresiune.

    Constituie mediul de transmitere a eforturilor prin compozit astfel c, laruperea unei fibre, rencrcarea celorlalte fibre se poate realiza prin contactul de lainterfa;

    Asigur contribuia principal la stabilirea rezistenei i rigiditii ndirecia normal pe fibre.

    Permite redistribuirea concentrrilor de tensiuni i deformaii evitndpropagarea rapid a fisurilor prin compozit.

    Stabilete forma definitiv a produsului realizat din materialul compozit.Stabilete continuitatea transversal dintre lamelele ansamblului stratificat.Previne efectele corosive i reduce efectele abraziunii fibrelor.Asigur compatibilitatea termic i chimic n raport cu materialul de

    armare.

  • 7/30/2019 MAteriale compozite cursuri

    12/68

    Funciunile armturii

    Armtura (datorit naturii unidimensionale a fibrelor) contribuie lacreterea rigiditii i rezistenei compozitului n principal dup direcia fibrelor,dei nu sunt excluse unele contribuii "laterale" , evideniate la calculul modululuide elasticitate transversal.

    Creterea rigiditii i rezistenei compozitului este proporional cufraciunea volumetric de fibr dispus paralel cu direcia efortului aplicat, attavreme ct matricea polimeric asigur nvelirea corect a fibrelor i transferuleforturilor ntre componente.

    In cazul unor anumite fraciuni volumetrice de fibr i dispuneri

    geometrice ale armturii, rezistena i rigiditatea la traciune a compozitului creteprin sporirea rigiditii relative a armturii fa de matrice.

    ZONA DE INTERFATA

  • 7/30/2019 MAteriale compozite cursuri

    13/68

    Tipuri de componente utilizate la compozitele polimerice armate cu fibre

    Materiale pentru armare

    Fibre din sticlFibrele din sticl sunt cele mai cunoscute armturi pentru compozitele cu matrice

    polimeric, avnd ca principale avantaje costul relativ redus i rezistene mecaniceconvenabile. Dezavantajele principale constau n valoarea redus a modulului deelasticitate, rezistena nesatisfctoare la abraziune care-i reduce potenialulstructural, precum i aderena necorespunztoare la matricea polimeric n prezenapei. Aderena redus necesit folosirea unor ageni de cuplare care se folosesc

    pentru tratarea suprafeei fibrelor.

    1. 2. 3.

  • 7/30/2019 MAteriale compozite cursuri

    14/68

    Fibre din carbon i din grafit,Fibre aramidice

    Fibrele pe baz de carbon se folosesc la armareacompozitelor cu performane ridicate. Termenul fibr degrafit se folosete pentru a caracteriza fibrele cu un coninutde carbon ce depete 99 % n timp ce fibra de carbonprovine din material ce are coninutul n carbon cuprins

    ntre 80-95 %. Coninutul de carbon este determinat detemperatura de tratament termic.

  • 7/30/2019 MAteriale compozite cursuri

    15/68

    Tensiune

    [N/mm2]

    3000

    2000

    1000

    0

    0 1 2 3 4

    Deformaie specific liniar [%]

    Carbon cu modul de

    elasticitate ridicat

    Bor

    Carbon cu rezisten ridicat

    Kevlar 49

    Sticla S

    Sticla E

  • 7/30/2019 MAteriale compozite cursuri

    16/68

    Matrice polimerica

    rina

    epoxidicali polimeri

    termorigizipolimeri

    termoplastici

    0

    10

    20

    30

    40

    50

    60

    70

    80

  • 7/30/2019 MAteriale compozite cursuri

    17/68

    Semifabricate i produse finite din compozitelor armate

    Aplicaiile materialelor compozite armate cu fibre cuprind aproape toate domeniile

    de activitate economic.Ca exemple de aplicaii se menioneaz:

    -n industria construciilor: panouri pentru perei, plafoane, acoperiuri,cofraje, obiecte sanitare, tmplrie, decoraiuni, mobilier etc.;

    -transporturile formeaz un sector important de aplicaii att la

    transportul aerian, naval, feroviar, ct i auto, astfel de exemplu: cisterne, vagoanede marf, rezervoare de ap i combustibili, vagoane de metrou, containere,ambarcaiuni, avioane de transport, n industria aerospaial etc.;

    -n industria chimic i farmaceutic: recipieni i conducte, rezervoarede depozitare, couri de evacuare a fumului i gazelor industriale, piesecomponente de filtre i usctoare etc.;

    -n industria alimentar: rezervoare, silozuri pentru furaje, instalaii dercire, diverse recipiente etc.;

Search related