Click here to load reader

Materiale compozite. Prezentare generală

  • View
    257

  • Download
    6

Embed Size (px)

Text of Materiale compozite. Prezentare generală

CAPITOLUL 1

CAPITOLUL 1

MATERIALE COMPOZITE PREZENTARE GENERAL

1.1 Proliferarea i diversificarea materialelor compozite

Materialele compozite au fost folosite cu mult nainte de a fi fost definite (piatra, lemnul, iar mai trziu, dar cu peste o sut de ani n urm, betonul).

Au trecut aproape 60 de ani de cnd materialele plastice armate cu fibre de sticl au fost utilizate pentru prima oar datorit calitilor lor deosebite n comparaie cu ale materialelor clasice.

Performanele tot mai nalte cerute structurilor de rezisten n general, dar mai ales celor destinate aeronauticii i aplicaiilor militare, impun acestora condiii foarte severe n timpul funcionrii.

n general, prioritare sunt considerentele aerodinamice de optimizare funcional a profilelor structurilor aeronautice i satisfacerea condiiilor restrictive legate de: rezistene mecanice deosebite ntr-un interval larg de valori ale temperaturii ambientale, vibraii, rezisten la oboseal, rigiditate, greutate minim i fiabilitate maxim.

Ca urmare, apar tot mai frecvent situaii n care materialele tradiionale nu pot satisface n totalitate multitudinea restriciilor menionate iar cum configuraia geometric a structurilor este n general impus, singura prghie unde se poate aciona, rmne cea a utilizrii de materiale noi, cu caliti deosebite.

Pentru o structur mecanic cu configuraie geometric i condiii de lucru cunoscute, este necesar s se proiecteze i s se realizeze materialul adecvat din care aceasta s fie confecionat.

Au aprut astfel materialele compozite, care sunt o nou clas de materiale ce prezint o mare importan tehnologic i ale cror aplicaii cunosc n prezent o dezvoltare intens n mai multe domenii [1].

Materialele compozite fac parte din categoria noilor materiale i sunt create special pentru a rspunde unor exigene deosebite n ceea ce privete:

- rezistena mecanic i rigiditatea;

- rezistena la coroziune;

- rezistena la aciunea agenilor chimici;

- greutatea sczut;

- stabilitatea dimensional;

- rezistena la solicitri variabile, la oc i la uzur;

- proprietile izolatoare i estetica.

Principalul avantaj al acestor materiale este raportul ridicat ntre rezistena i greutatea lor volumic.

0

400

800

1200

1600

2000

2400

2800

1950

1960

1970

1980

1990

2000

2010

Anul

Consumul x 10

6

t

Produse naturale

Materiale compozite

Metale

Fig. 1.1 Consumul de materiale compozite

Aceste caracteristici nu numai c au asigurat utilizarea pe scar din ce n ce mai larg a materialelor compozite, dar au stimulat cercetrile pentru descoperirea unor noi tipuri de materiale compozite cu proprieti mbuntite. Preocupri majore i realizri de materiale compozite performante exist n toate rile dezvoltate, ca urmare a dorinei de a continua procesul de dezvoltare tehnologic, prin utilizarea unor materiale calitativ superioare i posibil de realizat prin procedee i tehnologii eficiente i nepoluante. n figura 1.1 se prezint consumul unor asemenea materiale pn n anul 2010, n comparaie cu materialele clasice ori cu produsele naturale [2]. n Japonia, producia de materiale compozite a anului 2002 s-a ridicat la aproximativ trei miliarde de dolari.

Materialele compozite constituie o soluie tot mai des adoptat n realizarea structurilor performante, cu aplicabilitate n toate ramurile industriale. Implementarea acestora n diverse domenii, ca alternative avantajoase ale materialelor clasice, sau pentru obinerea de noi aplicaii, altfel greu sau imposibil de realizat, ridic ns i o serie de probleme generate de structura deosebit de complex a acestora i de posibilitile de obinere, de comportamentul nc insuficient cunoscut la diverse solicitri.

n toate rile industrializate, materialele compozite reprezint un domeniu prioritar, situat n avangarda procesului continuu de inovare tehnologic.

Apariia acestor materiale i utilizarea lor n realizarea unor structuri de rezisten a impus att determinarea caracteristicilor elastice i de rezisten ale compozitelor, ct i efectuarea unor calcule de rezisten, diferite (ca mod de realizare) de la un material la altul.

Un interes aparte este acordat, printre altele, determinrii deteriorrilor ce pot s apar sub sarcin, a efectului lor asupra capacitii portante a structurilor, precum i analizei comportrii compozitelor n condiii dificile de lucru (variaii de temperatur i umiditate, vibraii, aciunea agenilor chimici etc). Acestea reprezint numai o parte din aspectele abordate n ultimul timp de ctre cercettorii n domeniu, multitudinea lucrrilor aprute demonstrnd c problemele sunt departe de a fi rezolvate.

1.2 Clasificarea materialelor compozite

Materialele compozite suscit din partea specialitilor din cercetare, nvmnt i producie un interes crescnd, interesnd mai ales comportarea lor n diferite condiii de exploatare (solicitri mecanice simple sau complexe i aciunea mediului).

Materialele compozite se definesc ca fiind sisteme de corpuri solide, deformabile, obinute prin combinaii la scar macroscopic ale mai multor materiale.

R. M. Jones clasific materialele compozite astfel [3]:

-materiale compozite fibroase, obinute din materiale sub form de fibre, introduse ntr-un material de baz numit matrice;

-materiale compozite laminate, rezultnd din straturi suprapuse din diferite materiale;

-materiale compozite speciale, alctuite din particule introduse n matrice.

N. Cristescu prezint o alt clasificare a materialelor compozite [4]:

-materiale compozite armate cu fibre (fibroase) - fibre lungi plasate ntr-un aranjament prestabilit sau fibre scurte plasate aleatoriu;

-materiale compozite hibride, alctuite din mai multe fibre;

-materiale compozite stratificate, realizate din mai multe straturi, lipite ntre ele;

-materiale compozite armate cu particule.

1.2.1 Materiale compozite fibroase

Aceste materiale sunt obinute din fibre de diverse forme i dimensiuni nglobate ntr-o matrice, fiind utilizate ntr-o larg varietate [5], [6]:

a) fibre naturale (iut i sisal), utilizate cu ani n urm i nlocuite n prezent cu fibre sintetice.

b) fibre sintetice organice termoplastice (polipropilen, nylon, poliester) i termorigide (aramide) avnd densitate i rigiditate sczute, dar rezisten ridicat.

c) fibre sintetice anorganice (sticl, bor, carbon etc.), fibrele de sticl fiind cele mai utilizate datorit preului sczut.

Fibrele sunt n general mult mai rezistente la ntindere dect acelai material aflat n form masiv, datorit structurii interne a fibrei ct i datorit puritii materialului ei. Spre exemplu, sticla, care n forma sa obinuit nu rezist dect la tensiuni de ordinul a ctorva zeci de MPa, sub form de fibre rezist la tensiuni de ordinul a 104 MPa. Uneori, n locul fibrelor lungi, sunt utilizate fibre scurte "whiskers", n care raportul lungime/diametru este relativ mic, fibrele fiind fr defecte i deci foarte rezistente la ntindere.

Curba caracteristic (-( la solicitarea de ntindere pentru aceste fibre este liniar, excepie fcnd poliesterul. Aceast dependen ntre tensiuni i deformaii nu va mai exista n cazul unui material compozit armat cu astfel de fibre, datorit rspunsului neliniar al materialului din care este alctuit matricea.

Matricea reprezint al doilea element de baz al materialelor compozite. Aceasta unete fibrele ntr-un corp continuu, include fibrele, le protejeaz, transfer tensiunea, redistribuie eforturile cnd unele fibre se rup. Matricea are n general densitate mai mic i rezisten mult mai mic dect fibrele.

Matricele pot fi organice, metalice i ceramice.

Matricele organice au densiti i rezistene relativ sczute iar relaia dintre tensiuni i deformaii este neliniar. Sunt cele mai utilizate matrice, ntruct au avantajul c pot fi fabricate mai uor i pot ncorpora un numr mai mare de fibre dect cele metalice sau ceramice.

1.2.2 Materiale compozite stratificate

Materialele compozite stratificate (laminate) sunt constituite din straturi din cel puin dou materiale lipite mpreun printr-un adeziv. Din aceast categorie fac parte [4], [5]:

a) Materialele stratificate, obinute din materiale care pot fi saturate cu diverse substane plastice i apoi tratate n mod corespunztor.

b) Materialele compozite fibroase i stratificate, cunoscute i sub denumirea de materiale compozite stratificate i armate cu fibre (stratificate), realizate dintr-o succesiune de straturi (lamine) suprapuse astfel nct fibrele unui strat s fie paralele i fiecare strat s fie orientat n mod corespunztor, pentru a obine o ct mai bun rezisten i rigiditate.

c) Bimetalele, obinute din dou metale diferite, cu coeficieni de dilatare termic semnificativ diferii. La schimbarea temperaturii bimetalul se deformeaz i poate fi folosit ca mijloc de msurare a temperaturii.

d) Metalele de protecie, rezultate n urma acoperirii unui metal cu un alt metal, obinndu-se astfel un material compozit cu anumite proprieti mbuntite fa de materialul de baz.

e) Sticla laminat (securitul), material compozit care se obine prin lipirea unui strat de polivinil ntre dou straturi de sticl.

1.2.3 Materiale compozite armate cu particule

Aceast categorie de materiale compozite const din nglobarea ntr-o matrice a unuia sau mai multor materiale.

Particulele i matricea pot fi metalice sau nemetalice n urmtoarele variante [4], [5]:

a) Particule nemetalice n matrice nemetalic.

Un exemplu din aceast categorie de materiale l constituie cel rezultat din particule de nisip i roc ntr-un amestec de ciment i ap, care reacioneaz chimic i se ntrete. Alt exemplu l constituie i particule

Search related