Click here to load reader

materiale compozite stratificate şi armate cu fibre

  • View
    279

  • Download
    5

Embed Size (px)

Text of materiale compozite stratificate şi armate cu fibre

CAPITOLUL 2

PAGE

CAPITOLUL 2

MATERIALE COMPOZITE STRATIFICATE I ARMATE CU FIBRE

Materialele compozite stratificate i armate cu fibre sunt alctuite dintr-o matrice (polimer) i un material de armare, ales n funcie de caracteristicile i condiiile de utilizare ale produsului proiectat. Introducerea unor fibre sau a altor elemente de armare n materiale plastice urmrete obinerea unor materiale cu rezistene ridicate n comparaie cu materialul plastic folosit ca baz.

2.1 Materiale plastice (matrice)

La nceputul secolului XX chimistul american Backeland prepar pentru prima oar bachelita. Acesta ncearc apoi reducerea fragilitii bachelitei, prin armarea cu fibre de lemn, cu fragmente de hrtie sau azbest, supuse unui proces de presare la cald. Obine astfel un material termostabil, electroizolant, rezistent la oc i uzur.

n anii urmtori, s-a ncercat aplicarea aceluiai procedeu rinilor fenolice, prin armarea lor cu fibre de celuloz i cu fibre textile, dar presiunile ridicate cerute de prelucrarea rinilor fenolice i rezultatele obinute au limitat aplicarea procedeului menionat.

n anul 1930, n Anglia, la Glasgow, au fost fabricate pentru prima dat fibrele de sticl [1], [2], dar armarea rinilor fenolice cu fibre de sticl a avut ca impediment presiunea de lucru ridicat la care trebuia s se realizeze materialul compozit, presiune la care fibrele de sticl se deteriorau. Cercetrile s-au ndreptat apoi spre descoperirea unor noi rini care s necesite presiuni sczute de prelucrare. Au aprut astfel rinile poliesterice cu caracteristici superioare celor fenolice. n acelai timp, s-a acordat o mare importan studiului catalizatorilor i acceleratorilor adecvai mbuntirii legturii rin-fibr. Apoi apar primele stratificate din rini poliesterice nesaturate, armate cu fibre de sticl, acestea devenind principalele concurente ale metalelor [1].

Compozitele polimerice reprezint acele materiale care au n componena lor cel puin doi componeni cu structur chimic diferit, din care cel puin unul s fie o faz polimeric unitar. Faza polimeric unitar reprezint polimerul mpreun cu adaosurile de stabilizare, lubrifiere i colorare [2], [3].

Compozitele polimerice sunt clasificate din punct de vedere al tehnologiilor de obinere n compozite termorigide i compozite termoplastice.

Compozitele termorigide sunt cele care prin nclzire sufer o transformare ireversibil, materialul nemaiputnd reveni la starea iniial (bachelita), spre deosebire de compozitele termoplastice la care procesul de nclzire prezint un caracter reversibil pn la nmuiere, materialul putnd reveni ulterior, prin rcire, la structura sa iniial (smoala).

Rinile cel mai des utilizate pentru obinerea compozitelor termoplastice sunt: nylonul, polietilena, polipropilena, acrilaii, vinilul etc. Acestea se toarn prin injecie i se armeaz cu fibre scurte, tocate.

Din categoria rinilor folosite pentru realizarea compozitelor termoplastice fac parte rinile poliesterice nesaturate, esterii, rinile fenolice, rinile siliconice, rinile epoxidice etc.

Utilizarea compozitelor termoplastice se recomand atunci cnd se dorete obinerea unei structuri compozite de form complex.

Pentru realizarea compozitelor stratificate i armate cu fibre se folosesc mai des acrilaii, poliesterii, poliamidele [2], [3].

Rinile fenolice se folosesc la obinerea lacurilor, adezivilor, proteciilor anticorozive, ca rini de turnare i ca rini de presare. Principalele lor proprieti sunt: rezisten mecanic i rigiditate ridicate, stabilitate dimensional, rezisten la temperaturi ridicate, rezisten la coroziune i umiditate, proprieti dielectrice bune, rezisten la aciunea solvenilor.

Armarea lor cu fibre de sticl, de azbest, de carbon sau cu fibre de grafit le asigur caracteristici mecanice deosebite.

Rinile siliconice sunt polimeri termorigizi caracterizai prin stabilitate termic, rezisten la umiditate i ageni chimici dar i remarcabile proprieti electrice. Aceste rini se ntresc la cldur i la presiuni ridicate. Proprietile fizico-mecanice deosebite ale stratificatelor cu matrice din rini siliconice i armate cu estur din fibre de sticl le recomand n special pentru utilizri la temperaturi ridicate (250-550(C).

n practic, din marea varietate de rini poliesterice, se utilizeaz mai des poliesterii nesaturai i alchizii. Prin combinarea acestor rini cu stirenul, se obine o matrice cu proprieti termice i electrice foarte bune.

Poliimidele sunt polimeri cu rezisten la temperaturi ridicate (110-190(C) dar i buni izolatori termici. Rinile poliimidice cel mai des utilizate n practic sunt PMR-15 polimerii oxidianilinici i dianhidridici. Prin introducerea lor n compoziii de tip prafuri de presare se obin materiale care se reticuleaz la cald i cu bun stabilitate termo-oxidant.

Rinile epoxidice sunt n general mai scumpe dect cele poliesterice sau fenolice. Acestea au caracteristici mecanice, chimice i electrice care le situeaz la loc de frunte n ierarhia materialelor de baz utilizate la elaborarea compozitelor. Rinile epoxidice ntrite sunt materiale foarte dure, duritatea lor fiind de aproximativ apte ori mai mare dect a rinilor fenolice. n timpul ntririi, aceste rini sufer o contracie relativ mic (max 25%). Structura chimic a acestora asigur o aderen bun ntre materialul de armare i matrice. Rinile epoxidice mai au i alte proprieti care le recomand, cum ar fi: rezisten mare la aciunea solvenilor i acizilor, rezisten dielectric ridicat, rezisten la arc electric, stabilitate termic bun (260(C), foarte mic absorbie de ap.

Datorit calitilor lor, industria aeronautic este domeniul unde sunt cel mai mult folosite. Dezavantajul acestor rini l reprezint preul lor ridicat.

n ara noastr se produc att rini poliesterice nesaturate, utilizate la obinerea lacurilor i chiturilor (tip Polestral), ct i rini pentru armare (tip Nestrapol).

Principalele caracteristici ale Nestrapolului 220 sunt:

- rezistena la traciune: 50 MPa;

- rezistena la compresiune: 165 MPa;

- rezistena la oc: 50 MPa;

-rezistena la ncovoiere: 90 MPa;

-alungirea specific: 5%;

-modulul de elasticitate: 3900 MPa.

2.2 Materiale de armare

Armarea materialelor plastice are drept scop mbuntirea proprietilor fizico-mecanice ale acestora. Influena materialelor de armare asupra materialului plastic difer n funcie de materialul ales, de modul de dispunere al acestuia, de proporia n care acesta este folosit precum i de msura n care se realizeaz o bun aderen polimer-armtur.

Alegerea materialului de armare corespunztor scopului propus impune cunoaterea condiiilor pe care acesta trebuie s le ndeplineasc:

-rezistene la traciune, la ncovoiere i la oc, sensibil mai mari dect cele ale matricei pe care le armeaz;

-modul de elasticitate mai mare dect cel al matricei;

-rezisten chimic fa de matrice;

-form corespunztoare necesitilor;

-suprafa la care matricea s adere ct mai bine.

Cele mai utilizate elemente de armare sunt: fibrele de sticl, fibrele de carbon, fibrele de azbest, fibrele de silice, fibrele de cuar, fibrele de bor, fibrele de grafit [2], [3], [4].

Fibrele de sticl obinute prin filare, au urmtoarele caracteristici principale:

-valori ridicate ale rezistenelor de rupere la traciune, compresiune i oc;

-foarte bun stabilitate dimensional;

-rezisten ridicat la coroziune;

-nu sunt higroscopice, nu putrezesc i nu ard;

-stabilitate termic bun (la 370(C i pstreaz aproximativ 50 % din valorile caracteristicilor fizico-mecanice pe care le au la temperatura obinuit);

-buni izolatori electrici i termici.

Aceste proprieti, corelate cu densitatea redus, asigur materialelor plastice armate cu astfel de fibre, cel mai bun raport rezisten-greutate. De asemenea, preul redus n comparaie cu cel al altor fibre (carbon, bor, wolfram, cuar), precum i multitudinea formelor de prezentare (rowing, mat, esturi), explic de ce 85% din fibrele de sticl produse n lume servesc la armarea materialelor plastice.

Rezistena la traciune a fibrelor de sticl este mai mare la diametre mici.

Proprietile acestor fibre depind i de compoziia chimic a sticlei. n acest sens au fost create i testate o serie de compoziii chimice ale sticlei, dar numai o anumit parte dintre acestea au fost comercializate spre a crea fibre (de sticl).

Cele mai importante tipuri de sticl folosite la armarea materialelor plastice sunt sticla alcalin (sticla A), sticla nealcalin (sticla E), sticla cu caracteristici mecanice i de rezisten foarte ridicate la temperaturi nalte (sticla S) i de asemenea un tip de sticl cu un coninut foarte mare de bioxid de siliciu (sticla D). n tabelul 2.1 sunt prezentate cteva caracteristici ale acestor tipuri de fibre.

Tabelul 2.1 Caracteristici ale fibrelor de sticl

Sticla

Densitatea [kg/m3]

Modulul de elasticitate longitudinal (la 22 (C) [MPa]

Rezistena la traciune [MPa]

E

2540

73815

3515

S

2490

87000

4675

D

2160

52000

2500

C

2490

70300

2812

Fibrele de sticl cele mai des utilizate sunt cele din sticl E (borosilicat de calciu i aluminiu) datorit proprietilor lor mecanice, electrice i chimice foarte bune, precum i datorit preurilor foarte sczute.

n ultimul timp s-au depus eforturi pentru obinerea unor fibre de sticl cu proprieti mbuntite. Astfel, din ce n ce mai mult sunt folosite astzi dou tipuri de fibre de sticl cu proprieti superioare sticlei E. Acestea sunt fibrele de sticl S i S-2. Sticla S este un aluminosilicat de magneziu, avnd un coninut de alumin mai mare dect al sticlei E. Datorit acestui fapt sticla S are cele mai bune caracteristici mecanice i de rezisten la tempe

Search related