C 6 Curs FPMPC 1

Materiale compozite

Curs FPMPC 2C 6

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

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

� APLICATII: construcţii civile şi industriale, electrotehnică, electronică, transporturi rutiere, feroviare şi navale, tehnica aeronautică şi aerospaţială, etc.

Curs FPMPC 3C 6

Proprietatile materialelor compozite-de ,,generaţia a doua”, sunt:

- masă volumică redusă în raport cu metalele (2 kg/dm3 faţă de 7 - 8 kg/dm3 la oţel);

- rezistenţă la tracţiune sporită;- coeficient de dilatare foarte mic în raport cu metalele;- rezistenţă la şoc, abraziune şi coroziune;- durabilitate ridicată în funcţionare;- capacitate mare de amortizare a vibraţiilor;- siguranţă mai mare în funcţionare ( ruperea unui material

compozit nu se face brusc ca la metale);- consum energetic scăzut pentru producere (pentru obţinerea

polietilenei se consumă 25 Kcal/cm3 în timp ce la oţel valoarea este de 160 Kcal/cm3 );

- rezistenţă extrem de ridicată la acţiunea factorilor atmosferici (oxidare, coroziune, mucegai);

- stabilitate chimică ridicată.

Curs FPMPC 4C 6

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

� Materialele compozite reprezintă aranjamente de fibre -continue sau nu - din materiale rezistente (elemente de armare) care sunt acoperite cu o matrice a cărei rezistenţă mecanică este cu mult mai mică. Matricea menţine dispunerea geometrică dorită a fibrelor şi le transmite solicitările la care este supusă piesa. (Daniel GAY - Matériaux composites)

� Materiale compozite - Materiale formate din mai multe elemente componente distincte, a căror asociere conferă ansamblului proprietăţi pe care nici unul dintre elementele componente luate separat nu le posedă. (Le Petit Larousse Illustré)

Curs FPMPC 5C 6

MATERIALE COMPOZITE

MATERIALE DE ARMARESticlă, Azbest, Siliciuşi cuarţ, Carbon-Grafit, Bor, Carburi de siliciu, Oţel, Iută, Bumbac, Celuloză, Aramidă, Aliajemetalice, Safir etc.

MATRICE (LIANT)-Organicã: Răşini (Fenoli, Poliesteri, Poliamide, Epoxizi, etc.)-Minerală: Carbon, SiC, ceramice-Metalică: Al, Ni, Ti.

MATERIALE AUXILIARE (ÎNC ĂRCĂTURI, ADITIVI)-Materiale de umplutura: Cretă, Siliciu, Caolin, Oxid de titan, Sticlă

(bile), Pudră metalică, Cuarţ, Mică

-Materiale ajutatoare: Coloranţi, Agenţi de finisare (Gel-coat), Agenţi de cuplare, Catalizatori, Inhibitori, Antioxidanţi, Diluanţi, Acceleratori, -Materiale cu scop special: Agenţi antistatici, Agenţi de demulare, Agenţi ignifuganţi, Agenţi antiradianţi, Agenţi fungicizi

Structura unui material compozit

Curs FPMPC 6C 6

Materialele compozite s-au dezvoltat în primul rând din necesitatea reducerii greutatii pieselor şi prelungirea duratei lor de funcţionare, obiectiv deosebit de important în industria aeronautică sau cea a construcţiei de autovehicule, neputând ignora aplicaţiile din domeniul electrotehnic.Industria aeronautic ă

� Panouri de fuselaj, profiluri aerodinamice, arbori pentru rotoarele elicopterelor, carcase de motoare sau pompe, pale de elice de elicopter, lonjeroane, elemente pentru placarea aripilor, antene, piese de fixare şi orientare la trenul de aterizare, elemente pentru realizarea structurii interioare a avioanelor.Tehnica spa ţială

� Izolatoare termice, conducte sub presiune, rezervoare de combustibil, piese rezistente la radiaţiile cosmice, antene, piese componente ale laboratoarelor spaţiale şi ale vehiculelor lunare.

Curs FPMPC 7C 6

Industria chimic ă� Recipiente sub presiune, containere, elemente pentru placări

anticorozive, exhaustoare, bazine, hote, coşuri de fum, turnuri de răcire, aparate care lucrează în medii corozive, conducte.

Agricultur ă� Panouri transparente şi termoizolante pentru sere, silozuri, ambalaje,

piese pentru maşini agricole (tablouri de bord, caroserii, blindaje, vane), sisteme de irigaţie, rezervoare pentru furaje.

Industria alimentar ă� Camere şi vitrine frigorifice, recipiente de dimensiuni mari, elemente de

etanşare rezistente la atacul microorganismelor, rozătoarelor sau insectelor, coşuri, cutii, structuri interioare igienice.

Construc ţia de automobile� Rezervoare de benzină, palete de ventilator, caroserii, carcase, scaune,

pardoseli, apărătoare pentru roţi, panouri de bord, radiatoare, uşi.

Curs FPMPC 8C 6

Sport� Ambarcaţiuni, undiţe, schiuri, căşti de protecţie, pereţi, balustrade şi filtre

pentru piscine, apărătoare, sănii.

Construc ţia de aparate optice� Carcase, suporturi pentru prisme, piese pentru aparate foto, proiectoare,

epidiascoape, binocluri, butoane, mânere.

Transporturi şi telecomunica ţii� Cisterne, piese pentru vagoanele de marfă, componente ale vagoanelor

de călători (rame, pereţi, balustrade), elemente de finisare şi mobilier pentru trenurile de metrou, piese de izolare termică şi electrică, structuri interioare ale navelor pentru transportul pe apă, elemente de placare a pieselor metalice, antene parabolice (metalizate), carcase pentru telefoane.

Electronic ă şi elecrotehnic ă� Suporturi pentru circuite imprimate, întrerupătoare, angrenaje, carcase,

izolatoare de înaltă tensiune, comutatoare, platforme, cabine, corpuri de iluminat, cutii pentru aparate de măsură şi control, protecţii pentru antene

Curs FPMPC 9C 6

Industria mobilei� Dulapuri, fotolii, scaune, paturi, biblioteci, vitrine, birouri, ornamente.

Construc ţia de cl ădiri şi obiecte de uz casnic.� Panouri termoizolante, pereţi, rame de ferestre, tavane, conducte,

cofraje, ornamente pentru faţade, stoluri, lambriuri, acoperişuri, elemente de iluminat, izolaţii, căzi de baie, lavoare

Curs FPMPC 10C 6

Exemplu Solu ţia clasic ăPret

Solu ţia compozit ăPret

Rezervor de 65 m3 pentru industria chimică

Oţel inox + instalare1

0,53

Conductă de fum pentru industria chimică

Oţel1

0,51

Vas pentru vapori de acid nitric

Oţel inox1

0,33

Ampenaj de elicopter Aliaj uşor + oţel (16 kg)1

Carbon/epoxid (9 kg)0,45

Stâlpul troliului unui elicopter

Ansamblu:11

Carbon/epoxid (11 kg)1,2

Curs FPMPC 11C 6

Butucul rotorului unui

elicopter

Ansamblu:1

1

Carbon/kevlar/epoxid (9

kg)

Ansamblu: 0,8

0,4

Masa X-Y pentru

fabricarea circuitelor

integrate

Placă de aluminiu, cadenţa

de fabricare: 30 plăci/oră

Sandwich

carbon/epoxid/fagure

55 plăci/oră

Tamburul mesei de

desenat

Viteza de trasare: 15-30

cm/s

Kevlar/epoxid

40-80 cm/s

Cap de robot pentru sudatAluminiu

Ansamblu: 6kg

Carbon/epoxid

Ansamblu: 3 kg

Lancea războiului de ţesut

Aluminiu

Cadenţa: 250

lovituri/minut

Carbon/epoxid

350 lovituri/minut

Podea aeronauticăAnsamblu:1

1

Carbon/kevlar/epoxid

Ansamblu: 0,8

1,7

Curs FPMPC 12C 6

� Printre primele aplicaţii ale materialelor compozite în industria constructoare de autovehicule. sunt cele în domeniul caroseriilor auto:

� În 1953 caroseria autoturismului Corvette Chevrolet (USA), este integral din compozit sticlă-epoxid;

� În 1968 jantele roţilor autoturismului Citroen SM, erau din compozite sticlă-epoxid;

� În 1970 - bara de protecţie de la R5 Renault era din sticlă-epoxid; � În 1980 - John Barnard, inginer de la echipa de Formula 1

McLaren, a construit primul şasiu din carbon-kevlar şi alte materiale compozite, [WIK 08c].

� În 2002 McLaren Mercedes construieşte prima caroserie integrală din fibră de carbon pentru autoturismul de serie SLR Mclaren Mercedes (fig. 1, 2.)

Curs FPMPC 13C 6

Curs FPMPC 14C 6

Curs FPMPC 15C 6

Curs FPMPC 16C 6

Curs FPMPC 17C 6

Curs FPMPC 18C 6

� Avionul Airbus A310Caracteristicile avionului Airbus A310, figura 8.1, sunt: masa totală în

sarcină - 150 t, masa structurii - 44,7 t, masa totală de materiale compozite - 6,2 t, masa de compozite de înaltă performanţă - 1,1 t, câştigul de masă pe structura avionului - 1,4 t, procentajul de compozite -13,8% din masa structurii avionului. Un câştig masic de 1 kg din structură măreşte raza de acţiune a aparatului cu o milă marină.

Structurile compozite la avionul Airbus A310 sunt diverse după cum se poate vedea în figurile 5 şi 6.

Se estimează că un câştig de masă de 15-20 % justifică întotdeauna trecerea de la materiale clasice la materiale compozite, de unde se poate înţelege interesul faţă de compozitele de înaltă performanţă.

Curs FPMPC 19C 6

Curs FPMPC 20C 6

Curs FPMPC 21C 6

Curs FPMPC 22C 6

Curs FPMPC 23C 6

� Compania producătoare de avioane Airbus, cu o capacitate cuprinsă între 500 - 880 de pasageri, utilizează materiale compozite între 30 - 50 % din masa aparatelor.

� Noul Airbus A 380, cel mai mare aparat de zbor pentru pasageri, avand masa totala de 50 de tone, contine 30% materiale compozite.Acesta poate parcurge 14.800 km cu doar litri de cherosen/100 km/ pasager.

� Ponderea materialelor din care este construit Boeing 787, ultimulavion produs de compania cu acelasi nume, Dreamliner esteurmatoarea: 50% - materiale compozite pe baza de fibra de carbon, 20% - aluminiu , 15% - titan, 10% - otel, 5% - altele.

Curs FPMPC 24C 6

� Masa netă a navetelor NASA este de 70 t. În funcţie de zone, se utilizează garnituri din compozite carbon/carbon, SiC/SiC, şi piese de structură din bor/aluminiu. Partea centrală este protejată de “ţigle” compozite, ceramice, care formează un scut termic. Scutul termic este format din aproximativ 30000 de “ţigle”. Modul de fixare al “ţiglelor” este prezentat în figura 7.

� Navetele Hermes au masa netă de 8,5 t. La aceste navete varianta cu “ţigle” este înlocuită cu o variantă cu piese compozite din C/C, C/SiC şi SiC/SiC. Acest scut termic trebuie să reziste la cel puţin treizeci de aterizări.

Curs FPMPC 25C 6

Curs FPMPC 26C 6

Curs FPMPC 27C 6

Curs FPMPC 28C 6

Curs FPMPC 29C 6

Materialele compozite (MC) se compun în principal din:

a) Material de baz ă (matrice - M) - materiale organice, metalice sau minerale,

b) Material de armare (MA),c) Materiale auxiliare (MAUX).

Matricea înglobează materialul de armare iar fiecare component conferă noului material îmbunătăţirea unor caracteristici. Materialul de armare influenţează rezistenţa la tracţiune iar matricea influenţează rezistenţa la compresiune şi păstrează constantă poziţia materialului de armare, transmiţîndu-i solicitările la care este supusă piesa.

Matricea leag ă între ele materialele de armare, repartizeaz ă eforturile, preia de asemenea şi solicit ările la compresiune, îndoire şi protejeaz ă structura împotriva agen ţilor fizico-chimici.

Materialele de armare sunt cele care realizează rezistenţa mecanică (în particular preiau solicitările la tracţiune) şi constituie scheletul structurii realizate. Intre materialele de armare şi matrice exist ă o interfa ţă ce influenţează foarte mult comportamentul termomecanic al MC.

Curs FPMPC 30C 6

Curs FPMPC 31C 6

Clasificarea materialelor compozite (MC) se face de regulă după o serie de criterii dintre care cele mai importante sunt:

a) După natura matricei:� compozite cu matrice metalică (Al, Cu, Ni, Mg, superaliaje, aliaje de Al,

Cu),� compozite cu matrice organică (polimeri),� compozite cu matrice ceramică (carbură de siliciu, nitrură de siliciu).

b) Dup ă configura ţia geometric ă a materialului de armare:� compozite cu fibre discontinue (fibre scurte, mono sau multifilamente),� compozite cu fibre continue,� compozite cu particule mari (grafit, oxizi, nitruri, carburi, aliaje), cu

dimensiuni mai mari de 1 µm şi diferite forme: sferică, plată, elipsoidală, neregulată,

� compozite cu microparticule (materialul de armare reprezintă 1…15 %, iar diametrul mediu al particulelor nu depăşeşte 0,1 µm),

� compozite lamelare, stratificate.

Curs FPMPC 32C 6

d) Dup ă structur ă şi mod de fabrica ţie

Proiectarea structurilor din materiale compozite este foarte diferită faţă de aceea a produselor din materiale de sinteză clasice. Deoarece materialele compozite sunt eterogene trebuie să construim structura la cerere, rezultatul constituind un sistem care include:

� natura şi forma geometrică a materialului de armare,� natura matricii şi a materialelor auxiliare,� geometria piesei de realizat,� procedeul de fabricaţie folosit,� factorii de solicitare a structurii în timpul funcţionării.

Curs FPMPC 33C 6

Curs FPMPC 34C 6

Termen DefiniţieABS Acrilonitril-Butadien-Stiren

AU Agenţi de umplere

BMCBulk Molding Compound - procedeu de formare prin injecţie de

premix

CAD Computer Aided Design - Proiectare asistată de calculator

Carbon HM Carbon cu modul înalt

Carbon HR Carbon de înaltă rezistenţă

Compozit GD Compozit de largă utilizare

Compozit HP Compozit de înaltă performanţă

FIT Fibră impregnată cu răşină termoplastică

Curs FPMPC 35C 6

IMCIn Mold Coating - acoperire în matriţă

M Matrice

MA Materiale de armare

MAUX Materiale auxiliare

MC Materiale compozite

MPI Materiale preimpregnate

NIDA Nid d’abeilles - fagure

PA Poliamidă

PAN Poliacrilonitril

PBT Politereftalat de butilenă

PC Policarbonat

PEEK Poliester - ester - cetonă

PES Polieter sulfon

Curs FPMPC 36C 6

PET Politereftalat de etilenă

PF Polieter fenolic

PI Poliimidă

POM Poliacetal

PP Polipropilenă

PPO Polioxid de fenilenă

PPS Polifenilenă sulfonă

PSE Polistiren expandat

PSF/PSU Polisulfat

PSP Polistirenpiridă

PU Poliuretan

Curs FPMPC 37C 6

RIM Reaction Injection Molding - injecţie prin reacţie

R-RIMRenforced Reaction Injection Moulding - injecţie, prin reacţie, de

materiale armate

RTM Resin Transfer Molding - formare prin transfer de răşină

SMCSheet Molding Compound - formarea prin presarea de plăci

preimpregnate

STD Standard

TP Răşini termoplastice

TPR Termoplastice armate

TR Răşini termorigide

TRE Termoplastice armate presate

UV Ultraviolete

ZMC Variantă a procedeului BMC

Curs FPMPC 38C 6

Termen Definiţie

AcceleratorSubstanţă care, în prezenţa unui catalizator sau iniţiator,

măreşte viteza de gelifiere sau de întărire a unei răşini.

Adeziv

Substanţă cu care se pot asambla (lipi) diferite materiale

plastice solide datorită forţelor intermoleculare şi/sau

intramoleculare.

Agent de ignifugareSubstanţă adăugată cu scopul de a împiedica sau întârzia

propagarea flăcării.

Agent de umplere

Substanţă solidă, relativ inertă, care adaugată unui material

compozit îi modifică rezistenţa, stabilitatea sau alte

proprietăţi, scăzând totodată preţul de cost.

Agent fungistaticSubstanţă încorporată în gel-coat pentru preîntâmpinarea

acţiunii microorganismelor asupra materialelor compozite.

ContracţieReducerea dimensiunilor unui material compozit în urma

unui proces fizic sau fizico-chimic.

Curs FPMPC 39C 6

CopolimerPolimer constituit din doi sau mai mulţi meri, diferiţi chimic,

aşezaţi într-o secvenţă ordonată sau dezordonată.

DelaminareDefect care constă în desfacerea în straturi a unui material

compozit.

DenierUnitate de măsură în industria textilă, care exprimă fineţea firelor

textile (grame/lungimea unui scul de 900 m)

FisurăDefect sub forma unei crăpături fine sau foarte fine la suprafaţa

sau interiorul unui material compozit.

Formare Procedeu de fabricaţie a unei piese din material compozit

Formare prin compresiuneFormarea unui produs din materiale compozite prin presarea

materialului într-o matriţă, în general la cald.

Gel

Sistem semisolid constituit dintr-o reţea de agregate, care reţine

lichid, sau faza iniţială gelatinoasă care se formează la obţinerea

unei răşini.

Gel-coat Strat de finisare

Grad de polimerizare Numărul (mediu) de motive monomerice dintr-o macromoleculă.

Curs FPMPC 40C 6

HomopolimerPolimer constituit prin repetarea unui singur tip de motiv

monomeric.

InhibitorSubstanţă care produce o întârziere în desfăşurarea anumitor

reacţii chimice.

ÎmbătrânireProces de modificare în timp a proprietăţilor unui material

compozit, în anumite condiţii de solicitare.

Înt ăritorSubstanţă care adăugată anumitor tipuri de răşini sintetice

favorizează întărirea acestora.

MatPătură (împâslitură) realizată din fire de sticlă tăiate, aglomerate

cu un liant sau mecanic, de diferite grosimi.

Material plastic

Material care conţine ca şi compus esenţial un polimer înalt şi

care se poate prelucra uşor la cald sau la rece, cu sau fără

presiune.

Curs FPMPC 41C 6

Material plastic armat

Material plastic în care sunt înglobate fibre sau ţesături foarte

rezistente, care îi conferă proprietăţi de rezistenţă superioară celor

ale materialului plastic de bază.

Material plastic termoreactiv (termorigid)

Material plastic care sub acţiunea căldurii (sau prin alte mijloace

ca radiaţii, catalizatori, etc.) poate suferi o reticulare,

transformându-se într-un material infuzubil şi insolubil.

Material termoplasticMaterial plastic solid care poate suporta o deformare plastică la

temperaturi ridicate, fără să se producă transformări chimice.

Oboseală

Proces de modificare progresivă a structurii unui material

compozit supus unor sarcini şi care prin scăderea rezistenţei

materialului poate duce la fisuri sau ruperi complete.

Pigment

Substanţă constituită din particule solide, colorate, organice, sau

minerale, practic insolubilă în solvenţi sau răşini (folosită pentru a

colora sau opaciza materialele compozite).

Poliester Polimer în care motivul structural al lanţului este de tip ester.

Curs FPMPC 42C 6

Polimer

Substanţă constituită din molecule caracterizate prin repetarea unuia

sau mai multor tipuri de motive monomerice (exceptând capetele de

lanţuri moleculare, punţile dintre lanţuri şi alte mici neregularităţi).

PolimerizareReacţie chimică în care moleculele de monomer se combină pentru a

forma polimeri.

Premix

Amestec de fire de sticlă tocate sau măcinate şi un liant organic, folosit

fluid la formare care, după ce este turnat sau injectat într-o matriţă,

presat şi încălzit se întăreşte (polimerizare parţială). Polimerizarea

integrală se realizează în cursul procesului de formare.

Răşină

Substanţă organică solidă, semisolidă sau pseudo-solidă, care are o

masă moleculară nedefinită şi adesea mare, prezintă tendinţă de curgere

când este supusă unei solicitări, are în general un domeniu de înmuiere

sau de topire şi se rupe de obicei concoidal.

Curs FPMPC 43C 6

ReticulareReţea de legături intermoleculare multiple, covalente, între lanţurile

unui polimer.

Roving

Ansamblu de filamente de sticlă lungi, continui, având diametre

cuprinse între 8 - 14 µm, netorsionate, paralele, grupate în toroane

(6 - 60 sau mai multe).

Sticla E

Borosilicat de calciu şi aluminiu, cu bună rezistenţă la apă şi

umezeală, cu stabilitate excelentă a caracteristicilor mecanice şi

electrice în timpul exploatării

Strand Funie din mai multe fire.

Curs FPMPC 44C 6

Materiale pentru matrici� a) RĂŞINI POLIESTERICE� Acestea sunt pe departe, răşinile cele mai utilizate. Se disting 4 clase de

răşini poliesterice:� Ortoftalice: curente

� Isoftalice: cu caracteristici ameliorate

� Pe baza de clor� Pe baza de bisfenol A: protecţie anticorozivă

� Livrarea se face sub trei forme:� Răşini lichide,

� Amestecuri “premix”� Preimpregnate

Avantajele şi dezavantajele răşinilor poliesterice sunt indicate în tabelul 4:Vinilesterul este o răşina ameliorată pe bază de poliester, care imprimă

foarte bune proprietăţi de rezistenţă la croziune şi comportare mecanică bună.

Curs FPMPC 45C 6

� Matricea are rolul de a prelua şi transmite solicitările elementelor de armare (cazul compozitelor armate cu fibre) sau de a prelua solicitările (cazul compozitelor armate cu particule şi compozitelor disperse). Matricea are rolul de a păstra arhitectura iniţială a materialului de armare, de a repartiza eforturile, de a prelua de asemenea solicitările la compresiune, îndoire ale materialului compozit şi de a proteja structura împotriva agenţilor fizico-chimici (coroziune, loviri, etc.).

� Materialele de armare au rolul de a prelua sarcinile mecanice (cazul compozitelor armate cu fibre) şi de a îmbunătăţii proprietăţile materialului compozit. Materialul de armare influenţează rezistenţa la tracţiune, iar matricea influenţează rezistenţa la compresiune şi păstrează constantă poziţia materialului de armare, transmiţându-i

solicitările la care este supusă piesa.

Curs FPMPC 46C 6

AVANTAJE LIMITE ALE UTILIZ ĂRII

* Aderenţă bună la suprafaţa fibrelor de sticlă* Posibilitate de transluciditate* Formarea facilă a pieselor* Rezistenţa chimică destul de bună* Preţ redus

* Contracţie importantă la revenire (6÷15%) în afară de reţetele speciale* Inflamabilitate* Rezistenţă redusă la caldură umedă (vapori şi ceaţă)* Durată de conservare limitată

Curs FPMPC 47C 6

b) RĂŞINI EPOXIDICE� Termenul epoxi descrie o familie de polimeri care au la bază în

structura moleculară grupări epoxid. În funcţie de numărul de grupări epoxi se pot obţine răşini:� bifuncţionale,

� trifuncţionale � polifuncţionale.

� In funcţie de structura chimică se pot obţine răşini epoxidice aromatice, cicloalifatice, alifatice sau cu rezistenţă ridicată la flacără.

� Răşinile epoxidice se obţin prin reacţia epiclorhidrinei cu compuşi ce conţin atomi de hidrogen mobili (fenoli sau amine), în mediu bazic. Acestea sunt utilizate pentru preimpregnarea ţesăturilor şi ca adeziv structural. Temperatura de întărire a celor mai folosite răşini epoxidice variază între 120° şi 180°C. Înt ărirea are loc pe seama grupărilor reactive epoxi.

� Industrial, răşinile epoxidice au fost produse pentru prima dată de firma Ciba în 1946, fiind cunoscute sub denumirea de Araldite.

Curs FPMPC 48C 6

� Proprietăţile răşinilor epoxidice depind de:� structura chimică a acestora, � de masa moleculară, � de gradul de reticulare � de natura coreactantului utilizat pentru întărire,� de natura şi cantitatea de material de umplutură.

� Dintre avantajele acestor materiale se pot aminti: rezistenţa şi modulul de elasticitate ridicat, contracţie mică 1%, nivel scăzut de volatilitate, adeziune excelentă la fibre şi la metale, rezistenţă chimică bună şi uşurinţă în fabricare.

� Dezavantajele constau în principal în fragilitate, timp de polimerizare mai ridicat decât la răşinile poliesterice şi diminuarea proprietăţilor în condiţii de umezeală. Costul răşinilor epoxidice sunt ridicate comparativ cu poliesterii.

� Principalele domenii de utilizare a răşinilor epoxidice sunt: adezivi, lacuri de impregnare şi anticorosive, industria electronică şi electrotehnică, materiale compozite de „înaltă performanţă”.

Curs FPMPC 49C 6

AVANTAJE LIMITE ALE UTILIZ ĂRII

* Proprietăţi mecanice şi termice bune (în particular rezistenţă la oboseală)* Contracţie redusă la formare (≅1%)* Bună comportare exterioară, sub rezerva precauţiunilor particulare* Bună rezistenţă chimică* Punere în formă fară solvenţi* Excelentă aderenţă la fibre şi la metale

* Preţ relativ ridicat* Timpul de polimerizare mai ridicat decît la răşinile poliesterice

Curs FPMPC 50C 6

c) RĂŞINI FENOLICEAceste răşini sunt cel mai des utilizate pentru compozite

supuse la tensiuni termice. Ele se prezintă sub formă lichidă sau ţesături preimpregnate.

AVANTAJE LIMITE ALE UTILIZ ĂRII

* Bună rezistenţă la foc şi la temperaturi ridicate* Proprietăţi ablative* Preţ redus

* Caracteristici mecanice scăzute* Degajă apă în timpul punerii în formă* Colorare dificilă (culoare de origine: brun întunecat)

Curs FPMPC 51C 6

d) RĂŞINI POLIIMIDE� Aceste răşini sunt în egală măsură utilizate pentru M.C. supuse

tensiunilor termice, precum şi atunci cînd dorim o stabilitate dimensională într-o gamă largă de temperaturi (-200 la + 200 ºC)

� Există două forme de livrare:� Răşini lichide� Pudră pentru formarea prin compresiune cu sau fără fibre de armare.

� Avantajele şi limitele de utilizare sunt redate în tabelul 7:

AVANTAJE LIMITE ALE UTILIZ ĂRII

* Rezistenţa mecanică fără fluaj* Coeficient de fricţiune mic* Aderenţă foarte bună * Excelentă rezistenţă la temperatură (-200 - +260 °C)

* Transformare dificilă* Preţ ridicat

Curs FPMPC 52C 6

� e) RĂŞINI POLIURETANICE� Se utilizează poliuretani elastomerici la care vîscozitatea

scăzută permite o bună umplere a matriţei. Produsele sunt livrate în starea de pre-polimeri lichizi.

� Avantajele şi limitele de utilizare sunt redate in tabelul 8:

AVANTAJE LIMITE ALE UTILIZ ĂRII

* Transformări facile * Rezistenţă mecanică redusă* Inflamabilitate

Curs FPMPC 53C 6

Materiale de armare

� Rolul materialului de armare (ramforsare) este de a creşte caracteristicile mecanice ale materialului compozit nou creat. Aceste caracteristici sunt superioare caracteristicilor mecanice ale fiecărui element constituent luat separat.

� În general materialele de armare se folosesc sub formă de fibre. Fibrele se pot prezenta sub diferite arhitecturi:� fire, � mat-uri,� ţesături.

� În general fibrele pot fi din: sticlă, carbon, aramidă, bor, carbură de siliciu, fibre textile naturale sau fire metalice.

Curs FPMPC 54C 6

� Fibrele de sticlă reprezintă materialul de armare cel mai des folosit (se utilizează într-o proporţie de 80 - 85 % din întreaga producţie de MC) pentru compozitele de largă utilizare.

� Fibra de sticlă este un material anorganic, amorf (SiO2) în compoziţia căruia intră ioni de siliciu şi de oxigen.

� În scopul armării MC sticla are o compoziţie ceva mai complexă fiind de mai multe tipuri (E, S, C, H, D, R, etc.) în funcţie de utilizări (sticla E pentru compozite de largă utilizare, sticla D datorită proprietăţilor ei dielectrice se foloseşte în electronică, sticla R datorită înaltei rezistenţe mecanice se foloseşte în compozite de înaltă performanţă).

Curs FPMPC 55C 6

� Fibre continue, sunt caracterizate prin valori l/d mari (>1000) sub forma de fire simple (monofilament d>100 µm) sau rasucite(multifilamente), fiind realizate din bor, carbon, sticle, materialeceramice, oţel inoxidabil.

� Fibrele discontinue, se pot produce ca atare sau prinfragmentarea fibrelor cu lungime mai mare. Se pot împărţi în următoarele categorii:� - fibre discontinue lungi, cu l/d = 300 … l000, iar diametrul d =

3 … 10 µm;

� - fibre discontinue scurte, obtinute prin taierea firelor continue sau discontinue lungi, unde l/d ≅ 100, cu l ≤ 300 µm, iar d ≅ 3 µm;

� - fibre discontinue foarte scurte (whiskers), cu dimensiunireduse (d < 1 µm).

Curs FPMPC 56C 6

În literatura de specialitate se întâlnesc o serie de denumiri specifice, referitoare lafibrele de ranforsare a compozitelor, figura 18:

� filament sau fir – reprezintă unitatea materialului fibros având diametrul cel mai mic;� bundle (m ănunchi) – termen generic pentru o colecţie de filamente sau fibre paralele;� strand – semifabricat de tip funie nerăsucită format din sute sau mii de filamente;� tow – fuior de fire nerăsucite;� end – această denumire se referă la terminaţia unui grup de filamente;� roving – este format dintr-un număr de yarns, strands, tows sau ends adunate într-o� legătură uşor răsucită sau nerăsucită;� yarn – termen generic pentru mănunchiuri de fire sau strands răsucite, ce este utilizat� în ţesături.� band – bandă formată din mai multe roving-uri;� mat – este o împâslitură din fibre tocate de 30 - 40 mm lungime având orientări� aleatoare, fixate cu un liant, formând astfel o pătură.

Curs FPMPC 57C 6

Curs FPMPC 58C 6

� Ţesătura 1D sau ţesătura unidirecţională este realizată în aşa fel, încât să preia forţeledoar pe o singură direcţie, 0º, figura 19. Pentru acest tip de ţesătură se folosesc roving-urile din sticlă, poliesterul cu tenacitate ridicată, aramidele sau carbonul.

Curs FPMPC 59C 6

Curs FPMPC 60C 6

� Ţesăturile 2D sunt caracterizate din punct de vedere structural prin dispunerea firelordupă două direcţii principale, urzeală şi bătătură, figura 20.

� În funcţie de modul de ţesere se pot distinge mai multe tipuri de ţesături, cum ar fi ţesături tip pânză, tip lână, tip satin, figura 21.

Curs FPMPC 61C 6

Curs FPMPC 62C 6

� Sistemul de legătură (ţesere) influenţează flexibilitatea şiprelucrabilitatea ţesăturii şi influenţează direcţia valorilor maximeale caracteristicilor mecanice. De aceste elemente trebuie săţinem seama când proiectăm piesa din material compozit, ştiindmărimea şi direcţia încărcării mecanice maxime ale acesteia. Grosimea şi gradul de torsionare a fibrelor ţesăturii influenţeazăflexibilitatea, prelucrabilitatea şi caracteristicile mecanice ale materialului de armare.

� Ţesătura echilibrată (urzeala este egală cu bătătura) se recomandă acolo unde sunt necesare valori egale ale rezistenţeimecanice pe două direcţii perpendiculare. Uneori sticla se maiutilizează, la armarea materialelor compozite, şi sub formă de microsfere de sticlă pline sau goale.

� Pornind de la o structură de armare bidimensională, prinpreimpregnare cu răşină se pot obţine materiale compozite de tip semifabricat, precum sunt preimpregnatele unidirecţionale şiţesăturile preimpregnate, figura 22.

Curs FPMPC 63C 6

Curs FPMPC 64C 6

� Ţesăturile 3D conferă materialului compozit proprietăţi mecanice anizotrope după cele trei direcţii x, y şi z, (figura 23). Aceste ţesături 3D ortogonale au posibilitatea de ţesere în forme complicate, conservă exact poziţia şi alinierea fibrelor şi au o mare rezistenţă la dezlipire (delaminare). Procesul de fabricaţie este insa mai lent, impregnarea este mai dificilă şi costul echipamentului mai ridicat.

Curs FPMPC 65C 6

Curs FPMPC 66C 6

� Principalele avantaje a tipurilor de compozite ce utilizează ţesătura 4D sunt: � legătura suplimentară (prin raportul straturilor bidimensionale)� împiedică delaminarea,

� posibilitatea ţeserii în forme complicate, � rezistenţa mecanică este conservată la temperaturi superioare,� rezistenţă mare la forfecare interlaminară, � coeficientul de contracţie rămâne scăzut, � rezistă la şoc termic,� conductivitatea termică la carbon/carbon este ridicată,� realizează un grad mare de armare a compozitului.

� Dezavantajele ţesăturii 4D constau în impregnare dificilă şi lentă, proces textil lent şi cu cost ridicat.

Curs FPMPC 67C 6

Curs FPMPC 68C 6

Curs FPMPC 69C 6

Curs FPMPC 70C 6

Curs FPMPC 71C 6

� La structuri complexe (fig. 28) se pot proiecta tipuri de ţesături care să satisfacă cerinţele mecanice ale acestora.

� Pentru unele structuri utilizate în industriile aerospaţiale, aeronautice, navale etc. sunt necesare rezistenţe mecanice mari în mai mult de trei direcţii. Pentru aceste aplicaţii se recomandă împletiturile şi ţesăturile 4D. Împletiturile 4D se realizează prin introducerea unui nou set de fibre pe direcţia perpendiculară pe straturile împletiturii 3D.

� La proiectarea pieselor trebuie ţinut cont de tipul de ţesătură folosit, de arhitectura acesteia. Folosirea necorespunzătoare a materialului de armare duce la apariţia defectelor în procesul de elaborare al materialului compozit.

Curs FPMPC 72C 6

Curs FPMPC 73C 6

� Procedeul de formare a panourilor de tip “sandwich” constă întotdeauna în realizarea unui pachet de mai multe straturi plane, din materiale diferite sau identice, strâns legate prin lipire (rigidizate).

� Structurile sandwich pot juca rolul de izolatori termici sau sonori, pereţii preiau solicitările de încovoiere, dar ele sunt utilizate în special datorită rigidităţii lor, comportându-se ca o grindă capabilă să preia diferite încărcări mecanice.

O structură sandwich este constituită din trei elemente de bază, figura 29:

- Învelişurile,- Miezul,- Materialul de lipire care solidarizează miezul cu învelişurile

panourilor, preluând astfel eforturile de forfecare orizontale.

Curs FPMPC 74C 6

Curs FPMPC 75C 6

Tipuri de fibre de sticla

Fibrele de sticlă reprezintă materialul de armare cel mai des folosit (se utilizează într-o proporţie de 80 - 85 % din întreaga producţie de MC) pentru compozitele de largă utilizare.

Fibra de sticlă este un material anorganic, amorf (SiO2) în compoziţia căruia intră ioni de siliciu şi de oxigen.

� Sticla de tip A (alcali) este obţinută dintr-o sticlă sodo-calcică cu un conţinut apreciabil de oxizi de sodiu şi potasiu şi un conţinut limitat de oxizi de bor şi oxizi bazici, utilizată la armarea materialelor care lucrează în medii lipsite de umiditate.

� Fibrele de sticl ă C (chemical) sunt realizate dintr-o sticlă cu un conţinut mic de oxizi bazici, prezentând o rezistenţă chimică remarcabilă. Sunt folosite mai ales pentru obţinerea materialelorcompozite, destinate condiţiilor de exploatare în medii agresive.

Curs FPMPC 76C 6

� Sticla de tip D (dielectric) are un conţinut mare de oxid de bor şi unul foartemic de oxizi alcalini şi alcalino-pământoşi. Această compoziţie asigură o rezistenţă termică mare şi proprietăţi electrice foarte bune. Are constanta dielectrică foarte mică apropiată de cea a sticlei de cuarţ şi o valoare mică a tangentei unghiului de pierdere.

� Sticla de tip E (electrical) este obţinută din borosilicat de calciu şi siliciu. Are rezistivitate electrică mare, este utilizată în scopuri de izolare, iar datorită rezistenţei mecanice şi a rezistenţei la apă şi umezeală este cel mai des utilizat tip de fibră de sticlă pentru structuri.

� Sticla de tip S (strength) este obţinută dintr-o sticlă care conţine oxizi de siliciu, aluminiu. Aceste fibre sunt folosite în scopuri structurale, avândcaracteristici mecanice ridicate, apropiate de cele ale metalelor.

� Sticla de tip R este obţinută din pulbere. Fibrele au o construcţie deosebită, care le conferă o rezistenţă mecanică şi un modul de elasticitate mai mari decât ale sticlei de tip E, motiv pentru care se utilizează la materialele compozite de înaltă performanţă.

Curs FPMPC 77C 6

� Fibrele de sticlă pot fi obţinute fie din bile cu diametrul de 20 mm, fie direct din sticla topită la t = 1250 ºC în cuptor şi tragere printr-o filieră din aliaje de platină.

� Obţinerea fibrelor din bile se realizează cu ajutorul instalaţiei din figura. La temperatura de 1250ºC bilele de sticlă se topesc, iar topitura de sticlă rezultată începe să curgă prin ochiurile unei site, sub efectul gravitaţiei. În funcţie de dimensiunile ochiurilor sitei, diametrul filamentelor de sticlă poate fi de 5....15 µm sau chiar mai mic. În continuare filamentele de sticlă trec prin sistemul de răcire şi sistemul de aplicare a tratamentului de impregnare pe suprafaţa filamentelor, după care intră în dispozitivul de asamblare şi de aici fibrele sunt bobinate.

Curs FPMPC 78C 6

Curs FPMPC 79C 6

Tratamentul plastic realizat la trecerea filamentelor de sticlă prin dispozitivul de tratare are ca scop evitarea deteriorării, prin abraziune, în timpul frecării unui fir de altul, la prelucrarea textilă. Aici filamentele sunt unite într-o singură şuviţă, cu un material constituit dintr-un ameste care conţine unul sau mai mulţi din următorii componenţi:

� - ancolan ţi - uşurează încorporarea fibrei de sticl ă în matrice; con ţine şi agen ţi antistatici ce diminueaz ă încărcarea electrostatic ă,

� - lian ţi (amidon, r ăşini fenolice, epoxidice sau poliesterice) - se aplică pe suprafa ţa filamentelor pentru a le proteja şi a mări aderen ţa răşinii de baz ă,

� - lubrifian ţi (ex. o amidă a unor acizi graşi) - diminuează riscul zgârierii filamentelor reducând coeficientul de frecare mare al sticlei, faciliteaz ă astfel procesul de ţesere a filamentelor de sticl ă,

� - agen ţi de cuplare (compu şi ai cromului) - asigură o bună “udare” sau “uleiere” a sticlei îmbun ătăţind aderen ţa matricei.

După această fază, fibrele de sticlă sunt supuse unor operaţii tehnologice utilizate în industria textilă (răsucire, ţesere, etc.fig.31).

Semifabricatele sunt sub formă de funie tip "STRAND" formată din sute sau mii de filamente de diametre cuprinse între 5 şi 15 µm şi se obţin pe maşini textile clasice.

Sunt necesare diametre aşa de mici deoarece cu cât diametrul filamentului scade cu atât rezistenţa mecanică creşte.

Curs FPMPC 80C 6

Curs FPMPC 81C 6

Curs FPMPC 82C 6

Fibre de carbon

Primele fibre de carbon au fost obţinute prin piroliza fibrelor celulozicenaturale sau a celor regenerate, încă de la sfârşitul secolului al XVIII-lea de către Thomas Edison care le-a folosit drept filamente pentru o lampă incandescentă. Acestea au fost realizate prin carbonatarea bambusului şi a mătasei.

Compozitele ranforsate cu aceste fibre au un domeniu larg de aplicaţie de la echipamente sportive pană la industria aeronautică şi aerospaţială. Fibrele de carbon au rezistenţă specifică şi duritate extrem de mare, ceea ce le fac atractive pentru domeniile în care reducerea masei produselor este importantă.

Proprietăţile fibrelor de carbon pot varia într-un domeniu destul de larg în funcţie de condiţiile de elaborare: inerţie chimică excelentă, stabilitate la temperaturi ridicate, rezistenţă mare la ablaţiune, densitate mică: ρ = 1,4 - 1,8 g/cm³, conductibilitate electrică mare, rezistenţă foarte bună la şoc termic, coeficient de frecare µ mai mic decât al sticlei, conductibilitate termică mică, caracteristici mecanice ridicate, raportul rezistenţă/greutate foarte bun, rezistenţă la abraziune mai mare decât al sticlei.

Curs FPMPC 83C 6

Dacă în matrice se introduc şi agenţi de umplere (grafit sau pulbere de bronz),rezistenţa la uzură poate fi apreciabil mărită. Fibrele de carbon sunt utilizate acolo unde se cere o stabilitate termică bună şi rezistenţă la temperaturi ridicate, densitate mică şi izolaţie termică remarcabilă. Deoarece matricea organică aderă foarte bine la fibrele de carbon ele pot fi utilizate şi netratate cu ancolant. Materialele compozite din fibre de carbon şi-au găsit largi utilizări în industriile aeronautică, aerospaţială, navală, constructoare de maşini, în tehnica sportivă şi militară.

� Fibre de aramid ă

Fibrele aramidă au fost produse pentru prima dată în S.U.A. de firma Du Pont de Nemours, sub numele de Kevlar. Acestea sunt fibre sintetice pe bază de poliamide aromatice.

În prezent fibrele aramidice se împart în două categorii:

� fibrele de modul înalt - Kevlar 49 şi Twaron HM;

� fibrele standard - Kevlar 29, Twaron şi HM.50.

Curs FPMPC 84C 6

Primele sunt utilizate pentru realizarea unor materiale compozite, pe cândcelelalte sunt utilizate pentru realizarea corzilor, cordajelor şi a cablurilor din construcţia echipamentelor sportive sau a celor din domeniul aerospaţial.

� Kevlar-ul este o fibră de culoare galben pal, este o poliamidă aromatizată obţinută prin sinteză la - 10 ºC şi apoi filată şi etirată pentru a obţine un modul de elasticitate ridicat.

Rezistenţa şi modulul la tracţiune sunt mult mai ridicate, iar alungireamult mai scăzută în comparaţie cu alte fibre organice. Ele posedă rezistenţă mare la flacără şi la temperaturi ridicate precum şi la solvenţi organici, carburanţi şi lubrifianţi.

Fibrele aramidice sunt destinate obţinerii unor materiale compozite de înaltă performanţă, utilizate în tehnica aerospaţială, în tehnica militară, în tehnica sportivă, în industria automobilelor, în marină.

Curs FPMPC 85C 6

� Fibre de azbest

Azbestul este denumirea generică a unor varietăţi de minereuri existente în natură sub formă fibroasă, cu o compoziţie silicatică variabilă şi complexă.

Fibrele de azbest se folosesc ca atare, împletite în şnururi sau prelucratetextil în mat, hârtie sau ţesături, simple sau preimpregnate cu răşină. Fibrele de azbest îmbunătăţesc modulul de elasticitate, duritatea, rezistenţa la tracţiune, rezistenţa la medii şi temperaturi agresive, rezistenţă foarte bună la foc şi au coeficienţi mari de frecare.

În ultimii 10 ani, consumul de azbest a scăzut, datorită restricţiilor impuse de standardele de calitate pentru aer şi pentru limitarea substanţelor poluante la nivele considerate nedăunătoare.

Curs FPMPC 86C 6

� Fibre ceramice

Materialele ceramice cu utilizarea cea mai largă în fabricarea fibrelor ceramice de armare pot fi împărţite în trei clase mari: ceramice oxidice (alumina), ceramice neoxidice (nitrura de siliciu, carbura de siliciu, nitrura de bor, etc.) şiamestecuri omogene de oxizi, nitruri, etc. Fibrele ceramice pentru armarea materialelor compozite se prezintă sub formă de monocristale de tip whiskers şide fibre foarte scurte cu lungimea < 10 … 15 mm şi diametrul 1 … 50 µm. Aceste fibre sunt folosite pentru aplicaţii la temperaturi mari, în special asociatecu matrice ceramice, metalice şi polimerice termorezistente.

Fibrele ceramice se elaborează în general prin două metode, şi anume metodadepunerii chimice în fază de vapori (DCV) pe un filament şi metoda injecţiei ceramicelor în stare păstoasă. Materialele compozite polimerice cu fibre de alumină sunt destinate executării structurilor transparente la radar şi a unorelemente de structură solicitate mecanic şi termic.

Curs FPMPC 87C 6

� Fibre de bor

Fibrele de bor reprezintă primul material de ranforsare destinat compozitelor de înaltă performantă, fiind obţinute pentru prima dată în 1959 de firma Texaco (U.S.A.). Borul este un material atractiv pentru fabricarea fibrelor datorită masei atomice mai mici decât al carbonului, a modulului de elasticitate aproape de două ori mai mare decât al oţelului şi a densităţii de 2,6 g/cm3.

Dezavantajul principal al fibrelor de bor este faptul că sunt extrem de fragile, astfel ele nu pot fi obţine prin tragere din topitură. De aceea, tehnologia clasică a producerii fibrelor de bor constă în depunerea borului din fază gazoasă pe un fir subţire de wolfram incandescent cu diametrul de 12 - 13 µm, care este acoperit cu un strat de bor în fază policristalină, astfel rezultând filamente cu diametrul de 100 … 140 µm. Fibrele de bor prezintă interes datorită unor proprietăţi de excepţie: densitate relativ redusă (2,6 g/cm³), rezistenţă la rupere mare (3500 MPa), modul de elasticitate longitudinal mare (400 GPa), punct înalt de topire.

Fibrele de bor se folosesc în general la ranforsarea matricilor epoxidice şi a matricilor metalice cum ar fi cele de Ti, Al, Mg.

Curs FPMPC 88C 6

� Fibre naturale

Materialele compozite există din cele mai vechi timpuri în natură. De exemplu lemnul care este format din fibre lungi celulozice într-o matrice de lignină, pânza de păianjen conţine fibre biopolimerice, părul uman, oasele şi muşchii.

� Muşchii striaţi sunt formaţi din fibre musculare legate în fascicule prinţesut conjuctiv.

� Structura osoas ă conţine o serie de lamele concentrice (material de armare) înconjurate de osteoplaste cu osteocite (matricea).

� Pânza de p ăianjen , este un material natural având în componenţă un polimer amorf (îi conferă elasticitate) şi proteine (îi conferă rezistenţă). Mătasea de păianjen este de cinci ori mai rezistentă decât oţelul şi de două ori mai rezistentă decât kevlarul. În viitor se vor găsi soluţii pentru producerea mătasei de păianjen pe alte căi, datorită proprietăţilor mecanice deosebite pe care le are, precum şi datorită avantajului tuturor materialelor naturale de a fi uşor reciclabile.