Click here to load reader

Materiale Compozite

  • View
    847

  • Download
    5

Embed Size (px)

Text of Materiale Compozite

4. MATERIALE COMPOZITE Materialele compozite sunt materiale cu proprieti anizotrope, formate din mai multe componente, a cror organizare i elaborare permit folosirea caracteristicilor celor mai bune ale componentelor, astfel nct materialul rezultat s posede proprieti finale generale, superioare componentelor din care este alctuit. Principalele proprieti ale materialelor compozite sunt: - densitate mic n raport cu metalele (compozitele din rini epoxidice armate cu fibre de Si, B i C au densitate sub 2 g/cm3); - rezisten sporit la traciune, la oc i abraziune (de exemplu, n tabelul 1 se prezint comparativ cinci materiale i lungimea la care se rupe o bar cu seciunea de 1 cm2 sub greutatea proprie); Tabelul 1. Compararea rezistenei la rupere pentru unele materiale Alumini Fibre de Materialul Oel Titan Sticl u carbon Lungimea, 5,44 15,6 19,95 24,6 78,8 [km] - coeficient de dilatare foarte mic n comparaie cu metalele; - durabilitate mare n funcionare (n aceleai condiii de funcionare, 1 kg de kevlar nlocuiete 5 kg de oel la o durat de funcionare echivalent); - capacitate mare de amortizare a vibraiilor (de circa 3 ori mai mare dect Al); - siguran mare n funcionare (ruperea unei fibre dintr-o pies fabricat din materiale compozite nu constituie amors de rupere imediat a piesei); - rezisten ndelungat la ageni atmosferici (oxidare, coroziune etc.); - stabilitate chimic i termic la temperaturi nalte (fibrele de kevlar, teflon, hyfil pn la 500 0C iar fibrele ceramice de tip SiC, S3N4 i Al203 pn la 1400 0C); - n procesul de elaborare nu solicit instalaii complexe i consumuri energetice mari n comparaie cu materialele metalice. Avnd n vedere proprietile deosebite ale materialelor compozite, acestea se utilizeaz n numeroase domenii: - domeniul construciei de maini (lagre figura 1, rotoare de compresoare centrifugale, palete de ventilatoare, biele, scule achietoare, scule pentru deformri la rece sau la cald etc.); - domeniul aerospaial (structuri de aeronave figura 2, componente ale motoarelor funcionnd n regim termic ridicat, sisteme de frnare etc.); - domeniul transportului naval ( structuri pentru ambarcaiuni sportive i nave uoare, elemente puternic solicitate ale motoarelor etc.); - domeniul transportului rutier (caroserii pentru autovehicule, sistemul de alimentare cu combustibil, panoul de comand figura 3, sistemul de frnare etc.); - domeniul electronicii i electrotehnicii (componente pasive piese diverse pentru imprimante, conductoare, conectoare, componente active capsule pentru circuite integrate etc.); - domeniul medical (proteze), casnic etc.

Fig.1 Lagre (bronz+grafit)

Fig.2 Profiluri pt. suprastructuri (poliester+fibre de sticla)

Fig.3 Panou de bord Ford Explorer (termoplaste+fibre de sticl)

Un material compozit este alctuit din: matrice materialul de ranforsare. Matricea constituie n general liantul n care sunt impregnate materialele de ranforsare. Rolul su este de a prelua i a transmite solicitrile materialului de ranforsare i a constitui mpreun cu acestea elementele de rezisten ale compozitului. Materialul de ranforsare este alctuit din fibre sau particule diverse (oxizi, nitruri, carburi, boruri etc.). Prin urmare, dup arhitectura lor intern, materialele compozite se pot clasifica astfel: - materiale compozite armate cu fibre (fig. 4., a); - materiale compozite disperse (fig.4, b); - materiale compozite stratificate (fig.4, c).

Fig.4 Materiale compozite 4.1. Materialele compozite armate cu fibre Matricea are rolul de a lega fibrele ntr-un tot unitar, de a le proteja mpotriva aciunii factorilor externi agresivi i de a asigura o serie de proprieti fizico chimice. n funcie de natura materialului, ea poate fi metalic, ceramic sau polimeric. Matricea metalic este realizat dintr-un aliaj cu baz de Ni sau Co, mbuntit prin aliere cu W, Mo, V, Al, Zr sau B, sau din metale pure ca Al, Ti, Ni, W, Mo etc. Matricea ceramic este realizat din Cr2O3 sau sticl. Avantajul acestui tip de matrice l constituie compatibilitatea fizic i chimic ridicat cu fibrele la temperatur nalt. Matricea polimeric este constituit din materiale termoplaste sau materiale termorigide. Dintre materialele termoplaste sunt mai des utilizate polietilena, polipropilena, ABS-ul (acrilonitril butadienstiren), policarbonaii, poliamidele, PTFE-ul ( politetrafluoretilena), iar dintre materialele termorigide, rinile epoxidice. Fibrele interioare au rolul de a prelua sarcinile mecanice la care este supus materialul, acionnd ca o barier n calea deplasrii dislocaiilor. Cele mai utilizate sunt fibrele metalice, ceramice, de carbon , de sticl, de bor, mixte etc.

Fig.5 Geometria compozitului i a elementului de ranforsare

Principalele proprieti ale unor fibre utilizate la elaborarea materialelor compozite sunt prezentate n tabelul 2, iar principalele forme ale fibrelor i esturilor, n figurile 6 i 7. Tabelul 2. Proprieti ale materialelor fibroase Tipul fibrei Carbon B W Mo Sticl Oel special SiC pe miez de W B4C pe miez de W Greutatea specific [g/cm3] 1,50 2,34 19,4 10,2 2,55 7,7 4,09 2,36 Rezist. la rupere la traciune [daN/mm2] 245 300 405 215 350 420 210 235 Modulul de elasticitate E, [daN/mm] 21000 40000 42000 37000 7100 20000 49000 49000 Temperatura de topire, [0C] 3650 2300 3400 2620 700 1400 2690 2450

Fig.6 Tipuri de fibre

Fig.7 Tipuri de esturi Comportamentul mecanic al materialelor compozite unidirecionale se prezint n diagrama din figura 8.

Fig.8. Curba tensiune deformaie a unui compozit unidirecional Rezistena la rupere RC i modulul de elasticitate EC ale compozitului pot fi calculate utiliznd relaiile: RC = Vf Rf + Vm Em f, EC = Vf Ef + Vm Em, n care : V - % din volum; - alungirea la rupere; indicii c, f, m indic materialul compozit, fibra, respectiv matricea. Exemple: compozitul cu matricea din aluminiu i fibrele din B acoperite cu B4C (rezistena la rupere la ncovoiere de 90 daN/mm2, suport 107 cicluri de solicitri la eforturi de peste 80 % din rezistena la rupere), compozitul cu matricea din aluminiu i fibrele din sticl (rezistena 130400 daN/mm2, alungirea cca.5 %), compozitul cu matrice polimeric i fibre aramidice KEVLAR 49 (rezistena 130 daN/mm2 la o greutate specific de 1,38 g/cm3 ) etc. 4.2. Materiale compozite disperse. La aceste materiale, matricea este armat cu particule, dispersate uniform n masa materialului. Matricea are rolul de a prelua sarcinile mecanice, iar particulele disperse au rolul de a se mpotrivi propagrii dizlocaiilor, ridicnd astfel proprietile mecanice ale matricei. Matricea poate fi i n acest caz metalic, ceramic sau polimeric, iar particulele disperse pot fi oxizi (Al2O3, Cr2O3, MgO,

SiO2, ZrO2), carburi (SiC, TiC), boruri (Cr3B2, TiB2, ZrB2), siliciuri (MoSi2), nitruri (TiN, Si3N4) etc. Principalele proprieti ale unor materiale de ranforsare sub form de particule utilizate pentru materiale compozite se prezint n tabelul 3. Tabelul 3. Proprieti ale unor materiale disperse Greutatea Rezistena la Modulul de Temperatura Tipul fibrei specific, rupere, elasticitate E, de topire, 3 2 [g/cm ] [daN/mm ] [daN/mm] [0C] Al2 O3 3,96 2100 43000 2040 Be O 2,85 1400 35000 2570 Si C 3,18 2100 70000 2690 B4 C 2,52 1400 49000 2450 Si N4 3,18 1400 38500 1900 Grafit 1,7 2800 72000 3870 De exemplu, compozitul pe baz de siliciu (materialul de ranforsare) i cordierit (pulberi de MgO, Al2O3, i SiO2 matricea) se caracterizeaz printr-o conductivitate termic sczut, rezisten mecanic nalt i stabilitate nalt la oxidare, compozitul pe baz de rin epoxidic i rin poliesteric (matricea) i ferit (materialul de ranforsare) se caracterizeaz prin rigiditate ridicat, caracteristici mecanice de amortizare i stabilitate chimic bune etc. 4.3. Materiale compozite stratificate Sunt obinute prin aplicarea, la suprafaa materialului de baz, a unui strat din alt material. Aplicarea acestui strat din alt material cu proprieti diferite de cele ale materialului de baz se realizeaz cel mai des prin turnare, sudare sau laminare. Principalul avantaj al acestor materiale este de ordin conomic i de ordin calitativ, deoarece prin utilizarea lor se economisesc importante cantiti de materiale scumpe sau deficitare, mbuntindu-se, n acelai timp, calitile produselor i mrindu-se durata lor de funcionare n condiiile unor performane ridicate. Cteva exemple de asemenea materiale compozite sunt: - duraluminiul, cu rezisten ridicat la rupere, placat cu aluminiu pur, cu rezisten ridicat la coroziune; - oeluri carbon, ieftine, placate cu oeluri de scule cu duritate ridicat i rezisten la uzare sau cu oeluri inoxidabile rezistente la coroziune; - plcuele din oxid de aluminiu placate cu nitrur de titan (utilizate pentru prile active ale sculelor achietoare) etc. n afar de materialele compozite bicomponente, prezentate mai sus, se utilizeaz i compozite tricomponente (tip sandwich). De exemplu, pentru mpiedicarea difuziunii carbonului dintr-un oel n altul, se poate interpune prin placare un strat de nichel, care nu permite difuziunea prin el a carbonului. Tot un material tip sandwich este prezentat n figura 9. El este alctuit din dou plci subiri din metal (de exemplu aluminiu, titan sau oel), ntre care se gsete o structur tip fagure, din material mai dur (duraluminiu sau aliaj de titan), rezultnd un material compozit deosebit de rezistent i rigid.

Fig.9. Material compozit tip sandwich

ETICHET

LAC PROTECTOR

ALUMINIU

POLICARBONAT 99%

STRUCTURA UNUI CD

DISCUL DIN POLICARBONAT INAINTE DE METALIZARE

Search related