4. MATERIALE COMPOZITE Materialele compozite sunt materiale cu proprietăţi anizotrope, formate din mai multe componente, a căror organizare şi elaborare permit folosirea caracteristicilor celor mai bune ale componentelor, astfel încât materialul rezultat să posede proprietăţi finale generale, superioare componentelor din care este alcătuit. Principalele proprietăţi ale materialelor compozite sunt:

- densitate mică în raport cu metalele (compozitele din răşini epoxidice armate cu fibre de Si, B şi C au densitate sub 2 g/cm3);

- rezistenţă sporită la tracţiune, la şoc şi abraziune (de exemplu, în tabelul 1 se prezintă comparativ cinci materiale şi lungimea la care se rupe o bară cu secţiunea de 1 cm2 sub greutatea proprie);

Tabelul 1. Compararea rezistenţei la rupere pentru unele materiale

Materialul Oţel Titan Aluminiu Sticlă Fibre de

carbon Lungimea,

[km] 5,44 15,6 19,95 24,6 78,8

- coeficient de dilatare foarte mic în comparaţie cu metalele; - durabilitate mare în funcţionare (în aceleaşi condiţii de funcţionare, 1 kg de

kevlar înlocuieşte 5 kg de oţel la o durată de funcţionare echivalentă); - capacitate mare de amortizare a vibraţiilor (de circa 3 ori mai mare decât Al); - siguranţă mare în funcţionare (ruperea unei fibre dintr-o piesă fabricată din

materiale compozite nu constituie amorsă de rupere imediată a piesei); - rezistenţă îndelungată la agenţi atmosferici (oxidare, coroziune etc.); - stabilitate chimică şi termică la temperaturi înalte (fibrele de kevlar, teflon,

hyfil până la 500 0C iar fibrele ceramice de tip SiC, S3N4 şi Al203 până la 1400 0C); - în procesul de elaborare nu solicită instalaţii complexe şi consumuri

energetice mari în comparaţie cu materialele metalice. Având în vedere proprietăţile deosebite ale materialelor compozite, acestea se utilizează în numeroase domenii:

- domeniul construcţiei de maşini (lagăre – figura 1, rotoare de compresoare centrifugale, palete de ventilatoare, biele, scule aşchietoare, scule pentru deformări la rece sau la cald etc.);

- domeniul aerospaţial (structuri de aeronave – figura 2, componente ale motoarelor funcţionând în regim termic ridicat, sisteme de frânare etc.);

- domeniul transportului naval ( structuri pentru ambarcaţiuni sportive şi nave uşoare, elemente puternic solicitate ale motoarelor etc.);

- domeniul transportului rutier (caroserii pentru autovehicule, sistemul de alimentare cu combustibil, panoul de comandă – figura 3, sistemul de frânare etc.);

- domeniul electronicii şi electrotehnicii (componente pasive – piese diverse pentru imprimante, conductoare, conectoare, componente active – capsule pentru circuite integrate etc.);

- domeniul medical (proteze), casnic etc.

Fig.1 Lagăre (bronz+grafit)

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

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

Un material compozit este alcătuit din: ► matrice

► materialul de ranforsare. Matricea constituie în general liantul în care sunt impregnate materialele de ranforsare. Rolul său este de a prelua şi a transmite solicitările materialului de ranforsare şi a constitui împreună cu acestea elementele de rezistenţă ale compozitului. Materialul de ranforsare este alcătuit din fibre sau particule diverse (oxizi, nitruri, carburi, boruri etc.). Prin urmare, după arhitectura lor internă, 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 într-un tot unitar, de a le proteja împotriva acţiunii factorilor externi agresivi şi de a asigura o serie de proprietăţi fizico – chimice. În funcţie de natura materialului, ea poate fi metalică, ceramică sau polimerică. Matricea metalică este realizată dintr-un aliaj cu bază de Ni sau Co, îmbunătăţit prin aliere cu W, Mo, V, Al, Zr sau B, sau din metale pure ca Al, Ti, Ni, W, Mo etc. Matricea ceramică este realizată din Cr2O3 sau sticlă. Avantajul acestui tip de matrice îl constituie compatibilitatea fizică şi chimică ridicată cu fibrele la temperatură înaltă. Matricea polimerică este constituită din materiale termoplaste sau materiale termorigide. Dintre materialele termoplaste sunt mai des utilizate polietilena, polipropilena, ABS-ul (acrilonitril – butadienstiren), policarbonaţii, poliamidele, PTFE-ul ( politetrafluoretilena), iar dintre materialele termorigide, răşinile epoxidice. Fibrele interioare au rolul de a prelua sarcinile mecanice la care este supus materialul, acţionând ca o barieră în calea deplasării dislocaţiilor. Cele mai utilizate sunt fibrele metalice, ceramice, de carbon , de sticlă, de bor, mixte etc.

Fig.5 Geometria compozitului şi a elementului de ranforsare

Principalele proprietăţi ale unor fibre utilizate la elaborarea materialelor compozite sunt prezentate în tabelul 2, iar principalele forme ale fibrelor şi ţesăturilor, în figurile 6 şi 7.

Tabelul 2. Proprietăţi ale materialelor fibroase

Tipul fibrei Greutatea specifică [g/cm3]

Rezist. la rupere la tracţiune [daN/mm2]

Modulul de elasticitate

E, [daN/mm]

Temperatura de topire,

[0C]

Carbon 1,50 245 21000 3650 B 2,34 300 40000 2300 W 19,4 405 42000 3400 Mo 10,2 215 37000 2620 Sticlă 2,55 350 7100 700 Oţel special 7,7 420 20000 1400 SiC pe miez de W 4,09 210 49000 2690 B4C pe miez de W 2,36 235 49000 2450

Fig.6 Tipuri de fibre

Fig.7 Tipuri de ţesături

Comportamentul mecanic al materialelor compozite unidirecţionale se prezintă în diagrama din figura 8.

Fig.8. Curba tensiune – deformaţie a unui compozit unidirecţional Rezistenţa la rupere RC şi modulul de elasticitate EC ale compozitului pot fi calculate utilizând relaţiile: RC = Vf ⋅ Rf + Vm ⋅ Em ⋅ εf, EC = Vf ⋅ Ef + Vm ⋅ Em, În care : V - % din volum; ε - alungirea la rupere; indicii c, f, m – indică materialul compozit, fibra, respectiv matricea. Exemple: compozitul cu matricea din aluminiu şi fibrele din B acoperite cu B4C (rezistenţa la rupere la încovoiere de 90 daN/mm2, suportă 107 cicluri de solicitări la eforturi de peste 80 % din rezistenţa la rupere), compozitul cu matricea din aluminiu şi fibrele din sticlă (rezistenţa 130…400 daN/mm2, alungirea cca.5 %), compozitul cu matrice polimerică şi fibre aramidice KEVLAR 49 (rezistenţa 130 daN/mm2 la o greutate specifică de 1,38 g/cm3 ) etc.

4.2. Materiale compozite disperse. La aceste materiale, matricea este armată cu particule, dispersate uniform în

masa materialului. Matricea are rolul de a prelua sarcinile mecanice, iar particulele disperse au rolul de a se împotrivi propagării dizlocaţiilor, ridicând astfel proprietăţile mecanice ale matricei. Matricea poate fi şi în acest caz metalică, ceramică sau polimerică, 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 proprietăţi ale unor materiale de ranforsare sub formă de particule utilizate pentru materiale compozite se prezintă în tabelul 3.

Tabelul 3. Proprietăţi ale unor materiale disperse

Tipul fibrei Greutatea specifică, [g/cm3]

Rezistenţa la rupere,

[daN/mm2]

Modulul de elasticitate E,

[daN/mm]

Temperatura de topire,

[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 bază de siliciu (materialul de ranforsare) şi cordierit (pulberi de MgO, Al2O3, şi SiO2 – matricea) se caracterizează printr-o conductivitate termică scăzută, rezistenţă mecanică înaltă şi stabilitate înaltă la oxidare, compozitul pe bază de răşină epoxidică şi răşină poliesterică (matricea) şi ferită (materialul de ranforsare) se caracterizează prin rigiditate ridicată, caracteristici mecanice de amortizare şi stabilitate chimică bune etc. 4.3. Materiale compozite stratificate Sunt obţinute prin aplicarea, la suprafaţa materialului de bază, a unui strat din alt material. Aplicarea acestui strat din alt material cu proprietăţi diferite de cele ale materialului de bază se realizează cel mai des prin turnare, sudare sau laminare. Principalul avantaj al acestor materiale este de ordin conomic şi de ordin calitativ, deoarece prin utilizarea lor se economisesc importante cantităţi de materiale scumpe sau deficitare, îmbunătăţindu-se, în acelaşi timp, calităţile produselor şi mărindu-se durata lor de funcţionare în condiţiile unor performanţe ridicate. Câteva exemple de asemenea materiale compozite sunt:

- duraluminiul, cu rezistenţă ridicată la rupere, placat cu aluminiu pur, cu rezistenţă ridicată la coroziune;

- oţeluri carbon, ieftine, placate cu oţeluri de scule cu duritate ridicată şi rezistenţă la uzare sau cu oţeluri inoxidabile rezistente la coroziune;

- plăcuţele din oxid de aluminiu placate cu nitrură de titan (utilizate pentru părţile active ale sculelor aşchietoare) etc. În afară de materialele compozite bicomponente, prezentate mai sus, se utilizează şi compozite tricomponente (tip “sandwich”). De exemplu, pentru împiedicarea difuziunii carbonului dintr-un oţel în 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 în figura 9. El este alcătuit din două plăci subţiri din metal (de exemplu aluminiu, titan sau oţel), între care se găseşte o structură tip fagure, din material mai dur (duraluminiu sau aliaj de titan), rezultând un material compozit deosebit de rezistent şi rigid.

Fig.9. Material compozit tip “sandwich”

DISCUL DIN POLICARBONAT INAINTE DE METALIZARE

LAC PROTECTOR

ALUMINIU

POLICARBONAT 99%

ETICHETĂ

STRUCTURA UNUI CD