MATERIJALI IKOMPOZITI

Lekcija 15

to su kompozitni materijali (kompoziti) ?

Kompozitni materijali su viefazni materijali sastavljeni iz dva ili vie razliitih vrstih materijala (zasebno dobivenih), koji su osmiljeni tako da je u njima raspodjela faza kontinuirana kako bi se poboljalo jedno ili vie svojstava osnovnom materijalu. To su obino svojstva kakva ne posjeduje niti jedan materijal sam za sebe, tj. nova svojstva to je novi materijal.

Zato koristiti kompozitne materijale?

za poveanje krutosti, vrstoe ili dimenzijske stabilnosti za poveanje udarne ilavosti za poveanje otpornosti na toplinu za smanjenje trokova za smanjenje apsorpcije vode za smanjenje toplinske ekspanzije za poboljanje otpornosti na troenje za veu korozijsku otpornost za smanjenje mase za poboljanu konstrukcijsku fleksibilnost

Ojaala

Metali

Polimeri Keramike

MMC

PMC CMC

Slika 1. Kompozitni materijali svi sadre ojaala.

MMC - metal matrix composite

PMC - polymer matrix composite

CMC - ceramic matrix composite

vlakna polimerna smola kompozit

(ojaalo) (matrica)

Slika 2. Nastajanje i sastav kompozitnog materijala

Kompoziti su satavljeni iz najmanje dvije faze:

osnovnog materijala (matrica) i ojaala

Uloge matrice i ojaala

Karakteristike osnovnog materijala (matrice):

popustljivija od ojaala vra od ojaala osigurava dobro povezivanje s ojaalom osigurava zatitu ojaala od utjecaja okoline osigurava prijenos optereenja s jednog na drugi djeliak ojaala uklanja posmino naprezanje kompozita

Karakteristike ojaala (dispergiran unutar matrice kao sitne estice ili vlakna):

tvri i vri nego matrica osiguravaju kompozitu veliku tvrdou i vrstou poveavaju kompozitu udarnu ilavost, itd.

KOMPOZITI

S POLIMERNOM MATRICOM, PMC

S KERAMIKOM MATRICOM, CMC

S METALNOM MATRICOM, MMC

koriste se na razliite naine i imaju iroku upotrebu:

staklom ojaani polimerni kompoziti (GFRP)

ugljinim vlaknima ojaani polimerni kompoziti (CFRPC)

aramidnim vlaknima ojaani polimerni kompoziti (AFRP)

ojaala poboljavaju vrstou, krutost, otpornost na abraziju, otpornost na puzanje, toplinsku vodljivost

visoke radne temperature

nezapaljivost loe: skupi su i velike gustoe

za upotrebu na visokim temperaturama

(avionske plinske turbine)

smanjuju masu -(manja potronja goriva)

loe: vrlo su krhke

Slika 3. Podjela kompozita s obzirom na matricu

Kompoziti s obzirom na matricu i ojaala

metalno-metalni metalno-keramiki metalno-polimerni

keramiko-polimerni keramiko-keramiki keramiko-metalni

polimerno-polimerni polimerno-metalni polimerno-keramiki

Polimerna matrica Keramika matrica Metalna matrica

Slika 4. Podjela kompozita s obzirom na vrstu matrice i vrstu ojaala

Sve se vie upotrebljavaju tzv. ugljik-ugljik kompoziti koji mogu izdrati vrlo viske radne temperature do 1700 C

a) b)

c) d)

Slika 5. Nain raspodjele ojaala unutar matrice: a) sitna vlakna bez reda, b) jednosmjerno poredana isprekidana vlakna, c) jednosmjerna vlakna, d) dvosmjerna vlakna

Svojstva kompozita ovise o vrsti matrice i njezinim svojstvima te o svojstvima, nainu raspodjele, veliini i vrsti estica ojaala i njihovoj orijentaciji unutar matrice kao i o volumnom udjelu komponenti. Takoer, ovise i o kvaliteti povezivanja matrice i ojaala.

S obzirom na promjer, duljinu i vrstu materijala ojaala u obliku

vlakana dijele se dijele na:

viskere i vlakna

Viskeri vrlo malenimonokristali koji imaju mnogo manji promjer u odnosu na duljinu, a mogu biti iz grafita (ugljika) te tvrdih tehnikih keramikih materijala: silicijevog karbida, silicijevog nitrida i aluminijevog oksida koji se dobivaju posebnim postupcima

Vlakna najee staklena ili polimerna

Slika 6. Neki primjeri tvorniki razliito pletenih (tkanih) vlakana ojaala.

Kompozitni materijali su anizotropni imaju bolja svojstva u smjeru vlakana.

Laminatna struktura kompozita

Slika 7. Lamele s razliito orijentirnim vlaknima ojaala slau se i lijepe meusobno u laminat uz djelovanje tlaka

lamele

laminat

Slika 8. Shematski prikaz nastajanja sendvi panela

Ljepilo

Saasta struktura

Vanjska ploa

Vanjska ploa

Gotov sendvi panel

Ojaivai iz staklenih vlakana

lako se dobivaju kemijski su otporna GFRP do temperature od 2000C zbog polimerne matrice

Upotreba:

automobilska industrija, brodogradnja, tankovi

a)

b)

Slika 9. Ojaala iz staklenih vlakana: a) namotaj staklene niti, b) pletena tkanina iz staklenih niti

Proizvodi iz staklenim vlaknima ojaanih polimeraProlo je vie od 50 godina od upotrebe kompozita stakloplastika. Danas je

njihova primjena vrlo velika.

Slika 10. Staklom ojaani nezasieni poliester: a) tank za gorivo iz 1960. godine, b) trup broda

Slika 11. Kawasaki x-4 jet Ski - staklom ojaana plastika

Slika 12. Staklom ojaana plastika palube broda

Ugljina vlakna kao ojaalo u polimernoj matrici

Ugljina vlakna, CFRP:

visoki specifini modul i specifina vrstoa ak i na visokim temperaturama

skup postupak dobivanja iz PAN-a promjer vlakana : 4-10 m, premazan s epoksidnom smolom za osiguranje lijepljenja s matricom

najvea upotreba CFRP-a: avionski dijelovi kuita raketnih motora sportski rekviziti, itd.

Slika 13. Namotaj ugljinih vlakana

Slika 14. Dijelovi automobila oznaeni zelenom bojom su iz kompozitaojaanog ugljinim vlaknima

Aramidnim vlaknima ojaan polimer (AFRP)

Aramidna vlakna (Kevlar, Nomex)

plastomerni materijal visoka vlana vrstoa, slaba tlana mehaniki stabilan od 200 do 2000C netporan na jake kiseline i baze

Upotreba:

zatitna odjea (pancirke) sportski rekviziti, itd.

Slika 15. Namotaj aramidnih vlakana

a) b)

Slika 16. Dijelovi helikoptera i aviona iz kompozita: a) iz polimera ojaanog ugljinim vlaknima, b) iz polimera ojaanih staklenim i ugljinim vlaknima

Slika 17. Proizvodi iz staklom ojaanih polimernih kompozita

Slika 18. Sportski rekviziti iz staklom ojaanih polimernih kompozita

Slika 19. Most za pjeake iz staklom ojaane poliesterske smole. Duina mosta je 120m a raspon 63m.

Slika 20. Vlak Talent na kojem su boni zidovi iz vlaknima ojaane plastike

Slika 21. Airbus 380 - je zbog konstrukcija iz polimernih kompozita laki nego da je potpuno izgraen iz ekvivalentnih metalnih konstrukcija i to za priblino 15 tona

Slika 22. Hotel Burj Al Arab u Dubaiu. U svojoj konstrukciji sadri 33 000 m2 staklom ojaanih

sendvi panela

Kompoziti s metalnom matricom,MMC

Matrica: super legure Al, Mg, Cu, TiOjaala: C, SiC, B, Al2O3 vlakna, Al2O3 esticePrimjena: komponente automobilskog motora konstrukcijski dijelovi svemirskih letjelica, teleskopa - kompoziti iz B i C valkana u Al matrici

turbinski motori (W vlakna u superlegurama)

Vrsta kemijskog spoja

Keramike estice Metalna matrica Upotreba

Boridi Titanov boridMolibdenov boridKromov borid

Co / NiCr / Ni

Ni

Najee rezni alati

Karbidi Volframov karbidTitanov karbidMolibdenov karbidSilicijev karbid

CoCo ili W

CoCo

Najee rezni alati i abrazivi

Oksidi Aluminijev oksidMagnezijev oksidKromov oksid

Co / CrCo / Ni

Cr

Vrhovi alata, dijelovi plinskih turbina

Tablica 1. Primjeri kompozita iz metalne matrice i keramikih ojaala

Kompoziti s keramikom matricom, CMC

za upotrebu kod velikih naprezanja i na visokim temperaturama ( turbinski motori aviona)

Prednosti

velika vrstoa i modul vrlo visoka radna temperatura smanjena masa (manja potronja goriva)

Slika 23. Dijelovi svemirske letjelice iz keramikih kompozita

Materijali:Polimeri (smole): bilo koja, npr. epoksi, poliester, vinilesterVlakna: bilo koja, primjer staklena vlakna

Slika 24. Shema proizvodnje kompozita iz staklom ojaanih polimera (PMC)

Tablica 2. Usporedna svojstva materijala

Svojstva Metali Polimeri Keramike

Gustoa (Mgm-3) 2-16 1-2 2-17

Talite (C) 200-3500 70-200 2000-4000

Toplinska provodljivost visoka niska srednja

Toplinska rastezljivost srednja visoka niska

Specifini toplinski kapacitet nizak srednji visok

Elektrina provodljivost visoka vrlo niska vrlo niska

Vlana vrstoa (MPa) 100-2500 30-300 10-400

Modul elastinosti (GPa) 40-400 0.7-3.5 150-450

Tvrdoa srednja niska visoka

Otpornost na koroziju srednja-slaba dobra-srednja dobra

MATERIJALI IKOMPOZITI