Click here to load reader

Matricea materialelor compozite

  • View
    21

  • Download
    2

Embed Size (px)

Text of Matricea materialelor compozite

1.Matricea materialelor compoziteAdoptarea matricei se face n funcie de scopul urmrit i de posibilitatea de producere a materialului compozit. Rezistena materialului compozit la temperatur i la coroziune este determinat, n primul rnd, de natura matricei. n cele mai multe cazuri, matricea reprezint componenta plastic,deformabil a materialului compozit, avnd rezistena mecanic mai sczut dect cealalt component (armtura).Matrice din materiale polimericeMaterialele polimerice termoplastice pot fi supuse la topiri repetate fr a suferi vreo transformare chimic. Ele pot fi prelucrate la cald prin diferite procedee: extrudare, injecie, presare.Dintre materialele termoplastice se utilizeaz n mod frecvent ca matrice: rinile poliesterice, poliamidele, acronitril-butadien-stirenul, poliacetalii, policarbonaii, polietilena, polipropilena, plifenil oxidul, polistirenul i copolimerii acestuia, polisulfonele, polietilentereftalatul, policlorura de vinil, rini vinil-esterice, polimetacrilatul de metil etc. Polimerii termoplastici pot fila prelucrri multiple prin nclzire. Dei materialele termoplaste satisfac multe din cerinele necesare pentru a fi folosite ca matrice pentru materialele compozite, ele ns prezint i o serie dedezavantaje: rezisten mecanic redus la temperaturi ridicate, durat scurt demeninere n stare lichid dup preparare, coeficient mare de dilatare termic,rezisten redus la ocuri mecanice.Materialele plastice termoplaste nu pot fi folosite la temperaturi ridicate, temperatura maxim de utilizare fiind de 120 0C pentru rinile poliesterice i de 80...200 0C, pentru polimerii de tipul politetrafluoretilenei. Matricele din materiale termoplaste se recomand atunci cnd se doreteobinerea din materialul compozit a unor structuri cu forme complexe.Materialele polimerice termorigide sunt cele care prin nclzire sufer o transformare chimic care conduce la o solidificare ireversibil. Dup rcire,materialul termorigid nu se mai poate nmuia printr-o nclzire ulterioar. Dintre plastice termorigide se utilizeaz pentru realizarea matricelor: rinile epoxidice, rinile fenolice, rinile siliconice, rinile poliestericenesaturate, rinile melaminice (aminoplaste), rinile furanice etc.Rinile epoxidice, datorit unor foarte bune caracteristici mecanice, chimice i electrice, sunt n general mai scumpe dect cele poliesterice sau fenolice. Rinile epoxidice ntrite sunt materiale foarte dure, duritatea lor fiind de circa apte ori mai mare dect cea a rinilor fenolice. n timpul ntririi, reinile epoxidice sufer o contracie relativ redus (cel mult 25 %), iar structura lor chimic asigur o aderen foarte bun cu materialul de armare. Rinile epoxidice sunt cutate i pentru alte proprieti: rezisten mare la aciunea solvenilor i a acizilor, rezisten dielectric ridicat, stabilitate termic bun (pn la 260 0C), absorbie foarte mic de ap.Rinile fenolice se caracterizeaz prin rezisten mecanic bun, stabilitate dimensional, rezisten la coroziune i la temperaturi ridicare.Rinile siliconice se remarc prin stabilitate termic, rezisten la umiditate i la ageni chimici i foarte bune proprieti electrice. Materialele compozite cu matrice din rini siliconice armate cu esturi din fibre de sticl se recomand ndeosebi pentru utilizri la temperaturi ridicate (250...550 0C). Proprieti ale unor materiale polimerice utilizate ca matrice suntprezentate n tabelul 2 Proprieti ale unor materiale polimerice utilizate ca matrice.Matrice din materiale metaliceMatricele metalice se obin pentru obinerea materialelor compozite care s poat fi utilizate la temperaturi relativ ridicate, n comparaie cu cele cu matrice din materiale polimerice. Materialele metalice se caracterizeaz printr-o serie de proprieti care le recomand pentru realizarea matricelor: proprieti mecanice bune, conductivitate termic i conductivitate electric ridicate, stabilitate dimensional, proprieti bune de prelucrare, rezisten mare la aprindere, porozitate sczut. Principalul dezavantaj const n densitatea lor ridicat. n cazul materialelor compozite cu matrice metalice rezistente la temperaturi ridicate se utilizeaz numai materiale de armare de natur ceramicsau metalic.Principalele materiale metalice utilizate ca matrice sunt aliajele pe baz de aluminiu, cupru, magneziu, titan, fier, i plumb. Pentru materialele destinate construciilor care lucreaz la temperaturi mai mici de 450 0C se utilizeaz ca matrice metalice aluminiul i aliajele lui,deoarece au cost redus, densitate mic, conductivitate termic ridicat i prelucrare uoar. Pentru mbuntirea comportrii aliajelor de aluminiu la temperaturi ridicate se recomand utilizarea titanului ca element de aliere.Matricele din titan asigur materialului compozit caracteristici de rezisten constante i ridicate chiar i la temperaturi nalte (de exemplu, r = 360...1050 N/mm2 la temperaturi de 300...450 0C).Matricele din aliaje de magneziu asigur materialului compozit o densitate redus, dar caracteristici de rezisten mai mici dect cele ale matricelor din titan. Din punctul de vedere al aspectului tehnologic, titanul i magneziul sunt mai puin recomandabile n comparaie cu aluminiul i aliajele din aluminiu, deoarece, chiar la temperaturi ridicate, au o rezisten ridicat la deformarenecesitnd s li se aplice, pentru obinerea pieselor din materiale compozite, regimuri de deformare superplastic.

2. Fibrele de sticlCele mai utilizate materiale pentru armare sunt fibrele de sticl. Acestea se obin prin filare i 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 370C i pstreaz aproximativ 50 % din valorile caracteristicilor fizico-mecanice pe care le au la temperatura obinuit);- bune izolatoare electrice i termice.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, esturi etc.), explic de ce 85% din fibrele de sticl produse pe plan mondial sunt utilizatepentru armarea materialelor plastice. 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 pentru fabricareafibre de sticl. Cele mai importante tipuri de sticl folosite la armarea materialelorplastice 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 6 sunt prezentate cteva caracteristici ale acestor tipuri de fibre.Tabelul 6.Caracteristici ale fibrelor de sticlTipulsticleiDensitatea, kg/m3 Modulul de elasticitatelongitudinal (la 22 C), MPaRezistena latraciune, MPaE 2540 73815 3515S 2490 87000 4675D 2160 52000 2500C 2490 70300 2812Fibrele 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 temperaturi ridicate. Astfel, n timp ce la 760C sticla E i pierde rezistena mecanic, sticla S i-o pstreaz n proporie de 70%. Sticla C sau sticla chimic este folosit datorit stabilitii sale chimice fa de mediile corozive.La tragerea fibrelor prin filier se obine firul de baz din care se pot realiza o serie de produse, cum sunt (v. fig. 1a, b):- Fibre continue (obinute prin filare din topitura de sticl);- Fire (obinute fie prin rsucirea mai multor fibre, fie prin unirea acestora cu ajutorul unui agent de lipire);- Rowing (un ansamblu format din fire lungi paralele sau de filamente paralele i nersucite, cu diametrul de 814 m, paralele ntre ele i nersucite, grupate n toroane de 560,sau chiar mai multe, filamente), nfurat n bobine. n funcie de tehnicile de prelucrare se produc mai multe tipuri de rowing: rowing pentru tocare, rowing pentru nfurare, rowing pentru esere i rowing pentruimpregnare continu. Prin mcinarea fibrelor de baz, se obin fibre scurte care ulterior sunt tratate pentru a li se asigura compatibilitatea cu rinile poliesterice.- Fire de sticl tocate (se obin prin tocarea rowing-ului n echipamente de mrunire speciale, firele tocate avnd lungimea de 13... 15 mm);- Fire de sticl mcinate (se obin prin mrunirea rowing-ului n mori cu ciocane, firele mrunite avnd lungimea de 0,7... 6 mm);- Ptur (mpslitur) (obinut prin aglomerarea, mecanic sau cu ajutorul unui liant, a firelor tocate. Se fabric diferite tipuri de ptur cu valori ale masei specifice (masa unitii de suprafa) 0,08...2,5 kg/m2);- estur din fire de sticl (obinut prin eserea firelor de sticl, firele de urzeal i de bttur trecnd succesiv unele deasupra celorlalte). esturile se caracterizeaz prin numrul de ochiuri pe unitatea de suprafa (ochiuri/cm2), limea ochiului (porozitate), grosime, rezistena la ndoire, aspectul suprafeei).Principalele tipuri de esturi din fibre de sticl sunt prezentate n figura 1c;- estur din rowing (se obine prin eserea cu ochiuri ptrate a rowing-ului cu grosime 0,5...2,2 mm. Aceste esturi se caracterizeaz prin valori ale masei specifice (masa unitii de suprafa) de 0,4...1,7 kg/m2). Sunt i esturi la care urzeala const din rowing gros, iar n bttura din fire subiri, aceasta avnd mai mult rolul de a menine orientarea i paralelismul