Faza ojaanja kompozitnih materijala

Faza ojaanja kompozitnih materijala

FAZA OJAANJA KOMPOZITNIH MATERIJALAArmin Kadragi i Emir uli

Univerzitet u Zenici

ta su kompozitni materijali?Kompozitni materijali su materijali koji se dobijaju mjeanjem dva ili vie materijala na makroskopskom nivou da bi se dobio korisni trei materijal. Klju je makroskopskom ispitivanju materijala, gdje se mogu uoiti komponente golim okom. Razliiti materijali se mogu kombinovati na mikroskopskom nivou, kao to je sluaj sa legiranim materijalima kod koga je rezultujui materijal, za sve praktine primjene, makroskopsi homogen, to jest komponente se ne mogu uoiti golim okom, u biti djeluju zajedno. Prednost kompozitnih materijala je ta da, ako su dobro projektovani, oni uobiajeno posjeduj bolje kvalitete od svojih komponenata ili sastojak , i esto posjeduju neke kvalitete koje ne posjeduju ni ti jedan od tih materijala.

Neke od osobina koje se mogu poboljati stvaranjem kompozitnih materijala su:

Jaina

Otpornost na zamor

Tvrdoa

Otpornost na koroziju

Otpornost na troenje

Privlanost

Teina

Temperaturno-zavisno ponaanje

Otpornost na temperaturu

Toplotnu provodljivost

Zvunu izolaciju

Naravno, nisu sve od ovih osobina poboljane istovremeno niti ima obino potrebe za time. Zapravo, neke od osobina su u konfliktu jedna sa drugom, npr. toplotna otpornost naspram toplotne provodljivosti. Cilj je prosto da se dobije materijal koji posjeduje samo karakteristike koje su potrebne da bi se zadovoljio projektovani zadatak.

Kompozitni materijali posjeduju dugu historiju upotrebe. Precizni poeci njihove upotrebe nije poznat, ali zabiljeena je njihova povijesna upotreba, kao npr. slama je koritena kod izraelaca da ojaa cigle od blata. Iverica je koritena u doba starih egipana kad su shvatili da bi drvo moglo biti rearanirano da postigne superiorne jaine i otpornost na temperaturna izlaganja kao i to je napuenost uzrokovana vlagom. Srednjovjekovni maevi i titovi su napravljeni sa slojevima razlitih materijala. Ne tako davno, na osnovu vlaknastih ojaanja, i nekristalnoj ili tekuoj osnovi proizvedeni su kompozitni materijali koji imaju velike odnose jaine naspram teine i odnosa tvrdoe naspram teine, koji su postali vazni u aplikacijama osjetljivim na teinu kao to su avioni i svemirske letjelice.Klasifikacija i karakteristike kompozitnih materiala

Uobiajeni i prihvaeni tipovi kompozitnih materijala su:

1) Vlakanasti kompozitni materijali koji sadre vlakna u osnovnom materijalu,

2) Lamirani kompozitni materijal koji sadri slojeve razliitih materijala,3) Mikroskopski kompozitni materijali koji su sastavljeni od estica u osnovnom materijalu,4) Kombinacije nekih ili svih vrsta od prva tri tipa.

vrstoa i tvrdoa ojaavajue faze moe se znaajno razlikovati kao to pokazuje slika. Istraivai su otkrili da poveavanjem voliine frakcije vlkna u kompozitu, poveava njegovu tvrdou i vrstou. Kakogod, iznad maksimalnog volumena frakcije koja je oko 80%, vlakna vie nisu okruena kompletno matricom. Ako osobine variraju sa smjerom, materijal nazivamo anizotrpinim materijalom. Tu je nekoliko specijalizacija simetrinosti ukljuujui ortotropimost i kubinost. Poboljana polimerno-kompozitna struktura moe biti anizotropina du vie osa. vrstoa, tvrdoa, i koeficijent toplotne ekspanzije moe da varira sa faktorom od 10 u razliitim pravcima.

Vlaknasti kompozitni materijali

Duga vlakna u razliitim oblicima su sutinski vie vra i jaa nego isti materijal u veim oblicima. Za primjer, obina staklena ploa lomi se pri naponu od nekoliko funti po kvadratnom inu(lb/in2 ili psi)(20 Mpa), dok staklena vlakna imaju jainu od 400,000 do 700,000 psi(2800 do 4800 Mpa) u komercijalnoj upotrebi i 1,000,000 psi(7000 Mpa) u labaratorijski pripremljenim uzorcima. Oigledno, onda, geometrijski i fiziki raspored vlakana ima odluujuu ulogu na vrstou i moraju se uzeti u obzir u strukturalnoj primjeni. Pravilnije, paradoks, koji se javlja u vlaknima koje imaju razliite osobine od veih formi, je zahvaljujui pravilnijoj strukturi vlakana. U vlaknima krsitali su poredani du ose vlakna. tavie, postoji manje internih nepravilnosti nego u veim formama. Na primjer, u materijalima koji imaju dislokacije, vlaknasta forma ima manje dislokacija od vee forme.Osobine vlakanaVlakna su, geometrijski, opisana sa velkim odnosom duine naspram prenika i sa veoma zbijenom kristalnom strukturom. Jaina i vrstoa nekoliko odabrnih vlaknastih materijala su organizirana u rastuem prosjeku S/ i E/ u tabeli 1-1. esti strukturalni materijali aluminij, titanij, i elik su nabrojani u svrhu poreenja. Meutim, direktno poreenje izmeu vlakana i strukturalnih metala nije mogue, jer vlakna moraju imati matricu da bi se mogla primjeniti u strukturalnim aplikacijama, dok su strukturalni metali spremni za upotrebu. Treba uzeti u obzir da gustina pojedinih materijala je nabrojana radi odnosa jaine naspram gustine i vrstoe naspram gustine koji se esto koriste kao pokazivai efektivnosti vlakana, naroito u konstrukcijama koje zahtjevaju redukciju mase, kao to su avioni i svemirske letjelice. Grafitna ili karbinska vlakna su velikog interesa u dananijm kompozitnim strukturama. Obe vrste vlakana se prave od vjetake svile, katrana, ili od PAN-a (poliakrilnitril) koje se prethodno zagrijavaju u kontrolisanoj atmosferi na oko 1700 oC da se karboniziraju. Da bi se dobila grafitna vlakna toplota premauje 1700 oC i djelomino se karbonska vlakna grafitiziraju. Stvarni proces je takav, da je ljuni parametar procesa napon vlakana. tavie, kako se temperatura poveava, poveava se modul vlakana, ali se esto jaina smanjuje. Vlakna su obino daleko tanja nego ljudska vlas, tako da se mogu vrlo lako savijati. Tako, karbonska ili grafitna vlakna mogu se tkati u tof, suprotno tome, boronska vlakna se izrauju pricanjem borona na wolframovu nit i oblaganjem borona sa tankim slojem boron-karbida. Vlakna su mnogo veeg prenika te se ne mogu savijati i tkati u tof.

Osobine viskera

Visker je, sutinski sline zbijeno-dijametralne kristalne strukture, kao i vlakno, ali je vrlo krai, premda odnos duine naspram prenika moe biti u stotinama. Tako, viskeri su oigledan primjer paradoksa, razlike u osobinama materijala, materijala sa kristalnom strukturom. To jest, visker je ak savreniji i od vlakna, te posjeduje i vee osobine. Viskeri se dobijaju kristalizacijom na mikroskopskom nivou rezultujui skoro perfektno poravnanje kristala. Materijali, kao to eljezo, posjeduju kristalnu strukturu sa teoretskom jainom od 20 Gpa, iako komercijalno dostupni konstrukcijski elik, koji je veim djelom eljezo, ima jainu mjerenu izmeu 570 do 690 Mpa. Ne slaganje teoretske sa postojoom jainom je posljedica nesavrenosti u kristalnoj strukturi elika. Ove nesavrenosti se nazivaju dislokacijama i lako se pomjeraju u duktilnim materijalima. Kretanje dislokacija mjenja povezanost kristala pa prema tome i jainu i tvrdou materijala. U skoro savrenom viskeru, postoji samo par dislokacija. Stoga, viskeri elika imaju znaajno veu jainu od elika u komadu. Osobine tipinih viskera date su u tabeli sa jo tri metala (kao to je kod vlakana, viskeri se ne mogu koristiti samostalno, zato direktno poreenje izmeu viskera i metala nije znaajno).

Staklena vlaknaStaklena vlakna su jedna od uobiajenih vrsta materijala za ojaavanje kompozita, dostupna u nekoliko oblika. Svoju popularnost duguju kombinaciji korisnih osobina: hemijskoj vrstoi, vrstoi, gipkosti, maloj teini, i lakoi prerade(obrade). Komercijalna, neprekidna staklena vlakna se dobijaju neposrednim procesom topljenja, istiskivanjem otopljenog stakla kroz visetruke otvore i brzom izvlaenju kroz male otvore (3 do 20 m). Pojedinane niti se kombinuju u kablove nakon to su povrine premazane (obraene) da odole abraziji ili habanju.Meu mnogo tipova, E-vlakna od stakla su opte namjene, sastavljena od kalcij-aliminijborosilicata sa maksimalno 2% alkalnih komponenata. Sastav je uobiajeno od 52 do 56% SiO2, 16 do 25 %CaO, 12 do 16% Al2O3 i 8 do 13% B2O3. Ona su odabrana zbog svoje vrstoe i visokom otporu prema elektricitetu.Osobine S-vlakana od stakla su vea vrstoa prema magnezij aluminijsilicij sastavu. S-2 koristi drugaiju vrstu premaza, mada sadri slian sastav. C-vlakna imaju vie tipian soda-krean borosilikatan sastav, poznat po svojoj hemijskoj stabilnosti, specijalno prema kiselinama. A-vlakna su visoko alkalnog sastava i ECR je hemijski otporniji tip E-vlakana.Vrijednost zatezne vrstoe vlakana je uobiajeno data kao vrstoa pojedinanih niti na sobnoj temperaturi. Nekada je data vrstoa kabla od vie vlakana, koja je manja za 20 do 30% nego kod pojedinanih niti, zbog povrinskih oteenja tokom procesa formiranja kabala. Znacajan gubitak vrstoe dogaa se zbog vlage, poznat kao statiki zamor. Uoeno je smanjenje za 50 do 100 % vrstoe na sobnoj temperaturi, sa relativnom vlanosti zraka od 50%. Odnos poprene na podunu deformaciju ne mjenja se mnogo sa sastavom i temperaturom u silikatnom staklu. On ima vrijednost od 0.22 0.02 za E-stakla.Zavreni oblici staklenih vlakana su tipino neprekidno pletena, protkano isprepletena, mat staklenih niti, sjeckani kabl, tekstilni kabal. Kabal nije upleten, vec je sastavljen od uvijenih trakastih niti. Kontinualan sastav rezultat su polaganja skupa kablova u jedan veliki kabal, i pakovanja u cilindre. Proces kidanja i sprejanja u kalupe je uobiajeno koriten za proizvode kao to su kade, amci, tu kabine. Protkani kablovi u tekstilnom obliku protkani u ravni ili naizmjenice osiguravaju jedinstvenu multidirekcionalnu vrstou.Mat sadri neprotkane sluajno orijentisane niti koje se proizvode u neprekidnim i sjeckanim oblicima za upotrebu kao sto su koroziono otporne linije i povrine. Sjeckani kablovi se znatno koriste za ojaanja u proizvodima koji su dobijeni livenjem pod pritiskom. Uvrtanje i preplitanje finih niti proizvodi kablove sa vrstnom sposobnosti kao da su protkane u tkaninu.Dodatni oblik staklenih ojaanja su mikrosferini oblici. Oni imaju izuzetno dobru kontrolisanu pojedinacnu veliinu, vrstou i gustinu. Postoji mnogo tipova, ukljuujui i silicijska, keramika stakla, polimerina i mineralna. vrste staklene mikrosfere se proizvode od A-stakla u veliinama od 5 do 5000 m, najee koritena veliina u polimerima je 30 m. Ona takoe mogu biti opisana posredstvom spajanja obloga koje poveavaju vezivanje i eliminiu apsorbciju vlage unutar separacije oko mikrosfere. Postoje takoe prazni oblici mikrosfera, za primarnu upotrebu u redukciji teine u plastinim sistemima.

Karbonska vlaknaKarbonski ojaani kompoziti su poznati po svojoj kombinaciji male teine, vrlo velike vrstoe, i velikim modulom elastinosti. Velika cijena je ogranienje za mnoge industrije, ali se i dalje koriste u svemirskim aplikacijama. Da bi se proizvela, materijali kao sto su vjestaka svila, poliakrilnitrat (PAN), ili katran, ili neki organski sastav, se esto izvlai u tanke neprekidne niti i oksidira. Ovo je prva od tri faze nastajanja karbonskih vlakana, i zovemo je stabilizacija. Druga faza, karbonizacija, pirolizira poetni materijal. Ovaj visoko temperaturni proces razlae organske tvari i uklanja sve elemente sem karbona. Poveavanjem temperature karbonizacije sa 1000 na 3000oc smanjuje zateznu vrstou ali poveava modul elastinosti. Ova trea faza naziva se proces grafitizacije.Postoje karbonska i grafitna vlakna, mada se termini koriste i za jedno i za drugo. Razlika je u temperaturi na kojoj su napravljena. PAN-bazirani karbon, proizvodi se na 1315oC, sadrzi od 93 do 95 % ugljika, budui da je vei modul elastinosti grafita, on se proizvodi na 3010oC, on obino sadri preko 99% ugljika. Grafitna vlakna su najtvra dostupna vlakna, tipino 1.5 do 2 puta tvra od elika. Vlakna kao samostalna su kompoziti, sve dok mali dio ugljika ne postane grafit u obliku stabiliziranih kritala. to je vei sadraj grafita, to su tvra vlakna.

Vlakna od aramidaPredstavljena 1970-e godine kao zamjena za elik u radijalnim gumama, vlakna od aramida nala su veliku primjenu u svijetu kompozita. Polimeri od aramida su tipino koritena u visoko-performisanima aplikacijama gdje je otpor na zamor, oteenje, i napon loma vrlo vaan. Oni svoju popularnost zasluuju na odlinoj kombinaciji jaine, tvrdoe i male gustine. Na osnovu ovih jedinstvenih kombinacija, ona posjeduju istaknute omjere tvrdoe naspram teine, i jaine naspram teine.

Hemijski, vlakna od aramida su aromatini organski polimeri koji posjeduju jainu na osnovu struktuiranja atoma u benzenske prstenove. Kevlar je najpoznatiji primjer, dobijen u kompaniji Du pont pod trgovakim nazivom Kevlar 29 i Kevlar 49. Ova vlakna posjeduju udarni-otpor, kompozitna struktura koja posjeduje polovicu tvrdoe (krutosti) naspram grafita. Oba tipa kevlara posjeduju jainu od oko 2344 Mpa i dilataciju naspram kidanja je 1.8%. Napon zatezanja kod Kevlara 49 je duplo vei nego kod Kevlara 29 i iznad je napona na zatezanja kod titaniuma. Jedna prednost je ta da je njihova gustina mnogo manja nego gustina staklenih i karbonskih vlakana. Takoe su otporna na plamen, organska goriva, rastvarae i masti, ali nisu na kiseline i alkalije. U poreenju sa krtim staklom i karbon, ona su vitka i lako pletena. Njihov nedostatak je to su ograniena na koritenje u nisko temperaturnim aplikacijama.

Metalna i keramika vlakna

Ojaanja od metalnih vlakana imaju vie prednosti naspram ostalih. Specifino, ona su relativno jeftina za proizvodnju, manje osjetljiva na povrinska oteenja, ekstremno jaka i otporna na visokim temperaturama, sutinski vie duktilna naspram keramikih vlakana, i laka za primjenu nego staklena vlakna. elina ica u gumama je i dalje jedna od veih aplikacija istih.Najvei uspjeh u komercijalnoj upotrebi je postigao Boron, silikonski karbid, grafit, aliminijev oksid i wolfram. Boronova vlakna koja se koriste u boron-aluminijevim kompozitima su dobijen pricanjem borona na tanaku (10 m u preniku) wolframovu nit koja su nakon toga presvuena sa silikon karbidom da redukuje reakciju sa aluminijevom matricom odnosno osnovom. Neprekidna silikonsko karbidna vlakna se dobijaju dvofaznim CVD procesom grijanja pojedinanih karbonskih vlakana. Pirolini grafit (PG) 1 n tanak je prva faza na karbonu da postane gladka podloga i da se poveaju elektrina provodljivost. U drugoj fazi, Pg- presvuena podloga se izlae silanu i vodonikovom plinu, koji rastvaraju u oblik beta-SiC neprekidnih slojeva na podlozi. Grafitna vlakna za MMC se pripremaju na isti karbonizirani proces kao to je to sluaj sa kompozitima sa polimernom osnovom, koji je opisan prethodno.

REFERENCE:

1. Composite materials ;2. An introduction to composite materials, D. Hull i T.W. Clyne;3. Mechanics of composite materials, second edition, Autor K. Kaw;4. Composite materials engineering and science, F.L. Matthews i R. D. Rawlings. 9