Click here to load reader

STRUCTURI DIN MATERIALE COMPOZITE

  • View
    11

  • Download
    2

Embed Size (px)

Text of STRUCTURI DIN MATERIALE COMPOZITE

STRUCTURI DIN MATERIALE COMPOZITEPerspective în fabricarea de materiale i structuri compozite
Aa cum a rezultat din capitolele anterioare, materiale i structuri compozite au fost folosite
mereu de oameni, începând chiar cu banalii chirpici, despre care exist atestri diverse, din
epoci foarte vechi. Cei mai receni 100 de ani au adus îns evoluii surprinztoare i tot mai
spectaculoase, inclusiv pentru acest domeniu vast, iar progresele continu, într-un ritm rapid,
cum nu a mai fost cunoscut în istoria tiinei i tehnologiilor. În cele ce urmeaz vor fi
sintetizate informaiile de baz despre doar câteva categorii de compozite, care sunt intens
discutate i analizate în prezent, întrucât le este atribuit un potenial mare de dezvoltare pentru
anii care vin.
folosesc cel puin dou materiale de
armare diferite, introduse de obicei într-
o matrice polimeric (de tip rin).
Cercetri sistematice asupra
principal pe combinaii de fibre de
carbon i de sticl; se urmrea
micorarea, pe aceast cale, a costurilor
de producie, prin folosirea fibrelor mai
ieftine de sticl, plasate în acele zone ale
structurilor compozite în care starea de
solicitare nu se afl la un nivel înalt.
Domeniul materialelor compozite hibride este foarte larg i include mai multe sub-categorii
de compozite:
- structuri de tip sandwich – cea mai simpl variant a acestora se obine cu un strat dintr-un
anumit material, plasat între dou straturi din alt material (ca în figura alturat);
Plac sandwich (rigidizat prin înclzire, sub
presiune) format din dou straturi de compozit
(rin epoxidic armat cu fibre de carbon), placând
o structur de „faguri”din tabl de aluminiu.
STRUCTURI DIN MATERIALE COMPOZITE
- structuri hibride interstrat - stratificate alternând dou sau mai multe tipuri de fibre de
armare, amestecate într-un mod regulat, rezultând structuri i compoziii diferite de la un strat
la altul din compozit;
- structuri hibride intra-strat - mnunchiuri (tows) din dou sau mai multe tipuri de fibre sunt
amestecate, în fiecare strat, în mod regulat sau întâmpltor;
- structuri hibride „fibr cu fibr” - fibrele de armare sunt combinate, în aceste structuri, într-
un mod cât mai arbitrar posibil, astfel încât s nu existe în compozit concentrri ale unui
anumit fel de fibre.
Stratificatele cu fibre i metale (FML = Fiber Metal Laminates) sunt materiale hibride
formate din straturi alternate de metal i de PMC (Polymer Matrix Composite) – armat cu
fibre; aceste structuri combin avantajele metalelor (caracter izotrop, portan mecanic,
rezisten la impact, uurin de fabricare i reparare) cu acelea ale materialelor armate cu
fibre (rezisten i rigiditate de valori specifice înalte, rezisten la oboseal excelent), încât
posed inclusiv rezisten la flacr i la coroziune, proprieti bune de izolare i de
amortizare a vibraiilor, plus durabilitate înalt.
Configuraia schematizat a unui compozit hibrid de tip metal/epoxid/fibre continue
Combinaiile din aceast categorie au fost iniiate i dezvoltate în mod special ca structuri
pentru domeniul aviaiei; cele mai obinuite se prezint sub forma unor laminate de
aluminiu ranforsate cu fibre aramidice (ARAL), cu fibre de carbon (CARAL), sau cu fibre de
sticl (GLARE); se produc i variante pe baz de titan sau de magneziu. S-a avut în vedere
înlocuirea unor structuri secundare din avioanele civile, prin compozite armate cu fibre
nemetalice (C, sticl, Kevlar, sau hibride din acestea), care în prezent au ponderi importante
în construcia avioanelor, cu rezultate spectaculoase în privina reducerii greutii lor, adic i
a consumurilor de combustibili.
Sub denumirea FPCs (Fiber Plastic Composites) sunt cunoscute compozitele cu matrice
polimeric armate cu fibre din plante (cânep, in, iut, sau plante tropicale - sisal, kenaf,
palmier), combinate sau nu cu diverse tipuri de fibre sintetice; aceste variante de compozite
hibride sunt intens cercetate în prezent, fiind avute în vedere pentru numeroase i diverse
aplicaii, datorit calitilor favorabile i unor avantaje importante pe care le au, fa de fibrele
PERSPECTIVE DE DEZVOLTARE
sintetice – densitate relativ mic, cost mic, daune mai mici aduse echipamentelor de
procesare, valori bune ale proprietilor mecanice relative, posibiliti crescute de finisare
superficial a pieselor din compozit fabricate prin turnare, accesibilitate – întrucât provin din
resurse regenerabile i abundente, flexibilitate la procesare, biodegradabilitate, efecte nocive
minime asupra sntii oamenilor.
Exemplu de compozit hibrid (fibre naturale + aramidice) pentru structuri de protecie antiglon.
Compozite hibride folosite în aplicaii structurale
Componente de automobile – pentru cele mai multe dintre acestea se folosesc în mod curent
fibre de sticl, combinate cu fibre de carbon i aramidice, toate fiind îns nedegradabile i
greu de reciclat; s-a constatat c
fibrele naturale din plante
crete economicitatea, se folosesc
de obicei rini termoplastice
unor elemente secundare de
asigurarea funcionalitii unui
automobil; Mercedes-Benz a iniiat
de exemplu folosirea plasticelor
armate cu fibre de iut pentru placarea la interior a uilor de la modelul din clasa E; muli ali
fabricani importani au folosit i ei bio-fibre pentru diverse componente (scaune, placri ale
portierelor i bordului, bare de protecie, elemente izolatoare etc).
Compozite de tip FRP se folosesc tot mai mult i în domeniul de construcii navale, pt o
gam larg de structuri ale brcilor i vapoarelor, inclusiv echipamente ale navelor mari
(fregate, distrugtoare, port-avioane, submarine).
STRUCTURI DIN MATERIALE COMPOZITE
În domeniul infrastructurilor din construcii, analiza deteriorrii structurilor din beton
armat i oel a dus la dezvoltarea unor materiale i metode de reabilitare structural, având în
vedere faptul c înlocuirea acestor structuri ar fi foarte costisitoare i aproape prohibitiv;
compozitele FRP (întrucât au rezistene i rigiditi specifice înalte, rezisten excelent la
coroziune, durabilitate bun) sunt alternative viabile la materialele clasice de construcii, în
diferite aspecte structurale, încât s-a ajuns la consolidarea unor construcii existente sau la
construcii noi de infrastructur folosind în întregime FRP.
Se apreciaz c sunt folosite pe scar larg în SUA, Canada, Elveia, Japonia, de exemplu
pentru a micora efectele de deteriorare legate de sare – exercitate de apa de mare, de zpad,
dar i de substanele folosite pentru a favoriza topirea gheii i zpezii care se adun pe
drumuri. Grinzile de tip profile laminate din compozite FRP sau hibride s-au dovedit
promitoare pentru podurile pietonale de mic deschidere, mai ales aflate în medii marine;
pot reprezenta, de asemenea, opiuni competitive i sustenabile pentru a accelera construirea
acelor categorii de poduri.
de elice pentru turbinele eoliene sunt fabricate în prezent din
matrici epoxidice sau de poliester care înglobeaz fibre de sticl,
dar se folosesc i compozite carbon/epoxi, carbon/sticl/epoxi,
sau lemn/epoxy; folosirea acestor materiale compuse s-a extins,
odat cu creterea mrimii rotoarelor de la aceste turbine,
mrime care este în continuare limitat de costul ridicat i de
provocrile tehnologice de fabricare.
materiale cu rezisten specific mare, durabilitate excelent, densitate mic; aceste caliti
sunt regsite din plin la compozitele armate cu fibre C/sticl/Kevlar, dar i cu nano-materiale
pe baz de carbon (CNT, nano-argile, nano-particule, fulerene), care sunt de mare interes pe
aceast pia; astfel de componente ale echipamentelor sportive (crose de golf i de hochei,
rachete de tenis i squash, caiac-canoe, padele, plci pentru surf, undie, plci de snowboard,
schiuri, cti, pantofi pentru alergri, cadre de biciclet) realizate din materiale compozite se
fabric, în mod frecvent, prin procedee de înfurare filamentar.
PERSPECTIVE DE DEZVOLTARE
Compozite bazate pe varieti de carbon (Carbon Nano-Materials - CNMs)
Carbonul este unul dintre primele elemente descoperite i folosite de oameni, iar formele lui
alotrope clasice au fost (pentru câteva mii de ani) grafitul, diamantul i carbonul amorf (la
care se adaug i negrul de fum); câteva noi varieti, cu o mare diversitate morfologic
(nano-diamant, nano-fibre de carbon, fulerene, nanotuburi de carbon - CNT, grafen i
derivate ale lor) au fost descoperite în ultimii 35 de ani, reprezentând realizri cu totul
excepionale pentru cercetrile din domeniul tiinei materialelor. Aceste varieti sunt tot mai
importante în tehnica actual de mare performan, întrucât manifest caliti unice (arii
superficiale mari, gam larg de poroziti, stabilitate fizico-chimic, reactivitate chimic la
suprafa, proprieti favorabile mecanice i electrice).
CNM sunt recunoscute ca având un mare potenial de a dezvolta materiale noi, pentru o
varietate de aplicaii care se bazeaz pe fenomene produse la nivel nano-metric – absorbani,
catalizori, baterii, condensatoare (capacitori), celule solare fotovoltaice, celule combustibile,
senzori/bio-senzori electro-chimici, materiale medicale, suporturi pentru imobilizarea bio-
macro-moleculelor, transportatori de substane medicamentoase în interiorul organismelor.
Reprezentri schematice ale noilor varieti de carbon.
Varietile de carbon au atras atenie semnificativ i în aplicaii electro-chimice, prin uurin
de utilizare, abunden, stabilitate i caracter relativ neagresiv fa de mediu. Sunt de exemplu
considerate foarte promitoare pentru fabricarea de electrozi de mare putere, folosii la
stocarea i conversia catalitic (electro-chimic) a energiei (super-capacitoare), întrucât
posed arie superficial mare i uor accesibil (accesibilitate electrolitic), porozitate înalt,
conductivitate electric i termic foarte bun, stabilitate la temperaturi înalte, pre accesibil
(fa de alte variante de realizare), extraordinar stabilitate mecanic i chimic, abunden,
STRUCTURI DIN MATERIALE COMPOZITE
netoxicitate. Se folosesc pe scar larg i în alctuirea unor structuri de tip senzor, pentru c
au excelente abiliti conductive i electro-catalitice, activitate superficial înalt i bun bio-
compatibilitate.
Prima dintre aceste noi forme alotropice de carbon a fost identificat în 1985 (aducând
autorilor premiul Nobel, pentru chimie, în anul 1996); aceast variant exist în form
molecular discret (adic individualizat) i const din înveliuri sferice (goale la interior)
alctuite din câte 60 de atomi de carbon, astfel încât o molecul este notat C60; este vorba
despre grupuri de atomi de carbon, legai între ei câte 6 sau câte 5, adic formând configuraii
hexagonale i pentagonale; fiecare molecul cuprinde 20 de hexagoane i 12 pentagoane,
dispuse în aa fel încât s nu existe dou pentagoane învecinate; în consecin, suprafaa are
simetria i aspectul unei mingi de fotbal.
Materialul a fost denumit „buckminsterfullerene”, în onoarea arhitectului R. Buckminster
Fuller, cel care (în anii ’60) a inventat domul geodezic (preluat în designul mingilor); fiecare
molecul C60 are imaginea acestui dom, primind i denumirea prescurtat de „buckyball”;
exist i alte variante, de pild molecula C70 – similar celei de mai sus, dar mai mare i
oarecum „strâns în talie”. Moleculele de ordin inferior sau superior lui C60 prezint abateri de
la structura domului geodezic, încât sunt mai puin stabile decât varianta de baz, dar sunt
compuse în principal tot din pentagoane i hexagoane de atomi de carbon.
Pentru clasa de materiale având acest tip de molecule se folosete termenul generic de
fulerene; aceast familie mai cuprinde nano-tuburile de carbon (CNT), nano-carbonii
„onionici” (structuri fulerenice multistrat) i alte nano-particule de carbon (cu structuri de tip
cuc închis, cu perei din unul sau mai multe straturi), având forme diverse. Toate au o
structur molecular proprie, alctuit din unul sau mai multe straturi „grafenice”, adic
straturi de atomi de carbon, în principiu grupai în reele de hexagoane (asemntoare cu
straturile din structura de grafit, dar i din negrul de fum). Curbarea acestor grafene se
datoreaz (de obicei) prezenei, ca defecte de structur, a unor inele carbonice pentagonale sau
heptagonale. Este important de observat c toate aceste materiale, la fel ca diamantul i
grafitul, au structurile formate numai din atomi de carbon!
Descoperirea CNT în 1991 a deschis
o er nou în tiina materialelor,
încât au devenit unul dintre cele mai
atractive subiecte în nano-
form (raport L/D) de valori uriae
(depind 100 de milioane),
semnificativ mai mari decât la orice
alt material cunoscut; una dintre calitile lor principale este aceea c sunt de cel puin 100 de
ori mai puternice ca oelul, dei au o densitate de 6 ori mai mic!
Aceste nano-structuri pot fi formate dintr-un singur strat (single-walled SWCNTs) de
atomi de carbon (plasai în structuri hexagonale de tip fagure), înfurat ca tub cilindric (aa
PERSPECTIVE DE DEZVOLTARE
cum se arat în figura alturat), sau pot avea perei multipli (MWCNTs = multiwalled),
fiind deci reuniri de tuburi concentrice (goale la interior) cu diametre crescând la nesfârit;
pot merge de la un tub interior (cu diametrul de câiva nanometri) i unul exterior (DWCNTs
= double-walled nanotube) pân la 100 de tuburi sau mai multe (cu diametre de zeci de
nanometri i lungimi de ordinul micrometrilor). Se ajunge astfel la un raport foarte bun între
suprafaa exterioar i volum.
Nano-tuburile sunt în principiu sintetizate folosindu-se trei metode de baz: descrcare cu
arc electric, ablaiune/vaporizare cu laser (obinând calitate înalt – defecte puine,
cristalinitate înalt, coeficieni de form de valori foarte mari), respectiv CVD (Chemical
Vapour Deposition) (folosit cel mai frecvent pentru CNT comercializate); indiferent de
metod, anumite impuriti metalice rmân în probe i afecteaz proprietile CNT, chiar i
dup aplicarea unor procedee de purificare; proprietile finale ale compozitelor armate cu
CNT sunt puternic influenate de puritate, calitate, coeficient de form i natura impuritilor.
CNT se pot folosi ca elemente de armare în aproape orice material, datorit tocmai acelor
proprieti fizice unice; un dezavantaj în aceast privin este c au tendina de agregare în
mnunchiuri i de dispersare defectuoas, de exemplu într-o matrice organic; apare necesar
modificarea superficial a CNT pentru a le solubiliza, dar i pentru a le scdea toxicitatea i a
le crete bio-compatibilitatea, atunci când se folosesc în aplicaii medicale.
Grafenul este cel mai puternic i mai subire material, concretizat într-un cristal 2-D (adic
plan), compus dintr-un singur strat de atomi de carbon, aezai într-o reea de tip fagure, cu
inele hexagonale de câte 6 atomi; are deci grosimea de 1 atom i se obine destul de uor, din
grafit; prezint proprieti foarte bune electrice (excelent mobilitate conductiv), termice,
morfologice i mecanice, modul de elasticitate excepional, arie specific foarte mare; apare
deci ca foarte potrivit pentru a fi folosit în componena diverselor dispozitive electronice de
mare performan, dar i în bio-tiine i bio-tehnologii.
A fost descoperit în 2004 (autorii primind premiul Nobel, pentru fizic, în anul 2010),
atunci când s-au obinut straturi independente de grafit, folosindu-se benzi adezive în scopul
de a desface cristalul de grafit în fragmente mereu mai subiri, pân când s-a ajuns la plane
atomice individuale; s-au creat astfel arii noi de cercetare în fizica materiei condensate i în
tiina materialelor, dup care s-a ajuns în moduri tot mai spectaculoase la lrgirea i
diversificarea aplicaiilor tehnologice.
STRUCTURI DIN MATERIALE COMPOZITE
Atomii de carbon exteriori ai acestor straturi au mare reactivitate chimic, fiind i mult mai
numeroi fa de cei de la CNT. Rezistena mecanic a grafenului este de peste 100 de ori mai
mare decât a unor ipotetice filme de oel de aceai grosime, iar modulul de elasticitate este de
aprox 1 TPa (unul dintre cele mai puternice materiale testate vreodat!). Se cerceteaz intens
i pe scar larg, i se prevede un mare viitor pentru diverse aplicaii (sugerate în schema
alturat) în domeniul construciilor auto i aerospaiale, dar i pentru bio-senzori, electronic,
celule solare, dispozitive de stocare i de conversie a energiei.
Este foarte interesant de evideniat faptul c grafenul poate fi privit ca element constructiv de
baz pentru CNM care au orice alte caracteristici dimensionale: aezat în staturi suprapuse
formeaz grafitul 3D, rulat formeaz CNT (considerate uni-dimensionale), iar curbat i
închis formeaz fulerene (numite i zero-dimensionale!).
Pân în prezent s-au propus mai multe metode fizice i chimice pentru a produce grafen
individual sau derivate ale sale – exfoliere mecanic a unui bloc de grafit, cretere epitaxial
pe SiC, cretere epitaxial prin CVD a unor grupri H-C pe un substrat de metal, desfacerea
CNT, sau reducia chimic a oxidului de grafit. Exfolierea mecanic a grafitului pirolitic
puternic orientat este considerat cea mai popular i de succes, pentru a obine straturi
singulare sau câteva straturi de grafen.
Dac scopul este de a se obine (în producie de mas) grafen folosit în aplicaii
electronice, se au în vedere cele 2 metode de cretere epitaxial, plus reducia chimic a
oxidului de grafit – metod folosit în aplicaii electro-chimice, dei grafenul astfel obinut
conine de obicei defecte structurale numeroase i grupe funcionale dezavantajoase.
Fa de CNT, grafenul are avantaje poteniale precum cost mic, arie superficial mare,
uurin de procesare i siguran (nu conine impuriti metalice, ca CNT); este foarte
PERSPECTIVE DE DEZVOLTARE
atractiv pentru producerea de bio-senzori bazai pe enzime – datorit transferului excelent de
electroni favorizeaz activitatea enzimelor, având i o comportare catalitic remarcabil fa
de micile bio-molecule.
Grafenul i derivatele lui se studiaz pe scar larg în domeniul fabricrii de senzori de gaze,
structuri sintetice (esuturi) din bio-inginerie, materiale avansate pentru stocarea de energie;
trebuie observat c grafenul este foarte special prin micro-structura lui plan, legturile
puternice C-C i proprietile excelente pe care aceste legturi le induc (la care se adaug o
bun bio-compatibilitate). Prin realizarea unor modificri infinitezimale de micro-structur, se
pot obine tipuri diferite de materiale pe baz de grafen.
Compozite polimerice hibride (HPCMs) coninând nano-materiale de carbon
Exist un interes evident i crescând pentru dezvoltarea unor compozite cu structuri
ierarhizate (numite i nano-structurate, sau compozite multi-scal), în care un ranforsant de
tip nano – de exemplu CNT - este cuplat cu fibre convenionale (adic la scar micro-); CNT
reprezint unul dintre cei mai eficieni nano-ranforsani pentru matrici polimerice, având
valori extrem de înalte de rezisten i rigiditate la traciune, coeficieni de form de valori
foarte mari, flexibilitate mare i densitate mic.
Nano-compozite cu matrice de hidrogel i elemente de armare nanometrice
(plus exemple de aplicaii tipice).
Schema de mai sus sintetizeaz, grupate pe domenii, cele mai importante aplicaii practice ale nano-
materialelor de carbon, de cele mai multe ori înglobate în compozite:
• energie (de ex. în construcia bateriilor performante) – unde sunt importante prin
conductivitatea electric înalt, efectele catalitice i aria specific de valori mari;
• electronic (de ex. în diversele tipuri de ecrane) – pe lâng conductivitate, sunt avantajate de
transparena la diverse categorii de unde, dar i de costurile reduse de punere în oper;
• agricultur (nano-biosenzori, fabricarea de pesticide) i biologie (fabricarea de proteze);
• fabricarea unor feluri diverse de scule – avantajate de elasticitatea înalt, densitatea mic, plus
posibilitile de control nano-metric al structurii obinute.
STRUCTURI DIN MATERIALE COMPOZITE
Fa de alte nano-elemente de armare – nano-whiskere SiC sau nano-particule anorganice
(care de exemplu sunt crescute pe fibre, cu scopul de a le întri interfaa cu matricea), nano-
tuburile de carbon au diametre mai mici, densitate mai mic, aliniere mai uoar în structur,
proprieti mecanice mai bune, arie superficial mai mare i coeficient mai mic de dilatare
termic. Se apreciaz c adugarea de CNT în FRP reduce limitrile asociate cu proprietile
dominate de matrice, realizând ranforsare atât intra- cât i inter-laminar; s-a mai observat i
c îmbuntesc rezistena la delaminare i proprietile mecanice „pe grosime”; în plus, duc
i la creterea Tg (pragul de tranziie vitroas – caracteristic a matricii compozitului) i la
scderea coeficientului de dilatare termic.
Materiale i structuri compozite multi-funcionale
Sunt denumite structuri inteligente (sau adaptative, sau funcionale) – cele care sunt capabile
de a sesiza prezena unor diveri stimuli externi (modificri de presiune, vitez, densitate sau
temperatur), de a procesa acele informaii i apoi de a rspunde în timp real, în manier
controlat, stimulilor respectivi; diverse genuri de aplicaii folosesc mai multe feluri de
senzori i de elemente de comand (actuatori), bazate pe materiale piezo-electrice, pe unele cu
memoria formei (Shape Memory Alloys - SMA), pe materiale electro- i magneto-strictive,
sau pe fibre optice; ca un exemplu clasic, la NASA a fost dezvoltat un compozit SMA hibrid
cu aliaj Ni-Ti (nitinol) în matrice de compozit sticl-epoxi; s-au mai introdus actuatori SMA
în laminate (prepreg-uri sticl/epoxi, sau Kevlar/epoxi), având ca scop obinerea unor structuri
auto-comandate.
În comparaie cu aliajele i ceramicele cu memoria formei, polimerii cu memoria formei
(Shape Memory Polymers - SMPs) au avantajul unor densiti mici, cost redus, uurin de
fabricare, modificare uoar de form, bio-degradabilitate, puncte de tranziie vitroas
reglabile în intervale extinse; au în schimb capacitate relativ mic de modificare memorat a
formei; compozitele bazate pe acestea (SMPCs) sunt studiate cu scopul de a îmbunti
caracteristicile SMPs.
În legtur cu compozitele polimerice trebuie subliniat c ele sunt avantajoase, în principiu,
fa de structurile metalice, dar au i anumite neajunsuri severe, de exemplu în ce privete
rspunsul la propagarea undelor, detecia i modelarea defectelor, realizarea îmbinrilor,…