4/17/20101MATERIALE COMPOZITEOCaracterizareOProducereOUtilizareMATERIALE COMPOZITEI. Definiii i clasificri4/17/20102DefiniiiMaterial compozit (n sens restrns):Mai multe definiii posibilep ( ) Aranjament de fibre (lungi sau scurte) dintr-un material rezistent = ranforsant nglobatentr-un material cu rezisten mecanic mult mai redusrezisten mecanic mult mai redus = matriceSe rezum practic doar la compozite structuraleArmate cu fibre (Fiber Reinforced Composites)DefiniiiMaterialul compozit structural este format din componente distincte i separate la scar macroscopic: Ranforsant (element de armare) - rezistent i rigid, preia n mare parte sarcinile mecanice Matrice - continu, mai puin rigid i rezistent, asigur interaciunea cu mediul (rezisten la coroziune, culoaretexturconductivitate etc ) culoare, textur, conductivitate etc.) Uneori datorit interaciunii chimice dintre matrice i ranforsant poate aprea o faz intermediar numit interfa sau interfaz4/17/20103DefiniiiMaterial compozit (n sens mai larg)Un material care ndeplinete simultan 3 condiii: p 1. Este multifazic2. Fazele componente sunt distincte la nivel macroscopic3. Componentele aparin unor clase diferite de materiale(metalice, ceramice, polimerice)Este util pentru c include i compozitele cu particule sau sandwich dar comport excepiiDefiniiiExcepie de la regula 2: Unele compozite cu matrice metalic armate cu particule sau fibre de dimensiuni microscopice particule sau fibre de dimensiuni microscopice Nanocompozite: ranforsanii au dimensiuni nanometrice Excepii de la regula 3:cep de a egu a 3 Compozitele C-C (fibre C + matrice de C amorf)4/17/20104Unele dintre definiii sunt legate de existena unui efect micromecanic al combinaiei de fazeDefiniii Tranfer de sarcin la compozite cu fibre lungi Fixarea dizlocaiilor (dislocation pinning) la compozite armate cu particulel f i i ( f Alte efecte sinergice (performane superioare componentelor folosite independent)Transferul de sarcin Transmiterea sarcinii aplicate matricei ctre ranforsant ranforsant(care fiind mai rigid preia o mare parte din sarcin) Presupune existena unei legturi suficient de puternice fibr-matrice (adeziuneexistena unei interfee) (adeziune, existena unei interfee)4/17/20105Fixarea dizlocaiilorLa compozitele cu matrice metalic (MMC) Deformaia plastic este nsoit de deplasarea dizlocaiilor n reeaua cristalin a matricei metalice Dac deplasarea dizlocaiilor este mpiedicat, tensiunea mecanic necesar deformrii este mai mare Se produce creterea proprietilor mecanice (limita de curgere, rezistena mecanic)Fixarea dizlocaiilorComponente necesare: Matrice ductil (de obicei metalic)Particule dure de armare: Particule dure de armare:O faze intermetalice (durificarea structural a aliajelor prin mbtrnire) O particule ceramice, nanoparticule4/17/20106Fixarea dizlocaiilor Limita de curgere este dat de tensiunea mecanic necesar unei dizlocaii pentrumecanic necesar unei dizlocaii pentru ocolirea unei particule (Orowan)Fixarea dizlocaiilor / b G = G modulul transversal al materialului b vectorul Burgers (direcia i mrimea dizlocaiei dintr-o reea cristalin) distana ntre particule4/17/20107Fixarea dizlocaiilor Limita de curgere c crete cu ct distana dintre particule este mai mic particule este mai mic La aceai proporie volumic de particule distana dintre particule este mai mic dac particulele sunt mai fine Durificarea este mai accentuat cu ct particulele sunt mai fine (de ex. Nanoparticulele)Scopul dezvoltrii compozitelor: Combinaie favorabil a unor proprieti tipice (antagonice); p ( g );Exemplu: tenacitate (ductilitate)rezisten mecanic (duritate) mbuntirea unei performaneExemplu: Exemplu:Rezisten mecanic specific (Rm/) de valoare mare Comportamentul la temperaturi ridicate Realizarea unei anumite aplicaii4/17/20108Scopul dezvoltrii compozitelor:Un nou concept:l l PROIECTAREA materialului pentru o anumit aplicaie Alternativ la SELECIA materialului pentru aplicaii pentru aplicaiiPROIECTAREA MATERIALULUIMaterialul este configurat n funcie de aplicaie:Engl. Material designProprietile finale sunt influenate de RANFORSANT: prin natura, proporia, poziionare, configuraie MATRICE: tipul materialuluistarea structural MATRICE: tipul materialului, starea structuralPiesa i materialul sunt realizate n acelai timp4/17/20109PROIECTAREA MATERIALULUIPuternic ANIZOTROPIE a materialului:Se bazeaz pe anizotropia proprietilor Proprietile sunt mult diferite n funcie de direcie Exist i la materialele clasice Exemplu: tabla laminat, srma tras etc. Compozite cu fibre lungi: proprietile mecanice sunt mult mai ridicate pe direcia fibrelorCLASIFICARE Compozite cu fibre lungisau armare continu(C ti l Fib R i f d C it ) (Continuously Fiber Reinforced Composites); Compozite cu armare discontinu Particule(Particle Reinforced Composites) Fibre scurte(Short Fiber Reinforced Composites) etc. Stratificate sau sandwich;4/17/201010CLASIFICARE Compozite cu fibre lungisau armare continu continuUnidirecional(fibre monofilare + matrice metalic)Multidirecional(fibre multifilare+matrice polimeric)CLASIFICAREP i l Particule: Poliedrice Sferice Discuri etc.Fibre scurte: Aliniate(anizotropie) Nealiniate(cvasi-izotropie)(cvasi-izotropia proprietilor)4/17/201011CLASIFICARECompozite stratificate sau sandwich;CLASIFICAREDup natura materialului matricei:P li i Polimeric Metalic Ceramic Ceramic4/17/201012Au aprut ca nlocuitori ai aliajelor metalice uoareCompozite cu matrice polimericSunt de obicei armate cu fibre lungi (multifilament) sau scurte de natur:+Ceramic: sticl, carbon, +Organic: aramide (KEVLAR)Prezint o puternic anizotropie: +diferena de proprieti ntre matrice i ranforsant este pronunat armare multidirecionalAvantaje: Proprieti mecanice (specifice) (Rm/) R i t tl b lCompozite cu matrice polimeric Rezistente la oboseal Disponibile n cantiti ridicate la costuri reduse Cunotiine de proiectare i tehnologice bune Rezistente la produse folosite n industrie Rezistente la produse folosite n industrie(ulei, grsimi, lichide hidraulice, vopsele, solveni, petrol) Nu corodeaz4/17/201013Dezavantaje:Compozite cu matrice polimeric Instabilitatea proprietilor (mbtrnesc): matricea polimeric este sensibil la umiditate, radiaii, fungi etc.; Sensibilitate la temperaturi mari i medii corozive; Nu preia sarcini transversale: este necesar armarea multidirecional, ceea ce duce la complicaii tehnologice i mrete costurile.Compozite cu matrice metalic MMC Metal Matrix Composites Creterea proprietilor prin armare este mai Creterea proprietilor prin armare este mai puin pronunat Metale uoare (Al, Mg, Ti) armate cu particule sau fibre scurte de natur ceramic: bor, carbur de siliciu (SiC), carbur de bor (B4C)alumin Al2O3carbur de bor (B4C), alumin Al2O3 Titan armat cu fibre lungi de diametre mai mari, de natur ceramic4/17/201014Compozite cu matrice metalicTi-5Al-5V/80vol%SiC (fibre monofilament)Avantaje: Proprieti superioare la temperaturi ridicate;Compozite cu matrice metalicp p p ; Rezisten la solicitri transversale pe direcia fibrelor +Este posibil armarea unidirecional Rezisten bun la coroziune i stabilitate fizic a proprietilor Avantaje tehnologice procesare similar cu materiale clasice (turnare, deformare, achiere, sudare) Posibilitatea aplicrii tratamentelor termice, pentru modificarea proprietilor matricei4/17/201015Dezavantaje: C t iidi tCompozite cu matrice metalic Costuri ridicate+Utilaje complicate (de natur tehnologic);+Cost ridicat al materiilor prime (mai ales la fibre lungi) Dificulti tehnologice de producere(nglobare, infiltrare, aliniere) Experien practic limitatEste dificil impunerea pe pia a unei noi clase de materiale: costuri iniiale mari, conservatorism n ceea ce privete concepiaCompozite cu matrice ceramic Dezvoltarea lor este incipient Obiectiv principal: reducerea fragilitii Rezistena mecanic i rigiditatea nu se modific semnificativ;;4/17/201016 Matrice: oxizi, carburi, nitruriCompozite cu matrice ceramic, , Ranforsani:+ Whiskers fibre scurte, monocristaline SiC, Al2O3, Si3N4etc.(diam.~1 m sau mai puin, lung. 200-300 m)+ Fibre lungi monofilament ceramica devine flexibil: Avantaje: Compozite cu matrice ceramic Proprieti superioare la temperaturi foarte ridicate; Rezisten foarte ridicat la coroziune i stabilitate foarte bun a proprietilor;Dezavantaje: Costuri; Dificulti tehnologice de producere cu t te o og ce de p oduce e(metalurgia pulberilor, depunere n vid, reacii chimice); Insuficiente cunotiine teoretice;4/17/201017CLASIFICAREDup tipul procedeului de fabricare Artificiale - (cu nglobare); In-situ prin transformri chimice sau structurale n nsi intimitatea materialului materialuluiCLASIFICAREExemple de compozite produse In-situ: oxidaresau nitrurare intern a unei topituri metalice (insuflare de gaz: aer, azot, oxigen) solidificare dirijat a unui eutectic4/17/201018MATERIALE COMPOZITEAplicaii: StructuraleFuncionaleMATERIALE COMPOZITEAplicaii: Electronic, ElectrotehnicSupori pentru plcii de circuite imprimateDulapuri, cofreteAnteneCi pentru cabluri Ci pentru cabluriRadiatoare termice4/17/201019MATERIALE COMPOZITEAplicaii: Construcii, lucrri publiceCosuri, tubulaturCofraje pentru betoanePiscinePanouri pentru faadeprofile Panouri pentru faade, profileObiecte sanitareMATERIALE COMPOZITEAplicaii: Transport rutierComponente de caroserieArbori de transmisie, blocuri motoare, bieleRezervoare de carburantProfile de rezistensuspensii Profile de rezisten, suspensiiCisterne, incinte izoterme4/17/201020MATERIALE COMPOZITEAplicaii: Transport rutierMATERIALE COMPOZITEAplicaii: Transport rutier4/17/201021MATERIALE COMPOZITEAplicaii: Transport feroviarPiese de transmisieCaroserii de vagoaneUi, panouri interioareCi de ventilaie Ci de ventilaieMATERIALE COMPOZITEAplicaii: Transport maritimHovercraftsAmbarcaiuni uoare, sportive, alupe (coca)4/17/201022MATERIALE COMPOZITEAplicaii: Transport aerianAvioane ultrauoarePlanoare a oa eComponente de avioane mari: borduri, derivoarePalete de helicopterDiscuri de frne, echipamente de rulare, arboriDiuze pentru motoareMATERIALE COMPOZITEAplicaii: Mecanic generalAngrenaje (roi, arbori, axe)CuzineiBrae de roboiProfile portante (platforme off shore) Profile portante (platforme off-shore)Incinte sub presiune4/17/201023MATERIALE COMPOZITEAplicaii: Sport i recreereRachete de tenisBee de pescuitSchiuriTrambulineArcuri Cti de protecieCadre de bicicletCrose de golfPlane pentru surfAplicaii biomedicaleConcept: Ameliorarea proprietilor materialelor Ameliorarea proprietilor materialelor clasice:O MetaliceO PolimericeO CeramiceSinergie pentru crearea de materiale mai Sinergie pentru crearea de materiale mai performate4/17/201024Aplicaii biomedicaleConcept: l Proiectarea unui material cu anumite proprieti relative la mediul biologic materialele s fie fa de acesta: Inerte Absorbabile Absorbabile Rezisten / Rigiditate similare materialelor naturale compatibilitate biomecanicAplicaii biomedicaleMaterialele metalice biocompatibilel Aliaje CoCr Oeluri inoxidabile Aliaje de titanElibereaz ioni i produse de coroziunePentru creterea biocompatibilitii: se cupleaz cu materialele ceramice4/17/201025Aplicaii biomedicale Polietilen (PE) Polipropilen (PP)Materialele polimerice biocompatibile Poliuretan (PU) Poli-Tetra-Fluoro-Etilen (PTFE) Poli-Vinil-Clorid (PVC) Poliamide (PA), Poli-Metil Metacrilat (PMMA), PoliacetalP li b t (PC) Policarbonat (PC), Poli-Etilen-Tereftalat (PET) Poli-Eter-Eter-Keton (PEEK) Polisulfon (PSU)Ranforsate pentru creterea proprietilor mecanice: fibre, particuleAplicaii biomedicale Biocompatibilitate foarte bun -conin:O Ioni prezeni n medii fiziologice:Ca2+ K+ Mg2+ Na+etcCeramice biocompatibile (bioceramicele)O Ioni prezeni n medii fiziologice:Ca , K , Mg , Na etc.O Ioni cu toxicitate redus Al3+, Ti2+ Dintre cele mai folosite pentru legtur puternic cu esuturile biologice:O alumina, zirconia fragileO hidroxiapatita HA (bioactiv) Ca10(PO4)6(OH)2 i TCP (tricalcium phosphate bioresorbabil ) -Ca3(PO4)2au rezistene mecanice reduseRanforsate pentru ameliorare proprieti mecanice: fibre, particule4/17/201026Aplicaii biomedicaleS-au dezvoltat cteva clase de compoziteDpdv al matricei folosite: Compozite cu matrice polimeric: Ex: PEEK/Cf(fibre), HDPE/ HAp(particule) Compozite cu matrice metalic:Ex: Ti/HAp, Ti6Al4V/HAp. Ex: Ti/HAp, Ti 6Al 4V/HAp. Compozite cu matrice ceramic: Ex: HA/ol.inoxf, HA/sticlfAplicaii biomedicaleDpdv al bioactivitii: Compozite BIOINERTEEx: carbon/Cf, PEEK/Cf/f, /f Compozite BIOACTIVEEx: Bioglass/ol.inoxf, HA/sticlf, HDPE/HAp, Ti6Al4V/HAp. Compozite BIORESORBABILE Folosesc matrici din polimeri biodegradabili: p gO Acid polilactic (PLA=polylactic acid)O Acid poliglicolic (PGA=polyglycolic acid)O Policaprolactona (PCL=poly e-caprolactone)O Polihidroxibutirat (PHB=polyhydroxybutyrate)Ex: PLA/TCP, PHB/TCP(tricalcium phosphate)4/17/201027MATERIALE COMPOZITE ARMATE CU FIBRE LUNGI COMPOZITE CU ARMARE CONTINUMATERIALE COMPOZITE ARMATE CU FIBRE LUNGI Ranforsanii strbat ntreaga lungime sau o poriune important a piesei4/17/201028MATERIALE COMPOZITE ARMATE CU FIBRE LUNGI Laminat multidirecional Cvasi izotropic Laminat unidirecional AnizotropicEfectul fibrelor i matricei proprietilor Tip compozitSolicitareamecanicComponent dominant UnidirecionalTraciune 0 FibreCompresiune 0 Fibre / MatriceForfecare MatriceTraciune 90 MatriceTraciune FibreMultidirecionalCompresiune Fibre / MatriceForfecare n planFibreForfecare ntre straturiMatrice4/17/201029Diagrama de orientare a fibrelorFibre n direciile0, 90, +45, -45Zona preferenial0: 15-50%, 90: 10-40%, 45: 25-75%Zona anizotrop0: 25%, 90: 25%, 45: 50%FIBRE LUNGIForme de prezentare Fibre monofilament (pentru compozite cu matrice metalic) Roving (mnunchiuri de fibre) Mat Prepreg Pnze esute (wowen fabric) (2D, 3D) Fibre mpletite (knitted fabric) Fibre cusute (stitched fibers)4/17/201030FIBRE LUNGI - Terminologieib ( b ) d l Fibr (Fiber) o entitate de material avnd una dintre dimensiuni mult mai mare dect celelalte. Se definete un raport l/d de obicei mai mare de 100FIBRE LUNGI - Terminologieil (f l ) Filament (filament) cea mai mic unitate de material fibros. La fibrele monofilament este sinonim cu fibra4/17/201031FIBRE LUNGI - Terminologie Mnunchi engl. strand pentru fibre de sticlengl. tow - pentru fibre de carbon) un numr de fibre grupate cu axele paralele de obicei nersuciteFIBRE LUNGI - Terminologie Matd f d Produs format din fibre scurte sau fibre lungi, orientate sau nu, meninute mpreun sub form de pnz meninute mpreun sub form de pnz, prin form sau cu ajutorul unui adeziv4/17/201032FIBRE LUNGI - Terminologie Mat din fibre de sticlFIBRE LUNGI - Terminologie Roving (stratifil)me sau mnunchi ngust i lung deme sau mnunchi ngust i lung de fibre, care este de regul tras sub form de benzi cu fibre paralele; de obicei se folosete pentru: esere Pultruziune (asemntoare extrudrii) Pultruziune (asemntoare extrudrii) Realizarea prin tiere a fibrelor scurte nfurare (fillament winding)4/17/201033FIBRE LUNGI - Terminologie Roving (stratifil)ROVINGSemifabricate sub form de mnunchiuride fibre tow, strand (de obicei nersucite) Diametrul fibrei 5- 30 m Pn la 1000 de fibre n mnunchiAvantaje: Sunt de obicei cele mai ieftineDezavantaj: Prezint dificulti n utilizare (realizarea poziionrii n timpul producerii compozitului)4/17/201034ROVINGFolosite la producerea prin: pultruziune nfurare (fillament winding)n ultimul timp au aprut mnunchiuri preimpregnate pregtowPREPREG folii subiri de fibre uniaxiale poziionate paralel una fa de cealalt biaxiale sub form de estur preimpregnate cu polimerul folosit ca matrice. se livreaz n benzi continue de pn la 2 m lime4/17/201035PREPREGFlexibilitate:Avantaje:Flexibilitate: Geometria semifabricatului poate fi uor configurat Determinarea grosimii se poate face prin adugarea sau ndeprtarea de straturi Proporii volumice de fibre Vf de pn la 0,6 0,65 (la cele uniaxiale) Se preteaz la croirea computerizat (rapiditate, reducere deeuri)PREPREGLimitri i dezavantaje:Uniaxiale: pot fi aezate doar pe suprafee cu curburi simple (eventual tiate n benzi nguste)Biaxiale:se pot manevra mai uor dar pot fi modelate maise pot manevra mai uor dar pot fi modelate mai greu datorit grosimii mai mariVf p.l. 0,554/17/201036PREPREGFiind livrate cu polimerul nepolimerizat sau Limitri i dezavantaje:Fiind livrate cu polimerul nepolimerizat sau doar parial polimerizat au o durabilitate limitat:presupune depozitarea la temperature sczute i protejarea cu folii de material plasticCosturi mai mari legate de preimpregnare, pstrare i manevrarePREPREGUtilizarePentru formarea compozitelor n forme unilaterale sub vid uneori pentru presarea n matrie bilaterale4/17/201037PNZE ESUTEEngl. woven fabricAvantajnu se deir atunci cnd sunt manevratesunt indicate pentru suprafee mariAvantajDezavantajDatorit fibrele sunt deplasate de la direciile rectiliniiplaneitate redusmicromecanic mai puin favorabilPNZE ESUTERzboi de esut4/17/201038PNZE ESUTECompoziii disponibile de fibre Sticl Aramide CarbonE Densiti de suprafa 100 - 4500 g/m2E Grosime de 0 15 0 mm Carbon HibridePentru fiecare stratE Grosime de 0,15,0 mmPNZE ESUTEDiferite tipuri de esturi Simpl (Plain) Twill (Serge)E Densiti de suprafa 100 - 4500 g/m2E Grosime de 0 15 0 mm( g ) SatinPentru fiecare stratE Grosime de 0,15,0 mm4/17/201039PNZE ESUTESimpl (Plain)fiecare fir de bttur trece alternativ peste 1 fir de urzeal apoi sub 1 alt firUrzealBt Cea mai rezistent la manevrare Cea mai puin plan Cele mai mari curburi ale turCe e a a cu bu a efibrelor Proprietile mecanice cele mai redusePNZE ESUTETwill (Serge)fiecare fir de bttur trece alternativ peste 2 fire de urzeal apoi sub alte 2 fireUrzealBt Curburi mai reduse ale fibrelor Planeitate mai bun Proprietile mecanice turProprietile mecanice mai bune4/17/201040PNZE ESUTESatinfiecare fir de bttur trece alternativ pe dedesubtul a 3 fire de urzeal (satin de 4) sau a 7 (satin de 8) apoi deasupra a 1 firUrzealBt Cele mai reduse curburi ale fibrelor Planeitatea cea mai bun apoi deasupra a 1 firtur Proprietile mecanice cele mai bune Se destram mai uorFibre ESUTE tridimensional4/17/201041Fibre ESUTE tridimensionalRotor de turbinFibre mpletite (tricotate)Tricotaj multistratRam pentru geam (aeronautic)Tricotaj multistrat4/17/201042Fibre cusute (stitched)Fibre de armareCele mai uzuale Sticl Aramide Carbon Polietilen Ceramice: B, B-SiC, Al2O3, SiC, B4C, AlN etc.4/17/201043Proprietile compozitelor armate cu fibreProprieti comparativeFibre uzuale4/17/201044FIBRE ANORGANICEFibre de sticlPROPRIETI Amorfe IzotropeCOMPOZIIE50-60 % SiO2+ oxizi (Al2O3, B2O3, CaO, MgO etc.)FIBRE ANORGANICEFibre de sticlProducere: topire + ejectarea topituriiDiametru: pn la 10 mTipuri:Tip E (Electrical glass)Tip C (Chemical glass) i E-CR (Electrical-Corrosion Resistent glass)Tip AR (Alkali Resistent glass)Tip S (Strength glass)Tip RTip T (Texxes)4/17/201045FIBRE ANORGANICEFibre de sticlTip E (Electrical glass)Uor de produsCost redusProprieti mecanice buneSensibile n medii acide sau alcalineFIBRE ANORGANICEFibre de sticlTip C (Chemical glass) i E-CR (Electrical-Corrosion Resistent glass)Rezistente n medii acide Proprieti comparabile cu E glassPre mai ridicat4/17/201046FIBRE ANORGANICEFibre de sticlTip AR (Alkali Resistent glass)Rezistente n medii alcalinenlocuitoare ale fibrelor de azbestProducere mai dificil (ZrO2)Pre mai ridicatFIBRE ANORGANICEFibre de sticlRm i E mai ridicate (industria aeronautic)Stabilitate termic a proprietilor mecaniceTip S (Strength glass)Producere mai dificil (dificulti de tragere)Pre mai ridicat4/17/201047FIBRE ANORGANICEFibre de sticlTip R varietate a sticlei SRm i E mai ridicate (industria aeronautic)Stabilitate termic a proprietilor mecaniceProducere mai dificil (dificulti de tragere)Pre mai ridicat39004000FIBRE ANORGANICEFibre de sticl2200 24001700310015002000250030003500ECARSRRm/roRm86696063015661245050010004/17/201048FIBRE ANORGANICEFibre de sticlDEZAVANTAJ IMPORTANT:tendin de distrugere sub influena mediuluiDistrugere prin abraziune (frecare): lustruire chimicCoroziune n medii apoase (adncirea defectelor superficiale)Coroziunea sub tensiune (efect cumulattensiune + mediu = cretere fisuri)Reducerea Rm n funcie de temperatur i durat de meninereFIBRE ANORGANICEFibre de sticlMsuri de protecie: acoperire Msuri de protecie: acoperirei alte efecte funcionale: Legarea fibrelor ntre ele g Lubrifiere mbuntirea legturii cu matricea Proprieti antistatice4/17/201049FIBRE ANORGANICEFibre de cuarCOMPOZIIE: 99,99 % SiO2;Diametru 7-14 m CO O : 99,99 %S O2; e u 7 PROPRIETI Stabilitate termic a proprietilor: 1050C (1250 C ) Rezisten la oxidare i ageni chimici; Rezisten oc termic Rezisten oc termic Rezisten la radiaii Duritate mare Stabilitate dimensional Densitate redus (2,2 g/cm3)FIBRE ANORGANICEFibre de cuarPre ridicat: industria aeronautic, centrale nucleare etc.4/17/201050Fibre de carbonCOMPOZIIE: >90 % C Diametru 7-10 m Proprieti mecanice ridicate Stabilitate fizico-chimic (termic, n absena oxigenului) Coeficient de dilatare termic redusFibre de carbonClasificareCa geometrie: Lungi (continue) sau scurteCa structurCristalineamorfeparial cristaline Cristaline, amorfe, parial cristaline4/17/201051FIBRE ANORGANICEFibre de carbonSTRUCTUR:Cristalite mici de grafit turbostraticCaracterLegturi: covalente + van der WaalsCaracteranizotropicFIBRE ANORGANICEFibre de carbonReeaua grafituluiP i ti i idi t Proprieti mecanice ridicate(direcia fibrei)Proprieti mecan(perpendicular pnice redusepe fibr)4/17/201052FIBRE ANORGANICEFibre de carbonProprieti ridicateAlinierea cu planele bazaleAnizotropie ridicatFIBRE ANORGANICEFibre de carbonn funcie de precursor: PoliAcriloNitril (PAN) ( ) gudron (PITCH) Rayon (din gaze)Sortimente: HS high strength IM intermediate modulus HM high modulus UHM ultra high modulus XA alungire ridicat4/17/201053FIBRE ANORGANICEFibre de carbonE (relativ) pre relativRmA relativE l t E [GP ] Exemplu pentru E [GPa]: HM: axial 380; radial 12 HS: axial 230; radial 20FIBRE ANORGANICEFibre de carbon tip PANOperaiunilede producere1. Precursorul este nepolimerizat (termorigid)2. Tragere n fire (wet spinning)3. Oxidarea (pentru stabilizare) Rearanjare molecular Obinere OxiPAN4. Carbonizare eliminare H2O i HCN3. Grafitizarea (2500C) (HS, VHS, IM)(HM, UHS)4/17/201054FIBRE ANORGANICEFibre de carbon tip PANTipul de fibr n funcie de temperatura de grafitizare350 4 5150200250300350Rm [GPa]22.533.544.5E [GPa]ERmHM HM0501001200 1600 2000 2400 2800Temperatura de grafitizare [C]00.511.5FIBRE ANORGANICEFibre de carbon tip PITCHMaterie prim: gudron (smoal)Operaiunilede producere1. Preparare gudron (izotropic anizotropic)2. Polimerizare (350C) mezofaz (lichid + solid)3. Extrudare (sub form de fibre)4 O id 4. Oxidare5. Carbonizare (2000C) 6. Grafitizarea (2900C) 4/17/201055FIBRE ANORGANICEFibre de carbon din gazeSe produc la contactul dintre +un gaz cu coninut de carbon: +un gaz cu coninut de carbon:Acetilen C2H2, etan CH3-CH3, metan CH4, gaz natural, benzen C6H6+ H2se realizeaz un amestec (CO/CO2/H2; C2H2) +contact cu particule de metal catalizator :Fe, Ni, Cu, Pa etc (10 nm).Particulele aezate pe un suport ceramic inert fa de metal (MgO, SiO2) inert fa de metal (MgO, SiO2)H2+ CO H20 + CReacia de depunere cataliticC2H2 H2 +2CFIBRE ANORGANICEFibre de carbon din gazeGaz carbonicParticul de metal catalizatorCreterea filamentuluicarbonicCreterecataliticGaz carbonicGaz carbonicFilamentFibrDepunere din vapori(necatalitic)Gaz carbonic4/17/201056Producerea fibrelor (nanofibrelor)prin depunere din vaporiMaterie prim:Hidrocarburi gazoase(CH4; C6H6; C2H2) n prezena unui catalizator metalicFe, Ni, CoFIBRE ANORGANICEFibre de carbon armare pentru compoziteM t i li i d f il i d Matrice polimeric : producere facil, temperaturi sczute de procesareo Rini termodurificabile: epoxidice, fenolice (200C) o Rini termoplaste: opolimide (PI), opolietersulfone (PES), opolietereterketone (PEEK) opolietereterketone (PEEK),opoleterimide (PEI), opolifenil sulfide (PPS) (300 - 400C.o Tratamente superficiale pentru mbuntirea legturii cu matricea: oxidare (gaze, soluii, procedee elecrochimice, plasm etc.) acoperiri, ageni de umectare4/17/201057FIBRE ANORGANICEFibre de carbon armare pentru compoziteMatrice ceramic (beton, gips, MgO, A12O3, SiC, Si3N4, ZrO2): o Pot conferi conductivitate electric sau termico Reduc dilataia termico mbuntesc tenacitatea (tendin de smulgere la deformaie plastic) deformaie plastic)o mpiedic interferena electromagnetic (RFI, EMI)FIBRE ANORGANICEFibre de carbon armare pentru compozite-Matrice metalic: o Potenial catodic mai mare dect orice metal, care devine anod i formeaz astfel cu fibra de grafit un cuplu galvanic care duce la oxidarea metalului.o Pentru compozite cu matrice metalic se procedeaz la acoperirea fibrelor.o Se reduce mult dilataia termicD bi i f d fib li t li i o De obicei o preform de fibre cu liant polimerico mbuntirea umectrii , evitarea reaciei cu metalul prin acoperiri placare cu Ni, Cu, Ag se produc compui intermetalici fragili, acoperire cu pelicule ceramice TiC, SiC, B4C, TiB2, TiN, K2ZrF6, ZrO, acoperire cu carbon amorf4/17/201058FIBRE ANORGANICEFibre de carbon armare pentru compoziteMatrice de carbon: o Creterea rezistenei mecanice, fibrele avnd textur i proprieti mecanice mult mai mario Tenacitate: desprinderea fibrelor produce absorbia de energie(pseudo-plasticitate)o Producere: liquid phase impregnation (LPI), hot isostatic pressure impregnation carbonization (HIPIC), hot pressing, chemical vapor infiltration (CVI).o Protejare la oxidare: acoperire cu SiC, Si3N4, rini siliconiceFibre de carbon (structur)Thornel P-1004/17/201059FIBRE ANORGANICEFibre de borDepunere n vid CVD (Chemical Vapor Deposition: 2BCl3+ 3H2 2B + 6HClpFIBRE ANORGANICEFibre de borProprieti superioare densitate sczut cost ridicatOperaiunilede producere1. Depunere CVD2. Recoacere3 Tratament superficial (chimic)Proprieti superioare, densitate sczut, cost ridicat3. Tratament superficial (chimic)4. Acoperire SiC (Borsic) la MMC4/17/201060FIBRE ANORGANICEFibre din carbur de siliciuProprieti superioare, cost ridicat mai ales pentru MMCObinere: prin CVD din precursori (similar cu C) 10-15 m din precursori (similar cu C)10 15 m creterea de monocristale (whiskers) proprieti excepionale 0,1 0,5 mFIBRE ANORGANICEFibre din carbur de siliciuCVD pe miez de W (reacie la 900C) sau CCH3+ SiCl3 SiC + 3HClAcoperire final cu C4/17/201061FIBRE ANORGANICEFibre din aluminProprieti ridicateStabilitate termic pn la 1300CIndustria aerospaialIzolatoriFragilitateCost ridicatPolicristalinen amestec cu SiO2FIBRE ANORGANICEFibre metaliceMetale: Ti, W, Mo, Al, aliaje diametru 10 150 mUtilizare restrns: densitate mare;eventual combinaie cu C sau sticl4/17/201062FIBRE ANORGANICEFibre monocristalineProprieti excepionale: Rm ridicat Densitate redus Stabilitate termic Rezisten la coroziune Costuri f mariDiametru: 1 10 mLungime: 10 300 mCosturi f. mariTipuri: Grafit, Al2O3, SiC, Si3N4, AlN, BeO, Fe, Si realizate prin cretereFIBRE ORGANICEARAMIDELE(ARomatic poliAMIDE) KEVLAR Du Pont TWARON Akzo TECHNORA Teijin KEVLAR Du Pont TWARON Akzo TECHNORA Teijin POLIETILENA SPECTRA Allied Signal DYNEEMA Dutch State Mines DSM SPECTRA Allied Signal DYNEEMA Dutch State Mines DSM4/17/201063ARAMIDELELegturi:n lanurile moleculare paralele cu axa fibrein lanurile moleculare perpendiculare cu axa fibreiARAMIDELECaracteristici E Rm T > 100CPrelucrabilitateRm(compresiune) KComportare bun la ncovoiere4/17/201064POLIETILENA CaracteristiciFoarte nalt densitateCaracteristici Rm E KLegtur covalentntre atomii de carbon T < 100CFIBRE NATURALEVEGETALE ANIMALEBumbaculIutaProprieti mecanicemodesteMtaseaLemnulInulLn4/17/201065FIBRE NATURALE AzbestulMINERALECancerigenProprieti ridicate AzbestulgElemente de armare avansate din carbon4/17/201066Carbonul exist n mai multe forme alotropice:Diamant fiecareatom este legat de ali 4atomi ntr-o configuraiede tetraedru, formnd oreea 3DGrafit fiecare atomste legat de ali 3 ntr-oconfiguraietriunghiular formnd oreea 2DNano-srme agregate dediamant forma alotropic ceamai recent descoperit i materialcel mai dur cunoscut pn nprezentCarbonFullerene (buckyball) molecule mari formate exclusiv din atomi de carbon legai sub form triunghiular, formnd sferoiziNanotub decarbon fiecareatom este legat ntr-o configuraietriunghiular,formnd cilindrii goiStructurananofibrelor de carbon crescute din stare de vapori din stare de vapori4/17/201067Nanotuburile Straturi de grafit (reea hexagonal de carbon) mpachetate fr mbinare sub form de cilindruNanotuburile Diametrul de ordinul nanometrilor Lungimea de ordinul milimetrilor (deocamdat)Raportul lime lungime este foarte mare9639101010 = =LdR4/17/201068NanotuburileProprietile fizice nu sunt complet lmurite. Dificultatea const n faptul c tuburile au o gam foarte larg de proprieti:+ Electronice+ Termice + Termice+ Mecanicecare depind de tipul tubului. NanotuburileTuburile sunt:+uoare+flexibile+stabile termic+inerte chimic +inerte chimic+caracter metalic sau de semiconductorn funcie de torsiunea tubului4/17/201069NanotuburileTuburile pot fi:+ cu un singur perete cilindric SWNTs - single cylindrical wall nanotubes+ cu perete cilindric multiplu+ cu perete cilindric multiplu MWNTs - multiple walls nanotubesNanotuburilePentru un SWNTs+Modulul lui Young~ 1 TPa = 1012Pa+Rezistena la traciune+Rezistena la traciune ~ 30 GPa = 3000 daN/mm24/17/201070Producerea nanofibrelorprin depunere din vaporiMaterie prim:Hidrocarburi gazoase(CH4; C6H6; C2H2) n prezena unui t li t t li catalizator metalicFe, Ni, CoFuel tankMirror housingFuel lines Door handlesAplicaii4/17/201071MATERIALE PENTRU MATRICEMATRICI MATRICIORGANICE MINERALECeramice Metalice Termodurificabile Termoplastice ElastomeriBoruriCarburiNitruriAl,Ti,Ni,Cu,MgOl inox, superaliajeCaracteristici eseniale ale polimerilor TD i TPCaracteristici generaleTP: termoplaste TD: termodurificabileStare de bazSolid (pregtit de utilizare: polimerizat)Lichid vscos supus polimerizriiDepozitarea Durat limitat (precauii Depozitarea materialului de bazNelimitatDurat limitat (precauii necesare)Absorbitivitatea elementelor de armareDificil UoarFormarenclzire (nclzire-topire/ nmuiere +rcire de fixare)nclzire continuCiclu Scurt Mai lung (polimerizare)Caracteristici specifice Caracteristici specificeComportare la oc Destul de bun limitatComportare la temperaturSlab, cu excepia noilor TP termostabilebunReziduuri i deeuri reciclabile nericiclabileCondiii de punere n operbune + igieniceEmanaii n cazul metodelor umede (posibile alergii)4/17/201072MATRICI POLIMERICERini termodurificabile Epoxidice Epoxidice Poliesterice nesaturate Vinilesterice Siliconice Poliamidice Polimidice FenoliceRini termodurificabile Iniial: sub form lichidf f d l Durificare prin formare de legturi transversale (cross-linking) Important: O Densitatea legturilor (tehnologia de polimerizare)O Unitile moleculare care formeaz lanurile polimerice (tipul rinii)4/17/201073Rini termodurificabileFa de termoplaste:Fa de termoplaste: proprieti mecanice similare sau superioaredar sunt mai fragileRini termodurificabile Polimerizare: la rece sau tratament termic (la formarea compozitului) Tratament final la temperatur maxim: stabilitate a proprietilorC t i i li il Contracia prin polimerizare sau la rcire poate produce tensiuni reziduale4/17/201074Rini epoxidice:dRini termodurificabile Contracii mai reduse Deformaii mai reduse cu temperatura Se pot utiliza polimerizate parial n preimpregnate Costuri mai ridicate Costuri mai ridicateRini termoplaste NU au legturi transversale ntre lanurile moleculare moleculare Proprieti mecanice ridicate datorit unitilor monomerice i masei moleculare ridicate Termoplaste amorfe: prezint tangene ale lanurilor moleculare (asemntoare (legturilor transversale) nclzire: dispar tangenele - lichifiere4/17/201075Matrici termoplaste de nalt Rini termoplasteMatricitermoplaste de nalt performan Polieter eter keton (PEEK) Polisulfone Polisulfide Polimide PolipropilenRini termoplasteProprieti p Ductilitate Variaia puternic a proprietilor cu T Rezistente la ageni chimici Prezint fluaj redistribuire tensiuni n compozit4/17/201076Rini termoplasteProblem tehnologic n stare topit au vscozitate ridicat AluminiuMATRICI METALICE Magneziu Titan Cu MgNi NiDe obicei aliaje4/17/201077Caracteristici:MATRICI METALICE Ductile Izotropice (preiau sarcini transversale) Reactive cu oxigenul (probleme tehnologice)MATRICI METALICEEfectul armrii Cretere rezisten mecanic, rigiditate (mai puin dect la polimeri) Ameliorare uzare, dilataie termic, fluaj4/17/201078MATRICI CERAMICEObiectiv principalCategorii folosite Sticle ceramiceCeramice convenionale Creterea tenacitii i ductilitii Ceramice convenionale Cimenturi Sisteme C/CSTICLE CERAMICE Pe baz de aluminosilicai sau borosilicai4/17/201079(Folosite mai rar)lCERAMICE CONVENIONALEExemple:SiC, Si3N4, Al2O3, ZrO2CIMENTURIArmate cu fibre scurte Cretere proprieti Nu diminueaz formabilitatea4/17/201080CARBONSISTEME Carbon/Carbonf l d Infiltrarea cu vapori a unei structuri din fibre de carbonTEHNOLOGIA PRODUCERIICOMPOZITELOR POLIMERICE CU FIBRE4/17/201081PROCEDEE DE FORMAREELEMENT DE ARMARE RINImpregnare (amestecare)Aezare n scula de formatCompactarePolimerizareExtragereFinisareFORMAREA PRIN CONTACT4/17/201082FORMAREA PRIN CONTACTTehnologie: Aezare fibre; Aezare fibre; Impregnare (amestec rin+ntritor) Impregnare (pensulare, rulare, pulveriza Polimerizare (temperatur ambiant)Agent demulant: mpiedic lipirea de ma Agent demulant: mpiedic lipirea de maGel-coat: rin poliesteric colorat pentru o suprafa netedFORMAREA PRIN CONTACT Serie mic, unicate; Flexibilitate a formei i dimensiunilor (p.l. Volum mare de manoper4/17/201083FORMAREA MATRITA -POANSONFORMAREA MATRITA -POANSONTehnologie: Tehnologie: Aezare amestec fibre - matrice; Presare 1 2 bar Polimerizare la rece sau cald Serii mijlocii pentru auto sau aeronautic4/17/201084FORMAREA N VIDFORMAREA N VIDTehnologie: Aezare semifabricat de fibre impregnate; Aezare material de umplere (sandwich) Folie de etanare Vidare: formare, compactare, eliminare bule Surplusul de rin absorbit de filtrul pompei Polmerizare: etuvautoclave (p l7 4/17/201085FORMAREA N VIDPolimerizare prin iradiereFORMAREA PRIN INJECTARE4/17/201086FORMAREA PRIN INJECTARETehnologie: Aezare semifabricat de fibre teute sau mpletite ntre matri i miez ; Injectare rin (poliester sau fenolic) la presiune joas Polimerizare (rece sau cald)( )INJECTARE DE PREIMPREGNATEMatrice termodurificabil4/17/201087Matrice termoplastINJECTARE DE PREIMPREGNATEINJECTARE DE SPUMObinere de poliuretan armat cu fibr de s4/17/201088INJECTARE DE SPUMObinere de poliuretan armat cu fibr de s Se preteaz i la dimensiuni mari Proprieti mecanice bune Stabilitate dimensional bun Calitate bun a suprafeelor Calitate bun a suprafeelorFORMAREA CENTRIFUGAL4/17/201089FORMAREA CENTRIFUGALi i i i Repartiie omogen a rinei Extragerea se face dup contracia rinei poliesterice Calitate bun a suprafeelorNFURAREA FILAMENTELORObinerea continu a tuburilor4/17/201090NFURAREA FILAMENTELORNFURAREA FILAMENTELORi i b i Pentru recipiente sub presiune Se realizeaz pe mandrine demontabile Ulterior nfurrii polimerizare n etuv sau autoclav Proporie ridicat de armare (p.l. 85%)4/17/201091FORMAREA PLCILORFORMAREA PROFILELORPultruziune4/17/201092FORMAREA PRIN PRESARENumai pentru matrice termoplastOrganizarea fluxului tehnologic Clagi BiledConst ruct ie modelConst ruct ie mat rit eRemedieri mat rit everificare verificareAplicare agentdecofrantAplicare gelcoatSt rat ificare De of e Decofrare Verificare Chit uire Slefuire Vopsire Pregat ire suprafat a ingelcoat .Mont ajLivrare client4/17/201093Compozite cu armare discontinu Fibre scurtel ParticuleCompozite cu armare discontinu Combinaii tipiceFib t iM t iP li i O Fibre scurte ceramice + Matrice PolimericO Fibre scurte ceramice + Matrice MetalicO Particule ceramice + Matrice Metalic4/17/201094Compozite cu armare discontinu Efectul ranforsrii (mai redus dect la fibre lungi: lungi:O Fibre scurte transfer de sarcin (redus)O Particule Blocarea dizlocaiilor (dimensiuni ct mai mici)Compozite cu armare discontinu Efectul ranforsrii (mai redus dect la fibre l i lungi:O Crete: Rm, Rp0,2, EO Scade: A, K, dilat termic, conduct. term.+ electr.4/17/201095Tehnologia de fabricarea compozitelor cu armare discontinuItinerarii tehnologice de producere Pe baza de metalurgia pulberilor ( d ll ) (PM powder metallurgy) Pe baz de topitur (IM ingot metallurgy) Metode neconvenionale (energii concentrate: laserplasm (energii concentrate: laser, plasm, fascicul de electroni etc.)4/17/201096Producerea prin PM Calitate superioar a produselor:St t i fi O Structuri fineO Proprieti superioareO Flexibilitatea compoziieiO Proporii mari de armare Costuri ridicateProducerea prin PM Pulbere metalic Pulbere ceramic Compactizare Tratament termic desinterizare Deformare plastic la cald Tratament termic final Fazele i operaiunile unui itinerariu standard Prelucrare mecanicUtilizare 4/17/201097Amestecare mecanicProblem:- Formarea de aglomerri (cluster)- Dificil amestecarea omogen datorit diferenelor de diametre ntre particuleAmestecare mecanicdD diametru particulelor metaliced diametru particulelor ceramice.Valorile limit ale raportului diametrelor D/d.hLdD/2=D/dParticipare volumic V [%] (D/d)min(D/d)max5 2,3 1710 1,7 815 1,6 520 1,5 3,425 1,5 2,430 - -n situaiile reale, cu ct este maPentru o amestecare omogen: D/dmin fragilitateCompactizarea95,00100,0070,0075,0080,0085,0090,00Densitatea relativa [%]nearmat5% SiC10% SiC60,0065,000 100 200 300 400 500 600 700Presiunea [MPa]15% SiC20% SiCVariaia gradului de compactitate a compozitului n funcie de presiunea aplicat i gradul de armare.4/17/201099Sinterizare Temperaturi similarel ( ) Durate mai lungi (umectare) Viteze de nclzire ct mai mariTratamente termice2426urata imbatrinirii [h]141618202224Grad de armare [% vol. SiC]D1012140 5 10 15 204/17/2010100Structuri rezultate5 % SiC 5 % SiC10 % SiC 10 % SiCStructuri rezultate5 % SiC 5 % SiC 10 10 % SiC % SiC115 % SiC 5 % SiC20 20 % SiC % SiC4/17/2010101Deformare la cald5% SiC 5% SiC 5% SiC 5% SiC 5% SiC 5% SiC 5% SiC 5% SiC 10% SiC 10% SiC 10% SiC 10% SiC5% SiC 5% SiC 5% SiC 5% SiCDeformare la caldEEGrade mari de deformare ; Grade mari de deformare ;EE77 %SiC %SiC== 77 I ;I ; EEDistribuie mai uniform la margine; Distribuie mai uniform la margine;EELubrifiere mai bun Lubrifiere mai bun EELubrifiere mai bun Lubrifiere mai bun4/17/2010102Producere prin pMetalurgia topiturii (IM)Procedeul DuralcanAmestecarea metalului topitProbleme:Topitura metalic nu umecteaz particulele ceramice (turaii mari) ceramice (turaii mari)Neuniformitatea distribuieiProporii mici de aliere4/17/2010103Bottom pouring incorporationncorporare prin curgere inversProcedeul MixalloyProducere in-situ de compozite cu matrice metalic4/17/2010104Pulverizare prin destindere adiabatic Injecie de particule4/17/2010105Infitrarea topituriiPiese realizate prin infiltrare4/17/2010106Infitrarea topituriiProcedeul Cray Advanced LtdInfitrarea topituriiProcedeu P-Cast4/17/2010107Instalaie P-CastInfiltrarea particulelor compactizate4/17/2010108Infiltrare cu vidProcedeul LanxideInfiltrare (spontan) + reacie in-situProducere de compozite hibride atrice metalic + particule iniiale + produi de reac4/17/2010109Squeeze - casting Aplicarea unei presiuni pe parcursul solidificrii:O Lips poriO Realizarea de perei subiriO Structuri fine (solidificarea este rapid) Variante:O Cu infiltrarea topiturii (p =10-20 MPap =100O Cu infiltrarea topiturii (p1=10-20 MPa, p2=100 MPaO Asupra unor lingouri retopiteAplicaie (Toyota): compozite cu armare hibrid (particule + fibre scProducere prin pPulverizarea topiturii4/17/2010110Pulverizarea topituriiPulverizarea pe un substrat a unor picturi compozite n stare lichid sau semilichidProcedeu OSPREY700 1000 MPa4/17/2010111Atomizare - pulverizareProcedeul LAVERNIAVariable Co-Deposition of Multiphase Materials.4/17/2010112Metalizare cu adaos compozit Folosete fire (srme compozite)Produceren stare semilichid4/17/2010113Producere n stare semilichid Peste 50% solid l d n repaus se comport ca un solid Deformat se comport ca un lichid vscos Fore mari tangeniale (amestecare bun)ncorporare n stare pstoas(slurry)4/17/2010114Procedeul MIT (1973)Ncuptor: 4 rpmNagitator: 400 rpmtamestec: 15-30 minProcedeul COMPASSCOMPASS = Consolidation Of Mixed Powders As Synthetic Slurry Amestecare n lichid: pulberi metalice + particule Uscare + presare nclzire sub presiune n stare semilichidp(uniform) njectare sub presiune n stare semilichid4/17/2010115Procedeul AMAXAgitare electromagneticn = 3000 rpm4/17/2010116Producerea n stare solid Presarea ntre table de material l ti superplastic Deformarea prin laminare a unei pulberi superplasticeProducerea n stare solid Presarea ntre table de material l ti superplastic Deformarea prin laminare a unui amestec de pulberiO 1. Pulbere superplastic (matrice)O 2. Pulbere ceramic (ranforsant)