Download pdf - Materiale Compozite

5/16/2018 Materiale Compozite - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/materiale-compozite-55ab57cb20a86 1/112

2/13/2012

1

Materiale compoziteConf. Dr. Ing. Mircea Nicoară

Departamentul Ingineria Materialelor și Fabricației Sala 111 SPM,Tel.: 403660, 0722-644975E-mail: [email protected] Web: www.eng.utt.ro./~mnicoara http://groups.yahoo.com/group/cursuri_materiale_UPT/

20:12 1

MATERIALE COMPOZITE Caracterizare Producere

Utilizare

20:12 2

mailto:[email protected]

http://www.eng.utt.ro./~mnicoara

http://groups.yahoo.com/group/cursuri_materiale_UPT/

http://groups.yahoo.com/group/cursuri_materiale_UPT/

http://www.eng.utt.ro./~mnicoara

mailto:[email protected]



2/13/2012

2

Cuprins

Introducere Definiții, caracterizare,clasificări, istoric Aplicații

Compozite armate cu fibre lungi Definiții, caracterizare Elemente de armare: tipuri, forme de prezentare,

proprietăți

Tehnologia de producere a compozitelor cu fibre lungiCompozite cu armare discontinuă Micromecanica materialelor compozite

20:12 3

MATERIALE COMPOZITE

I. Introducere

20:12 4



2/13/2012

3

Definiţii

Material compozit (în sens restrîns):Aranjament de fibre (lungi sau scurte)dintr-un material rezistent = ranforsant

Înglobate într-un material cu rezistenţă

mecanică mult mai redusă = matrice

Mai multe definiţii posibile

Se rezumă practic doar la compozite structurale

Armate cu fibre (Fiber Reinforced Composites)

20:12 5

Definiţii Materialul compozit structural este format dincomponente distincte şi separate la scarămacroscopică:

Ranforsant (element de armare) - rezistent şirigid, preia în mare parte sarcinile mecanice

Matrice - continuă, mai puţin rigidă şi rezistentă,asigură interacţiunea cu mediul (rezistenţă lacoroziune, culoare, textură, conductivitate etc.)

Uneori datorită interacţiunii chimice dintre matriceşi ranforsant poate apărea o fază intermediarănumită interfaţă sau interfază

20:12 6



2/13/2012

4

Definiţii Material compozit (în sens mai larg)

Un material care îndeplineşte simultan 3 condiţii:

1. Este multifazic

2. Fazele componente sunt distincte la nivelmacroscopic

3. Componentele aparţin unor clase diferite de materiale(metalice, ceramice, polimerice)

Este utilă pentru că include şi compozitele cuparticule sau sandwich dar comportă excepţii

20:12 7

Definiţii

Excepţie de la regula 2: Unele compozite cu matrice metalică armate cu particule

sau fibre de dimensiuni microscopice

Nanocompozite: ranforsanţii au dimensiuni nanometrice

Excepţii de la regula 3:Compozitele C-C (fibre C + matrice de C amorf)

20:12 8



2/13/2012

5

Unele dintre definiţii sunt legate de existenţa unuiefect micromecanic al combinaţiei de faze

Tranfer de sarcină la compozite cu fibre lungi

Fixarea dizlocaţiilor (dislocation pinning) lacompozite armate cu particule

Alte efecte sinergice (performanţe superioarecomponentelor folosite independent)

Definiţii

20:12 9

Transferul de sarcină

Sarcina aplicată matricei către ranforsant (care fiind mai rigid preia o mare parte din sarcină)

Presupune existenţa unei legături suficient deputernice fibră-matrice

(adeziune, existenţa unei interfeţe)

20:12 10



2/13/2012

6

Fixarea dizlocaţiilor La compozitele cu matrice metalică (MMC)

Deformaţia plastică este însoţită de deplasarea dizlocaţiilor în reţeaua cristalină a matricei metalice

Dacă deplasarea dizlocaţiilor este împiedicată, tensiuneamecanică necesară deformării este mai mare

Se produce creşterea proprietăţilor mecanice (limita decurgere, rezistenţa mecanică)

20:12 11

Fixarea dizlocaţiilor

Componente necesare:Matrice ductilă (de obicei metalică)

Particule dure de armare: faze intermetalice (durificarea structurală a aliajelor prin

îmbătrînire) particule ceramice, nanoparticule

20:12 12



2/13/2012

7

Fixarea dizlocaţiilor Limita de curgere a compozitului este dată detensiunea mecanică necesară unei dizlocaţiipentru ocolirea unei particule (Orowan)

20:12 13

Fixarea dizlocaţiilor

G – modulul transversal al materialului

b – vectorul Burgers (direcţia şi mărimea dizlocaţieidintr-o reţea cristalină)

λ – distanţa între particule

/ bG

20:12 14



2/13/2012

8

Fixarea dizlocaţiilor Limita de curgere σ

c creşte cu cît distanţa dintre

particule λ este mai mică

La aceaşi proporţie volumică de particuledistanţa dintre particule este mai mică dacăparticulele sunt mai fine

Durificarea este mai accentuată cu cît particulelesunt mai fine (de ex. Nanoparticulele)

20:12 15

Istoric

Arcuri mongole:

Zona comprimată – corn de animal Zona întinsă – lemn Lipite sau legate cu tendoane

Săbii japoneze: Lame de oțel și fier moale

20:12 16



2/13/2012

9

1939-Gordon si De Bryne: - rasina fenolica+fibre de in =GORDONAEROLITE (ca o alternativa la aliajele de Al)

1942-1943- Rasini poliesterice+fibre de sticla=materiale compozite pentru ecranele transparente aleradarelor

1966: fibre de bor; 1968: fibre de carbon; 1972: fibrearamidice; 1976: fibre polietilenice2000: 6o milioane tone compozite se produc pe globApollo-11 (75% din MC); Discovery (87% din MC !)

Istoric

20:12 17

Scopul dezvoltării compozitelor:

Combinaţie favorabilă a unor proprietăţitipice (antagonice);

Exemplu:tenacitate (ductilitate) –rezistenţă mecanică (duritate)

Îmbunătăţirea unei performanţe Exemplu:Rezistenţă mecanică specifică (Rm/ ρ) de valoare mare

Comportamentul la temperaturi ridicate Realizarea unei anumite aplicaţii

20:12 18



2/13/2012

10

Scopul dezvoltării compozitelor: Un nou concept:

PROIECTAREA materialului pentru oanumită aplicaţie

Alternativ la SELECŢIA materialului

pentru aplicaţii

20:12 19

PROIECTAREA MATERIALULUI

Materialul este configurat în funcţie de aplicaţie: Proprietăţile finale sunt influenţate de

RANFORSANT: prin natura, proporţia, poziţionare,configuraţie

MATRICE: tipul materialului, starea structurală

Piesa şi materialul sunt realizate în acelaşi timp

Engl. Material design

20:12 20



2/13/2012

11

PROIECTAREA MATERIALULUI

Puternică ANIZOTROPIE a materialului:

Proprietăţile sunt mult diferite în funcţie de direcţie

Există şi la materialele clasice Exemplu : tabla laminată, sîrma trasă etc.

Compozite cu fibre lungi: proprietăţile mecanice suntmult mai ridicate pe direcţia fibrelor

Se bazează pe anizotropia proprietăţilor

20:12 21

CLASIFICARE

Compozite cu fibre lungi sau armare continu ă (Continuously Fiber Reinforced Composites );

Compozite cu armare discontinuă Particule(Particle Reinforced Composites) Fibre scurte(Short Fiber Reinforced Composites) etc.

Stratificate sau “sandwich”;

20:12 22



2/13/2012

12

CLASIFICARE

Compozite cu fibre lungi sau armare continu ă

Unidirecţional (fibre monofilare + matrice metalică)

Multidirecţional (fibre multifilare+matrice

polimerică)

20:12 23

CLASIFICARECompozite cu fibre lungi sau armare continu ă

Unidirecţional Au STRATURILE orientate pe ACEAȘI direcție

STRATURI engl. LAMINA (pl. LAMINAE), LAYER sau PLY

Multidirecţional Au STRATURILE orientate pe direcții DIFERITE

Se numesc compozite stratificate engl. LAMINATE COMPOSITES

Dacă STRATURILE nu sunt disctincte (nu există o stratificare clară),se numesc BULK COMPOSITES – de ex. compozitele cu particule

20:12 24



2/13/2012

13

CLASIFICARE

Particule:PoliedriceSfericeDiscuri etc.

Fibre scurte:Aliniate

(anizotropie)

Nealiniate(cvasi-izotropie)(cvasi-izotropia proprietăţilor)

20:12 25

CLASIFICARE

Compozite stratificate sau “sandwich”;

20:12 26



2/13/2012

14

CLASIFICAREDupă natura materialului matricei:

Polimerică

Metalică

Ceramică

20:12 27

Au apărut ca înlocuitori ai aliajelor metaliceuşoare

Sunt de obicei armate cu fibre lungi(multifilament) sau scurte de natură: Ceramică: sticlă, carbon,Organică: aramide (KEVLAR)

Prezintă o puternică anizotropie:diferenţa de proprietăţi între matrice şi ranforsant

este pronunţată – armare multidirecţională

Compozite cu matrice polimerică

20:12 28



2/13/2012

15

Avantaje: Proprietăţi mecanice (specifice) (Rm/ρ)

Rezistente la oboseală

Disponibile în cantităţi ridicate la costuri reduse

Cunoştiinţe de proiectare şi tehnologice bune

Rezistente la produse folosite în industrie(ulei, grăsimi, lichide hidraulice, vopsele, solvenţi, petrol)

Nu corodează


20:12 29

Dezavantaje:

Instabilitatea proprietăţilor (îmbătrînesc):matricea polimerică este sensibilă la umiditate,radiaţii, fungi etc.;

Sensibilitate la temperaturi mari şi mediicorozive;

Nu preia sarcini transversale:este necesară armarea multidirecţională, ceea ceduce la complicaţii tehnologice şi măreşte costurile.


20:12 30



2/13/2012

16

Compozite cu matrice metalică MMC – Metal Matrix CompositesCreşterea proprietăţilor prin armare este mai puţinpronunţată Metale uşoare (Al, Mg, Ti) armate cu particule sau fibre scurte de natură ceramică: bor,carbură de siliciu (SiC), carbură de bor

(B4C), alumină Al2O3 Titan armat cu fibre lungi de diametre mai mari,de natură ceramică

20:12 31

Compozite cu matrice metalică

Ti-5Al-5V/80vol%SiC (fibre monofilament)

20:12 32



2/13/2012

17

Avantaje: Proprietăţi superioare la temperaturi ridicate;

Rezistenţă la solicitări transversale pe direcţia fibrelorEste posibilă armarea unidirecţională

Rezistenţă bună la coroziune şi stabilitate fizică aproprietăţilor

Avantaje tehnologice – procesare similară cumateriale clasice (turnare, deformare, aşchiere, sudare)

Posibilitatea aplicării tratamentelor termice, pentrumodificarea proprietăţilor matricei


20:12 33

Dezavantaje:

Costuri ridicateUtilaje complicate (de natură tehnologică); Cost ridicat al materiilor prime (mai ales la fibre lungi)

Dificultăţi tehnologice de producere (înglobare, infiltrare, aliniere)

Experienţă practică limitată Este dificilă impunerea pe piaţă a unei noi clase de materiale:costuri iniţiale mari, conservatorism în ceea ce priveşte concepţia


20:12 34



2/13/2012

18

Dezvoltarea lor este incipientă

Obiectiv principal: reducerea fragilităţii

Rezistenţa mecanică şi rigiditatea nu se modificăsemnificativ;

Compozite cu matrice ceramică

20:12 35

Matrice: oxizi, carburi, nitruri

Ranforsanţi: Whiskers – fibre scurte, monocristaline SiC,Al2O3, Si3N4 etc.(diam.~1 µm sau mai puţin, lung. 200-300 µm)

Fibre lungi monofilament – ceramica devineflexibilă:


20:12 36



2/13/2012

19

Avantaje: Proprietăţi superioare la temperaturi foarte ridicate; Rezistenţă foarte ridicată la coroziune şi stabilitatefoarte bună a proprietăţilor;

Dezavantaje: Costuri; Dificultăţi tehnologice de producere

(metalurgia pulberilor, depunere în vid, reacţiichimice); Insuficiente cunoştiinţe teoretice;


20:12 37

CLASIFICARE

După tipul procedeului de fabricare

Artificiale - (cu înglobare);

“In-situ” – prin transformări chimice saustructurale în însăşi intimitateamaterialului

20:12 38



2/13/2012

20

CLASIFICAREExemple de compozite produse“In-situ”:

oxidare sau nitrurare internă a unei topiturimetalice (insuflare de gaz: aer, azot,

oxigen)

solidificare dirijată a unui eutectic

20:12 39

Aplicațiile

Materialelor compozite

20:12 40



2/13/2012

21

MATERIALE COMPOZITEAplicaţii:

•Structurale

•Funcţionale

20:12 41

MATERIALE COMPOZITE

Aplicaţii:

Electronică, Electrotehnică

•Suporţi pentru plăcii de circuite imprimate •Dulapuri, cofrete•Antene•Căi pentru cabluri •Radiatoare termice

20:12 42



2/13/2012

22


Construcţii, lucrări publice

•Cosuri, tubulatură •Cofraje pentru betoane•Piscine•Panouri pentru faţade, profile •Obiecte sanitare

20:12 43

MATERIALE COMPOZITE

Aplicaţii:

Transport rutier

•Componente de caroserie•Arbori de transmisie, blocuri motoare, biele•Rezervoare de carburant•Profile de rezistenţă, suspensii •Cisterne, incinte izoterme

20:12 44



2/13/2012

23

MATERIALE COMPOZITE

Aplicaţii:Transport rutier

Fuel tank

Fuel lines

Mirror housing

Door handles

20:12 45

MATERIALE COMPOZITEAplicaţii: Transport rutier

20:12 46



2/13/2012

24


Transport feroviar

•Piese de transmisie•Caroserii de vagoane•Uşi, panouri interioare

•Căi de ventilaţie

20:12 47

MATERIALE COMPOZITE

Aplicaţii:

Transport maritim

•Hovercrafts•Ambarcaţiuni uşoare, sportive, şalupe (coca)

20:12 48



2/13/2012

25


Transport aerian

•Avioane ultrauşoare •Planoare

•Componente de avioane mari: borduri, derivoare•Palete de helicopter•Discuri de frîne, echipamente de rulare, arbori•Diuze pentru motoare

20:12 49

MATERIALE COMPOZITE

Aplicaţii:

Mecanică generală

•Angrenaje (roţi, arbori, axe) •Cuzineţi •Braţe de roboţi •Profile portante (platforme off-shore)•Incinte sub presiune

20:12 50

http://e/Backups/Prezentari_2004/Internet/INTERNET%202/Google%20Rezultate%20in%20imagini%20pentru%20www_propulsair_com-images-photos-helices-HR-elice_Propulsair_jpg_files/imgres_files/elice_Propulsair.jpg



2/13/2012

26

51

MATERIALE COMPOZITE

Aviație militară Structura sandwich pentru tehnologia

STEALTH43% din structura lui F-11165% din structura F-22 RAPTOR

71% din structura B-2

Aplicaţii:

20:12

52

MATERIALE COMPOZITE

Industria armamentuluiBlindaj reactiv de tipul compozitelor

stratificate (sandwich)

Aplicaţii:

Cutii pentru echipamente

sensibile: subacvatice, antisoc20:12



2/13/2012

27


Sport şi recreere

•Rachete de tenis•Beţe de pescuit •Schiuri•Trambuline

•Arcuri•Căşti de protecţie •Cadre de bicicletă •Crose de golf •Planşe pentru surf 20:12 53

Produse diverse“Entertaintment industry”

reception desk

panouri decorative,scaune

MATERIALE COMPOZITE

Elemente desemnalizare rutieră

20:12 54



2/13/2012

28

Aplicaţii biomedicale Concept de dezvoltare:

Ameliorarea proprietăţilor materialelor clasice : Metalice Polimerice Ceramice

Sinergie pentru crearea de materiale mai

performate

20:12 55

Aplicaţii biomedicale

Concept:“Proiectarea” de materiale cu anumite proprietăţi

relative la mediul biologicInerteBioactive – interfațălegătură între material șițesutResorbabile

Rezistenţă / Rigiditate similare materialelornaturale – compatibilitate biomecanică

(cf. legii lui Wolff -„„Wolff‟s Law‟‟)20:50 56



2/13/2012

29

Aplicaţii biomedicale „„Wolff‟s Law‟‟:La modificarea tensiunilor și deformațiilor osul se

remodelează astfel ca tensiunea să se mențină laanumite valori

Consecință:În cazul implanturilor mai rigide , osul este supus unor

sarcini mai reduse

are loc resorbireaSunt preferabile implanturile cu rigiditate similară cu aosului

20:55 57


Materialele metalice biocompatibileAliaje Co –Cr

Oţeluri inoxidabile Aliaje de titan

Eliberează ioni şi produse de coroziune

Pentru creşterea biocompatibilităţii : se cuplează cumaterialele ceramice

20:12 58



2/13/2012

30


Polietilenă (PE) Polipropilenă (PP) Poliuretan (PU)Poli-Tetra-Fluoro-Etilenă (PTFE) Poli-Vinil-Clorid (PVC)Poliamide (PA),Poli-Metil Metacrilat (PMMA),Poliacetal

Policarbonat (PC),Poli-Etilen-Tereftalat (PET)Poli-Eter-Eter-Ketonă (PEEK)Polisulfonă (PSU)

Materialele polimerice biocompatibile - de tip biostabil

Ranforsate pentru creşterea proprietăţilor mecanice: fibre, particule

20:35 59


Poli (lactic acid) (PLA)Poli (glicolic acid) (PGA)Poli (e-caprolactonă) (PCL)Poli-hidroxi-butirat (PHB)

Materialele polimerice biocompatibile - de tip biodegradabil

Producerea de “schelete” (scaffolds ) bio-resorbabile pemăsura regenerării țesuturilor

Ranforsate pentru creşterea proprietăţilor mecanice: fibre, particule

20:39 60



2/13/2012

31


Biocompatibilitate foarte bună -conţin: Ioni prezenţi în medii fiziologice:Ca 2+, K+, Mg 2+, Na + etc. Ioni cu toxicitate redusă Al 3+, Ti 2+

Dintre cele mai folosite pentru legăturăputernică cu ţesuturile biologice (bioactive): alumina, zirconia – fragile

hidroxiapatita HA (bioactivă) – Ca10(PO4)6(OH)2 şi

TCP (tricalcium phosphate – bioresorbabil ) -Ca3(PO4)2 au rezistenţe

mecanice reduse

Ceramice biocompatibile (bioceramicele)

Inconvenient major - tenacitate redusă

Folosite mai ales ca ranforsanți : fibre, particule

20:12 61

Factori care influențeazăperformanțele compozitelor bioactive

Compozite de uz:

general – primează proprietățile mecanice biomedical - primează biocompatibilitatea

21:26 62

Mai multe componentecrește probabilitatea reacților adverse cel puțin 1 trebuie să fie bioactiv



2/13/2012

32

Aplicaţii biomedicale S-au dezvoltat cîteva clase de compoziteDpdv al matricei folosite:

Compozite cu matrice polimerică:Ex: PEEK/Cf (fibre), HDPE/ HAp (particule)

Compozite cu matrice metalică:

Ex: Ti/HAp, Ti –6Al –4V/HAp.

Compozite cu matrice ceramică:Ex: HA/ol.inoxf, HA/sticlăf

20:12 63

Aplicaţii biomedicale Dpdv al bioactivităţii :

Compozite BIOINERTE Ex: carbon/Cf, PEEK/Cf

Compozite BIOACTIVE Ex: Bioglass/ol.inoxf, HA/sticlăf, HDPE/HAp, Ti –6Al –4V/HAp.

Compozite BIORESORBABILE Folosesc matrici din polimeri biodegradabili:

Acid polilactic (PLA=polylactic acid) Acid poliglicolic (PGA=polyglycolic acid) Policaprolactona (PCL=poly e-caprolactone)

Polihidroxibutirat (PHB=polyhydroxybutyrate)

Ex: PLA/TCP, PHB/TCP(tricalcium phosphate)20:12 64



3/29/2012

1

MATERIALE COMPOZITEARMATE CU FIBRE LUNGI

COMPOZITE CU ARMARE CONTINUĂ

13:18 65

MATERIALE COMPOZITEARMATE CU FIBRE LUNGI

Ranforsanţii străbat întreaga lungime sauo porţiune importantă a piesei

13:18 66



3/29/2012

2

MATERIALE COMPOZITE

ARMATE CU FIBRE LUNGI

Laminat unidirecţional Anizotropic

Laminat multidirecţional Cvasi –izotropic

13:18 67

Efectul fibrelor şi matriceiproprietăţilor

Tip compozitSolicitarea

mecanică Component

dominant

Unidirecţional

Tracţiune 0° Fibre

Compresiune 0° Fibre / MatriceForfecare MatriceTracţiune 90° Matrice

Multidirecţional

Tracţiune FibreCompresiune Fibre / MatriceForfecare în

planFibre

Forfecare între

straturi

Matrice13:18 68



3/29/2012

3

Diagrama de orientare a fibrelor

Fibre în direcţiile 0°, 90°, +45°, -45°

Zona preferenţială 0°: 15-50%,

90°: 10-40%,±45°: 25-75%

Zona anizotropă 0°: 25%,

90°: 25%,±45°: 50%

13:18 69

FIBRE LUNGIForme de prezentare

• Fibre monofilament (pentru compozite cu matrice

metalică) • Roving (mănunchiuri de fibre) • Mat• Prepreg• Pînze ţesute (wowen fabric) (2D, 3D) • Fibre împletite (knitted fabric)• Fibre cusute (stitched fibers)

13:18 70



3/29/2012

4

FIBRE LUNGI -

Terminologie

Fibră (Fiber ) o entitate de materialavînd una dintre dimensiuni mult maimare decît celelalte.

Se defineşte un raport l/d de obicei mai

mare de 100

13:18 71

FIBRE LUNGI -Terminologie

Filament (filament) cea mai micăunitate de material fibros.La fibrele monofilament este sinonim cu

fibra

13:18 72



3/29/2012

5

FIBRE LUNGI -

TerminologieMănunchi

engl. strand – pentru fibre de sticlă engl. tow - pentru fibre de carbon)

un număr de fibre grupate cu axele paralelede obicei nerăsucite

13:18 73


Mat

Produs format dinfibre scurte saufibre lungi,

orientate sau nu,menţinute împreună sub formă de pînză,

prin formă sau

cu ajutorul unui adeziv13:18 74



3/29/2012

6

FIBRE LUNGI -

Terminologie

Mat din fibre de sticlă 13:18 75


Roving (stratifil)

meşă sau mănunchi îngust şi lung de

fibre, care este de regulă tras sub formăde benzi cu fibre paralele; de obicei sefoloseşte pentru: Ţesere Pultruziune (asemănătoare extrudării)

Realizarea prin tăiere a fibrelor scurte Înfăşurare (fillament winding)

13:18 76



3/29/2012

7

FIBRE LUNGI -

Terminologie

Roving (stratifil)13:18 77

ROVINGSemifabricate sub formă de mănunchiuri de fibre tow,

strand (de obicei nerăsucite) • Diametrul fibrei 5- 30 μm

•Pînă la 1000 de fibre în mănunchi Avantaje:• Sunt de obicei cele mai ieftine

Dezavantaj:• Prezintă dificultăţi în utilizare(realizarea poziţionării în timpul producerii compozitului)

13:18 78



3/29/2012

8

ROVING

Folosite la producerea prin: pultruziune înfăşurare (fillament winding)

În ultimul timp au apărut mănunchiuripreimpregnate pregtow

13:18 79

PREPREG folii subţiri de fibre

uniaxiale poziţionate paralel una faţă de cealaltă

biaxiale sub formă de ţesătură

preimpregnate cu polimerul folosit ca matrice.

se livrează în benzi continue de pînă la 2 m lăţime

De obicei pentru rășinitermodurificabile – recent și

termoplaste

13:18 80



3/29/2012

9

PREPREG

Flexibilitate: Geometria semifabricatului poate fi uşor configurată Determinarea grosimii se poate face prin adăugarea sau îndepărtarea de straturi Proporţii volumice de fibre Vf de pînă la 0,6 – 0,65 (la celeuniaxiale)

Se pretează la croirea computerizată (rapiditate, reduceredeşeuri)

Avantaje:

13:18 81

PREPREG

Limitări şi dezavantaje:

Uniaxiale:

pot fi aşezate doar pe suprafeţe cu curburi simple(eventual tăiate în benzi înguste)

Biaxiale:

se pot manevra mai uşor dar pot fi modelate maigreu datorită grosimii mai mari Vf p.l. 0,55

13:18 82



3/29/2012

10

PREPREG

Fiind livrate cu polimerul nepolimerizat saudoar parţial polimerizat

au o durabilitate limitată: presupune depozitarea la temperature scăzute

şi protejarea cu folii de material plastic

Costuri mai mari legate depreimpregnare, păstrare şi manevrare

Limitări şi dezavantaje:

13:18 83

PREPREG

Utilizare

Pentru formarea compozitelor

în forme unilaterale sub vid

uneori pentru presarea în matriţe bilaterale

13:18 84



3/29/2012

11

Materiale textileSuprafețe textile = fabric Țesute (woven) Împletite (braided) Tricotate (knitted) Cusute (stitched)

13:18 85

PÎNZE ŢESUTE

Engl. woven fabric

nu se deşiră atunci cînd sunt manevrate sunt indicate pentru suprafeţe mari

Avantaj

Dezavantaj

Datorită fibrele sunt deplasate de la direcţiile rectilinii planeitate redusă micromecanică mai puţin favorabilă

13:18 86



3/29/2012

12

PÎNZE ŢESUTE

Război de ţesut 13:18 87

PÎNZE ŢESUTE

Compoziţii disponibile de fibre

Densităţi de suprafaţă 100 - 4500 g/m2

Grosime de 0,1–5,0 mm

Sticlă Aramide Carbon

HibridePentru fiecare strat

13:18 88



3/29/2012

13

PÎNZE ŢESUTE

Diferite tipuri de ţesături

Densităţi de suprafaţă 100 - 4500 g/m2

Grosime de 0,1–5,0 mm

Simplă (Plain) Twill (Sergée) Satin

Pentru fiecare strat

13:18 89

PÎNZE ŢESUTE

Simplă (Plain)

Urzeală (warp)

B ă t ă t ur ă

( w ef t )

Cea mai rezistentă lamanevrare Cea mai puţin plană Cele mai mari curburi alefibrelor Proprietăţile mecanicecele mai reduse

fiecare fir de bătătură trece alternativ• peste 1 fir de urzeală• apoi sub 1 alt fir

13:18 90



3/29/2012

14

PÎNZE ŢESUTE

Twill (Sergée)

Urzeală

B ă t ă

t ur ă

Curburi mai reduseale fibrelor Planeitate mai bună Proprietăţile mecanicemai bune

fiecare fir de bătătură trece alternativ• peste 2 fire de urzeală• apoi sub alte 2 fire

13:18 91

PÎNZE ŢESUTE

Satin

Urzeală

B ă t ă t ur ă

Cele mai redusecurburi ale fibrelor Planeitatea cea maibună Proprietăţile mecanicecele mai bune Se destramă mai uşor

fiecare fir de bătătură trece alternativ• pe dedesubtul a 3 fire de urzeală(satin de 4) sau a 7 (satin de 8)• apoi deasupra a 1 fir

13:18 92



3/29/2012

15

Fibre ŢESUTE

tridimensional

13:18 93

Fibre ŢESUTE tridimensional

Rotor de turbină 13:18 94



3/29/2012

16

Fibre tricotate

Tricotarea este realizată prin împletirea înochiuri a unor mănunchiuri de fibre

(engl. knitted fabric)

13:18 95

Fibre tricotate

Ramă pentru geam (aeronautică)

Tricotaj multistrat

13:18 96



3/29/2012

17

Fibre împletiteEngl. braided

Încrucișarea a 3 sau mai multemănunchiuri pentru a produce unranforsaj tubular cu fibre la ±45° față deaxa principală a tubului

13:18 97

Fibre cusute (stitched)

13:18 98



3/29/2012

18

Fibre de armare

Cele mai uzuale Sticlă

Aramide

Carbon

Polietilenă Ceramice: B, B-SiC, Al2O3, SiC, B4C, AlN etc.

13:18 99

Principii ale utilizării fibrelor

Teoria ruperii a lui Alan Griffith (1920)

A studiat rezistența tijelor și fibrelor de sticlă Cînd diametrul scade ~10 µm → Rm↑↑

Există Rcritic pentru propagarea unei fisuriPentru fisuri mici Rcritic ↑↑ Fibrele subțiri vor avea fisuri mai mici Scade probabilitatea de producere a unuidefect

13:18 100



3/29/2012

19

Proprietăţile compozitelor armate cu fibre

13:18 101

Proprietăţi comparative Fibre uzuale

13:18 102



3/29/2012

20

Principalele tipuri de fibrecarbonsticlă aramide ex. Kevlar, Twaron

polietilenă ex. Dyneema, Spectra

Ceramice: B, B-SiC, Al2O3, SiC, B4C, AlN etc.naturale in, cînepă, iută, kenaf (Hibiscus cannabinus ),

sisal (Agave sisalana )13:18 103

COMPOZIŢIE 50-60 % SiO2 + oxizi (Al2O3, B2O3, CaO, MgO etc.)

FIBRE ANORGANICE

Fibre de sticlă

PROPRIETĂŢI • Amorfe• Izotrope

13:18 104



3/29/2012

21

FIBRE ANORGANICE

Fibre de sticlă

Producere: topire + ejectarea topiturii

Diametru: pînă la 10 µm

Tipuri: •Tip E (Electrical glass)•Tip C (Chemical glass) şi E-CR (Electrical-Corrosion Resistent glass)•Tip AR (Alkali Resistent glass)

•Tip S (Strength glass)•Tip R•Tip T (“Texxes”)

13:18 105

FIBRE ANORGANICE

Fibre de sticlă

•Tip E (Electrical glass)

•Uşor de produs •Cost redus•Proprietăţi mecanice bune

•Sensibile în medii acide sau alcaline

13:18 106



3/29/2012

22

FIBRE ANORGANICE

Fibre de sticlă

Tip C (Chemical glass) şiE-CR (Electrical-Corrosion Resistent glass)

•Rezistente în medii acide•Proprietăţi comparabile cu E glass

•Preţ mai ridicat

13:18 107

FIBRE ANORGANICE

Fibre de sticlă

Tip AR (Alkali Resistent glass)

•Rezistente în medii alcaline•Înlocuitoare ale fibrelor de azbest

•Producere mai dificilă (ZrO2)•Preţ mai ridicat

13:18 108



3/29/2012

23

FIBRE ANORGANICE

Fibre de sticlă

•Rm şi E mai ridicate (industria aeronautică) •Stabilitate termică a proprietăţilor mecanice

•Producere mai dificilă (dificultăţi de tragere) •Preţ mai ridicat

Tip S (Strength glass)

13:18 109

FIBRE ANORGANICE

Fibre de sticlă

Tip R – varietate a sticlei S

•Rm şi E mai ridicate (industria aeronautică) •Stabilitate termică a proprietăţilor mecanice

•Producere mai dificilă (dificultăţi de tragere) •Preţ mai ridicat

13:18 110



3/29/2012

24

EC

ARS

R

Rm/ro

Rm

2200 2400

1700

3900

3100

866 960

630

1566

1245

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

FIBRE ANORGANICE

Fibre de sticlă

13:18 111

Efectul oxizilorOxid % in E-glass % în S-glass Efect asupra Proprietăților

SiO2 54 65 Dilatație termică foarte redusă

Na2O urme urme Dilatație termică ridicată, sensibilitate la umiditate

K 2O - - Dilatație termică ridicată, sensibilitate la umiditate

Li2O - - Dilatație termică ridicată, sensibilitate la umiditate

CaO 17.5 urme Rezistență la apă, acizi, alcalii

MgO 4.5 10 Rezistență la apă, acizi, alcalii

B2O3 8.0 urme Dilatație termică redusă

Al2O3 14 25 Stabilitate chimică îmbunătățită

Fe2O3 urme urme Colorare în verde

ZnO - - Stabilitate chimică

PbO - - Densitate și strălucire crescute (transmiterea luminii)și dilatație termică ridicată

BaO - - Densitate ridicată și stabilitate chimică îmbunătățită

TiO2 Stabilitate chimică îmbunătățită, mai ales la alcalii



3/29/2012

25

FIBRE ANORGANICE

Fibre de sticlă

DEZAVANTAJ IMPORTANT:tendinţă de distrugere sub influenţa mediului

Distrugere prin abraziune (frecare): lustruire chimică Coroziune în medii apoase (adîncirea defectelor superficiale)

Coroziunea sub tensiune (efect cumulattensiune + mediu = creştere fisuri) Reducerea Rm în funcţie de temperatură şi durată de menţinere

13:18 113

FIBRE ANORGANICE

Fibre de sticlă

Măsuri de protecţie: acoperire (“size”)

Şi alte efecte funcţionale: • Legarea fibrelor între ele• Lubrifiere• Îmbunătăţirea legăturii cu matricea • Proprietăţi antistatice

13:18 114



3/29/2012

26

Probleme legate de utilizareManevrarea poate produce distrugeri Sare – dizlocuirea unor ioni de legătură Ulei, grăsime – împiedică aderența

Reguli de securitate Fibrele comerciale NU trebuie să fie

respirabile (diametru > 5 μm)

13:18 115

FIBRE ANORGANICE

Fibre de cuarţ

COMPOZIŢIE: 99,99 % SiO2; Diametru 7-14 µm

PROPRIETĂŢI • Stabilitate termică a proprietăţilor: 1050ºC (1250 ºC )• Rezistenţă la oxidare şi agenţi chimici; • Rezistenţă şoc termic • Rezistenţă la radiaţii • Duritate mare• Stabilitate dimensională • Densitate redusă (2,2 g/cm3)

13:18 116



3/29/2012

27

FIBRE ANORGANICE

Fibre de cuarţ

•Preţ ridicat: industria aeronautică, centrale nucleare etc.

13:18 117

COMPOZIŢIE: >90 % C

Diametru 7-10 µm

Proprietăţi mecanice ridicate Stabilitate fizico-chimică (termică, în absenţa oxigenului) Coeficient de dilatare termică redus

Fibre de carbon

13:18 118



3/29/2012

28

Fibre de carbonClasificareCa geometrie:Lungi (continue) sau scurte

Ca structură Cristaline, amorfe, parţial cristaline

13:18 119

STRUCTURĂ: •Cristalite mici de grafit turbostratic

•Legături: covalente + van der Waals Caracter

anizotropic

FIBRE ANORGANICE

Fibre de carbon

13:18 120



3/29/2012

29

FIBRE ANORGANICEFibre de carbon

Reţeaua grafitului

Proprietăţi mecanice ridicate (direcţia fibrei)

P r o pr i e t ă ţ i m e c a ni c e r e d u s e

( p e r p e n d i c ul a r

p e f i b r ă )

13:18 121

FIBRE ANORGANICE

Fibre de carbon

Proprietăţi ridicate Alinierea cu planele bazale

Anizotropie ridicată

13:18 122



3/29/2012

30

FIBRE ANORGANICE

Fibre de carbonÎn funcţie 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 ridicată

13:18 123

FIBRE ANORGANICE

Fibre de carbon

E (relativ) ρ preţ relativRmA relativ

Exemplu pentru E [GPa]:• HM: axial 380; radial 12• HS: axial 230; radial 20

13:18 124



3/29/2012

31

FIBRE ANORGANICE

Fibre de carbon – tip PAN

Operaţiunile de producere

1. Precursorul este nepolimerizat (termorigid)2. Tragere în fire (wet spinning)3. Oxidarea (pentru stabilizare)

• Rearanjare moleculară • Obţinere OxiPAN

4. Carbonizare – eliminare H2O şi HCN

3. Grafitizarea (2500ºC)

(HS, VHS, IM)

(HM, UHS)

13:18 125

FIBRE ANORGANICE

Fibre de carbon – tip PANTipul de fibră în funcţie de temperatura de grafitizare

0

50

100

150

200

250

300

350

1200 1600 2000 2400 2800

Temperatura de grafitizare [°C]

R m [

G P a ]

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

E [ G P a ]

E

RmHMHM

13:18 126



3/29/2012

32

FIBRE ANORGANICE

Fibre de carbon – tip PITCH


1. Preparare gudron (izotropic – anizotropic)2. Polimerizare (350ºC) – mezofază (lichid + solid) 3. Extrudare (sub formă de fibre)

4. Oxidare5. Carbonizare – (2000ºC)6. Grafitizarea – (2900ºC)

Materie primă: gudron (smoală)

13:18 127

FIBRE ANORGANICE

Fibre de carbon – din gaze

Se produc la contactul dintre un gaz cu conţinut de carbon: Acetilenă C 2 H

2

, etan CH 3

-CH 3

, metan CH 4

, gaz natural, benzen C 6 H 6 + H2 se realizează un amestec (CO/CO2 /H2; C2H2) contact cu particule de metal catalizator :Fe, Ni, Cu, Pa etc (10 nm).

Particulele aşezate pe un suport ceramicinert faţă de metal (MgO, SiO2)

H2 + CO → H20 + C↓ Reacţia de depunere catalitică C2H2 → H2 + 2C↓

13:18 128



3/29/2012

33

FIBRE ANORGANICE

Fibre de carbon – din gaze

Particulă de metal catalizator

Creşterea filamentului

Filament

Fibră

Gaz

carbonic

Creştere

catalitică

Depunere din vapori

(necatalitică)

Gaz

carbonic

Gaz

carbonic

Gaz carbonic

13:18 129

Producerea fibrelor(nanofibrelor)

prin depunere dinvapori

Materie primă:

Hidrocarburi gazoase

(CH4; C6H6; C2H2)

în prezenţa unuicatalizator metalic

Fe, Ni, Co

13:18 130



3/29/2012

34

Fibre de carbon: caracteristici E A Conductoare electriceCoeficient longitudinal de dilatație termică

ușor negativ Efectul crește odată cu creșterea modulului

FIBRE ANORGANICE

Fibre de carbon – armare pentru compozite Matrice polimerică : producere facilă, temperaturi scăzute deprocesare

o Răşini termodurificabile: epoxidice, fenolice (200°C)o Răşini termoplaste:

o polimide (PI),o polietersulfone (PES),o polietereterketone (PEEK),oPolieterimide (PEI),oPolifenil sulfide (PPS) (300 - 400°C.

o Tratamente superficiale pentru îmbunătăţirea legăturii cumatricea: oxidare (gaze, soluţii, procedee elecrochimice, plasmăetc.) acoperiri, agenţi de umectare

13:18 132



3/29/2012

35

FIBRE ANORGANICEFibre de carbon – armare pentru compozite

Matrice ceramică

(beton, gips, MgO, A12O3, SiC, Si3N4, ZrO2):o Pot conferi conductivitate electrică sau termică o Reduc dilataţia termică o Îmbunătăţesc tenacitatea (tendinţă de smulgere la deformaţie

plastică) o Împiedică interferenţa electromagnetică (RFI, EMI)

13:18 133

FIBRE ANORGANICE

Fibre de carbon – armare pentru compozite

-Matrice metalică:

o Potenţial catodic mai mare decît orice metal, care devine anod şi

formează astfel cu fibra de grafit un cuplu galvanic care duce laoxidarea metalului.o Pentru compozite cu matrice metalică se procedează laacoperirea fibrelor.o Se reduce mult dilataţia termică o De obicei o preformă de fibre cu liant polimeric o Îmbunătăţirea umectării , evitarea reacţiei cu metalul prinacoperiri placare cu Ni, Cu, Ag se produc compuşi intermetalicifragili, acoperire cu pelicule ceramice TiC, SiC, B4C, TiB2, TiN,K2ZrF6, ZrO, acoperire cu carbon amorf

13:18 134



3/29/2012

36

FIBRE ANORGANICE

Fibre de carbon – armare pentru compozite

Matrice de carbon:

o Creşterea rezistenţei mecanice, fibrele avînd textură şi proprietăţi mecanice mult mai mari o Tenacitate: desprinderea fibrelor produce absorbţia 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, răşini siliconice

13:18 135

Fibre de carbon(structură)

Thornel P-100

13:18 136



3/29/2012

37

FIBRE ANORGANICE

Fibre de bor

CVD (Chemical Vapor Deposition: 2BCl3 + 3H2 2B + 6HCl

Depunere în vid

13:18 137

FIBRE ANORGANICE

Fibre de bor


1. Depunere CVD2. Recoacere3. Tratament superficial (chimic)4. Acoperire SiC ( Borsic) la MMC

Proprietăţi superioare, densitate scăzută, cost ridicat

13:18 138



3/29/2012

38

FIBRE ANORGANICE

Fibre din carbură de siliciu

Proprietăţi superioare, cost ridicat – mai ales pentru MMC

Obţinere: prin CVD din precursori (similar cu C) – 10-15 µm creşterea de monocristale (whiskers) –

proprietăţi excepţionale– 0,1 – 0,5 µm

13:18 139

FIBRE ANORGANICE

Fibre din carbură de siliciu

CVD – pe miez de W (reacţie la 900ºC) sau CCH3 + SiCl3 SiC + 3HCl

Acoperire finală cu C

13:18 140



3/29/2012

39

FIBRE ANORGANICE

Fibre din alumină

Proprietăţi ridicate Stabilitate termică pînă la 1300ºC Industria aerospaţială

Izolatori

FragilitateCost ridicat

PolicristalineÎn amestec cu SiO2

13:18 141

FIBRE ANORGANICE

Fibre metalice

Metale: Ti, W, Mo, Al, aliaje – diametru 10 – 150 µm

Utilizare restrînsă: densitate mare;eventual combinaţie cu C sau sticlă

13:18 142



3/29/2012

40

FIBRE ANORGANICE

Fibre monocristaline

Proprietăţi excepţionale: • Rm ridicată • Densitate redusă • Stabilitate termică • Rezistenţă la coroziune • Costuri f. mari

Diametru: 1 – 10 µmLungime: 10 – 300 µm

Tipuri: Grafit, Al2O3, SiC, Si3N4, AlN, BeO, Fe, Si – realizate prin “creştere”

13:18 143

FIBRE ORGANICE

ARAMIDELE

POLIETILENA

(ARomatic poliAMIDE)

• KEVLAR – Du Pont• TWARON – Akzo• TECHNORA – Teijin

• SPECTRA – Allied Signal• DYNEEMA – Dutch State Mines DSM

13:18 144



3/29/2012

41

ARAMIDELE

Legături:

În lanţurile moleculare paralele cu axa fibrei

În lanţurile moleculare perpendiculare cu axa fibrei

13:18 145

ARAMIDELE

Caracteristici

• ρ • E• Rm • T > 100ºC• K

•Prelucrabilitate

•Rm (compresiune)

•Higroscopice

•UV

Comportare bună la încovoiere Dilatație termică negativă → piese fară dilatație termică

13:18 146



3/29/2012

42

ARAMIDELEMeta-Aramide (m-Aramide)

• Rm↑ 5x față de p-Aramide

Para-Aramide (p-Aramide)

• A↑ 13x față de m-Aramide

13:18 147

POLIETILENA

Caracteristici (similare aramidelor la densități mai mici)

• ρ • Rm • E• K

Legătură covalentă între atomii de carbon

• T < 100ºC

Foarte înaltă densitate moleculară - UHMWPE

13:18 148

Denumiri comercialeDyneema (DSM)Spectra (Allied Corporation)



3/29/2012

43

Comparație fibre Densitate [g/cm3] aramidă (1.44) < carbon (1.6-1.8) < sticlă (2.56)

Rigiditatea fibrei standard sticlă (70 GPa) < aramidă (140 GPa) < carbon

(210 GPa)

Tenacitate carbon (fragile) < sticlă < aramidă (tenace)

FIBRE NATURALE

•Inul•Cînepa•Bumbacul•Iuta•Mătasea •Lemnul

Proprietăţimecanicemodeste

VEGETALE

•Lînă

ANIMALE

13:18 150



3/29/2012

44

• Azbestul

MINERALE

FIBRE NATURALE

Cancerigen

Proprietăţiridicate

13:18 151

Densitatea fibrelorTulpină Frunze Semințe Animal Sintetic

C a r b o n

A r a mi d

e

S t i c l ă

M ă t a s e

C o c o s

B um b a

c

S i s a l

A n a n a s

I u t ă

C î n e p ă

I n

1500kg/m3



3/29/2012

45

Rigiditatea fibrelor (E)

C a r b o n

A r a mi d e

S t i c l ă

M ă t a s e

C o c o s

B um b a c

S i s a l

A n a n a s

I u t ă

C î n e p ă

I n

Tulpină

Frunze

Animal

Sintetic100 GPa

Rezistența fibrelor

1 GPa

Tulpină

Frunze

Semințe

Animal

Sintetic

3 GP

a

2 GPa

C a r b o

n

A r a mi d

ă

S t i c

l ă

M ă t a s

e

C o c o

s .

B um b a c

S i s

a l

A n a n a s

I u t ă

C î n e p

ă I n



3/29/2012

46

Rigiditate și rezistență specifică

E sau Rm/densitate i.e. (MN/m2)/(kg/m3) = MN.m/kg

Modul Rezistență

In 65.8 0.55

Cînepă 46.1 0.61

Iută 39.5 0.57

Sticlă 27.8 1.33

Aramidă 86.1 1.92

Carbon 109.9 1.40

Aluminiu 25.5

Avantajele fibrelor naturale“producția de fibre naturale necesită maipuțin de 10 % din energia necesară pentru

producerea de fibre sintetice (aprox. 90GJ/tonă)”, dar.....

JEG van Dam and HL Bos,Consultation on natural fibres:

the environmental impact of hard fibres and jute in non-textile industrial applications ESC-Fibres Consultation no 04/4, Rome, 15-16 December 2004.

http://www.fao.org/es/esc/common/ecg/51423_en_esc_4.pdf









3/29/2012

47

Avantajele fibrelor naturale

..... aceste cifre sunt valabile doar pentrucultivarea iutei (în afara de culegere,topire, decorticare) în ferme mici pebază de muncă manuală și forțăanimală, fără mașini și chimicale

Probleme de mediuEpuizarea nutrienților din sol/fertilizare

Competiție din partea buruienilor /ierbicideCompetiție din partea insectelor /pesticide

Probleme economiceSubvenții agricoleDependența de vreme Influența pieței / efecte asupra altor domenii

Avantajele fibrelor naturale



3/29/2012

48

Avantajele fibrelor naturaleTehnologia inului:aratsemănat pesticide (de 2x) îngrășăminte N îngrășăminte P/Kierbicide (de 2x)

recoltareCît combustibil se consumă pentru operațiunile de

mecanizare și cîtă energie pentru substanțeleaplicate?

Elemente de armare

avansate din carbon

13:18 160



3/29/2012

49

Carbon

Carbonul există în mai multe forme alotropice:

Diamant – fiecareatom este legat de alţi 4atomi într-o configuraţie de tetraedru, formînd oreţea 3D

Grafit – fiecare atomste legat de alţi 3 într-oconfiguraţie triunghiulară formînd oreţea 2D

Fullerene(buckyball) – molecule mari formateexclusiv din atomi decarbon legaţi sub formătriunghiulară, formîndsferoizi

Nanotub de carbon – fiecareatom este legat într-o configuraţie triunghiulară, formînd cilindrii goi

Nano-sîrme agregate dediamant – forma alotropică ceamai recent descoperită şi materialcel mai dur cunoscut pînă înprezent

13:18 161

Structurananofibrelor

de carbon crescute

din stare de vapori

13:18 162



3/29/2012

50

Straturi de grafit (reţea hexagonală de carbon)

Împachetate fără îmbinare sub formă de cilindru

Nanotuburile

13:18 163

Diametrul de ordinul nanometrilor Lungimea – de ordinul milimetrilor (deocamdată)

Raportul lăţime – lungime este foarte mare

Nanotuburile

6

3

9

1010

10

L

d R

13:18 164



3/29/2012

51

Proprietăţile fizice nu sunt complet lămurite.

Dificultatea constă în faptul că tuburile au o gamăfoarte largă de proprietăţi: Electronice Termice Mecanice

care depind de tipul tubului.

Nanotuburile

13:18 165

Tuburile sunt:

uşoare flexibilestabile termicinerte chimiccaracter metalic sau de semiconductor

în funcţie de torsiunea tubului

Nanotuburile

13:18 166



3/29/2012

52

Tuburile pot fi:

cu un singur perete cilindricSWNTs - single cylindrical wall nanotubes

cu perete cilindric multipluMWNTs - multiple walls nanotubes

Nanotuburile

13:18 167

Pentru un SWNTs Modulul lui Young ~ 1 TPa = 1012 Pa

Rezistenţa la tracţiune~ 30 GPa = 3000 daN/mm2

Nanotuburile

13:18 168



3/29/2012

53

Producereananofibrelor

prin depunere dinvapori

Materie primă:

Hidrocarburi gazoase

(CH4; C6H6; C2H2)

în prezenţa unui

catalizator metalicFe, Ni, Co

13:18 169

Aplicaţii

Fuel

tank

Fuel lines

Mirror housing

Door handles

13:18 170



3/29/2012

54

MATERIALE PENTRU

MATRICEMATRICI

ORGANICE MINERALE

Ceramice MetaliceTermodurificabile Termoplastice Elastomeri

•Boruri

•Carburi•Nitruri

Al,Ti,Ni,Cu,MgOl inox,superaliaje

13:18 171

Caracteristici esenţiale ale polimerilor TD şi TP

Caracteristici generale TP: termoplaste TD: termodurificabile

Stare de bază Solidă (pregătit de utilizare:polimerizat)

Lichid vîscos supus polimerizării

Depozitarea

materialului de bază Nelimitată

Durată limitată (precauţiinecesare)

Absorbitivitateaelementelor de armare

Dificilă Uşoară

Formare Încălzire (încălzire-topire/ înmuiere +răcire de fixare)

Încălzire continuă

Ciclu Scurt Mai lung (polimerizare)

Caracteristici specifice

Comportare la şoc Destul de bună limitată

Comportare la

temperatură Slabă, cu excepţia noilor TPtermostabile

bună

Reziduuri şi deşeuri reciclabile nericiclabile

Condiţii de punere înoperă bune + igienice Emanaţii în cazul metodelor umede (posibile alergii) 13:18 172



3/29/2012

55

MATRICI POLIMERICERăşini termodurificabile Epoxidice

Poliesterice nesaturate

Vinilesterice

Siliconice

Poliamidice

Polimidice

Fenolice

13:18 173

Răşini termodurificabile Iniţial: sub formă lichidă Durificare prin formare de legături

transversale (cross-linking)Important: Densitatea legăturilor (tehnologia de

polimerizare) Unităţile moleculare care formează lanţurile

polimerice (tipul răşinii)

13:18 174



3/29/2012

56

Răşini termodurificabile

Faţă de termoplaste:

• proprietăţi mecanice similare sausuperioare

dar• sunt mai fragile

13:18 175

Polimerizare: la rece sau tratamenttermic (la formarea compozitului)

Tratament final la temperaturămaximă: stabilitate a proprietăţilor

Contracţia prin polimerizare sau larăcire poate produce tensiuni reziduale


13:18 176



3/29/2012

57

Răşini epoxidice: Contracţii mai reduse Deformaţii mai reduse cu temperatura Se pot utiliza polimerizate parţial în

preimpregnate

Costuri mai ridicate


13:18 177

Răşini termoplaste

NU au legături transversale între lanţurilemoleculare

Proprietăţi mecanice ridicate datorităunităţilor monomerice şi masei moleculareridicate

Termoplaste amorfe: prezintă tangenţe alelanţurilor moleculare (asemănătoarelegăturilor transversale)

Încălzire: dispar tangenţele - lichifiere

13:18 178



3/29/2012

58

Matrici – termoplaste de înaltă performanţă Polieter eter ketonă (PEEK) PolisulfonePolisulfide

PolimidePolipropilenă


13:18 179


Proprietăţi

Ductilitate Variaţia puternică a proprietăţilor cu T Rezistente la agenţi chimici Prezintă fluaj – redistribuire tensiuni în

compozit

13:18 180



3/29/2012

59


Problemă tehnologică În stare topită au vîscozitate ridicată

13:18 181

AluminiuMagneziu

TitanCuMgNi

De obicei aliaje

MATRICI METALICE

13:18 182



3/29/2012

60

Caracteristici:DuctileIzotropice (preiau sarcini transversale)Reactive cu oxigenul (probleme

tehnologice)

MATRICI METALICE

13:18 183

MATRICI METALICE

Efectul armării Creştere rezistenţă mecanică,

rigiditate (mai puţin decît la polimeri) Ameliorare uzare, dilataţie termică,

fluaj

13:18 184



3/29/2012

61

MATRICI CERAMICE

Categorii folositeSticle ceramice

Ceramice convenţionale CimenturiSisteme C/C

Obiectiv principal Creşterea tenacităţii şi ductilităţii

13:18 185

STICLE CERAMICE

Pe bază de aluminosilicaţi sau borosilicaţi

13:18 186



3/29/2012

62

(Folosite mai rar)Exemple:SiC, Si3N4, Al2O3, ZrO2

CERAMICE CONVENŢIONALE

13:18 187

CIMENTURI

Armate cu fibre scurte

Creştere proprietăţi Nu diminuează formabilitatea

13:18 188



3/29/2012

63

CARBONSISTEME Carbon/CarbonInfiltrarea cu vapori a unei structuri din

fibre de carbon

13:18 189

TEHNOLOGIA

PRODUCERIICOMPOZITELOR POLIMERICE CU FIBRE

13:18 190



3/29/2012

64

PROCEDEE DE FORMARE

ELEMENT DE ARMARE RĂŞINĂ

Impregnare (amestecare)

Aşezare în scula de format

Compactare

Polimerizare

Extragere

Finisare13:18 191

Operațiuni standard

Formarea manuală

Formarea prin contact – Hand laminationFormarea prin pulverizare - Spray technique

13:18 192

HLU – Hand Lay Upsau

Contact Moulding



3/29/2012

65

Formarea prin contact

13:18 193

Fibre: sticlă, Kevlar, carbon Matrice: rășini poliesterice, fenolice, epoxidice etc.


Fibre - plasare pe formă & umectare cu rășină

Fibre - orice natură și formă:

Sticlă, aramide, carbon or especially glass Mat, țesături, împletituri, fibre cusute etc. (și combinații)

Pensule pentru distribuirea rășinii Tamponare - mat cu fibre scurte Periere - țesături Role pentru eliminarea bulelor de aer



3/29/2012

66


Formarea trebuie să fie continuă Fără pauze >24 ore pentru rășini poliesterice Pauze >24 ore – curățire + șlefuire Rășini epoxidice – strat de protecție împotriva

reacției cu aerul – se îndepărtează la reluareaformării

Agent demulant: împiedică lipirea de matriţă

Gel-coat: răşină poliesterică colorată pentruo suprafaţă netedă sau finisaje speciale

Avantaje

Experiență îndelungată

Durată redusă de pregătire afabricației Echipament și scule minimalePot fi folosite materiale relativ ieftineVarietate de furnizori și tipuri dematerialeFlexibilitate a formei și dimensiunilor



3/29/2012

67

AvantajeModificările de proiect se fac rapid Cost competitiv la piese individuale și serii scurte Flexibilitate a formei şi dimensiunilor (p.l. 50 m) Proporții de fibre mai mari decît la pulverizare Gamă largă de proprietăți fizico-mecaniceSe pot realiza construcții tip sandwich (miez despumă sau lemn de balsa), se pot îngloba inserții

Dezavantaje

Reglementări pentru securitatea muncii Costuri legate de tratamentul componentelororganice volatile

Cantitate mare de manoperă Calitatea și variabilitatea dimensională depinde deabilitățile operatorului Potențial de erori la prepararea rășinii Productivitate redusă pentru polimerizarea latemperatura ambiantă



3/29/2012

68

DezavantajeRășini cu vîscozitate redusă Greutate moleculară redusă Volatile. Proprietăți mecanice și termice reduse

Contracții mari și potențial exoterm mai ales în zone bogate în rășină, groase

Scurgerea rășinii pe suprafețele verticale se adaugă agenți thixotropic i (scăderea viscozității la

agitare)

O singură suprafață finisată Vf / Pori Cantități mari de deșeuri

Formarea prin pulverizare

13:18 200

De obicei fibre scurte (tăiate)



3/29/2012

69

Avantajele pulverizării Costuri reduse pentru echipament și scule Materii prime ieftine Fibre continue sub formă de rovingViteze ridicate de depunereManoperă redusă (față de formarea manuală)

Flexibilitate a pieselor (formă, grosime perete)Potențial pentru automatizare (roboți)

Dezavantajele pulverizării Probleme de sănătate și securitate a muncii față decompușii organici volatili

Productivitate redusă la variantele manuale Calitate dependentă de calificarea operatorului Dificultate de evitare a înglobării aerului în piesă Imprecizie dimensională de la o piesă la alta Scule unilaterale (o singură suprafață finisată) Proprietăți fizico-mecanice reduse (Vf, fibre scurte)Proporție ridicată de pierderi de materie primă

pulverizare



3/29/2012

70

FORMAREA MATRITA - POANSON

13:18 203

FORMAREA MATRITA - POANSON

Tehnologie:

• Aşezare amestec fibre - matrice;• Presare 1 – 2 bar• Polimerizare la rece sau cald• Serii mijlocii pentru auto sauaeronautică

13:18 204



3/29/2012

71

FORMAREA ÎN VID

13:18 205

Engl. Vacuum bagging

FORMAREA ÎN VID

Tehnologie:• Aşezare semifabricat de fibre preimpregnate; • Aşezare material filtru

• Folie de etanşare • Vidare: formare, compactare, eliminare bule• Surplusul de răşină absorbit de materialfiltru• Polmerizare: etuvă, autoclave (p.l. 7 bar),iradiere cu electroni sau raze X.

13:18 206



3/29/2012

72

FORMAREA ÎN VIDPolimerizare prin iradiere

13:18 207

AvantajeFață de formarea manuală Vf, pori

Umectare fibre mai bună (presiune,curgererășină)

Reținere compuși organici volatili Se pot obține curburi complexe Rm, E (Vf)



3/29/2012

73

Dezavantaje

Față de formarea manuală Cerințe superioare de calificare La piese mari – folii îmbinate Sculele trebuie să fie etanșe Costuri mari la echipamente și consumabile Vidul poate extrage componentele volatile din

rășini Consumabilele să fie compatibile cu rășinile

Presiunile de consolidare limitate la 1 atm

FORMAREA PRIN INJECTARE

13:18 210

RTM - Resin Transfer Molding

Variantă VARTM – Vacuum Assited Resin Transfer Molding



3/29/2012

74

FORMAREA PRIN INJECTARETehnologie:• Aşezare semifabricat de fibre teşutesau împletite între matriţă şi miez ; • Injectare răşină (poliester saufenolică) la presiune joasă • Polimerizare (rece sau cald)

13:18 211

INJECTARE DE PREIMPREGNATE

Matrice termodurificabilă

13:18 212



3/29/2012

75

INJECTARE DE PREIMPREGNATE

Matrice termoplastă

13:18 213

INJECTARE DE SPUMĂ Obţinere de poliuretan armat cu fibră de sticlă

13:18 214



3/29/2012

76

INJECTARE DE SPUMĂ Obţinere de poliuretan armat cu fibră de sticlă

• Se pretează şi la dimensiuni mari • Proprietăţi mecanice bune • Stabilitate dimensională bună• Calitate bună a suprafeţelor

13:18 215

FORMAREA CENTRIFUGALĂ

13:18 216



3/29/2012

77

FORMAREA CENTRIFUGALĂ

• Repartiţie omogenă a răşinei • Extragerea se face după contracţiarăşinei poliesterice • Calitate bună a suprafeţelor

13:18 217

ÎNFĂŞURAREAFILAMENTELOR

Obţinerea continuă a tuburilor

13:18 218



3/29/2012

78

ÎNFĂŞURAREA FILAMENTELOR

13:18 219

ÎNFĂŞURAREA FILAMENTELOR • Pentru recipiente sub presiune• Se realizează pe mandrine demontabile

• Ulterior înfăşurării – polimerizare în etuvă sauautoclavă • Proporţie ridicată de armare (p.l. 85%)

13:18 220



3/29/2012

79

FORMAREA PLĂCILOR

13:18 221

SMC – Sheet Moulding Compound

FORMAREA PROFILELORPultruziune

13:18 222



3/29/2012

FORMAREA PRIN PRESARENumai pentru matrice termoplastă

13:18 223

Organizarea fluxului tehnologic – Clagi Biled

Constructie modelConstructie matriteRemedieri matrite

verificare

Aplicare agent decofrant

Aplicare gelcoat

Stratificare

Decofrare

Verificare

ChituireSlefuire Vopsire

Pregatiresuprafata in

gelcoat.

MontajLivrare client

13:18 224