Download pdf - Materiale compozite

1C 6 Curs FPMPC 1

Materiale compozite

2Curs FPMPC 2C 6

Compozit - adj.= Corp alcătuit din elemente disparate, felurite.

(Dicţionarul explicativ al limbii române)

Materialele compozite reprezintă aranjamente de fibre -

continue sau nu - din materiale rezistente (elemente de armare)

care sunt acoperite cu o matrice a cărei rezistenţă mecanică este cu

mult mai mică. Matricea menţine dispunerea geometrică dorită a

fibrelor şi le transmite solicitările la care este supusă piesa. (Daniel

GAY - Matériaux composites)

Materiale compozite - Materiale formate din mai multe elemente

componente distincte, a căror asociere conferă ansamblului

proprietăţi pe care nici unul dintre elementele componente luate

separat nu le posedă. (Le Petit Larousse Illustré)

Definitii

3Curs FPMPC 3C 6

Materialele compozite (MC) se compun în principal din:

a) Material de bază (matrice - M) - materiale organice, metalice sau

minerale,

b) Material de armare (MA),

c) Materiale auxiliare (MAUX).

Matricea înglobează materialul de armare iar fiecare component conferă

noului material îmbunătăţirea unor caracteristici. Materialul de armare

influenţează rezistenţa la tracţiune iar matricea influenţează rezistenţa la

compresiune şi păstrează constantă poziţia materialului de armare,

transmiţîndu-i solicitările la care este supusă piesa.

Matricea leagă între ele materialele de armare, repartizează eforturile,

preia de asemenea şi solicitările la compresiune, îndoire şi protejează

structura împotriva agenţilor fizico-chimici.

Materialele de armare sunt cele care realizează rezistenţa mecanică (în

particular preiau solicitările la tracţiune) şi constituie scheletul structurii realizate.

Intre materialele de armare şi matrice există o interfaţă ce influenţează

foarte mult comportamentul termomecanic al MC.

Structura materialelor compozite

4Curs FPMPC 4C 6

MATERIALE COMPOZITE

MATERIALE DE ARMARE

Sticlă, Azbest, Siliciu, Cuarţ,

Carbon-Grafit, Bor, Carburi de

siliciu, Oţel, Iută, Bumbac,

Celuloză, Aramidă, Aliaje

metalice, Safir etc.

MATRICE (LIANT)

-Organică: Polimeri (Fenoli, Poliesteri,

Poliamide, Epoxizi, etc.)

-Minerală: Carbon, SiC, ceramice

-Metalică: Al, Ni, Ti.

MATERIALE AUXILIARE (ÎNCĂRCĂTURI, ADITIVI)

-Materiale de umplutura: Cretă, Siliciu, Caolin, Oxid de titan, Sticlă

(bile), Pudră metalică, Cuarţ, Mică

-Materiale ajutatoare: Coloranţi, Agenţi de finisare (Gel-coat),

Agenţi de cuplare, Catalizatori, Inhibitori, Antioxidanţi, Diluanţi,

Acceleratori,

-Materiale cu scop special: Agenţi antistatici, Agenţi de demulare,

Agenţi ignifuganţi, Agenţi antiradianţi, Agenţi fungicizi

Structura unui material compozit

5Curs FPMPC 5C 6

Compozit in sectiune

6Curs FPMPC 6C 6

Clasificarea materialelor compozite (MC) se face de regulă după oserie de criterii dintre care cele mai importante sunt:

a) După natura matricei:

compozite cu matrice metalică (Al, Cu, Ni, Mg, superaliaje, aliaje de Al,Cu),

compozite cu matrice organică (polimeri),

compozite cu matrice ceramică (carbură de siliciu, nitrură de siliciu).

b) După configuraţia geometrică a materialului de armare:

compozite cu fibre discontinue (fibre scurte, mono sau multifilamente),

compozite cu fibre continue,

compozite cu particule mari (grafit, oxizi, nitruri, carburi, aliaje), cudimensiuni mai mari de 1 m şi diferite forme: sferică, plată, elipsoidală,neregulată,

compozite cu microparticule (materialul de armare reprezintă 1…15 ,iar diametrul mediu al particulelor nu depăşeşte 0,1 m),

compozite lamelare, stratificate.

Clasificari

7Curs FPMPC 7C 6

c) După structură şi mod de fabricaţie

Proiectarea structurilor din materiale compozite este foarte diferită faţă

de aceea a produselor din materiale de sinteză clasice. Deoarece

materialele compozite sunt eterogene trebuie să construim structura la

cerere, rezultatul constituind un sistem care include:

natura şi forma geometrică a materialului de armare,

natura matricii şi a materialelor auxiliare,

geometria piesei de realizat,

procedeul de fabricaţie folosit,

factorii de solicitare a structurii în timpul funcţionării.

8Curs FPMPC 8C 6

Materiale pentru matrici

a) RĂŞINI POLIESTERICE

Acestea sunt pe departe, răşinile cele mai utilizate. Se disting 4 clase de

răşini poliesterice:

Ortoftalice

Isoftalice

Pe baza de clor

Pe baza de bisfenol A

Livrarea se face sub trei forme:

Răşini lichide,

Amestecuri “premix”

Preimpregnate

9Curs FPMPC 9C 6

AVANTAJELE ŞI DEZAVANTAJELE RĂŞINILOR POLIESTERICE

AVANTAJE LIMITE ALE UTILIZĂRII

* Aderenţă bună la suprafaţa

fibrelor de sticlă

* Posibilitate de transluciditate

* Formarea facilă a pieselor

* Rezistenţa chimică destul de

bună

* Preţ redus

* Contracţie importantă la revenire

(6÷15%) în afară de reţetele

speciale

* Inflamabilitate

* Rezistenţă redusă la caldură

umedă (vapori şi ceaţă)

* Durată de conservare limitată

10Curs FPMPC 10C 6

b) RĂŞINI EPOXIDICE

Termenul epoxi descrie o familie de polimeri care au la bază în structuramoleculară grupări epoxid. În funcţie de numărul de grupări epoxi se pot obţinerăşini:

bifuncţionale,

trifuncţionale

polifuncţionale.

In funcţie de structura chimică se pot obţine răşini epoxidice aromatice,cicloalifatice, alifatice sau cu rezistenţă ridicată la flacără.

Răşinile epoxidice se obţin prin reacţia epiclorhidrinei cu compuşi ce conţinatomi de hidrogen mobili (fenoli sau amine), în mediu bazic. Acestea suntutilizate pentru preimpregnarea ţesăturilor şi ca adeziv structural.

Temperatura de întărire a celor mai folosite răşini epoxidice variază între 120° şi180°C. Întărirea are loc pe seama grupărilor reactive epoxi.

Industrial, răşinile epoxidice au fost produse pentru prima dată de firma Ciba în1946, fiind cunoscute sub denumirea de Araldite.

11Curs FPMPC 11C 6

Proprietăţile răşinilor epoxidice depind de: structura chimică a acestora,

de masa moleculară,

de gradul de reticulare,

de natura coreactantului utilizat pentru întărire,

de natura şi cantitatea de material de umplutură.

Dintre avantajele acestor materiale se pot aminti: rezistenţa şimodulul de elasticitate ridicat, contracţie mică 1%, nivel scăzut devolatilitate, adeziune excelentă la fibre şi la metale, rezistenţăchimică bună şi uşurinţă în fabricare.

Dezavantajele constau în principal în fragilitate, timp depolimerizare mai ridicat decât la răşinile poliesterice şi diminuareaproprietăţilor în condiţii de umezeală. Costul răşinilor epoxidice suntridicate comparativ cu poliesterii.

Principalele domenii de utilizare a răşinilor epoxidice sunt: adezivi,lacuri de impregnare şi anticorosive, industria electronică şielectrotehnică, materiale compozite de „înaltă performanţă”.

12Curs FPMPC 12C 6

AVANTAJELE ŞI LIMITELE RASINILOR EPOXIDICE


* Proprietăţi mecanice şi termice

bune (în particular rezistenţă la

oboseală)

* Contracţie redusă la formare

(1%)

* Bună comportare exterioară, sub

rezerva precauţiunilor particulare

* Bună rezistenţă chimică

* Punere în formă fară solvenţi

* Excelentă aderenţă la fibre şi la

metale

* Preţ relativ ridicat

* Timpul de polimerizare mai

ridicat decît la răşinile poliesterice

13Curs FPMPC 13C 6

c) RĂŞINI FENOLICE

Aceste răşini sunt cel mai des utilizate pentru compozite supuse la

tensiuni termice. Ele se prezintă sub formă lichidă sau ţesături

preimpregnate.


* Bună rezistenţă la foc şi la

temperaturi ridicate

* Preţ redus

* Caracteristici mecanice scăzute

* Degajă apă în timpul punerii în formă

* Colorare dificilă (culoare de origine: brun

întunecat)

14Curs FPMPC 14C 6

d) RĂŞINI POLIIMIDE

Aceste răşini sunt în egală măsură utilizate pentru M.C. supuse

tensiunilor termice, precum şi atunci cand dorim o stabilitate

dimensională într-o gamă largă de temperaturi (-200 la + 200 ºC)

Există două forme de livrare:

Răşini lichide

Pudră pentru formarea prin compresiune cu sau fără fibre de armare.

Avantajele şi limitele de utilizare sunt redate în tabelul de mai jos:


* Rezistenţa mecanică fără fluaj

* Coeficient de fricţiune mic

* Aderenţă foarte bună

* Excelentă rezistenţă la temperatură

(-200 - +260 C)

* Transformare dificilă

* Preţ ridicat

15Curs FPMPC 15C 6

e) RĂŞINI POLIURETANICE

Se utilizează poliuretani elastomerici la care vîscozitatea scăzută

permite o bună umplere a matriţei. Produsele sunt livrate în starea

de pre-polimeri lichizi.

Avantajele şi limitele de utilizare sunt redate in tabelul de mai jos:


* Transformări facile * Rezistenţă mecanică redusă

* Inflamabilitate

16Curs FPMPC 16C 6

Materiale de armare

Rolul materialului de armare (ramforsare) este de acreşte caracteristicile mecanice ale materialului compozitnou creat. Aceste caracteristici sunt superioarecaracteristicilor mecanice ale fiecărui elementconstituent luat separat.

În general materialele de armare se folosesc sub formăde fibre. Fibrele se pot prezenta sub diferite arhitecturi: fire,

mat-uri,

ţesături.

În general fibrele pot fi din: sticlă, carbon, aramidă, bor,carbură de siliciu, fibre textile naturale sau fire metalice.

17Curs FPMPC 17C 6

Fibre continue, sunt caracterizate prin valori l/d mari (>1000) sub

forma de fire simple (monofilament d>100 μm) sau rasucite

(multifilamente), fiind realizate din bor, carbon, sticle, materiale

ceramice, oţel inoxidabil.

Fibrele discontinue, se pot produce ca atare sau prin

fragmentarea fibrelor cu lungime mai mare. Se pot împărţi în

următoarele categorii:

- fibre discontinue lungi, cu l/d = 300 … l000, iar diametrul d = 3 …

10 μm;

- fibre discontinue scurte, obtinute prin taierea firelor continue sau

discontinue lungi, unde l/d ≅ 100, cu l ≤ 300 μm, iar d ≅ 3 μm;

- fibre discontinue foarte scurte (whiskers), cu dimensiuni reduse (d

< 1 μm).

Tipuri de fibre

18Curs FPMPC 18C 6

În literatura de specialitate se întâlnesc o serie de denumiri specifice, referitoare la

fibrele de ranforsare a compozitelor:

filament sau fir – reprezintă unitatea materialului fibros având diametrul cel mai mic;

bundle (mănunchi) – termen generic pentru o colecţie de filamente sau fibre paralele;

strand – semifabricat de tip funie nerăsucită format din sute sau mii de filamente;

tow – fuior de fire nerăsucite;

end – această denumire se referă la terminaţia unui grup de filamente;

roving – este format dintr-un număr de yarns, strands, tows sau ends adunate într-o

legătură uşor răsucită sau nerăsucită;

yarn – termen generic pentru mănunchiuri de fire sau strands răsucite, ce este utilizat

în ţesături.

band – bandă formată din mai multe roving-uri;

mat – este o împâslitură din fibre tocate de 30 - 40 mm lungime având orientări

aleatoare, fixate cu un liant, formând astfel o pătură.

Denumiri specifice

19Curs FPMPC 19C 6

20Curs FPMPC 20C 6

TESATURA UNIDIRECTIONALA -1D

Ţesătura 1D sau ţesătura unidirecţională este realizată în aşa fel,încât să preia forţele doar pe o singură direcţie, 0º. Pentru acesttip de ţesătură se folosesc roving-urile din sticlă, poliesterul cutenacitate ridicată, aramidele sau carbonul.

21Curs FPMPC 21C 6

TESATURA BIDIRECTIONALA - 2D

Ţesăturile 2D sunt caracterizate din punct de vedere structural prin dispunerea firelor după două direcţii principale, urzeală şi bătătură.

În funcţie de modul de ţesere se pot distinge mai multe tipuri de ţesături, cum ar fi ţesături tip pânză, tip lână, tip satin.

22Curs FPMPC 22C 6

23Curs FPMPC 23C 6

Sistemul de legătură (ţesere) influenţează flexibilitatea şi

prelucrabilitatea ţesăturii şi influenţează direcţia valorilor maxime

ale caracteristicilor mecanice. De aceste elemente trebuie să

ţinem seama când proiectăm piesa din material compozit, ştiind

mărimea şi direcţia încărcării mecanice maxime a acesteia.

Grosimea şi gradul de torsionare a fibrelor ţesăturii influenţează

flexibilitatea, prelucrabilitatea şi caracteristicile mecanice ale

materialului de armare.

Ţesătura echilibrată (urzeala este egală cu bătătura) se

recomandă acolo unde sunt necesare valori egale ale rezistenţei

mecanice pe două direcţii perpendiculare.

Pornind de la o structură de armare bidimensională, prin

preimpregnare cu răşină se pot obţine materiale compozite de tip

semifabricat, precum sunt preimpregnatele unidirecţionale şi

ţesăturile preimpregnate.

24Curs FPMPC 24C 6

PREIMPREGNATE CU FIBRE

UNIDIRECTIONALE BIDIRECTIONALE

25Curs FPMPC 25C 6

TESATURI 3D

Ţesăturile 3D conferă materialului compozit proprietăţi mecanice anizotrope dupăcele trei direcţii x, y şi z. Aceste ţesături 3D ortogonale, au posibilitatea de ţesere în

forme complicate, conservă exact poziţia şi alinierea fibrelor şi au o mare rezistenţăla dezlipire (delaminare). Procesul de fabricaţie este insa mai lent, impregnarea

este mai dificilă şi costul echipamentului mai ridicat.

26Curs FPMPC 26C 6

TESATURI 4D

Principalele avantaje a tipurilor de compozite ce utilizeazăţesătura 4D sunt: legătura suplimentară (prin raportul straturilor bidimensionale)

împiedică delaminarea,

posibilitatea ţeserii în forme complicate,

rezistenţa mecanică este conservată la temperaturi superioare,

rezistenţă mare la forfecare interlaminară,

coeficientul de contracţie rămâne scăzut,

rezistă la şoc termic,

conductivitatea termică la carbon/carbon este ridicată,

realizează un grad mare de armare a compozitului.

Dezavantajele ţesăturii 4D constau în impregnare dificilă şi lentă,proces textil lent şi cu cost ridicat.

27Curs FPMPC 27C 6

28Curs FPMPC 28C 6

TESATURI DE TIP BANDA

29Curs FPMPC 29C 6

TESATURI DE TIP TUBULAR

30Curs FPMPC 30C 6

STRUCTURI COMPLEXE

La structuri complexe se pot proiecta tipuri de ţesături care

să satisfacă cerinţele mecanice ale acestora.

Pentru unele structuri utilizate în industriile aerospaţiale,

aeronautice, navale, etc., sunt necesare rezistenţe mecanice

mari în mai mult de trei direcţii. Pentru aceste aplicaţii se

recomandă împletiturile şi ţesăturile 4D. Împletiturile 4D se

realizează prin introducerea unui nou set de fibre pe direcţia

perpendiculară pe straturile împletiturii 3D.

La proiectarea pieselor trebuie ţinut cont de tipul de ţesătură

folosit, de arhitectura acesteia. Folosirea necorespunzătoare

a materialului de armare duce la apariţia defectelor în

procesul de elaborare al materialului compozit.

31Curs FPMPC 31C 6

32Curs FPMPC 32C 6

STRUCTURI COMPLEXE DE TIP SANDWICH

Procedeul de formare a panourilor de tip “sandwich” constă

întotdeauna în realizarea unui pachet de mai multe straturi plane,

din materiale diferite sau identice, strâns legate prin lipire

(rigidizate).

Structurile sandwich pot juca rolul de izolatori termici sau sonori,

pereţii preiau solicitările de încovoiere, dar ele sunt utilizate în

special datorită rigidităţii lor, comportându-se ca o grindă capabilă

să preia diferite încărcări mecanice.

O structură sandwich este constituită din trei elemente de bază:

- Învelişurile,

- Miezul,

- Materialul de lipire care solidarizează miezul cu învelişurile

panourilor, preluând astfel eforturile de forfecare orizontale.

33Curs FPMPC 33C 6

34Curs FPMPC 34C 6

Fibre de sticla

Fibrele de sticlă reprezintă materialul de armare cel mai des folosit(se utilizează într-o proporţie de 80 - 85 din întreaga producţie deMC) pentru compozitele de largă utilizare.

Fibra de sticlă este un material anorganic, amorf (SiO2) în compoziţiacăruia intră ioni de siliciu şi de oxigen.

Sticla de tip A (alcali) este obţinută dintr-o sticlă sodo-calcicăcu un conţinut apreciabil de oxizi de sodiu şi potasiu şi un conţinutlimitat de oxizi de bor şi oxizi bazici, utilizată la armarea materialelorcare lucrează în medii lipsite de umiditate.

Fibrele de sticlă C (chemical) sunt realizate dintr-o sticlă cu unconţinut mic de oxizi bazici, prezentând o rezistenţă chimicăremarcabilă. Sunt folosite mai ales pentru obţinerea materialelorcompozite, destinate condiţiilor de exploatare în medii agresive.

35Curs FPMPC 35C 6

Sticla de tip D (dielectric) are un conţinut mare de oxid de bor şi unul foarte

mic de oxizi alcalini şi alcalino-pământoşi. Această compoziţie asigură o

rezistenţă termică mare şi proprietăţi electrice foarte bune. Are constanta

dielectrică foarte mică apropiată de cea a sticlei de cuarţ şi o valoare mică a

tangentei unghiului de pierdere.

Sticla de tip E (electrical) este obţinută din borosilicat de calciu şi siliciu.

Are rezistivitate electrică mare, este utilizată în scopuri de izolare, iar datorită

rezistenţei mecanice şi a rezistenţei la apă şi umezeală este cel mai des utilizat

tip de fibră de sticlă pentru structuri.

Sticla de tip S (strength) este obţinută dintr-o sticlă care conţine oxizi de

siliciu, aluminiu. Aceste fibre sunt folosite în scopuri structurale, având

caracteristici mecanice ridicate, apropiate de cele ale metalelor.

Sticla de tip R este obţinută din pulbere. Fibrele au o construcţie

deosebită, care le conferă o rezistenţă mecanică şi un modul de elasticitate mai

mari decât ale sticlei de tip E, motiv pentru care se utilizează la materialele

compozite de înaltă performanţă.

36Curs FPMPC 36C 6

MODUL DE OBTINERE AL FIBRELOR DE STICLA

Fibrele de sticlă pot fi obţinute fie din bile cu diametrul de 20 mm, fie

direct din sticla topită la t = 1300 ºC în cuptor şi tragere printr-o filieră din

aliaje de platină.

Obţinerea fibrelor din bile se realizează cu ajutorul instalaţiei din figura.

La temperatura de 1300ºC bilele de sticlă se topesc, iar topitura de sticlă

rezultată începe să curgă prin ochiurile unei site, sub efectul gravitaţiei.

În funcţie de dimensiunile ochiurilor sitei, diametrul filamentelor de sticlă

poate fi de 5....15 m sau chiar mai mic. În continuare, filamentele de

sticlă trec prin sistemul de răcire şi sistemul de aplicare a tratamentului

de impregnare pe suprafaţa filamentelor, după care intră în dispozitivul

de asamblare şi de aici fibrele sunt bobinate.

37Curs FPMPC 37C 6

INSTALATIE DE REALIZARE A FIBRELOR DE STICLA

38Curs FPMPC 38C 6

Tratamentul realizat la trecerea filamentelor de sticlă prin dispozitivul de tratare are

ca scop evitarea deteriorării, prin abraziune, în timpul frecării unui fir de altul, la

prelucrarea textilă. Aici filamentele sunt unite într-o singură şuviţă, cu un material

constituit dintr-un ameste care conţine unul sau mai mulţi din următorii componenţi:

ancolanţi - uşurează încorporarea fibrei de sticlă în matrice; conţine şi agenţi

antistatici ce diminuează încărcarea electrostatică,

lianţi (amidon, răşini fenolice, epoxidice sau poliesterice) - se aplică pe

suprafaţa filamentelor pentru a le proteja şi a mări aderenţa răşinii de bază,

lubrifianţi (ex. o amidă a unor acizi graşi) - diminuează riscul zgârierii

filamentelor reducând coeficientul de frecare mare al sticlei, facilitează astfel

procesul de ţesere a filamentelor de sticlă,

agenţi de cuplare (compuşi ai cromului) - asigură o bună “udare” sau “uleiere”

a sticlei îmbunătăţind aderenţa matricei.

După această fază, fibrele de sticlă sunt supuse unor operaţii tehnologice utilizate în

industria textilă (răsucire, ţesere, etc.).

Semifabricatele sunt sub formă de funie tip "STRAND" formată din sute sau mii de

filamente de diametre cuprinse între 5 şi 15 m şi se obţin pe maşini textile clasice.

Sunt necesare diametre aşa de mici deoarece cu cât diametrul filamentului scade cu

atât rezistenţa mecanică creşte.

39Curs FPMPC 39C 6

40Curs FPMPC 40C 6

Fibre de carbon Primele fibre de carbon au fost obţinute prin piroliza fibrelor celulozice

naturale sau a celor regenerate, încă de la sfârşitul secolului al XVIII-lea de

către Thomas Edison care le-a folosit drept filamente pentru o lampă

incandescentă. Acestea au fost realizate prin carbonatarea bambusului şi a

mătasei.

Această fibră a apărut industrial, în 1957, Barneby-Cheney și National

Carbon fiind primii producători de fibre în cantități mici însă. În 1961, au fost

produse pentru prima dată fibre de carbon din fibre poliacrilonitrilice (PAN). În

1967, Rolls Royce a anunțat proiectul utilizării fibrelor de carbon la

componentele motorului cu reacție.

Fibrele de carbon sunt utilizate acolo unde se cere o stabilitate termică

bună şi rezistenţă la temperaturi ridicate, densitate mică şi izolaţie termică

remarcabilă. Deoarece matricea organică aderă foarte bine la fibrele de carbon

ele pot fi utilizate şi netratate cu ancolant.

Compozitele ranforsate cu aceste fibre au un domeniu larg de aplicaţie de

la echipamente sportive pană la industria aeronautică şi aerospaţială. Fibrele de

carbon au rezistenţă specifică şi duritate extrem de mare, ceea ce le fac

atractive pentru domeniile în care reducerea masei produselor este importantă.

41Curs FPMPC 41C 6

.

Proprietati:Proprietăţile fibrelor de carbon pot varia într-un domeniu destul de larg în funcţie de

condiţiile de elaborare:

inerţie chimică excelentă,

stabilitate la temperaturi ridicate,

densitate mică: ρ = 1,4 - 1,8 g/cm³,

conductibilitate electrică mare,

rezistenţă foarte bună la şoc termic,

coeficient de frecare μ mai mic decât al sticlei,

conductibilitate termică mică,

caracteristici mecanice ridicate,

raportul rezistenţă/greutate foarte bun,

rezistenţă la abraziune mai mare decât al sticlei.

Dacă în matrice se introduc şi agenţi de umplere (grafit sau pulbere de bronz),

rezistenţa la uzură poate fi apreciabil mărită.

42

Modul de obtinere Pentru obținerea fibrei de carbon, se folosesc o varietate mare de materiale,

numite precursoare. Acestea sunt filate în filamente subțiri care sunt apoiconvertite în fibră de carbon în 4 etape: stabilizarea (oxidarea)

carbonizare

grafitizare

tratamentul suprafeței

Fibrele continue sunt apoi bobinate și comercializate pentru țesere saupentru alte procedee de obținere a structurilor din fibră de carbon (filamentwinding, pultrusion). Astăzi, materialul precursor predominant în fabricareafibrelor de carbon este poliacrilonitrilul (PAN). Fibra de carbon astfelobținută are un diametru de 5 - 10 μm.

Clasificare În funcție de proprietățile mecanice ale fibrelor de carbon, acestea pot fi

clasificate în:

Fibre de Carbon High Modulus (HM sau Tipul I) – fibre cu modul deelasticitate mare

Fibre de Carbon High Strength (HS sau Tipul II) – fibre cu rezistență latracțiune ridicată

Fibre de Carbon Intermediate Modulus (IM sau tipul III)

Curs FPMPCC 6

43Procedeul de obținere a fibrelor de carbon

44

Fibre de aramidă Fibrele aramidă au fost produse pentru prima dată în S.U.A. de firma Du Pont de

Nemours, sub numele de Kevlar. Acestea sunt fibre sintetice pe bază de

poliamide aromatice.

În prezent fibrele aramidice se împart în două categorii:

fibrele de modul înalt - Kevlar 49 şi Twaron HM;

fibrele standard - Kevlar 29, Twaron şi HM.50.

Primele sunt utilizate pentru realizarea unor materiale compozite, pe când

celelalte sunt utilizate pentru realizarea corzilor, cordajelor şi a cablurilor din

construcţia echipamentelor sportive sau a celor din domeniul aerospaţial.

Kevlar-ul este o fibră de culoare galben pal, este o poliamidă aromatizată

obţinută prin sinteză la - 10 ºC şi apoi filată şi etirată pentru a obţine un modul de

elasticitate ridicat. Rezistenţa şi modulul la tracţiune sunt mult mai ridicate, iar

alungirea mult mai scăzută în comparaţie cu alte fibre organice. Ele posedă

rezistenţă mare la flacără şi la temperaturi ridicate precum şi la solvenţi organici,

carburanţi şi lubrifianţi.

Fibrele aramidice sunt destinate obţinerii unor materiale compozite de înaltă

performanţă, utilizate în tehnica aerospaţială, în tehnica militară, în tehnica

sportivă, în industria automobilelor, în marină.

Curs FPMPC

45Curs FPMPC 45C 6

Fibre de azbest

Azbestul este denumirea generică a unor varietăţi de minereuri existente

în natură sub formă fibroasă, cu o compoziţie silicatică variabilă şi complexă.

Fibrele de azbest se folosesc ca atare, împletite în şnururi sau prelucrate

textil în mat, hârtie sau ţesături, simple sau preimpregnate cu răşină. Fibrele de

azbest îmbunătăţesc modulul de elasticitate, duritatea, rezistenţa la tracţiune,

rezistenţa la medii şi temperaturi agresive, rezistenţă foarte bună la foc şi au

coeficienţi mari de frecare.

În ultimii 10 ani, consumul de azbest a scăzut, datorită restricţiilor impuse

de standardele de calitate pentru aer şi pentru limitarea substanţelor poluante la

nivele considerate nedăunătoare.

46Curs FPMPC 46C 6

Fibre ceramice

Materialele ceramice cu utilizarea cea mai largă în fabricarea fibrelor

ceramice de armare pot fi împărţite în trei clase mari:

ceramice oxidice (alumina),

ceramice neoxidice (nitrura de siliciu, carbura de siliciu, nitrura de bor, etc.)

amestecuri omogene de oxizi, nitruri, etc.

Fibrele ceramice pentru armarea materialelor compozite se prezintă sub formă

de monocristale de tip whiskers şi de fibre foarte scurte cu lungimea < 10 … 15

mm şi diametrul 1 … 50 μm. Aceste fibre sunt folosite pentru aplicaţii la

temperaturi mari, în special asociate cu matrice ceramice, metalice şi polimerice

termorezistente.

Fibrele ceramice se elaborează în general prin două metode, şi anume: metoda depunerii chimice în fază de vapori (DCV) pe un filament

metoda injecţiei ceramicelor în stare păstoasă.

Materialele compozite polimerice cu fibre de alumină sunt destinate executării

structurilor transparente la radar şi a unor elemente de structură solicitate

mecanic şi termic.

47Curs FPMPC 47C 6

Fibre de bor

Fibrele de bor reprezintă primul material de ranforsare destinat

compozitelor de înaltă performantă, fiind obţinute pentru prima dată în 1959 de

firma Texaco (U.S.A.). Borul este un material atractiv pentru fabricarea fibrelor

datorită masei atomice mai mici decât al carbonului, a modulului de elasticitate

aproape de două ori mai mare decât al oţelului şi a densităţii de 2,6 g/cm³.

Dezavantajul principal al fibrelor de bor este faptul că sunt extrem de

fragile, astfel ele nu pot fi obţine prin tragere din topitură. De aceea, tehnologia

clasică a producerii fibrelor de bor constă în depunerea borului din fază gazoasă

pe un fir subţire de wolfram incandescent cu diametrul de 12 - 13 μm, care este

acoperit cu un strat de bor în fază policristalină, astfel rezultând filamente cu

diametrul de 100 … 140 μm. Fibrele de bor prezintă interes datorită unor

proprietăţi de excepţie: densitate relativ redusă (2,6 g/cm³), rezistenţă la rupere

mare (3500 MPa), modul de elasticitate longitudinal mare (400 GPa), punct înalt

de topire.

Fibrele de bor se folosesc în general la ranforsarea matricilor epoxidice şi

a matricilor metalice cum ar fi cele de Ti, Al, Mg.

48Curs FPMPC 48C 6

Fibre naturale

Materialele compozite există din cele mai vechi timpuri în natură. De

exemplu lemnul care este format din fibre lungi celulozice într-o matrice de

lignină, pânza de păianjen conţine fibre biopolimerice, părul uman, oasele şi

muşchii.

Muşchii striaţi sunt formaţi din fibre musculare legate în fascicule prin

ţesut conjuctiv.

Structura osoasă conţine o serie de lamele concentrice (material de

armare) înconjurate de osteoplaste cu osteocite (matricea).

Pânza de păianjen, este un material natural având în componenţă un

polimer amorf (îi conferă elasticitate) şi proteine (îi conferă rezistenţă).

Mătasea de păianjen este de cinci ori mai rezistentă decât oţelul şi

de două ori mai rezistentă decât kevlarul. În viitor se vor găsi soluţii

pentru producerea mătasei de păianjen pe alte căi, datorită proprietăţilor

mecanice deosebite pe care le are, precum şi datorită avantajului

tuturor materialelor naturale si anume acela de a fi uşor reciclabile.