Download doc - materiale compozite

Transcript
Page 1: materiale compozite

I. INTRODUCERE

1.1 Materiale compozite

Materialele compozite sunt amestecuri de doua sau mai multe componente, ale caror proprietati se completeaza reciproc, rezultând un material cu proprietati superioare celor specifice fiecarui component in parte.

Materialele compozite au fost folosite cu mult înainte de a fi fost definite (piatra, lemnul, iar mai târziu, dar cu peste o sută de ani în urmă, betonul).

Au trecut aproape 60 de ani de când materialele plastice armate cu fibre de sticlă au fost utilizate pentru prima oară datorită calităţilor lor deosebite în comparaţie cu ale materialelor clasice.

Performanţele tot mai înalte cerute structurilor de rezistenţă în general, dar mai ales celor destinate aeronauticii şi aplicaţiilor militare, impun acestora condiţii foarte severe în timpul funcţionării.

În general, prioritare sunt considerentele aerodinamice de optimizare funcţională a profilelor structurilor aeronautice şi satisfacerea condiţiilor restrictive legate de: rezistenţe mecanice deosebite într-un interval larg de valori ale temperaturii ambientale, vibraţii, rezistenţă la oboseală, rigiditate, greutate minimă şi fiabilitate maximă.

Ca urmare, apar tot mai frecvent situaţii în care materialele tradiţionale nu pot satisface în totalitate multitudinea restricţiilor menţionate iar cum configuraţia geometrică a structurilor este în general impusă, singura pârghie unde se poate acţiona, rămâne cea a utilizării de materiale noi, cu calităţi deosebite.

Pentru o structură mecanică cu configuraţie geometrică şi condiţii de lucru cunoscute, este necesar să se proiecteze şi să se realizeze materialul adecvat din care aceasta să fie confecţionată.

Au apărut astfel materialele compozite, care sunt o nouă clasă de materiale ce prezintă o mare importanţă tehnologică şi ale căror aplicaţii cunosc în prezent o dezvoltare intensă în mai multe domenii .

Materialele compozite fac parte din categoria „noilor materiale” şi sunt create special pentru a răspunde unor exigenţe deosebite în ceea ce priveşte:

Aplicaţii ale produselor din materiale de tip sandwich, materiale compozite Page 1

Page 2: materiale compozite

- rezistenţa mecanică şi rigiditatea;

- rezistenţa la coroziune;

- rezistenţa la acţiunea agenţilor chimici;

- greutatea scăzută;

- stabilitatea dimensională;

- rezistenţa la solicitări variabile, la şoc şi la uzură;

- proprietăţile izolatoare şi estetica.

Principalul avantaj al acestor materiale este raportul ridicat între rezistenţa şi greutatea lor volumică.

Aceste caracteristici nu numai că au asigurat utilizarea pe scară din ce în ce mai largă a materialelor compozite, dar au stimulat cercetările pentru descoperirea unor noi tipuri de materiale compozite cu proprietăţi îmbunătăţite. Preocupări majore şi realizări de materiale compozite performante există în toate ţările dezvoltate, ca urmare a dorinţei de a continua procesul de dezvoltare tehnologică, prin utilizarea unor materiale calitativ superioare şi posibil de realizat prin procedee şi tehnologii eficiente şi nepoluante. În figura 1 se prezintă consumul unor asemenea materiale până în anul 2010, în comparaţie cu materialele clasice ori cu produsele naturale. În Japonia, producţia de materiale compozite a anului 2002 s-a ridicat la aproximativ trei miliarde de dolari.

Fig.1 Consumul de material composite

Aplicaţii ale produselor din materiale de tip sandwich, materiale compozite Page 2

Page 3: materiale compozite

Materialele compozite constituie o soluţie tot mai des adoptată în realizarea structurilor performante, cu aplicabilitate în toate ramurile industriale. Implementarea acestora în diverse domenii, ca alternative avantajoase ale materialelor clasice, sau pentru obţinerea de noi aplicaţii, altfel greu sau imposibil de realizat, ridică însă şi o serie de probleme generate de structura deosebit de complexă a acestora şi de posibilităţile de obţinere, de comportamentul încă insuficient cunoscut la diverse solicitări.

În toate ţările industrializate, materialele compozite reprezintă un domeniu prioritar, situat în avangarda procesului continuu de inovare tehnologică.

1.2 Clasificarea materialelor compozite

Materialele compozite suscită din partea specialiştilor din cercetare, învăţământ şi producţie un interes crescând, interesând mai ales comportarea lor în diferite condiţii de exploatare (solicitări mecanice simple sau complexe şi acţiunea mediului).

Materialele compozite se definesc ca fiind sisteme de corpuri solide, deformabile, obţinute prin combinaţii la scară macroscopică ale mai multor materiale.

R. M. Jones clasifică materialele compozite astfel:

-materiale compozite fibroase, obţinute din materiale sub formă de fibre, introduse într-un material de bază numit matrice;

-materiale compozite laminate, rezultând din straturi suprapuse din diferite materiale;

-materiale compozite speciale, alcătuite din particule introduse în matrice.

N. Cristescu prezintă o altă clasificare a materialelor compozite:

-materiale compozite armate cu particule.

-materiale compozite hibride, alcătuite din mai multe fibre;

-materiale compozite armate cu fibre (fibroase) - fibre lungi plasate într-un aranjament prestabilit sau fibre scurte plasate aleatoriu;

-materiale compozite stratificate, realizate din mai multe straturi, lipite între ele;

Aplicaţii ale produselor din materiale de tip sandwich, materiale compozite Page 3

Page 4: materiale compozite

1.2.1 Materiale compozite armate cu particule

Această categorie de materiale compozite constă din înglobarea într-o matrice a unuia sau mai multor materiale.

Particulele şi matricea pot fi metalice sau nemetalice în următoarele variante :

a) Particule nemetalice în matrice nemetalică.

Un exemplu din această categorie de materiale îl constituie cel rezultat din particule de nisip şi rocă într-un amestec de ciment şi apă, care reacţionează chimic şi se întăreşte. Alt exemplu îl constituie şi particulele de mică sau de sticlă, înglobate într-o matrice de material plastic.

b) Particule metalice în matrice nemetalică.

Un astfel de material compozit îl reprezintă carburantul pentru rachete, alcătuit din pudră de aluminiu şi anumiţi oxizi încorporaţi într-o legătură organică flexibilă (poliuretan sau cauciuc polisulfid).

c) Particule metalice în matrice metalică.

În această categorie putem include materialul compozit rezultat din înglobarea unor particule de plumb într-o matrice realizată dintr-un aliaj de cupru sau oţel. Pentru realizarea unor materiale ductile şi rezistente la temperaturi ridicate se recomandă armarea unei matrice metalice cu particule de tungsten, crom sau molibden.

d) Particule nemetalice în matrice metalică.

Particulele nemetalice (particule ceramice) înglobate într-o matrice metalică dau naştere unui material compozit numit cermet.

Atunci când în matrice se introduc particule de oxizi se obţin cermeţi pe bază de oxizi, ce au rezistenţă mare la uzură şi temperaturi înalte.

În urma înglobării în matrice metalice a unor particule de carburi de tungstem, crom sau titan se obţin cermeţi pe bază de carburi. Când matricea este din cobalt se obţine un material caracterizat printr-o duritate ridicată şi prin rezistenţă mare la uzură şi coroziune.

Aplicaţii ale produselor din materiale de tip sandwich, materiale compozite Page 4

Page 5: materiale compozite

1.2.2 Materiale compozite fibroase

Aceste materiale sunt obţinute din fibre de diverse forme şi dimensiuni înglobate într-o matrice, fiind utilizate într-o largă varietate [5], [6]:

a) fibre naturale (iută şi sisal), utilizate cu ani în urmă şi înlocuite în prezent cu fibre sintetice.

b) fibre sintetice organice termoplastice (polipropilenă, nylon, poliester) şi termorigide (aramide) având densitate şi rigiditate scăzute, dar rezistenţă ridicată.

c) fibre sintetice anorganice (sticlă, bor, carbon etc.), fibrele de sticlă fiind cele mai utilizate datorită preţului scăzut.

Fibrele sunt în general mult mai rezistente la întindere decât acelaşi material aflat în formă masivă, datorită structurii interne a fibrei cât şi datorită purităţii materialului ei. Spre exemplu, sticla, care în forma sa obişnuită nu rezistă decât la tensiuni de ordinul a câtorva zeci de MPa, sub formă de fibre rezistă la tensiuni de ordinul a 104 MPa. Uneori, în locul fibrelor lungi, sunt utilizate fibre scurte "whiskers", în care raportul lungime/diametru este relativ mic, fibrele fiind fără defecte şi deci foarte rezistente la întindere.

Curba caracteristică - la solicitarea de întindere pentru aceste fibre este liniară, excepţie făcând poliesterul. Această dependenţă între tensiuni şi deformaţii nu va mai exista în cazul unui material compozit armat cu astfel de fibre, datorită răspunsului neliniar al materialului din care este alcătuită matricea.

Matricea reprezintă al doilea element de bază al materialelor compozite. Aceasta uneşte fibrele într-un corp continuu, include fibrele, le protejează, transferă tensiunea, redistribuie eforturile când unele fibre se rup. Matricea are în general densitate mai mică şi rezistenţă mult mai mică decât fibrele.

Matricele pot fi organice, metalice şi ceramice.

Matricele organice au densităţi şi rezistenţe relativ scăzute iar relaţia dintre tensiuni şi deformaţii este neliniară. Sunt cele mai utilizate matrice, întrucât au avantajul că pot fi fabricate mai uşor şi pot încorpora un număr mai mare de fibre decât cele metalice sau ceramice.

Aplicaţii ale produselor din materiale de tip sandwich, materiale compozite Page 5

Page 6: materiale compozite

1.2.3 Materiale compozite stratificate (tip „sandwich”)

Materialele compozite stratificate (laminate) sunt constituite din straturi din cel puţin două materiale lipite împreună printr-un adeziv. Din această categorie fac parte :

a) Materialele stratificate, obţinute din materiale care pot fi saturate cu diverse substanţe plastice şi apoi tratate în mod corespunzător.

b) Materialele compozite fibroase şi stratificate, cunoscute şi sub denumirea de materiale compozite stratificate şi armate cu fibre (stratificate), realizate dintr-o succesiune de straturi (lamine) suprapuse astfel încât fibrele unui strat să fie paralele şi fiecare strat să fie orientat în mod corespunzător, pentru a obţine o cât mai bună rezistenţă şi rigiditate.

Aceste materiale reprezintă categoria de compozite cea mai folosită la nivel mondial. Datorită configuraţiei lor şi a numărului redus de constante elastice prin care sunt caracterizate, analiza structurilor realizate din materiale compozite stratificate şi armate cu fibre poate fi efectuată cu multă precizie, fiind printre puţinele materiale compozite la care calculele de rezistenţă pot fi efectuate indiferent de complexitatea structurii.

Fibrele aflate în componenţa compozitelor pot fi: continue (unidirecţionale, bidirecţionale, sub formă de ţesătură şi multidirecţionale) sau discontinue (unidirecţionale şi orientate întâmplător).

Un material compozit stratificat şi armat cu fibre se obţine prin lipirea mai multor lamine (straturi) cu orientări diferite ale fibrelor. Dacă două sau mai multe lamine succesive au aceeaşi orientare a fibrelor, ele formează un grup de lamine.

Aşezarea fibrelor în lamine sau grupuri de lamine se face în funcţie de performanţele mecanice urmărite pentru structura realizată din materialul respectiv (rigiditate, rezistenţă la anumite solicitări etc.).

Stratificatul este caracterizat prin numărul de lamine ce intră în alcătuirea sa, precum şi prin unghiul care indică orientarea fibrelor în lamină.

Fiecare lamină are asociat un sistem de coordonate local Olt, în care axa Ol este paralelă cu direcţia fibrelor, iar axa Ot este perpendiculară pe direcţia fibrelor şi conţinută în planul laminei .

Pentru stratificat, sistemul de axe Oxyz are axele Ox şi Oy conţinute în planul mediu al acestuia şi axa Oz perpendiculară pe plan (fig. 2).

Aplicaţii ale produselor din materiale de tip sandwich, materiale compozite Page 6

Page 7: materiale compozite

Fig.2 Material compozit stratificat, armat cu fibre

Fiecare lamină este caracterizată printr-un unghi pe care direcţia fibrelor (axa Ol) îl face cu axa Ox.

Aşezarea laminelor este descrisă pornind de la faţa semifabricatului, situată la cota z = - h/2 şi se termină la z = h/2, iar pentru un grup de lamine se trece un indice ce arată numărul de lamine din grup. Stratificatul [0/903/0/45] conţine şase lamine în care fibrele sunt orientate la 0, 90 şi 45 faţă de Ox, laminele cu fibre orientate la 90 fiind în număr de trei.

Se spune despre un stratificat că posedă simetrie tip oglindă, dacă lamine identice ca tip şi orientare a fibrelor se regăsesc simetric de o parte şi de alta a planului xOy. Un exemplu de astfel de compozit este [90/02/-45/45]S, realizat din 10 lamine dispuse simetric (vezi indicele S) faţă de planul median, fibrele fiind orientate faţă de Ox sub unghiurile 90 (două lamine), 0 (patru lamine), -45 (două lamine) şi 45 (două lamine).

Studiul unei structuri având o formă oarecare, realizată din materiale compozite stratificate şi armate cu fibre continue, necesită următoarele cinci caracteristici elastice ale unei lamine:

- El - modulul de elasticitate longitudinal al laminei pe direcţia fibrei (direcţia axei Ol);

- Et - modulul de elasticitate al laminei pe direcţie normală pe cea a fibrei (direcţia axei Ot), sau modulul de elasticitate transversal;

- Glt - modulul de forfecare al laminei (în planul Olt);

- lt - coeficientul lui Poisson în planul Olt;

- tz - coeficientul lui Poisson în planul Otz.

Dacă structura este realizată dintr-un stratificat plan, în calcule sunt necesare numai patru constante elastice ale laminei: El, Et, Glt şi lt. Aceste caracteristici elastice sunt calculate cu ajutorul unor relaţii sau sunt determinate experimental.

Aplicaţii ale produselor din materiale de tip sandwich, materiale compozite Page 7

Page 8: materiale compozite

c) Bimetalele, obţinute din două metale diferite, cu coeficienţi de dilatare termică semnificativ diferiţi. La schimbarea temperaturii bimetalul se deformează şi poate fi folosit ca mijloc de măsurare a temperaturii.

d) Metalele de protecţie, rezultate în urma acoperirii unui metal cu un alt metal, obţinându-se astfel un material compozit cu anumite proprietăţi îmbunătăţite faţă de materialul de bază.

e) Sticla laminată (securitul), material compozit care se obţine prin lipirea unui strat de polivinil între două straturi de sticlă.

O structurã de tip "sandwich" constã din trei elemente principale (vezi figura 3):

A. O pereche de feţe subţiri, rezistente, metalice sau din compozite polimerice, cu rolul de a prelua eforturile axiale şi cele de forfecare.

B. Un miez gros, cu greutate redusã, care separã cele douã feţe şi asigurã transmiterea eforturilor de la o faţã la alta. Uzual, acest miez poate fi de tip fagure (de aluminiu, hârtie, materiale plastice), de tip spumă (poliuretanică, polistirenică) sau profile (metalice, plastice).

C. Un material cu proprietãţi adezive care transmite eforturile axiale sau de forfecare la sau de la miezul structurii. În cazul feţelor din materiale compozite polimerice, matricea polimerică poate avea şi rolul de adeziv.

Fig.3 Elementele constitutive ale unui compozit de tip "sandwich"

(în exemplu cu miez tip fagure)

Aplicaţii ale produselor din materiale de tip sandwich, materiale compozite Page 8

Page 9: materiale compozite

Pot exista compozite structurale de tip "sandwich" cu miez simplu, cu miez dublu (multiplu) sau cu miez dublu (multiplu) hibrid, format din mai multe structuri fagure, spumă rigidă şi profile suprapuse şi separate de straturi interioare (figura 4).

Fig.4 Compozite tip "sandwich" cu miez simplu (1), cu miez dublu (2), cu miez triplu hibrid (3)

a-structuri fagure, b-spumă rigidă, c-profile.

Structurile tip "sandwich" cu feţe din materiale compozite polimerice şi miez de fagure de aluminiu (sau hârtie) sunt cele mai performante materiale sandwich existente în ceea ce priveşte proprietãţile mecanice specifice, gradul de izolare termică, fonică şi durata de viaţă (80-110 ani). De asemenea, ele pot fi ignifugate, nu mai trebuie vopsite, au rezistenţă deosebită la radiaţiile ultraviolete, variaţii de temperatură, nu sunt higroscopice, nu putrezesc, nu se oxidează.

Toate aceste proprietăţi remarcabile recomandã utilizarea lor în diverse domenii cum ar fi: aviaţia (aprox. 80% din aeronavă: aripi, derivă, direcţie, stabilizatoare, zone fuselaj, duşumele, uşi acces), construcţia de maşini (carosare remorci, rulote, izoterme auto, rame de metrou, vagoane CFR), construcţii navale, articole de sport, construcţii, etc.

Aplicaţii ale produselor din materiale de tip sandwich, materiale compozite Page 9

Page 10: materiale compozite

Panourile cu feţe din tablă metalică (sau compozite polimerice) şi miez din spumă poliuretanică sau polistiren expandat sunt utilizate în principal în construcţiile civile şi industriale, acestea prezentând o bună izolare termică şi fonică.

Panourile cu miezul din spumă poliuretanică au un mare dezavantaj: eliminarea din porii spumei a unor gaze reziduale toxice (cianaţi), efect mai pronunţat în primii 2 ani de la fabricare. Acest aspect duce şi la micşorarea în timp a gradului de izolare termică şi la o instabilitate dimensională. De asemenea, un alt dezavantaj este dat de folosirea în procesul de expandare a freonului (CF2Cl2) sau a altor produşi similari care distrug stratul de ozon.

Structurile sandwich pot avea aplicatii in domenii obisnuite precum industria ambalajelor (cartonul ondulat), dar si in domenii de vâ rf reprezentate prin industriile aeronautica si aerospatiala unde se folosesc piese de tipul sustinatorului rotativ al elicopterului (fig.5), realizat dintr-un ansamblu complex de materiale compozite.

Fig.5 Structura complexa a sustinatorului rotativ

II. STUDII DE CAZ

Aplicaţii ale produselor din materiale de tip sandwich, materiale compozite Page 10

Page 11: materiale compozite

II.1Domenii de utilizare a materialelor compozite

Datorită caracteristicilor lor deosebite, materialele compozite au numeroase aplicaţii în diverse domenii, cum ar fi: construcţia structurilor aerospaţiale şi aeronautice, construcţia de maşini, automobile şi nave, medicină, chimie, electronică şi energetică, bunuri de larg consum, optică etc., aşa cum se poate observa şi din figura 6.

Fig. 6 Domenii de utilizare ale materialelor compozite

II.2Aplicatii in industria aerospatiala

Aplicaţii ale produselor din materiale de tip sandwich, materiale compozite Page 11

Page 12: materiale compozite

Greutate scăzută, rigiditate ridicată, coeficient de dilatare termică scăzut şi stabilitate dimensională în timpul duratei de viaţă, reprezintă câteva din cerinţele uzuale pe care trebuie să le îndeplinească aplicaţiile militare. Se cunosc trei mari categorii de asemenea aplicaţii :

- sisteme de proiectile-rachetă tactice;

-sisteme de proiectile-rachetă strategice;

-sisteme de proiectile-rachetă defensive.

Componentele structurale ale primei categorii sunt de obicei uşoare si mici iar în timpul funcţionării trebuie să reziste la acceleraţii foarte mari şi la vibraţii în condiţii de lucru foarte severe (umiditate ridicată, nisip, sare şi substanţe chimice). Carcasele motoarelor acestor rachete trebuie să funcţioneze la presiuni ridicate şi să aibă o rigiditate axială mare. De aceea, majoritatea componentelor rachetelor tactice sunt realizate din metal, materialele compozite fiind doar înlocuitori ai metalelor.

Rachetele strategice au în general componentele de dimensiuni foarte mari, nu lucrează la temperaturi ridicate iar carcasa motorului funcţionează la presiuni scăzute. Datorită gabaritului lor aceste componente sunt realizate în mod obişnuit din filamente de carbon înfăşurate, cu scopul reducerii greutăţii.

Componentele rachetelor defensive trebuie să fie uşoare şi rezistente la variaţii mari de temperatură. În plus, acestea sunt supuse unor acceleraţii foarte mari la lansare, precum şi unor solicitări de şoc, vibraţii etc. Una dintre cele mai severe cerinţe ale acestor rachete este aceea de a rezista la radiaţiile nucleare şi de a corespunde din punct de vedere structural şi aerodinamic atunci când sunt supuse presiunilor ridicate datorate exploziilor nucleare. Datorită acestor cerinţe cea mai mare parte a componentelor rachetelor defensive sunt realizate din materiale compozite.

Protecţia termică joacă un rol foarte important, cu precădere la intrarea în atmosferă a navelor spaţiale. La naveta aerospaţială NASA (USA) se utilizează garnituri din compozit carbon – carbon, siliciu – siliciu şi piese structurale din bor - aluminiu (fig.7). Temperatura de utilizare este de 300 C, dar poate ajunge şi la 600 C.

Partea centrală este protejată de plăcuţe din compozite ceramice siliciu – siliciu, care constituie un scut termic radiant. Ele sunt separate printr-un perete dintr-un aliaj uşor sau un stratificat bor – aluminiu dar şi printr-un sandwich din fetru şi naylon neinflamabil (silicon – fagure de albină).

În ceea ce priveşte fibrele, o largă utilizare în această industrie o au fibrele de sticlă (sticla E şi S), fibrele aramide şi cele de carbon - grafit.

Sticla E este folosită la izolaţii iar sticla S la confecţionarea carcaselor motoarelor rachetelor.

Aplicaţii ale produselor din materiale de tip sandwich, materiale compozite Page 12

Page 13: materiale compozite

Fibrele aramide introduse în aplicaţii pentru prima dată la începutul anilor '70, sunt utilizate la fabricarea carcaselor motoarelor rachetelor strategice şi tactice ca şi pentru rezervoarele sub presiune ale navetelor spaţiale şi ale sateliţilor.

Fig.7 Componente ale navetei aerospaţiale NASA realizate din materiale compozite

Fibrele de carbon, introduse în aplicaţii curente tot prin anii '70, sunt utilizate pe scară largă în structurile ce necesită o bună stabilitate structurală şi rigiditate foarte mare. Aceste fibre sunt folosite sub formă de filamente înfăşurate la realizarea structurii de rezistenţă şi a carcasei rachetelor strategice.

Răşinile cele mai utilizate în aplicaţiile aerospaţiale sunt cele epoxidice. Acestea au o bună comportare atât la temperaturi ridicate (120-180C). cât şi la temperaturi scăzute (-90C). Răşinile

Aplicaţii ale produselor din materiale de tip sandwich, materiale compozite Page 13

Page 14: materiale compozite

epoxidice răspund bine şi altor cerinţe cum ar fi: tenacitate şi rezistenţă mare la rupere, propagare foarte lentă a fisurilor.

Alte tipuri de răşini utilizate mai recent în acest domeniu îl reprezintă răşinile poliimidice şi termoplastice. Răşinile poliimidice au performanţe foarte bune la temperaturi cuprinse între 200 şi 300C şi se utilizează cu precădere la realizarea rachetelor tactice, dar au dezavantajul unei tehnologii dificile de prelucrare şi un preţ de cost mult mai mare decât cel al răşinilor epoxidice.

II.3Aplicatii in industria aeronautica

Un scurt istoric ne permite să observăm că cerinţele unei mase mici aliate cu robusteţea au dirijat foarte devreme constructorii de avioane către materialele compozite :

- în 1938 avionul Morane 406 (Franţa) utiliza panourile sandwich cu miez de lemn acoperit cu plăci de aliaj uşor;

- în 1943 se utilizau la Spitfire (Marea Britanie), pentru lonjeron şi piese componente ale fuselajului, compozite cu matrice fenolică ranforsate cu fibre de cânepă;

- compozitul sticlă-răşină se utilizează începând din anul 1950, el permiţând realizarea unor carenaje complexe;

- piese cu structură de carbon – epoxy au fost folosite începând din 1970;

În prezent, marea majoritate a industriei aeronautice a S.U.A. foloseşte ca materiale de bază compozitele armate cu fibre de carbon. Acestea se prezintă sub formă de benzi preimpregnate - denumite "prepreg" - şi sunt folosite pe scară largă de firmele Boeing, McDonnell Douglas, General Dynamics şi Northrop.

Cele mai multe aplicaţii ale acestor materiale sunt destinate programelor militare, ce reprezintă mai mult de 40% din industria totală de aviaţie . În anul 1985 concernul McDonnell Douglas a utilizat 181500 kg materiale compozite pentru avioanele de luptă F-18 şi AV-8B. Circa 26% din greutatea structurii avionului AV-8B o reprezintă materialele compozite, ceea ce contribuie la o reducere a greutăţii acestuia cu aproape 225 kg. Sunt realizate din materiale

compozite următoarele elemente: chesonul aripii, fuselajul din faţă, stabilizatorul orizontal, profundorul, flettnerul, carenajul şi alte suprafeţe de control. Învelişurile aripilor sunt alcătuite din mai multe plăci stratificate puse cap la cap şi îmbinate într-o structură tip multilonjeron.

Aplicaţii ale produselor din materiale de tip sandwich, materiale compozite Page 14

Page 15: materiale compozite

Pentru avionul F-18, 10,3% din greutatea sa şi mai mult de 50% din suprafaţa sa sunt realizate din compozite armate cu fibre de carbon (fig.8). Aceste materiale sunt îndeosebi folosite pentru învelişul aripilor, pentru suprafeţele de comandă de pe aripă şi ampenaje, frâna aerodinamică, cât şi pentru prelungirea bordului de atac. Învelişurile aripilor acestui avion sunt realizate din plăci stratificate a căror grosime variază de la bază spre vârf având grosimea minimă de 2 mm.

Fig.8 Avionul F-18

Bombardierul B-18 utilizează un număr mare de componente ale structurii realizate din materiale compozite.

Aplicaţii ale produselor din materiale de tip sandwich, materiale compozite Page 15

Page 16: materiale compozite

În figura 9 sunt prezentate câteva din aceste componente. Acestea includ lonjeroanele din spate, uşa gondolei armamentului şi flapsurile. Toate aceste materiale, inclusiv adezivii, sunt tratate termic la 175C. Aceste componente includ stratificatele, structuri în fagure precum şi structuri sandwich (plăci compozite cu miez de aluminiu).

Fig.9 Componente ale bombardierului B-18 realizate din materiale compozite

Uşile gondolelor armamentului sunt realizate din materiale sandwich la care miezul este alcătuit din structură de tip fagure de aluminiu iar învelişul din foi de carbon - epoxy. Datorită faptului că uşile sunt aşezate într-o poziţie vulnerabilă, putând fi supuse la deteriorări, acestea sunt prevăzute cu straturi exterioare alcătuite din răşini fenolice armate cu fibre aramide, realizându-se astfel o rezistenţă la penetrare foarte ridicată. Pentru fiecare avion se folosesc 3040 kg. materiale compozite, rezultând o scădere a greutăţii de circa 1360 kg.

Firma Gruman Aerospace a realizat, plecând de la un compozit armat cu fibre de bor, stabilizatoare orizontale pentru avionul de luptă F-14A.

Firma General Dynamics utilizează un compozit armat cu fibre de carbon pentru stabilizatorul orizontal şi vertical.

Aripile avionului de atac A-6 sunt realizate în prezent din materiale compozite foarte uşoare, cu proprietăţi mecanice îmbunătăţite şi cu o mai bună rezistenţă la coroziune.

Aplicaţii ale produselor din materiale de tip sandwich, materiale compozite Page 16

Page 17: materiale compozite

Elicopterele constituie o categorie mai puţin dezvoltată decât avioanele, dar ţinând cont de specificul acestor aparate, cadenţa de implementare a materialelor compozite este mai ridicată şi ocupă procentaje mai importante decât în cazul avioanelor.

În figura 10 sunt prezentate câteva dintre componentele elicopterului Aerospatiale, realizate din materiale compozite.

Fig. 10 Componente ale elicopterului Aerospatiale realizate din materiale compozite

Elicopterul V-22 are fuselajul realizat din compozite, aceste materiale contribuind la o reducere a greutăţii cu aproximativ 50%.

Tendinţele actuale indică foarte clar că, materialele compozite vor fi utilizate din ce în ce mai mult, atât în industria comercială cât şi în tehnica militară.

Aplicaţii ale produselor din materiale de tip sandwich, materiale compozite Page 17

Page 18: materiale compozite

II.4Aplicatii in industria auto

Cerinţele actuale şi de viitor în domeniul autovehiculelor privesc creşterea eficienţei motorului, reducerea emisiilor nocive, reciclarea materialelor componente etc. Acestea impun schimbări tehnologice importante, precum şi apariţia unei noi clase de autovehicule, care să fie ecologice, eficiente din punct de vedere al vânzării şi economice în utilizare.

Pentru respectarea acestor cerinţe, domeniile în care sunt necesare noi tehnologii sunt :

- dezvoltarea de motoare de tracţiune cu randamentul mărit – consum scăzut de carburant însoţit de creşterea puterii motorului la capacitate cilindrică mică;

- reducerea greutăţii totale a autovehiculului cu până la 40%, obţinută în special prin reducerea greutăţii caroseriei şi a structurii interioare;

- reducerea coeficientului aerodinamic al autovehiculului, printr-o formă corespunzătoare a caroseriei.

O parte dintre cerinţele de mai sus pot fi satisfăcute prin utilizarea în structura caroseriei a materialelor noi şi în special a materialelor compozite polimerice.

O structură modernă a caroseriei unui autovehicul este constituită dintr-un şasiu de rezistenţă din oţel înalt aliat sau din aliaje de aluminiu, la care se adaugă panourile de caroserie (exterioare şi interioare) realizate din compozite polimerice. Există şi varianta folosirii unor panouri exterioare din aliaje de aluminiu sau din oţel inoxidabil, dar care din cauza preţului de cost ridicat se utilizează doar în cazuri cu totul speciale.

Compozitele polimerice care se utilizează în acest caz au drept elemente de ranforsare structuri din fibră de sticlă sau mai rar fibre de carbon şi aramide, lungi şi scurte.

Ca matrice a compozitului se utilizează materialele termoplastice, care sunt reciclabile şi mai rar materialele termorigide.

Marile societăţi constructoare de autovehicule precum FORD, ROVER, RENAULT, CHRYSLER, FIAT, GENERAL MOTORS, MERCEDES etc., folosesc în mod uzual, cu foarte bune rezultate, materialele compozite polimerice în construcţia autovehiculelor.

Aplicaţii ale produselor din materiale de tip sandwich, materiale compozite Page 18

Page 19: materiale compozite

Fig.11 Componente ale unui autovehicul FORD realizate din materiale compozite

Materialele compozite au fost introduse progresiv în construcţia autovehiculelor, volumul actual de utilizare fiind deosebit de mare. Ca exemplu, în figura 11 se prezintă aria de utilizare a compozitelor în cazul unui autovehicul construit de firma FORD.

În România, ARO Câmpulung – Muscel foloseşte compozitele polimerice în construcţia caroseriei autovehiculelor de teren.

Aplicaţii ale produselor din materiale de tip sandwich, materiale compozite Page 19

Page 20: materiale compozite

III.CONCLUZII

Deşi există şi factori care pot opri folosirea pe scară largă a materialelor compozite (costuri ridicate, programe de cercetare complicate, lipsa standardelor de testare etc.) totuşi, având în vedere avantajele create de utilizarea acestor materiale, se va constata, la nivel mondial, o sporire considerabilă a aplicaţiilor realizate din materiale compozite.

Perspectiva folosirii pe scară largă a unor asemenea materiale în România impune efectuarea unor cercetări care să completeze informaţiile accesibile din literatura de specialitate.

Numărul mare de lucrări apărute în acest domeniu este datorat nu numai importanţei pe care o au materialele compozite ci, mai ales, complexităţii problemelor lor de rezolvat.

Bibliografie

1. Hadăr, A., Probleme locale la materiale compozite, Teză de doctorat, U.P.B., 1997

Aplicaţii ale produselor din materiale de tip sandwich, materiale compozite Page 20

Page 21: materiale compozite

2. Pavel, R., Contribuţii privind implementarea materialelor compozite în construcţia de maşini, Teză de doctorat, Bucureşti, 1999

3. Jones, R. M., Mechanics of Composite Materials, Scripta Book, Washington D. C., 1975

4. Cristescu, N., Mecanica materialelor compozite, Vol.1, Universitatea Bucureşti, 1983

5. Alămoreanu, E., Negruţ, C., Jiga, G., Calculul structurilor din materiale compozite, U.P.B, 1993

6. Geier, M., Duedal, D., Guide practique des materiaux composites, Technique et Documentation Lavoisier, Paris, 1985

7. Tsai, S. W., Hahn, H. T., Introduction to Composite Materials, Westport, 1980

8. Gay, D., Matériaux composites, Editions Hermes, Paris, 1991

9. Buzdugan, Gh., Rezistenţa materialelor, Editura Academiei, Bucureşti, 1987

Aplicaţii ale produselor din materiale de tip sandwich, materiale compozite Page 21