kompoziti skripta
DESCRIPTION
materialsTRANSCRIPT
1
Zdravko SchauperlŠkolska god. 2009./10.
Kompozitni materijali
(“Kompoziti”)
Kompozitni materijali
Sadržaj:
Definicija
Svojstva
Podjela
Mjesta i karakteristike primjene
Proizvodnja
Konstrukcije
2
UvodKompozitni materijali ili kompoziti su dobiveni umjetnim
spajanjem dvaju ili više kemijski različitih materijala s jasnom granicom izmeñu njih.
Heterogeni materijali koji se sastoje od više materijala a s ciljem dobivanja materijala takvih svojstava kakva ne posjeduje niti jedna komponenta sama za sebe.
Kompozitni materijali
Zašto kompoziti?
Prednosti nad “tradicionalnim” konstrukcijskim materijalima:Mehanička svojstva (specifična čvrstoća, krutost)Otpornost na korozijuOdržavanjeVijek trajanja“Dizajniranje” svojstava
Kompozitni materijali
3
Stanje na tržištu SAD
Izvor: SPI Composites InstituteIzvor: SPI Composites Institute
Kompozitni materijali
2001. godine 2008. godine
Kompozitni materijali
4
Uvod
+
Ojačalo
=
Kompozit
Kompozitni materijali
Matrica
Opeke, beton, tvrdi metal
Kompozitni materijali
Uloga matrice:– Povezuje vlakna
– Prenosi opterećenje na vlakna
– Zaštićuje vlakna od okolnih utjecaja i oštećenja
Zahtjevi na matricu:
– Otpornost na koroziju
– Poboljšana svojstva u poprečnom smjeru
– Poboljšavanje žilavosti cijele konstrukcije
– Ne smije kemijski reagirati s vlaknom
– Mora prianjati uz vlakna
5
Kompozitni materijali
Uloga ojačala:– Visoka čvrstoća
– Visok modul elastičnosti - krutost
– Ostala zahtjevana svojstva (toplinska vodljivost, otpornost na trošenje…)
Ukupno ponašanje kompozita ovisi o:
– svojstvima matrice i ojačala,
– veličini i rasporedu (raspodjeli) konstituenata,
– volumnom udjelu konstituenata,
– obliku konstituenata,
– prirodi i jakosti veze meñu konstituentima.
Kompozitni materijali
6
Kompozitni materijali
Podjela kompozitaPodjela kompozita
Materijal matrice Oblik ojačala
Metalna
Keramička
Polimerna
(Ugljik)
Čestice
Vlakna
ugljik-ugljik kompoziti (do 1700 °C, a kratkotrajno do 2700 °C).
Kompoziti ojačani s česticama
Disperzije (promjer do 0,1µm)
Velike čestice (promjer od 0,1µm)
Al2O3, SiC, BN, ZrO2, TiC, ThO2, SiO2, WC, B4C
Veličina čestica
Volumni udio
Razmak izmeñu čestica
Kompozitni materijali
Cu kompozit ojačan dispergiranimčesticama B4C
7
Kompoziti s česticama
Disperzije (do 0,1µm)
GrijačiW-ThO2, ZrO2
Električne komponentePt-ThO2
Ploče akumulatoraPb-PbO
Dijelovi turbinaNi-20 %Cr-ThO2
Magnetski materijali postojani puzanjuCo-ThO2, Y2O3
Svemirska tehnika i nuklearni reaktoriBe-BeO
Nuklearni reaktoriAl-Al2O3
Električni kontaktiAg-CdO
PrimjenaSustav
Velike čestice: tvrdi metali, abrazivne ploče, električni kontakti (W+Ag)
Kompozitni materijali
Kompoziti ojačani s vlaknima
Viskeri
Vlakna
Žice
Viskeri: monokristali, veliki omjer duljina/promjer, pravilna graña, Rm, najčvršći poznati materijal, cijena (grafit (ugljik), silicijev karbid, silicijev nitrid, aluminijev oksid)
Vlakna: polimerna i / ili keramička, polikristalna ili amorfna
Žica: čelik, Mo, W, relativno veliki promjer, aut. gume, cijevi,
TiB viskeri
8
Vlaknima ojačani kompoziti
Žica: čelik, Mo, W, relativno veliki promjer, aut. gume, cijevi,
21,14070,15289019300Volfram
31,83240,22220010200Molibden
26,62100,3023907900Visokočvrsti čelik
Metalne žice
1211172,682600970PE-UHMW (Spectra 900)
1334001,3039003000Silicijev karbid
1564001,4036002570Bor
2872,51,3434502580E-staklo
106...407228...7240,70...2,701500...48001780...2150
Ugljik a
911312,5...2,853600...41001440Aramid (Kevlar 49)
963790,3513803950Aluminijev oksid
Vlakna
1504806,25200003200Silicijev karbid (SiC)
175...375700...15002,5…5,010000...200004000Aluminijev oksid (Al2O3)
109...118350...3801,56…2,25000...70003200Silicijev nitrid (Si3N4)
3187009,1207002200Grafit
Viskeri
Specifičnimodul,(x103m2/s)
Modulelastičnost
ikN/mm2
Specifičnačvrstoća,(x106m2/s)
Vlačnačvrstoća, N/mm2
Gustoća,kg/m3
Materijal
Karakteristike vlaknima ojačanih kompoziti
Omjer duljina promjer
Volumni udio vlakana
Usmjerenost (raspored) vlakana
Svojstva vlakana
Svojstva matrice
Kompozitni materijali
9
Kompozitni materijali
Usmjerenost (orijentacija)
Raspored ojačavala
(a) kontinuirana jednosmjerna vlakna, (b) slučajno usmjerenadiskontinuirana vlakna,
(c) ortogonalno rasporeñena vlakna, (d) višesmjerno usmjerenavlakna
Kompozitni materijali
10
Kompozitni materijali
Ponašanje jednosmjerno ojačanog polimera s vlaknima
Vrste vlakna
Kompozitni materijali
STAKLENA
ARAMIDNA
UGLJIČNAKERAMIČKA NYLON POLYESTER
POLYETHYLENE POLYPROPYLENE
Specifični modul, specifična čvrstoća, žilavost, radna temperatura…
11
Staklena vlakna
Kompozitni materijali
90% svih vlakana kod PK
Promjer: 3-20µm,
Jeftina proizvodnja, relativno dobra specifična čvrstoća, kemijska postojanost
A-staklo (visoko alkalno, dobra kemijska otpornost, slaba el. svojstva)
C-staklo (specijalan sastav za izuzetno agresivne kemikalije)
E-staklo (>50% svih stakl.ojačala, dobra čvrstoća, otpornost na utjecaj morske vode-brodogradnja)
S-staklo (čvrstoća 30% veća od E-stakla, bolja Rd, 3-4x skuplje od E-stakla)
D-staklo (niska dielektrična konstanta, loša meh svojstva)
T-staklo (do 1050oC, viša Rm i E)
Kompozitni materijali
12
Kompozitni materijali
Aramidna vlakna
Kompozitni materijali
1965. god – DuPont, (aromatski PA)
1970. god – komercijalna primjena
Kevlar 49 (29, 149...), Twaron
Različite vrste – različita svojstva ali svi visok Rm – preko 3000N/mm2
ρ=1,44g/cm3; Rd, žilavost.
Otpornost na abraziju, dobra kemijska i toplinska postojanost.
Degradacija (spora) kod UV zračenja
Tlačna čvrstoća lošija od staklenih i ugljičnih vlakana, slaba adhezija sa matricom, higroskopan, skuplji od stakl. vlakana
Nije krhak – tkanine
aramid+fenolne smole
13
Balistika
14
Kablovi od optičkih vlakana
Twaron preña kao zaštita optičkih vlakana od mehaničkog opterećenja
Gumeni proizvodi• Visoka čvrstoća i dinamička izdržljivost• Temperaturna postojanost• Kemijska postojanost
15
Zrakoplovstvo
– Airbus (fairings)
– Boeing (ducts,radomes)
– Eurocopter (Tiger)
– MD (Apache)
– LD3 (KLM, SAS,……)
– Engine containment belts
KOMPONENTE
16
Zaštita od potresa/obnova zgrada
Ugljična vlakna
Kompozitni materijali
1958. god - Union Carbide Parma Technical Center, Cleveland, Ohio
1970. god – komercijalna primjena (85% C atoma)
Promjer niti 5-10µm - uglavnom C-atomi, relativno pravilno složeni u kristalnoj rešetci
17
Ugljična vlakna
Kompozitni materijali
1958. god - Union Carbide Parma Technical Center, Cleveland, Ohio
1970. god – komercijalna primjena (85% C atoma)
Promjer niti 5-10µm - uglavnom C-atomi, relativno pravilno složeni u kristalnoj rešetci
Ugljična vlaknaToplinska piroliza POLYACRYLONITRIL (PAN), polimer baziran na ACRYLONITRILU
Rm= 5.600 N/mm2
E= 530.000 N/mm2
18
Usporedba mehaničkih svojstva standardnih ugljičnih vlakna s čelikom povišene čvrstoće
Materijal
Vlačna čvrstoća(GPa)
Modul elastičnosti
(GPa)
Gustoća(g/cm3)
Specifična čvrstoća
(GPa)
Ugljična vlakna (Standard Grade)
3.5 230.0 1.75 2.00
Čelik povišene čvrstoće
1.3 210.0 7.87 0.17
standardni modul (220GPa)
srednji modul (240GPa)
visoki modul (300GPa)
ultravisoki modul (>500GPa)
Ugljična vlakna
Toplinska vodljivost značajno bolja nego kod Cu
+ odgovarajuća matrica = najbolja korozijska postojanost
Žilavost slabija nego kod staklenih ili aramidnih vlakana
Najveći specifični modul i visoka specifična čvrstoća
19
SPORT
20
Keramička vlakna
Za kompozite otporne na visoke temperature (preko 1000 oC)
Za izradu MMC
Neoksidna keramika - na osnovi SiC, Al (Al2O3, AlSi…)
Oksidna keramika - yttrium aluminium garnet (YAG) (Y3Al5O12)
W – jezgra, a oko nje SiC (CVD)
SVOJSTVA VLAKANA
21
SVOJSTVA KOMPOZITA
Ugljik / Aramid
Dobra žilavost+vlačna čvrstoća od aramida
Tlačna i vlačna čvrstoća od ugljičnih vlakana
Nisko gustoća ali relativno visoka cijena
Aramid / Staklo
Mala gustoća, žilavost, vlačna čvrstoća od aramida.
Tlačna i vlačna čvrstoća od stakla
Niska cijena!!
Ugljik / Ştaklo
Tlačna i vlačna čvrstoća, krutost, gustoća - ugljik
Dobra svojstva, cijena - staklo
Niska cijena!!
Hibridni kompoziti
Kompozitni materijali
22
Tvornička ojačala
Proizvodnja spojenih dugih C, S, A vlakana s ciljem proizvodnje jednoslojnih ili višeslojnih ploča (tkanina)
Jednosmjerna (unidirekcijski)
Pletiva
Kompozitni materijali
Sendvič konstrukcije“Strukturni kompoziti”: Ne ovise o svojstvima matrice i ojačala već
i o geometrijskom rasporedu elemenata konstrukcije
Savojna čvrstoća grede – E*I3
a I = b a3 /12, (b je dubina).
Relativna krutostRelativna čvrstoća
Relativna masa
Tanka kora–jezgra preuzima tlačna opterećenja! – meh. Svojstva jezgre!
23
Paneli u brodogradnji npr. jezgra– saće; izvana Al lim (folija) = krut, čvrst, lagan konstrukcijski materijal
Kompozitni materijali
JezgraJezgra
Pjene (PVC, PS, PU, PEI polieterimid, akrilne pjene)
U primjeni gustoće od 40-200kg/m3
Debljine od 5-50mm
Saće (Al, Nomex – aramid, ABS, Polikarbonat, PP, PE)
Al – najbolja specifična čcrstoća, opasnost od galvanske korozije
Nomex – otpornost na požare (avioni)
Plastomeri – mogućnost recikliranja
Drvo (Balza, cedar)
Kompozitni materijali
24
Predviñanje svojstava Vlak (vlačna čvrstoća ojačala)
Tlak (adhezija, krutost matrice)
Smik (matrica prenosi naprezanje kroz kompozit, adhezija, krutost matrice)
Savijanje (kombinacija vlak, tlak, smik)
Kompozitni materijali
Zakon miješanja:
Opterećenje paralelno sa vlaknima (iso-strain):
Opterećenje okomito na vlakna (iso-stress):
mmvvc VV ⋅+⋅= ρρρρρρρρρρρρ
mmvvc VEVEE ⋅+⋅=
fmmf
fm
cVEVE
EEE
⋅+⋅
⋅=
Kompozitni materijali
25
Poliesterska smola ojačana je sa staklenim vlaknima čiji je volumni udio 60%. Izračunajte modul elastičnosti kompozita u smjeru vlakana.
Em = 6,9 x 103MPa
Est.vl. =72,4 x 103MPa
(rezultat: Ec. =46,2 x 103MPa)
Kompozitni materijali
Proizvodnja kompozitnih dijelova
– Ručno polaganje
– Oblikovanje naštrcavanjem
– Pultrudiranje
– Ubrizgavanje smole u kalup (RTM - resin transfer moulding)
– Namatanje (filament winding)
– Prepreg
26
Ručno polaganjeVlakna povezana u tkanja različitog oblika stavljaju se u kalup. Na njih se nanosi smola koja se impregnira u ojačanja pomoću valjaka ili kistova. Do skrućivanja dolazi pri atmosferskim uvjetima.
Nedostaci:� kvaliteta postupka u velikoj mjeri ovisi o umješnosti radnika. Teško proizvesti kompozite s malim udjelom smole bez pukotina.� Koriste se smole male viskoznosti što znatno utječe na svojstva.
Prednosti:� vrlo jednostavan postupak koji se primjenjuje već dulje vrijeme,� malen trošak izrade alata,� veliki izbor vrste materijala i dobavljača,� udio vlakana je veći i vlakna su dulja nego u slučaju polaganja naštrcavanjem.
27
NaštrcavanjeVlakno ulazi u ručni pištolj u kojem se sječe na manje komadiće i dodaje u struju zraka i tekuće smole. Takva se mješavina naštrcava u kalup gdje se i skrućuje u atmosferskim uvjetima. Kao materijal matrice se uglavnom koriste poliesteri, dok se za ojačanje koriste isključivo staklena vlakna.
28
Nedostaci:� sadrže nešto veću količinu smole tako da imaju veću masu,� za ojačanja se koriste samo kratka i sječena vlakna, tako da
konačni proizvod ima ograničena mehanička svojstva,� smola moraju imati malu viskoznost kako bi se mogle naštrcavati,
a to najčešće ide na štetu mehaničkih i toplinskih svojstava,
Prednosti:� široka primjena postupka već niz godina,� vrlo jeftin način taloženja vlakna i smole,� mali trošak izrade alata.
Kalupi za ručno polaganje / naštrcavanje
29
Pultrudiranje
Osnovne karakteristike:
� Ujednačen presjek
� Kontinuirana dužina
� Anizotropnost
� Mogući komplicirani oblici profila
� Hibridna ojačala
Pultrudiranje
Nedostaci:
� anizotropnost
�visoka cijena alata
Prednosti:
� brz, ekonomičan postupak
�homogen materijal i svojstva
�komplicirani profili
30
pultrudirani profili od polimernih kompozita u graditeljstvu
31
Ubrizgavanje smole u kalup (Resin transfer moulding - RTM)
Predoblik od vlakana se postavlja u kalup (mogu se stvoriti različiti oblici koji se drže vezivom). Kalup zatvara te se u njega ubrizgava smola (može se koristiti i vakuum). Nakon što je kalup popunjen zatvaraju se mjesta na kojima je ubrizgana smolai dolazi do skrućivanja na povišenim ili sobnim temperaturama.Mogu se koristiti gotovo sve vrste matrica i vlakana.
Prednosti:� proizvodnja kompozita s visokim udjelom vlakana i s niskim udjelom pukotina u materijalu,� budući da je smola zatvorena u kalup, ne predstavlja opasnost za okolinu,� puno bolji izgled površine.
Nedostaci:� skup i težak alat,� proizvodnja je ograničena na manje komade,� mogu se pojaviti mjesta na proizvodu koja nisu popunjena smolom, što zahtjeva dodatnu kontrolu i potencijalni otpad.
32
DRUGI PROCESI UBRIZGAVANJA – SCRIMP, RIFT, VARM itd.Tkanja se polažu u kalup a na njih se stavlja površinski pokrov i pletivo. Pomoću vakuum pumpe se uklanja zrak, a zatim slijedi ubrizgavanje smole. Pletivo olakšava protok smole i vlanje ojačanja. Matrice: epoksidne smole, poliesteri i vinil esteri. Kao ojačanja mogu poslužiti sve vrste vlakana.
Prednosti:
� mnogo manji trošak izrade alat, budući da kao gornji dio kalupa služi pokrov iz kojeg se isisava zrak,� moguća je proizvodnja dijelova velikih dimenzija,� moguće je i korištenje alata koji se inače primjenjuju u postupku ručnog polaganja.
Nedostaci:� izvoñenje procesa je relativno složeno,� moraju se koristiti smole male viskoznosti,� moguća je pojava lokaliteta u koje nije impregnirana smola (otpad).
33
34
Namatanje (filament winding)
35
Prednosti:
� vrlo brza i ekonomična metoda,� može se regulirati udio smole na vlaknima,� troškovi su manji zbog toga što se rabe pojedinačna vlakna, a ne tkanja� mogu se dobiti odlična mehanička svojstva kompozita ako se vlakna poslažu u smjeru djelovanja opterećenja.
Nedostaci:
� oblici proizvoda koji se dobivaju su ograničeni (konveksni),� smještaj vlakana na različite oblike nije uvijek lagan (npr uzdužno) ,� troškovi dijela na koju se namotava mogu biti visoki u slučaju izrade velikih dijelova,� vanjska površina proizvoda nije uvijek estetski prihvatljiva.
Namatanje (filament winding)
36
Namatanje (filament winding)
Spremnik od polimernog kompozita proizveden namatanjem
37
Prepreg
Različita vlakna ili tkanja se predimpregniraju sa smolom. Tako dobiveni oblicise najčešće zamrzavaju kako bi se mogli skladištiti dulje vrijeme. Smola koji se koristi nije potpuno u krutom stanju tako da je prepreg na dodir malo ljepljiv. Nakon toga se preprezi strojno polažu u kalup, vakuumski se pakiraju i zagrijavaju na temperaturu 120-180°C. Uz kemijske dodatke moguće je sniziti temepraturu skrućivanja na 60-100°C. Ako je za stvaranje kompozita potrebannešto viši tlak sve se to stavlja u autoklavu kojom je moguće postići tlakove do 5 atmosfera. Matrice: epoksidne smole, poliesteri, fenoli i visokotemperaturni plastomerikao što su npr. poliimidi.
Prednosti:
� moguće je vrlo precizno podešavanje udjela vlakana i smole,� materijali su potpuno ekološki prihvatljivi,� moguće je impregniranje i smola visoke viskoznost čime se značajno utječe na mehanička i toplinska svojstva kompozita,� moguća je automatizacija cijelog procesa.
Nedostaci:
� troškovi materijala su veći,� materijal se skrućuje u autoklavama koje su prilično skupe i ograničenih su dimenzija,� proces se odvija na povišenim temperaturama tako da i to treba uzeti u obzir prilikom izbora materijala alata.
38
METALNI KOMPOZITI(MMC – Metal Matrix Composites)
Matrice: superlegure, legure aluminija, magnezija, titana i bakra
Ojačala: - čestice
- kontinuirana vlakna (ugljik, silicijev karbid, bor, aluminij i tvrdi metali)
- diskontinuiranih vlakana i viskera (silicijeva karbida, sjeckana vlakna od ugljika i aluminija i čestice aluminija i karbida,dijamanti)
Prednosti:
� vrlo visoka čvrstoća i krutost uz vrlo malu gustoću,
� visoka toplinska i električna vodljivost i niska toplinska rastezljivost,
� vrlo dobra otpornost na trošenje,
� vrlo dobra svojstva na visokim temperaturama.
Nedostaci:
� komplicirana proizvodnja,
� vrlo visoka cijena - cijena će padati sa širenjem primjene,
� nedovoljno podataka o svojstvima materijala,
� još uvijek nema dovoljno smjernica za konstruiranje s ovom vrstom materijala,
� loša recikličnost.
39
Vlakno MatricaVolumni
udiovlakna, %
Gustoća,kg/m3
Modul E, kN/mm2 Rm, N/mm2
Ugljičnovlakno
Al-legura 6061
41 2440 320 620
Vlakno bora 48 - 207 1515
SiC 50 2930 230 1480
Al2O3Al-legura
380.0 24 - 120 340
Ugljičnovlakno
Mg-leguraAZ31
38 1830 300 510
“Borsic” Titan 45 3680 220 1270
Označivanje:
A / B / Xp – I
matrica ojačalo udio vrsta
Al 6061 / Al2O3 / 20p / T6
Al / Nextel 610 / 45f (Re = 1200 MPa)
40
Kompoziti s Al-matricom
-najveći udio na tržištu
MATERIJAL E, GPa Rp0,2 ,MPa Rm ,MPa A5 ,%
6061+0 %TiB2 70 79 220 48
6061+6 %TiB2 90 189 346 27
6061+12 %TiB2 96 220 390 16
2618+0 %TiB2 74 101 343 43
2618+8 %TiB2 89 211 410 18
Utjecaj čestica TiB2 na mehanička svojstva
Kompoziti s Al-matricom
Klipnjača napravljena od Al-legure ojačane s Al2O3 česticama. Ona ima puno bolja mehanička svojstva i otpornost na umor od čelične klipnjače, a uz sve to ima i 42 % manju masu
Profili od Al-legure ojačane s grafitnim vlaknima. Imaju jednaku krutost kao i čelik, a masu manju od aluminija
Ventili automobilskog motora napravljeni od kompozita s Ti-matricom koja je ojačana SiC česticama
41
Zamašnjak napravljen od kompozita s Al-matricom i vlaknastih Al2O3
ojačanja
Hondin blok motora napravljen od kompozita s Al-matricom i Saffilkratkih Al2O3 vlakana
Klip od kompozita Al-legura + Saffilvlakna
Dio konstrukcije Space Shuttle-a napravljen od B/Al kompozita kojim se postigla ušteda u masi od 45 % u odnosu na Al legure
Al/SiC cilindar koji je ugrañen u bolide Formule 1
Umeci mjenjačke kutije koji služe za lokalno ojačanje, a napravljeni su od Mg-legure ojačane ugljičnim vlaknima
42
Space Shuttle:
nosači (cijevi) u prostoru za teret
243 cijevi, d = 25-92 mm l = 0,6-2,3 m
6061/B/50f - 145 kg manja masa po letjelici (u usporedbi sa Al)
Hubble teleskop (4.3 cm x 8.6 cm x 2 m ):
6061/C/40f
40 % manja masa (u odnosu na Al)
(dimenzijska stabilnost – α)
43
KERAMIČKI KOMPOZITI(CMC – Ceramic Matrix Composites)
Mana - sklonost krhkom lomu.
Rješenje: keramička matrica + keramička ojačanja.
stabilnost na ekstremno visokim temperaturama,
otpornost na toplinski šok,
iznimna otpornost na koroziju,
velika tvrdoća,
mala masa.
CMC sa SiC matricom ojačanog s kontinuiranim SiC vlaknima
Gustoća, kg/m3 2100
Tlačna čvrstoća, MPa 450
Vlačna čvrstoća, MPa 262
Smična čvrstoća, MPa 34
Modul elastičnosti, GPa 96
Toplinska vodljivost, 10-6/K 2,7
Toplinska rastezljivost, W/mK 1,32
44
Al2O3 matrica
Al2O3 vlakna Al2O3 matrica
C vlakna + Ni sloj
Al2O3 matrica
SiC (3µm) čestice
Rezni alati napravljeni od kompozita s Al2O3 matricom i SiC viskerima
Glave izmjenjivača topline napravljene od kompozita s Al2O3matricom koji je ojačan kontinuiranim vlaknima
Kočni diskovi Porsche-a 911 Turbonapravljeni od kompozita sa SiC matricom koji je ojačan ugljičnim vlaknima
45