1 . I N TR O D U C E R E

Materialele compozite fibroase au fost folosite pentru prima oara in cantitati relativ mici in domeniul aviatiei militare in anii 1960 iar dupa 1970 a inceput sa fie folosita si in aviatia civila. Deja in anul 1980 materialele compozite erau folosite de catre producatori de avioane comerciale pentru o varietate de elemente ale avionului precum aripi, derive si stabilizatoare. Totusi abia in ultimele generatii de avione au inceput materialele compozite sa fie folosite in structura principala. Airbus A380 are aripile create integral din materiale compozite lucru care-l ajuta sa economiseasca 17% mai mult combustibil decat orice alt avion din aceiasi categorie.2 . M A TE R I A L E C O M P O Z I T E

a)Definitie Un material compozit reprezinta o combinaie ntre dou sau mai multe materiale diferite din punct de vedere chimic, cu o interfa ntre ele. Materialele constituente i menin identitatea separat (cel puin la nivel macroscopic) n compozit, totui combinarea lor genereaz ansamblului proprieti i caracteristici diferite de cele ale materialelor componente n parte. Unul din materiale se numete matrice i este definit ca formnd faza continu. Cellalt element principal poart numele de armatura (ranforsare) i se adaug matricei pentru a-i mbunti sau modifica proprietile. Armatura reprezint faza discontinu, distribuit uniform n ntregul volum al matricei. Fibrele sunt elementul care confer ansamblului caracteristicile de rezisten la solicitri. n comparaie cu matricea, efortul care poate fi preluat este net superior, n timp ce alungirea corespunztoare este redus. Matricea prezint o alungire i o rezilien la rupere mult mai mari, care asigur c fibrele se rup nainte ca matricea s cedeze. Trebuie insa subliniat faptul c materialul compozit este un ansamblu unitar, n care cele dou faze acioneaz mpreun. b)Clasificare Considerate global, principalele categorii de compozite armate cu fibre sunt urmtoarele : 1. Compozite cu matrice polimeric de obicei sunt rini termorigide (epoxidice, poliimide sau poliesterice) sau termoplastice, armate cu fibre de sticl, de carbon, de bor sau aramidice (Kevlar), cu monocristale ceramice sau, mai recent, cu fibre metalice. Sunt folosite mai ales n aplicaii care implic temperaturi relativ joase de lucru (ajungnd, n mod excepional, pentru termoplastice fabricate prin injecie, la nivelul maxim de 400C). 2. Compozite cu matrice metalic cel mai frecvent se bazeaz pe aliaje de aluminiu, magneziu, titan sau cupru, n care se introduc fibre de bor, de carbon (grafit) sau ceramice (de obicei de alumin sau carbur de siliciu). Temperatura de lucru (uzual de cel mult 800C) a unui astfel de compozit este limitat de nivelul punctului de nmuiere sau de topire care caracterizeaz materialul matricei. Dac aplicaia avut n vedere implic temperaturi mari, atunci se recomand folosirea ca matrice a unor aliaje pe baz de nichel sau a unor superaliaje. Dezavantajul acestora este c au greuti specifice mari, ducnd la creterea masivitii structurii finale. 3. Compozite cu matrice ceramic au fost dezvoltate n mod special pentru aplicaiile cu temperaturi foarte ridicate de lucru (peste 1000C); cele mai utilizate materiale de baz sunt

carbura de siliciu (SiC), alumina (Al2O3) i sticla, iar fibrele de armare uzuale sunt tot de natur ceramic (de obicei sub form de fibre discontinue, foarte scurte). 4. Compozite carbon-carbon cu matrice de carbon sau de grafit i armare cu fibre sau esturi de fibre de grafit; sunt foarte scumpe, dar i incomparabile cu alte materiale prin rezistena la temperaturi nalte (de pn la 3000C), cuplat cu densitatea mic i coeficient mic de dilatere termica. Cele mai rspndite sunt compozitele armate cu fibre sunt fibra de carbon, fibra de sticla si Kevlar-ul. c)In industria aerospatiala Cand sunt folositi pentru industria aerospatiala, compozitile de carbon sunt distribuite in general intr-o forma unidirectionala (UD) : foi sau placi subtiri (~0.125-0.25 mm) de fibra ,care au fost pre-impregnate cu rasina care inca nu s-a solidificat, se suprapun una peste alta pentru a forma componentele necesare. Aceasta forma este ideala pentru structurile dolosite in industria aerospatiala.

3.PROCESUL DE FABRICARE

Producatori din industria aerospatiala folosesc masini care adauga straturi de compoziti de carbon laminati, care au o rasina epoxidica pre-integrata. Rasina trebuie conservata lucru facut de masini prin aplicarea unor temperaturi ridicate stivelor, formate din straturile de material compozit, in acelasi timp masinile mai aplica si o presiune mare asupra piesei pentru a o consolida si a evita formarea unor spatii goale intre straturi.Aceasta metoda prezentata mai sus se mai numeste metoda pre-preg si este cea mai folosita insa si foarte scumpa, straturile de material compozit din carbon pre-impregnat cu rasina sunt mult mai scumpe decat materialele in sine iar masinile folosite pentru consolidarea straturilor numite autoclave sunt si ele foarte scumpe si in plus ocupa foarte mult spatiu.

Recent ingineria au inceput sa dezvolte un interes cat mai mare pentru materiale de tip non-crimp fabric (NCF). NCF este o friba de carbon uscata, care este mult mai ieftina decat materialele pre-pre. Totusi absenta rasini permite fibrelor sa se separe una de alta facand imposibila stocarea si prelucrarea acestui material. Pentru a mentine fibrele impreuna ele sunt cusute pentru a forma un material cu care se poate lucra mentinand in acelasi timp rigiditatea si rezistenta specifica materialelor pre-preg (UD).

La fabricarea acestor materiale apar mai multe probleme. Una dintre probleme o reprezinta sifonarea fibrelor de carbon lucru care duce la pierderea rezistentei si a rigiditatii piesei de aceea pe tot parcursul prelucrari materialului trebuiesc impuse anumite constrangeri stricte in timpul procesului. De aceea producatori incearca sa gaseasca un raport rezistenta/greutate cat mai bun si in acelasi timp sa respecte si specificatile proiectantului deoarece materialul final va fi probabil gaurit sau ii se va aplica comutatoare de benzi pentru a diverge curentul electric provenit de la fulgere si el va fi nevoit sa-si pastreze proprietatile si in aceste situati.4.AVANTAJE

a) Greutate mica/Rezistenta mai mare. Materialele compozite (fibra de carbon cu rasina epoxidica) pot furniza un raport rezistenta/greutate mult mai bun decat metalele, cateodata chiar cu 20% mai bun. O greutate mai mica produce un consum mai mic decat cel obisnuit si deoarece structurile din plastic au nevoie de foarte putine imbinari ele sunt mult mai eficiente din punct de vedere aerodinamic.

b)Fara oboseala Performantele structurale ale fibrei de carbon ranforsata cu rasina expodica provin in principal de la rezistenta firelor de carbon. Prin comparatie gradul de rezistenta al unui aliaj de aluminiu este de obicei 450 MPa (1 MPa = 10 atm) in timp ce rezistenta unui material compozit este de 5 ori mai mare. In plus fata de rezistenta o rezistenta mare si o greutate mica, materialele compozite sunt cunoscute pentru imunitatea lor la oboseala. La metale atunci cand apare o fisura aceasta se extinde si ajunge sa distruga structura dar cum la compozite structura este neomogena rezulta ca fisurile nu se pot extinde, astfel ca ingineri pot crea design-uri care pot suporta mai mult stres.5 . F O L O S I R E A M A T E R I A L E L O R I N S TR U C TU R A A V I O N U L U I

Pentru a beneficia cat mai mult de proprietatile materialelor compozite este esential ca fibrele de carbon sa fie directionate in sensul de exercitare a stresului. De exemplu: la decolare, aterizare si in timpul zborului aripa avionului se indoaie datorita stresului care apare pe suprafata aripei, pentru a combate acest stres ingineri orienteaza 60% din fibre pe suprafata aripilor si pe lonjeron. In plus aripile sunt supuse si la un stres paralel numit stres de forfecare de aceea straturile material sunt orientate la 45. Componentele din interiorul aripi precum nervurile orienteaza 80% din fibre la 45, in acest fel directia in care este orientat materialul ofera volum si rezistenta aripi. Prin folosirea acestei metode de pozitionare a straturilor ingineri pot controla rezistenta pieselor finale. Producatori au inceput sa dezvolte o metoda numita aero-elastic tailoring (croitorie aero-elastica): aripile sunt create dupa principiul conforma caruia forma lor influenteaza portanta si distributia greutati, dar in acelasi timp aceste lucruri pot modifica structura aripi, aero-elastic tailoring va permite cresterea portantei si a greutati adaugate fara a modifica structura aripi.

6. PROBLEME DE DESIGN.

Desi materialele compozite au cateva proprietati uimitoare acestea au si anumite defecte pe care ingineri trebuie sa le rezolve precum toleranta la deteriorare si delaminarea dar una dintre cele mai mari probleme o reprezinta plasticitatea. Metalele au o proprietate foarte importanta, aceea ca la exercitari puternice de forte ele sufera anumite deformati ( se indoaie sau se intind) inainte sa se rupa, ca rezultat structurile metalice pot absorbi mici impacturi zilnice ( care formeaza anumite urme in structura) dar care modifica foarte putin rezistenta de

baza a structuri. Plasticitatea permite ca presiunea exercitata in anumite zone de stres maxim sa fie distribuita in regiuni cu zone de stres minime asigurant stabilitatea structuri. In schimb materialele compozite nu prezinta aceasta proprietate, la cele mai mici impacturi ele tind sa creeze fisuri in matricea materialului lucru care conduce la scadere a rezistentei in aceea zona, in plus concentratiile de stres pot produce defectiuni majore in structura.7 . A V I O A N E C A R E F O L O S E S C M A T E R I A L E C O M P O Z I TE

-Airbus A380 foloseste materiale compozite in principal in structura principala si in aripi

- Boeing 787 Dreamliner este facut 50 % din materiale compozite

-Airbus A400M un avion militar de transport care foloseste materiale compozite pentru a suporta mai multe incarcaturi si pentru o mentenenta cat mai redusa.