Tehnologia Materialelor Compozite

Download Tehnologia Materialelor Compozite

Post on 24-Jun-2015

2.637 views

Category:

Documents

6 download

Embed Size (px)

TRANSCRIPT

Curs Tehnologia Materialelor Compozite Anul IV MF 2007-2008 sem. II

Prof. dr. ing. M. Banu

1

PREFA

n contextul utilizrii din ce n ce mai mari a produselor din materiale neconvenionale, lucrarea de fa i propune prezentarea ctorva aspecte referitoare la materialele compozite, o caracterizare i o analiz a comportrii acestora n timpul prelucrrii prin diferite procedee specifice acestor materiale. De asemenea, sunt subliniate ramurile industriale care ar putea asimila fabricarea i realizarea unor produse din materiale compozite. Avantajele pentru care aceste materiale cuceresc piaa de produse sunt urmtoarele: greutate sczut n comparaie cu materialele clasice, rezistena mare la uzur, coroziune, caracteristici mecanice n concordan cu necesitatea ulterioar a produsului. Costul mai ridicat al acestor materiale se justific prin precizia, calitatea produselor obinute, iar funcionarea acestora conduce la o mrire a fiabilitii, mentenanei, i dac este vorba de industria automobilelor i a aeronauticii, de un consum sczut de energie. tiina materialelor compozite a aprut din necesitatea unor studii multidisciplinare, pornind de la faptul c elaborarea acestora este complex, condiiile de operare n care aceste materiale trebuie s funcioneze sunt severe, proprietile fizice, chimice, magnetice, electrice i mecanice sunt influenate de compatibilitatea i modul de dispunere a elementelor componente. Efortul oamenilor de tiina se orienteaz ctre materialele noi, i implicit asupra tehnicilor de prelucrare i proiectare analitic a elementelor active necesare prelucrrii acestora. Studiul unor tehnologii au scos la iveal c acestea ar putea fi aplicate la scar industrial pentru avantajele economice, performana i simplitatea proiectrii. Aceast lucrare se adreseaz studenilor Facultii de Mecanic, de la specializarea Tehnologii i Echipamente Neconvenionale, precum i tuturor celor interesai de informaii referitoare la materialele de generaie nou utilizate n domeniul mecanic.

2

INTRODUCEREDin punct de vedere istoric, conceptul de material compozit este foarte vechi. n Egiptul antic crmizile de argil erau ntrite cu paie; la Muzeul Britanic din Londra, este expus un vas de depozitare din perioada merovingienilor 900 d.H de pe teritoriul Scoiei, realizat dintr-un material format din fibr de sticl ntrit cu o rin, ceea ce ar corespunde astzi unui compozit de tip rin epoxidic ntrit cu fibr de sticl. n secolul al XIX-lea vergelele de fier erau folosite pentru zidrie punndu-se bazele materialelor armate pentru construcii. Prima ambarcaiune din fibr de sticl a fost realizat n 1942 i de asemenea, la acel timp, acest material a fost utilizat n aeronautic i pentru componentele electrice. Primele fibre de bor i de carbon, cu rezisten mare la rupere, au aprut la sfritul anului 1960 fiind aplicate n materialele avansate folosite la componente de avion, prin 1968. Materialele compozite cu matrice metalic au fost introduse n 1970. Dupont a realizat fibrele de Kevlar (sau aramid) n 1973. La sfritul anilor 70 materialele compozite s-au extins n aeronautic, la automobile, articole sportive i medicin. Sfritul anilor 1980 a marcat o cretere semnificativ n utilizarea materialelor cu fibre avnd modul de elasticitate ridicat, astfel, s-au dezvoltat materiale care s rspund cerinelor funcionrii, deci s-a introdus conceptul de proiectare a materialului plecnd de la cerinele tehnice ale produsului. n ultimii ani, pe de o parte datorit creterii spectaculoase a consumurilor de material i, pe de alt parte, datorit rezultatelor cercetrii tiinifice, a studiilor privind proprietile intime ale unor materiale, s-a trecut la realizarea materialelor compozite, numite de specialiti de generaia a II-a [8] care prezint o serie de avantaje certe pentru o mare gam de produse, avantaje dintre care menionm: -masa volumic mic n raport cu metalele (compozitele cu rini epoxidice armate cu fibre de Si, B, C, au mas volumic sub 2 g/cm3); -rezistena la traciune sporit Rm (compozitul Kevlar are Rm de dou ori mai mare dect al sticlei); -coeficient de dilatare mic n raport cu metalele; -rezistena la oc ridicat; -durabilitate mare n funcionare (n aceleai condiii de funcionare, 1kg de Kevlar nlocuiete 5 kg de oel, la o durat egal de funcionare);3

-capacitate mare de amortizare a vibraiilor; -siguran mare n funcionare (ruperea unei fibre dintr-o pies din compozit nu produce o amors de rupere a piesei, ca n cazul materialelor clasice); -consum energetic sczut la elaborare, n comparaie cu metalele; de exemplu, pentru obinerea polietilenei se consuma 23 kcal/cm3, iar pentru oel 158 kcal/cm3; -rezisten la coroziune; -stabilitate termic i rezisten mare la temperatura ridicat (fibrele de Kevlar, teflon, Hyfil sunt stabile pn la 500 oC, iar fibrele ceramice tip SiC, Si3Ni4, Al2O3 sunt stabile pn la 1400 oC - 2000 oC. n tabelul nr. 1 se prezint cteva exemple de substituie a materialelor clasice cu diferite tipuri de materiale compozite.Tipul reperului Construcia precedent pre /unitate/ Tabelul nr. 1 Construcia din compozit pre /unitate/ Sticla/epoxy 0.53 Carbon/epoxy /9kg/ 0.45 Carbon/epoxy, structura de tip sandwich 55 plci/ora Kevlar/epoxy 40-80 cm/sec Carbon/epoxy masa 3 kg

Rezervor de 63 m3 pentru Otel inox industria chimic 1 Arip de elicopter Aluminiu +otel /16kg/ 1 Tabl pentru fabricarea Aliaj de aluminiu, cadena circuitelor integrate de fabricaie 30 placi/ora Tambur pentru tabl Viteza de tragere 15-30 cm/sec Cap de robot de sudare Aluminiu masa 6 kg

De ce materialele compozite? Studiul materialelor compozite este o filozofie a proiectrii materialului ce ine seama de compoziia optim de material, pe de o parte i de proiectarea structural i de optimizare pe de alt parte, n cadrul unui proces interactiv i concomitent. tiina materialelor compozite necesit interaciuni strnse ale diferitelor discipline, cum ar fi analiza i proiectarea structural, tiina materialelor, mecanica materialelor i tehnologii de prelucrare. Scopul cercetrilor n domeniul materialelor compozite const n atingerea urmtoarelor obiective: 1. Investigarea caracteristicilor de baz ale constituenilor precum i ale materialelor compozite; 2. Optimizarea materialelor pentru condiiile de funcionare date;4

3. Dezvoltarea unor tehnologii de fabricare i studiul influenei acestora asupra proprietilor materialului; 4. Dezvoltarea unor proceduri analitice de determinare a proprietilor materialului i predicia comportrii structurilor n timpul funcionarii; 5. Dezvoltarea metodelor experimentale de caracterizare a materialelor, analiza tensiunilor i analiza defectelor; 6. Controlul nedistructiv al integritii materialului i sigurana n funcionare; 7. Aprecierea durabilitii, ciclului de via i apariia defectelor. Tehnologia materialelor compozite s-a dezvoltat foarte mult n ultimii ani. Motivaia acestei preocupri este determinat de: -progresul important n tiina i tehnologia materialelor, cum ar fi: fibre, polimeri, ceramice; -cerinele industriei pentru materiale cu performan ridicat n domeniul aeronauticii, structurilor aerospaiale; -dezvoltarea unor metode numerice puternice pentru analiza structural utiliznd tehnologii computaionale, precum i dezvoltarea unei baze de calcul vaste. Acestor cerine li se adaug astzi, asigurarea calitii produselor, reproductibilitatea i capacitatea de predicie a comportrii pe durata ciclului de viata a unui produs. Utilizarea materialelor convenionale i a materialelor compozite este strns legat de dezvoltarea procedeelor de fabricaie. Procesul de prelucrare este unul dintre cele mai importante stadii n asigurarea calitii produsului finit. n acest scop, introducerea automatizrii i controlului adaptiv al proceselor de prelucrare este o necesitate din ce n ce mai stringent. Statistica pentru anii urmtori prefigureaz o continuare fructuoas a cercetrilor n acest domeniu, datorit scderii costurilor componentelor materialelor compozite, ieftinirea proceselor prin introducerea automatizrii tehnologiilor. Un alt factor determinant pentru viitoarele cercetri l constituie greutatea specific sczut a compozitelor, ce contribuie cel puin n industria automobilelor, la conservarea energiei - obiectiv prioritar al secolului nostru. Utilizarea materialelor compozite Industria aeronautic Materialele compozite au fost dezvoltate n principal pentru domeniul aerospaial datorit necesitaii existenei unor materiale uoare dar rezistente n timpul diferitelor solicitri. n fig. 1 sunt prezentate5

avioane ce folosesc n structura lor pri componente din materiale compozite. Principalele materiale compozite utilizate sunt cele indicate mai jos:

Bombardierul invizibil B-2 SPIRIT

Avionul de pasageri BOEING 777

Fig. 1 Structura prilor componente ale unui avion BOEING 777

Industria automobilelor6

Pe msura dezvoltrii materialelor compozite, proprietile acestora fac posibil aplicabilitatea acestora i n industria constructoare de maini. Astfel, revista Machine Design [15,16] public faptul c n 1995 automobilele Ford Explorer i Ranger au un carburator din material compozit termoplastic, produs la Cambridge Industries Medison Heights, Mich. Materialul este compozit termoplastic ntrit cu 40% fibre de sticl. Greutatea ansamblului n care funcioneaz acest produs este redus cu 10%, furnizeaz un schimb de cldura mai bun i realizeaz economie de combustibil. Aceeai revist ne aduce informaia c ultramid nylon 6/6 ntrit cu fibr de sticl de la BASF Corp., Parsippany, N.J., este utilizat la motorul Cadillac Northstar V8, [15,16]. Beneficiul cheie este reducerea greutii, mbuntirea performanei motorului i reducerea costului de fabricaie. Reducerea de greutate este de cca. 37% fa de cea proiectat din magneziu i este realizat prin injecie la Freudenberg - Nok, Manchester, N.H. Compozitele cu matrice din polimer, armate cu fibr de sticl, bor, carbon, Kevlar sau carburi metalice au o larg aplicabilitate n construcia de caroserii pentru automobile, recipieni. Compozi