10.KOMPOZYTY

Irena ZubelWydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki

Politechnika Wrocławska(na prawach rękopisu)

Czym jest kompozyt ?

Wyjaśnienie tego terminu w sposób jednoznaczny i prosty nie jest moŜliwe, poniewaŜ nie ma definicji uniwersalnej, która obejmowałaby wszystkie rodzaje materiałów kompozytowych.Definicje którą moŜna spotkać najczęściej, to definicja podana w 1967 r. przez Broutmana i Krocka:1. kompozyt jest materiałem wytworzonym sztucznie,2. kompozyt musi się składać z co najmniej dwóch róŜnych pod względem chemicznym materiałów z wyraźną granicą rozdziału między komponentami (fazami)3. komponenty charakteryzują kompozyt swymi udziałami objętościowymi4. kompozyt charakteryzuje się takimi właściwościami, jakich nie mają komponenty osobno.

Encyklopedia Powszechna PWN 1988.Kompozytem nazywamy „materiał wytworzony z co najmniej dwóch komponentów (faz) o róŜnych właściwościach w taki sposób, Ŝe ma on właściwości lepsze i (lub) właściwości nowe (dodatkowe) w stosunku do komponentów uŜytych osobno, lub wynikające z prostego sumowania tych właściwości; kompozyt jest materiałem zewnętrznie monolitycznym, jednakŜe z widocznymi granicami między komponentami.

Kompozyty-budowa

Osnowa (matryca):

-kompozyty z osnową ceramiczną (np. Al2O3,SiO2, SiC, TiO2),-kompozyty z osnową polimerową:

- Ŝywice termoutwardzalne: fenoplasty i aminoplasty,

- Ŝywice chemoutwardzalne: Ŝywice poliestrowe, epoksydowe i silikonowe,- tworzywa termoplastyczne: poliamidy, polipropylen, poliestry i poliwęglan,

-kompozyty z osnową metalową (Ti, Ni, Fe, Al, Cu lub ich stopy ).

Zbrojenie (napełniacz, umocnienie):

-włókna (ciągłe, cięte, sploty): szklane, grafitowe, organiczne,

-proszki (dyspersyjne <1 µm lub makrocząstki), dopisać materiały-inne (np. warstwy) dopisać materiały

- Kompozyt jest to materiał utworzony z co najmniej dwóch komponentów mający właściwości nowe (lepsze) w stosunku do komponentów.- Kompozyt składa się z osnowy i umieszczonego w niej drugiego składnika (zbrojenia) o znacznie lepszych właściwościach mechanicznych.

Kompozyty-budowa

Funkcje osnowy:• utrzymuje cały układ w zwartej formie (łączy zbrojenie),• przenosi obciąŜenia zewnętrzne na zbrojenie,• zabezpiecza zbrojenia przed uszkodzeniami mechanicznymi,• decyduje o właściwościach chemicznych i cieplnych,• zapewnia wytrzymałość na ściskanie,• nadaje wyrobom określony kształt.Funkcje zbrojenia:• poprawia właściwości wytrzymałościowe,• zwiększa odporność na ścieranie,• zmniejsza rozszerzalność cieplną,• zwiększa odporność na szoki termiczne,• zatrzymuje rozprzestrzenianie się pęknięć

Od kiedy?

ok. 800 r. p.n.e . - w Mezopotamii i Babilonie wytwarzano cegły gliniane wzmacniane słomą1931–pierwszy patent na otrzymywanie włókien szklanych1942–połączono Ŝywicę z włóknem szklanym1943–pierwsze próby zastosowania kompozytów dla celów wojskowych1961 –otrzymanie włókien węglowych1972–otrzymanie włókien aramidowych

Zapisy historyczne wskazują, Ŝe kompozyty stosowano juŜ w staroŜytności. Wiadomo z przekazów, Ŝe Izraelici (od XIII w. p.n.e.) przy wznoszeniu swoich domów wykorzystywali bloki z mieszanki błotnej wzmocnionej słomą i końską sierścią, a Egipcjanie (od ok. 3600 lat p.n.e.) znali juŜ sklejkę drewnianą. W średniowieczu wykonywano miecze i tarcze składające się z warstw róŜnych materiałów, aby zapewnić im jak największą trwałość i wytrzymałość.

(Dobrz. 5.97)Ogólna klasyfikacjamateriałów kompozytowych

Dlaczego kompozyty? - Synergizm cech

KompozytySkupiają niekiedy najlepsze cechy powyŜszych materiałów dając nową jakość (synergia) Główne powody zainteresowanie kompozytami: • zmniejszenie gęstości masy,• zwiększenie wytrzymałości i sztywności,• zwiększenie odporności na pękanie, ścieranie• podniesienie odporności na korozję, trwałości termicznej• zwiększenie stabilności wymiarów,• duŜa swoboda projektowania,• łatwość wprowadzania zmian,• obniŜenie kosztów projektowania krótkich serii

Metale- zwykle wytrzymałe, tanie, łatwe w formowaniu, nie zawsze odporne na wysoką temperaturę, korozję

Polimery- lekkie, tanie, odporne na korozję, łatwe w formowaniu w procesach fizycznych, chemicznych i termicznych

Materiały ceramiczne- twarde, odporne i trwałe, odporne na korozję i wysokie temperatury.

Podstawowe materiały

Wymagania: mocne, sztywne, trwałe, lekkie, odporne na działanie siły, na pękanie, ścieranie, odporne termicznie, odporne chemicznie, jednocześnie lekkie i tanie (?)Np:metale o duŜej wytrzymałości - są cięŜkie i nie odporne na pękaniemetale lekkie – są nieodporne na ścieraniemetale odporne chemicznie – są drogie kompozyty

C - CC - PC - MCeramika

P -CP - PP - MPolimer

M - CM - PM - MMetal

CeramikaPolimerMetalzbrojenie

osnowaM

C P

osnowa: Mzbrojenie: P

osnowa: Pzbrojenie: M

osnowa: Mzbrojenie: C

osnowa: Czbrojenie: M

osnowa: Czbrojenie: P

osnowa: Pzbrojenie: C

Parametry kompozytów

Parametry charakterystyczne kompozytów:• wytrzymałość na rozciąganie, ściskanie, ścinanie• wytrzymałość na obciąŜenia dynamiczne• sztywność, odporność na pękanie, ścieranie• cięŜar właściwy• stała spręŜystości Younga• współczynnik Poisson’a• odporność na korozję i wysoką temperaturę

Parametry kompozytów zaleŜą od:• właściwości poszczególnych faz (osnowy i zbrojenia)• względnej zawartości poszczególnych faz• geometrii fazy rozproszonej (wzmacniającej)

- kształtu cząsteczek (włókien)- rozmiarów cząsteczek (włókien)- rozkładu cząsteczek (włókien)- uporządkowania (orientacji) cząsteczek (włókien)

Parametry zbrojenia

rozkład koncentracja orientacja

kształt wielkość

Oprócz właściwości materiału uŜytego na zbrojenie istotne są równieŜ jego parametry geometryczne.

Kompozyty naturalne -drewno

Pień drzewa zbudowany jest z długich, pustych w środku komórek, w większości równoległych do osi drzewa.Ściany komórek zbudowane są z włókien krystalicznej celulozy –mikrofibryli (ok. 45% ściany komórki). Rolę osnowy pełni lignina i celuloza. Jest to zatem kompozyt wzmacniany włóknami

Kompozyty naturalne - kość

Kompozyty naturalne - ścięgna

Powszechnie stosowane kompozyty

Płyta wiórowa – materiał konstrukcyjny wytworzony ze specjalnie przygotowanych wiórów drzewnych, sprasowanych z dodatkiem Ŝywic przy u Ŝyciu ci śnienia i temperatury

Płyta pa ździerzowa − płyta wykonana z oczyszczonych paździerzy lnu i konopi, spajanych pod ci śnieniem przy pomocy kleju

Sklejka (potocznie dykta) jest to materiał kompozytowy sklejony z krzy Ŝujących si ę cienkich warstw drewna. Zwykle składa si ę z nieparzystej ilo ści warstw. Sklejki wytwarza si ę z róŜnych gatunków drewna. Najcz ęściej z brzozy, olchy, sosny, rzadziej z buku lub z drzew egzotycznych.

śelbet – pr ęt stalowy zatopiony w betonie

Duraluminium – stop zawieraj ący aluminium i dodatki stopowe

Cermet – metal ( Cu, Ni, Co) z ceramik ą (WC, TiC)

Klasyfikaja kompozytów sztucznych

PoniewaŜ brak jest ogólnie akceptowalnej definicji kompozytów, utrudnia to równieŜ dokonanie ich klasyfikacji w sposób jednoznaczny. Materiały kompozytowe podzielić moŜna w zaleŜności od rodzaju osnowy, rodzaju zbrojenia, sposobu wytwarzania, przeznaczenia, właściwości technologicznych itd.Podział w zaleŜności od pochodzenia:• „kompozyty naturalne”,• kompozyty wytwarzane i zaprojektowane przez człowieka (sztuczne).Podział według rodzaju osnowy:• kompozyty o osnowie ceramicznej (CMC ceramic-matrix composites),• kompozyty o osnowie metalicznej (MMC metal-matrix composites),• kompozyty o osnowie międzymetalicznej (IMC intermetallic-matrix composites)• kompozyty o osnowie organicznej: polimerowej i węglowej (OMC organic-mtrix composites).

Podział uwzględniający kształty i wymiary komponentu wzmacniającego (zbrojenia):• kompozyty zbrojone włóknami

- włókna ciągłe- włókna nieciągłe (zorientowane i rozmieszczone przypadkowo)- tkaniny

• kompozyty wzmacniane cząstkami (proszkowe)- makrocząstkami,- cząstkami dyspersyjnymi

• kompozyty strukturalne- warstwowe- z rdzeniem (w postaci plastra miodu)

Klasyfikacja

Podział kompozytów ze względu na rodzaj zbrojenia:

Kompozyty

Proszkowe Włókniste Strukturalne(wzmacniane cz ąstkami) (wzmacniane włóknami)

makrocz ąstki cz.dyspersyjne warstwowe z rdzeniem

w. ci ągłe w. nieci ągłe

uporz ądkowane nieuporz ądkowane

Klasyfikacja

Kompozyty włókniste

ciągłe nieci ągłe tkaninowe

Kompozyty proszkowe Kompozyty strukturalne

DuŜe cząstki małe cz ąstki warstwowe z rdzeniem

I. Kompozyty włókniste

Parametry podstawowe włókien: sztywne, kruche, spręŜyste, wytrzymałe termicznie, wytrzymałe na rozciąganie, Parametry dodatkowe: - zwilŜalność przez roztopiony materiał osnowy

- chemiczna neutralność w stosunku do osnowy- odporność na utlenianie- wytrzymałość właściwa- właściwy moduł spręŜystości

E=δ/ε - moduł spręŜystości (δ= F/S –napręŜenie; ε = ∆∆∆∆ l/ l - odkształcenie)Ew = E / ρ - właściwy moduł spręŜystości (ρ - cięŜar właściwy, F-siła, S-pow.)Rmax= Fmax/So - wytrzymałość (Fm ax – siła zrywanjąca; So- pow. początkowa)R= Rm/ ρ - wytrzymałość właściwa (ρ - cięŜar właściwy)

Dlaczego włókna? Wytrzymałość włókien o małej średnicy jest znacznie większa niŜ materiału objętościowego o takim samym składzie. Włókna posiadają mniej zdefektowanąstrukturę i zarodkowanie pęknięć jest utrudnione. Występują jako:- wiskersy (monokryształy), - włókna (polikrystaliczne lub amorficzne)- druty (metale)

Kompozyty włókniste. Właściwości włókien.

1,71,3-1,83,5-4,53070-802,5Szkło

1,2-3,50,2-0,71,2-420-160200-3002-20

Metal: beryl, wolfram, stal

0,5

0,25

0,15

3

0,7

3,5

4,5

0,8

3,3

86

2,5

177

124

2,8

172

1,44

1,14

0,97

Polimer:Aramid (Kevlar)Poliamidpolietylen

20,5-12-4 100-200400-5002-4

Ceramika: SiC, B4C, Al2O3,

2-35-1214-20100-400400-7001,5-4

Wiskersy:

grafit, SiC, Si3N4, Al2O3

Temp.topn. [ºC] x103

Rm/ρ

x103

Rm[MPa]

x103

E/ρE

[GPa]

Gęstość

ρ[g/cm3]

Materiał

Osnowa

Osnowa: miękka, ciągliwa, plastyczna, odporna chemicznie, termicznie, współczynnik spręŜystości E (moduł Youanga) mniejszy niŜ włókien, zwykle decyduje o wytrzymałości kompozytu.NajwaŜniejsze zadania osnowy:• zespolenie włókien• umoŜliwienie formowania kompozytu,• zabezpieczenie włókna przed mechanicznym uszkodzeniem,• oddzielanie włóknien i zapobieganie propagacji pęknięć, • przekazywanie obciąŜeń na włókna,• zapewnienie dobrej spójności z włóknami (duŜe siły wiązania),• zapewnienie dobrej zwilŜalności włókien,• zapewnienie niskich kosztów wytwarzania i prostej technologii.Negatywne czynniki związane z osnową osłabiające kompozyt, to:porowatość, obce wtrącenia, segregujące zanieczyszczeń na granicy włókno –osnowa, reakcja osnowy z włóknami.Materiały: zwykle polimery i metale (ceramika nie jest plastyczna). • Polimery: poliestry, poliimidy, Ŝywice epoksydowe, Ŝywice fenolowe, silikony, • Metale: Al., Mg, Ti, Cu, Ni, Co (i ich stopy)

Włókna - przykłady

Włókna szklane -otrzymywane ze szkła wodnego, czasami te Ŝ ze stopionego szkła.

Azbest - minerały krzemianowe tworz ące włókna. W przyrodzie wyst ępuje około 150 minerałów w postaci włóknistej.

Włókna lnu – oddzielane od zdrewniałej cz ęści łodygi (pa ździerzy)

mineralne ro ślinne szklane w ęglowe stalowe

Włókno w ęglowe –powstaj ą w wyniku pirolizy polimerów organicznych.

Celuloza (C 6H10O5)n Składnik naturalnych włókien lnu i konopi

Włos

Włókno w ęglowe

tkanina z włókna węglowego

Włókna stalowe-stop Ŝelaza z węglem

naturalne sztuczne

Nowa generacja włókien zbrojeniowych

Kompozyt epoksydowy zbrojony włóknami Kevlar

Włókna aramidowe(Kevlar)

Polimer o nazwie Kevlar

Kompozyty o osnowie polimerowej zbrojone włóknami p olimerowymi Kevlar

Osnowa: ceramiczna Ti3Al Włókno:rdzeń węglowy pokryty SiC

Osnowa:Szkło – ceramikaWłókno: SiC

Włókna - systematyka

Wpływ parametrów włókna na właściwości kompozytów. Moduł Younga

Przy załoŜeniu doskonałej spójności na granicy włókno-osnowa (duŜe siły wiązania), moŜna rozpatrywać teoretycznie się trzy wyidealizowane przypadki:

a) włókna równoległe, ciągłe, obciąŜone równolegle do osi włókienb) włókna równoległe, ciągłe, obciąŜone prostopadle do osi włókienc) kompozyt agregatowy o równomiernym rozłoŜeniu cząstek

Podstawowe zaleŜności:σ = F/S - napręŜenie σ = E ε - prawo Hookaε = ∆ l/l - odkształcenie E = σ / ε

- moduł spręŜystości Younga

Wpływ parametrów włókna na właściwości kompozytów. Moduł Younga.

Przypadek a):włókna równoległe, ciągłe, obciąŜone równolegle do osi włókien

Sk, So, Sw – przekrój poprzeczny kompozytu, osnowy, włóknaEk, Eo, Ew – moduł Younga kompozytu, osnowy, włóknaFk, Fo, Fw – obciąŜenie, które przenosi kompozyt, osnowa, włóknoεk, εo, εw – odkształcenie kompozytu, osnowy, włóknaσk, σo, σw – napręŜenie kompozytu, osnowy, włókna

Zakładamy mocne granice między włóknem a osnowąWtedy odkształcenie włókien i osnowy jest takie samo jak kompozytuεk = εo = εw σk / Ek = σo / Eo = σw / Ew (ε = σ/E )ObciąŜenie przenoszone przez kompozyt:Fk = Fo + Fw σk Sk = σo So + σw Sw (F = σ S )

EkεkSk = EoεoSo + EwεwSw (σ = E ε )PoniewaŜ εk = εo = εw = ε, po podzieleniu przez ε Sk:

Ek = Eo So/Sk + Ew Sw/Sk

Wpływ parametrów włókna na właściwości kompozytów. Moduł Younga

So/Sk – ułamek pow. zajętej przez osnowęSw/Sk - ułamek pow. zajętej przez włóknal – długość włóknalSo/lSk = Vo - ułamek obj. zajętej przez osnowęlSw/lSk = Vw- ułamek obj. zajętej przez włókna(Vw+Vo=1) Stąd:

Moduł Younga kompozytu z włóknami ciągłymi, obciąŜonego równolegle do osi włókna, jest średnią waŜoną modułów osnowy i włókna

Przypadek a) cd.

wwook EVEVE +=

wwowk EVEVE +−= )1(

Wpływ parametrów włókna na właściwości kompozytów. Moduł Younga

Przypadek b):włókna równoległe, ciągłe, obciąŜone prostopadle do osi włókien

NapręŜenie: σk = σo = σwWydłuŜenie: ∆ lk = ∆ lo +∆ lw /lk

(∆ lk)/lk = (∆ lo)/ lk + (∆ lw)/ lklo = Vo lk, lw = Vw lk,lk = lo/Vo, lk = lw/Vw,

(∆ lk)/lk = (Vo∆ lo)/ lo + (Vw∆ lw)/ lwOdkształcenie: ∆ l / l = ε

εk = Vo εo + Vw εw ε = σ/Eσ /Ek = Voσ /Eo + Vwσ /Ew /σ1/Ek = Vo /Eo + Vw /Ew

Stąd:

owwo

wok EVEV

EEE

+=

owww

wok EVEV

EEE

+−=

)1(

Wpływ parametrów włókna na właściwości kompozytów. Moduł Younga

wwowk EVEVE +−= )1(

owww

wok EVEV

EEE

+−=

)1(

a)

b)

a)

c)b)

1. Moduł Younga (spręŜystość) kompozytów rośnie wraz ze wzrostem zawartości objętościowej włókien Vw.

2. Kompozyty wzmacniane włóknami wykazują bardzo duŜą spręŜystość w kierunku równoległym do osi włókna; w kierunku prostopadłym jest ona znacznie mniejsza.

3. Kompozyty włókniste wykazują właściwości anizotropowe.

4. Kompozyty agregatowe (z cząstkami kulistymi) mają moduł YoungazbliŜony do obciąŜonych prostopadle do osi włóka (wyniki dotyczą danych doświadczalnych)

Wpływ parametrów włókna na właściwości kompozytów. Przypadek najprostszy.

włókno

osnowa

σσσσ

εεεεεεεε*oεεεε*w

σw= Ew ε*w

σo = Eo ε*o

ZałoŜenia:• włókna równoległe, ciągłe, obciąŜenie przyłoŜone równolegle do osi włókien• osnowa i włókna są liniowo spręŜyste aŜ do zniszczenia• siły spójności na granicy osnowa-włókno są duŜe i nie wpływają na wytrzymałość kompozytu

σ

σ

ZaleŜność obciąŜenie-odkształcenie (w całym zakresie obowiązuje prawo Hooka σ=Eε )

Oznaczenia:o -osnowaw -włóknok -kompozyt

Włókna - kruche, spręŜysteOsnowa – ciągliwa, plastycznaEw>Eo, εw < εo

zniszczenie włókna

zniszczenie osnowy

Wpływ parametrów włókna na właściwości kompozytów. Wytrzymałość

pocz ątek odkształcenia plastycznego osnowy

zniszczenie włókna

Rm = Fmax/So – wytrzymałość na rozciąganie Fmax - max sił, przy której nie następuje zniszczenia materiału

So - powierzchnia początkowa materiału

Zniszczenie kompozytu zwi ązane jest ze zniszczeniem włókna

Odkształcenie εεεε

kompozyt

osnowa

włókno

Nap

ręŜe

nie σ

osnowa

włókno

Odkształcenie εεεε

Nap

ręŜe

nie σ

Rmw

Rmo

εεεεw=1,5% εεεεo=15%

εεεεw < εεεεo

Wpływ parametrów włókna na właściwości kompozytów. Wytrzymałość

4.

3.

2.1.

5.

1. E=σ /ε = const. 2. Przyrost obciąŜenia przenoszony jest

przez włókna (odkształcenia spręŜ.) 3. Pękanie włókien4. Przyrost obciąŜenia przenoszony jest

przez osnowę (odkształcenia plast.)5. Pękanie osnowy

ObciąŜenie równoległe do osi włókien

Wpływ parametrów włókna na właściwości kompozytów. Objętościowy udział włókien

ZałoŜenia dodatkowe:• wszystkie włókna mają jednakową wytrzymałość • odkształcenia podłuŜne osnowy i włókien są takie same

VwkrVw

*

σo

σmin

σw

1Vw

σ

wytrzymałość kontrolowanaprzez włókna

wytrzymałość kontrolowana przez osnowę

Vw – ułamek objętościowy włókien w kompozycieVw + Vo = 1

Kryterium zniszczenia materiału:Składniki kompozytu pozostają nieuszkodzone tak długo, aŜ odkształcenie wywołane obciąŜeniem F nie osiągnie wartości obciąŜenia niszczącego włókna, bądź matrycę

Wpływ parametrów włókna na właściwości kompozytów. Wytrzymałość, Vkryt

oeo

wzwm VV σσσ +=

wwook EVEVE +=

- napręŜenia max.

- napr. płynięcia osnowy

- napr. zrywania osnowy

- napr. zrywania włókien

- napr. płynięcia włókien

wwow EVEV +−= )1(

oeσozσwzσweσ

mσ

oew

wzw VV σσ )1( −+=

wytrzymałość kompozytu

wytrzymałość osnowy

ObciąŜenie równoległe do osi włókien

Vkryt – ułamek objętości włókien, powyŜej którego następuje wzmocnienie osnowy przez włókna

Inne właściwości kompozytów. Reguła mieszania.

wwook EVEVE +=

RóŜne właściwo ści kompozytów (mieszanin) mo Ŝna opisa ć za pomoc ą ułamka obj ętościowego poszczególnych faz. Podobnie jak w przypadku modułu Younga, mo Ŝna znale źć górne i dolne ograniczenie zmian wybranych parametrów.

Parametry podlegaj ące tej regule to:• Gęsto ść, wytrzymało ść• Przewodno ść cieplna• Przewodno ść elektryczna

Xc = XmVm + XfVfXc = XmXf/(VmXf + VfVm)

Xc – dowolny parametr mieszaniny

owwo

wok EVEV

EEE

+=

c – composite (k ompozyt)m – matrix (o snowa)f – fibers (w łókna)

Wpływ parametrów włókna na właściwości kompozytów. Adhezja.

Wykres napr ęŜenie – odkształcenie dla kompozytu poliestrowo – szklanego

Nap

ręŜe

nie

MP

a

Odkształcenie εεεε

60

50

40

30

20

10

1 2 3

10%30% 20%

0%

Zakres zmian ułamka objętościowego włókna:

V kryt – Vopt – Vmax (45-80%)

Wytrzymało ść na rozci ąganie-silnie zale Ŝy od adhezji zbrojenia i osnowy.

Optymalna ilo ść zbrojenia

Nap

ręŜe

nie

Vw

σk

σodobra adhezja σk > σo

słaba adhezja σk < σo

Vmax < 80%. PowyŜej osnowa nie wypełnia dokładnie przestrzeni między włóknami

Vopt Vmax

Wpływ parametrów włókna na właściwości kompozytów. Geometria włókien.

osnowa

włóknoσ

σ

σ

Włókna stanowi ące zbrojenie kompozytów mog ą być:•ciągłe i nieci ągłe (ci ęte)•zorientowane i rozmieszczone przypadkowo•nieci ągłe długie i nieci ągłe krótki•o małej średnicy i o du Ŝej średnicy (10-150 µm)

Istotny jest te Ŝ • stosunek długo ści włókna do średnicy l/d• wytrzymało ść granicy mi ędzy włóknem a osnow ą.

Przenoszenie napręŜeń na granicy włókno-osnowa

ciągłe nieciągłe

zorientowane niezorientowane

małe d duŜe dl

d

długie krótkie

ortogonalne jednokierunkowe

Wpływ parametrów włókna na właściwości kompozytów. Geometria włókien.

Wytrzymało ść kompozytu ro śnie ze wzrostem l/d (du Ŝe l, małe d).- Włókna p ękają poczynaj ąc od wad wyst ępujących na powierzchni – im

mniejsza średnica tym mniejsza powierzchnia, mniejsze prawdop odobie ństwo wad powierzchniowych sprzyjaj ących p ękaniu, wzrasta wytrzymało ść.

- Powierzchnia wi ązania z osnow ą powinna by ć dostatecznie du Ŝa w celu zwiększenia wytrzymało ści granicy, mniejsze d poprawia stosunek powierzchni włókna do jego obj ętości.

- Końce włókien przenosz ą mniejsze obci ąŜenie – ograniczenie ilo ści ko ńców zwiększa zdolno ść do przenoszenia obci ąŜeń.

Istnieje pewna krytyczna długo ść włókna o średnicy d:

lkryt = Rm d/τk gdzie:

Rm –wytrzymało ść włókien na rozci ąganie, τk – wytrzymało ść wiązania mi ędzy

włóknem a osnow ą

Wyt

rzym

ałość

na r

ozciąga

nie

średnica włókna

Wpływ parametrów włókna na właściwości kompozytów. Geometria włókien.

Rozkład siły osiowej przekazywanej na włókno przez matryc ę

a) lw = lk -włókno przenosi maksymalnego obciąŜenia Rmjedynie w jednym punkcieb) lw >lk -włókno przenosi maksymalne obciąŜenie na długim odcinkuc) lw<lk -włókno za krótkie, nie przenosi maksymalnego obciąŜenia

Efektywne umacnianie kompozytu przez włókna: gdy lw>lkUmacnianie porównywalne z włóknami ci ągłymi: gdy l w>15 lk

Zbrojnie włóknami w postaci tkanin

- Wykorzystywane s ą w kompozytach o osnowie polimerowej,- Podlegaj ą wst ępnej impregnacji Ŝywicami polimerowymi,- Dają szerokie mo Ŝliwo ści splotu i uło Ŝenia włókien,

Rodzaje splotów włókien w tkaninach stosowanych do wzmacniania kompozytów

a) płócienny

b) pi ęcionicelnicowy

c) jednokierunkowy

d) płócienny z krajk ą

e) trójosiowy oplot

Wpływ parametrów włókna na właściwości kompozytów. Orientacja włókien

Orientacja włókien:Równoległe

-jednokierunkowe-ortogonalne

NieuporządkowaneKombinacje ułoŜenia

Włókna uporz ądkowane • właściwości materiału są silnie anizotropowe• moduł E i wytrzymałość są funkcją ułamków objętościowych włókien i osnowy• moduł E i wytrzymałość w kierunku uporządkowania są znacznie większy niŜ w kierunku prostopadłym do uporządkowania

Włókna nieuporz ądkowane• właściwości izotropowe• graniczna wytrzymałość na zerwanie jest mniejsza niŜ w przypadku materiałów z uporządkowanymi włóknami

Włókna ortogonalne• występują kierunki uporządkowania i nieuporządkowania (anizotropia)• najlepsze właściwości mechaniczne przy obciąŜeniu wzdłuŜ włókien

E1

E1

E2

E1

E1

E2

Jednokierunkowe

Wyt

rzym

ałość

Vw

Ortogonalne

Losowe

Podsumowanie kompozytów włóknistych

Przy projektowaniu kompozytów włóknistych nale Ŝy uwzgl ędni ć:•Właściwo ści włókien i osnowy ( E w > Eo, Rmw > Rmo, εεεεw < εεεεo )•Wytrzymało ść granicy włókno – osnowa (silne wi ązania)•Ułamek obj ętości zaj ętej przez włókna ( 45 - 70 % )•Długo ść włókien i ich średnic ę ( d = 10-150µm, l > 15 l k )•Orientacj ę włókien ( zgodna z kierunkiem obci ąŜenia)

Kompozyty polimerowe z włóknami szklanymiProdukowane w największych ilościach, mocne, lekkie, wytrzymałe, nieaktywne chemicznie. Składniki są tanie, łatwe do obróbki, dostępne. Wada: mało sztywne.Kompozyty zbrojone włóknamiSą najbardziej efektywnymi spośród materiałów kompozytowych, tzn. wykazują najlepsze właściwości mechaniczne i wytrzymałościowe przy najmniejszym cięŜarze właściwym. Jedyną ich wadą w porównaniu z proszkowymi jest cena.Kompozyty proszkoweZadawalające parametry, umiarkowana cena, prosta technologia. Powszechnie stosowane, szczególnie przy duŜych obciąŜeniach, w wysokiej temperaturze.Kompozyty hybrydowe

Stosowane są zbrojenia kilku rodzajów.

Właściwości materiałów i kompozytów

Materiał Gęstość E Rm

ρ[g/cm3] [GPa] [MPa]włókna

Szklane 2,5 76 1400-2500

Węglowe 1,75 250 2700Aramidowe(Kevlar) 1,45 125 2760

osnowa

Poliepoksydowa 1,2-1,4 2,1-5,5 40-85Poliestrowa 1,1-1,4 1,3-4,5 45-85

kompozyt

Włókna szklane w poliestrze 2,0 48 1250Włókna węglowe w poliepoks. 1,5 180 1050

Włókna Kevlar w poliepoksydzie 1,4 76 1250

Stal 7,8 200 1000

Kompozyty proszkowe, wzmacniane cząstkami

Istniej ą dwa typy takich kompozytów:• wzmacniane duŜymi cząstkami innej fazy, agregatami (np. beton);• utwardzane dyspersyjnie cząstkami zbrojenia o średnicy 0.01-0.1µm (np. stopy metali)Właściwo ści kompozytów proszkowych• osnowę mogą stanowić metale, ceramika, polimery• na wzrost wytrzymałości wpływa zarówno osnowa jak i cząstki rozproszone• naleŜą do nich: cermetale, beton, węgliki spiekane,

supertwarde materiały narzędziowe i ścierne (w dowolnej osnowie)materiały magnetyczne (cz.magnetyczne w dowolnej osnowie)materiały dielektryczne (cz.dielektryka w dowolnej osnowie)materiały polimerowe z wypełniaczami (sadza, granulki szklane itp.)

Optymalne wła ściwo ści:• cząstki powinny mieć jednakowe rozmiary,• powinny być równomiernie rozłoŜone,• właściwości zaleŜą od procentowej objętości zajętej przez cząstki zbrojenia,• efektywność wzmacniania zaleŜy od wielkości cząstek.

Kompozyty proszkowe wzmacniane dyspersyjnie

Kompozyty dyspersyjne zawierają równomiernie rozłoŜone cząstki węglików, tlenków, azotków i inne trwałe termicznie związki (do ok.15% objętości).• osnowę stanowią najczęściej metale,• właściwości kompozytu zaleŜą porównywalnie od osnowy i zbrojenia,• cząstki zdyspergowane nie powinny rozpuszczać się w osnowie,• odmienny mechanizm wzmocnienia niŜ dla kompozytów włóknistych,• wzmocnienie polega na utrudnianiu przez rozproszone cząstki ruchu dyslokacji w osnowie (blokowanie dyslokacji),• obciąŜenie zewnętrzne przenoszone jest w większości przez osnowę, dlatego zbrojenie dyspersyjne nie poprawia znacząco cech mechanicznych i wytrzymałościowych kompozytu w umiarkowanych temperaturach,• wpływ wzmocnienia jest wyraźny w wysokich temperaturach, np. wzrost odporność na pełzanie, przeciwdziałanie odkształceniom plastycznym,• są odporne na wysokie temperatury aŜ do temperatury topnienia osnowy, • zaletą jest niska cena i prosta technologia (metalurgia proszków).Przykłady: Ag–CdO, Al-Al 2O3, Al.-SiC, Be-BeO, Pb-PbO, CO-ThO 2-Y2O3(materiały magnetyczne), Pt-ThO 2 (dielektryczne), W-ThO 2-ZrO2 (grzejne)

Kompozyty wzmacniane duŜymi cząstkami (kompozyty agregatowe)

Cement, beton –osnowa i cząstki wzmacniające są materiałami ceramicznymi

• Cement –kompozyt składający się z naturalnych tlenków, siarczków

• Beton - kompozyt składający się z cementu (osnowa) i drobnego piasku i Ŝwiru (kruszywo, zbrojenie) – duŜa wytrzymałość na ściskanie, mała wytrzymałość na rozciąganie (pęknięcia, pory)

• Asfalt – osnowa: bitum, polimer termoplastyczny uzyskiwany z ropy naftowej,kruszywo: piasek i Ŝwir lub tłuczone szkło (glasasfalt)

• śelbeton –beton zbrojony prętami, drutami lub siatką stalową, w celu zwiększenia

wytrzymałości na rozciąganie,(osnowa: beton, kompozyt + zbrojeniewłóknami)

beton

osnowa: cement

kruszywo: piasek i Ŝwir

Kompozyty wzmacniane duŜymi cząstkami (kompozyty agregatowe)

Węgliki spiekane: CERMET (kompozyt metalu z ceramiką) Osnowa: Cu, Ni, Co lub inne metale.Faza rozproszona: węgliki (WC, TiC) do 90%

Jasna faza - osnowa (Co) Ciemna faza – zbrojenie (WC)

Węglik wolframu – bardzo twardy, odporny na ścieranie i wysoką temperaturę, kruchy.Stosowany na narzędzia tnące i materiały ścierne (ceramiczne twarde cząstki umieszczone są w plastycznej metalicznej osnowie, zwiększającej odporność na pękanie).

Proszek Co (4,5-25%) + cząstki WC + spiekanie (powyŜej temp. topn. Co ) –technologia spiekaniaproszków.W czasie eksploatacji wykruszają się stępione cząstki WC i odsłaniają się nowe.

Kompozyty strukturalne

Kompozyty strukturalne składają się z połączonych ze sobą kilku warstw dwuwymiarowych płyt lub paneli. KaŜda z warstw moŜe mieć uprzywilejowany kierunek, w którym występują najlepsze właściwości mechaniczne. Obrócenie tych warstw względem siebie o odpowiedni kąt zapewnia pozyskanieodpowiednich właściwości w róŜnych kierunkach w płaszczyźnie powierzchni kompozytu.Rodzaje:• warstwowe• kanapkowe (z rdzeniem )Materiały:• płyty, tkaniny, preimpregnaty z tkanin –odpowiednio ułoŜone, połączone (często za pomocą osnowy) i utwardzone – poprawa właściwości wytrzymałościowych• laminaty, platery, grube warstwy ochronne, cienkie pokrycia - zwiększenie odporności chemicznej i odporności na działanie środowiska• materiały o róŜnych właściwościach mechanicznych, odpowiedniej gęstości i odporności chemicznej –obniŜenie kosztów produktu przez zastosowanie odpowiedniego materiału jedynie na powierzchni kompozytu

Kompozyty strukturalne. Laminaty.

Laminat - wiele dwuwymiarowych warstw, róŜnie zorientowanych względem siebie, ułoŜonych w stos i poddanych odpowiedniej obróbce

Laminat krzy Ŝowy (J. German)

Zastosowanie:•sklejka - utworzona z kilku cienkich fornirów drewna•narty –struktury hybrydowe, wykonane z warstw róŜnych materiałów (warstwa amortyzująca i wzmacniająca z poliuretanu, warstwa usztywniająca z włókien szklanych, warstwa spodnia, odporna na ścieranie, z polimeru zbrojonego cząstkami węgla.

Kompozyty warstwowe (kanapkowe)

Dwie silne warstwy zewnętrzne rozdzielone warstwą słabszego i mniej gęstego materiału (rdzeń). Rolą rdzenia jest przeciwdziałanie deformacjom spowodowanym siłą prostopadłą do powierzchni zewnętrznych. Często rdzeń ma strukturę plastra miodu, w celu poprawy wytrzymałości, obniŜenia gęstości itp.UŜywa się w konstrukcji dachów, ścian, skrzydeł samolotów

Metody wytwarzania

pośrednia (wielooperacyjna) bezpośrednia (kompozyty in situ)

•Krystalizacja kierunkowa ciekłego stopu o składzie eutektycznym.

•Proces jednostopniowy, dotyczy kompozytów z osnową metalową

•Uzyskuje się strukturę włóknistą lub płytkową, moŜna sterować średnicą włókien i wymiarami płytek

•Proces trudny, wymaga precyzyjnej kontroli warunków krystalizacji

• wytwarzania włókien wzmacniających,• przygotowania powierzchni włókien,• właściwe ułoŜenie włókien,• połączenia włókien z osnową.Metody te dają szerokie moŜliwości kształtowania kompozytów poprzez dobór osnowy i rodzaju włókien.

Techniki wytwarzania:-Nakładanie ręczne-Metody wytłaczania-Metody wtrysku-Spiekanie-Odlewanie-Napylanie plazmowe

-Prasowanie-Walcowanie-Wyciskanie-Metoda metalurgii -Metoda proszkowa-Dyfuzyjne zgrzewanie

Metody wytwarzania kompozytów

Schemat wytwarzania materiału kompozytowego Al – SiCWyciskanie. Kompozyty proszkowe, dyspersyjne.

Metody wytwarzania kompozytów

Schemat wytwarzania taśm przez zgrzewanie dyfuzyjne. Walcowanie folii metalowych pokrywających włókna wzmacniające. Metoda stosowana dla kompozytów z osnową metalową wzmacnianych włóknami ciągłymi.

Metody wytwarzania kompozytów.

Schemat procesu formowania tłoczywa arkuszowego (SM C) (kompozytypolimerowe wzmacniane włóknami) słu Ŝącego do wytłaczania elementów

Metody wytwarzania kompozytów

Proces pultruzji (wyci ąganie, przeci ąganie). śywica wzmocniona włóknami szklanymi

Metody wytwarzania kompozytów. Schemat procesu BSM

Mie

sza

nie

Mie

sza

nie

śywica

Składniki ciekłe Składniki proszkowe

Styren

RovingNóŜ

Włókna szklane

Środki rozdzielcze

CaCO3

Pojemniki

Składniki ciekłe,proszkowei włókno cięte

Zastosowanie kompozytów

- budownictwo, - sprzęt uŜytkowy,- sport

WąŜ ogrodowy

Kable koncentryczne

Motoryzacja, transport wodny

Karoseria samochodu zbudowanego w 1992 z materiału kompozytowego wykorzystującego włókno węglowe.Karoseria jest bardziej sztywna od karoserii stalowej, a waŜy tylko ok. 210 kg, czyli ¼ wagi karoserii stalowej

Zastosowanie kompozytów

Zastosowanie kompozytów

Lotnictwo, kosmonautyka