KOMPOZYTY JAKO NOWOCZESNE MATERIAŁY UśYTKOWE

Transkrypt

1 Politechnika Częstochowska Instytut InŜynierii Materiałowej KOMPOZYTY JAKO NOWOCZESNE MATERIAŁY UśYTKOWE Renata Caban Częstochowa 2010

2 KOMPOZYT jest to materiał utworzony z co najmniej dwóch komponentów (faz) o róŝnych właściwościach w taki sposób, Ŝe ma właściwości lepsze i (lub) właściwości nowe (dodatkowe) w stosunku do komponentów uŝytych osobno lub wynikających z prostego sumowania tych właściwości kompozyt jest materiałem zewnętrznie monolitycznym, jednakŝe z widocznymi granicami między komponentami. (Encyklopedia Powszechna, PWN 1988, t. 5, s. 187)

3 1. Kompozyt jest materiałem wytworzonym przez człowieka 2. Kompozyt musi składać się z co najmniej dwóch róŝnych (pod względem chemicznym) materiałów z wyraźnie zaznaczonymi granicami rozdziału między tymi komponentami (fazami) 3. Komponenty kompozytu tworzą go przez udział w całej objętości 4. Kompozyt powinien mieć właściwości róŝne od jego komponentów Definicja (czteroczłonowa) Krocka i Broutmana (1967)

4 historia Egipcjanie (od ok lat p.n.e.) - sklejka drewniana Izraelici (od XIII w. p.n.e.) domy z bloków z mieszanki błotnej wzmocnionej słomą i końską sierścią średniowiecze - miecze i tarcze zbudowane z warstw róŝnych materiałów nowoczesne materiały kompozytowe okres II wojny światowej - włókna szklane lata 50-te XX wieku - niskomodułowe włókna węglowe lata 60-te XX wieku - wysokomodułowe włókna węglowe lata 70-te XX wieku włókna aramidowe (KEVLAR)

5 BUDOWA KOMPOZYTU OSNOWA polimer ZBROJENIE włókna szklane Mikrostruktura kompozytu polipropylen +włókno szklane

6 OSNOWA Osnowa pełni następujące funkcje: utrzymuje razem zbrojenie zapewnia wytrzymałość na ściskanie przenosi napręŝenie zewnętrzne na zbrojenie zatrzymuje rozprzestrzenianie się pęknięć nadaje wyrobom Ŝądany kształt Osnową jest najczęściej: polimer (termo i duroplastyczny), moŝe być równieŝ metal (Ti, Ni, Fe, Al, Cu) lub ich stopy bądź ceramika (np.al 2 O 3,SiO 2, SiC, TiO 2 )

7 ZBROJENIE Zadaniem zbrojenia jest wzmacnianie materiału oraz poprawianie jego własności mechanicznych. Zbrojenie moŝe mieć postać: włókna ciągłego i nieciągłego proszku

8 własności wypadkowe kompozytu zaleŝą od: własności faz składowych udziału objętościowego faz sposobu rozmieszczenia fazy rozproszonej w osnowie cech geometrycznych fazy rozproszonej

9 KLASYFIKACJA KOMPOZYTÓW kompozyty naturalne kompozyty zaprojektowane i wytwarzane przez człowieka

10 KOMPOZYTY NATURALNE stworzyła przyroda (na drodze ewolucji) - wszędzie tam gdzie warunkiem istnienia było przenoszenie duŝych obciąŝeń łodygi roślin, gałęzie i pnie drzew, kości zwierząt, ptaków oraz człowieka, mięśnie, Łodyga trawy Model struktury kości Struktura ścianki komórki drewna (włókna celulozy w osnowie hemicelulozy i ligniny)

11 Podział w zaleŝności od rodzaju osnowy

12 Podział ze względu na rodzaj fazy wzmacniającej

13 NOWOCZESNE KOMPOZYTY W TECHNICE kompozyty metal - polimer kompozyty ceramika metal-polimer METAL POLIMER kompozyty ceramika-metal CERAMIKA kompozyty ceramika-polimer

14 Porównanie własności materiałów konstrukcyjnych Metale Zwykle wytrzymałe, tanie, łatwe w formowaniu w procesach fizycznych, chemicznych i termicznych 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 Kompozyty W większości przypadków wykazują najlepsze cechy powyŝszych materiałów. Są niestety drogie i trudne w przetwórstwie

15 dlaczego kompozyty? doskonałe parametry wytrzymałościowe i sztywnościowe mały cięŝar właściwy odporność na pękanie odporność na ścieranie

16 Cel tworzenia kompozytów obniŝenie cięŝaru, obniŝenie kosztów, obniŝenie modułu spręŝystości, np. pianki (polimer + powietrze), zmiana przewodności cieplnej i elektrycznej, zmiana współczynnika rozszerzalności cieplnej,

17 kompozyty zbrojone cząstkami obciąŝenie przenoszone przez obie fazy mechanizm wzmocnienia: ograniczanie przez cząstki odkształceń osnowy w obszarze sąsiadującym z powierzchnią kaŝdej cząstki wzmocnienie jest efektywne, jeśli: - udział cząstek przekracza 20% objętości kompozytu - cząstki są równomiernie rozłoŝone w kompozycie - cząstki powinny mieć mniej więcej te same wymiary we wszystkich kierunkach i być małe Polimer+kulki szklane

18 kompozyty zbrojone cząstkami Istnieją dwa typy takich kompozytów: wzmacniane duŝymi cząstkami innej fazy (np. polimer z wypełniaczem lub beton) Kompozyt ceramiczno-metalowy Al 2 O 3 /Cu materiały utwardzane dyspersyjnie (cząstki zbrojenia mają mniej więcej średnice 0,01 0,1 µm (np. stopy metali, gdzie osnową jest metal a zbrojeniem jakaś twardsza faza: tor w niklu, Al/Al 2 O 3, Cu/Al 2 O 3 ).

19 kompozyty zbrojone włóknami Jest to najwaŝniejszy rodzaj kompozytów. element nośny - włókna w objętości 45-70% objętości kompozytu osnowa (metalowa lub polimerowa) - spoiwo łączące włókna, zapewniające rozdział obciąŝenia zewnętrznego pomiędzy włókna, a takŝe chroniące je przed czynnikami zewnętrznymi największa efektywność spośród materiałów kompozytowych - najlepsze własności mechaniczne i wytrzymałościowe przy najmniejszym cięŝarze właściwym podstawowe znaczenie praktyczne: kompozyty włókniste o osnowach polimerowych zbrojonych włóknami węglowymi, grafitowymi, szklanymi, borowymi i aramidowymi

20 Włókno ma zazwyczaj długość znacznie większą od średnicy. PrzewaŜnie stosuje się włókna szklane, węglowe lub aramidowe (np. Kevlar). Wymagania stawiane włóknom: Musi być znacznie silniejsze niŝ materiał osnowy Musi mieć duŝą wytrzymałość na rozciąganie.

21 Cechy włókien wpływające na ich właściwości Właściwości mechaniczne kompozytu zaleŝą od: Wielkości napręŝenia, które jest przekazywane przez osnowę (zaleŝy od siły wiązania między włóknem a osnową). Istnieje pewna krytyczna długość włókna, poniŝej której włókno nieefektywnie wzmacnia kompozyt (zaleŝy od średnicy włókna, wytrzymałości na rozciąganie i siły wiązania z osnową).

22 Średnica włókna - przyczyną duŝej wytrzymałości włókien jest równieŝ ich mała średnica We włóknach o średnicach powyŝej 15 µm istnieje znacznie większe prawdopodobieństwo pojawienia się wad powierzchniowych, co sprzyja pękaniu.

23 Orientacja włókien Kierunek płynięcia stopu włókna Przekrój przez wypraskę wtryskową z PP wzmocnionego włóknem szklanym W warstwie przyściennej widoczna orientacja w kierunku równoległym do kierunku wtrysku, w rdzeniu ułoŝenie jest prostopadłe do kierunku płynięcia

24 typy włókien włókna szklane włókna grafitowe włókna węglowe włókna organiczne

25 RODZAJ WŁÓKNA Parametr szkło E szkło S grafit Kevlar stal Średnica [µm] CięŜar właściwy ρ [kn/m 3 ] Wytrz. na rozciąg. R [GPa] Wytrz. właściwa R/ρ [km] Moduł Younga E [GPa] Moduł właściwy E/ρ [km 10 3 ]

26 włókna szklane najstarsze spośród włókien nowoczesnych, najtańsze i najczęściej stosowane typ E gorsze własności mechaniczne (spręŝyste, wytrzymałościowe, zmęczeniowe, udarnościowe, termiczne, reologiczne), niska cena, najczęściej stosowany typ S lepsze parametry, ale wysoka cena, włókna stworzone dla zastosowań militarnych zastosowania: przemysł samochodowy, lotnictwo, elektrotechnika, szkutnictwo, budownictwo przemysłowe i in.

27 włókna grafitowe większością parametrów przewyŝszają włókna szklane, ale znacznie droŝsze włókna HS wysokowytrzymałe włókna HM wysokomodułowe włókna UHM ultrawysokomodułowe nazwy handlowe: Toray, AS zastosowania: przemysł sportowe samochodowy, lotnictwo, artykuły

28 włókna organiczne najstarsze włókna kompozytowe: bawełna, juta, sizal, włókna bananów (słabe parametry mechaniczne) nowoczesne włókna aramidowe (Nomex, Kevlar, Kevlar 29 i Kevlar 49) włókna aramidowe wykazują najlepsze własności mechaniczne, ale są najdroŝsze. Często uŝywane łącznie z włóknami grafitowymi lub szklanymi typu E (rozsądny kompromis parametrów mechanicznych i ceny) zastosowania: przemysł samochodowy, lotnictwo, sprzęt sportowy (narty, łodzie wyczynowe, sprzęt golfowy)

29 wytwarzanie kompozytów włóknistych metoda kontaktowa metoda natryskowa metoda ciągła wytwarzania pretów, rur i kształtowników metoda nawijania ciągłego włókien z taśm prepreg (PRE impregnated)

30 KOMPOZYTY KONSTRUKCYJNE Pojęcie kompozyty konstrukcyjne stosuje się w odniesieniu do kompozycji polimerowych o wysokich parametrach mechanicznych, stosowanych w przemyśle (głównie lotniczym) Typy laminaty kompozyty warstwowe

31 LAMINATY Wiele dwuwymiarowych warstw, róŝnie zorientowanych względem siebie. przełomu laminatu o osnowie poliestrowej wzmacnianego włóknami aramidowymi

32 Charakterystyka zastosowań laminatów z róŝnych materiałów polimerowych Rodzaj materiału Podstawowe zastosowania śywice fenolowe śywice epoksydowe melamina poliestry Ester winylu Przemysł elektromaszynowy, samoloty, łoŝyska, koła zębate Elektronika i elektrotechnika (z papierem), płytki obwodów drukowanych (z włóknami szklanymi) WyposaŜenie siłowni okrętów (z włóknem szklanym) Lekkie oprzyrządowanie, ściany działowe Specjalistyczne zastosowania wymagające duŝej odporności na korozję, zbiorniki, rury

33 Materiały stosowane na elementy wzmacniające laminatów z materiałów polimerowych Materiał elementów wzmacniających Postać Charakterystyka Włókna szklane Maty tkane NajwyŜsza wytrzymałość, podwyŝszone własności elektryczne, odporność na wysoką temperaturę papier drewno Włókna poliamidowe Papier pakowy Drewno prasowane tkaniny Dobra wytrzymałość mechaniczna, dobre własności dielektryczne w kierunku prostopadłym do płaszczyzny laminatu Do zastosowań elektrycznych i energetycznych Dobra wytrzymałość elektryczna, dobra wytrzymałość udarowa, tendencja do pełzania w podwyŝszonej temperaturze

34 KOMPOZYTY WARSTWOWE (KANAPKOWE) Dwie silne warstwy zewnętrzne rozdzielone warstwą słabszego i mniej gęstego materiału (rdzeń). UŜywa się w konstrukcji dachów, ścian, skrzydeł samolotów. Rolą rdzenia jest przeciwdziałać deformacjom spowodowanym siłą prostopadłą do powierzchni zewnętrznych. Często rdzeń ma strukturę plastra miodu.

35 W nowoczesnej dachówce wytrzymałość zapewnia rdzeń wykonany z blachy stalowej powlekanej antykorozyjnie ogniowo stopem cynku zawierającym 41,5% Al i 15% Si, Efekt kolorystyczny i kolorystykę zapewnia warstwa naturalnego kruszywa skalnego Pozostałe warstwy zapewniają odporność na: zawilgocenie, własności grzybobójcze, jak równieŝ odpowiedni połysk i efekt estetyczny Schemat nowoczesnej dachówki z materiału kompozytowego

36 Przekrój deski surfingowej jako przykład nowoczesnych materiałów kompozytowych

37 Zastosowanie materiałów kompozytowych budownictwo maszty, słupy wzmocnienia konstrukcji zbiorniki, rurociągi konstrukcje mostowe

38 Zastosowanie materiałów kompozytowych elementy nowoczesnych lekkich konstrukcji samoloty wojskowe i eksperymentalne elementy dla lotnictwa pasaŝerskiego karoserie samochodowe

39 Zastosowanie materiałów kompozytowych materiały i elementy dla medycyny

40 Zastosowanie materiałów kompozytowych sprzęt sportowo-rekreacyjny lekkie samoloty sportowe kadłuby lekkich łodzi baseny i brodziki nart, deski, rakiety tenisowe, sprzęt golfowy Hodgdon Brothers Inc. Gougeon Brothers Inc.

41 ZALETY I WADY KOMPOZYTÓW ZALETY Wysoka sztywność i wytrzymałość mechaniczna Łatwość montaŝu Wysoka odporność - na zmęczenie materiału - na korozję Skuteczne tłumienie drgań

42 ZALETY I WADY KOMPOZYTÓW WADY Cena Nowy model rakiety tenisowej dobrej marki kosztuje ponad 1000 zł, natomiast rakieta wykonana z aluminium 100 zł.

43 ZALETY I WADY KOMPOZYTÓW WADY produkcja trudna technologia wytwarzania trudne przetwórstwo materiały kompozytowe trudno nawiercać oraz skrawać łączenie elementów wykonanych z kompozytów jest bardzo trudne kompozytów nie moŝna zgrzewać ani spawać Od wielu lat nie moŝna opracować przemysłowej metody wytwarzania kompozytowych karoserii samochodowych. Mimo, Ŝe kompozyty wykazują odpowiednie parametry wytrzymałościowe i są lekkie. Problemem jest łączenie elementów karoserii

44 ZALETY I WADY KOMPOZYTÓW WADY naprawa Metalowe części moŝna spawać. Dzięki plastyczności metalu moŝna przywracać im pierwotny kształt itp. Naprawa elementów kompozytowych jest w zasadzie niemoŝliwa ciągliwość/kruchość Kompozyty mają znikomą ciągliwość i są zwykle kruche

45 Procentowy podział rynku materiałów kompozytowych w Europie

46 Procentowy udział materiałów kompozytowych w Europie w sektorze budowlanokonstrukcyjnym

47 Procentowy podział rynku materiałów kompozytowych w USA

48 DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ