Kompozyty. Klasa I GPH

Transkrypt

1 Kompozyty Klasa I GPH

2 Zawartość Rozdział I Ogólnie o kompozytach...2 Rozdział II Charakterystyka kompozytów...3 Rozdział III Właściwości materiałów kompozytowych...4 Rozdział IV Zastosowanie Kompozytów Zastosowanie kompozytów w różnych dziedzinach...5 Rozdział V Kompozyty zastosowanie w materiałach konstrukcyjnych Elementami konstrukcyjnymi są również włókna szklane, węglowe oraz aramidowe: Włókna i inne elementy wzmacniające w mat. Kompozytowych: Technologia SMC i przykłady jej wykorzystywania Przykłady elementów z tradycyjnych kompozytów o osnowie termoplastycznej...7 Rozdział VI Inne kompozyty : tworzywa syntetyczne...8 Autorzy...9 Bibliografia...9

3

4 Rozdział I Ogólnie o kompozytach Najpierw zacznijmy od definicji kompozytu jest to materiał utworzony z co najmniej dwóch składników o różnych właściwościach. Materiałami w pojęciu technicznym nazywa się ciała stałe, których właściwości czynią je użytecznymi dla człowieka, gdyż wykonuje się z nich złożone produkty pracy przedmioty użytkowe, narzędzia, konstrukcje i budowle, maszyny i pojazdy, broń, dzieła sztuki itp. Kompozyty mogą być złożone z różnych składników takich jak metal, plastik, tkanina, drewno i inne. Kompozyt składa się z osnowy z rozmieszczonego w niej drugiego składnika o znacznie wyższych właściwościach wytrzymałościowych zwanego zbrojeniem. Podział kompozytów 2

5 Rozdział II Charakterystyka kompozytów Kompozyty to nowa grupa materiałów, której szybki rozwój obserwuje się od lat sześćdziesiątych. Zainteresowanie kompozytami wynika z dwóch podstawowych właściwości: 1. Doskonałe parametry mechaniczne i wytrzymałościowe, 2. Mały ciężar obiektu. Kompozyt składa się z osnowy i zbrojenia, który służy jako wzmocnienie kompozytu. Osnowa, to materiał wypełniający przestrzeń pomiędzy elementami wzmacniającymi. Metale i niemetale mogą wykonywać tą funkcje. W osnowie rozmieszczany jest drugi składnik, zwany ze względu na dużo lepszą wytrzymałośc niż osnowy, zbrojeniem. Kompozyty dzielimy na takie, które posiadają : Osnowę metalową Osnowe polimerową Osnowe ceramiczną W życiu codziennym najczęściej spotykanymi artykułami wykonanymi z kompozytów są artykuły sportowe. W wyrobach tego typu wykorzystuje się niski ciężar oraz sztywność. Praktycznie wszystkie wiosła kajakowe i wioślarskie wykonane są z kompozytów. Z kompozytów wykonuje się maszty żeglarskie, deski surfingowe, narty ramy i osprzęt rowerowy, kadłuby łodzi i statków.. Materiały te służą do wytwarzania m.in. płyt, profili, rur, kół zębatych, osłon i obudów, kabin, kiosków, pokryć dachowych i zbiorników. 3

6 Rozdział III Właściwości materiałów kompozytowych Kompozyty charakteryzują się właściwościami nieosiągalnymi dla pojedynczych materiałów. Wyróżniają je zwiększone: wytrzymałość, charakterystyki zmęczeniowe, odporność na zużycie, charakterystyki ślizgowe, wysoka odporność na korozję, zarówno w temperaturze pokojowej jak i w podwyższonej. Rodzaje poszczególnych połączeń przekładające się na właściwości Wprowadzenie cząsteczek ceramicznych typu tlenków, węglików czy grafitu do stopów aluminium pozwala wytworzyć kompozyty ślizgowe, odporne na ścieranie i o podwyższonej wytrzymałości. Zbrojenie stopów metali włóknami ceramicznymi (węglowymi, włóknami borowymi) zapewnia wysoki poziom wytrzymałości doraźnej, wysoką wytrzymałość na pełzanie, jak i wysoką wytrzymałość w podwyższonej temperaturze. Większość tych materiałów może pracować przez krótki czas nawet w temperaturze bliskiej temperaturze topnienia osnowy. Kompozyty o osnowie stopów tytanu zbrojone włóknami borowymi czy berylowymi charakteryzują się doskonałymi wskaźnikami właściwymi (wytrzymałością i sztywnością). Cechą charakterystyczną spiekanego aluminium jest stabilność jego struktury w podwyższonych temperaturach. Natomiast aluminium zbrojone cząsteczkami Al4C3 charakteryzuje się wysoką żarowytrzymałością. Kompozyty polimerowe wykazują przewagę nad najważniejszymi stopami technicznymi w zakresie wskaźników wytrzymałości właściwej i sztywności właściwej. Przy wymaganiach najlepszych właściwości oraz najmniejszym ciężarze, kompozyty polimerowe z włóknami węglowymi dominują nad kompozytami z włóknami szklanymi. Dominują one również podczas pracy w środowisku wilgotnym i w podwyższonej temperaturze. Kompozyty z włóknami szklanymi podczas rozciągania wykazują większe wartości wydłużenia oraz większą zdolność do pochłaniania energii przy działaniu sił statycznych i dynamicznych. 4

7 Rozdział IV Zastosowanie Kompozytów Zastosowanie kompozytów ceramicznych, metalowych i z osnową z faz międzymetalicznych w czterech silnikach bombowca B-2 w połączeniu ze szczególnym systemem chłodzenia, wydobywającego się z dysz strumienia gazu, pozwala na obniżenie jego temperatury z typowej (ok. 800 C) do zaledwie 400 C, co wręcz uniemożliwia namierzenie samolotu wykrywaczami podczerwieni (na promieniowanie termiczne zaprogramowana jest większość rakiet do niszczenia samolotów). Lotnictwo i przemysł kosmiczny Pod koniec lat sześćdziesiątych rozpoczęto prace wdrożeniowe nad zastosowaniem zaawansowanych kompozytów w konstrukcji samolotów. Początkowo były to żywice epoksydowe zbrojone włóknem węglowym, później stosowano włókna boru i grafitowe. W latach osiemdziesiątych zakres zastosowania kompozytów uległ znacznemu rozszerzeniu, zarówno w odniesieniu do poszycia kadłuba, jak i silnika oraz hamulców. Rozpoczęła się era polimerowych kompozytów wysokotemperaturowych, kompozytów metalowych, nadstopów, i kompozytów na bazie ceramiki, zwłaszcza kompozytów typu węgiel-węgiel (C-C). W odniesieniu do materiałowych rozwiązań w silnikach samolotowych oczekiwany jest gwałtowny wzrost udziału metalowych i ceramicznych materiałów kompozytowych. Kompozyty metalowe, stosowane w lotnictwie i aeronautyce powinny uwzględniać wymóg obniżonej gęstości, co praktycznie ogranicza zastosowanie jako ich osnów metali lekkich (Al, Mg, Ti i Be). Firma 3M, specjalizująca się m.in. w wytwarzaniu części z kompozytów tytanowych, stosuje naparowywanie próżniowe (zwłaszcza naparowanie wiązką elektronów) do nanoszenia stopu TiAl 6 V 4 na włókna ciągłe z SiC, uzyskując znakomite rozmieszczenie fazy zbrojącej w strukturze. Zbrojone włóknami kompozyty Ti/SiCfl znalazły już zastosowanie w produkcji części podwozia i turbiny silnika nowej generacji, robotów przemysłowych, podzespołów elektronicznych, sprzętu rekreacyjnego i medycznego. 1. Zastosowanie kompozytów w różnych dziedzinach -Budownictwo: stolatka okienna,dzwi. -Lotnictwo -Stomatologia -Motoryzacja przy wytwarzaniu karoserii -Sprzęt sportowy np. deska snowboardowa -Siłownie wiatrowe - włókna węglowe umożliwiają konstrukcje odpowiednio duże i lekkie -Transport -Eksploatacja ropy i gazu z dna morskiego elementy platform,eksploatacja na dużych głębokościach- (ciężar elementów, ok ton stali, zmniejszono o 53% dzięki włóknom węglowym) -Budowa większych okrętów,specjalistycznych statków oraz jachtów np. Włoska korweta klasy "Visby" 5

8 Rozdział V Kompozyty zastosowanie w materiałach konstrukcyjnych Kompozyty są stosowane jako materiały konstrukcyjne (budownictwo, technika lotnicza i astronautyka), do produkcji części maszyn, sprzętu sportowego, implantów. Laminaty są rodzajem kompozytów, to tworzywa powstające z połączenia materiałów o różnych właściwościach mechanicznych i technologicznych. Pierwszym elementem jest materiał mający najczęściej postać cienkich włókien lub nici, który pełni rolę konstrukcyjną, natomiast drugi element jest spoiwem wiążącym ze sobą elementarne włókna konstrukcyjne i jednocześnie chroniącym je przed czynnikami zewnętrznymi (np. korozją, promieniowanie UV). Podsumowując laminat jest tworzywem kompozytowym w którym włókna konstrukcyjne są ułożone warstwami, w postaci cienkich mat, tkanin lub innych struktur warstwowych Laminaty są tworzywem zbudowanym z połączonych ze sobą składników m.in. takich jak: Żelkot będący powłoką zewnętrzną laminatu, która pozwala na uzyskanie odpowiedniej faktury wyrobu (np. połysk, struktura, inne) i trwałości. Żywica która w laminacie pełni rolę spoiwa (lepiszcza). W zależności od przeznaczenia stosowany jest odpowiedni rodzaj żywicy, która zapewnia pożądane właściwości palno-dymowe, odporność na wysokie temperatury (HDT) oraz ma wpływ na parametry mechaniczne i elektryczne produktu. Materiał nośny/ konstrukcyjny, który odpowiada za właściwości fizyko-mechaniczne laminatu (udarność, wytrzymałość na rozciąganie, sprężystość, wytrzymałość na ściskanie, itp.). 1. Elementami konstrukcyjnymi są również włókna szklane, węglowe oraz aramidowe: Włókno szklane - powstaje poprzez przeciskanie stopionej masy szklanej przez otwory o bardzo małej średnicy. W zależności od średnicy i składu włókno takie ma dwa główne zastosowania: - Światłowody - Tkaniny i maty szklane Włókno węglowe (Carbon) - powstaje w wyniku kontrolowanej pirolizy poliakrylonitrylu i innych polimerów organicznych, składając się prawie wyłącznie, z rozciągniętych struktur węglowych podobnych chemicznie do grafitu. Ich wysoce zorganizowana struktura nadaje im dużą wytrzymałość mechaniczną, a fakt, że składają się prawie wyłącznie z grafitu, powoduje, że są one nietopliwe i odporne chemicznie. Włókna te są stosowane jako materiał konstrukcyjny w wielu laminatach, które wspólnie nazywa się czasami "karbonami". Włókno aramidowe (Kevlar) - aramidy jest to grupa polimerów, rodzaj poliamidów włóknotwórczych. Ich cechą charakterystyczną jest występowanie w ich łańcuchach głównych ugrupowań aromatycznych. Niektóre aramidy zawierają między wiązaniami amidowymi tylko grupy aromatyczne. 6

9 2. Włókna i inne elementy wzmacniające w mat. Kompozytowych: SZKŁO - Wysoka wytrzymałość, mała sztywność, duża gęstość, najniższe koszty. Zwykle stosowane są typy E (borokrzemianowe) i S (magnezowoglinokrzemianowe) WĘGIEL - Dostępny jako cechujący się wysokim modułem sprężystości lub dużą wytrzymałością. Niski koszt, mniejsza gęstośc od szkła. BOR - Wysoka wytrzymałość i sztywność, najwyższa gęstość, największy koszt. Wewnątrz ma włókno wolframowe. ARAMIDY - Największy stosunek wytrzymałości do masy ze wszystkich włókien; wysoki koszt. STAL WOLFRAM POLIAMID 3. Technologia SMC i przykłady jej wykorzystywania Technologia SMC - jest masą w płaskim formacie na bazie nienasyconej żywicy poliestrowej, wzmacnianej włóknem szklanym, zawierającą wypełniacz mineralny. W razie pożaru produkt nie topi się i nie spala. Przykłady wykorzystywania Wiele razy technologia SMC była używana w samochodach takich jak : Toyota Tacoma Ford Transit 4. Przykłady elementów z tradycyjnych kompozytów o osnowie termoplastycznej Termoplast - tworzywo sztuczne, które w określonej temperaturze i ciśnieniu zaczyna mieć własności lepkiego płynu. Tworzywa termoplastyczne można kształtować przez tłoczenie i wtryskiwanie w podwyższonej temperaturze a następnie szybkie schłodzenie do temperatury użytkowej. Krótkie włókno szklane. 7

10 Rozdział VI Inne kompozyty : tworzywa syntetyczne Tworzywa otrzymane na drodze syntetycznej, zawierające jako podstawowy składnik polimer otrzymany na drodze polimeryzacji. Tworzywa syntetyczne dzielimy na: termoplastyczne (po ogrzaniu miękną), termoutwardzalne (przy pierwszym ogrzewaniu początkowo miękną - można je formować, następnie twardną), chemoutwardzalne (twardnieją po dodaniu utwardzaczy). Do tworzyw syntetycznych zaliczamy m.in.: polialkeny, żywice fenylowe, żywice akrylowe, fenoplasty, aminoplasty, poliamidy, poliuretany, poliwęglany i inne. Wysokoefektywne tworzywa sztuczne są materiałami przyszłościowymi o doskonałych właściwościach ślizgowych i odporności na ścieranie, wysokich temperaturach użytkowych, dużej wytrzymałości mechanicznej, dobrej odporności chemicznej i stabilności wymiarowej - a więc spełniają wszystkie warunki, by skutecznie i ekonomicznie zastąpić konwencjonalne materiały. Obrabiane mechanicznie tworzywa sztuczne wykorzystywane są w przemyśle lotniczym i kosmicznym od ponad 40 lat. Materiały takie jak: poliamid 6.6 i poliacetale są tradycyjnie stosowane jako powierzchnie narażone na ścieranie. Wykonuje się z nich: listwy ochronne, wsporniki, przetoki, elementy złączne, wszędzie tam, gdzie środowisko i wykonanie wymagają właściwości polimeru. Do niektórych z tych zastosowań wykorzystuje się formowanie wtryskowe, podczas gdy w wielu innych występują kształtki wykonane obróbką mechaniczną. 8

11 Autorzy 1) Monika Baścik (mniejsze montowanie wszystkiego) 2) Marek Strugiński (materiały) 3) Marek Kocz (materiały) 4) Rafał Pucek (materiały) 5) Marcin Józefowicz (materiały) 6) Łukasz Czarnik (materiały) 7) Krzysztof Jokel (montowanie wszystkiego, materiały) 8) Igor Margol (materiały) 9) Michał Lasek (materiały) 10) Piotr Tomala (materiały) Bibliografia