Spis Treści Streszczenie Wstęp II. Analiza literatury

Transkrypt

1 Spis Treści Streszczenie... 6 I. Wstęp... 8 II. Analiza literatury Zapotrzebowanie na elementy rurowe Projektowanie elementów Kształt Materiał Cena Środowisko pracy Analiza projektowania Materiały kompozytowe Materiał osnowy Tworzywa termoplastyczne Gumy Rodzaje włókien Charakterystyka włókien szklanych Charakterystyka włókien węglowych Włókna naturalne Nanowłókna Postać handlowa włókien Oznaczenia włókien Charakterystyka kompozytów Proces produkcji kompozytów Proces produkcji tworzyw kompozytowych wzmacnianych włóknami Proces produkcji i kształtowania elementów kompozytowych Proces infiltracji Techniki łączenia materiałów kompozytowych Właściwości kompozytów Wytrzymałość na rozciąganie kompozytów wzmacnianych włóknami Wytrzymałość zmęczeniowa kompozytów Mechanizmy procesu degradacji kompozytów Wpływ różnych czynników na właściwości kompozytów Wpływ udziału włókien i struktury wzmocnienia na właściwości kompozytu

2 Zjawiska na powierzchni międzyfazowej osnowa włókna Wpływ odległości pomiędzy włóknami na wzmocnienie kompozytu Zastosowania kompozytów III. Podsumowanie analizy literatury IV. Część doświadczalna Cel pracy Zakres pracy Materiały do wytwarzania kompozytów Sposób wytwarzania kompozytów Technologia wyplotu rękawów Proces infiltracji żywicą Utwardzanie żywicy Parametry procesu wytwarzania elementów rurowych Wykonanie wyplotu rękawów Infiltracja żywicą Utwardzanie V. Badanie właściwości projektowanego elementu Aparatura pomiarowa Wstępne przygotowanie próbek do badania VI. Wyniki badań Badania wytrzymałościowe rur wyplatanych z zastosowaniem metody VARI Obserwacje struktury materiału Obserwacje obrazu struktury materiału Badania DSC VII. Analiza wyników VIII. Podsumowanie Bibliografia Spis załączników

3 Streszczenie Przedmiotem pracy były plecione kompozyty epoksydowo-szklane przeznaczone do wytwarzania elementów obrotowo-symetrycznych (rurowych). W ramach pracy oceniono wpływ kąta ułożenia wyplatanych włókien na wytrzymałość kompozytów oraz podjęto próbę doboru parametrów wytwarzania metodą VARI. Wykorzystywanie wyplatanych włókien w kompozytowych elementach rurowych umożliwiło wyeliminowanie łączenia, a tym samym próbę zwiększenia ich wytrzymałości. Do tego celu wykorzystano ramę wyplatającą HERZOG RF 1/288/100 będącą na wyposażeniu Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik TU Dresden. Do produkcji elementów rurowych zastosowano metodę VARI z użyciem urządzenia RTM. Wytworzono 3 serie elementów rurowych, z wykorzystaniem zmiennego kąta ułożenia wyplatanych włókien 30, 45 oraz 60. Odpowiedni dobór parametrów zapewnić miał powtarzalność procesów wytwarzania, oraz poprawną infiltrację. Aby ocenić poprawność wykonanych procesów przeprowadzono analizę termiczną oraz ocenę wizualną wytwarzanych elementów rurowych. Wykonano zdjęcia mikrostruktury próbek, aby określić zawartość włókien w kompozycie. Przeprowadzono też statyczną próbę rozciągania elementów rurowych z wykorzystaniem kamery. W trakcie rozciągania prowadzono proces analizy obrazu przemieszczających się punktów naniesionych na badany element. Uzyskane wyniki pokazały, że dobór parametrów procesu musi być zweryfikowany przeprowadzoną analizą termiczną. Istotna jest dokładna infiltracja wytwarzanego elementu. Słowa kluczowe: kompozyty epoksydowo szklane, wyplatane włókna, VARI, RTM 6

4 The subject of the study were braided epoxy-glass composites intended for the production of rotating-symmetric (tubular) elements. As part of the study the influence of angle of braided fibres positioning was assessed on the strength of composites; also, an attempt was made to select production parameters via VARI method. The use of braided fibres in tubular composite elements made possible the elimination of jointing and thus improving their strength. To this end HERZOG RF 1/288/100 braiding frame was used from Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik TU Dresden. For the production of tubular elements VARI method was used along with RTM device. Three series of tubular elements were manufactured using a variable angle of braided fibres positioning, i.e., 30, 45 and 60. The proper selection of parameters was to ensure repeatability of production processes and correct infiltration. Thermal analysis and visual evaluation of the produced tubular elements were conducted in order to assess correctness of the performed processes. To determine the fibre content in the composite, pictures of samples microstructures were taken. Also carried out was static tensile test of the tubular elements with the use of a camera. During the tensile test an image analysis process was done of the shifting points placed on the examined element. The obtained results showed that the selection of process parameters is to be verified with thermal analysis. A thorough infiltration of the produced element is essential. Key words: epoxy-glass composites, braided fibres, VARI, RTM 7

5 I. Wstęp Materiały kompozytowe już od lat w wielu zastosowaniach są konkurencyjne w stosunku do szeroko wykorzystywanych metali. Rozwój technologii wytwarzania i metod charakteryzowania tych materiałów jest spowodowany zwiększającym się zapotrzebowaniem. Rośnie ilość kompozytów w nowo powstających konstrukcjach i nowoczesnych rozwiązaniach. Zakres wykorzystywania kompozytów obejmuje niemal wszystkie dziedziny przemysłu od lotnictwa po wykorzystywane w stomatologii wypełnienia szkło-jonomerowe. Kompozyty zawdzięczają to zwiększonej wytrzymałości przy ich małej masie oraz możliwość modelowania w szerokim zakresie ich właściwości, zależnie od zastosowanych komponentów oraz metod wytwarzania. Zainteresowanie kompozytami znalazło również odzwierciedlenie w poszukiwaniu nowych materiałów i rozwiązań w przemysłach związanych z transportem cieczy. Elementy w nich wykorzystywane, a więc rury metalowe i betonowe dotychczas były ciężkie i mało odporne na zmienność parametrów obciążenia. Prowadziło to do trudności związanych z eksploatacją, transportem i montażem rur. Wysokie koszty w utrzymaniu systemów rurowych spowodowane były koniecznością ich częstej wymiany. Problemy te wymusiły na inżynierach poszukiwanie nowych rozwiązań materiałowych i konstrukcyjnych. Za cel postawiono sobie zmniejszenie masy i redukcję kosztów utrzymania systemów rurowych. Obniżenie kosztów można było osiągnąć poprzez zwiększenie wytrzymałości materiałowej i odporności korozyjnej, czyli wydłużenie czasu eksploatacji danego elementu. W niniejszej pracy przedstawiony został proces projektowania i charakteryzowania 8

6 zoptymalizowanego, pod kątem metody wytwarzania, elementu rurowego. W ostatnich latach nastąpił gwałtowny rozwój tej dziedziny i zmiana podejścia w projektowaniu materiałów. Związane jest to z zastosowaniem nowoczesnych technik komputerowych, jak i dążeniem przemysłu do otrzymania wysokiej wytrzymałości materiałów wzmacnianych włóknem. Dotychczas wykorzystywane włókna w postaci rovingu, czy tkanin są wypierane przez nowe postacie włókien. Dąży się tym samym do uzyskania jak najlepszych właściwości. Interesującą alternatywą są otrzymywane w procesie wyplatania rękawy z włókien szklanych lub węglowych. Ich główną zaletą jest wyeliminowanie łączenia w konstrukcjach skomplikowanych elementów oraz zautomatyzowane nakładanie włókien na preformę. Rozwój tej dziedziny zdeterminowany jest w późniejszym czasie wykorzystaniem wyplatanych rękawów przy produkcji wielkogabarytowych elementów, zbiorników czy kadłubów samolotów. Rozwój komputerowej symulacji umożliwi przeniesienie stanu naprężeń w małych elementach, jakimi są projektowane w ramach pracy elementy obrotowo-symetryczne na przykładowo kadłub samolotu. Dzięki temu będzie możliwe modelowanie zachowania takiego obiektu w praktyce. II. Analiza literatury Przyszłość kompozytów wiąże się już nie tylko z zastosowaniem nowych form wzmocnienia tj. włókien węglowych. Istotna jest metoda otrzymywania takich materiałów, a w konsekwencji wyeliminowanie wad materiałowych. Dąży się do tego, aby każdy otrzymywany element wykonany z kompozytów był powtarzalny i nie zawierał wad. Do wad zaliczamy wszystkie nieciągłości w postaci porów oraz brak adhezji pomiędzy włóknem a osnową. W konstrukcjach z materiałów kompozytowych łączenie jest miejscem koncentracji naprężeń. Prowadzi to do osłabienia projektowanego elementu. Wymusza to na inżynierach projektujących elementy z kompozytów planowanie połączeń w miejscach najmniej podatnych na pracę, czy zastosowanie naddatku niwelującego koncentrację naprężeń. Obecnie etap projektowania i modelowania elementu oraz materiału są bardzo istotne podczas konstruowania elementów. Dzięki temu możemy uniknąć błędów już na etapie projektowania, eliminując kosztowne badanie wstępne. Poprawne opisanie projektowanego elementu, jego analiza oraz dobór metody wytwarzania determinuje możliwość wykorzystania odpowiednich materiałów. Kolejne etapy mojej pracy prowadzą do określenia założeń służących otrzymaniu wymaganych właściwości konstrukcji dzięki zastosowaniu infiltracji jako metody produkcji kompozytów oraz wzmocnienia w postaci wyplatanych rękawów z włókien szklanych. 9

7 1. Zapotrzebowanie na elementy rurowe Wykorzystywane w połowie XX w. rury metalowe zostały wyparte przez rury z tworzyw sztucznych w mniej odpowiedzialnych konstrukcjach [1]. Decydującym o wyborze rur z tworzyw sztucznych czynnikiem była cena i rozwój tej grupy materiałowej. Tworzywa sztuczne są interesującą alternatywą dla starszych rozwiązań. Niska masa i rozwój technik wytwarzania zdecydowały o ich szerokim wykorzystywaniu nie tylko w przemyśle. Elementy rurowe z polimerów znajdują zastosowanie w przemyśle, ale też budownictwie. Podział rur pod względem materiałowym, wynika z rodzaju materiałów stosowanych do ich wytwarzania (Rys. 1). Rury przemysłowe stalowe kompozytowe aluminiowe metalowe niemetalowe betonowe miedziane żeliwne z tworzy sztucznych hybrydowe Rys. 1 Podział rur ze względu na rodzaj materiału z jakiego są wykonane; [1, 2] Z punktu widzenia inżyniera ważne jest, aby przewidzieć zachowanie się projektowanego elementu w warunkach pracy. Pracę w określonych warunkach i obciążenia rur definiują wymagania im stawiane, które decydują o doborze rodzaju materiału. W warunkach użytkowania rury są poddawane działaniu ciśnienia wewnętrznego, rozciągania, skręcania (w przypadku rur pracujących na powietrzu siła wiatru powoduje ich skręcanie), zginania (dotyczy rur umieszczonych pod ziemią, które w przypadku najechania pojazdu są obciążane z określoną siłą) oraz złożonego stanu naprężeń (np. ciśnienie wewnętrzne spowodowane przepływem cieczy i skręcanie wywołane działaniem wiatru) [3]. Warunki pracy określają też wymagania związane z pozostałymi parametrami tj. sztywność, odporność korozyjna, odporność na ścieranie. W przemyśle dostępnych jest wiele metod wytwarzania rur zależnych od sposobu ich wytwarzania. Podział na rury ze szwem, lub bezszwowe łączy wszystkie grupy. W konstrukcjach wysokociśnieniowych wykorzystuje się rury bez szwu. Spowodowane jest to występowaniem koncentracji naprężeń w miejscu łączenia, a w konsekwencji małej odporności na ciśnienie wewnętrzne. 10

8 Różnorodność rur pod względem materiałowym i metod wytwarzania sprawia, że rynek produkcji rur jest bardzo szeroki. Niezmiennie, na świecie produkuje się najwięcej rur stalowych (Rys. 6). Przez ostatnie lata jednak struktura rynku uległa zmianie. Nastąpił wzrost produkcji rur polimerowych, a w tym rur kompozytowych. Globalny popyt na rury z tworzyw sztucznych do 2012 roku wzrastał 7,3% rocznie. W 2013 roku szacowany jest wzrost produkcji o 8%. Przekłada się to na roczną produkcję około 20,3 miliona ton rur z tworzyw sztucznych. W Chinach produkuje się 40 % rur. Zastosowanie rozwiązań w postaci elementów rurowych z kompozytów jest coraz częściej wykorzystywane w naprawach istniejących rurociągów. Jest to rozwiązanie korzystniejsze ze względu na wyeliminowanie aspektu korozji oraz redukcję masy bardzo istotną podczas montażu (Rys. 2). Ilość rur (1000 km) Włókno szklane Polietylen Kompozyt Stal Rys. 2 Wykres przedstawiający wykorzystanie różnego typu rur do naprawy istniejących systemów rurociągów [4] Zainteresowanie rynkiem rur z tworzyw sztucznych widoczne jest również Europie. Pomimo kryzysu wzrost produkcji tych osiągnął wartość 5% w 2012 roku. Jednym z aspektów przyczyniających się do zainteresowania nowymi rozwiązaniami jest wymiana już zużytych stalowych systemów rurowych na lżejsze z tworzyw sztucznych. Powoduje to ukierunkowanie badań nad rozwojem i produkcją m.in. rur wzmacnianych włóknem szklanym. W Europie w produkcji rur przodują Włochy i Niemcy (Rys. 3). 11

9 Hiszpania Produkcja rur w Europie w 2011 roku Wielka Brytania Kraje Beneluxu Francja Skandynawia Niemcy Polska Pozostałe kraje Europy Zachodniej Pozostałe kraje Europy Centralnej Włochy Rys. 3 Produkcja rur w Europie w 2011 roku [5] 2. Projektowanie elementów Zaawansowane techniki modelowania komputerowego są podstawą przy projektowaniu w przemyśle. Za pomocą programów z rodziny CAD/CAM istnieje możliwość narysowania elementu o dowolnym kształcie i obliczenia jego właściwości w określonym stanie naprężeń. Dlatego w przemyśle kładzie się duży nacisk na projektowanie i jego analizę przed etapem produkcji. Wstępne założeniach modelowanego elementu, wykorzystywane w analizie wytrzymałościowej oraz projektowaniu CAD, pozwalają wyeliminować kosztowne próbne wytwarzanie dla sprawdzenia jego poprawności. Podczas analizy projektowanego elementu najważniejszymi czynnikami są: kształt i rodzaj materiału Kształt W projektowaniu czynnik kształtu determinuje wiele cech opisujących dany obiekt. Parametry tj. wielkość, grubość, położenie osi symetrii, postać bryły są ważne i odpowiednio uwzględnione wpływają na wybór materiału, czy metody wytwarzania elementów. Przedstawione cechy kształtu należą do geometrii elementu, która podlega opisowi w inżynieryjnym projektowaniu. Wyraża się ją w postaci uproszczonych modeli: bryła zamknięta, otwarta, element grubościenny, cienkościenny, czy pręt. Opis ten jest istotny z punktu widzenia mechaniki, która bada zachowanie się takiego obiektu w określonym stanie naprężeń. Pozwala to w dogodny sposób zdefiniować projektowany kształt lub podzielić go na prostsze elementy. 12

10 W niniejszej pracy opisywanym elementem jest rura, która należy do elementów obrotowo symetrycznych szeroko wykorzystywanych w przemyśle. Elementem obrotowo symetrycznym nazywamy obiekt powstały przez obrót punktu względem osi wyznaczającej środek bryły, a następnie symetrycznie wydłużony względem niej. Nazewnictwo to zapożyczono z nomenklatury stosowanej w Niemczech i stanowi ono podstawę opisu modelu mechanicznego obiektów rurowych, walcowych i stożkowych [6]. W przypadku tych obiektów definiujemy element przez podstawę i symetrię ściany bocznej i jej obrót względem osi symetrii (Rys. 4). Opis ten istotny jest z punktu widzenia doboru metody wytwarzania i opisu właściwości mechanicznych. a) b) c) d) Rys. 4 Podział elementów obrotowo symetrycznych na podstawie pracy J. Dankerta, H. Dankerta w zależności od kształtu jego podstawy, a) zamkniętej, b) otwartej, oraz jego przekroju w postaci c) stałej średnicy rura, d) nieliniowej malejącej/rosnącej średnicy [6] 2.2. Materiał Definiując materiał, inżynier musi wziąć pod uwagę wiele czynników. Do najważniejszych należą: cena, właściwości wytrzymałościowe, metoda wytwarzania. Cechy te charakteryzują każdy opis elementu w przemyśle, a proporcja ich wypadkowej ceny do jakości decyduje o sukcesie projektowania. W nauce istniał sztywny podział na materiały metaliczne i niemetaliczne. W dzisiejszych czasach podział ten został poszerzony o dwie szybko rozwijające się grup materiałów kompozytowych i hybrydowych. Przy czym materiał kompozytowy może być materiałem hybrydowym, natomiast nie każdy materiał hybrydowy jest kompozytem. Różnica wynika z bardzo ogólnej, ale istotnej definicji kompozytów. Materiał kompozytowy jest utworzony z co najmniej dwóch komponentów (faz) o różnych właściwościach w taki sposób, że ma właściwości lepsze i (lub) właściwości nowe (dodatkowe) 13

11 w stosunku do komponentów użytych osobno lub wynikających z prostego sumowania tych właściwości kompozyt jest materiałem zewnętrznie monolitycznym, jednakże z widocznymi granicami między komponentami [7]. Definicja ta wciąż ulega modyfikacjom za sprawą trudnego opisu tej grupy materiałów, ale oddaje w sposób ogólny cel wytwarzania kompozytu. Umożliwia również objęcie nią licznych materiałów uważanych za kompozyty [3]. Materiałów hybrydowe można podobnie zdefiniować, ale różni je łączenie materiałów i występowanie co najmniej dwóch faz wzmacniających. Jednym z przykładów tej grupy jest rura hybrydowa: polipropylen - kompozyt wzmacniany włóknem (Rys. 5). rdzeń polipropylenowy łączenie kompozyt wzmacniany włóknami Rys. 5 Przykład hybrydowego elementu obrotowo symetrycznego [1] Połączenie polipropylenu z kompozytem nie jest monolityczne i do jego powstania wykorzystywany do tego jest trzeci materiał żywica epoksydowa, charakteryzująca się bardzo dobrą przyczepnością. Dodatkowo rdzeń tego elementu stanowi rodzaj wzmocnienia elementu podnosząc odporność chemiczną i na ścieranie. W przypadku włókien nadają one materiałowi wysoką wytrzymałość w określonym stanie naprężeń. 14

12 (rys. 6). Podział materiałów uwzględniający kompozyty i materiały hybrydowe jest bardzo ogólny Kompozyt Metale Materiały hybrydowe Ceramika Szkła Polimery Rys. 6 Podział współczesnych materiałów [2] Współczesne materiały należą do wielu grup i granice ich podziału się zacierają. Spowodowane jest to potrzebą sprostania wymaganiom przemysłu i określonego zapotrzebowania na materiały o korzystniejszych właściwościach. Jedną z najciekawszych grup są materiały hybrydowe, obejmujące wszystkie podgrupy. Ich rozwój i udział w światowym przemyśle wciąż wzrasta i będzie determinowany przez ciągłe ich unowocześnianie Cena Dobór materiałowy obejmuje analizę grup materiałowych pod różnym kątem. W obecnych czasach bardzo ważnym czynnikiem jest cena. Rynek na świecie ulega zmianom i jest zależny od wielu parametrów ekonomicznych tj. podaż, popyt, spekulacja czy inflacja. Wahania na światowych giełdach niejednokrotnie zwiększały cenę materiałów, często ją zawyżając. Stabilizacja cen jest możliwa tylko dzięki szerokiej dostępności materiałów i ich różnorodność. Determinuje to ich niską cenę materiałów i konkurencyjność. Opis wpływu ceny na projektowanie uzależniony jest od parametru względnej ceny (C R), który wyrażony jest przez cenę jednostki materiału w stosunku do ceny jednostki masy pręta ze stali niskowęglowej. Obecnie cena pręta ze stali oscyluje na poziomie 0,2 USD/kg. W porównaniu materiałów oprócz ceny należy uwzględnić właściwość materiału (moduł Younga, wytrzymałość σ f )[5]. 15

13 a) b) Rys. 7 Wykresy zestawienia grup materiałów w zależności moduł Younga od gęstości (a) i ceny (b); program CES EduPack 2005 [8] 16

14 Wyznaczanie poszukiwanych do danej aplikacji szukanych grup materiałów polega na parametryzacji zmiennych. Jeżeli chcemy określić, które materiały spełniają nasze oczekiwania prowadzimy prostą wyznaczoną za pomocą stosunku, w tym przypadku modułu Younga do względnej ceny. Materiały znajdujące się na linii wyznaczają nam szukane materiały. Różnorodność budowania takich wykresów umożliwia za pomocą parametryzacji wielu zmiennych wyznaczenie grup materiałów spełniających dane warunki projektowania [2, 9]. Przedstawiony wykres daje ogólny pogląd na zróżnicowany rynek materiałów (Rys.7) [10]. Pozwala w prosty sposób ocenić zaprojektować materiały z uwzględnieniem ich ceny. Kompozyty dzięki ciągłemu rozwojowi i dowolnym doborze komponentów (osnowa, wzmocnienie) są konkurencyjne ze względu na stosunek wytrzymałości do ceny w porównaniu z innymi materiałami. Dowolność metod wytwarzania kompozytów pozwala na stosowanie ich w wielu aplikacjach zachowując wysoką wytrzymałość przy obniżonej cenie Środowisko pracy Projektowanie wyrobów wymaga od inżyniera analizy ich warunków pracy. Poznanie dotychczas wykorzystywanych rozwiązań pozwala zrozumieć wymagania stawiane tym elementom. Rury wykorzystywane w wielu dziedzinach stanowią rozwiązania konstrukcyjne ulegające ciągłym modyfikacjom. Najstarsze systemy rurowe w łaźniach rzymskich, należące do elementów obrotowo symetrycznych wykorzystywały materiały z ołowiu, czy drewna. Wraz ze zmianą epok i rozwojem materiałów udoskonalano je pod kątem wytrzymałości i warunków eksploatacji [6]. Pojawienie się nowych dziedzin przemysłowych narzuciło na elementy rurowe nowe wymagania, związane ze zmniejszeniem masy, czy wzrostem odporności korozyjnej. Jednak głównymi wymaganiami decydującymi o wyborze rur są: cena, rodzaj materiału i metoda wytwarzania. Ostatni czynnik zależny od materiału decyduje też o późniejszych właściwościach mechanicznych elementu. Największe zapotrzebowanie na nowoczesne konstrukcje rurowe jest przemyśle górniczym i chemicznym. Wymagania stawiane w tych branżach projektowanym elementom powodują zainteresowanie nowymi grupami materiałowymi tj. kompozyty, czy materiały hybrydowe. Zmiany te widoczne są również w przemysłach związanych z produkcją wysokiej jakości kompozytów polimerowych. Produkcja tych materiałów wykazuje większe tempo wzrostu (ponad 10 % rocznie) niż we wszystkich innych gałęziach produkcji materiałów [1]. 17

15 2.5. Analiza projektowania Zestawienie wyników analiz wszystkich parametrów projektowania jest bardzo trudne. Jednakże obecnie inżynier ma ją do dyspozycji różnorodne programy komputerowe wspomagające modelowanie i analizę doboru materiałowego [11]. Istnieje wiele technik projektowania w których większość wykorzystuje model przemysłowy. Polega on na modyfikacji określonych parametrów opisujących dany projekt, pod kątem obniżenia kosztów wytwarzania i eksploatacji. Charakterystycznym elementem projektowania jest uproszczenie zmiennych parametrów i ograniczenie ich do minimum. Uzależnione jest to od możliwości projektowania. Przyjęcie wielu zmiennych optymalizujących taki proces jest wręcz niewykonalne. Dobór wyłącznie materiału powoduje zmianę innych parametrów projektowania. Dotyczą one metody wytwarzania i właściwości mechanicznych. Proces projektowania podzielony jest na kilka etapów, które przedstawiono na rys.8. Potrzeba rynku (1) weryfikacja parametrów Kontrola jakości (5) Produkcja wybór parametrów Modyfikowane parametry (2) Wytworzenie elementu (4) Projektowanie (3) Rys.8 Schemat procesu projektowania wykorzystywany w przemyśle [11] Etap pierwszy nazywa się analizą potrzeb rynku, inaczej zastosowaniem do oczekiwań odbiorcy. Polega na wyszukiwaniu dostępnych rozwiązań z możliwością ich modyfikacji. W dzisiejszych czasach nie dąży się do zaprojektowania uniwersalnego elementu. Ważne jest, aby ograniczyć modelowanie do określonego obszaru zainteresowania. Później podlega on obliczeniom i zdefiniowaniu parametrów mających wpływ na cenę, jakość, metodę wytwarzania, a w konsekwencji polepszenie właściwości wytrzymałościowych projektowanego elementu. Wybór modyfikowanego parametru zależy od wymagań stawianych przez projektanta. W przypadku rur jest to materiał, który decyduje o ich właściwościach. 18

16 Idealna rura powinna łączyć zalety elementów stalowych (wytrzymałość termiczną i mechaniczną oraz cenę) z odpornością na proces korozji. Ważnym czynnikiem jest również zmniejszenie masy związanej z transportem i montażem gotowych elementów rurowych. Rozwój projektowania współczesnych rurociągów uwzględnia nowe metody eksploatacji rur. Związane jest to z rozwojem alternatywnych metod montażu i wymiany systemów rurowych tj. metoda odkrywkowa [1, 11, 12]. Obecne dąży się do wytwarzania rur lekkich o wysokiej wytrzymałości dlatego wybór rodzaju materiału ogranicza się do aluminium i kompozytów. Zastosowanie żywicy jako osnowy zmniejszy masę, a dodatkowo wzmocnienie włóknami szklanymi zwiększa wytrzymałość kompozytu. Kolejnym krokiem jest analiza metod wytwarzania. Etap zwany produkcją jest wynikiem już przeanalizowanych rozwiązań. Głównymi czynnikami są ekonomika i jakość. Ten pierwszy parametr jest obecnie bardzo istotny umożliwia przy stosunkowo niskich kosztach produkcji uzyskać element spełniający założenia podczas projektowania. Powtarzalność jakości elementów determinuje opłacalność procesu wytwarzania i określoną wytrzymałość. Kontrola jakości stanowi bardzo ważny proces weryfikacji produkcji projektowanych materiałów, decyduje o jakości i wytrzymałości systemów rurowych. Optymalizacja procesów produkcyjnych pod kątem ekonomiki procesu i jakości jest już odrębną dziedziną nauki szeroko opisaną i opracowaną w literaturze. 3. Materiały kompozytowe Postęp w dziedzinie materiałoznawstwa wymusza na inżynieriach ciągłą weryfikację i udoskonalanie kompozytów. Trudności z tym związane wynikają z ich złożonej budowy, w konsekwencji wymagają więcej badań do opisu zjawisk w nich zachodzących, zależnych od cech materiałowych [13]. Budowa tej grupy materiałowej stwarza możliwość dowolnego modelowania elementów konstrukcyjnych. Materiały takie składają się z przynajmniej dwóch innych składników, z których jedno stanowi osnowę (ang. Matrix), a drugie fazę umacniającą nazywaną też wzmocnieniem (ang. Reinforcement). Dobór materiałów na osnowę i wzmocnienie wpływa na właściwości kompozytu. Charakterystycznymi cechami tej grupy materiałów są: anizotropia, niejednorodność i lepkosprężystość. Rodzaj właściwości anizotropowych zależy od postaci wzmocnienia (proszki, włókna cięte, ciągłe, mata lub tkanina), natomiast stopień owych właściwości od stosunku wskaźników wytrzymałości lub sztywności wzmocnienia (włókien) do osnowy kompozytu. W opisywanych materiałach wyróżnia się szczególnie: 19

17 - mikroniejednorodność, wynikającą ze składu dwóch lub więcej składników, - makroniejednorodność, spowodowaną błędami technologicznymi wytwarzania kompozytu takimi, jak: pustki (pęcherze), błędy spowodowane niewłaściwym ułożeniem włókien, warstw lub infiltracją włókien [13, 14]. W dostępnej literaturze istnieje wiele podziałów kompozytów. Wynika to, jak było wspomniane przy definicji, z braku dokładnego opisu tej grupy materiałów. Niemniej różnorodność kompozytów stwarza wiele możliwości przy projektowaniu elementów z tych materiałów. Klasyczny podział uwzględnia pochodzenie i przeznaczenie kompozytu. Według tego wyróżniamy kompozyty naturalne i zaprojektowane przez człowieka. Należy zauważyć, że większość definicji eliminuje możliwość zaliczania materiałów naturalnych do kompozytów. Kompozyty można podzielić ze względu na przeznaczenie, typ osnowy bądź komponentu zbrojącego Materiał osnowy Odpowiednio dobrany materiał osnowy to jeden z podstawowych czynników decydujących o procesie produkcji i eksploatacji materiału kompozytowego. Każde tworzywo charakteryzuje się szeregiem cech, które w zależności od warunków pracy bądź otoczenia mogą okazać się zarówno zaletą jak i wadą. [14]. Polimery w większości spełniają warunki, jakie stawiane są składnikom materiałów kompozytowych. Są one odporne na korozję, lekkie i ciągliwe. Ich obecność w znacznym stopniu minimalizuje wady wysokowytrzymałych włókien. Dotyczy to szczególnie ich kruchości [15]. Przy produkcji materiałów kompozytowych wykorzystywane są praktycznie wszystkie grupy produkowanych materiałów polimerowych. Zastosowanie materiałów polimerowych pozwala projektantowi na dużą swobodę w trakcie procesu projektowania. Wynika to przede wszystkim z dużej różnorodności ich właściwości, które dodatkowo można modyfikować w bardzo szerokim zakresie. 20

18 Rola osnowy w kompozytach umacnianych włóknami W kompozytach umacnianych włóknami szczególną rolę odgrywa osnowa, która w pewnym stopniu wpływa na całkowitą wytrzymałość kompozytu. Jej najważniejszymi zadaniami są [7, 12, 15]: umożliwienie formowania kompozytu, zabezpieczenie włókna przed mechanicznym uszkodzeniem, zabezpieczenie włókna przed wpływem czynników zewnętrznego środowiska pracy, przenoszenie obciążeń na włókna, zapewnienie dobrej spójności z włóknami, nie powodować mechanicznego uszkodzenia włókien, w przypadku wytwarzania kompozytów z ciekłej osnowy, powinna zapewniać zwilżanie włókien. Wszelkie wady osnowy rzutują na późniejsze właściwości wytrzymałościowe uzyskanego tworzywa. Dlatego też przy produkcji materiałów kompozytowych jednym z najistotniejszych etapów procesu produkcyjnego jest dobór substratów osnowy, infiltracja i utwardzanie osnowy. Uzyskanie wysokiej jakości materiału jest uzależnione od możliwości ograniczenia wpływu negatywnych czynników związanych z osnową i osłabiających kompozyt w trakcie jego użytkowania. Są to: porowatość, obce wtrącenia, zanieczyszczenia segregujące na granicy kontaktowej włókno osnowa, reakcja osnowy z włóknami [16]. Parametry charakteryzujące osnowę Materiały stosowane na osnowy materiałów kompozytowych najczęściej opisywane są przy pomocy parametrów tj. [3, 16]: gęstość, wytrzymałość przy zerwaniu (Rm), moduł Younga,(E) skurcz przy utwardzaniu, temperatura uplastycznienia Parametry te są uważane za podstawowe oraz zazwyczaj podawane w danych katalogowych i kartach technologicznych większości liczących się producentów tworzyw sztucznych. 21

19 Plastomery utwardzalne Funkcję osnowy we współcześnie stosowanych kompozytach pełnią zazwyczaj duroplasty [9]. Według przyjętej klasyfikacji tworzyw sztucznych, rozróżnia się duroplasty chemoutwardzalne i termoutwardzalne [3, 16, 17]. Dodatkowo, w przypadku tworzyw chemoutwardzalnych powstało uzupełniające rozróżnienie na żywice chemoutwardzalne w niskich i wysokich temperaturach [17, 18]. Zaletą tworzyw termoutwardzalnych, istotną z punktu widzenia procesu infiltracji włókien wzmacniających jest fakt, że czas do zakończenia procesu infiltracji nie jest limitowany przez jakikolwiek istotny czynnik. Cechują je także dobre właściwości mechaniczne, a w szczególności sztywność. Wadą z kolei jest brak możliwości obniżenia lepkości żywicy przez podniesienie temperatury. Wzrost temperatury żywicy prowadzi do zainicjowania procesu utwardzenia tworzywa [13]. Tworzywa chemoutwardzalne są pod tym względem dużo łatwiejsze w użyciu. W zależności od zastosowanej żywicy dla prawidłowego przebiegu procesu utwardzenia stosuje się też wygrzewanie w podwyższonej temperaturze. Utwardzacz jest dodany przed rozpoczęciem procesu infiltracji. Od jego ilości zależy m.in. czas żelowania tworzywa od którego zależy czas trakcie którego możemy prowadzić infiltrację. W niższych temperaturach czas żelowania jest dłuższy(dłużej można prowadzić infiltrację, ale wydłuża się też czas utwardzania polimeru. Aby go skrócić po infiltracji kompozyt utwardza się w podwyższonej temperaturze. [16, 18]. W przypadku stosowania tworzyw termoutwardzalnych, przed procesem infiltracji nie konieczne jest przygotowanie mieszanin substratów. Producenci tych tworzyw dostarczają materiał gotowy do infiltracji. Znanych jest wiele duroplastów w stosunkowo szerokim spektrum właściwości. Wybór tworzywa do konkretnego zastosowania zależy od wielu parametrów i w największym stopniu uzależniony jest od struktury cząsteczkowej danej żywicy, czystości i jakości procesu wytwórczego, warunków przechowywania substratów. Na rysunku 9 przedstawiono wpływ czasu na wytrzymałość tworzyw. 22

20 Rys. 9 Wpływ czasu na wytrzymałość żywic najczęściej wykorzystywanych w przemyśle [12] Należy pamiętać, że starzenie tworzyw sztucznych jest skomplikowanym zjawiskiem na który wpływ ma wiele czynników jednym z nich jest proces otrzymywania materiału. W tabeli 2 zawiera zestawiono najistotniejsze parametry dwóch grup duroplastów najczęściej wykorzystywanych jako osnowy materiałów kompozytowych wzmacnianych włóknami. Żywice do wytwarzania duroplastów produkowane są w postaci półpłynnej. Z żywic polimery (duroplasty) otrzymujemy po wymieszaniu ich z utwardzaczem i utwardzeniu. Tab. 2 Zestawienie właściwości duroplastów, opracowano na podstawie [3, 13, 16, 17] Osnowa Żywica epoksydowa Żywica poliestrowa Gęstość, ρ g/cm³ Moduł Younga, E GPa Wytrzymałość, Rm MPa Skurcz po utwardzeniu % Żywice epoksydowe Obecnie coraz powszechniej wykorzystywanym materiałem osnowy są termoutwardzalne żywice epoksydowe. Głównie ze względu na dużą wytrzymałość mechaniczną, znaczącą odporność chemiczną i dobre właściwości elektroizolacyjne. Cechują się też znaczną odpornością w kontakcie z wodą. Ponadto w przeciwieństwie do swoich chemoutwardzalnych odpowiedników, pozwalają na znaczny wzrost czystości i jakości produkcji (minimalizację ilości wad w gotowych elementach) a przez to wzrost parametrów wytrzymałościowych pozyskiwanych z nich struktur. Ich zastosowanie wymaga jednak posiadania szeregu 23

21 zaawansowanych urządzeń technicznych, niezbędnych do przeprowadzenia procesu utwardzania [16, 17, 19]. Dla większości stosowanych termoutwardzalnych żywic epoksydowych, proces utwardzania przeprowadzany jest dwuetapowo. Etap pierwszy polega na polimeryzacji w szerokim zakresie temperatury, uzależnionym od typu utwardzanej żywicy. Przeprowadzany jest on zazwyczaj w zakresie pomiędzy 30 do 120 ºC. Drugim etapem jest końcowa obróbka cieplna, przeważnie 120 do 170 ºC. Podczas procesu infiltracji w temperaturze otoczenia, termoutwardzalne żywice epoksydowe cechują się znaczną lepkością. Powoduje to, że trudno wypełniają niewielkie przestrzenie pomiędzy włóknami wzmocnienia. Prowadzi to do powstawania bardzo trudno usuwalnych pęcherzyków powietrza. Dla chemoutwardzalnych żywic epoksydowych opracowano szereg utwardzaczy i związków katalizujących proces polimeryzacji. Funkcję utwardzacza pełnią związki zawierające grupy aminowe (NH2). Reagują one z grupami epoksydowymi głównego łańcucha polimeru przy stosunku stechiometrycznym substratów utwardzacza i żywicy równych od 1 do 2. Dlatego wymagane jest ścisłe przestrzeganie ilości substratów zalecanych przez producentów ilości dodawanego utwardzacza. Aminy aromatyczne są silnymi toksynami, o nieprzyjemnym zapachu. W charakterze utwardzacza uelastyczniającego dla żywice epoksydowe stosuje się dwu-łańcuchowe poliamidy PAC. Przy utwardzaniu na gorąco stosuje się zazwyczaj aminy aromatyczne [15]. Podwyższenie temperatury intensyfikuje proces usieciowania żywic. W zależności od rodzaju żywicy, pozwala to na osiągnięcie jej maksymalnej wytrzymałości po kilku godzinach. Podczas gdy w temperaturze otoczenia efekt ten mógłby zostać osiągnięty dopiero po paru miesiącach [15, 17, 18]. Żywice poliestrowe Były pierwszymi znanymi żywicami syntetycznymi [16, 17]. Do dnia dzisiejszego są najczęściej stosowanymi osnowami polimerowymi w kompozytów, przeważnie wzmacnianych włóknami szklanymi [16]. Żywice poliestrowe ugruntowały sobie dobrą pozycję na rynku głównie ze względu na niską cenę, stosunkowo dobre własnościowi wytrzymałościowe oraz dużą łatwość zastosowania w produkcji przemysłowej przy pomocy jednej z wielu opracowanych i rozpowszechnionych technologii. Żywice należące do tej grupy cechują się przede wszystkim małą lepkością i możliwością modyfikacji w szerokim zakresie [15, 19]. Cechuje je wysoka odporność na bezpośrednie działanie wody (w tym także wody morskiej). W odniesieniu do żywic epoksydowych posiadają one większy skurcz utwardzania (Tab. 2), przez co narażają nowopowstały materiał na obecność dużych naprężeń przezeń wywołanych. Charakteryzują się też gorszą adhezją do powierzchni włókien [13, 16]. 24

22 Dodatkowym problemem jest łatwopalność substratów, co utrudnia przechowywanie oraz niezbędne procedury przygotowawcze np. wymaga zachowania szczególnej ostrożności przy procesie mieszania z utwardzaczem. Proces utwardzania żywic poliestrowych polega na wolnorodnikowej kopolimeryzacji nienasyconych łańcuchów oligoestru z monomerem sieciującym. Co prowadzi do powstania poprzecznych wiązań sieciujących [16]. Funkcję monomeru sieciującego zazwyczaj pełni styren [17, 20], jednak w zależności od zastosowanej odmiany żywicy mogą to być związki w postaci organicznych nadtlenków lub wodoronadtlenków [16]. Dla zagwarantowania pełnego usieciowania żywic utwardzanych na zimno zalecane jest wygrzewanie wyrobu w podwyższonej temperaturze. Zazwyczaj wymaga się przetrzymania elementu przez 1 do 2 godzin w temperaturze z zakresu 80 do 100ºC [16]. Jednym z nowszych rodzajów żywic poliestrowych, zdobywający coraz większą popularność są żywice winyloestrowe Tworzywa termoplastyczne Są to materiały zdobywające coraz większą popularność w przemyśle ze względu na dużą łatwość kształtowania z nich elementów oraz możliwość produkcji w pełni użytecznych prefabrykatów na skalę masową. Grupa tworzyw termoplastycznych cechuje się bardzo dużą różnorodnością właściwości. Końcowe właściwości tworzyw uzależnione są nie tylko od rodzaju zastosowanego polimeru, ale również od zastosowanych wypełniaczy i dodatków. Kompozyty wytworzone na osnowie z tworzyw termoplastycznych ulegają odkształceniu w podwyższonych temperaturach. Ogranicza to możliwość stosowania takich tworzyw. Znane są tworzywa pozwalają na stosowanie ich w znacznie wyższych temperaturach niż dotychczas (np. PEEK można stosować do temperatury 250ºC) [7]. Najpopularniejszymi termoplastami stosowanymi jako osnowy do produkcji materiałów kompozytowych są tworzywa akrylowe, poliamidy, polistyren, polieterokretony oraz poliwęglany o strukturze amorficznej [3, 17, 20] Gumy Są to tworzywa, które znalazły szereg implementacji w produkcji kompozytów. Najczęściej wykorzystywane są do produkcji taśm przenośników, opon samochodowych czy przy produkcji elementów dla układów mechaniki (np. paski klinowe). Podstawowym surowcem do ich wytwarzania są kauczuki syntetyczne oparte na butadienie. Muszą one jednak zostać poddane procesowi wulkanizacji (usieciowania). Najczęściej stosowaną w tym celu substancją dla tego rodzaju tworzywa jest siarka [3]. 25

23 Rola tych tworzyw ogranicza się całkowicie do ochrony włókien wzmacniających, ponieważ ze względu na bardzo duże różnice w wartościach modułu Younga, 100% obciążenia przenoszone jest przez włókna a osnowa przekazuje obciążenia tylko i wyłącznie w obrębie zamocowania elementu Rodzaje włókien Włókna, jako wzmocnienie stosowano już w czasach starożytnych. Ostatecznie, to one są odpowiedzialne za wytrzymałość uzyskanego materiału. Obecnie, w nowoczesnych materiałach kompozytowych stosuje się głównie włókna wytworzone sztucznie [18]. Materiały stosowane na włókna w dalszym ciągu się rozwijają. Dotyczy to zwłaszcza włókien z tworzyw sztucznych, włókien węglowych i grafitowych [13, 21, 22]. Pożądane cechy włókien w materiałach kompozytowych Włókna stosowane do produkcji materiałów kompozytowych powinny cechować się przede wszystkim możliwie wysoką wytrzymałością na rozciąganie i dostatecznie dużym modułem Younga [23]. W oparciu o te parametry oceniana jest przydatność włókien przy produkcji danej grupy materiałów kompozytowych [23]. Włókna stosowane przy produkcji kompozytów powinny posiadać stabilną wytrzymałość i sztywność, stabilność właściwości w temperaturze pracy i odporność chemiczną [3, 13]. Parametry charakteryzujące włókna Włókna najczęściej opisywane są przy pomocy następujących parametrów [3, 23, 24]: gęstość, moduł Younga, wytrzymałość na rozciąganie (Rm), wydłużenie przy rozciąganiu, współczynnik rozszerzalności cieplnej, maksymalna temperatura pracy. Parametry te z reguły podawane są w kartach technologicznych dostarczanych wraz z włóknami. Są one niezbędne na etapie projektowania materiału kompozytowego oraz istotne dla przewidywania właściwości materiału po procesie wytwarzania. Tabela (Tab. 3) zawiera zestawienie najistotniejszych parametrów przykładowych materiałów stosowanych w charakterze włókien wzmacniających. 26

24 Tab. 3 Właściwości wybranych włókien stosowanych do produkcji kompozytów [3, 13, 23, 25] Charakterystyka włókien szklanych Włókna szklane są najpopularniejszymi włóknami ze względu na ich niską cenę i wysoce dopracowaną i rozpowszechnioną w świecie technologię produkcji. Włókna szklane cechują się przede wszystkim tym, że nie przewodzą prądu, nie pylą czarnym pyłem, łatwo się je formuje (łącznie z tkaniem użytecznych tkanin). Możliwość formowania rożnych wyrobów wynika z większej wytrzymałości włókien szklanych przy tworzeniu pętli [23]. Ponadto, w porównaniu z włóknami węglowymi, włókna szklane oprócz przewagi ekonomicznej cechują się większą zdolnością do pochłaniania energii [23]. Na wykresach przedstawione zostały wyniki prób udarnościowych dla próbek materiałów kompozytowych wzmacnianych włóknem szklanym i węglowym w osnowie żywicy epoksydowej (Rys. 10a) i poliestrowej (Rys. 10b). Dzięki tej właściwości kompozyty wzmacniane włóknami szklanymi stosuje się na elementy które mają np. pochłonąć energię zderzenia [26]. Do wad włókien szklanych zaliczyć należy ich wrażliwość na wysokie temperatury, którą prezentuje wykres na rys. 11 [3, 26]. Cechuje je też znaczny spadek właściwości w kontakcie z wodą [16]. Spowodowane jest to przez wypłukiwanie przez wodę jonów magnezu. W wyniku czego powstają szczeliny w warstwach wierzchnich włókien [26]. Pomimo wszystkich swoich zalet, włókna szklane wybierane są przeważnie ze względu na swoją niską cenę. Często, aby zmniejszyć koszty produkcji elementów, w których konieczne jest zastosowanie włókien węglowych, projektanci wprowadzają zastępcze elementy wzmocnienia z włókien szklanych. 27

25 a) b) Rys. 10 Energia zniszczenie w zginaniu udarowym w funkcji objętości próbek: a) osnowa epoksydowa, b) osnowa poliestrowa [26] Rys. 11 Wpływ temperatury na wytrzymałość na rozciąganie włókien szklanych typu E [26] 28

26 Charakterystyka włókien węglowych Wszędzie tam gdzie wysokie parametry i jakość końcowego wyrobu stawiane są ponad cenę, stosuje się włókna węglowe. Związane jest to bezpośrednio z wiązaniami kowalencyjnymi pomiędzy poszczególnymi atomami węgla w strukturze włókien. Są to najsilniejsze wiązania, jakie powstają pomiędzy atomami [3, 13, 17, 25]. Włókna węglowe cechują znakomite właściwości mechaniczne, duża odporność chemiczna i stabilność cieplna [16]. Technologie produkcji włókien węglowych ciągle się rozwijają. Obecnie uzyskuje się włókna o znakomitych właściwościach przy jednoczesnym podwyższaniu wytrzymałości i sztywności [26].W porównaniu z włóknami szklanymi, włókna węglowe charakteryzują się znacznie wyższą wytrzymałością. Inicjacja zniszczenia kompozytów opartych o włókna węglowe następuje dopiero przy bardzo dużych siłach (Rys. 12). Rys. 12 Wykresy siła-przemieszczenie dla ściskania grubościennych rurek kompozytowych: a) wysokowytrzymałe włókna węglowe, b) włókna szklane [26] Ich przewaga jest szczególnie widoczna w odniesieniu do wyrobów kompozytowych, eksploatowanych w warunkach wilgoci i przy zmiennych obciążeniach [26]. Wadą jest charakter niszczenia tej grupy kompozytów. O ile w przypadku wzmocnienia włóknem szklanym degradacja zachodzi stopniowo, w przypadku włókien węglowych, po przekroczeniu wytrzymałości materiału dochodzi do zniszczenia o charakterze katastroficznym. 29

27 Rys. 13 Koszty względne surowców i gotowych produktów dla wybranych materiałów [26] Kolejną i chyba najistotniejszą wadą włókien węglowych jest ich stosunkowo wysoka cena. Przeciętnie za kilogram włókien węglowych zapłacić należy przynajmniej dziesięciokrotnie więcej niż za kilogram włókien szklanych [16, 26]. Wadę tę częściowo rekompensują niskie koszty produkcji gotowych wyrobów (Rys. 13) [26]. Ze względu na zróżnicowane właściwości, projektanci materiałów kompozytowych bardzo często tworzą tzw. kompozyty hybrydowe. Są to struktury wykorzystujące zalety dwóch lub więcej rodzajów wzmocnienia bądź osnowy. Badania naukowe zajmujące się porównywaniem właściwości materiałów świadczą o celowości takiego działania [26]. Z kolei wyniki uzyskiwane w praktyce przemysłowej i konstrukcyjnej potwierdzają taki stan rzeczy [16] Włókna naturalne Coraz częściej sięga się też po naturalne włókna, zwłaszcza w szybko rozwijających się gospodarkach takich jak Indie czy Indonezja gdzie prowadzone są intensywne badania nad zastosowaniem do wytwarzania kompozytów włókien takich roślin jak: juta, włókno kokosowe, sizal, ananas, ramia (Rys. 14), bambus czy palma bananowa [27]. Włókna takie stosowane są w przemyśle samochodowym w Niemczech Ma to też związek z coraz częściej branymi pod uwagę przy produkcji tworzyw aspektami ekologicznymi. 30

28 Rys. 14 Włókna ramii [28] Nanowłókna Obecnie wciąż teoretycznym surowcem dla przemysłowej produkcji są nanorurki węglowe w postaci długich włókien wzmacniających materiał kompozytowy. Wynika to z faktu, iż technologia wytwarzania oraz implementacji tego przyszłościowego materiału nie została jeszcze dostatecznie dobrze opanowana nawet w warunkach laboratoryjnych. Same nanorurki ze względu na różnorodność swoich parametrów nie dają się ściśle zdefiniować pod względem parametrów mechanicznych (różne średnice oraz możliwość występowania aglomeratów) [25]. Aktualnie znane technologie umożliwiają pozyskiwanie nanorurek, o długości kilki centymetrów [25, 29]. Najdłuższe uzyskane do tej pory pojedyncze nanorurki osiągały maksymalnie 20 cm [25]. Niestety trudności technologiczne, niewielkie ilości uzyskiwane w wyniku procesu wytwarzania oraz wysokie koszty wytwarzania w dalszym ciągu uniemożliwiają zastosowanie tego materiału w przemyśle Postać handlowa włókien Włókna dostępne są w szerokiej gamie postaci handlowych. Popularność danej postaci w największym stopniu rzutuje na jej późniejszą cenę. Konkurencja pomiędzy producentami spowodowała, że dostępna na rynku jest szeroka gama produktów składających się zarówno z jednego jak i z kilku rodzajów włókien. 31

29 Najbardziej uniwersalną postacią handlową jest roving. Roving może być 3 pasmowy lub 32 pasmowy. Każde pasmo składa się z 51 włókien sklejonych apreturą [3]. Rys. 15 Roving włókna węglowego Uniwersalność rovingu polega na możliwości wykonania z niego wzmocnienia o niemal dowolnej morfologii. Roving stanowi materiał wyjściowy do produkcji wszystkich wzmocnień w postaci tkanin. W tej postaci dostępne są praktycznie wszystkie produkowane współcześnie gatunki włókien. Apretura, naniesiona w trakcie produkcji nie tylko skleja poszczególne włókna w paśmie, ale również stanowi warstwę pośrednią zwiększającą zwilżalność włókien przez osnowę podczas procesu infiltracji [3, 16]. Na zdjęciach przedstawione zostały dostępny w handlu roving włókna węglowego (Rys. 15) oraz włókna szklanego (Rys. 16). Rys. 16 Roving włókna szklanego Maty są najbardziej dostępną postacią handlową praktycznie każdego rodzaju włókien. Gotowe materiały wzmacniające w tej postaci, produkowane są na skalę masową. Dostępność technologii spowodowała, że producentów tej klasy wzmocnień spotkać można praktycznie w niemalże każdym państwie świata. Maty stosowane są wszędzie tam gdzie od właściwości końcowych 32

30 istotniejsze są aspekty ekonomiczne produkcji. Maty wzmacniają osnowę, ale bez jednoznacznie wyznaczonego kierunku wzmocnienia. Przez co powstałe przy jej użyciu elementy cechują się stosunkowo dobrymi właściwościami [18, 21]. Rys. 17 Cięta standardowa mata z włókna szklanego; Produkt firmy China Yang Zhou Guo Tai Fiberglass Co., Ltd [8] Zdjęcie (Rys. 17) przedstawia typową matę z włókna szklanego. Sprzedawaną w formie rolek z reguły na potrzeby niewielkich producentów. Tkaniny stanowią najszerszą klasę dostępnych w handlu materiałów wzmacniających. Wynika to przede wszystkim z praktycznie nieograniczonej liczby kombinacji wzajemnego ułożenia włókien w tkaninie. Przykładowe ułożenie włókien doskonale obrazuje rysunek 18. Każda tkanina stanowi następnie wzmocnienie dla poszczególnych warstw przyszłego laminatu. W zależności jak poszczególne warstwy tkaniny zostaną względem siebie zorientowane, powstanie kompozyt o innych właściwościach wytrzymałościowych i użytkowych. Rys. 18 Zwykły i satynowy splot tkaniny [23] 33

31 Zdjęcie (Rys. 19) przedstawia przykład typowej tkaniny z włókna węglowego, produkowanej przeważnie na potrzeby przemysłu lotniczego. Rys. 19 Sucha tkanina węglowa [23] Tkanina taka, po procesie tkania jest rolowana i pakowana. Szerokości pasma tkaniny jak i wielkości rolek są zazwyczaj standaryzowane w ramach oferty danego producenta. Pozwala to producentom na znaczne zmniejszenie kosztów a projektantom pozwala na łatwy dobór tkanin o znanych własnościach [16, 23] Oznaczenia włókien Jak dotąd nie został przyjęty żaden zunifikowany system oznakowania włókien. W efekcie panuje w tej dziedzinie duża dowolność a stosowane w opisach prac badawczych oznaczenia zazwyczaj ograniczają się do podania gatunku materiału wzmocnienia i osnowy bądź oznaczenia producenta. Jedynym wspólnym mianownikiem stosowanym do opisu włókien przez wszystkich producentów jest TEX. Jest to jednostka stosowana w przemyśle włókienniczym. Została ona z pozytywnym skutkiem zastosowana także do opisu włókien stosowanych w produkcji materiałów kompozytowych. Jednostka ta zdefiniowana została jako masa 1000 m włókna podawana w gramach [3, 13]. W zależności od potrzeb stosuje się również większe postacie tej jednostki (Tab. 4). Jednostka ta jest o tyle pożyteczna, że pozwala w łatwy i szybki sposób na przeliczenie masy na długość włókna i odwrotnie. Pozwala to po procesie infiltracji na łatwiejszą analizę składu ilościowego materiału kompozytowego. 34

32 Tab. 5 Jednostki systemu TEX 4. Charakterystyka kompozytów Różnorodność klasyfikacji wzmocnienia umożliwia dokładne zaprojektowanie danego elementu, biorąc pod uwagę chęć sprostania określonym wymaganiom narzuconym przez inżyniera. Na rysunku (Rys. 20) przedstawione są postacie wzmocnienia wykorzystywane w przemyśle. Rodzaj zbrojenia jest bardzo ważnym czynnikiem podczas projektowania. Sumaryczne właściwości zależne od komponentu zbrojenia i osnowy wpływają na właściwości całego kompozytu. Chcąc uzyskać wysoko wytrzymałe materiały należy wybrać włókna jako element wzmocnienia. Wybór postaci struktury jest już dokładniejszą analizą, na którą wpływ ma metoda wytwarzania, czy ekonomiczność procesu. RODZAJE ZBROJENIA Kompozyty zbrojone włóknem ciągłym Kompozyty umocnione cząstkami Kompozyty umocnione dyspersyjnie krótkim (ciętym) wyrobami z włókien tkaniny maty rękawy wyplatane Rys. 20 Rodzaje komponentów zbrojenia [3] 35

33 Najpowszechniejszym wzmocnieniem wykorzystywanym w przemyśle są włókna. Spowodowane jest to ich wysoką wytrzymałością w stosunku do małej średnicy oraz dostępnością różnorodnych postaci. Brak pęknięć poprzecznych i wad powierzchniowych sprawia, że włókna mają lepsze właściwości w stosunku do materiału wyjściowego (bazowego). Dlatego w przemyśle dąży się do jak najmniejszych średnic wytwarzanych włókien. Wyjątkiem od tej reguły jest stal (Rys. 21), w której wielkość ziarna jest porównywalna ze średnicami włókien. Należy jednak pamiętać, że za minimalizacją średnicy podążają bardzo istotne problemy dla późniejszego procesu produkcji. Rys. 21 Wpływ średnicy włókna na Rm kompozytów [13] Zastosowanie włókien o jak najmniejszej średnicy nie sprawdza się w przypadku ściskania. Stwierdzono, że znacząco lepiej zachowują się włókna grubsze. Jest to wynik uzyskiwanych przez nie wyższych wartości modułu Younga oraz bardziej równomiernego rozmieszczenia w materiale osnowy Proces produkcji kompozytów Współczesny rozwój materiałów kompozytowych zaczął się po opanowaniu procesu produkcji żywic syntetycznych, stanowiącym podstawę produkcji laminatów. Jednym z pierwszych kompozytów opartych na tych żywicach był bakelit, pierwszy przedstawiciel fenoplastów. Gwałtowny rozwój materiałów kompozytowych w trakcie i po II wojnie światowej był też związany z rosnącym zapotrzebowaniem przemysłu lotniczego, kosmicznego i motoryzacyjnego na lekkie i wytrzymałe materiały, którymi dałoby się zastąpić stal i inne metale. 36

34 Proces produkcji tworzyw kompozytowych wzmacnianych włóknami Wzrastające zainteresowanie materiałami kompozytowymi w przemyśle wynika z szerokiej dostępności metod wytwarzania, które w dużym stopniu wpływają na końcowe właściwości projektowanego elementu. Daje to szansę dowolności w modelowaniu, ale zmusza inżyniera do wnikliwej analizy procesu produkcji i kontroli powtarzalności wytwarzanych elementów. W praktyce można wyróżnić dwa podejścia do produkcji kompozytów wzmacnianych włókien zależne od metody nanoszenia materiału wzmocnionego: nasycenie preformy z rozmieszczonymi włóknami, wyklejanie w preformie nasyconych już pasm, mat i tkanin (tzw. prepregów materiałów wstępnie impregnowanych), prasowanie. Rys. 22 Preforma wykonana z maty z włókna szklanego [23] Najbardziej rozpowszechniona i jednocześnie pierwszą, jaką praktykowano jest metoda nasycania preformy z naniesioną strukturą wzmocnienia. Zapewnia ona dużą dowolność przy projektowaniu składu przyszłego materiału kompozytowego. Wynika to z konieczności umieszczenia wzmocnienia na preformie przed nasyceniem jej materiałem osnowy. Technika ta nie daje się wysoce zautomatyzować [30]. Jednak w dalszym ciągu pozostaje jedną z najtańszych możliwych rozwiązań, zwłaszcza przy produkcji małoseryjnej [2, 30]. Staje się ona jednak nieekonomiczna w warunkach produkcji wielkoseryjnej bądź, jeżeli produkowany element ma pełnić odpowiedzialne funkcje. Wówczas znacznie istotniejszym problemem przy wykorzystaniu takich tworzyw staje się kłopot z zapewnieniem im wysokiej jakości (omówienie do rys. 19) [2, 15]. Dzieje się tak zwłaszcza w przypadku elementów o dużych wymiarach. Na rys. 22 widoczne są preformy elementu wzmacnianego matami z włókna szklanego przed 37

35 i po nasyceniu żywicą. Metody produkcji prepregów stosowane są na skalę przemysłową i jedynie wtedy mają one sens ekonomiczny. Zaletą tego rozwiązania jest wysoka jakość produktu impregnacji [13, 23] możliwość automatyzacji procesu produkcji zarówno samego prepregnatu jak i gotowych wyrobów. Najistotniejszą zaletą tej gamy tworzyw impregnowanych jest unifikacja właściwości materiału w ramach danego dostawcy. Elementy wykonane z takich materiałów cechują się szczególnie wysokimi właściwościami, są tańsze niż ich infiltrowane w preformach odpowiedniki. Zastosowanie ich w warunkach produkcji przemysłowej ma bardzo korzystny wpływ na wskaźniki ekonomiczne [23]. Tworzywa takie stają się coraz tańsze i bardziej dostępne wraz ze wzrastającym stopniem ich wykorzystanie w produkcji masowej [16]. Niestety, przeważnie decydując się na zastosowanie materiałów prepregowanych producenci decydują się jednocześnie na utratę możliwości decydowania o składzie surowcowym tych tworzyw. Wyjątkiem są wielkie zamówienia i odbiorcy mogący sobie pozwolić na dyktowanie zapotrzebowania na rynku tych tworzyw. Idea przygotowania półproduktu do produkcji kompozytów nie jest pomysłem nowym. Jednakże realizacja na skalę przemysłową stała się możliwa dopiero w przeciągu ostatnich dwudziestu lat. Na rys. 23 przedstawiono ideowy schemat procesu produkcji tych materiałów. Rys. 23 Schemat procesu sycenia: a) pasm, b) tkanin, 1 tkanina, 2 koryto z żywicą, 3 wałki odciskające, 4 grzejniki, 5 taśma [13] 38

36 Proces produkcji i kształtowania elementów kompozytowych Na wybór procesu produkcji i kształtowania elementów kompozytowych ma wpływ wiele czynników. Decydują one o ekonomiczności procesu i są silnie uzależnione od doboru komponentów. W przemyśle dominują dwa główne nurty badań rozwojowych: ukierunkowane na ekonomikę produktów, mającą na celu zwiększenie możliwości wykorzystywania technologii w przemyśle przy produkcji wielkoseryjnej oraz drugi perspektywiczny związany z poznawaniem i opanowaniem nowych technologii, zazwyczaj wykorzystywanych do produkcji pojedynczych elementów nowoczesnych rozwiązań [1, 21]. Jednakże oba podejścia obarczone są pewnymi warunkami, które powinny spełniać [7]: - wymaganą orientację i rozmieszczenie włókien w osnowie, - wystarczająco silne i jednorodne połączenie włókien z osnową, - zapobiegać obniżaniu wytrzymałości włókien, - umożliwiać produkcję na skalę masową z możliwie najniższymi kosztami produkcji, czyli możliwie najniższą ceną finalnego wyrobu. Technologia nanoszenia Najbardziej rozpowszechniła się technologia nanoszenia materiału kompozytowego na preformy. Wynika to głównie z możliwości odwzorowania geometrii elementu z bardzo wysoką dokładnością. Rozróżniamy dwa rodzaje preform. Preformy dodatnie, tzw. męskie (ang. Male Tooling), oraz preformy ujemne, tzw. żeńskie (ang. Female Tooling). Poniższa grafika (Rys. 24) prezentuje i porównuje oba warianty preform. geometria dodatnia geometria ujemna Rys. 24 Preforma o dodatniej i ujemnej geometrii [30] W przypadku preform dodatnich, kolejne warstwy materiału kompozytowego nanoszone są na zewnętrzne ściany preformy. Metoda ta przy zastosowaniu odpowiednich materiałów i środków separujących gwarantuje wysoką jakość powierzchni wewnętrznej przyszłego elementu bez konieczności stosowania obróbki w celu uzyskania czystej i jednorodnej powierzchni o wysokiej jakości [21, 23]. 39

37 Natomiast w przypadku preform ujemnych, kompozyt nanoszony jest na wewnętrznej stronie ściany narzędzia. Wynik jest analogiczny jak w przypadku narzędzi o geometrii dodatniej, z tą różnicą, że preformy ujemne stosuje się, gdy wymagana jest wysoka jakość powierzchni zewnętrznej projektowanego elementu [21, 23]. Same preformy najczęściej wykonywane są z drewna i tworzyw sztucznych. Przy produkcji specjalnej i wielkoseryjnej gdzie istotna jest wysoka jakość gotowych elementów ekonomicznie uzasadnione jest stosowanie preform metalowych [22]. Proces nanoszenia materiału kompozytowego na preformę zazwyczaj wykonywany jest ręcznie. Pełne zautomatyzowanie tej części procesu jest bardzo trudne. Jednak istnieje szereg rozwiązań, które pozwalają na częściową automatyzację i w większości wykorzystywane są w przemyśle lotniczym i dotyczy nanoszenia prepregantów. Przykładem takiej implementacji jest głowica nanosząca na preformę kolejne warstwy prepregowanej taśmy (Rys. 25). Zastosowanie takiej głowicy jest jednak możliwe, gdy preforma elementu jest stosunkowo jak najbardziej płaska oraz nie powinna posiadać ostrych kątów, do których głowica nie będzie mogła się dostać. Dlatego zazwyczaj urządzenia takie stosowane są na preformach dodatnich (tj. elementów poszycia skrzydeł). Rys. 25 Głowica nanosząca warstwy taśmy kompozytowej [23] Kolejnym przykładem jest schemat stanowiska do pozycjonowania laserem położenia kolejnych warstw prepregowanego materiału, w preformie (Rys. 26). Generowane komputerowo oznaczenia, widziane przez robotnika na preformie pozwalają mu na efektywniejszą pracę i chronią przed popełnieniem błędu. Wszystkie metody tego typu pozwalają na znaczne przyspieszenie prac przy jednoczesnym zwiększeniu precyzji w czasie pozycjonowania i orientacji włókien w przyszłym laminacie. Zapewniając tym samym lepszą jakość finalnego wyrobu [11, 15]. 40

38 Następna warstwa Promień lasera Punkty graniczne Laserowy kontur następnej warstwy Pierwsza warstwa Narzędzie łączące Rys. 26 Laserowy system pozycjonowania kolejnych warstw w laminacie [16] Technologia nawijania Technologia nawijania polega na nanoszeniu kolejnych warstw włókna na preformę w ściśle określonym porządku tworząc przy tym zbiór oplatających elementów helis (Rys. 27). Porządek ten uwidacznia się potem w ułożeniu włókien w materiale tworząc charakterystyczne wzory. Technologia ta pozwala na wykonanie kompozytu na preformach o praktycznie każdej geometrii wypukłej [13, 21, 23]. Jest stosunkowo łatwa do opanowania. Rys. 27 Schemat procesu nawijania na elementy wielkogabarytowe [21] Pozwala na wykonanie wzmocnienia na elementach o praktycznie dowolnych rozmiarach, przy użyciu kilku rodzajów włókien. Powoduje to zwiększenie atrakcyjności tej technologii. Wykonuje się w niej takie elementy jak: zbiorniki wysokociśnieniowe [31], osłony, maszty łodzi żaglowych, rury wysokociśnieniowe [24], profile konstrukcyjne czy elementy dekoracyjne [21]. 41

39 Technologia wyplatania Technologia wyplatania wykorzystuje zasadę tkania podobnie jak maszyny dziewiarskie. Wyplot bądź oplot nanoszony jest na preformę (tzw. rdzeń) poprzez obracające się w ramie wyplatanki i szpule z włóknem. Szpule podzielone są na dwie grupy, poruszające się po obwodzie ramy w kierunkach względem siebie przeciwnych. Jednocześnie zmieniają wzajemne położenie tworząc tym samym strukturę tkaniny zaciskającej się promieniście na powierzchni rdzenia (Rys. 28). Postać uzyskanego wzmocnienia zależy od przyjętego podejścia, możliwe jest wykonanie oplotu na stałym rdzeniu (pozostaje on w wyplocie i staje się integralną częścią późniejszego elementu), bądź na rdzeniu tymczasowym (zostaje usunięty po wykonaniu wyplotu, dotyczy to szczególnie wzmocnień rur i rękawów). Rys. 28 Wstępny wyplot z włókna węglowego; prace badawcze ILK - TU Dresden [28] Rys. 29 Rękaw hybrydowy szkło-węgiel; prace badawcze ILK TU Dresden [19] Uzyskane w tej technologii materiały zalicza się do materiałów wzmacnianych tkaninami, jednak ich przewagą nad typowymi materiałami tego typu jest brak łączeń na obwodzie wzmacnianych materiałów [13, 21, 23]. Rys. 29 przedstawia hybrydowy rękaw szklano węglowy, mający za zadanie prezentować możliwości wytwórcze tej technologii. Istotne jest, że technologia ta jest stosunkowo nowa. Nie opracowano jak dotąd jej podstaw. Dostępna na ten temat literatura jest uboga i oparta wyłącznie na wiedzy empirycznej. Zalety technologii wyplatania [24, 31]: brak szwów i łączeń, wyplot równomiernie i jednolicie pokrywa cały obwód przekroju wzmacnianego elementu, 42

40 każda warstwa wyplotu zostaje ułożona jednocześnie w czasie jednego przejścia, możliwość łatwego nanoszenia wzmocnienia nawet przy znacznych krzywiznach i zmianach przekroju rdzenia, wysoka szybkość i możliwość pełnej automatyzacji procesu, wzajemne podtrzymywanie się wiązek podczas procesu wyplatania (wyplot samoistnie zaciska się wokół rdzenia), zdolność procesu do samoistnego dopasowania się do nietypowych kształtów rdzenia, zdolność do zachowania ciągłości włókien przy zmianie średnicy rdzenia, kąt wyplotu jest funkcją jedynie prędkości przemieszczenia się rdzenia, prędkości szpul wyplatanki oraz średnicy rdzenia, duża efektywność procesu, stosunkowo duża łatwość umiejscowienia dodatkowych elementów pomiędzy wyplatanymi warstwami, możliwość umieszczenia elementów obcych (np. czujników) bezpośrednio w wyplocie, relatywnie niski koszt produkcji jednostkowej (np. w stosunku do techniki nawijania), duża swoboda przy projektowaniu struktury wzmocnienia, stosunkowo małe naddatki technologiczne (naddatek na długość włókien), Wady technologii wyplatania [24, 31]: wymaga specjalistycznego, kosztownego wyposażenia, wymaga wykwalifikowanej kadry technicznej, proces wymaga ciągłego dozoru, wzajemne uszkadzanie się włókien podczas procesu, trudności w kontrolowaniu naciągu włókien podczas procesu. Technologia prasowania Nową i dynamicznie rozwijającą się technologią jest kształtowanie materiałów kompozytowych o osnowie termoplastycznej na drodze prasowania [12, 30]. Jednak ze względu na problem łamania się włókien przy dużych odkształceniach, jest ona polecana przede wszystkim dla materiałów wzmacnianych włóknami i o długościach zaledwie kilkakrotnie dłuższych od długości krytycznej [21]. Na rysunku 30 przedstawiony jest schemat procesu kształtowania elementów z wykorzystaniem gumowego stempla. Powstały w ten sposób element może być już produktem finalnym o stosunkowo dobrych właściwościach. 43

41 płyta odciskowa górna matryca materiał termoplastyczny gumowy blok dolna matryca nacisk cykl formowania część uformowana Rys. 30 Kształtowanie elementów z kompozytów o osnowie termoplastycznej [23] Proces infiltracji Ukształtowana struktura wzmocnienia musi być następnie poddana procesowi infiltracji mającej na celu nasycenie wzmocnienia materiałem osnowy. Wiodącą techniką w polskich warunkach przemysłowych jest nadal infiltracja przez nanoszenie powierzchniowe składników osnowy. Stosowana jest ona głównie do tworzyw chemoutwardzalnych [3, 16]. Technologią znacznie bardziej efektywną jest jednak metoda nasycania podciśnieniowego [16]. Polega ona na szczelnym zamknięciu elementu w foliowej osłonie, z której następnie wypompowywane jest powietrze. Osłona połączona jest ze zbiornikiem z materiałem osnowy (z reguły jest to tworzywo termoutwardzalne lub termoplastyczne). Materiał osnowy stopniowo zastępuje w objętości wypompowywany gaz [13]. Metoda ta zapewnia wysoką jakość pokrycia włókien osnową, dużą jednorodność finalnego wyrobu oraz niewielką liczbę wad struktury osnowy. Pozwala też na przeprowadzenie infiltracji elementów o praktycznie dowolnych rozmiarach. Rys. 31 przedstawia przykładowy schemat instalacji do przeprowadzenia procesu infiltracji podciśnieniowej. 44

42 Tkanina rozdzielająca Siatka rozprowadzająca Worek próżniowy Warstwa abhezyjna Instalacja próżniowa Podkład PFP forma Rys. 31 Przykładowa instalacja do nasycania pod - ciśnieniowego żywicą epoksydową [21] Większość współcześnie stosowanych materiałów na osnowy to tworzywa termoutwardzalne. Ich zaletą jest możliwość przeprowadzania procesu sycenia w niskich temperaturach. Niestety, aby element kompozytowy uzyskał pożądane właściwości należy przeprowadzić proces utwardzania (inaczej usieciowania osnowy duroplastów lub ochłodzenie termoplastów) [3]. Często proces utwardzania duroplastów musi się odbyć w zakresie temperatur, w którym materiał jest zagrożony samozapłonem [13, 16, 21]. Aby temu zapobiec, podczas utwardzania powinno stosować się atmosfery ochronne, obojętne chemicznie dla składników materiału kompozytowego (np. N, CO2, Ar) [13]. Naczynie autoklawy Nacisk autoklawy Podkład kompozytu Worek próżniowy Naczynie autoklawy Narzędzie Nacisk autoklawy Rys. 32 Zasada utwardzania osnowy w autoklawie [23] 45

43 Czynnikiem dodatkowym, stosowanym w celu zmniejszenia liczby i rozmiarów pozostałych po procesie nasycania pustek jest podwyższone ciśnienie gazu mającego kontakt z elementem. Urządzenia stosowane do przeprowadzania procesu utwardzania osnowy w takich właśnie warunkach nazywa się autoklawami. Rys. 32 przedstawia schemat procesu utwardzania osnowy przy pomocy właśnie takiego urządzenia. W technologii tej, istotnym ograniczeniem jest rozmiar komory autoklawu, od której uzależnione są wymiary elementów poddawanych temu procesowi Techniki łączenia materiałów kompozytowych Aby uzyskać elementy kompozytowe o złożonych kształtach, często konieczne jest wykonywanie ich z wielu mniejszych fragmentów. Wielkogabarytowe elementy zazwyczaj powstają w wyniku połączenia kilku bądź kilkunastu mniejszych części kompozytowych. Ze względu na prostotę oraz brak istotnych ograniczeń, co do surowców, z których wykonany został kompozyt, najbardziej rozpowszechniła się technologia klejenia [13, 15]. Wymaga ona jednak zapewnienia odpowiedniego przygotowania łączonych powierzchni oraz zapewnienia stosowanej powierzchni przekroju łącza celem zagwarantowania jego odpowiedniej wytrzymałości. Na rys. 33 zestawienie najczęściej spotykanych konfiguracji połączeń klejonych wraz z orientacyjnym porównaniem odporności poszczególnych połączeń na rozciąganie. Pojedyncza zakładka Dobry Podwójna nakładka Bardzo dobry Na zamek Bardzo dobry Stożkowy (na zamek) Doskonały Pojedyncza nakładka Poprawny g) Na ucios Doskonały Podwójna zakładka Bardzo dobry h) Zakładka schodkowa Doskonały Rys. 33 Typowa adhezja połączenia w zależność od jego konfiguracji [23] 46

44 Technologia ta dzięki wieloletniemu, postępującemu rozwojowi w dziedzinie chemii posiada szereg zalet. Szeroki asortyment dostępnych na rynku klejów pozwala na łączenie niemalże wszystkich możliwych elementów w warunkach eksploatacyjnych [2, 13, 23]. Istotną jej wadą jest pracochłonność przygotowania połączenia [2]. zakładka schodkowa Zniszczenie spoin Pęknięcie poślizgowe Wytrzymałość połączeń (P) podwójna nakładka stożkowy (na zamek) uszkodzenie warstwy pojedyncza zakładka Zgięcie spoin do wprowadzenie obciążenia Grubość struktury połączeń (t) Rys. 34 Wpływ struktury połączenia na jego wytrzymałość [23] Cewka indukcyjna Pole elektromagnetyczne Rys. 35 Zgrzewarka indukcyjna do łączenia kompozytów o osnowie termoplastycznej [23] Jakość łącza uzależniona jest od czynnika ludzkiego. W warunkach przemysłowych proces wytwarzania tych połączeń daje się łatwo zautomatyzować. Problematyka zagadnienia jest dobrze zbadana i udokumentowana. Wpływa to na duży rozwój i silną pozycję w przemyśle. Technologia zgrzewania możliwa jest do zastosowania tylko i wyłącznie wtedy, gdy osnowę łączonych elementów stanowią polimery termoplastyczne. Jest to o tyle ważne, że możliwość zastosowania tej technologii przy produkcji elementu wymaga uwzględnienia jej już na etapie jego projektowania [30]. Połączenia takie wykonuje się za pomocą tzw. zgrzewarek (Rys. 35). 47

45 Szczególną zaletą procesu łączenia w tej technologii jest możliwość jego pełnego zautomatyzowania [9] oraz wysoka jakość uzyskanego połączenia Właściwości kompozytów Właściwości kompozytów polimerowych zależą od wielu czynników. Między innymi od rodzaju włókien i osnowy, ich udziału objętościowego, sposobu ułożenia włókien (tzw. struktury). W zależności od postaci wzmocnienia (cząsteczki, włókna) wytworzony materiał kompozytowy posiada strukturę i właściwości. Izotropową strukturę w przypadku zbrojenia cząsteczkami równomiernie rozmieszczonymi w osnowie lub anizotropową dla kompozytów zbrojonych włóknami. Odmienna rola osnowy i włókien sprawia, że bardzo ważnym czynnikiem jest wytrzymałości połączenia włókien z żywicą. Poprawność procesu wytwarzania decyduje o właściwościach połączenia a tym samym o końcowej jakości wyrobu Wytrzymałość na rozciąganie kompozytów wzmacnianych włóknami Wytrzymałość na rozciąganie materiałów kompozytowych zbrojonych włóknami jest zagadnieniem złożonym, uzależnionym od właściwości i zachowania się w warunkach eksploatacji poszczególnych składników materiału. Podczas rozciągania w kierunku wzmocnienia obciążenie przenoszone jest z osnowy na włókna. Relacja pomiędzy właściwościami osnowy i włókien powoduje, że rozróżniamy dwa przypadki: a) Odkształcenia niszczące włókien są mniejsze od odkształceń niszczących osnowy, b) Odkształcenia niszczące osnowy są mniejsze od odkształceń niszczących włókien, W pierwszym przypadku (Rys. 36 a) na początku ulegają zniszczeniu włókna. Materiał traci wówczas swoje właściwości wytrzymałościowe stosunkowo szybko. Ponieważ zarodkowanie pęknięć w strukturze powoduje skrócenie długości względnej włókien, dalej są one w stanie pełnić swoją rolę i przenosić obciążenia. Gdy ich długość spadnie poniżej długości krytycznej, wówczas dochodzi do gwałtownego spadku parametrów wytrzymałościowych. Zniszczenie materiału ma charakter niekorzystny, a rozwój procesu degradacji struktury podczas niszczenia nie daje się obserwować, ponieważ na powierzchni osnowy nie pojawiają się żadne objawy niszczenia aż do momentu przekroczenia jej odkształcenia niszczącego. 48

46 Rys. 36 a i b Zależność naprężeń od odkształceń dla typowych włókien i osnów [13] W drugim przypadku (Rys.36b) gdzie odkształcenia niszczące osnowy są niższe od odkształceń niszczących włókien, materiał traci swoje właściwości znacznie wolniej. Spowodowane jest to degradacją w pierwszej kolejności osnowy odpowiedzialnej za przenoszenie obciążeń na włókna. W tym przypadku włókna pozostają nienaruszone dopóki przenoszone przez nie odkształcenie nie zostanie przekroczone. Drugi mechanizm niszczenia jest korzystniejszy dla warunków eksploatacji. Istnieje możliwość zaobserwowania pierwszych objawów naruszenia ciągłości struktury na powierzchni materiału, gdy rozpoczyna się jego degradacja. Ponadto, materiał poprzez wyciąganie włókien z osnowy broni się przed zniszczeniem katastroficznym. Dzięki temu podczas eksploatacji daje się zaobserwować proces zniszczenia takich elementów. Wpływ orientacji i postaci włókien na wytrzymałość kompozytu W przypadku wszystkich materiałów wzmacnianych włóknami ich właściwości silnie zależą od orientacji fazy wzmacniającej. Na rys. 37 przedstawiona została zależność pomiędzy 49

47 kierunkiem obciążenia monotropowego kompozytu grafitowo epoksydowego, a wytrzymałością na rozciąganie i modułem sprężystości wzdłużnej. Moduł sprężystości, Gpa Wytrzymałość na rozciąganie, GPa Rys. 37 Wpływ orientacji włókna na Rm i E kompozytu [12] Spadek parametrów wytrzymałościowych wraz z odchyleniem ułożenia włókien od kierunku rozciągania związany jest ze wzrostem działania siły prostopadłej do ułożenia włókien. Wpływa ona niekorzystnie na pracę kompozytu powodując wzrost naprężenia ścinającego. W konsekwencji siły adhezji pomiędzy włóknem a osnową są minimalizowane prowadząc do delaminacji w tym obszarze. Zjawisko to jest szczególnie widoczne w przypadku porównania rozciągania kompozytowych próbek wytrzymałościowych epoksyd włókno węglowe, o dwóch skrajnych względem siebie orientacjach włókna względem kierunku działania obciążenia. Na rys. 38 widoczne są różnice w charakterze procesu niszczenia materiału w zależności od orientacji włókien względem kierunku obciążenia. Rys. 38 Postacie niszczenia próbek epoksyd włókno węglowe [13] 50

48 Podczas rozpatrywania wpływu orientacji włókien należy uwzględnić również postać włókien. Wzrost wytrzymałości na rozciąganie występuje tylko do pewnego stopnia udziału objętościowego włókien. Przyczyną jest niemożliwość całkowitego przesycenia włókien materiałem osnowy. Rodzaju osnowy, jej zdolność do zwilżania włókien oraz parametry włókien mają silny wpływ na udział masowej zawartości włókien. Czynniki te uzależnione są od wartości granicznych, powyżej których udział objętościowy włókien powoduje spadek właściwości materiału kompozytowego. Przedstawiona na rys. 39 zależność pomiędzy udziałem masowym, postacią włókien a wytrzymałością na rozciąganie kompozytów epoksydowo szklanych opracowana została doświadczalnie. Porównane zostały poglądowe wartości graniczne dla materiałów z odpowiednio wykorzystanymi postaciami wzmocnienia. Na dokładne wyznaczenie wartości granicznych wpływ ma użyta żywica, rodzaje włókien, apretury i metoda wytwarzania. Rys. 39 Wpływ zawartości włókien szklanych w kompozycie epoksydowym na wytrzymałość podczas rozciągania [12] 51

49 Wytrzymałość zmęczeniowa kompozytów Istotnym aspektem przy projektowaniu jest wytrzymałość zmęczeniowa kompozytów. Jest to jeden z najistotniejszych problemów przy eksploatacji elementów kompozytowych. Ze względu na złożoność mechanizmów odpowiadających za zmęczeniowe osłabienie materiałów kompozytowych, przewidywanie ich czasu pracy przy obecnym stanie wiedzy materiałowej, jest praktycznie niemożliwy. Wymusza to nieustanną kontrolę podczas eksploatacji, a tym samym determinuje rozwój nieniszczących technik badawczych tej grupy materiałów. Rys. 40 Spadek wytrzymałości i sztywności w wyniku zmęczenia [13] W przemyśle lotniczym podejście takie już jest od dawna przyjęte, gdzie wymogi dotyczące badań okresowych są rygorystycznie przestrzegane. Proces zużycia projektowanego elementu zmniejsza, przez cały okres eksploatacji właściwości wytrzymałościowe. Krzywe na wykresie (Rys. 40) przedstawiają spadek wytrzymałości zmęczeniowej kompozytu epoksydowo węglowego podczas rozciągania i zginania. Za wskaźnik zużycia kompozytów przyjęto sztywność. Parametr ten posiada zakres bardzo powolnego spadku wartości, opisywany jako okres pracy właściwej. Obszar zniszczenia zmęczeniowego widoczny jest jako gwałtowny spadek sztywności. W tym zakresie wyklucza się dalszą bezpieczną eksploatację, ponieważ prowadzić może ona do całkowitego zniszczenia materiału. Na wytrzymałość zmęczeniową wpływa również postać włókien, w jakiej zostały wprowadzone do struktury kompozytu. 52

50 Rys. 41 przedstawia krzywe wytrzymałości materiału dla trzech przypadków wzmocnienia: jedno - kierunkowego, krzyżowego i tkaniny. Przyczyną słabego wyniku kompozytu wzmacnianego krzyżowo jest zmiana orientacji włókien w stosunku do działającego obciążenia. Z kolei dla kompozytu wzmacnianego tkaniną, za spadek Rys. 41 Zależność trwałości zmęczeniowej kompozytu szkło/epoksyd wzmocnionego rośnymi postaciami włókien szklanych [13] wytrzymałości zmęczeniowej odpowiada występowanie koncentracji naprężeń w przeplatanym wątku i osnowy tkaniny. Zapoczątkowują one niszczenie przyległej do włókna warstwy osnowy kompozytu, prowadzą tym samym do utraty adhezji Mechanizmy procesu degradacji kompozytów Podstawowym mechanizmem niszczenia materiałów kompozytowych jest pękanie. Zazwyczaj proces ten zostaje zainicjowany w bezpośrednim otoczeniu wad materiałowych takich jak obszary obniżonej jednorodności materiału osnowy (tzw. pustki) lub w innych obszarach intensyfikacji naprężeń. Jednak nim do tego dojdzie materiał odkształca się sprężyście (Rys. 42) [15]. Sytuacja ta się zmienia, gdy osnowa zaczyna płynąć [15]. Wówczas to pojawiają się warunki do inicjowania pęknięć na pustkach. Włókna w tym czasie odkształcają się sprężyście aż do ich pęknięcia. Ponieważ w przypadkach rzeczywistych nigdy nie mamy do czynienia z jednoczesnym pęknięciem wszystkich włókien wzmocnienia, krzywa powoli [23] maleje aż do granicy plastyczności osnowy. Gdy pęka osnowa, dochodzi do całkowitego zniszczenia kompozytu [15, 23]. 53

51 Rys. 42 Wykres naprężenie odkształcenie materiału kompozytowego [15] Proces niszczenia materiału w wyniku propagacji pęknięcia przez osnowę, hamowany jest przez włókna wzmacniające. Rys. 43 przedstawia schemat postępowania pęknięcia w materiale kompozytowym wzmacnianym włókami długimi. Rys. 43 Schemat mechaniki rozwoju pęknięcia w kompozycie [32] Kolejne etapy propagacji pęknięcia w kompozycie to: a) pęknięcie w osnowie zbliża się do włókna, b) pęknięcie rozwija się po drugiej stronie włókna, jednocześnie następuje propagacja pęknięcia wzdłuż granicy międzyfazowej włókno osnowa. Samo włókno pozostaje nienaruszone. (widoczne jest to w postaci tzw. efektu zabielenia), c) dochodzi do rozwoju pęknięcia po drugiej stronie włókna i koncentracji naprężenia wokół włókna co prowadzi do jego pęknięcia, d) włókno zostaje wyciągnięte z osnowy, rozprasza to energię propagacji pęknięcia. 54

52 Mechanika pękania na granicy włókno osnowa jest dobrze opracowana w literaturze [24]. Jednak zazwyczaj kompozyt składa się z kilku warstw włókien w postaci laminatu. Wówczas proces propagacji pęknięcia w materiale, wybierając drogę wymagającą najmniejszej energii prowadzi do rozwarstwienia laminatu [15, 18]. Najsilniejszą barierą dla propagującego pęknięcia jest wówczas połączenie klejone pomiędzy poszczególnymi warstwami materiału [13, 21]. Rysunek 44 przedstawia, możliwe drogi propagacji pęknięcia wraz z przyczyną, która w danym przypadku odpowiada za zniszczenie połączenia. Pierwsze dwa przypadki przedstawione na rysunku są przypadkami skrajnymi. W pierwszym przypadku za zerwanie połączenia odpowiada utrata adhezji pomiędzy łączem a warstwą laminatu. 1 Warstwa laminatu 3 Uszkodzenie spoiwa Spoiwo Uszkodzenie spoiny % uszkodzenie spoiwa Uszkodzenie warstwy laminatu Rys. 44 Częste uszkodzenia powstałe w trakcie badania połączenia [21] Drugi przypadek obrazuje utratę ciągłości połączenia. Zazwyczaj oznaczają one źle dobrany rodzaj kleju [9]. Przypadek trzeci jest przypadkiem pośrednim, w którym doszło do jednoczesnej utraty adhezji pomiędzy łączem a materiałem łączonym oraz dekohezji samego łącza. Wystąpienie zniszczenia materiału o takim charakterze oznacza dobranie optymalnego połączenia klejonego w przypadku konstrukcji, jego zniszczenie nie prowadzi do zniszczenia poszczególnych elementów, co pozwala na jego naprawę. Jest jednak nieodpowiednie dla kompozytów gdzie pęknięcie złącza pomiędzy warstwami laminatu uniemożliwia pełne wykorzystanie właściwości materiału. Dla materiałów kompozytowych połączeniem optymalnym jest przykład czwarty, gdzie za zerwanie połączenia odpowiada zniszczenie tworzywa warstwy laminatu. Jest to najlepszy rodzaj połączenia z uwagi na późniejsze własności materiału [13]. 55

53 4.3. Wpływ różnych czynników na właściwości kompozytów Wpływ udziału włókien i struktury wzmocnienia na właściwości kompozytu Włóknem nazywamy materiał charakteryzujący się znaczną długością w stosunku do swojego przekroju. Przyjmuje się, że należy ono do struktur, których długość jest minimum 100 razy większa od jej przekroju [3]. Rys. 45 Wpływ średnicy cząstek składnika oraz względna długość włókna na współczynnik wzmocnienia [3] Wzmocnienie materiału poprzez włókna uzależnione jest od stosunku długości włókna l do jego średnicy d w. Jednak jak przedstawiono na rysunku 45 współczynnik wzmocnienia przestaje reagować na dalsze wydłużanie włókna po przekroczeniu pewnej krytycznej wartości. Związane jest to z wieloma zjawiskami zachodzącym wewnątrz kompozytu. Należy jednak pamiętać, że stopień wzmocnienia materiału włóknem zależy również od objętościowego udziału włókien w materiale, wytrzymałości samego włókna oraz od rodzaju włókna i osnowy. Dlatego ważne jest, aby podczas projektowania uwzględnić poszczególne parametry. Udział objętościowy włókien silnie wpływa na wytrzymałość kompozytów wzmacnianych włóknami. Nieprawidłowo zaprojektowany kompozyt może cechować się właściwościami gorszymi od składników, z których go wytworzono. Na rys. 46 przedstawiona została zależność pomiędzy wytrzymałością na rozciąganie materiału kompozytowego, a udziałem objętościowym włókna. 56

54 Rys. 46 Wytrzymałość na rozciąganie kompozytu w funkcji udziału objętościowego włókien [15] Widoczne dwie proste, są odpowiedzialne za opis pracy włókien z osnową. Prosta malejąca odpowiada przypadkowi, w którym wszystkie włókna na przekroju uległy by jednoczesnemu pęknięciu a za przeniesienie obciążenia odpowiada jedynie osnowa w zakresie wytrzymałości na rozciąganie (R m m ). Druga prosta przedstawia wynikową wartość wytrzymałości kompozytu w funkcji udziały objętościowego włókna, wyprowadzona z reguły mieszanin. Wówczas za wytrzymałość materiału odpowiadają wytrzymałość na rozciąganie włókien (R f m ) i granica plastyczności osnowy (R m e ). Punkt wspólny wyznaczonych prostych, odpowiada minimalnemu udziałowi objętościowemu włókien, jaki należy wprowadzić do osnowy, aby uzyskać efekt wzrostu wytrzymałości materiały kompozytowego. Jednak aby zostały spełnione te założenia musi być zastosowana reguła mieszanin. Oznacza to, że włókna stosowane do wzmocnienia kompozytu muszą posiadać długość większą od dwukrotności długości krytycznej. W przypadku zastosowania włókna krótszego, nie będzie ono pękać, ale i nie spełni warunku przenoszenia pełnego obciążenia. W sytuacji gdy obciążenie wzrośnie, włókno takie będzie wyciągane z osnowy nie spełniając swojej roli. 57

55 Zjawiska na powierzchni międzyfazowej osnowa włókna Bardzo ważnym parametrem w opisie kompozytów są zjawiska na powierzchni międzyfazowej. Decydują one w sposób istotny o prawidłowej funkcji włókien i osnowy. Takich jak przenoszenie naprężenia z osnowy na włókna, brak defektów czy poprawny proces infiltracji. Podstawowe zjawiska na powierzchni międzyfazowej włókno osnowa to: zwilżanie, adhezja i ścinanie. Z definicji, zwilżanie to proces, w którym granicząca międzyfazowa, będąca wcześniej powierzchnią ciała stałego i fazy gazowej staje się granicą pomiędzy fazą stałą i cieczą. Rys. 47. Kąt zwilżania [31] Zwilżalność powierzchni włókna przez materiał osnowy odgrywa najistotniejszą role w trakcie procesu produkcyjnego. Im wyższy parametr, tym mniejsze prawdopodobieństwo wystąpienia tzw. pustek. Są to miejsca, w których ze względu na zbyt małą odległość pomiędzy włóknami pozostały niewypełnione materiałem osnowy przestrzenie (Rys. 44). Pustki są niebezpiecznymi wadami materiałowymi, stanowiące potencjalne zarodki pęknięć. Pustka występująca w pobliżu włókna może prowadzić do potencjalnego zarodkowania procesu dekohezji pomiędzy włóknem a osnową. Odpowiednio silna adhezja pomiędzy włóknem a osnową w istotny sposób wpływa na wytrzymałość kompozytów. W znacznie mniejszym stopniu odpowiada ona za właściwości sprężyste. Niska adhezja sprawia, że lokalne wartości naprężeń w materiale kompozytowym osiągają wartości maksymalne na granicy międzyfazowej włókno osnowa. Zjawisko to jest często odpowiedzialne za inicjację niszczenia kompozytu. Aby zagwarantować efektywne przenoszenie obciążeń z osnowy na włókno, warstwa na granicy podziału powinna cechować się określonymi właściwościami. Adhezja nie może ulec zniszczeniu w wyniku: działania temperatury, w wyniku naprężeń własnych (np. będących efektem skurczu podczas polimeryzacji). Aby zwiększyć wytrzymałość adhezyjną powszechnie stosowaną praktyką jest nanoszenie na powierzchnię włókien określonych związków chemicznych (tzw. apretury). 58

56 Proces nanoszenia apretury ma zazwyczaj miejsce jeszcze podczas produkcji włókien. Kiedy czynność ta jest najmniej problematyczna i daje się przeprowadzić w sposób w pełni kontrolowany. Jest to konieczne na przykład przy stosowaniu włókien szklanych, węglowych czy poliamidowych [9]. Apretury reagują zarówno z materiałem włókna, jak i z polimerem osnowy. Mogą one także zwiększać zwilżalność włókien przez polimer, a to zwiększa prawdopodobieństwo ich kontaktu w wielu punktach na poziomie molekularnym [13, 14, 16]. Wytrzymałość kompozytu w statycznej próbie rozciągania zależy od wytrzymałości na ścianach (Rys.48). Naprężenie ścinające pojawia się w wyniku przenoszenia obciążenia z osnowy na włókno. Rys. 48 Model przenoszenia obciążeń przez włókno [13] W powstałym w ten sposób stanie naprężeń najistotniejszym aspektem staje się różnica pomiędzy wartościami modułu Younga materiału włókna i osnowy. Ważną rolę odgrywa też stan powierzchni międzyfazowej włókno osnowa Wpływ odległości pomiędzy włóknami na wzmocnienie kompozytu Oprócz istotnego udziału objętościowego włókien ważna jest odległość pomiędzy nimi (Rys. 49). Wynika to z występowania w strukturze naprężenia, powstałego w procesie wytwarzania kompozytu. Oddziaływanie to jest konsekwencją skurczu osnowy i chłodzenia w tym procesie. Wywiera ono znaczy wpływa na właściwości kompozytu. Naprężenia styczne na powierzchni międzyfazowej włókno osnowa powstają w czasie polimeryzacji lub polikondensacji polimerowego materiału osnowy. W przypadku polimerów termoplastycznych zachodzi w czasie przechodzenia ze stanu ciekłego w stan stały. 59

57 Rys. 49 Wpływ odległości pomiędzy włóknami na wartości naprężenia w kompozycie [13] Naprężenia te osiągają największe wartości w obszarze najbliższym powierzchni włókien. Oznacza to, że wraz ze zmniejszeniem się odległości pomiędzy włóknami, naprężenia wywołane przez skurcz osnowy mogą, przy dużym udziale objętości kompozytu, przekroczyć wartość odpowiadającą naprężeniom niszczącym osnowy. Dotyczy to kompozytów o dużym udziale włókien. Rys. 49 przedstawia wzrost wartości naprężeń promieniowych w kompozycie wzmacnianym włóknami szklanymi o osnowie polimerowej. Wynika z niego, że wraz ze zmniejszeniem się względnej odległości pomiędzy włóknami znacząco rosną wartości naprężeń promieniowych. Zasada ta jest jednak odwrotnie proporcjonalna względem naprężeń osiowych, których wartość zmierza do zera. Naprężenia te ulegają z czasem relaksacji. Ma to miejsce zwłaszcza w kompozytach o osnowie polimerowej w stanie lepkosprężystym. Istnieje również możliwość usuwania naprężeń poprzez wygrzewanie. Wymaga to jednak zbliżonej wartości współczynnika rozszerzalności cieplnej odpowiednio dla osnowy i włókna. W przypadku, gdy wartości współczynników silnie się różnią, wzrost temperatury prowadzi do pojawienia się naprężeń cieplnych, które mogą być znacznie większe od wartości naprężeń wywołanych przez skurcz. 5. Zastosowania kompozytów Udział kompozytów w nowo powstałych konstrukcjach jest coraz większy [9]. Determinuje to postęp i rozwój wielu dziedzin przemysłowych związanych z lotnictwem, kosmonautyką, czy sportem. Liczba przykładów zastosowań tej grupy materiałowej w dzisiejszych czasach jest mnoga. W rozdziale przedstawię wykorzystanie kompozytów w najciekawszych przypadkach, które ukazują rozmach i tendencję rozwoju w przemyśle, tej obiecującej grupy materiałów. 60

58 We współczesnym lotnictwie udział kompozytów w konstrukcji wynosi powyżej 50% i staje się standardem. Z materiałów kompozytowych wykonuje się części praktycznie wszystkich elementów nowoczesnych płatowców. Począwszy od kadłuba i skrzydeł, na silniku skończywszy. Właśnie takim rodzajem maszyny jest Boeing 787 Dreamliner (Rys. 50). Jest to maszyna, w której 50% konstrukcji wykonanych zostało z tworzyw kompozytowych [33]. Rys. 50 Rozmieszczenie materiałów w konstrukcji Boeing a 787 [30] Dzięki temu projektantom udało się znacznie poprawić właściwości maszyny przy jednoczesnym ograniczeniu kosztów produkcji i eksploatacji maszyny. Coraz częściej spotyka się także maszyny, których konstrukcje wykonane są praktycznie w 100% z kompozytu. Głównie są to konstrukcje nietypowe lub innowacyjne, jak na przykład ICON A5. Mała, dwumiejscowa latająca amfibia klasy LSA (Light Sport Airplane) (Rys. 51) [34]. Amfibie te wykorzystywane są od 2004 roku zyskując coraz większe zainteresowanie jako lekki transport powietrzny. Rys. 51 Zdjęcie latającej amfibii ICON A5 [35] 61

59 Materiały kompozytowe zaczynają pełnić coraz bardziej odpowiedzialne role w miarę jak konstruktorzy i przyszli użytkownicy zaczynają się do nich coraz bardziej przekonywać. Obecnie szczytowym osiągnięciem w dziedzinie implementacji materiałów kompozytowych w elementach wysoce odpowiedzialnych są tzw. CFAN. Czyli wentylatory silników odrzutowych. Pierwszym i jak do tej pory jedynym producentem, któremu udało się Rys.52 Główny wentylator silnika GE90-115B [34]; produkt firmy GE [36]. opracować technologię produkcji takich wirników i wykorzystywać ją na skalę przemysłową jest GE Aviation we współpracy z firmą SAFRAN. Na zlecenie Boeinga przeprojektowali oni istniejący wtedy już stary silnik GE90 tak, aby tradycyjne materiały zastąpić kompozytami. W efekcie powstał GE90-115B (Rys. 52) [36].Współpraca w/w firm zaowocowała stworzeniem najpotężniejszego istniejącego obecnie dwuprzepływowego silnika odrzutowego, którego ciąg został wpisany do księgi rekordów. Za produkcję łopat wirnika odpowiedzialny jest SAFRAN. Każda z nich wykonana jest z prepregnowanych włókien węglowych a na zakończeniach pokrywana folią tytanową. Gotowa łopata warzy niespełna 23 kg i mierzy około 1,5 m. Aktualnie produkcja łopat wirnika stanowi 96% działalności firmy SAFRAN [37]. 62

60 Przemysł kosmiczny nie istniałby gdyby nie materiały kompozytowe. Przyjęło się powiedzenie, że każdy kilogram wysłany w przestrzeń kosmiczną jest równoważny wartości swojej masy w złocie. Z tego powodu projektanci i specjaliści od materiałów specjalnego przeznaczenia poszukują nowych rozwiązań i dążą do minimalizacji masy konstrukcji pamiętając jednocześnie, że to, co zbudują będzie poddane działaniu ekstremalnych warunków i obciążeń. Z tych właśnie przyczyn przemysł kosmiczny jako pierwszy rozwinął nowoczesne materiały kompozytowe. Do dziś wysyłane w przestrzeń kosmiczną urządzenia i instalacje stanowią poligon doświadczalny dla materiałów, z których inne gałęzie techniki korzystać będą za najwcześniej dwa dziesięciolecia. Materiały kompozytowe najczęściej wykorzystywane są w przemyśle kosmicznym w charakterze poszycia i innych elementów nośnych konstrukcji. Są to miejsca, które umożliwiają jest ograniczenie masy konstrukcji Rys. 53 Stożek czołowy rakiety w największym stopniu. Ze względu na bezpieczeństwo Aries; prace badawcze ILK i utrudnienia w kontroli stanu elementów kompozytowych, TU Dresden [38] konstruktorzy w nawet tak innowacyjnej gałęzi przemysłu jak astronautyka podchodzą do zastosowania tych materiałów na szerszą skalę z pewnym dystansem. Przykładem właśnie takiego zastosowania materiałów kompozytowych jest opracowany na ILK TU Dresden stożek czołowy rakiety nośnej Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA), Aries (Rys. 53). Element ten wykonany został z włókna szklanego i poliestrowej osnowy. Posiada 1,1 m średnicy oraz 2,8 m wysokości. Jego masa całkowita wynosi 70 kg, z czego 40 kg przypada na tkaniny z włókna szklanego [37]. 63

61 W perspektywie najbliższego dziesięciolecia ma wejść do użytku nowy pojazd kosmiczny NASA zdolny do umożliwienia człowiekowi powrotu na Księżyc. Ares V (Rys. 54) wykonany Rys. 54 Wizualizacja pojazdu Ares V z modułem załogowym i lądownikiem księżycowym [39] ma być w znacznej mierze z kompozytów. Dotyczy to w szczególności poszycia i elementów konstrukcyjnych. Mają one ochronić pojazd i załogę przed wpływem otoczenia oraz zapewnić odpowiedni poziom bezpieczeństwa podróży kosmicznych [39]. Ilość nowych implementacji kompozytów wzrasta z każdym rokiem, w miarę rozwoju materiałów i wzrastającego do nich zaufania ze strony konstruktorów pojazdów kosmicznych. Korzyści płynące z zastosowania tak szerokiej gamy wyspecjalizowanych materiałów zostały dostrzeżone już dawno. Jednak w dalszym ciągu panuje opinia o braku doświadczenia w użytkowaniu konstrukcji z nich wykonanych oraz utrudnieniach związanych z ich regeneracją lub naprawą. W przemyśle zbrojeniowym od dziesięcioleci dąży się do minimalizacji masy osłon czołgów Rys. 55 Opancerzenie kompozytowe oraz ACAVP GRP Light Armoured Vehicle; University of Glasgow [40] 64

62 i pojazdów opancerzonych. Głównie ze względu na zwiększanie osiągów i mobilności zbrojenia. Materiały kompozytowe pozwoliły na duży postęp w tej dziedzinie. Wprowadzane obecnie pancerze stają się coraz lżejsze i wytrzymalsze, zwiększając jednocześnie bezpieczeństwo swoich użytkowników [40]. Na zdjęciu rys. 55 zaprezentowane zostały trzy typy opancerzenia. Klasyczna płyta pancerna, plik blach pancernych oraz nowoczesny, kompozytowy lekki pancerz, po poddaniu próbom balistycznym [41]. Natomiast kompozyty w przemyśle motoryzacyjnym zdominowały już niemal całkowicie rynek konstrukcji o charakterze sportowym. Panuje obecnie pogląd, że aby wygrać we współczesnych zawodach samochodów wyścigowych należy dysponować konstrukcją, która Rys. 56 Karoseria bolidu F1 wykonana z Composites [42] kompozytu CF/epoksyd; produkt firmy Elan w możliwie jak największym stopniu zbudowana została z kompozytów. Skutki tego założenia najlepiej widoczne są w konstrukcjach opracowywanych na potrzeby zawodów Formuły 1. Przedstawiony na rys. 56 element stanowi część karoserii samochodu biorącego udział w zawodach Formuły 1. Masa konstrukcji podczas wyścigu, wymiernie przekłada się na ilość zużytego przez pojazd paliwa. To z kolei, decyduje często o zwycięstwie bądź przegranej danego zespołu 65

63 III. Podsumowanie analizy literatury W ostatnich latach podjęto badania dotyczące procesów projektowania i wytwarzania elementów obrotowo symetrycznych z kompozytów polimerowych. W przypadku kompozytowych elementów rurowych istotne było wyeliminowanie łączenia. Wytwarzanie rur z wykorzystaniem włókien w postaci tkanin czy mat nie spełniało oczekiwań przemysłu. Doprowadziło to do rozwoju innych form wytwarzania włókien tj. w postaci rovingu. Opis pracy włókien i modelowanie ich zachowania są nadal podstawą analizy projektowania kompozytów dla inżynierów. Natomiast dobór odpowiedniej metody wytwarzania pozwala wyeliminować problemy już na wstępnym etapie wytwarzania. Metoda infiltracji zależna od wielu parametrów tj. postać włókna, rodzaj użytej osnowy decyduje o złożoności procesu. Kontrola parametrów podczas procesu wytwarzania decyduje o jakości otrzymanego wyrobu. Dlatego istotne jest uwzględnienie w projektowaniu przebiegu wyplatania struktury wzmacniającej, procesu infiltrowania i analizy ich właściwości. 66

64 IV. Część doświadczalna 1. Cel pracy Celem niniejszej pracy jest zaprojektowanie procesu technologicznego produkcji kompozytowych próbek rurowych, w których wykorzystane są włókna w postaci wyplatanych rękawów oraz ocena wytworzonych konstrukcji. 2. Zakres pracy Zakres pracy obejmował: optymalizację procesu wytwarzania kompozytowych elementów obrotowo - symetrycznych (później zwanych rurowymi) metodą VARI (Vacuum Resin Infusion), analizę właściwości wytrzymałościowych próbek kompozytowych o różnym sposobie ułożenia wzmocnienia w postaci wyplotu, analizę parametrów materiałowych otrzymanych elementów t.j zawartości włókien oraz temperatury zeszklenia osnowy. Do wytwarzania kompozytów w ramach pracy jako zbrojenia użyto włókna szklane w formie wyplatanych rękawów. Zastosowano technologię wyplotu przeprowadzono w Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik TU Dresden. Umożliwia ona wyeliminowanie łączenia w elementach rurowych. Właściwości konstrukcji z wyplotów zależą od kąta ułożenia włókien podczas wyplatania. 3. Materiały do wytwarzania kompozytów Proces wytwarzania kompozytów poprzedzono analizą właściwości materiałów na osnowy oraz rodzaju i postaci wzmocnienia. W tabeli 6 i 7 oceniono przydatność wybranych materiałów na osnowy i wzmocnienia kompozytów. Do oceny parametrów wykorzystano skalę od 0 do 4, w tej skali 0 oznacza najniższą ocenę, a 4 najwyższą. 67

65 Tab. 6 Ocena przydatności materiałów osnowy Materiał osnowy: Żywica epoksydowa Żywica poliestrowa Gęstość: Adhezja do włókien: Odporność na kontakt z cieczami: Wydłużenie: Koszt: Dostępność: Suma: Tab.7 Ocena przydatności materiałów włókien Materiał wzmocnienia Gęstość: Wytrzymałość: Koszt: Dostępność: Suma: włókna węglowe włókna szklane włókna hybrydowe Na podstawie oceny wybrano następujące substraty: na osnowę: żywica epoksydowa, na wzmocnienie: włókna szklane. Istotne jest, aby osnowa cechowała się dużymi wartościami wydłużenia do zerwania przy dużym module sprężystości [15]. Warunki te spełniają żywice epoksydowe, które cechują wyższe wartości wydłużenia oraz odporność na działanie cieczy. O wyborze włókien szklanych przede wszystkim decyduje ich cena i dostępność. Włókna węglowe pomimo lepszych właściwości są dużo droższe i wykorzystywane do produkcji specjalistycznych elementów. 68

66 Materiał osnowy Do wytwarzania elementów rurowych w ramach pracy wykorzystano żywicę konstrukcyjną i utwardzacz firmy MGS. Pełną ich charakterystykę zawiera karta technologiczna (Załącznik). W tabelach 8 i 9 przedstawiono specyfikację materiałów służących do wytwarzania osnowy kompozytów. Tab. 8 Charakterystyka żywicy L 135i firmy MGS żywica L 135i Gęstość w 25 C, g/cm³ 1,13-1,17 Lepkość 25 C, mpas Równoważnik epoksydowy Liczba epoksydowa 0,54-0,60 Kolor - zielonkawy max 3 Tab. 9 Charakterystyka utwardzaczy L 134i oraz 137i firmy MGS Utwardzacz 134i Utwardzacz 137i Gęstość 25 C, g/cm³ 0,94-1,00 0,94-0,98 Lepkość 25 C mpas Licza aminowa mg KOH/g Kolor - zielonkawy max 4 max 4 69

67 Istotne do opisu żywic jest przedstawienie parametrów przetwórstwa według tabeli 10 oraz wykresu żelowania (Rys. 54). Tab. 10 Specyfikacja przetwórstwa żywicy 135i z utwardzaczami L 134i oraz 137i Zastosowanie Specjalnie zaprojektowana do pultruzji oraz infiltracji metodami (RTM, VARI), wykorzystywana do produkcji łopat wirnika, łodzi, sprzętu sportowego Temperatura operacji w zakresie temperatur od - 60 C do C wygrzewanie w zakresie temperatur od -60 C do 80 C Przetwórstwo Właściwości specjalne Specjalnie zaprojektowana do pracy w temperaturze od 10 C Ze względu na niską lepkość mieszania szczególnie nadaje się do infiltracji metodami RTM, VARI - Bardzo niska lepkość - Doskonałe właściwości utwardzające w temperaturze pokojowej - Żywotność od ok.. 0,5 godziny na ca. 4 godziny - Krótkie czasy utwardzania w wysokich temperaturach 70

68 Temperatura wzrostu ilość: 100g/25 C Utwardzacz 134i czas żelowania 20 min Mieszanina 70% utwardzacza 137i 30% utwardzacza 134i czas żelowania ok. 2h Utwardzacz 137i czas żelowania 3 4 h Minuty Rys. 54 Wykres przedstawiający wpływ utwardzacza na długość żelowania Materiałem wyjściowym do wykonania wzmocnienia w postaci wyplotu były włókna szklane typu E firmy Oschatz Directroving EC (Tab. 10) pokryte dodatkowo warstwą ochroną [załącznik]. Tab. 10 Specyfikacja włókien typu E firmy Oschatz Directroving EC Nazwa EC Rodzaj szkła E - Glas Średnica włókna 17µm Nominalne oznaczenie rovingu Wytrzymałość 1200 tex >45 kn/tex Wilgotność <0,1 % Apretura silany 71

69 4. Sposób wytwarzania kompozytów Proces technologiczny składał się z trzech etapów: wykonanie wyplatanych rękawów z włókna szklanego, proces infiltracji żywicą, utwardzanie Technologia wyplotu rękawów Do wykonania wyplotu zastosowano ramę wyplatającą HERZOG RF 1/288/100 będącą na wyposażeniu Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik TU Dresden (Rys. 55). Urządzenie to powstało na zamówienie instytutu i jest jedynym egzemplarzem tego modelu ramy wyplatającej. Z ramą sprzężony jest robot przemysłowy KUKA KR 210 L180-2 (Seria 2000). Robot ułatwia funkcje manipulacyjne. W trakcie wyplatania odpowiedzialny jest za prowadzenie rdzenia przez ramę podczas nanoszenia wzmocnienia. a) b) Rys. 55 Rama wyplatająca HERZOG RF 1/288/100, a) rama uchwytu z wyplotem z włókna szklanego, b) podajniki ruchome ze szpulkami w ramie wyplatającej; produkt firmy HERZOG 72

70 Cały układ, zarówno rama jak i manipulator obsługiwane są za pomocą jednego panelu sterowania. Parametry ramy wyplatającej HERZOG RF 1/288/100 [41]: Średnica ramy: 4,2 m, Liczba podajników ruchomych (obwodowych): 288, Liczba podajników stacjonarnych (wzdłużnych): 144. Praca ramy polega na transporcie podajników włókna nawiniętego na szpule. Podajniki podzielone są na dwie grupy po 144 podajników każda. Przemieszczają się one w dwóch przeciwstawnych kierunkach. Droga, po której poruszają się podajniki po obwodzie ramy pozwala na naprzemienną zmianę wzajemnego położenia włókien. Sposób przemieszczania się podajników przedstawiony został na rys. 56. W efekcie poszczególne włókna tworzą pomiędzy sobą splot, który stopniowo zaciska się wokół rdzenia. a) b) Rys. 56 a) Schemat ruchu szpul w ramie wyplatającej, b) wyplot rękawa z włókna szklanego. Wzajemne oddziaływanie na siebie napiętych włókien powoduje podczas zaciskania zagęszczenie splotów, przez co wzmocnienie przybiera strukturę tkaniny (Rys 56b). Jakość wyplotu zależy od pracy podajników włókien. Podajniki spełniają w wyplatarce następujące funkcje: Prowadzą szpule z włóknem po obwodzie ramy wyplatającej umożliwiając tym samym wykonanie wyplotu, utrzymują stały naciąg włókien podczas procesu wyplatania, eliminując zmienne naprężenie. Podczas pracy podajnik stopniowo rozwija szpulę. W miarę zużywania włókna na włókno w podajniku działa coraz większa siła. Ustępujący pod jej wpływem naciąg stopniowo zwalania rygiel blokujący ruch obrotowy szpuli. Po zwolnieniu rygla, szpula może się swobodnie obracać, 73

71 co powoduje oswobodzenie naciągu i ponowne zamknięcie rygla. Pobrany przez naciąg zapas pasma pełni funkcję buforu pozwalając na utrzymanie jego stałego naciągu. Na rys. 57 przedstawiono schemat konstrukcji podajnika (a i b) oraz schemat prawidłowego sposobu prowadzenia włókna przez podajnik (b). Szpula Naciąg włókna Korpus podajnika Prowadnica podajnika a) Widok znormalizowany podajnika włókna b) Schemat prowadzenia włókna przez podajnik Rys. 57 Schemat podajnika włókna.[43] 4.2. Proces infiltracji żywicą Proces nasycenia żywicą jest najważniejszym etapem produkcji wyrobów z kompozytów. Wybór odpowiedniej metody infiltracji wymaga dobrej znajomości wiedzy praktycznej z tego zakresu. Na złożoność i poprawność wykonanego procesu wpływa wiele czynników. Do najważniejszych należą temperatura mieszania, infiltracji oraz utwardzania (tzw. dosieciowania), mieszanie surowców i czas trwania procesu [8]. Parametry te są zmienne dla różnych metod 74

72 wytwarzania. Drobna modyfikacja dowolnego czynnika procesu prowadzić może do otrzymania materiału o braku odpowiedniej wytrzymałości. Stosunkowo nowoczesnym procesem infiltracji jest metoda RTM (ang. Resin Transfer Moulding), nazywana kształtowaniem przetłoczonym. Polega na wtłoczeniu za pomocą podwyższonego ciśnienia ciekłej mieszaniny żywicy i utwardzacza w przestrzeń między szczelnie zamknięte dwie sztywne części formy, w której znajduje się wcześniej ułożone wzmocnienie [2]. Stanowisko do wytwarzania wyrobów metodą RTM składa się z urządzenia dozującego i pompującego z głowicą mieszającą. Proces dozowania i mieszania jest w pełni zautomatyzowany (Rys. 58). Rys. 58 Schemat stanowiska maszyny do procesu RTM wykorzystywany w ILK TU Dresden. Reakcja utwardzania żywicy zachodzi po całkowitym wypełnieniu przez nią formy. Najczęściej w metodzie tej wykorzystywane są żywice poliestrowe lub epoksydowe, o małej lepkości i niskiej temperaturze utwardzania. Zalety metody RTM [43]: - opłacalność przy dużych seriach, - niska emisja substancji lotnych do otoczenia, - bardzo wysoka jakość i jednolita struktura produktów, - wysoka zawartość wzmocnienia i najwyższa wytrzymałość produktu, - estetyczna i gładka powierzchnia z obu stron (nawet bez zastosowania żelkotu), - najwyższa wydajność procesu, - tolerancja grubości ścianki do 0,25 mm, - mała ilość odpadów i mniejsze zużycie materiałów, - bardzo niski koszt jednostkowy wyprodukowania elementu - przy stosunkowo wysokim koszcie oprzyrządowania. 75

73 Wady metody RTM[43]: - ograniczenia co do kształtów, gabarytów i stopnia skomplikowania. Metoda RTM może być stosowana do mniej skomplikowanych elementów. Stosunkowo wysoki koszt oprzyrządowania ogranicza możliwość zastosowania tej metody dla produkcji wielkogabarytowych elementów, - wysoki koszt uruchomienia produkcji, oprzyrządowania, wyposażenia, - ograniczona możliwość wprowadzania zmian na formie, - stosunkowo długi czas przygotowania produkcji. W przemyśle stosowane są też modyfikacje procesu RTM: a) VARI (Vacuum Assisted Resin Injection) w której oprócz ciśnienia pod którym wtłaczana jest żywica stosuje się także próżnię wspomagającą zamykanie formy i zapewniającą lepsze nasycenie wzmocnienia. Podstawowymi zaletami tej metody są jednorodne i powtarzalne własności mechaniczne produkowanych wyrobów, mała tendencja do powstawania wad oraz wysoka jakość infiltracji wzmocnienia [2, 8, 14], b) SCRIMP (Seemann Composites Resin Infusion Molding Process) opatentowana metoda firmy TPI Technology polegająca na wykorzystaniu worka i pompy próżniowej do otrzymywania porównywalnych elementów z metodami RTM, przy braku zastosowania formy zamkniętej (Rys. 59) [44]. Rys. 59 Schemat procesu SCRIMP[44] 4.3. Utwardzanie żywicy Bardzo ważny etap procesu technologicznego wymagający doboru odpowiednich parametrów zależnych od surowców i warunków sieciowania. Związane jest to ze specyficzną strukturą surowców użytych podczas infiltracji. Aby doszło do usieciowania żywic epoksydowych konieczne jest wymieszanie żywicy i utwardzacza w odpowiednich proporcjach. W wyniku siecowania dochodzi do skurczu materiału, a w jego wyniku naprężeń w wyrobie. Nieodpowiednie dobranie temperatury do warunków procesu sieciowania może spowodować większy skurcz materiału. Konsekwencje błędu na tym etapie są nieodwracalne i rzutują na 76

74 końcową jakośc wyrobuów. Mogą doprowadzić do otrzymania materiału nie nadającego się do użytku [8, 13] Parametry procesu wytwarzania elementów rurowych Proces wytwarzania elementów rurowych obejmuje: wykonanie wyplatanych rękawów o kącie ułożenia włókien, odpowiednio: 30º, 45º, 60º. przeprowadzenie infiltracji z wykorzystaniem rękawów sześciowarstwowych za pomocą metody VARI, proces utwardzania. W ramach pracy wytworzono wyroby o różnym kącie ułożenia włókien dobranych na podstawie danych literaturowych [16]. Rury wytwarzane z 6 warstw wzmocnienia, aby porównać ich właściwości do 6-cio warstwowych rur nawijanych. Wykonano rury o znormalizowanych wymiarach: średnicy wewnętrznej 40 milimetrów, długości min. 80 milimetrów, grubość ok. 2 milimetrów w zależności od kąta ułożenia włókien, jak i metody wytwarzania. Długość całkowita była zmienna i zależna od procesu technologicznego. Spełnienie tych warunków było potrzebne do późniejszego zbadania wytwarzanych elementów w znormalizowanych maszynach wytrzymałościowych. 5. Wykonanie wyplotu rękawów Do wykonania oplotu metalowej preformy wykorzystano ramę wyplatającą HERZOG RF 1/288/100 będąca na wyposażeniu Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik TU Dresden. Materiałem wyjściowym do wykonania wzmocnienia były włókna szklane typu E firmy Oschatz Directroving EC pokryte dodatkowo warstwą ochroną. Przygotowanie procesu Przed rozpoczęciem wyplatania przygotowano ramę maszyny wyplatającej. Sprawdzano elementy podajników włókna tzw. szpulki oraz nawinięte włókna, aby uniknąć ich splątania, a tym samym uszkodzenia. 77

75 Projektowanie procesu wyplatania wymagało określenia ilości szpulek. Aby powstały rury podobne do nawijanych zastosowano 48 szpulek. Taką liczbę wiązek rovingu wykorzystywano w procesie nawijania [16]. Pamiętać należy, że liczba szpul wykorzystanych w procesie jest uzależniona od możliwości ramy wyplatającej. Koniecznie musi być to liczba całkowita. Ponadto zgodnie z przyjętą w ILK TU Dresden zasadą, ich ilość montowana w ramie musi spełniać następującą zasadę. Wynik dzielenia całkowitej liczby możliwych do wykorzystania szpul przez liczbę wykorzystywanych w procesie szpul musi być liczbą parzystą. Sprawdzenie poprawności doboru ilości szpulek: W c = /W c = {2k : k Є N} = 6 Weryfikacja liczby szpulek potwierdziła poprawność wyboru ich ilości. Drugim etapem przygotowania jest zaprogramowanie maszyny sterującej. Podczas tego procesu najważniejszym czynnikiem jest określenie kąta ułożenia zbrojenia, który zależny jest od: - średnicy rdzenia d, - prędkości posuwu rdzenia V R, - prędkości ramy wyplatającej V H, - prędkości max V, W przypadku wykonywania kompozytowych próbek rurowych parametry d i V H były stałe natomiast zmieniała się prędkość posuwu rdzenia zapewniając odpowiedni kąt ułożenia dla: 30º - 26% prędkości max, 45º - 15% prędkości max, 60º - 9% prędkości max, przyjmując za V max 0, m/s. Aby otrzymać rury proces ten powtarzano 6 razy. 78

76 Przebieg procesu wyplatania Wykonanie poprawnego wyplotu wymagało spełnienia szeregu zadań. Podczas pierwszych prób uwidoczniły się problemy związane z plątaniem się włókien (Rys. 60), co wskazywał, że proces przygotowania rury nie był wykonany poprawnie. Rys. 60 Splątane pasma w okolicy uchwytu. Splątania mogły spowodować pęknięcia włókien powodujące zatrzymanie procesu. Dochodziło także do rozwarstwiania włókien, które na skutek złej pracy podajnika ulegały zniszczeniu. Ich obecność pogarszała jakość wyplotu. Aby uzyskać wyplot o wymaganej jakości konieczna była wielokrotna weryfikacja sposobu przygotowania ramy. Często niestety uniknięcie pękania czy rozwarstwienia włókien było niemożliwe. Było to związane też z temperaturą otoczenia, jak i wilgotnością włókien. Dlatego też proces wykonywano wielokrotnie, aby uzyskać wyplatane rękawy w postaci nie zawierającej rozwarstwionych włókien Optymalizacja parametrów procesu wyplatania Na podstawie doświadczeń zgromadzonych przy próbnych procesach wprowadzono szereg zmian mający na celu podniesienie jakości wyplotu: Aby uniknąć uszkodzeń i splątywania się włókien zapewniony został ciągły dozór stanu włókien wewnątrz i poza oczkiem wyplatarki, 79

77 Nie wskazana była długa praca maszyny i należało częściej wykonywać zabieg wymiany szpulek, zapewniając zmniejszenie zmęczenia włókien spowodowanego stałym naciągiem, Duży wpływ na jakość wyplatania miała temperatura otoczenia, dlatego starano się unikać pracy przy podwyższonej temperaturze otoczenia. 6. Infiltracja żywicą Proces nasycania wyplotu wykonany został metodą infiltracji podciśnieniowej tzw. VARI (ang. Vacuum-Assisted Resin Injection) oraz przy użyciu technologii SCRIMP (Seemann Composites Resin Infusion Molding Process). Wykorzystano w obu procesach żywicę firmy Lang Ritter L135i, wraz utwardzaczem L134i oraz L137i w stosunku masowym 100:30 (Rys. 54). Użycie dwóch utwardzaczy w takim stosunku umożliwiało wydłużenie czasu żelowania, a tym samym poprawną infiltrację formy. Proces nasycania żywicą metodą VARI Proces VARI jest modyfikacją metody kształtowania przetłoczonego (ang. RTM). Charakterystycznym elementem tego procesu jest zastosowanie pompy próżniowej do dokładniejszego wykonania procesu infiltracji przy użyciu podciśnienia. Proces technologiczny składa się trzech etapów: przygotowania stanowiska pracy. procesu infiltracji, utwardzania. Na wstępie przygotowano stanowisko zawierające formę do infiltracji próbek rurowych (Rys. 61), urządzenie grzewcze wraz grzałkami, pompę próżniowa, oraz urządzenie RTM (Rys. 58). Rys. 61 Forma do infiltracji próbek rurowych z rdzeniem 80

78 Formę składającą się z pięciu przemywano acetonem, następnie nanoszono warstwę antyadhezyjną (Trenmittel 205 firmy MIKON). Proces ten powtarzany był trzy razy w godzinnym odstępie czasowym. Rękaw otrzymany w procesie wyplatania nałożony został na rdzeń zachowując stały wyplot, aby uniknąć zmiany kąta ułożenia włókien (Rys. 63a). Rdzeń z przygotowanym rękawem i uchwytami umieszczano w formie. Tak przygotowaną formę składanoi uszczelniano. a) b) Rys. 63 Przygotowanie wyplatanego rękawa: a) nałożenie uchwytów, b) umieszczenie w formie gotowego rdzenia nałożonym rękawem i uchwytami Następnie formę podłączono do urządzenia grzewczego (Rys. 64). Rys. 64 Forma z podłączonymi grzałkami. Po ustaleniu się stałej temperatury formy, 40 C, przeprowadzono tzw. próbę ciśnieniową (8 bar przez godzinę), czyli sprawdzano szczelność formy. Razem z próbą próżniową są to etapy kontrolne procesu, umożliwiające poprawne wykonanie infiltracji. Próba ciśnieniowa ma na celu zbadanie dokładnego złożenia formy. W przypadku testu próżniowego sprawdzany jest poziom 81

79 szczelności, ujawniający po jakim czasie poziom próżni zwiększy się o 0,25 mbara. Poprawność złożenia formy zdecyduje o późniejszych parametrach materiału. Niespełnienie którejkolwiek próby może prowadzić do wystąpienia: licznych bąbli powietrza, powolnego procesu infiltracji i wpływa na adhezję pomiędzy żywicą, a włóknem. W kolejnym etapie po uzupełniano dozowniki żywicą i utwardzaczem, a następnie prowadzono proces infiltracji. Poprawność nasycenia żywicą tzw. przetłoczenia zależna jest od: skuteczności mieszania surowców w maszynie RTM, szybkości infiltracji, temperatury formy. Proces infiltracji rozpoczyna się od wtłoczenia żywicy ciśnieniem wstępnym. Wzrost ciśnienia decyduje o szybkości infiltracji. Ustalano doświadczalnie na poziomie 0,3 bar/min. Cały proces jest zautomatyzowany i wymaga od operatora podłączenia węża dozującego, kontroli czujników mieszania oraz zakończenia procesu poprzez odłączenie węża i stabilizację ciśnienia w formie. Parametry procesu VARI: Temperatura formy: 40º Temperatura infiltracji 40º Próba ciśnieniowa 8 bar przez 1h Test próżniowy min. - 0,75 mbar przez 0,5 h Żywica: Rim 135 Ilość żywicy: 600 g Utwardzacz: Rim 137i Ilość utwardzacza: 180 g Ciśnienie wstępne 0,3 mbar Ciśnienie końcowe 5 mbar 7. Utwardzanie Proces utwardzania i dobór parametrów zależny jest od czasu infiltracji formy. Na podstawie badań wstępnych stwierdzono, że czas infiltracji powinien wynosić 45 minut. Tak dobrano ilość żywicy i utwardzacza, aby etap żelowania nastąpił po tym czasie. Według kart technologicznych stosunek ilości żywicy i utwardzacza wynosić 100:30. Przy takich proporcjach substratów proces żelowania zachodzi po godzinie od rozpoczęcia ich mieszania. Wybór ilości użytego utwardzacza dodatkowo wyznacza nam temperaturę, w jakiej powinna być przeprowadzona infiltracja, aby składniki dokładnie się wymieszały. Według kart 82

80 technologicznych optymalną temperaturą będzie 40 C. Podwyższenie temperatury prowadzi do przyśpieszenia procesu żelowania, a tym samym ogranicza czas infiltracji. Końcowym etapem procesu formowania elementów rurowych jest utwardzanie. Parametry tego procesu wyznaczono doświadczalnie i zastosowano do wszystkich wytwarzanych elementów rurowych (Rys. 65). T [ C] 70 C ETAP A ETAP B ETAP C 40 C 1h 1,5h 4h czas [s] Rys. 65 Wykres przebiegu formowania rur: infiltracja (etap A), wstępne utwardzanie (etap B) oraz utwardzanie (etap C) Proces infiltracji przeprowadzano w 40 C przez 1h. Po tym czasie zamykano formę i ogrzewano do 70 C z szybkością 3 C/10min. Ten etap (na rys. 65 pomiędzy etapem A i C) nazywany jest wstępnym utwardzaniem (B). Po osiągnięciu temperatury 70 C przechodzimy do etapu C. Jest to główny etap utwardzania przeprowadzany przez 4 godziny. Jest to minimalny czas wygrzewania, aby doszło do usieciowania żywicy w całej objętości elementów rurowych. Na przebieg utwardzania ma wpływ: - temperatura otoczenia, wilgotność powietrza, podczas przygotowywania formy, - urządzenia, monitoring należy prowadzić co 15 minut, monitorowano każde odchylenie wartości temperatury, - szczelność formy, pomiar na każdym etapie procesu wytwarzania, - równomierne grzanie formy, kontrolowane przez urządzenie, 83

81 V. Badanie właściwości projektowanego elementu Ze względu na mnogość doświadczalnych metod badań właściwości mechanicznych kompozytów, zarówno przedstawionych w literaturze technicznej, jak i ujętych w normach, istnieje potrzeba dokonania ich krytycznej oceny. Aby uzyskać z badań jak najbardziej wiarygodne wyniki, trzeba nie tylko wybrać odpowiednią metodę, ale i rygorystycznie przestrzegać zawartych w niej założeń i uwarunkowań. Na jakość wyników badań w każdej metodzie będą miały wpływ: kształt próbek i technologia wytwarzania, przebieg badań, dokładność aparatury i zapisu wyników, warunki prowadzenia próby, warunki otoczenia oraz wiedza merytoryczna i doświadczenie prowadzącego badania [8]. Rodzaj badań kompozytu jest zależny od stanu obciążeń elementów konstrukcji oraz ich struktury. W przypadku konstrukcji cienkościennych należy określać tylko charakterystyki w płaszczyźnie warstwy. Jeżeli kompozyt przeznaczony na konstrukcję ma znaczną grubość, to można również prowadzić badania w kierunku prostopadłym do warstwy. Z wytypowanych substratów wykonywane są próbki do badań. Ponadto należy przestrzegać parametrów technologii wytwarzania, aby była ona taka sama, jak w przypadku wytwarzania elementu, co gwarantuje uzyskanie porównywalnych wyników [8, 11]. Do określenia charakterystyk materiałowych przeprowadzono: badania wytrzymałościowe w statycznej próbie rozciągania, obserwacje obrazu struktury materiału, obliczono zawartość włókna w kompozycie, analizę termiczną z zastosowaniem skaningowej kalorymetrii różnicowej (DSC). 84

82 1. Aparatura pomiarowa Badania wytrzymałościowe wykonane zostały na maszynie wytrzymałościowej Z250 firmy ZWICK (Rys. 66). W znormalizowanych uchwytach próbki rurowe poddano rozciąganiu. Rys. 66 Zdjęcie maszyny wytrzymałościowej Z250, firmy ZWICK, Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik TU Dresden Tab. 11 Parametry badania wytrzymałości w statycznej próbie rozciągania Nazwa maszyny wytrzymałościowej ZWICK Z250 Obciążenie wstępne 20N Szybkość rozciągania 10 mm/min Badanie wg normy DIN EN

83 Próbki rurowe zostały wykonane według normy DIN EN 527 (rys. 67). Znormalizowane wymiary próbek wymusiła metoda produkcji. Zaprojektowaną specjalnie metalową formę dopasowano do uchwytów badań statycznej próby rozciągania. Rys. 67 Uniwersalne uchwyty próbek rurowych, wg normy EN DIN 527 [62] Ponieważ przedmiotem badania były elementy obrotowo symetryczne zastosowanie ekstensometrów do pomiaru odkształcenia było niemożliwe. Wynikało to z występowania niedokładności pomiaru. Do tego celu użyto aparatury ARAMIS firmy GOM (Rys.67). W trakcie rozciągania prowadzono proces analizy obrazu przemieszczających się punktów naniesionych na badany element. Odpowiednie oprogramowanie dołączone do urządzenia umożliwiło wyznaczenie przemieszczenia, a tym samym wydłużenia próbek rurowych. Rys. 66 Zdjęcie aparatury ARAMIS, firmy GOM, Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik TU Dresden 86

84 Ocenę poprawności procesu wytwarzania przeprowadzono za pomocą analizy struktury na mikroskopie optycznym Axioimager firmy Zeiss z systemem Apotome (rys. 67). Analizę termiczną kompozytu wykonano z zastosowaniem skaningowej kalorymetrii różnicowej (DSC) na urządzeniu Q1000, firmy TA Instruments (rys.68). Rys. 67 Mikroskop optyczny Axioimager firmy Zeiss, ILK TU Dresden Rys. 68 Różnicowy kalorymetr skaningowy Q1000, firmy TA Instruments, Wydział Inżynierii Materiałowej Politechniki Warszawskiej 87

85 2. Wstępne przygotowanie próbek do badania Przed przystąpieniem do badania właściwości wytwarzanych elementów rurowych wykonano: ocenę wizualną efektywności infiltracji, z opisaniem wad widocznych w strukturze; odpowiednim oznaczeniem miejsc wad: wewnątrz, zewnątrz, w obszarze badania (pomiędzy uchwytami), zapis informacji w protokole, wyeliminowanie próbek wadliwych z pomiarów, zwymiarowanie reprezentatywnych próbek rurowych (tab. 12), przygotowanie próbek do badania w trakcie statycznej próby rozciągania przy użyciu urządzenia ARAMIS. Rys. 69 Zestawienie reprezentatywnych próbek rurowych o zmiennym kącie ułożenia włókien 88

86 Rys. 70 Zestawienie próbek rurowych o kącie ułożenia 30, Rys. 71 Zaznaczona wada na powierzchni próbki rurowej przy uchwycie 89

87 Tab. 12 Zestawienie pomiaru reprezentatywnych próbek rurowych Nazwa próbki Średnica wewnętrzna [mm] Średnica zewnętrzna [mm] Długość całkowita [mm] Długość obszaru badanego [mm] Powierzchnia [mm²] ,00 42,90 192,0 81,0 192, ,01 43,03 190,0 82,0 191, ,00 43,00 189,0 80,0 195, ,05 43,10 194,0 79,5 199, ,00 43,00 190,0 80,0 195, ,00 43,10 193,0 81,0 202, ,00 43,20 190,0 80,6 209, ,05 43,20 191,0 80,3 206, ,00 43,01 189,5 80,0 195,6 Po wyeliminowaniu próbek z wadami, przygotowano elementy rurowe do badania statystyczną próbą rozciągania. Do tego celu naniesiono białe punkty na czarnym tle (rys. 72), w postaci naklejek, na obszar badany rurek. Zastosowano 9 punktów bazowych do dokładnego określenia przemieszczeń, a tym samym wyznaczenia dokładnych wartości modułu Younga, czy wytrzymałości na rozciąganie. Kalibracja oraz dokładność urządzenia zależała od poprawnego zamontowania punktów bazowych. Kamera badająca ruch przemieszczeń punktów wykrywała je przed badaniem. Poprawność pomiaru zależna była od kontrastu obrazu punktów. Zanieczyszczenia na ich powierzchni utrudniały przeprowadzenie pomiarów. 90

88 Rys. 72 Punkty bazowe na przykładowej badanej próbce rurowej Rys. 73 Przykładowa próbka rurowa z oznaczonymi punktami bazowymi podczas badania wytrzymałościowego 91

89 VI. Wyniki badań 1. Badania wytrzymałościowe rur wyplatanych z zastosowaniem metody VARI. Badania wykonano na reprezentatywnej ilości rur (3 próbek) o odpowiednio zmiennym kącie ułożenia włókien: 30, 45 oraz 60, wykresy poniżej. Każdą próbkę przebadano monitorując zmiany przemieszczenia punktów za pomocą urządzenia ARAMIS firmy GOM. Rys. 74 Wykres statycznej próby rozciągania dla kąta ułożenia 30 Rys. 75 Wykres statycznej próby rozciągania dla kąta ułożenia 45 92

90 Rys. 76 Wykres statycznej próby rozciągania dla kąta ułożenia 60 Rys. 77 Zestawienie jednoosiowego rozciągania próbek rurowych o różnym ułożeniu włókien 93

91 Tab. 12 Zestawienie pomiaru reprezentatywnych próbek rurowych Nazwa próbki E [MPa] σ [MPa] , , , , , , , , , , ,51 77, , ,46 76,7 79, ,44 85,7 94

92 2. Obserwacje struktury materiału Przeprowadzono analizę wytworzonych rurek pod względem jakości procesu infiltracji oraz obserwację struktury materiału pod mikroskopem do oceny ilościowej zawartości włókien w kompozycie. Jakość procesu określana była poprzez ocenę struktury pod względem widocznych wad materiałowych w postaci pęcherzyków powietrza, wypustek oraz nieciągłości (brak gładkości) na powierzchni próbek rurowych. Do wad procesu wytwarzania należą również białe pasma włókien widoczne pod światło (Rys. 79). Świadczy to o niedokładnej infiltracji włókien w objętości próbki rurowej. Wszystkie próbki posiadające wyżej wymienione wady nie były brane pod uwagę w badaniach statycznej próby rozciągania. Rys. 78 Wewnętrzna strona próbki rurowej, gładka powierzchnia, brak widocznych wad Rys. 79 Widoczne tzw. białe miejsca, wskazują na niedokładność infiltracji włókien 95

93 3. Obserwacje obrazu struktury materiału Przeprowadzono obserwacje struktury pod mikroskopem optycznym, przy powiększeniu 50x (rys. 78,79,80) wykonano zdjęcia struktury oraz za pomocą oprogramowania OptaView 5 do analizy ilościowej wyliczono udział objętościowy włókien w wykonanych próbkach (rys. 81). Rys. 80 Zdjęcia zgładu próbki rurowej pod mikroskopem, 50x, dla ułożenia włókien 30 Rys. 81 Zdjęcia zgładu próbki rurowej pod mikroskopem, 50x, dla ułożenia włókien 45 96

94 Rys. 82 Zdjęcia zgładu próbki rurowej pod mikroskopem, 50x, dla ułożenia włókien 60 59,8 61,2 57,3 Rys. 83 Procentowy udział włókien w zależności od kąta ułożenia Zwiększenie kąta ułożenia włókien w wyplocie powoduje też zwiększenie udziału włókien. 4. Badania DSC Wykonano analizę termiczną wybranych próbek aby określić: poprawność parametrów procesu infiltracji metodą VARI, powtarzalności procesu, oceny równomierności sieciowania w formie. 97

95 Wynikiem pomiaru metodą różnicowej kalorymetrii skaningowej jest termogram DSC (Rys. 84). Parametrem procesu jest szybkości grzania 10 C/min oraz zakres temperatur od pokojowej do 150 C. Rys. 84 Przykładowy termogram próbki 1 Na rysunku 84 zaznaczono parametry wyznaczane na podstawie termogramu: Tg 1 i Tg 2 odpowiednio temperatura zeszklenia fazy miękkiej wyznaczona w 1 i 2 cyklu ogrzewania, T u - temperatura początku procesu sieciowania oraz H u entalpia tej przemiany. Analizie poddano 3 próbki o zmiennych parametrach procesu wytwarzania (tab. 13), a wyniki analizy DSC tych próbek przedstawiono w tab. 14. Tab. 13 Zestawienie doboru parametrów produkcji Stosunek utwardzaczy 134i do 137i Całkowity czas żelowania Czas dotwardzania 1 2 : 8 2,5h 3h 2 3 : 7 1,5h 4h 3 4 : 6 1h 5h 98

96 Tab. 14 Wyniki analiz termicznej osnowy kompozytu w różnych parametrach wytwarzania Parametr Tg 1cykl, C Tu 1cykl, C Hu, J/g Tg 2cykl, C 1 2,5h 63,5 79,4 3,5 82,9 2 1,5h 64,1 74,9 6,0 82,6 3 1 h 59,5 80,4 2,1 83,9 Na podstawie tych wyników nie można stwierdzić czy właściwie dobrano proporcje substratów, bo każda z próbek była wygrzewana w różnych warunkach. Po procesie dosieciowania temperatura zeszklenia wzrasta o ok. 20 C. Wskazuje to, że niewłaściwie był prowadzony proces dotwarzania w trakcie wytwarzania elementów rurowych. W trakcie pierwszego cyklu ogrzewania stwierdzono, że dochodzi do sieciowania próbek. W zależności od parametrów wytwarzania entalpia tego procesu była zróżnicowana. Przeprowadzono też analizę 6 próbek w celu weryfikacji powtarzalności parametrów procesu. Tabela 15 przedstawia kolejne wartości temperatury zeszklenia. Pomiar 4,6,8 dotyczą pierwszych procesów wytwarzanych rurek. Pomiary 5,7,9 dotyczą próbek poddanych badaniu rozciągania. Tab. 15 Zestawienie kolejnych próbek pobranych z wytwarzanych elementów rurowych Parametr 1 pomiar (4) / 2 pomiar (5) 1 pomiar(6) / 2 pomiar (7) 1 pomiar (8) / 2 pomiar (9) Tg 1cykl, C 49,1 / 62,2 53,5 / 62,1 55,3 / 60,0 Tu 1 cykl, C 78,7 / 79,6 78,7 / 78,9 80,5 / 81,2 Hu, J/g 2,9 / 3,4 2,9 / 3,3 3,3 / 3,1 Tg 2cykl, C 85,1 / 84,3 84,2 / 85,3 85,3 / 86,0 Próbki 4 i 5 po procesie wytwarzania różnią się znacząco cechami osnowy, co wskazuje, że proces ni e był powtarzalny. Natomiast po procesie dotwardzania cechy osnowy są podobne. Wskazuje to, że do wytwarzania zastosowano powtarzalne ilości substratów. Wyniki tych badań pozwalają stwierdzić, że niewłaściwie dobrano czas i temperaturę wygrzewania. 99

97 Poprawność procesu sieciowania osnowy zależne jest od równomiernego ogrzewania formy podczas infiltracji i sieciowania. Zapewni to właściwe usieciowanie struktury w całej objętości. Przeprowadzono analizę termiczną próbek z 4 określonych miejsc kształtowanych elementów rurowych (rys. 82): 1. w górnej części pokrywy, 2. w dolnej części formy, 3. przy odpływie żywicy na górnej części formy, 4. przy początku miejsca infiltracji, górna część, pokrywa dolna część Rys. 86 Miejsca pobrania próbek do analizy termicznej Tab. 16 Zestawienie wyników analizy termicznej próbek pobranych z określonych miejsc Miejsce badania w formie Tg 1cykl, C 1 62,4 2 62,3 3 61,5 4 61,7 Temperatura zeszklenia próbek pobranych z różnych miejsc elementu rurowego różni się nieznacznie, co wskazuje że rozkład temperatury w formie był nieznaczny. 100

98 VII. Analiza wyników Przeprowadzone badania jednoosiowego rozciągania elementów rurowych jednoznacznie pokazują, że ułożenie wyplatanych włókien pod kątem 30 stopni daje najlepszą wartość modułu Younga. Wynikać to może z gęstości upakowania i pracy włókien. W przypadku ułożenia włókien pod kątem 45 lub 60 stopni decydować może brak miejsca dla włókien i wzajemne ich ścinanie. Widoczne to jest na zdjęciach po próbie rozciągania (rys. 85), gdzie udział osnowy w przenoszeniu naprężenia jest mniejszy. a) b) c) Rys. 87 Zestawienie próbek po statycznej próbie rozciągania, odpowiednio dla ułożenia włókien: a) 30, b) 60, c) 45 Dla kąta ułożenia włókien 30 (a) propagacja pęknięcia pojawiła się w najsłabszym miejscu, przy uchwycie. W obszarze badanym nie widać białych miejsc oznaczających zerwanie połączenia włókien z osnową. Próbka zachowywała się sprężyście, zgodnie z wyliczeniami modułu Younga na poziomie 32 GPa. Dwukrotnie wyższa wartość niż w przypadku próbek z kątem ułożenia 45. W przypadku próbek (b) i (c) widoczne są duże deformacje kształtu. Większa zawartość włókien uwidacznia się mniejszym udziałem żywicy w przenoszeniu naprężenia, a tym samym w pierwszej kolejności następuje oderwanie się włókien od osnowy. Spowodowane jest to też mniejszą sprężystością materiału. Zachowuje się on sztywno i przy zwiększaniu obciążenia za przenoszenie naprężenia odpowiedzialne są większym stopniu włókna. Uwidacznia się tutaj bardzo ważny czynnik jakim charakteryzuje się osnowa. Powstawanie miejsca z mniejszą ilością osnowy powoduje brak przenoszenia naprężeń, a w konsekwencji uszkodzenie próbki. 101