MATERIAŁY POMOCNICZE DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH Materiałoznawstwo III. Materiały kompozytowe (opracowanie: dr hab. inż. Krystyna Imielińska)

Transkrypt

1 1 MATERIAŁY POMOCNICZE DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH Materiałoznawstwo III Materiały kompozytowe (opracowanie: dr hab. inż. Krystyna Imielińska) 1. Definicja i klasyfikacja materiałów kompozytowych Kompozytem nazywa się materiał składający się z dwóch lub większej ilości różnych materiałów: a/ celowo zmieszanych i możliwych do wyodrębnienia metodami mechanicznymi, b/ rozłożonych w kontrolowany sposób w celu nadania optymalnych własności, c/ posiadających własności wyjątkowe i lepsze niż indywidualne składniki. Składnik ciągły kompozytu, który często występuje w większej ilości nazywany jest osnową lub matrycą (matrix). W osnowie osadzone są włókna lub ziarna (cząstki) nazywane ogólnie napełniaczem (filler) wzmocnieniem lub zbrojeniem (reinforcement). Wyróżnia się podstawowe osnowy: Metaliczne, ceramiczne, polimerowe, co daje podstawę do klasyfikacji kompozytów o osnowie: metalicznej (głównie stopy aluminium, magnezu, tytanu, niklu) ceramicznej (węglik krzemu, tlenek aluminium, azotek aluminium) polimerowej (poliestry, epoksydy - termoutwardzalne, poliamidy, polipropylen- termoplastyczne) Osnowa w materiale kompozytowym spełnia następującą rolę: spaja włókna w elemencie konstrukcji, jest odpowiedzialna za przenoszenie obciążeń na włókna, chroni włókna przed zniszczeniem na skutek oddziaływania czynników zewnętrznych Najczęściej stosowane wzmocnienia to włókna szklane, węglowe (grafitowe), aramidowe (Kevlar), boru, cząstki węglika krzemu SiC, tlenku aluminium Al 2 O 3, tlenku cyrkonu ZrO 2. Faza wzmacniająca może mieć postać (rys. 1) : nanocząstek, ziaren (wymiary od kilku do kilkuset mikrometrów np. spiekany proszek Al wzmocniony 14% Al 2 O 3 - części obudowy aparatu fotograficznego), ciętych włókien krótkich o długości rzędu milimetra (np. poliamid wzmocniony włóknem szklanymkoła zębate w robocie kuchennym), ciętych włókien długich (od kilku do kilkunastu cm)- maty z włókien szklanych w osnowie poliestrowej do laminowania łodzi, włókien ciągłych (jednokierunkowych lub tkanych w dwóch kierunkach, np. zbiornik cysterny z włókien szklanych w osnowie poliestrowej nawijanych na rdzeniu. Rys. 1 Rodzaje i geometria fazy wzmacniającej: a/ nanocząstki (nanowłókna), b/ ziarna (cząstki) o rozmiarach mikrometrycznych, c/ włókna cięte (krótkie lub długie), włókna ciągłe (jednokierunkowe lub tkane w dwóch kierunkach np. 1

2 2 Cechy geometryczne elementów wzmacniających dają podstawę do podziału kompozytów na włókniste i ziarniste (wzmacniane cząstkami). Kompozyty z rdzeniem (komórkowym, piankowym lub innym) oraz kompozyty warstwowe (laminaty) nazywamy kompozytami strukturalnymi. (a) (b) (c) Rys. 2 Przykłady kompozytów strukturalnych: a/ płyta i rura z laminatu, b,c/ konstrukcje przekładkowe z rdzeniem z pianki (b), plastra miodu (c). 2. Czynniki wpływające na własności materiałów kompozytowych Własności kompozytu uzależnione są od następujących czynników: Własności osnowy, własności fazy wzmacniającej, Ilości włókien Geometrii fazy wzmacniającej (wielkość cząstek, długość i orientacja włókien). Doskonałości powiązania osnowy i fazy wzmacniającej Własności osnowy i włókien. Własności osnowy determinują odporność cieplną kompozytu, dlatego kompozyty z osnową polimerową można stosować jedynie w temperaturach do ok C, (np. z osnową epoksydową utwardzane w temperaturze C), kompozyty z osnową metalową - z metali lekkich Al, Mg do temperatur rzędu C a z Ti rzędu C Jedynie osnowy ze stopów Ni i Co umożliwiają pracę w temperaturach rzędu max C. Kompozyty z osnową ceramiczną (SiC, Al 2 O 3 ) wytrzymują temperatury do C a kompozyty węgiel amorficzny/włókno grafitowe (z ochronną powłoką SiC) C (np. dziób wahadłowca kosmicznego). Własności i ilość fazy wzmacniającej wpływają na gęstość, rozszerzalność cieplną, moduł sprężystości według zależności określanej mianem reguły mieszanin. Dla przykładu gęstość kompozytu ρ c można obliczyć znając gęstości włókien ρ f i osnowy ρ m : ρ c = ρ f V f + ρ m V m (1) przy czym do obliczeń najczęściej stosuje się udziały objętościowe V m, V f, V p odpowiednio: osnowy, włókien, cząstek. Stosuje się indeksy pochodzące z j. angielskiego: c- composite (kompozyt), m - od słowa matrix (ang. osnowa), f- fibres (włókna), p particles (cząstki), Udział objętościowy włókien V f wyraża się stosunkiem objętości zajmowanej przez włókna do objętości całego kompozytu. Wstawiając w równaniu (1) w miejsce gęstości inne wielkości, np. K przewodnictwo cieplne, rozszerzalność cieplną można przewidywać jakie będą wybrane własności kompozytu. Moduł Younga E, jedną z najważniejszych właściwości mechanicznych potrzebnych konstruktorom (od E i grubości elementu zależy sztywność konstrukcji) można również przewidywać na podstawie reguły mieszanin dla pojedynczej warstwy kompozytu wzmocnionego jednokierunkowymi włóknami ciągłymi przy obciążaniu rozciągającym w kierunku długości włókien (1 na rys. 3). E c =E m V m +E f V f ( górna granica na rys. 3b) (2) W kierunku poprzecznym (2) moduł oblicza się z zależności (3) EmE f E c = V E + V E m f f m (dolna granica na rys. 3b) (3) Obliczenia wskazują na dużą anizotropię własności kompozytów jednokierunkowych, (moduł sprężystości w kierunku prostopadłym do długości włókien jest zbliżony do modułu czystej osnowy, czyli wielokrotnie mniejszy niż włókien, stąd konieczność budowy konstrukcji warstwowych (laminatów) w których włókna 2

3 3 są rozłożone pod różnymi kątami (rys. 2a) dając pozorną (quasi) izotropię materiału płyty. w płaszczyźnie (a) (b) Rys. 3 (a) Układ osi współrzędnych dla pojedynczej warstwy kompozytu z włóknami ciągłymi, (b) wykres modułu sprężystości w funkcji ilości włókien kompozytu: epoksydowego o wzmocnieniu z ciągłych, jednokierunkowych włókien szklanych. E o oznacza moduł sprężystości osnowy, E w, V w (tutaj wyjątkowo zamiast oznaczenia włókien f jest w ) odpowiednio moduł sprężystości i udział objętościowy włókien. Również w przypadku kompozytów wzmocnionych cząstkami (izotropowych) np. osnowa: miedź wzmocnienie cząstki wolframu, zależności (2, 3) przedstawiają odpowiednio dolną i górną granicę wartości modułu sprężystości (rys. 4). E,GPa E = E V + E V c m m p p EmE p Ec = V E + V E m p p m Rys. 4 Zależność modułu sprężystości kompozytu Cu/W p w funkcji ilości cząstek wolframu. Rys. 5 Wpływ sposobu rozłożenia włókien na wytrzymałość na rozciąganie kompozytu. ll Jednak w większości przypadków własności kompozytu są skomplikowanymi funkcjami licznych parametrów, szczególnie geometrii ułożenia wzmocnienia, więc do przewidywania własności sprężystych stosuje się programy komputerowe pozwalające na wyznaczenie poszukiwanych własności w oparciu o metody numeryczne. Wytrzymałość kompozytu jest własnością szczególnie trudną do przewidywania, gdyż uzależniona jest silnie od siły wiązania pomiędzy osnową i fazą wzmacniającą (ma związek z techniką wytwarzania kompozytu) i dla takiego samego składu można otrzymać całkowicie różne własności kompozytu. W przypadku wysokowytrzymałych włókien ciągłych wytrzymałość jest zdominowana przez własności włókien. Przy założeniu idealnego połączenia włókien i osnowy można określić maksymalną wytrzymałość na rozciąganie σ c * pojedynczej warstwy kompozytu z włóknami ciągłymi jednokierunkowymi w kierunku długości włókien 1 włókien. jako iloczyn wytrzymałości na rozerwanie σ f * i ilości i 1 dla najczęstszego przypadku, czyli włókien znacznie wytrzymalszych niż osnowa 3

4 4 σ c * = σ f *V f (4) Wpływ orientacji wzmocnienia włóknistego w odniesieniu wytrzymałości na rozciąganie kompozytu zilustrowano na rys. 5. Przy ułożeniu chaotycznym, typowym dla mat z włókien ciętych, wzrost wytrzymałości jest bardzo mały w porównaniu do wzmocnienia w postaci tkanin ortogonalnych. Należy zwrócić jednak uwagę, że jest to głównie wynikiem tego iż w przypadku mat maksymalna ilość włókien jakie udaje się przesycić wynosi ok.v f = 30%. Uzyskuje się duże obszary czystej żywicy pomiędzy włóknami co osłabia materiał. Najbardziej efektywne jest wzmocnienie w postaci włókien ciągłych jednokierunkowych. Nie tylko ilość wzmocnienia jest optymalna (może dochodzić do V f =80% w przypadku jednokierunkowych preimpegnatów wytwarzanych przez wyspecjalizowany przemysł) ale i ułożenie wszystkich włókien w kierunku działania obciążenia rozciągającego wpływa na ogromny wzrost wytrzymałości i sztywności. Warunkiem uzyskania optymalnych właściwości kompozytu jest doskonałe powiązanie osnowy i fazy wzmacniającej (dobra adhezja włókien i osnowy). Wiąże się to z dobrą zwilżalnością powierzchni włókien oraz brakiem pęcherzy i pustek (miejsc gdzie nie dociera materiał osnowy- (patrz rys. 6) na granicy włókno/osnowa. Cechy te są związane z metodą wytwarzania kompozytu. Czasami trzeba wykonywać specjalne operacje aby poprawić zwilżalność włókien ( np. osnowa aluminiowa słabo zwilża włókna węglowe trzeba więc na ich powierzchni wytwarzać odpowiednie powłoki). Przy dużych wymaganiach odnośnie ilości pustek (poniżej 1% w przypadku kompozytów konstrukcyjnych dla lotnictwa) konieczne jest stosowanie metody próżniowego utwardzania w autoklawie). (a) (b) aramidowe szklane żywica Rys. 6 Mikrostruktury kompozytów włóknistych (a) poliestrowo/ szklanego z widocznymi pęcherzami (b) kompozytu epoksydowego o wzmocnieniu z włókien aramidowych i szklanych: widoczny duży obszar czystej żywicy [Imielińska K., Degradation and damage of advanced laminate polymer composites due to environmental effects and low velocity impact, wyd. PG 2005]. 3. Przykłady materiałów kompozytowych i ich zastosowania Największe zastosowanie w przemyśle znajdują obecnie kompozyty polimerowe (ok. 90%). Typowe zbrojenie polimerów to włókna szklane, węglowe i aramidowe. Wiele spośród znanych polimerów termoplastycznych zawiera celowo wprowadzoną fazę zdyspergowaną, co zalicza je do grupy materiałów kompozytowych. Przykładem mogą być elementy maszyn wzmocnione ciętymi włóknami szklanymi: np. małe kola zębate z poliamidu (nylonu), panewki łożysk ślizgowych z teflonu, nadproża, zderzaki karoserii (Porsche, Peugeot) z polipropylenu wzmocnionego włóknami szklanymi ciągłymi (40%). Typowe kompozyty konstrukcyjne z polimerów termoutwardzalnych to laminaty (kompozyty warstwowe) poliestrowe wzmocnione ciągłym lub ciętym włóknem szklanym stosowane do budowy kadłubów łodzi i małych jednostek pływających jak również małych samolotów, samochodów, cystern wiatraków itd. We wszystkich tych zastosowaniach w przypadku elementów dużych i silnie obciążonych m.in ster pionowy, wysokości, oprofilowanie skrzydeł, łopaty wirnika helikoptera, duże (50-80m) kadłuby okrętów, wzmocnienie szklane zastępowane jest częściowo lub całkowicie przez włókna węglowe oraz aramidowe w osnowie żywicy epoksydowej. Często jest to kombinacja tych trzech rodzajów włókien (kompozyt hybrydowy). Przykładem kompozytu o osnowie elastomeru jest poliizopren wzmocniony nanocząstkami (20-30nm) sadzy stosowany do budowy opon samochodowych. Kompozyty o osnowie metalowej są w większości drogie dlatego ich zakres zastosowań jest wciąż ograniczony. Najbardziej znane są odlewane lub spiekane elementy z kompozytów o osnowie stopów Al wzmacniane cząstkami węglika krzemu (SiC) lub Al 2 O 3, takie jak tarcze hamulcowe, tłoki silników 4

5 5 spalinowych, bloki silnikowe, ramy rowerów raz końcówki kijów golfowych i ostrza łyżew hokejowych z Ti/TiC. Zaawansowane kompozyty np. o osnowie stopu Ti lub Al i wzmocnieniu z włókien węglowych lub boru stosuje się głównie w lotnictwie i kosmonautyce. Z włókien węglowych w osnowie Al wytwarza się podłużnice kadłuba samolotu, ze stopu Ti wzmocnionego włóknami boru formuje się łopatki kompresora silnika lotniczego a korbowody silnika spalinowego można otrzymać z kompozytu Ti/ciągłe włókna SiC. Pracujące w ekstremalnie wysokich temperaturach i przy wysokich obciążeniach łopatki turbiny silnika odrzutowego np. ze stopu niklu mogą być wzmocnione fazą TiC. Zastosowania kompozytów o osnowie ceramicznej obejmują narzędzia skrawające z dużymi prędkościami np. z Al 2 O 3 wzmocnionego wiskerami SiC, elementy silników spalinowych: zawory wlotowe (Nissan), pierścienie tłokowe (Isuzu), komora spalania, wirniki, łopatki turbin spalinowych (Toyota) z kompozytu SiC/SiC. 0 Kompozyt węgiel/węgiel (z powłoką ochronną SiC) wytrzymuje ekstremalne temperatury do 2600 C, jest więc wykorzystywany w takich elementach jak dziób wahadłowca kosmicznego, wykładzina komory spalania i dysza wylotowa gazów silnika odrzutowego, tarcze hamulcowe samochodu Porsche. (a) (b) (c ) (d) (e) (f) Rys. 7. Przykłady zastosowań materiałów kompozytowych: (a) łódź patrolowa z laminatu poliestrowo szklanego, (b) elementy karoserii samochodu z tłoczywa arkuszowego poliestrowo szklanego, (c) opony z poliizoprenu wzmocnionego 10% sadzy i 3% ciętych włókien aramidowych, (d), rama roweru górskiego z kompozytu: stop Ti wzmocniony 10% cząstek Al 2 O, (e) tłoki silnika spalinowego ( Chevrolet) ze stopu Al wzmocnionego 25% cząstek SiC (f) budowa włókna aramidowego Kompozyty polimerowe warstwowe Najczęściej stosowanym i najtańszym zbrojeniem w kompozytach polimerowych są włókna szklane, wytwarzane ze stopionego szkła (mieszanina tlenków SiO 2, Al 2 O 3, CaO) przepuszczanego przez filiery i nawijanego na bębny (rys. 8a). Włókno szklane ma średnicę ok. 10µm, jest bardzo wytrzymałe (R m = MPa) ale niezbyt sztywne (E=70 GPa) i relatywnie ciężkie (ρ= 2,5 MG/m 3 ). Dlatego do budowy lekkich, odpowiedzialnych konstrukcji stosuje się sztywniejsze, lżejsze i wytrzymalsze ale znacznie droższe włókna węglowe (R m = MPa. E= GPa) i aramidowe (R m = MPa E=125GPa). Na rys. 8b przedstawiono mikrofotografię włókna węglowego (średnica ok. 5µm) otrzymanego z polimeru PAN. 3 Włókna aramidowe (odmiana nylonu) są lżejsze niż węglowe (1,44 MG/m w porównaniu do 1,7-2,2 MG/m 3 dla włókien węglowych) i trudne do przerwania ze względu na strukturę złożoną z nano-fibryl na które rozdziela się włókno (rys 8c), stąd wyjątkowa odporność udarowa i ścierna laminatów zawierających te włókna. Włókna aramidowe wprowadza się często w konstrukcjach z włókien węglowych (kruchych), aby zmniejszyć ryzyko pękania. 5

6 6 (a) (b) (c) Rys. 8. a/ Schemat operacji wytwarzania włókien szklanych, b/ mikrofotografia włókna węglowego otrzymanego z polimeru PAN, c/ fibrylowa budowa włókna aramidowego 4. Postacie włókien i wpływ orientacji włókien na wytrzymałość kompozytu Włókna stosowane do wyrobu konstrukcji z włóknistych kompozytów polimerowych mogą mieć postać: a/ rowingu (pasmo kilkuset nieskręconych włókien podobne do sznura nawiniętego na bęben) (rys. 9a ), b/ mat z włókien ciętych (rys. 9b) otrzymywanych przez cięcie rowingu na kilku-, kilkunasto-centymetrowe odcinki, i sprasowanie do postaci maty zwijanej w bele o różnej szerokości (najczęściej rzędu 2m) c/ tkanin ortogonalnych (rys. 8c), tkanin 3D (tkanych przestrzennie do postaci odwzorowującej dany kształt elementu i stanowiący gotową preformę włóknistą (rys. 9d). Pasma rowingu zszyte nicią lub sprasowanie z podłożem (lepiszcze) określane są jako dają tkaniny rowingowe jednokierunkowe. Rowing jest też stosowany jako materiał przeznaczony do cięcia na kawałeczki w pistolecie służącym do metody natryskowej (rys. 10b). Z rowingu można wykonywać bezpośrednio elementy o kształcie obłym przez nawijanie włókien zanurzonych w żywicy na rdzeniu. (a) (b) (c) (d) (e) Rys. 9. Postacie zbrojenia włóknistego: a/ rowing, b/ mata z włókien ciętych, c/ tkania ortogonalna. d/ preforma z włókien 3D (krawędź natarcia skrzydła samolotu), e/ preimpregnat z włókien ciągłych jednokierunkowych. 6

7 7 Do wytwarzania odpowiedzialnych elementów kompozytowych stosuje się preimpregnaty czyli włókna w postaci tkanin wstępnie przesyconych żywicą. Włókna układa sie w postaci pojedynczej warstwy na ochronnym podłożu z taśmy papierowej lub z tworzywa, przesyca żywicą, przykrywa górna warstwa ochronną i przewalcowuje powodując usunięcie nadmiaru żywicy. Następnie zwija się uzyskaną taśmę (szerokość od kilkunastu cm do 2 i wiecej metrow) w bele które są przechowywane w lodówkach przez okres ok. 6 miesięcy i w tym okresie mogą być użyte do wykonania konstrukcji kompozytowej (najczęściej utwardzanej metodą autoklawową lub worka próżniowego. Postać zbrojenia ma istotny wpływ na wytrzymałość kompozytu ze względu na typowe przestrzenne rozłożenie zbrojenia, (które zostało wymienione jako czynnik decydujący o wytrzymałości konstrukcji kompozytowej i omowione na rys. 5 dla przypadku pojedynczej warstwy kompozytu). 5. Wpływ sposobu wytwarzania konstrukcji na własności polimerowych kompozytów warstwowych 1. Metoda ręczna (laminowanie kontaktowe) Laminowanie metodą kontaktową (rys.1a) polega na ręcznym przesycaniu zbrojenia w postaci mat, tkanin: szklanych, węglowych, aramidowych w otwartych formach wykonanych najczęściej z drewna lub kompozytów. Do przesycania zbrojenia żywicą, używa się pędzla lub wałka, którym rozprowadza się żywicę po kolei na warstwach zbrojenia. Następnie wałkuje się specjalnymi twardymi wałkami aluminiowymi, stalowymi bądź teflonowymi w celu odpowietrzenia laminatu, zwiększeniu udziału zbrojenia w laminacie, a przez to poprawy własności wytrzymałościowych. Ze względu na dużą ilość pęcherzy w żywicy i możliwość uzyskania max. ok. 40% włókien w kompozycie (reszta to mało-wytrzymała żywica) metoda jest stosowana dla konstrukcji nie wymagających wysokiej wytrzymałości i sztywności (patrz rys. 5) o niezbyt dużych gabarytach (łodzie, małe jachty, bagażniki na dach samochodu itp. 1. Metoda natryskowa W metodzie tej rowing (włókna ciągłe) podawany jest do pistoletu natryskowego, następnie cięty przez specjalny układ nożyków na odcinki 3-5 cm i natryskiwany wraz z żywicą zmieszaną z utwardzaczem pod ciśnieniem 0,1-0,3 MPa na powierzchnię formy. Nowoczesne urządzenia (mieszania zewnętrznego) rozpylają żywicę oraz utwardzacz hydraulicznie, otaczając strumień polimeru płaszczem powietrza. Rozpylona żywica zabiera pocięty rowing, który osiada na formie. Ze względu na małe wypełnienie włóknami, dużą ilość wad i małą długość włókien uzyskuje się bardzo małą wytrzymałość i sztywność produktów stąd typowe zastosowania to baseny, wanny, większe panele, karoserie samochodowe. a/ b/ Rys. 10. Schematy przedstawiające sposoby laminowania: a/ ręczne (kontaktowe), b/natryskowe Metoda worka próżniowego Laminowanie próżniowe vacuum bagging jest modyfikacją metody laminowania ręcznego, stosowaną w celu zwiększenia jakości (parametrów wytrzymałościowych) laminatu bądź klejenia struktur typu sandwich. Metoda ta ułatwia usunięcie pęcherzyków powietrza, zwiększenie udziału zbrojenia (przez usunięcie nadmiaru żywicy)i uzyskanie gładszej powierzchni zewnętrznej laminatu. Zbrojenie (np. szklane) układa się w formie pokrytej środkiem antyadhezyjnym i wstępnie przesyca (wałkiem, pędzlem) żywicą. Następnie na laminat nakłada się następujące warstwy :1/antyadhezyjną folię porowatą, (przez malutkie otworki znajdujące się w tej folii nadmiar żywicy znajdujący się w laminacie przepływa do kolejnej warstwy tkaniny chłonnej), 2/ tkaninę chłonną ("oddychającą ), pochłaniającą nadmiar żywicy, 3/ folię (tzw. worek próżniowy) odporny na wysokie temperatury umocowaną do brzegu formy za pomocą uszczelki silikonowej. Opcjonalnie pomiędzy laminat a folię porowatą można 7

8 8 zastosować specjalną tkaninę (peel ply) zwaną delaminarzem. Przez otwór w folii wprowadzona jest rurka podłączona do pompy próżniowej. W metodzie tej używa się również zbrojenia wcześniej przesyconego żywicą (ale nieutwardzonego) tzw. preimpregnatów (prepregów). Typowe zastosowanie: Wysoko wytrzymałe laminaty węglowo - epoksydowe, wyczynowe łodzie, części karoserii samochodów, klejenie pianek PCV przy produkcji łodzi. Metodę tę stosuje się do małoseryjnej produkcji. a/ Górna część formy y żywica zbrojenie żywica Dolna część formy b/ forma manometr pompa zbiornik z żywicą c/ Rys. 11. Schematy przedstawiające sposoby laminowania: a/ worka próżniowego, b/ RTM, c/ infuzji Metoda infuzji W celu uzyskania wysokich wskaźników wytrzymałościowych, skrócenia procesu laminowania próżniowego i zmniejszenia jego szkodliwości dla pracowników suche zbrojenie układa się na gotowo wraz z rdzeniami formie i nasyca żywicą wessaną do formy dzięki wytworzonej próżni. Oprócz rurek połączonych z pompą próżniową (odpowietrzających) przez worek wprowadza sie rurki połączone ze zbiornikiem z żywicą (rys. 11c) które rozprowadzają żywicę zassaną przez podciśnienie pomiędzy warstwy włókien. Czas żelowania żywic konstrukcyjnych wynosi z reguły około 20 minut i jest to okres wystarczający do przesycenia zbrojenia przez żywicę wprowadzaną do formy Typowe zastosowania- jak w przypadku metody worka próżniowego. Metoda RTM (Resin Transfer Moulding) Kolejną metodą zapewniającą wysoki udział RTM polega na formowaniu w zamkniętych formach elementów o kształtach przestrzennych. Wstępnie połączone (sklejone) i uformowane wzmocnienie z tkaniny lub maty, tworzy tzw. preformę, którą umieszcza się w zamykanej dwuczęściowej formie. Następnie wtłacza się pomiędzy dwie połówki formy żywicę pod ciśnieniem (0,2-1 MPa). Stosowane ciśnienia nie są duże umożliwia to więc użycie stosunkowo niedrogich form kompozytowych usztywnianych zewnętrznymi kratownicami. Cena wyposażenia do wykonywania elementów w technologii RTM, jest z reguły wielokrotnie niższa od wyposażenia niezbędnego do wytłoczenia takiego elementu z blachy. Typowe zastosowanie: elementy karoserii samochodów, elementy wyposażenia wnętrza, elementy samolotów (drzwi awaryjne, żebra usztywniające skrzydła). Metoda nawijania W procesie nawijania na obracającym się rdzeniu (pokrytym środkiem antyadhezyjnym oraz powłoką ochronną np. matą nasycona wysokojakościową żywicą epoksydową) układa się warstwy włókien ciągłych (rovingu nasycanego żywicą) lub taśmy z preimpregnatu włókien ciągłych. Otrzymuje się kompozyt zawierający ok. 70% włókien. Element utwardza się na powietrzu lub w podwyższonej temperaturze za pomocą lamp na podczerwień. Na rys. 12. przedstawiono proces formowania zbiornika np. gazu z zastosowaniem podajnika włókien sterowanego komputerowo. 8

9 9 Metoda nawijania może być też wykorzystywana do procesów ciągłych np. ciągłego formowania rur. Stosuje się specjalne rdzenie (sprężyny). Gdy jeden fragment rury zostanie uformowany rdzeń jest wycofywany umożliwiając nawijanie dalszych odcinków. Uformowany fragment rury przechodzi do strefy ogrzewanej, gdzie następuje utwardzenie (całkowity czas utwardzenia ok. 1godz dla średnicy 0,5-1,5m.) Zbrojenie jest w postaci ciągłych lub ciętych włókien. Tą metodą wykonuje się rury o bardzo dużych średnicach np. do przesyłu ropy naftowej. Otrzymane rury mogą mieć średnice 0,1-4m (2,5m dla kompozytów HP high performance -włókna węglowe, aramidowe, żywice epoksydowe) i długość 2-10m. Grubość ścianki 2-6mm (1-3mm dla HP) Zalety i wady laminowania ręcznego, próżniowego i RTM ZALETY WADY Laminowanie ręczne prosta zasada laminowania, tanie i nieskomplikowane oprzyrządowanie szeroki wybór, niska cena i dostępność materiałów Laminowanie metodą worka próżniowego wysoki udział zbrojenia w laminacie niski udział pęcherzy w laminacie, lepsze nasycenie włókien dzięki dociskowi i przepływowi żywicy przez całą strukturę laminatu redukcja emisji szkodliwych substancji lotnych podczas utwardzania laminatu. jakość laminatu zależy głównie od umiejętności laminiarza, niezbyt wysoki udział zbrojenia (30-45%) przeciętna wytrzymałość laminatu (obniżają ją duże obszary żywicy) praca w atmosferze wydzielających się szkodliwych gazów jest szkodliwa dla pracowników. zróżnicowana grubość laminatu i mała powtarzalność jakości wyrobów. dodatkowy osprzęt podwyższa koszty produkcji, wymagany wysoki poziom wiedzy laminiarzy. Laminowanie metodą infuzji jak w metodzie worka próżniowego duża szybkość wykonania jednakowa jakość laminatu Laminowanie metodą RTM jednorodne i powtarzalne właściwości mechaniczne, duża gładkość powierzchni, mała tendencja do powstawania wad, dość wysoki udział zbrojenia, możliwość żelkotowania obu stron formy. wymagany wysoki poziom wiedzy laminiarzy, przy nieprawidłowym rozłożeniu przewodów rozprowadzających żywicę istnieje możliwość powstania obszarów nieprzesyconych wyższy koszt wykonania form w stosunku do pozostałych metod, dość drogie urządzenia potrzebne do tego procesu, żywica powinna mieć niską lepkość (takie żywice posiadają większą zawartość szkodliwego styrenu). Zastosowania (kompozyty poliestrowo szklane) rury: wodociągowe i kanalizacyjne, grzewcze, rury do przesyłu ropy naftowej, rury w instalacjach przemysłu chemicznego, pojemniki na gaz i zbiorniki oraz silosy, pociski balistyczne, rakiety, bazuki, łopatki helikoptera, łopatki siłowni wiatrowych, wały napędowe Formowanie w autoklawie. W przypadku bardzo wysokich wymagań jakościowych odnośnie formowanych części i wykorzystania preimpregnatów z nowoczesnych kompozytów zbrojonych włóknami węglowymi, aramidowymi lub hybrydowymi i żywic utwardzanych w podwyższonej temperaturze (rzędu o C) wymagane jest utwardzanie laminatów w autoklawie (rys. 11). Autoklaw jest to piec umożliwiający jednocześnie grzanie i wywieranie ciśnienia na materiał. Stos ułożonych jeden na drugim pojedynczych warstw preimpregnatu przykrywa się folią odporną na wysokie temperatury, (jak do procesu worka próżniowego), uszczelnia się i podłącza do przewodów próżniowych. Podciśnienie konsoliduje warstwy preimpregnatu a podwyższona temperatura i nadciśnienie powodują początkowo wyciśnięcie nadmiaru żywicy z pomiędzy warstw włókien i utwardzenie laminatu. 9

10 10 rowing Obrotowy rdzeń Impregnacja włókien żywicą Wózek z podajnikiem rowingu sterowany numerycznie Rys. 12. Schemat i zdjęcie nawijania zbiornika Zaletą procesu autoklawowego jest bardzo dobra jakość laminatu w połączeniu z wysokimi własnościami wytrzymałościowymi. Wadą jest wysoka cena urządzenia i procesu (w porównaniu z pozostałymi metodami laminowania), W przypadku bardzo dużych elementów konstrukcyjnych konieczne są bardzo duże gabaryty autoklaw. Zastosowanie: elementy z laminatów i konstrukcji przekładkowych w przemyśle lotniczym, w sporcie (jachty, deski surfingowe, narty itd.) Folia uszczelniajaca Przewód doprowadzający do pompy próżniowej Warstwy preimpregnatu pod folią na modelu (laminat przyjmuje kształt modelu) Autoklaw (ciśnienie, temperatura) Rys. 13 Schemat utwardzania kompozytu warstwowego z preimpregnatu w autoklawie 10