Kompozyty. Czym jest kompozyt

Transkrypt

1 Kompozyty Czym jest kompozyt Kompozyt jest to materiał utworzony z co najmniej dwóch komponentów mający właściwości nowe (inne, może lepsze?) w stosunku do komponentów. MSE 27X Unit 18 1

2 Kompozyty naturalne Kompozyty naturalne Drewno-złożone z włókien celulozy w ligninie i hemicelulozie; Tkanka kostna-złożona z apatytu w związkach proteinowych; Ścięgna; I wiele innych MSE 27X Unit 18 2

3 Drewno Sosna kolumbijska Skorupka jajka = węglan wapnia = miękkie białko MSE 27X Unit 18 3

4 Ścięgno Tajemnica polega na budowie warstwowej ścięgna. Kość MSE 27X Unit 18 4

5 Historia W Mezopotamii i Babilonie już ok. 800 r. p.n.e. wytwarzano cegły gliniane wzmacniane słomą 1931 pierwszy patent na otrzymywanie włókien szklanych 1942 połączono żywicę z włóknem szklanym 1943 pierwsze próby zastosowania kompozytów dla celów wojskowych 1961 otrzymanie włókien węglowych 1972 otrzymanie włókien aramidowych Z czego składa się kompozyt Kompozyt składa się z osnowy i umieszczonego w niej drugiego składnika (zbrojenia) o znacznie lepszych właściwościach mechanicznych. Osnowa: ciągła (biała) Zbrojenie: nieciągłe (czarne) MSE 27X Unit 18 5

6 Osnowa Osnowa ma za zadanie zabezpieczać zbrojenie przed mechanicznym uszkodzeniem, przenosić naprężenie zewnętrzne na zbrojenie, zatrzymywać rozprzestrzenianie się pęknięć, nadawać wyrobom żądany kształt. Osnowa najczęściej polimer (poliepoksyd, poliester) może być to metal (Ti, Ni, Fe, Al, Cu) lub ich stopy, bądź ceramika (np.al 2 O 3, SiO 2,SiC, TiO 2 ) MSE 27X Unit 18 6

7 Zbrojenie Zadaniem zbrojenia jest wzmacnianie materiału, poprawianie jego własciwości mechanicznych. Zbrojenie Zbrojenie może mieć postać: Włókna ciągłego lub nieciągłego; Proszku MSE 27X Unit 18 7

8 Podział kompozytów Ze względu na wielką różnorodność materiałów kompozytowych dzieli się je ze względu na: -właściwości, -rodzaj osnowy, -rodzaj zbrojenia. Podział kompozytów Kompozyty Cząsteczkowe Duże cząstki Z wydzieleniami Ciągłe Wzmacniane włóknami Nieciągłe Strukturalne Laminaty Warstwowe Uporządkowane Przypadkowe MSE 27X Unit 18 8

9 Podział kompozytów (?) Klasycznym przykładem kompozytu jest beton. Jak go sklasyfikować? Beton składa się z większych i mniejszych cząstek umieszczonych w matrycy krzemianowo-siarczanowej. Jest to zatem kompozyt wzmacniany cząstkami. Wzmocniony beton (żelazobeton), natomiast, jest wzmocniony dodatkowo prętami stalowymi. Jest to zatem przykład kompozytu wzmacnianego i cząstkami, i włóknami. Kompozyty wzmacniane cząstkami Istnieją co najmniej trzy typy takich kompozytów: Wzmacniane dużymi cząstkami innej fazy (np. polimer z wypełniaczem lub beton); Materiały utwardzane dyspersyjnie (cząstki zbrojenia mają mniej więcej średnice µm (np. stopy metali, gdzie osnową jest metal a zbrojeniem jakas twardzsza faza: tor w niklu, Al/Al 2 O 3 ). Nanokompozyty. MSE 27X Unit 18 9

10 Przykład: cermet CERMET (kompozyt metalu z ceramiką) Węgliki (WC, TiC ) w Cu, Ni, Co lub innym metalu. Aż do 90% węglików może być rozdyspergowanych w osnowie metalowej! Jasna faza - matryca (Co) Ciemna faza - zbrojenie (WC) Właściwości kompozytów wzmacnianych cząstkami Zależą i od osnowy, i od zbrojenia. Zbrojenie wpływa na kompozyt poprzez cały szereg parametrów. MSE 27X Unit 18 10

11 Parametry zbrojenia: rozkład koncentracja orientacja kształt wielkość Właściwości kompozytów wzmacnianych cząstkami Aby osiągnąć optymalne możliwe właściwości: Cząstki powinny mieć jednakowe rozmiary; Powinny być równomiernie rozłożone; Procent objętości zajętej przez zbrojenia zależy od konkretnych potrzeb. MSE 27X Unit 18 11

12 Moduł Younga zależy od zawartości cząstek (p) w matrycy (m) Rzeczywiste wartości Górna granica E- matryca * * * * * * * Dolna granica E - cząstki Koncentracja cząstek Kompozyty wzmacniane włóknami Jest to najważniejszy rodzaj kompozytów. z Włókno jest obiektem anizotropowym, o symetrii cylindrycznej. x y MSE 27X Unit 18 12

13 Kompozyty wzmacniane włóknami Włókno ma zazwyczaj długość znacznie większą od średnicy. Są to ciała o dużej smukłości. Przeważnie stosuje się włókna szklane, węglowe lub aramidowe (np. Kevlar) Rodzaje kompozytów wzmacnianych włóknami MSE 27X Unit 18 13

14 włókna Kompozyty o matrycy polimerowej matryca szklane węglowe albo grafitowe, albo z amorficznego węgla aramidowe poliester lub estry winylowe najczęściej z włóknem szklanym epoksy głównie w lotnictwie poliamidy (wytrzymują wysoką temperaturę) Kompozyty o matrycy metalowej lub ceramicznej metal ceramika Celem jest zwiększenie wytrzymałości ceramiki na pękanie Przykład: Transformation toughened zirconia MSE 27X Unit 18 14

15 Przykłady Włókna SiC w osnowie Ti 3 Al Włókna SiC w osnowie CAS Szczególne wymagania stawiane osnowie: Plastyczna; Odpowiada za właściwości mechaniczne przy ściskaniu, zatem powinna mieć możliwie dużą wytrzymałość na ściskanie; Mniejszy moduł Younga niż włókno; Musi się odpowiednio silnie wiązać z materiałem włókna; MSE 27X Unit 18 15

16 Szczególne wymagania stawiane wiązaniu matryca-włókna zbyt słabe: włókna zostaną wyciągnięte z osnowy; zbyt silne: materiał zachowuje się jakby był jednolity, nie ma absorpcji energii mechanicznej na granicy matrycawłókno; optymalne: najpierw pęka osnowa, później oddziela się od włókien, na koniec pękają włókna; Szczególne wymagania stawiane włóknom. Cechy włókien wpływające na ich właściwości MSE 27X Unit 18 16

17 Wytrzymałość Musi być znacznie silniejsze niż materiał osnowy; Musi mieć dużą wytrzymałość na rozciąganie. Właściwości włókien zależą od ich rodzaju, struktury itd MSE 27X Unit 18 17

18 Długość włókna Właściwości mechaniczne kompozytu zależą od: Mechanicznych właściwości włókna Wielkości naprężenia, które jest przekazywane przez osnowę (zależy od siły wiązania między włóknem a osnową). Istnieje pewna krytyczna długość włókna, poniżej której włókno nieefektywnie wzmacnia kompozyt (zależy od średnicy włókna, wytrzymałości na rozciąganie i siły wiązania z osnową). Długość włókna Krytyczna długość l c (powierzchnia wiązania z osnową musi być wystarczająco duża) l c = σ f d/2τ c gdzie: d = średnica włókna τ c = wytrzymałość wiązanie między włóknem i matrycą σ f = wytrzymalość włókna na rozciąganie No Reinforcement MSE 27X Unit 18 18

19 Średnica włókna przyczyną dużej wytrzymałości włókien jest również ich mała średnica We włóknach o średnicach powyżej 15 [µm] istnieje znacznie większe prawdopodobieństwo pojawienia się wad powierzchniowych, co sprzyja pękaniu. Orientacja włókien MSE 27X Unit 18 19

20 Włókna uporządkowane Właściwości materiału są silnie anizotropowe Włókna równolegle uporządkowane ε m = ε f = ε c Całkowita siła, F c, jest sumą siły przyłożonej do włókien (f) i osnowy (m) F c = F m + F f σ c A c = σ m A m + σ f A f σ c = σ m A m /A c + σ f A f /A c gdzie A m /A c ia f /A c odpowiednio ułamek powierzchni matrycy i włókien, V f = A f /A c & V m = A m /A c σ c = σ m V m + σ f V σ = εe E c = E m V m + EfV f MSE 27X Unit 18 20

21 Włókna równolegle uporządkowane Gdy siła jest prostopadła do włókien: σ m = σ f = σ c = σ Całkowite odkształcenie: ε c = ε m V m = ε f V f Korzystając z prawa Hooke a ε = σ/e σ/e c = (σ/e m )V m + (σ/e f )V f Otrzymujemy: E c = E m E f E f V m + E m V f Górna i dolna granica Rzeczywiste wartości Górna granica E- matryca * * * * * * * Dolna granica E - cząstki Koncentracja cząstek MSE 27X Unit 18 21

22 Przykład: kompozyt Cu-W Rysunek (a) pokazuje różnicę modułu Younga w zależności od kierunku działania siły względem kirunku włókien dla dwóch różnych E f /E m. Rysunek (b) pokazuje porównanie kompozytu wzmacnianego włóknami i cząstkami. Objętość włókien w kompozycie Wpływ objętości włókien wynika z tych samych zależności, co wpływ orientacji włókien. E c = E m V m + E f V f E m E f E c = E f V m + E m V f MSE 27X Unit 18 22

23 Inne właściwości kompozytu W ogólności, każdą inną właściwość fizyczną kompozytu można ocenić (znaleźć górną i dolną granicę zmienności) w taki sposób jak moduł Younga Jeśli X c jest np. przewodnością cieplną, gęstością itd. To: X c = X m V m + X f V f X c = X m X f /(V m X f + V f V m ) Wytrzymałość na rozciąganie W kierunku równoległym do włókien, jeśli założymy że włókno zerwie się później niż matryca : σ c = σ m V m + σ f V f MSE 27X Unit 18 23

24 Kompozyty konstrukcyjne Pojęcie kompozyty konstrukcyjne stosuje się w odniesieniu do kompozycji polimerowych o wysokich parametrach mechanicznych, stosowanych w przemyśle (głównie lotniczym) Typy laminaty kompozyty warstwowe Laminaty Wiele dwuwymiarowych warstw, różnie zorientowanych względem siebie. MSE 27X Unit 18 24

25 Kompozyty warstwowe (kanapkowe) Dwie silne warstwy zewnętrzne rozdzielone warstwą słabszego i mniej gęstego materiału (rdzeń). Używa się w konstrukcji dachów, ścian, skrzydeł samolotów. Rolą rdzenia jest przeciwdziałać deformacjom spowodowanym siłą prostopadłą do powierzchni zewnętrznych. Często rdzeń ma strukturę plastra miodu. Kompozyty warstwowe (kanapkowe) MSE 27X Unit 18 25

26 Najbardziej rozpowszechnione kompozyty konstrukcyjne Najczęściej stosuje się kompozyty o osnowie polimerowej (żywice) wzmacniane włóknami szklanymi, węglowymi lub aramidowymi. Zbrojenia szklane Złożone z polimeru i zbrojenia szklanego; W zależności od przeznaczenia stosuje się zbrojenie w postaci przeróżnie splatanych tkanin, ciętych włókien, układów przestrzennych i innych. MSE 27X Unit 18 26

27 Rodzaje tkanin Materiały o budowie komórkowej Materialy komórkowe można zaliczyć do kompozytów. Mają one szereg niezwykłych właściwości, których nie można osiągnąć w materiałach litych. Np. odporność na uderzenia, wytrzymałosć mechaniczna przy ściskaniu, przewodność cieplna, i inne. A wszystko to przy niezwykle małej gęstości. Często spotyka się tutaj strukturę plastra miodu. MSE 27X Unit 18 27

28 Reakcja na ściskanie [Gibson: Cellular Materials] Właściwości mechaniczne Nawet struktura plastra miodu ze ścianami kruchymi nie pęka niespodziewanie przy ściskaniu. [Gibson: Cellular Materials] MSE 27X Unit 18 28

29 Absorpcja energii Jedną z zalet materiałów komórkowych jest zdolność absorpcji energii (np. przy uderzeniu). [Gibson] Absorpcja energii maksymalna gęstość [Gibson] Wyginanie ścian Sprężyste odkształcenie MSE 27X Unit 18 29

30 Drewno Przykład materiału komórkowego: drewno Pień drzewa zbudowany jest z długich, pustych w środku komórek, w większości równoległych do osi drzewa Ściany komórek zbudowane są z włókien krystalicznej celulozy mikrofibryl (ok. 45% ściany komórki). Rolę osnowy pełni lignina i celuloza. MSE 27X Unit 18 30

31 Drewno Ściana komórki zbudowana jest z włókien celulozowych w osnowie hemicelulozy i ligniny. Jest to zatem kompozyt wzmacniany włóknami! P : stanowi 5% grubości i ma przypadkowo ułożone włókna; S 1 stanowi 9% grubości i włókna są ustawione pod kątem względem osi; S 2 : 85%, włókna pod kątem ; S 3 :1%, włókna pod kątem 90.!!!!!! Drewno sosnowe ma większą wytrzymałość właściwą niż stal. MSE 27X Unit 18 31

32 Włókna Włókna szklane (najpowszechniejsze) Ceramiczne Węglowe Whiskersy Włókna aramidowe Włókna dnia dzisiejszego: KEVLAR Kevlar to nazwa polimeru, a nie kompozytu jako całości (co nie zmienia faktu, że tak właśnie się zazwyczaj nazywa kompozyt) MSE 27X Unit 18 32

33 Kevlar to jedno z włókien aramidowych POLIAMIDY AROMATYCZNE (aramidy) to polimery zawierające w łańcuchu grupę CONH-, połączoną z obydwu stron z fragmentami aromatycznymi: fenylowymi, naftalowymi, heterocyklicznymi. Odznaczają się dużą udarnością i odpornością na ścieranie oraz dużą zdolnością do tłumienia drgań Bardzo dobra jest także ich odporność na czynniki atmosferyczne i chemiczne Zalety Kevlaru Wytrzymałość właściwa pięciokrotnie większa niż stali; Moduł sprężystości E=126 GPa; Duża odporność na efekty zmęczeniowe; Odporność na czynniki chemiczne; Odporność na temperatury do 700K. Materiał samogasnący; Gęstość ρ=1750kg/m 3 ; Trudny do przecięcia; MSE 27X Unit 18 33

34 Czym jest Kevlar Te najmocniejsze włókna świata otrzymywane są: w wyniku reakcji polikondensacji chlorowodorków kwasów dikarboksylowych z aminami aromatycznymi. MSE 27X Unit 18 34

35 Lub np. : KEVLAR - Następnie: - Włókna rozciąga się, stosując roztwór polimeru w 100% H 2 SO 4 - Powstaje półciekła faza krystaliczna (jest to ciekły kryształ) - Włókna uzyskują optymalne wzajemne położenie KEVLAR W rezultacie, otrzymuje się polimer krystaliczny o strukturze: MSE 27X Unit 18 35

36 KEVLAR Właściwości: w przypadku przyłożenia sił prostopadłych następuje zmiana konformacji z trans na cis. Po ustaniu działania sił układ powraca do pierwotnego stanu Niezwykła właściwości kevlaru wynikają w dużej części z budowy warstwowej włókien, nie tylko ze struktury molekularnej samego polimeru. MSE 27X Unit 18 36

37 Zastosowania inne HONKER zapewnia ochronę niewielkim oddziałom, które muszą dokonać szybkiego przemieszczenia. Jako elementy opancerzenia zastosowano materiały kompozytowe: - elementy zabezpieczające załogę przed przeciwpancernymi pociskami małokalibrowymi oraz odłamkami min przeciwpiechotnych i granatów Podstawową zaletą opancerzenia z kompozytów jest poprawa warunków bezpieczeństwa przy zachowaniu właściwiej wagi pojazdu, co gwarantuje zachowanie dotychczasowej jego szybkości i zwrotności. Nomex Włókna z otrzymywane wskutek reakcji kwasu izoftalowego i m-fenylenodiaminy; MSE 27X Unit 18 37

38 Nomex Nomex nie jest to tak wytrzymały mechanicznie jak Kevlar, ALE jest odporny na wysokie temperatury i można go stosować w temperaturach powyżej C. Znalazł zastosowanie w niektórych ubiorach strażackich i kierowców samochodów wyścigowych (tkaniny termoi ogniotrwałe). Powyżej temperatury rozkładu przekształca się w grafit, zachowując pierwotne właściwości ochronne. Poprzednie włókno dnia dzisiejszego NYLON Też włókno aramidowe MSE 27X Unit 18 38

39 Nylon Właściwości nylonu zależą od długości łańcuchów pomiędzy grupami amidowymi. Jest to również polimer krystaliczny (jak wszystkie włókna). Kompozyty węglowe WŁÓKNA KARBONIZOWANE, włókna otrzymywane w wyniku pirolizy włókien chemicznych; rozróżnia się dwa rodzaje włókien karbonizowanych: włókna węglowe, zawierające 90 96% węgla pierwiastkowego, o nie w pełni zorientowanej strukturze kryształów, włókna grafitowe, o zawartości powyżej 96% (często bliskiej 99%) węgla o krystalicznej, zorientowanej strukturze; MSE 27X Unit 18 39

40 Włókna włókna węglowe otrzymuje się przez ogrzewanie w powietrzu, a następnie w atmosferze beztlenowej różnego rodzaju włókien chemicznych, głównie ciągłych włókien wiskozowych lub poliakrylonitrylowych. włókna grafitowe powstają zwłókien węglowych podczas ich ogrzewania w temperaturze powyżej 2500 C; Kompozyty węglowo-węglowe Kompozyt gdzie włókna węglowe są umieszczone w matrycy węglowej; Mają bardzo dobre właściwości mechaniczne również w wysokich temperaturach: wytrzymałość na rozciąganie 300K:70(stal 410) MPa, 1300K: 70(10) MPa; rozszerzalność cieplna /K (16), temperatura topnienia 3000K (1800); gęstość 1.8 g/cm 3 (7.85); MSE 27X Unit 18 40

41 Kompozyty węglowo-węglowe Stosuje się je w tarczach hamulcowych w samolotach i niektórych samochodach. Jedyny problem to utlenianie matrycy w temperaturze od o C. Aby uniknąć utleniania stosuje się najczęściej MoSi. Kompozyty węglowo-węglowe Wytwarzanie: preforma: włókna umieszcza się prostopadle do powierzchni (tarczy); dodanie matrycy (węgiel pyrolityczny lub amorficzny): nasyca się włókna żywicą fenolową i pyroliza w piecu; dodanie antyutleniacza; MSE 27X Unit 18 41

42 RCC: Wzmocnione kompozyty węglowe RCC: reinforced carbon-carbon composites ; Zostały wprowadzone przez Lockheed Martin Missiles and Fire Control. Jest to materiał praktycznie w całości z węgla dodatkowo wzmocniony i zabezpieczony przed utlenianiem. Zalety: Wytrzymałość na szok termiczny (od 156 o C do 1648 o C); Nie ulega zmęczeniu; RCC RCC zabezpiecza najbardziej zagrożone stopieniem części statku kosmicznego MSE 27X Unit 18 42

43 RCC Każde skrzydło zawiera 44 paneli RCC, na nosie statku też założona jest czapka ochronna. Razem: 400 stóp kwadratowych powierzchni chroniącej termicznie najbardziej narażone części statku. Chronią tak, że po stronie wewnętrznej panelu panuje temperatura 177oC. RCC Mikrostruktura panelu. Powierzchniowa warstwa SiC chroni przed utlenianiem w momencie wejścia w atmosferę. MSE 27X Unit 18 43

44 RCC Wytwarzanie: grafityzacja tkaniny rayonowej, nasycenie żywicą fenolową a następnie wygrzewanie w autoklawie; pyroliza (przekształcenie żywicy w węgiel); impregnacja alkoholem furfuralowym i pyroliza; trzykrotne powtórzenie poprzedniego etapu; RCC Wytwarzanie: wytworzenie wierzchniej warstwy SiC: RCC+Si, SiC, Al 2 O 3 +Ar umieszcza się w piecu w wysokiej temperaturze; zachodzi dyfuzja reakcyjna, wskutek której na powierzchni tworzy się SiC. przymocowanie paneli do skrzydeł MSE 27X Unit 18 44

45 Kompozyty przyszłości Włókna ceramiczne: monokryształy o średnicy 1mm. Moduł Younga do 700 GPa. Niezwykle duża wytrzymałość na rozciąganie (do 20000MPa). Wytrzymałość względna do 9.09 ( Kevlar: 2.1, włókna węglowe: 1.2, szkło: 1, stal: 0.5). Stosowane w przemyśle kosmicznym, nadal w fazie testów. Literatura Christopher Barret, Mc Gill University Prof. A.D. Rollet, MSE MSE 27X Unit 18 45