NOWY MATERIAŁ KONSTRUKCYJNY - KOMPOZYT

Transkrypt

1 Budonicto 20 Tomasz Kiatkoski NOWY MATRIAŁ KONSTRUKCYJNY - KOMPOZYT Wproadzenie W ostatnich latach innoacyjność dziedzinie roziązań technicznych ymusiła lepsze ykorzystanie noych materiałó - noych dla tego łaśnie zastosoania. Torzya te cechują się szczególnymi łaściościami, jakich nie uzyskują tradycyjne materiały. Móimy tu o kompozytach, które starzają nieograniczone możliości kształtoania noych materiałó o konkretnych łaściościach. Kompozyty nazyane są przez ielu materiałami XXI ieku i coraz częściej znajdują zastosoanie różnych gałęziach przemysłu [1-4]. Kompozyty i ich ykorzystanie Kompozyt jest to połączenie co najmniej dóch różnych (pod zględem chemicznym) materiałó, przy czym ich połączenie zachodzi na poziomie makroskopoym. Coraz częściej inżynieroie sięgają po roziązania niekonencjonalne, które sprostają ich oczekianiom i ymaganiom. Kompozyty dzięki teoretycznie nieograniczonym możliościom kształtoania spełniają te arunki. Dodatkoym atutem kompozytó staje się rąca tendencja do stosoania materiałó konstrukcyjnych o mniejszej gęstości, iększej ytrzymałości, lepszych łaściościach użytkoych i ekologicznych. Najczęściej użyanymi kompozytami są tz. kompozyty łókniste. Podział kompozytó zmacnianych łóknami prezentuje rysunek 1. Naprężenia kompozytach (trzeba tu podkreślić, że są to ogólne zory ykorzystyane do obliczeń ogólnych zależności ytrzymałościoych kompozytach) można obliczyć, ykorzystując zór: σ = σ V + σ 1 V ) (1) komp ( Moduł Younga kompozytu z łóknami ciągłymi zależy od przyłożonego obciążenia i rozłożenia łókien. I tak dla kompozytu obciążonego rónolegle do osi łókien moduł Younga określa się zorem:

2 128 T. Kiatkoski komp = V + V = ( 1 V ) + V (2) natomiast dla kompozytu obciążonego prostopadle do osi łókien ykorzystuje się zór: komp = V + V = (1 V ) + V gdzie: σ komp, σ, σ - odpoiednio, naprężenia kompozytu, łókien i oy, komp,, - odpoiednio, moduł Younga kompozytu, oy i łókien, V, - ułamki objętości oy i łókien, przy czym ( V V = 1). V o + Kompozyty te znajdują zastosoanie przede szystkim takich branżach, jak przemysł lotniczy, kosmiczny, motoryzacyjny czy budolany, gdzie redukcja masy yiera duży pły na projektoany obiekt, maszynę lub pojazd [4]. (3) Rys. 1. Podział kompozytó zmacnianych łóknami [4] Najlepszym przykładem takiego ykorzystania kompozytó łóknistych jest firma Airbus, która ykonała ten zabieg na podoziu samolotu A380 (rys. 2), gdzie około 22% struktury podstaoej samolotu ( stosunku agoym) ykonano przeażnie z kompozytó CFRP [5-7]. Natomiast e proadzonym do eksploatacji 2008 roku Boeingu 787 Dreamliner udział ykorzystania kompozytó sięgał aż 50%. Aktualnie można zaobseroać, że zapotrzeboanie na kompozyty lotnictie nie tylko ojskoym, ale także pasażerskim (cyilnym) ciąż rośnie. W motoryzacji torzya te zaczęto proadzać od momentu, gdy latach siedemdziesiątych ceny ropy naftoej osiągnęły ysoki poziom. I tak przykładoo USA latach zastosoanie polimeró transporcie zrosło

3 Noy materiał konstrukcyjny - kompozyt 129 z 7,5 do 8,4%, a uropie doszło aż do 10% [5, 8]. Wproadzanie kompozytó jest zabiegiem dalekozrocznym, a oszczędności ynikające z tego zabiegu idać dopiero fazie eksploatacji. Dobrym przykładem jest tu przemysł samochodoy, którym proadzenie torzy sztucznych spoodoało redukcję masy samochodu o 10%, co zmniejszyło zużycie palia o 5 7% oraz popraiło sztyność konstrukcji o 40% ( stosunku do konstrukcji staloej) [8, 9]. Konstrukcje kompozytoe zastosoane zostały Porsche Carerra GT (roczniki ) - jednym z pierszych samochodó (rys. 3), którym zastosoano takie roziązanie [5, 10]. Kolejnym przykładem jest ykonany z łókna ęgloego monokok McLarenie MP4-12C oraz noym Lamborghini - Model Aventador (rys. 4) [8, 11]. Znaczny pły na rynek motoryzacyjny yiera także Unia uropejska, której ustalenia dotyczące pojazdó do 3,5 tony narzucają rygorystyczne normy odnośnie do odzyskiania i przetarzania materiałó użytych do produkcji pojazdó (ma ono ynieść do 2015 roku aż 95%). Jest to kolejny argument przemaiający za ykorzystaniem bardzo szerokim spektrum materiałó kompozytoych [8]. Duże zastosoanie znalazły one także budonictie, gdzie stosunek masy do ytrzymałości materiału ma znaczenie przy projektoaniu i umacnianiu konstrukcji. Wpłynęło to na coraz częstsze ykorzystyanie materiałó kompozytoych do torzenia i zmacniania istniejących obiektó. Przeażnie do tych celó ykorzystuje się kompozyty na bazie łókna ęgloego. Rys. 2. Przykłady różnych zastosoań ramach 22% udziału CFRP budoie samolotu Airbus A380 [5] Rys. 3. Porsche Carerra GT z ykonaną z CFRP ramą podozia [5]

4 130 T. Kiatkoski Rys. 4. Monokok ykonany z kompozytu CFRP od leej McLarenie, po praej Lamborghini [8, 11] Kompozyty te są jedną z najnoszych technologii, której zadaniem jest zmocnienie i stabilizacja konstrukcji. Stanoią metodę ziększania nośności konstrukcji betonoych, muroanych, drenianych i staloych. Montoane strefie rozciąganych elementó konstrukcyjnych stanoią zbrojenie zenętrzne, którego zadaniem jest ziększenie ytrzymałości elementu na rozciąganie, zginanie, redukcje rozarcia rys oraz zmniejszenia ugięcia. Stosoany system charakteryzuje się małymi ymiarami i nieielkim ciężarem łasnym oraz bardzo ysoką ytrzymałością na rozciąganie i bardzo ysoką ytrzymałością zmęczenioą [12]. Technologię tę ykorzystują na przykład firmy S&P oraz Sika (rys. 5), które storzyły łasne systemy zmocnień konstrukcji budolanych. Kompozyty stają się coraz częściej materiałem zmacniającym i stabilizującym konstrukcje. Ze zględu na soje niezykłe łaściości są alternatyą dla tradycyjnych materiałó, takich jak stal czy beton. Idealnym przykładem jest pionierski projekt Petera Testa o nazie Carbon Toer (rys. 6) zaproponoany 2002 roku. Jest to konstrukcja składająca się z kompozytó głónie na bazie łókna ęgloego. Rys. 5. System zmocnień firmy Sika [13]

5 Noy materiał konstrukcyjny - kompozyt 131 Ten 40-piętroy budynek jest jednym z najbardziej interesujących projektó XXI ieku i może ytyczyć noe kierunki poszukiań dla budoniczych i architektó [14]. Rys. 6. CARBON TOWR - od leej idok zenętrzny, po praej schemat konstrukcji [14] Dodatkoym atutem przemaiającym za ykorzystyaniem kompozytó stają się coraz częściej narzucane normy ymagające stosoania materiałó o dużej możliości przetórczej i małej szkodliości dla środoiska naturalnego. Podsumoanie Zastosoanie kompozytó jest coraz poszechniejsze. Po materiały te sięgają firmy z najróżniejszych gałęzi przemysłu. Dążenie do udoskonalania i szukania noych form architektonicznych i konstrukcyjnych spraia, że kompozyty otierają noe możliości kształtoania otoczenia. Wproadzenie ich produkty ogólnie dostępne (np. roery, kijki do nart czy ędki) spoodoało na peno podyższenie jakości yrobó, zapeniając użytkonikom peien komfort, gdy tymczasem nie zdajemy sobie spray, że są one produktem kompozytoym. Literatura [1] Hyla I., Śleziona J., Kompozyty elementy mechaniki i projektoania, Wyd. Politechniki Śląskiej, Gliice [2] Ashby M.F., Jones D.R.H., Materiały Inżynierskie. Tom 1, Wydanicto Naukoo-Techniczne, Warszaa [3] Bełzoski A., Podstaoe iadomości o próbach ytrzymałości materiałó kompozytoych, Politechnika Wrocłaska, Wrocła [4] Kurzak L., Kiatkoski T., Aluminium profile reinforced ith carbon fibre: numerical analysis, Transfer inovacii 2013, 27, [5] Oczoś K.., Kompozyty łókniste - łaściości, zastosoanie, obróbka ubytkoa, Mechanik 2008, 7, [6] [Online] 2013, passengeraircraft/a380family/innovation/

6 132 T. Kiatkoski [7] [Online] 2013, [8] Gis M., [Online] 26 rześnia [9] Birkett D., Polymers on the move, duc. Chem., 2007, 44, 11. [10] [Online] 2013, [11] [Online] październik 2013, Technika/Monokok noym _Lamborghini,a, html [12] Kiatkoski T., Charakterystyka i ykorzystanie stopó aluminium oraz taśm ęgloych budonictie, Zeszyty Naukoe Politechniki Częstochoskiej, 2011, nr 167, Budonicto 17, [13] Katalog firmy Sika Poland, Wzmocnienia konstrukcji materiałami kompozytoymi, [14] Buck P., Pająkieicz M., [Online] 14 marca 2013, Streszczenie W pracy przedstaiono ogólne zależności obliczania naprężeń materiałach kompozytoych. Omóiono także ich ykorzystanie różnych gałęziach przemysłu. Pokazano też przykłady zastosoania taśm ęgloych do zmacniania konstrukcji. Ne material of construction - composite Abstract The paper presents general dependences concerning the calculation of stresses in composite materials and their application in different branches of industry. The examples of the carbon tapes applications to construction reinforcement are also shon.