B A D A N I E W Y T R Z Y M A Ł O Ś C I K O M P O Z Y T Ó W W Ę G L O W Y C H

Transkrypt

1 WYśSZA SZKOŁA INśYNIERII DENTYSTYCZNEJ IM. PROF. ALFREDA MEISSNERA W USTRONIU WYDZIAŁ INśYNIERII DENTYSTYCZNEJ B A D A N I E W Y T R Z Y M A Ł O Ś C I K O M P O Z Y T Ó W W Ę G L O W Y C H Autor pracy: Ewa ŁUKOSZ Promotor: prof. dr hab. inŝ. Janusz JURASZEK

2 Cel pracy określenie wytrzymałości kompozytu wzmocnionego włóknem węglowym Badanie przeprowadzono - zgodnie z normą EN/PN

3 Schemat eksperymentu Plan badań Rozeznanie literatury Wykonanie próbek Identyfikacja geometryczna Liczba wszystkich próbek 73 WO 8 WI 7 HO 8 Liczba podgrup Przeprowadzenie badań 8 K/SK 10 K 10 SK 10 ST/PO 10 ST 10

4 Materiały złoŝone Definicje kompozytu Kompozyt jest to materiał utworzony z co najmniej dwóch kompozytów (faz) o róŝnych właściwościach w taki sposób, Ŝe ma właściwości lepsze i (lub) właściwości nowe (dodatkowe) w stosunku do komponentów uŝytych osobno lub wynikających z prostego sumowania tych właściwości kompozyt jest materiałem zewnętrznie monolitycznym, jednakŝe z widocznymi granicami między komponentami *Kompozyt jest materiałem wytworzonym sztucznie *Kompozyt musi się składać z co najmniej dwóch róŝnych pod względem chemicznym materiałów z wyraźną granicą rozdziału między komponentami (fazami) *Komponenty charakteryzują kompozyt swymi udziałami objętościowymi *Kompozyt charakteryzuje się takimi właściwościami, jakich nie mają komponenty osobno Materiałem kompozytowym moŝe być kaŝdy materiał, który nie jest czystą substancją Encyklopedia Powszechna, PWN 1988, t. 5, s. 187 Broutman i Krock Javitz

5 Materiały złoŝone Budowa kompozytu Kompozyt zbudowany jest z co najmniej dwóch faz, z których jedna nazywana jest zbrojeniem (umocnieniem), a druga osnową. KaŜda z nich ma do spełnienia określoną funkcję. Obydwa elementy wzajemnie się uzupełniają.

6 Materiały złoŝone Podział kompozytów - w zaleŝności od pochodzenia, - uwzględniający wpływ kształtu i wymiarów komponentu zbrojącego na mechanikę pracy kompozytów konstrukcyjnych,, - według rodzaju osnowy, - według przeznaczenia, - w zaleŝności od tego w jaki sposób powstaje faza zbrojąca, - metalicznych według struktury lub sposobu połączenia komponentów, - metalicznych według technologii wytwarzania,

7 Kompozyty węglowe Włókno węglowe (włókno karbonizowane) włókno powstające w wyniku kontrolowanej destylacji rozkładowej poliakrylonitrylu i innych polimerów organicznych, składające się prawie wyłącznie z rozciągniętych struktur węglowych podobnych chemicznie do grafitu. Charakterystyka - bardzo wysoka wytrzymałość, - wysoki moduł Younga (E = ok. 90 GPa), - niska gęstość, - absorbują drgania, - mają dobre właściwości antymagnetyczne, - dobrze prowadzą elektryczność, - posiadają wysoką odporność na kwasy i zasady,

8 Kompozyty węglowe Zastosowanie - konstrukcje lotnicze i kosmiczne - przemysł motoryzacyjny i sportowy - przemysł szklany - wzmocnienie Ŝagli jachtowych - wytwarza się z nich elementy pracujące pod duŝymi obciąŝeniami - w medycynie - w uszczelnieniach - w elementach odpornych na ścieranie - w budowie siłowni wiatrowych

9 Kompozyty węglowe Zastosowanie - konstrukcje lotnicze i kosmiczne - przemysł motoryzacyjny i sportowy - coraz częściej równieŝ w budownictwie - w przemyśle elektroenergetycznym, maszynowym i chemicznym - w budowie zbiorników ciśnieniowych

10 Przygotowanie do badań Suwmiarka cyfrowa zastosowana do pomiaru próbek Próbki kompozytowe na bazie włókna węglowego T700

11 Przygotowanie do badań Próbka przygotowana do badania, znajdująca się na podporach Rozstaw podpór 70 mm Rozstaw podpór 100 mm

12 Badania Próbka podczas próby wytrzymałościowej

16 Badania Próbki, które uległy złamaniu

17 Badania Diagram rejestrujący Wykres próby zginania

18 Obliczenia Dzięki wyznaczeniu Fmax: * wskaźnik wytrzymałości na zginanie WZ = b*h2/6 [mm3] * moment bezwładności przekroju IZ = b*h3/12 [mm4] * maksymalny moment gnący Mgmax = Fmax/2 * r [N * mm] * maksymalne napręŝenie σg g max = Mgmax/Wz [N/mm2] * odchylenie standardowe napręŝenia σ * Siła średnia Fśr

19 Wyniki PRÓBKA 7/SK Dane Obliczenia b = 25,19 mm h = 1,58 mm F max = 1020 N r = 15 mm Wz = (b * h 2 ) / 6 Wz = 10,48 mm 3 Iz = (b * h 3 ) / 12 Iz = 8,28 mm 4 Mg max = (F max / 2) * r Mg max = 7650 [N * mm] Ϭg max = Mg max / Wz Ϭg max = 729,91 MPa

20 Wyniki PRÓBKA 1/WO Dane Obliczenia Wz = (b * h 2 ) / 6 Wz = 14,56 mm 3 b = 24,71 mm h = 1,88 mm F max = 1020 N r = 15 mm Iz = (b * h 3 ) / 12 Iz = 13,68 mm 4 Mg max = (F max / 2) * r Mg max = 7650 [N * mm] Ϭg max = Mg max / Wz Ϭg max = 525,56 MPa

21 Wyniki PRÓBKA 2/WI Dane Obliczenia Wz = (b * h 2 ) / 6 Wz = 23,33 mm 3 b = 24,30 mm h = 2,40 mm F max = 495 N r = 15 mm Iz = (b * h 3 ) / 12 Iz = 27,99 mm 4 Mg max = (F max / 2) * r Mg max = 3712,5 [N * mm] Ϭg max = Mg max / Wz Ϭg max = 159,14 MPa

22 Wyniki PRÓBKA 4/HO Dane Obliczenia b = 25,00 mm h = 2,40 mm F max = 680 N r = 15 mm Wz = (b * h 2 ) / 6 Wz = 24,00 mm 3 Iz = (b * h 3 ) / 12 Iz = 28,80 mm 4 Mg max = (F max / 2) * r Mg max = 5100 [N * mm] Ϭg max = Mg max / Wz Ϭg max = 212,50 MPa

23 Wyniki Dane PRÓBKA 8/K/SK Obliczenia b = 25,18 mm h = 2,20 mm F max = 1770 N r = 15 mm Wz = (b * h 2 ) / 6 Wz = 20,31 mm 3 Iz = (b * h 3 ) / 12 Iz = 22,34 mm 4 Mg max = (F max / 2) * r Mg max = [N * mm] Ϭg max = Mg max / Wz Ϭg max = 653,56 MPa

24 Wyniki PRÓBKA 1/K Dane Obliczenia b = 25,75 mm h = 1,63 mm F max = 1010 N r = 15 mm Wz = (b * h 2 ) / 6 Wz = 11,40 mm 3 Iz = (b * h 3 ) / 12 Iz = 9,29 mm 4 Mg max = (F max / 2) * r Mg max = 7575 [N * mm] Ϭg max = Mg max / Wz Ϭg max = 664,33 MPa

25 Wyniki PRÓBKA 1/ST/PO Dane Obliczenia b = 25,28 mm h = 1,76 mm F max = 920 N r = 15 mm Wz = (b * h 2 ) / 6 Wz = 13,05 mm 3 Iz = (b * h 3 ) / 12 Iz = 11,49 mm 4 Mg max = (F max / 2) * r Mg max = 6900 [N * mm] Ϭg max = Mg max / Wz Ϭg max = 528,69 MPa

26 Wyniki PRÓBKA 1/ST Dane Obliczenia b = 25,32 mm h = 1,64 mm F max = 990 N r = 15 mm Wz = (b * h 2 ) / 6 Wz = 11,35 mm 3 Iz = (b * h 3 ) / 12 Iz = 9,31 mm 4 Mg max = (F max / 2) * r Mg max = 7425 [N * mm] Ϭg max = Mg max / Wz Ϭg max = 654,18 MPa

27 Obliczenia Zbiorcze zestawienie wyników doświadczeń dla grupy próbek K/SK i K NR PRÓBKI F max [N] /1/K/SK /2/K/SK /3/K/SK /4/K/SK /5/K/SK /6/K/SK /7/K/SK /8/K/SK /9/K/SK /10/K/SK 1870 NR PRÓBKI F max [N] /1/K /2/K /3/K /4/K /5/K /6/K /7/K /8/K /9/K /10/K 1180 Odchylenie standardowe napręŝenia σ = F śr = ,76 [MPa] Błąd względny 9,69 % Ϭg max śr 598,77 [MPa] Odchylenie standardowe napręŝenia σ = F śr = ,55 [MPa] Błąd względny 9,02 % Ϭg max śr 690,51 [MPa]

28 Obliczenia Zbiorcze zestawienie wyników doświadczeń dla grupy próbek ST/PO i ST NR PRÓBKI F max [N] /1/ST/PO /2/ST/PO /3/ST/PO /4/ST/PO /5/ST/PO /6/ST/PO /7/ST/PO /8/ST/PO /9/ST/PO /10/ST/PO 930 NR PRÓBKI F max [N] /1/ST /2/ST /3/ST /4/ST /5/ST /6/ST /7/ST /8/ST /9/ST /10/ST 830 Odchylenie standardowe napręŝenia σ = F śr = ,82 [MPa] Błąd względny 11,69 % Ϭg max śr 601,74 [MPa] Odchylenie standardowe napręŝenia σ = F śr = ,25 [MPa] Błąd względny 10,39 % Ϭg max śr 571,11 [MPa]

29 Obliczenia Zbiorcze zestawienie wyników doświadczeń dla grupy próbek SK i WO NR PRÓBKI F max [N] /1/SK /2/SK /3/SK /4/SK /5/SK /6/SK /7/SK /8/SK /9/SK /10/SK 760 NR PRÓBKI F max [N] 1/WO /WO /WO 860 4/WO /WO /WO 960 7/WO /WO 1100 Odchylenie standardowe napręŝenia σ = F śr = ,87 [MPa] Błąd względny 8,70 % Ϭg max śr 598,77 [MPa] Odchylenie standardowe napręŝenia σ = F śr = 1051,63 100,33 [MPa] Błąd względny 9,54 % Ϭg max śr 483,02 [MPa]

30 Obliczenia Zbiorcze zestawienie wyników doświadczeń dla grupy próbek WI i HO NR PRÓBKI F max [N] 1/WI 440 2/WI 495 3/WI 560 4/WI /WI 890 6/WI /WI 1180 NR PRÓBKI F max [N] 1/HO /HO 900 3/HO 680 4/HO 680 5/HO 700 6/HO 600 7/HO 650 8/HO 650 Odchylenie standardowe napręŝenia σ = F śr = 825,71 322,44 [MPa] Błąd względny 39,05 % Ϭg max śr 259,39 [MPa] Odchylenie standardowe napręŝenia σ = F śr = 753,75 190,33 [MPa] Błąd względny 25,25 % Ϭg max śr 235,55 [MPa]

31 Obliczenia Wykres porównawczy średnich wartości napręŝeń zginania dla poszczególnych grup próbek 700,00 600,00 500,00 400,00 300,00 200,00 100,00 0,00 K WO 0 ST/PO K/SK SK ST WI HO Ϭgmax śr Grupa próbek 1-10/ST/PO 1-10/K/SK 1-8/WO 1-10/SK 1-7/WI 1-8/HO 767,45 525,56 686, ,29531,85 364,06 549, ,67 328, ,64 365,63724,82736,25762,51 368,75 748,85 653,56 660,87 664,33 659,59 676,14 652,45 746,96727,62 654,18 714, ,25 431,82 624,04 699,61 278,13 564,31 628,58 426,71 660, , ,69515,23 579,38 620,33 657,69 699,87 673, ,07 529,71 582,00 575,90 544,00 568,75 520,57 552,75 601,69 576, ,43571,18586,81 635,62 652,29 729,91 632,75660, , ,5159,14 212,5212,5218,75187,5203,13203,13 180,04 440,62 433, σgmax Próbki 1-8/WO 483,02 Próbki 1-7/WI 259,39 Próbki 1-8/HO 235,55 Próbki 1-10/K/SK 686,68 Próbki 1-10/K 690,51 Próbki 1-10/ST/PO 601,74 Próbki 1-10/ST 571,11 Próbki 1-10/SK 598,77

32 Wnioski * Zastosowana próba zginania czteropunktowego umoŝliwia wyznaczenie parametru wytrzymałościowego nowego kompozytu ma na bazie włókien węglowych. * Zastosowanie technologii wytwarzania kompozytu na bazie włókna węglowego cechuje stosunkowo znaczne odchylenie standardowe w odniesieniu do klasycznych materiałów konstrukcyjnych jak stop Cr-Ni stosowanych w technice dentystycznej. * Wydaje się celowe wprowadzenie innych technologii wytwarzania kompozytów np. układ z automatycznym autoklawem technologia lotnicza. * Analizowane kompozyty mogą w przyszłości znaleźć zastosowanie w konstrukcjach protetycznych. * Badania wykazały, Ŝe materiały wzmacniane włóknem węglowym wykazują wysoką wartość wytrzymałości mechanicznej. NaleŜy nadmienić, Ŝe duŝą wytrzymałość mechaniczną kompozytów wzmacnianych włóknem węglowym zapewnia wysoce zorganizowana struktura włókien, a praktycznie całkowita zawartość grafitu powoduje, Ŝe są nietopliwe i odporne chemicznie.

33 Dziękuję za uwagę