Materiały kompozytowe Publikacja współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
Definicja i klasyfikacja materiałów kompozytowych Kompozyt materiał składający się z dwóch lub większej liczby różnych materiałów: a) celowo zmieszanych i możliwych do wyodrębnienia metodami mechanicznymi b) rozłożonych w kontrolowany sposób w celu nadania optymalnych własności c) posiadających właściwości wyjątkowe i lepsze niż indywidualne składniki. Składnik ciągły kompozytu, który często występuje w większej ilości nazywany jest osnową lub matrycą. W osnowie osadzone są włókna lub ziarna (cząstki) nazywane napełniaczem, wzmocnieniem lub zbrojeniem. 2
Podstawą klasyfikacji kompozytów jest rodzaj materiału osnowy: metaliczna (głównie stopy aluminium, magnezu, tytanu, niklu) ceramiczna (węglik krzemu, tlenek aluminium, azotek aluminium), polimerowa (poliestry, epoksydy termoutwardzalne, poliamidy, polipropylentermoplastyczne). 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. 3
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: nanocząstek ziaren (wymiary od kilku do kilkuset mikrometrów np. SAP: spiekany proszek Al wzmocniony 14% Al 2 O 3 części obudowy aparatu fotograficznego) ciętych włókien krótkich o długości rzędu milimetra (np. poliamid wzmocniony włóknem szklanym- koła 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. 4
(a) (b) (c) (d) Rodzaje i geometria fazy wzmacniającej: a) nanocząstki (nanowłókna) b) ziarna (cząstki) o rozmiarach rzędu mikrometra c) włókna cięte krótkie lub długie d) włókna ciągłe (jednokierunkowe lub tkane w dwóch kierunkach) kowe lub tkane w dwóch kierunkach) 5
Kompozyty z rdzeniem (komórkowym, piankowym lub innym) oraz kompozyty warstwowe (laminaty) nazywają się kompozytami strukturalnymi. (a) (b) (c) Przykłady kompozytów strukturalnych: a) płyta i rura z laminatu b) i c) konstrukcje przekładkowe z rdzeniem z pianki (b), plastra miodu (c) 6
Czynniki wpływające na właściwości kompozytów Właściwości osnowy, właściwości fazy wzmacniającej Ilość włókien Geometria fazy wzmacniającej (wielkość cząstek, długość i orientacja włókien) Doskonałość powiązania osnowy i fazy wzmacniającej 7
Właściwości osnowy Właściwości osnowy determinują odporność cieplną kompozytu, dlatego kompozyty z osnową polimerową można stosować jedynie w temperaturach do ok. 150 C, (np. z osnową epoksydową utwardzane w temperaturze 130-180 C), kompozyty z osnową metalową - z metali lekkich Al, Mg do temperatur rzędu 300 C a z Ti rzędu 550 C Jedynie osnowy ze stopów Ni i Co umożliwiają pracę w temperaturach rzędu max. 700-1000 C. Kompozyty z osnową ceramiczną (SiC, Al 2 O 3 ) wytrzymują temperatury do 1650 C a kompozyty węgiel amorficzny/włókno grafitowe (z ochronną powłoką SiC) -2700 C (np. dziób wahadłowca kosmicznego). 8
Właściwości i ilość fazy wzmacniającej wpływają na gęstość, rozszerzalność cieplną, moduł sprężystości według zależności określanej mianem reguły mieszanin. Dla przykładu gęstość kompozytu c można obliczyć znając gęstości włókien f i osnowy m : c = f V f + m V m 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 w miejsce gęstości inne wielkości, np. przewodnictwo cieplne, rozszerzalność cieplną można przewidywać jakie będą wybrane własności kompozytu. 9
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: E c =E m V m +E f V f W kierunku poprzecznym: E c V m E E f m E f V f E m ( górna granica na rysunku) (dolna granica na rysunku) Występuje duża anizotropia właściwości kompozytów jednokierunkowych. Moduł sprężystości w kierunku prostopadłym do długości włókien jest zbliżony do modułu osnowy, czyli wielokrotnie mniejszy niż włókien, stąd konieczność budowy konstrukcji warstwowych (laminatów), w których włókna są rozłożone pod różnymi kątami, dając pozorną (quasi) izotropię materiału w płaszczyźnie płyty. 10
a) b) (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) odpowiednio moduł sprężystości i udział objętościowy włókien. 11
Również w przypadku kompozytów wzmocnionych cząstkami (izotropowych) np. osnowa miedź, wzmocnienie cząstki wolframu, występuje dolna i górna granica wartości modułu sprężystości. GPa Górna granica Dolna granica W, % masy 12
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. 13
Przy ułożeniu chaotycznym, typowym dla mat z włókien ciętych, wzrost wytrzymałości jest bardzo mały w porównaniu do wzmocnienia w postaci tkanin ortogonalnych. 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 preimpregnatów wytwarzanych przez wyspecjalizowany przemysł) ale i ułożenie wszystkich włókien w kierunku działania obciążenia rozciągającego wpływa na ogromny wzrost wytrzymałości i sztywności. 14
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 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. 15
aramidowe szklane żywica Mikrostruktury laminatów (a) poliestrowo/szklanego z widocznymi pęcherzami i obszarami bogatymi w żywicę (b) hybrydowego laminatu: osnowa epoksydowa: wzmocnienie naprzemienne warstwy włókien szklanych i aramidowych z widocznym dużym obszarem czystej żywicy [Imielińska K., Degradation and damage of advanced laminate polymer composites due to environmental effects and low velocity impact, wyd. PG 2005] 16
Przykłady materiałów kompozytowych i izastosowanie Największe zastosowanie mają obecnie kompozyty polimerowe (ok. 90%). Typowe zbrojenie: włókna szklane, węglowe i aramidowe. Wiele polimerów termoplastycznych zawiera celowo wprowadzoną fazę zdyspergowaną, co zalicza je do grupy materiałów kompozytowych. Przykłady elementów wzmocnionych ciętymi włóknami szklanymi: małe koła zębate z poliamidu (nylonu), panewki łożysk ślizgowych z teflonu, nadproża, zderzaki karoserii (Porsche, Peugeot). Typowe kompozyty konstrukcyjne z termoutwardzalnych polimerów to laminaty poliestrowe wzmocnione ciągłym lub ciętym włóknem szklanym stosowane do budowy kadłubów łodzi i małych jednostek pływających, małych samolotów, samochodów, cystern wiatraków itd. W przypadku elementów dużych i silnie obciążonych m.in. ster pionowy, wysokości, oprofilowanie skrzydeł, łopaty wirnika helikoptera, duże (50-80 m) 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). Przykład kompozytu o osnowie elastomeru: poliizopren wzmocniony nanocząstkami (20-30nm) sadzy, stosowany na opony samochodowe. 17
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 spalinowych, bloki silnikowe, ramy rowerów, 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 elementy 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. 18
Zastosowania kompozytów o osnowie ceramicznej obejmują narzędzia skrawające z dużymi prędkościami, np. z Al 2 O 3 wzmocnionego wiskersami SiC, elementy silników spalinowych: zawory wlotowe (Nissan), pierścienie tłokowe (Isuzu), komora spalania, wirniki, łopatki turbin spalinowych (Toyota) z kompozytu SiC/SiC. 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. 19
(a) (b) (c ) (d) (e) (f) Przykłady zastosowań kompozytów: (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 3, (e) tłoki silnika spalinowego (Chevrolet) ze stopu Al wzmocnionego 25% cząstek SiC, (f) tarcza hamulcowa z kompozytu ceramicznego w samochodzie Porsche 20