263y kompozytowe .ppt) - mech.pg.edu.pl‚y... · MATERIAŁY KOMPOZYTOWE. Definicja i klasyfikacja...

24
MATERIALY KOMPOZYTOWE

Transcript of 263y kompozytowe .ppt) - mech.pg.edu.pl‚y... · MATERIAŁY KOMPOZYTOWE. Definicja i klasyfikacja...

Page 1: 263y kompozytowe .ppt) - mech.pg.edu.pl‚y... · MATERIAŁY KOMPOZYTOWE. Definicja i klasyfikacja materia łów kompozytowych Kompozyt - materia ł sk ładaj ący si ęz dwóch lub

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE

Page 2: 263y kompozytowe .ppt) - mech.pg.edu.pl‚y... · MATERIAŁY KOMPOZYTOWE. Definicja i klasyfikacja materia łów kompozytowych Kompozyt - materia ł sk ładaj ący si ęz dwóch lub

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.

Page 3: 263y kompozytowe .ppt) - mech.pg.edu.pl‚y... · MATERIAŁY KOMPOZYTOWE. Definicja i klasyfikacja materia łów kompozytowych Kompozyt - materia ł sk ładaj ący si ęz dwóch lub

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.

Page 4: 263y kompozytowe .ppt) - mech.pg.edu.pl‚y... · MATERIAŁY KOMPOZYTOWE. Definicja i klasyfikacja materia łów kompozytowych Kompozyt - materia ł sk ładaj ący si ęz dwóch lub

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, polipropylen- termoplastyczne).

Page 5: 263y kompozytowe .ppt) - mech.pg.edu.pl‚y... · MATERIAŁY KOMPOZYTOWE. Definicja i klasyfikacja materia łów kompozytowych Kompozyt - materia ł sk ładaj ący si ęz dwóch lub

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.

Page 6: 263y kompozytowe .ppt) - mech.pg.edu.pl‚y... · MATERIAŁY KOMPOZYTOWE. Definicja i klasyfikacja materia łów kompozytowych Kompozyt - materia ł sk ładaj ący si ęz dwóch lub

Najczęściej stosowane wzmocnienia to włókna szklane, węglowe (grafitowe), aramidowe (Kevlar), boru, cząstki węglika krzemu SiC, tlenku aluminium Al2O3, tlenku cyrkonu ZrO2.

Faza wzmacniająca może mieć postać:

•nanocząstek,

•ziaren (wymiary od kilku do kilkuset mikrometrów np. SAP: spiekany proszek Al wzmocniony 14% Al2O3 - 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.

Page 7: 263y kompozytowe .ppt) - mech.pg.edu.pl‚y... · MATERIAŁY KOMPOZYTOWE. Definicja i klasyfikacja materia łów kompozytowych Kompozyt - materia ł sk ładaj ący si ęz dwóch lub

(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)

Page 8: 263y kompozytowe .ppt) - mech.pg.edu.pl‚y... · MATERIAŁY KOMPOZYTOWE. Definicja i klasyfikacja materia łów kompozytowych Kompozyt - materia ł sk ładaj ący si ęz dwóch lub

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,c/ konstrukcje przekładkowe z rdzeniem z pianki (b), plastra miodu (c)

Page 9: 263y kompozytowe .ppt) - mech.pg.edu.pl‚y... · MATERIAŁY KOMPOZYTOWE. Definicja i klasyfikacja materia łów kompozytowych Kompozyt - materia ł sk ładaj ący si ęz dwóch lub

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

Page 10: 263y kompozytowe .ppt) - mech.pg.edu.pl‚y... · MATERIAŁY KOMPOZYTOWE. Definicja i klasyfikacja materia łów kompozytowych Kompozyt - materia ł sk ładaj ący si ęz dwóch lub

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.

�osnowy ze stopów Ni i Co umożliwiają pracę w

temperaturach rzędu max. 700-1000°C.

� Kompozyty z osnową ceramiczną (SiC, Al2O3) wytrzymują

temperatury do 1650°C a kompozyty węgiel

amorficzny/włókno grafitowe (z ochronną powłoką SiC) -

2700°C (np. dziób wahadłowca kosmicznego).

Page 11: 263y kompozytowe .ppt) - mech.pg.edu.pl‚y... · MATERIAŁY KOMPOZYTOWE. Definicja i klasyfikacja materia łów kompozytowych Kompozyt - materia ł sk ładaj ący si ęz dwóch lub

Właściwości i ilość fazy wzmacniającej wpływają na gęstość,

rozszerzalność cieplną, moduł sprężystości według zależności

określanej mianem reguły mieszanin.

Dla przykładu gęstość kompozytu ρc można obliczyć znając gęstości

włókien ρf i osnowy ρm:

ρc = ρfVf + ρmVm

przy czym do obliczeń najczęściej stosuje się udziały objętościowe

Vm, Vf, Vp 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 Vf 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.

Page 12: 263y kompozytowe .ppt) - mech.pg.edu.pl‚y... · MATERIAŁY KOMPOZYTOWE. Definicja i klasyfikacja materia łów kompozytowych Kompozyt - materia ł sk ładaj ący si ęz dwóch lub

Moduł Younga E, jedną z najważniejszych właściwości mechanicznych potrzebnych konstruktorom (od E i grubości elementu zależy sztywność konstrukcji) można równieżprzewidywać na podstawie reguły mieszanin.

Dla pojedynczej warstwy kompozytu wzmocnionego jednokierunkowymi włóknami ciągłymi przy obciążaniu rozciągającym w kierunku długości włókien:

Ec=EmVm+EfVf ( górna granica na rysunku)

W kierunku poprzecznym:

mffm

fm

cEVEV

EEE

+= (dolna granica na rysunku)

Występuje duża anizotropia właściwości kompozytówjednokierunkowych.

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.

Page 13: 263y kompozytowe .ppt) - mech.pg.edu.pl‚y... · MATERIAŁY KOMPOZYTOWE. Definicja i klasyfikacja materia łów kompozytowych Kompozyt - materia ł sk ładaj ący si ęz dwóch lub

(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.

Eo oznacza moduł sprężystości osnowy, Ew, Vw (tutaj wyjątkowo) odpowiednio moduł sprężystości i udział objętościowy włókien.

a) b)

Page 14: 263y kompozytowe .ppt) - mech.pg.edu.pl‚y... · MATERIAŁY KOMPOZYTOWE. Definicja i klasyfikacja materia łów kompozytowych Kompozyt - materia ł sk ładaj ący si ęz dwóch lub

Również w przypadku kompozytów wzmocnionych cząstkami (izotropowych) np. osnowa miedź, wzmocnienie cząstki wolframu, występuje dolna i górna granica wartości modułu sprężystości.

W, % masy

GPa

Dolna granica

Górna granica

Page 15: 263y kompozytowe .ppt) - mech.pg.edu.pl‚y... · MATERIAŁY KOMPOZYTOWE. Definicja i klasyfikacja materia łów kompozytowych Kompozyt - materia ł sk ładaj ący si ęz dwóch lub

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.

Page 16: 263y kompozytowe .ppt) - mech.pg.edu.pl‚y... · MATERIAŁY KOMPOZYTOWE. Definicja i klasyfikacja materia łów kompozytowych Kompozyt - materia ł sk ładaj ący si ęz dwóch lub

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. Vf= 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

Vf=80% w przypadku jednokierunkowych preimpregnatówwytwarzanych przez wyspecjalizowany przemysł) ale i ułożenie

wszystkich włókien w kierunku działania obciążenia

rozciągającego wpływa na ogromny wzrost wytrzymałości i sztywności.

Page 17: 263y kompozytowe .ppt) - mech.pg.edu.pl‚y... · MATERIAŁY KOMPOZYTOWE. Definicja i klasyfikacja materia łów kompozytowych Kompozyt - materia ł sk ładaj ący si ęz dwóch lub

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.

Page 18: 263y kompozytowe .ppt) - mech.pg.edu.pl‚y... · MATERIAŁY KOMPOZYTOWE. Definicja i klasyfikacja materia łów kompozytowych Kompozyt - materia ł sk ładaj ący si ęz dwóch lub

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 compositesdue to environmental effects and low velocity impact, wyd. PG 2005]

Page 19: 263y kompozytowe .ppt) - mech.pg.edu.pl‚y... · MATERIAŁY KOMPOZYTOWE. Definicja i klasyfikacja materia łów kompozytowych Kompozyt - materia ł sk ładaj ący si ęz dwóch lub

Przykłady materiałów

kompozytowych i ich zastosowanie

Page 20: 263y kompozytowe .ppt) - mech.pg.edu.pl‚y... · MATERIAŁY KOMPOZYTOWE. Definicja i klasyfikacja materia łów kompozytowych Kompozyt - materia ł sk ładaj ący si ęz dwóch lub

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.

Page 21: 263y kompozytowe .ppt) - mech.pg.edu.pl‚y... · MATERIAŁY KOMPOZYTOWE. Definicja i klasyfikacja materia łów kompozytowych Kompozyt - materia ł sk ładaj ący si ęz dwóch lub

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).

Przykład kompozytu o osnowie elastomeru:

poliizopren wzmocniony nanocząstkami (20-30nm)

sadzy, stosowany na opony samochodowe.

Page 22: 263y kompozytowe .ppt) - mech.pg.edu.pl‚y... · MATERIAŁY KOMPOZYTOWE. Definicja i klasyfikacja materia łów kompozytowych Kompozyt - materia ł sk ładaj ący si ęz dwóch lub

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 Al2O3, takie jak tarcze hamulcowe, tłoki silników

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 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.

Page 23: 263y kompozytowe .ppt) - mech.pg.edu.pl‚y... · MATERIAŁY KOMPOZYTOWE. Definicja i klasyfikacja materia łów kompozytowych Kompozyt - materia ł sk ładaj ący si ęz dwóch lub

Zastosowania kompozytów o osnowie ceramicznej obejmują

narzędzia skrawające z dużymi prędkościami np. z Al2O3

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.

Page 24: 263y kompozytowe .ppt) - mech.pg.edu.pl‚y... · MATERIAŁY KOMPOZYTOWE. Definicja i klasyfikacja materia łów kompozytowych Kompozyt - materia ł sk ładaj ący si ęz dwóch lub

(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 Al2O3,(e) tłoki silnika spalinowego (Chevrolet) ze stopu Al wzmocnionego 25% cząstek SiC, (f) tarcza hamulcowa z kompozytu ceramicznego w samochodziePorsche