Temat:

OGÓLNA CHARAKTERYSTYKA MATERIAŁÓW KOMPOZYTOWYCH

Wstęp

Kompozyty to nowa grupa materiałów, której szybki rozwój obserwuje się od lat sześćdziesiątych. Zainteresowanie kompozytami wynika z dwóch podstawowych przesłanek: pierwsza – to ich doskonałe parametry mechaniczne i wytrzymałościowe, a druga – to mały ciężar właściwy. Z jednoczesnym występowaniem tych cech mamy do czynienia w zasadzie tylko w przypadku materiałów kompozytowych, stąd rosnące w ostatnich latach ich wykorzystanie w konstrukcjach, dla pracy których ta kombinacja ma znaczenie pierwszorzędne.

1.        Wiadomości podstawowe

1.1.       Definicje i budowa kompozytu

Według encyklopedii PWN kompozyt [łac. compositus – złożony], to tworzywo złożone z co najmniej 2 składników (zw. komponentami, fazami) o różnych właściwościach w taki sposób, że ma właściwości lepsze i (lub) nowe  w porównaniu z właściwościami poszczególnych składników lub w porównaniu z sumą właściwości tych składników. Kompozyt jest materiałem zewnętrznie monolitycznym, jednakże z makroskopowo widocznymi granicami między składnikami.

Inną definicję materiału kompozytowego zaproponował Berghezan: kompozyty są to materiały złożone, które różnią się od stopów tym, że poszczególne komponenty zachowują swoje właściwości i są tak dobrane i połączone, aby mogły być wykorzystane ich zalety, a nie ujawniły się ich wady.

Głównymi składnikami kompozytu są: osnowa i zbrojenie (wzmocnienie).

Osnowa to materiał wypełniający przestrzeń między elementami wzmacniającymi. Jego udział w kompozycie wynosi średnio od 20 do 80% objętości. Osnowę mogą stanowić metale (grupa kompozytów metalicznych) lub niemetale (grupa kompozytów polimerowych i ceramicznych). Aby konstruować i wytwarzać kompozyty niezbędna jest znajomość charakterystyk fizycznych i chemicznych materiałów osnowy zarówno pod względem poziomu własności jak i technik przetwórstwa.

W osnowie rozmieszczany jest drugi składnik, zwany ze względu na dużo lepsze wskaźniki wytrzymałościowe niż wskaźniki osnowy, zbrojeniem, komponentem wzmacniającym albo fazą wzmacniającą.

Wyboru odpowiednich komponentów dokonuje się biorąc pod uwagę docelowe przeznaczenie kompozytu, warunki jego eksploatacji oraz w pewnym zakresie również przewidywaną technologię wytwarzania kompozytu

Niezmiernie ważne dla prawidłowej pracy kompozytu jest dobre połączenie osnowy ze zbrojeniem. W wielu przypadkach wymaga to specjalnego przygotowania powierzchni zbrojenia (np. pokrycia specjalnymi warstewkami, trawienia) i odpowiednich warunków technologicznych łączenia.

Podstawowym elementem składowym kompozytu jest pojedyncza warstwa, nazywana również laminą. Tworzą je włókna połączone między sobą żywicą. Włókna te są zasadniczym elementem nośnym warstwy, a osnowa oprócz funkcji spoiwa pełni rolę osłony i zapewnia dystrybucję odciążenia między poszczególne włókna. Układ włókien w warstwie może przyjmować bardzo różne formy i w zależności od kierunku ich ułożenia wyróżniamy kompozyty umacniane włóknami równoległymi, nierównoległymi, matami, tkaninami, plecionkami itp. Zbiór warstw (lamin) ułożonych jedna na drugiej i połączonych trwale z sobą to laminat. Rysunek 1 przedstawia schemat laminy z włóknami równoległymi oraz budowę laminatu.

Rys 1. Budowa kompozytu, a) lamina, b) laminat warstwowy

Kopiowanym przez człowieka kompozytem naturalnym jest drzewo (drewno) zbudowane z włókien celulozy i ligniny, spełniającej rolę wypełniacza i spoiwa zarazem. Właściwości mechaniczne drewna są gorsze niż stopów metali. Jednak biorąc pod uwagę stosunek właściwości do jednostki masy materiału to okazuje się, że właściwości drewna są lepsze niż miękkiej stali i porównywalne z właściwościami wielu stopów Al. Nie dziwi więc fakt, że wiele elementów samolotów zostało wykonane z drewna.

1.2.       Historia kompozytów

Zapisy historyczne wykazują, że kompozyty stosowano już od bardzo dawna. Izraelici przy wznoszeniu domów wykorzystywali bloki z mieszanki błotnej wzmocnionej słomą i końską sierścią, a Egipcjanie stosowali sklejkę drewnianą. Beton znany był już w czasach rzymskich. Mongolskie łuki wykonywane były przez połączenie klejem drewna, ścięgien zwierzęcych i jedwabiu, miecze damasceńskie  lub japońskie uzyskiwały swoją jakość przez przeróbkę plastyczną, odpowiednio kształtującą strukturę. W średniowieczu wykonywano miecze i tarcze składające się z warstw różnych materiałów, aby zapewnić im jak największą trwałość i wytrzymałość.

Powstanie i rozwój nowoczesnych materiałów kompozytowych wiąże się z rozwojem technologii wytwarzania włókien sztucznych. Ich początek przypada na okres II wojny światowej, kiedy to postały włókna szklane. Dalszy rozwój związany jest z włóknami węglowymi. Kolejnym etapem rozwoju kompozytów było pojawienie się włókien aramidowych, znanych pod handlową nazwą Kevlar.

1.3.       Podział i klasyfikacja kompozytów

Kompozyty stanowią tak liczną grupę, że można je dzielić na grupy i klasyfikować. Biorąc za podstawę klasyfikacji materiał osnowy, wyróżniamy kompozyty:

·          o osnowie metalowej,

·          o osnowie polimerowe,

·          o osnowie ceramicznej.

Istnieje również odwrócenie roli tych materiałów i wykonania z nich zbrojenia. Czyli przy kombinacji każdy z każdym osnowa – zbrojenie otrzymuje się 9 grup kompozytów (rys 2).

M – metal, P – polimer, C - ceramika

Rys 2. Schemat możliwych kombinacji materiałów kompozytowych

Podstawą innej klasyfikacji kompozytów jest budowa wewnętrzna. Kompozyty dzielimy wówczas na:

-           warstwowe – zbudowane z kolejno ułożonych warstw materiału i zbrojenia,

-           włókniste – umacniane włóknami (ciągłymi lub krótkimi) o średnicy od ułamka μm do kilkuset μm i udziale objętościowym od kilku do 70%, a także siatką, tkaniną, rovingiem,

-           umacniane cząstkami, w tym również dyspersyjnymi o wielkości 0,01-1 μm i więcej oraz udziale objętościowym przeważnie 2-25%.

1.4.       Zastosowanie kompozytów

W życiu codziennym najczęściej spotykanymi artykułami wykonanymi z kompozytów są artykuły sportowe. W wyrobach tego typu wykorzystuje się niski ciężar oraz sztywność. Praktycznie wszystkie wiosła kajakowe i wioślarskie wykonane są z kompozytów. Z kompozytów wykonuje się maszty żeglarskie, deski surfingowe, narty ramy i osprzęt rowerowy, kadłuby łodzi i statków.. Materiały te służą do wytwarzania m.in. płyt, profili, rur, kół zębatych, osłon i obudów, kabin, kiosków, pokryć dachowych i zbiorników.

Kompozyty znalazły szerokie zastosowanie jako materiały konstrukcyjne w wielu dziedzinach techniki, m.in. w budownictwie (np. beton, żelbet), w technice lotniczej i astronautyce (np. elementy samolotów, helikopterów, rakiet, sztucznych satelitów), w przemyśle środków transportu kołowego i szynowego (np. resory i zderzaki samochodowe, okładziny hamulcowe), w produkcji części maszyn, urządzeń..

2.        Pytania kontrolne

1)        Jakie materiały nazywamy kompozytowymi?

2)        Jak zbudowane są kompozyty?

3)        Jaką rolę pełni w kompozycie osnowa?

4)        Jak można sklasyfikować materiały kompozytowe?

5)        Gdzie znajdują zastosowanie materiały kompozytow

Temat:

KOMPOZYTY POLIMEROWE – WŁASNOŚCI, ZASTOSOWANIE, WYTWARZANIE

Wstęp

Kompozyty to materiały uzyskiwane przez połączenie z sobą co najmniej dwu różnych materiałów o różnym charakterze i postaci, w wyniku którego mają właściwości będące wypadkową właściwości składników (komponentów) i ich udziałów objętościowych.

Osnową materiałów kompozytowych mogą być zarówno materiały metaliczne, ceramika oraz tworzywa sztuczne. Polimerowe kompozyty tworzy się przez połączenie polimerowej osnowy z włóknami bardzo sztywnymi i wytrzymałymi, w przeważającej większości nieorganicznymi, wykazującymi właściwości niemal idealnej sprężystości.

1.        Wiadomości podstawowe

1.1.       Polimery

Polimery to materiały organiczne złożone ze związków węgla. Tworzone są przez węgiel, wodór i inne pierwiastki niemetaliczne tj.: C, N, O, F, Si. W skład polimerów wchodzą również dodatki barwników lub pigmentów, katalizatorów, napełniaczy, zmiękczaczy, antyutleniaczy i innych.

Stosowane do produkcji kompozytów żywice posiadają krótkie łańcuchy o budowie liniowej. Dopiero w wyniku procesu utwardzania następuje ich sieciowanie. W przypadku zbrojenia włóknami o bardzo małej średnicy lepkość oraz napięcie powierzchniowe żywic decydują o wypełnieniu każdej pustej przestrzeni, o wypieraniu przez ciecz pęcherzyków gazowych. Pozostające w osnowie pomiędzy włóknami gazy tworzą pustki stanowiąc zarodki mikropęknięć, obniżając wytrzymałość kompozytu.

Polimery charakteryzują się:

-           małą gęstością,

-           izolacyjnymi własnościami cieplnymi i elektrycznymi,

-           lekkością i odpornością na korozję,

-           ciągliwością,

-           giętkością i odkształcalnością.

1.2.       Materiały osnowy kompozytów polimerowych

W kompozytach polimerowych jako osnowę wykorzystuje się:

-           duroplasty – czyli polimery termoutwardzalne np.: fenoplasty, aminoplasty oraz polimery chemoutwardzalne np.: polimery epoksydowe, poliestrowe i silikonowe,

-           termoplasty - poliamidy, polipropylen, poliestry termoplastyczne i poliwęglany.

Kompozyty termoutwardzalne swoje rozpowszechnienie zawdzięczają między innymi łatwości formowania wyrobów. Płynna postać żywicy ułatwia skutecznie zapełnianie przestrzeni pomiędzy włóknami w temperaturze otoczenia. Ich atutem jest w wielu przypadkach sztywność, ponieważ podwyższa wytrzymałość kompozytów na ściskanie. Wadą żywic termoutwardzalnych jest nasiąkliwość wodą, słaba odporność na uderzenie i małe wydłużenie.

Kompozyty o osnowie żywic chemoutwardzalnych określa się jako laminaty epoksydowe lub poliestrowe, zależnie od rodzaju osnowy. Wytwarza się je metodami ręcznymi i maszynowymi. Główną postacią zbrojenia są tu maty lub tkaniny.

Z grupy tworzyw termoplastycznych stosowanych do produkcji kompozytów wykorzystuje się przede wszystkim poliamidy, do których wprowadza się 20 lub 30% włókna szklanego. Wprowadzenie zbrojenia do termoplastów ma przede wszystkim podwyższyć ich właściwości wytrzymałościowe. Termoplasty niezbrojone wykazują stosunkowo niskie właściwości mechaniczne. Wprowadzenie do nich zbrojenia w postaci włókna krótkiego lub cząsteczek ceramicznych pozwala podwyższyć ich wytrzymałość, twardość i odporność na ścieranie. Pogarszają się jednak inne właściwości takie jak przewodność elektryczna czy palność.

1.3.       Materiały wzmocnienia

Podstawą produkcji nowoczesnych kompozytów na osnowie polimerowej są włókna ceramiczne. Włókna te wytwarza się w postaci włókien ciągłych metodą wyciągania z fazy ciekłej, a następnie przerabia metodami tkackimi lub innymi w wygodną postać do stosowania w technologiach produkcji kompozytów.

Podstawowym surowcem do produkcji ciągłych włókien szklanych jest najczęściej specjalne, bezalkaliczne, glinowo-krzemowe szkło typu E. Szkło to zawiera mniej niż 1% alkaliów w postaci związanych tlenków sodu i potasu. Do najważniejszych właściwości włókien szklanych należą:

-           duża wytrzymałość na zerwanie przy niskiej gęstości,

-           duża odporność cieplna,

-           mała hiroskopijność,

-           dobre właściwości dielektryczne,

-           dobre połączenie z polimerami.

Wszystkie włókna przeznaczone do zbrojenia kompozytów polimerowych mają nałożoną w procesie produkcji apreturę (powierzchniowo czynne związki silanowe). Pokrycia te zabezpieczają włókna przed zanieczyszczeniami, zabrudzeniami, oddziaływaniem z sąsiednimi włóknami (np.: sklejaniem się włókien).

Włókna węglowe otrzymuje się przez pirolizę związków organicznych, którymi najczęściej są: włókno poliakrylonitylowe PAN czy syntetyczne włókno celulozowe. W zależności od prędkości nagrzewania, czasu i temperatury karbonizacji uzyskuje się włókna węglowe o różnych właściwościach. Włókna te wykazują minimalną, czasami ujemną rozszerzalność cieplną i są stosowane przede wszystkim do otrzymywania kompozytów o dużej wytrzymałości i sztywności oraz dużej odporności chemicznej i cieplnej.

Często na zbrojenie kompozytów polimerowych wykorzystywane są włókna organiczne. Obecnie produkowane są dwa typy włókien poliaramidowych: włókna typu nomex i włókna kevlar. Włókna nomexowe stosuje się do celów filtracyjnych, elektroizolacyjnych i izolacji cieplnej. Włókna kewlarowe stosuje się jako materiały wzmacniające tworzywa sztuczne. Produkuje się je w postaci rovingowej, tkanin i mat, często również w połączeniu z innymi typami włókien jako tzw. tkaniny hybrydowe.

Najnowszym osiągnięciem przemysłu chemicznego są włókna polietylenowe. Do zalet tych ...