lamin_1.pdf

Kompozyty

WPROWADZENIE

Definicja

Materiał kompozytowy (łac. compositus = złożony) - materiał zbudowany z co najmniej dwóch różnych

składników, przy czym ich połączenie zachodzi na poziomie makroskopowym. W tym sensie nie są

materiałami kompozytowymi np. stopy metali, które w skali mikroskopowej tworzą kompozycję wielu

składników, ale w obrazie makroskopowym zachowują się jak typowe materiały jednorodne.

Historia

• Izraelici (od XIII w. p.n.e.) przy wznoszeniu swoich domów wykorzystywali bloki z mieszanki błotnej

wzmocnionej słomą i końską sierścią, a Egipcjanie (od ok. 3600 lat p.n.e.) stosowali sklejkę drewnianą.

W średniowieczu wykonywano miecze i tarcze składające się z warstw różnych materiałów, aby

zapewnić im jak największą trwałość i wytrzymałość.

• Powstanie nowoczesnych materiałów kompozytowych wiąże się z rozwojem technologii wytwarzania

włókien sztucznych. Początek przypada na okres II wojny światowej (powstają włókna szklane). W

latach 50-tych powstają włókna węglowe tzw. niskomodułowe (o niskim module sprężystości

podłużnej),a w latach 60-tych wysokomodułowe. Kolejny etap rozwoju kompozytów spowodowało

pojawienie się włókien aramidowych, znanych pod nazwą handlową Kevlar.

Walory kompozytów

• doskonałe parametry mechaniczne i wytrzymałościowe

• mały ciężar właściwy.

Główne zastosowania

"Kombinacja" powyższych cech występuje w zasadzie tylko w przypadku kompozytów, stąd gwałtownie

rosnące w ostatnich latach ich wykorzystanie w konstrukcjach, dla pracy których ma ona pierwszorzędne

znaczenie. Są to wszelkiego typu konstrukcje cienkościenne, a przede wszystkim:

• konstrukcje lotnicze . Samolot eksperymentalny Voyager firmy Hercules (laminat epoksyd/włóknoi

węglowe) pokonał trasę dookoła świata bez międzylądowań. Pomijając małe samoloty sportowe (w tym

szybowce) jest to jedyna znana konstrukcja o całkowicie kompozytowej budowie. Firmy lotnicze stosują

kompozyty do produkcji pojedynczych elementów samolotów np. stateczników, a przy wprowadzaniu do

produkcji nowych elementów kierują się daleko posuniętą ostrożnością - pomne kłopotów finansowych

firmy Rolls-Royce, spowodowanych projektem produkcyjnym łopatek turbin do silników odrzutowych.

• konstrukcje samochodowe (nadwozia samochodowe, spoilery itp.).

• konstrukcje budowlane (np. rury, zbiorniki ciśnieniowe, osadniki, studzienki itp.)

• sprzęt sportowy (łodzie, narty, rakiety tenisowe, rowery) – ok. 60% wykorzystania kompozytów.

PODSTAWOWE INFORMACJE O MATERIAŁACH KOMPOZYTOWYCH

Składniki

• Fazy ciągłej zwanej osnową ( matrycą)

• Fazę rozproszoną, zwaną także zbrojeniem, otoczona osnową.

Wypadkowe własności kompozytu są zależne od własności faz składowych, ich udziału objętościowego,,

sposobu rozmieszczenia fazy rozproszonej w osnowie, a także cech geometrycznych fazy rozproszonej.

Kompozyty

W zależności od rodzaju fazy rozproszonej materiały kompozytowe można podzielić na kompozyty:

♦ zbrojonecząstkami

♦ zbrojonedyspersyjnie

♦ zbrojonewłóknami.

Kompozyty zbrojone cząstkami i dyspersyjnie

• Kompozyty zbrojone cząstkami to takie kompozyty, w których obciążenie zewnętrzne przenoszone jest

tak przez osnowę, jak i fazę rozproszoną w postaci cząsteczek o sztywności i twardości większej od

sztywności i twardości osnowy. Mechanizm wzmocnienia polega na ograniczaniu przez cząstki

odkształceń osnowy w obszarze położonym w pobliżu powierzchni każdej cząstki. Wzmocnienie jest

efektywne, jeżeli cząstek jest odpowiednio dużo, tzn. powyżej 20% objętości kompozytu (niekiedy nawet

90%), są one w miarę równomiernie rozłożone w kompozycie i mają zbliżone wymiary we wszystkich

kierunkach. Przykłady kompozytów tego typu to: beton, wyroby oponiarskie, spieki ceramiczno-

metalowe, tzw. cermety (metalowa osnowa wzmocniona cząstkami ceramicznymi). Najczęściej

stosowanym spośród nich jest węglik spiekany, o osnowie kobaltowej lub niklowej zbrojonej cząstkami

ceramicznymi z węglika wolframu lub tytanu w ilości ok. 90% objętości kompozytu. Cermety służą do

produkcji najwyższej jakości narzędzi tnących.

• Kompozyty zbrojone dyspersyjnie zbudowane są z metalowej matrycy, wzmocnionej bardzo drobnymi

cząstkami ceramicznymi lub metalicznymi o średnicy ok. 0.01 - 0.1 µ m w ilości do ok. 15% objętości

kompozytu. Wzmocnienie zachodzi na poziomie mikroskopowym (atomowym lub molekularnym) i

polega na utrudnianiu przez rozproszone cząstki ruchu dyslokacji w matrycy. Obciążenie zewnętrzne

przenosi głównie osnowa, zbrojenie dyspersyjne nie poprawia więc znacząco cech mechanicznych i

wytrzymałościowych kompozytu w umiarkowanych temperaturach. Wpływ wzmocnienia jest natomiast

wyraźny w wysokich temperaturach, sięgających 80% temperatury topnienia. Nawet niewielki udział

cząstek dyspersyjnych znacznie poprawia np. odporność kompozytu na pełzanie .

Kompozyty zbrojone włóknami (kompozyty włókniste)

• Kompozyty zbrojone włóknami to kompozyty, w których fazę wzmacniającą, służącą jako element

nośny, stanowią różnego rodzaju włókna. Osnowa stanowi spoiwo łączące włókna, zapewnia rozdział

obciążenia zewnętrznego między włókna, oraz chroni je przed czynnikami zewnętrznymi; w niewielkim

natomiast stopniu uczestniczy w przenoszeniu obciążeń zewnętrznych.

• kompozyty włókniste są najbardziej efektywnymi spośród materiałów kompozytowych, tzn. wykazują

najlepsze własności mechaniczne i wytrzymałościowe przy najmniejszym ciężarze właściwym. Jedyną

ich wadą w porównaniu z kompozytami zbrojonymi cząstkami i dyspersyjnie jest cena, z reguły wyższa.

• Osnowy w kompozytach włóknistych są metalowe, a częściej z żywic polimerowych.

• Najczęściej stosowanymi osnowami metalowymi są matryce aluminiowe, miedziane, magnezowe,

tytanowe oraz wykonane ze stopów aluminium. Do ich zbrojenia używa się włókien węglowych,

boronowych, borsicowych (włókna boronowe w osłonie z węglika krzemu) i metalowych (wolfram).

Kompozyty o metalowych osnowach wykazują bardzo dobre własności mechaniczno-wytrzymałościowe

w wysokich temperaturach (dużą odpornością na pełzanie i pękanie) i są wykorzystywane są do

produkcji turbin silników lotniczych.

• Podstawowe znaczenie praktyczne mają kompozyty włókniste o osnowach polimerowych (żywice

termoplastyczne i termoutwardzalne) zbrojonych włóknami węglowymi, grafitowymi, szklanymi,

boronowymi i aramidowymi.

Kompozyty

Typy i własności włókien

• Powód stosowania włókien : duża sztywność i wytrzymałość, wielokrotnie większa od wartości

odpowiednich charakterystyk dla materiału w postaci masowej (np. wytrzymałość na rozciąganie

typowych stali jest rzędu 0.2-0.7 GPa, zaś wytrzymałość cienkich włókien stalowych wynosi ok. 4 GPa).

• Podstawowy wskaźnik efektywności włókna : wytrzymałość właściwa i moduł właściwy (wyrażające

się w jednostkach długości) tzn. stosunki odpowiednio wytrzymałości na rozciąganie i modułu

sprężystości do ciężaru właściwego materiału włókna. Czym wartości tych wskaźników są większe tym

włókno jest bardziej efektywne.

• Najczęściej stosowane włókna : włókna szklane, grafitowe, węglowe i organiczne.

♦ Włókna szklane są najstarszymi, najtańszymi i najczęściej stosowanymi włóknami używanymi do

zbrojenia kompozytów. Stosowane są szeroko w przemyśle samochodowym, lotnictwie, elektronice,

szkutnictwie, elektrotechnice i in. Istnieją dwa podstawowe typy włókien szklanych - E i S. Pierwszy

z nich ma gorsze własności mechaniczne (sprężyste, wytrzymałościowe, zmęczeniowe,

udarnościowe, termiczne, reologiczne), ale znacznie niższą cenę niż typ S, stworzony z

przeznaczeniem dla zastosowań militarnych. W chwili obecnej nadal znacznie częściej stosuje się

włókna typu E.

♦ Włókna grafitowe pojawiły się na rynku w latach 50-tych. Większością parametrów przewyższają

włókna szklane, są jednak od nich znacznie droższe. Można wyróżnić trzy grupy tych włókien, a

mianowicie włókna wysokowytrzymałe, wysokomodułowe i ultrawysokomodułowe. Najczęściej

stosowane włókna grafitowe znane są pod nazwami handlowymi Toray T300 i AS.

♦ Włókna węglowe są również włóknami grafitowymi, ale o mniej uporządkowanej strukturze. Obok

obszarów o strukturze właściwej dla krystalicznego grafitu, występują obszary o zaburzonej sieci

krystalicznej, a nawet obszary całkowicie jej pozbawione. W porównaniu z włóknami grafitowymi

mają one gorsze własności mechaniczne, są natomiast od nich tańsze.

♦ Włókna organiczne , takie jak bawełna, juta i sizal wykorzystywane są do zbrojenia kompozytów od

dawna. Zakres ich stosowania był jednak bardzo ograniczony ze względu na bardzo niskie

parametry mechaniczne. Dopiero pojawienie się włókien aramidowych spowodowało ich szerokie

wykorzystywanie w produkcji lotniczej, samochodowej, a przede wszystkim sprzętu sportowego

(narty, łodzie wyczynowe, sprzęt golfowy). Nazwy handlowe tych włókien to Nomex, Kevlar, Kevlar

29 i Kevlar 49. Włókna aramidowe są generalnie rzecz biorąc najlepsze pod względem własności

mechanicznych, ale jednocześnie najdroższe.

RODZAJ WŁÓKNA

PARAMETR

szklane E szklane S grafitowe Kevlar 49 boron

stal

Średnica [ µ m]

7 - 8

100 - 200

Ciężar właściwy ρ [kN/m 3 ]

25 – 25.5

24.5

13.8 – 18.6

14.1

25.5

78.5

Wytrzymałość na rozciąganie S [GPa] 1.7 - 3.5 2.5 – 4.8 1.7 – 2.8 2.3 - 3.6

3.5

~ 4

Wytrzymałość właściwa S/ ρ [km]

68 - 136 103 - 197 123 - 163 161 - 257

135

Moduł Younga E [GPa]

230 - 250 120 - 124 400 - 410 200

Moduł właściwy E/ ρ [km × 10 3 ]

2.8

3.5

12.4 – 18.1 8.5 – 8.8

2.6

TABELA 1. Własności wybranych włókien.

Kompozyty

RODZAJ WŁÓKNA

CECHA

szklane

grafitowe

aramidowe (Kevlar)

Najniższa cena

+++

Wytrzymałość właściwa

+++

Moduł właściwy

+++

Odporność na pełzanie

+++

Odporność na rozszerzalność

cieplną

+++

Odporność zmęczeniowa

+++

Odporność udarowa

+++

Odporność chemiczna

TABELA 2. Ogólna charakterystyka porównawcza podstawowych grup włókien.

Typy i własności osnów

• Osnowa pełni w kompozycie rolę spoiwa dla włókien, umożliwiając powiązanie włókien w elementy

powierzchniowe, stanowiące podstawę do wytwarzania elementów konstrukcyjnych. Osnowa stanowi

także powłokę ochronną włókien. W pewnym stopniu uczestniczy także w przenoszeniu obciążeń.

Zasadniczo jednak matryca ma mały wpływ na charakterystyki sztywnościowe i wytrzymałościowe

kompozytu.

• Podstawowe klasy osnów to żywice termoutwardzalne i żywice termoplastyczne .

• Tworzywa termoplastyczne poddane ogrzewaniu miękną, a chłodzone twardnieją. Proces ten jest w

pełni odwracalny i powtarzalny w zakresie temperatur, którego górną granicą jest temperatura topnienia.

• Tworzywa termoutwardzalne poddane ogrzewaniu ulegają trwałemu utwardzeniu i kolejne cykle

ogrzewanie-chłodzenie nie powodują ani ich mięknięcia, ani powtórnego twardnienia. Są one twardsze i

bardziej wytrzymałe, choć także bardziej kruche niż tworzywa termoplastyczne. Ważną ich zaletą jest

stabilność narzuconego, początkowego kształtu. Najczęściej obecnie stosowaną w kompozytach żywicą

jest należąca do klasy tworzyw termoutwardzalnych żywica epoksydowa , występująca pod wieloma

nazwami handlowymi np. Narmco 2387, Vicotex 171-174 i in.

ŻYWICA

PARAMETR

Rodzaj

Typ

Ciężar właściwy

[kN/m 3 ]

Moduł Younga

[GPa]

Wytrzymałość na

rozciąganie [MPa]

epoksydowa

termoutwardzalna

10.8 - 13.7

2.1 - 5.5

40 - 85

fenolowa

termoutwardzalna

11.8 - 13.7

2.7 - 4.1

35 - 60

poliestrowa

termoutwardzalna

10.8 - 13.7

1.3 - 4.1

40 - 85

nylonowa

termoplastyczna

10.8

1.3 - 3.5

55 - 90

poliwęglanowa termoplastyczna

11.8

2.1 - 3.5

55 - 70

polietylenowa

termoplastyczna

8.8 - 9.8

0.7 - 1.4

20 - 35

TABELA 3. Własności żywic w temperaturze pokojowej

BUDOWA KOMPOZYTU

Warstwa

Podstawowym elementem składowym kompozytu jest pojedyncza warstwa , zwana także laminą . Tworzą ją

włókna połączone między sobą żywicą. Włókna są elementem nośnym warstwy, a matryca oprócz funkcji

spoiwa pełni także rolę osłony dla włókien i zapewnia dystrybucję obciążenia między poszczególne włókna.

Kompozyty

• Układ włókien w warstwie może przyjmować bardzo różne formy np. ciągłe, długie włókna mogą

przebiegać w warstwie w jednym kierunku – warstwa taka nosi nazwę warstwy jednokierunkowej .

Rys. 1. Warstwa z włóknami jednokierunkowymi

Konfiguracja geometryczna warstwy względem przyjętego układu odniesienia przedstawiona na rys. 1

nosi nazwę konfiguracji osiowej (ang. on-axis ), a osie ( 1, 2, 3 ) głównych osi materiałowych , tzn.

takich, że oś "1" przebiega w kierunku włókien, oś "2" prostopadle do kierunku włókien, a oś "3" jest

prostopadła do płaszczyzny (1, 2), czyli zarazem płaszczyzny warstwy.

Każdy inny układ współrzędnych, powstały poprzez obrót układu (1, 2, 3) wokół osi "3" będziemy

nazywać układem nieosiowym , lub alternatywnie - konfigurację laminatu w takim układzie nazwiemy

konfiguracją nieosiową (ang. off-axis ).

Laminat

• Laminat to zbiór warstw (lamin) ułożonych jedna na drugiej i połączonych trwale ze sobą. Z reguły

główne osie materiałowe poszczególnych warstw ( częściej grup warstw ) obrócone są względem układu

odniesienia (x, y, z) (obrót wokół osi z) przyjętego dla laminatu, tak więc w układzie (x, y, z) warstwy

przyjmują konfigurację nieosiową.

• Z reguły warstwy lub ich grupy różnią się między sobą jedynie orientacją włókien, nie różnią się

natomiast materiałem (jedynie w bardzo specjalnych sytuacjach łączy się warstwy z różnych materiałów,

tworząc tzw. laminaty hybrydowe). Podając zatem nazwę laminatu wystarczy określić rodzaj włókien i

matrycy np. grafit/epoksyd, szkło/epoksyd itp. (np. CFRP - C arbon F ibers R einforced P olymeric matrix

tzn. laminat o żywicy polimerowej zbrojonej włóknami węglowymi).

płaszczyzna

środkowa

• Sposób ułożenia warstw (orientację włókien) w laminacie określa się za pomocą kodu podającego kąty

pod jakimi przebiegają włókna w każdej warstwie w przyjętym układzie odniesienia oraz ilość warstw o

danej orientacji. W płaszczyźnie środkowej (czyli płaszczyźnie równooddalonej od górnej i dolnej

powierzchni laminatu) umieszczono układ współrzędnych (x, y, z) - układ odniesienia wspólny dla

wszystkich warstw. Na rys. 3 przedstawiono ponownie warstwy składowe z określeniem dla każdej z

nich układu głównych osi materiałowych (1, 2) (przyjmuje się, że kierunek osi "1" pokrywa się z

kierunkiem włókien) oraz kąta charakteryzującego orientację warstwy w przyjętym układzie odniesienia.

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: