Materijali i Kompoziti

MATERIJALI IKOMPOZITI

Industrije koje koriste kompozitne materijale (%)

Automobilska

Aeronautika

Građevinarstvo

Sport i rekreacija

Elektrotehnika i elektronika

Strojarstvo

Brodogradnja

Medicinska oprema

Željeznice

Razno

Što su kompozitni materijali (kompoziti) ?

Kompozitni materijali su višefazni materijalisastavljeni iz dva ili više različitih čvrstihmaterijala (zasebno dobivenih), koji su osmišljenitako da je u njima raspodjela faza kontinuiranakako bi se poboljšalo jedno ili više svojstavaosnovnom materijalu. To su obično svojstvakakva ne posjeduje niti jedan materijal sam zasebe, tj. nova svojstva – to je novi materijal.

Zašto koristiti kompozitne materijale?

za povećanje krutosti, čvrstoće ili dimenzijske stabilnosti za povećanje udarne žilavosti za povećanje otpornosti na toplinu za smanjenje troškova za smanjenje apsorpcije vode za smanjenje toplinske ekspanzije za poboljšanje otpornosti na trošenje za veću korozijsku otpornost za smanjenje mase za poboljšanu konstrukcijsku fleksibilnost

Vlač

na č

vrst

oća

Deformacija

Vlakno

Vlaknom ojačan kompozit

Polimerna smola

Mehanička svojstva vlakna, polimera i vlaknom ojačanog kompozita s polimernom matricom

Ojačala

Metali

Polimeri Keramike

MMC

PMC CMC

Kompozitni materijali – svi sadrže ojačala.

MMC - metal matrix composite (kompoziti s metalnom matricom)

PMC - polymer matrix composite (kompoziti s polimernom matricom)

CMC - ceramic matrix composite (kompoziti s keramičkom matricom)

vlakna (ojačalo) polimer (matrica) kompozit

Nastajanje i sastav kompozitnog materijala

Kompoziti su satavljeni iz najmanje dvije faze:

osnovnog materijala - matrice i ojačala

+

Uloge matrice i ojačala

Karakteristike osnovnog materijala (matrice):

popustljivija od ojačala

čvršća od ojačala

osigurava dobro povezivanje s ojačalom

osigurava zaštitu ojačala od utjecaja okoline

osigurava prijenos opterećenja s jednog na drugi djeličak ojačala

uklanja posmično naprezanje kompozita

Karakteristike ojačala (dispergiran unutar matrice kao sitnečestice ili vlakna):

tvrđi i čvršći nego matrica

osiguravaju kompozitu veliku tvrdoću i čvrstoću

povećavaju kompozitu udarnu žilavost, itd.

KOMPOZITI

S POLIMERNOM MATRICOM, PMC

S KERAMIČKOM MATRICOM, CMC

S METALNOM MATRICOM, MMC

koriste se na različite načine i imaju široku upotrebu:

staklom ojačani polimerni kompoziti (GFRP)

ugljičnim vlaknima ojačani polimerni kompoziti (CFRPC)

aramidnim vlaknima ojačani polimerni kompoziti (AFRP)

ojačala poboljšavajučvrstoću, krutost,otpornost na abraziju,otpornost na puzanje,toplinsku vodljivost

visoke radnetemperature

nezapaljivost

loše: skupi su ivelike gustoće

za upotrebu navisokim temperaturama

(avionske plinsketurbine)

smanjuju masu -(manja potrošnja goriva)

loše: vrlo su krhke

Podjela kompozita s obzirom na matricu

Kompoziti s obzirom na matricu i ojačala

metalno-metalni metalno-keramički metalno-polimerni

keramičko-polimerni keramičko-keramički keramičko-metalni

polimerno-polimerni polimerno-metalni polimerno-keramički

Polimerna matrica Keramička matrica Metalna matrica

Slika 4. Podjela kompozita s obzirom na vrstu matrice i vrstu ojačala

Sve se više upotrebljavaju tzv. ugljik-ugljik kompoziti koji moguizdržati vrlo viske radne temperature do 1700 °C

Svojstva kompozita ovise o:

vrsti matrice i njezinim svojstvima

ojačalu (svojstvima, raspodjeli, veličini i vrsti)

orijentaciji ojačala unutar matrice

volumnom omjeru matrice i ojačala

kvaliteti povezivanja matrice i ojačala

Oblici ojačala u kompozitima

Kontinuirana vlakna Kratka vlakna/ viskeri Čestice

a) b) c)

Način raspodjele ojačala unutar matrice: a) jednosmjerno poredana vlakna, b) jednosmjerna isprekidana vlakna, c) vlakna bez reda

viskere i vlakna

Viskeri – vrlo maleni monokristali koji imaju mnogo manjipromjer u odnosu na duljinu, a mogu biti iz grafita (ugljika) tetvrdih tehničkih keramičkih materijala: silicijevog karbida,silicijevog nitrida i aluminijevog oksida koji se dobivajuposebnim postupcima

Vlakna – najčešće staklena ili polimerna

Ojačala u obliku vlakana se s obzirom na promjer, duljinu i vrstu materijala

dijele na:

Neki primjeri tvornički različito pletenih (tkanih) vlakana ojačala.

Kompozitni materijali su anizotropni – imaju bolja svojstva u smjeru vlakana.

Laminatna struktura kompozita

Lamele s različito orijentirnim vlaknima ojačala slažu se i lijepe međusobno ulaminat uz djelovanje tlaka

lamele

laminat

Različito orijentirana vlakna u kompozitu

Shematski prikaz nastajanja sendvič panela

Ljepilo

Sačasta struktura

Vanjska ploča

Vanjska ploča

Gotov sendvič panel

Ojačala iz staklenih vlakana

lako se dobivaju

kemijski su otporna

GFRP – do temperature od 2000C zbog polimerne matrice

Upotreba:

automobilska industrija,

brodogradnja,

tankovi

a)

b)

Ojačala iz staklenih vlakana: a) namotaj staklene niti, b) pletena “tkanina” iz staklenih niti

Proizvodi iz staklenim vlaknima ojačanih polimeraProšlo je više od 50 godina od upotrebe kompozita – stakloplastika. Danas je

njihova primjena vrlo velika.

Staklom ojačani nezasićeni poliester: a) tank za gorivo iz 1960. godine, b) trup broda

Kawasaki x-4 jet Ski - staklom ojačana plastika

Staklom ojačana plastika – palube broda

Ugljična vlakna kao ojačalo u polimernoj matrici

Ugljična vlakna, CFRP:

visoki specifični modul i specifična čvrstoća čak i na visokim temperaturama

skup postupak dobivanja iz PAN-a

promjer vlakana : 4-10 µm, premazan s epoksidnom smolom za osiguranje lijepljenja s matricom

najveća upotreba CFRP-a:

avionski dijelovi

kućišta raketnih motora

sportski rekviziti, itd.

Namotaj ugljičnih vlakana

Dijelovi automobila označeni zelenom bojom su iz kompozita ojačanog ugljičnim vlaknima

Aramidnim vlaknima ojačan polimer (AFRP)

Aramidna vlakna (Kevlar, Nomex)

plastomerni materijal

visoka vlačna čvrstoća, slaba tlačna

mehanički stabilan od – 200 do 2000C

netporan na jake kiseline i baze

Upotreba:

zaštitna odjeća (pancirke)

sportski rekviziti, itd.

Namotaj aramidnih vlakana

a) b)

Dijelovi helikoptera i aviona iz kompozita: a) iz polimera ojačanog ugljičnim vlaknima, b) iz polimera ojačanih staklenim i ugljičnim vlaknima

Proizvodi iz staklom ojačanih polimernih kompozita

Sportski rekviziti iz staklom ojačanih polimernih kompozita

Most za pješake iz staklom ojačane poliesterske smole. Duljna mosta je 120m a raspon 63m.

Rotorska lopatica 4.5 MW vjetroturbine

Vlak Talent na kojem su bočni zidovi iz vlaknima ojačane plastike

Airbus 380 - je zbog konstrukcija iz polimernih kompozita lakši nego da jepotpuno izgrađen iz ekvivalentnih metalnih konstrukcija i to za približno 15 tona

34

Godine

Kom

pozi

ti (p

osto

tak

u m

asi k

onst

rukc

ije)

Porast upotrebe kompozita u avioindustriji

The Jumeirah Beach Tower Hotel u Dubaiu. U svojoj konstrukciji sadrži 33000 m2

staklom ojačanih sendvič panela

The Jumeirah Beach Tower Hotel u Dubaiu. U svojoj konstrukciji sadrži 33000 m2

staklom ojačanih sendvič panela

Kompoziti s metalnom matricom, MMC

Matrica:

super legure Al, Mg, Cu, Ti

Ojačala:

C, SiC, B, Al2O3 vlakna, Al2O3 čestice

Primjena:

komponente automobilskog motora

konstrukcijski dijelovi svemirskih letjelica, teleskopa - kompoziti iz B i C valkana u Al matrici

turbinski motori (W vlakna u superlegurama)

Vrsta kemijskog spoja

Keramičke čestice Metalna matrica Upotreba

Boridi Titanov boridMolibdenov boridKromov borid

Co / NiCr / Ni

Ni

Najčešće rezni alati

Karbidi Volframov karbidTitanov karbidMolibdenov karbidSilicijev karbid

CoCo ili W

CoCo

Najčešće rezni alati i abrazivi

Oksidi Aluminijev oksidMagnezijev oksidKromov oksid

Co / CrCo / Ni

Cr

Vrhovi alata, dijelovi plinskih turbina

Tablica 1. Primjeri kompozita iz metalne matrice i keramičkih ojačala

Kompoziti s keramičkom matricom, CMC

za upotrebu kod velikih naprezanja i na visokim temperaturama ( turbinski motori aviona)

Prednosti

velika čvrstoća i modul

vrlo visoka radna temperatura

smanjena masa (manja potrošnja goriva)

Dijelovi svemirske letjelice iz keramičkih kompozita