kompozitni polimeri

27.5.2013.

1

Gojko Mari

MATERIJALI IIAkademska godina

2012/13

Kompozitni materijali ili kompoziti su proizvedeni umjetnim spajanjem dvaju ili vie materijala razliitih svojstava s jasnom granicom izmeu njih. Posljedica je dobivanje materijala takvih svojstava kakva ne posjeduje niti jedna komponenta sama za sebe.

DEFINICIJA

27.5.2013.

2

Composite - composed of separate parts; compound

sastoji od odvojenih dijelova, spoj

Te American Heritage Dictionary of the English Language, Fourth

Edition copyright 2000 by Houghton Mifflin Company. Updated in

2009. Published by Houghton Mifflin Company

Collins English Dictionary Complete and Unabridged

HarperCollins Publishers 1991, 1994, 1998, 2000, 2003

Composite - made up of distinct components; compound

sastavljen od razliitih komponenti; spoj.

ZNAENJE

Composite (latinski Compositum) sastavljeno.

PRIJE 10-tak GODINA

Primjena kompozita u industrijiIzvor: H. Chalaye, Composite materials: drive and innovation. Le 4 Pages, des

statistiques industrielles, No. 158 February 2002.

27.5.2013.

3

Primjena kompozita u zrakoplovnoj industriji

16.000 kg = 16 t, laki - 20% uteda goriva

DANAS

DANAS

U brodogradnji 1/3 upotrijebljenih materijala su kompoziti!

Mala brodogradnja

Velika brodogradnja

27.5.2013.

4

-mogunost izrade vrlo sloenih oblika,-smanjenje trokova naknadne obrade dijelova,-mogunost spajanja dijelova tijekom samog

postupka proizvodnje,-dimenzijska stabilnost pri ekstremnim radnim

uvjetima,-otpornost na koroziju,-dizajniranje svojstva.

Neke od opih prednosti kompozitnih materijala pred konvencionalnim materijalima jesu sljedee:

PREDNOSTI

Kompozitni materijali se sastoje od dva osnovna konstituenta:

Matrice

Ojaala

Zadaa ojaala je da budu nosivi element kompozita, tj da osiguraju:

visoku vrstou,

visoki modul elastinost krutost

otpornost na troenje

27.5.2013.

5

Zadae matrica je da:

dri ojaala zajedno, titi ih od vanjskih utjecaja, ima vanu funkciju u prijenosu optereenja

na ojaalo, daje vanjsku formu kompozitu, odreuje njegovo ponaanje u obzirom na

djelovanje atmosfere, itd..

Svojstva kompozita ovisiti e o:

Veliini i raspodijeli konstituenata

Svojstvima konstiutenata tj. matrice i ojaala

Volumnom udjelu konstiutenata

Obliku konstituenata

Prirodi i jakosti veza izmeu konstituenata

27.5.2013.

6

ojaalo

Podjela kompozita najea je obzirom na:

Materijal matrice

Oblik ojaala

PODJELA KOMPOZITA

27.5.2013.

7

Matrica :

Metalna - MMC

Keramika - CMC

Polimerna - PMC

PODJELA PREMA MATERIJALU MATRICE

Noviji: ugljik-ugljik kompoziti. Mogu podnijeti vrlo visoke temperature - do 1700 C,a kratkotrajno i do 2700 C.

Plus:_ Provode struju i toplinu Dobra vrstoa Dobra ilavost Magnetini su (neki)

Minus : Visoka gustoa Slaba otpornost na puzanje Loa korozijska otpornost

Plus:_ Ne provode struju i toplinu Otporni na troenje i koroziju Visoka vrstoa i krutost Niska gustoa

Minus : Loa/teka strojna obrada Izuzetno niska ilavost

Plus:_ Provode struju i toplinu Dobra vrstoa Dobra ilavost Magnetini su (neki)

Plus:_ Dobra ilavost Dobra obradljivost Izuzetna korozijska otpornost visoki omjer vrstoa/teina

Minus : Niska krutost i vrstoa Loa svojstva na visokim temp.

POLIMERIKERAMIKA

METALI

KOMPOZITI


27.5.2013.

8


Podjela kompozita s obzirom na materijal matrice i ojaala


27.5.2013.

9

Oblik ojaala:

estice

Vlakna

Strukturni kompoziti:

Slojeviti kompoziti laminati

Sendvi konstrukcije

PODJELA PREMA OBLIKU OJAALA

VRSTE KOMPOZITA

KOMPOZITI, MMC,PMC,CMC

esticama ojaani Vlaknima ojaani Strukturni

Velike estice

Disperzijom ojaani

Viskeri Vlakna ice Laminati Sendvikonstrukcije

27.5.2013.

10

KOMPOZITI S ESTICAMA

Obzirom na veliinu estica i nain na koji estice utjeu na svojstva kompozita moemo izvriti podjelu na:

Kompozite s disperzijom

Kompozite s velikim esticama


Kompoziti s disperzijom

estice su izuzetno male (promjeri iznose od 10 do

250 nm)

estice spreavaju gibanje dislokacija ojaanje

Koliina disperziranog materijala do 15%

27.5.2013.

11


Kompoziti s disperzijom

Glavne varijable u odreivanju uinkovitosti disperzije su:

Veliina estica, d < 0,1 m

Volumni udio, Vp < 15%

Razmak izmeu disperziranih estica, Dp

Kompoziti s velikim esticama


Veliina estica, d 0,1 mVolumni udio, Vp > 15%

Ovi kompoziti sadre vee udjele velikih estica koje ne djeluju izravno na spreavanje gibanja dislokacija. Ovakvi kompoziti su namjenjeni za proizvode kod kojih se ne trai posebno izraena vrstoa (abrazivne ploe, elek. kontakti)

27.5.2013.

12


vrsta estica>500 nm

vrste estice

27.5.2013.

13

Viskeri su siuni monokristali koji imaju ekstremnoveliki omjer "duljina/promjer. Posljedica malihdimenzija je veliki udio pravilnosti kristalne grae, pagotovo nema mogunosti teenja to vodi do izuzetnovisoke vrstoe; oni su najvri poznati materijali. Poredsvih nabrojenih svojstava ne primjenjuju se zbog visokecijene. Vrlo ih je teko ugraditi u matricu.

Viskeri mogu biti od grafita (ugljika), silicij-karbida, silicij-nitrida i alumij-oksida.

Al18B4O33 viskeri

Vlakna su ili polikristalna ili amorfna te imaju mali promjer. Materijali vlakana mogu biti polimerni ili keramiki (aramid, staklo, ugljik, bor, aluminij-oksid i silicij-karbid).woven

fibers

cross

section

view

0.5mm

0.5mm Legura Ag-Cu ojaana s ugljinim vlaknima

27.5.2013.

14

ice su relativno velikog promjera, tipini materijali su elik, Mo i W. Primjenjuju se pri radijalnom elinom ojaavanju (armiranju) automobilskih guma, pri namotavanju ahura/kouljica, te kod icama omotanih visokotlanih tuljaka.

2 - Ispletena tekstilna vlakna

6 - eline ice

7 Mekani sloj-Nylon

Ojaanja automobilske gumeicom ojaana cijev

Kod vlaknima ojaanih kompozita dolazi do izraaja poboljanje vrstoe, ilavosti, krutosti, te poveanja omjera vrstoa/gustoa uslijed ugradnje vrstih, krutih i krhkih vlakana u mekaniju, duktilniju matricu. Materijal matrice prenosi optereenje na vlakna te osigurava duktilnosti ilavost, budui da vlakna nose vei dio optereenja. Upravo zbog te injenice je vrlo vana veza izmeu matrice i vlakana. Dva znaajna svojstva vlakana su visoka toplinska stabilnost i kontrolirana rastezljivost pri povienim temperaturama.

Vlakna se razlikuju prema: vrsti duljini promjeru orijentaciji hibridizaciji.

27.5.2013.

15

Istezanje , mm/mmIstezanje , mm/mm

Na

pre

zan

je

, N

/mm

2

Na

pre

zan

je

, N

/mm

2Vlaknima ojaani kompoziti spadaju u skupinu anizotropnih materijala budui da imaju znatno bolja svojstva u smjeru vlakana

Matrica

Matrica

Vlakno Vlakno

Lom

KompozitPodruje

Podruje

Karakteristike kompozita ojaanog vlaknima ovise o :

a. Omjeru duljina/promjer vlakana

b. Volumnom udjelu vlakana

c. Usmjerenosti (rasporedu) vlakana

d. Svojstvima vlakana

e. Svojstvima matrice

27.5.2013.

16

Omjer duljina/promjer

Razliiti naini rasporeda vlaknastih ojaavala

a) kontinuirana jednosmjerna vlakna b) sluajno usmjerena diskontinuirana vlakna

c) ortogonalno rasporeena vlakna d) viesmjerno usmjerena vlakna

Kontinuirana vlakna se tee proizvode i ugrauju u matricu, ali osiguravaju najbolja svojstva.

Diskontinuirana vlakna s velikim omjerom duljina/promjer znatno se lake ugrauju u matricu, i tako ine materijal visoke krutosti i vrstoe.

Volumni udio vlakana

Vei volumni udio vlakana dovodi do poveanja vrstoe i krutosti kompozita.

Gornja granica od oko 40% odreena je sposobnou, odnosno mogunou da se vlakna okrue materijalom matrice.

27.5.2013.

17

Svojstva vlakana

Vlakna trebaju biti vrsta, kruta, lagana, a takoer trebaju imati visoko talite.

Materijali vlakana morali bi imati visoki specifini modul elastinosti ili vrstoe.

Specifina vrstoa = Specifini modul elastinosti =( )

emRR

E

Svojstva matrice

Uobiajeno je da su materijali matrice ilavi i duktilni tako da prenose optereenja na vlakna te spreavaju da napukline od prekinutih vlakana napreduju kroz cijeli kompozit.

Matrica takoer mora biti vrsta tako da doprinosi sveukupnoj vrstoi kompozita.

Na prikladnost za matricu utjee i talite (poliesterske nezasiene smole imaju maksimalnu temperaturu uporabe 80OC, 315OC poliimidi. Metalne matrice puno vie temperature.

27.5.2013.

18

Svojstva vlakana

Prednosti i nedostaci vlakana

27.5.2013.

19

Hibridni kompozitiRelativno novija vrsta vlaknima ojaanih kompozita. Dobivaju se uporabom vie vrsta vlakana u jedinstvenoj matrici, ime se dobivaju znatno bolja svojstva.

Postoje brojne kombinacije vlakana i matrice, ali se najee koriste:

Ugljik AramidDobra ilavost + vlana vrstoa od aramidaTlana i vlana vrstoa od ugljinih vlakanaNiska gustoa, ali relativno visoka cijena.

Aramid StakloMala gustoa + ilavost + vlana vrstoa od aramidaTlana + vlana vrstoa od staklaNiska cijena

Ugljik StakloTlana + vlana vrstoa + krutost + gustoa od ugljikaDobra svojstva + cijena od staklaNiska cijena

Slojevite (laminatne) konstrukcije odnosno slojeviti kompoziti sastavljeni su od dvodimenzionalnih slojeva s preferiranim smjerom visoke vrstoe (drvo, ili usmjerenim vlaknima ojaanih polimernih materijala). Slojevi su sloeni i dodatno meusobno vrsto povezani, a svojstva variraju obzirom na orijentaciju vlakana u pojedinim slojevima (zbog toga se slojevi slau razliito usmjereni).

Bimetal

27.5.2013.

20

Pelinje saeLjepilo

Povrinski sloj

Povrinski sloj

Ljepilo

Sendvi konstrukcije, sastoje se od tankih vanjskih slojeva i laganog srednjeg dijela koji slui za popunjavanje. Niti materijal za popunjavanje niti vanjski slojevi ne moraju biti vrsti niti kruti, ali e sendvi imati oba svojstva! Primjer: valoviti karton (debeli papir + valoviti karton + debeli papir)

Drugi primjer je struktura u obliku pelinjih saa koja se primjenjuje u zrakoplovstvu.

POLIMERNI KOMPOZITI PMC

Plastomeri: PA, PE, PP, ABS, visokotemperaturni plastomeri (PEEK, PPS, PEI).

Duromeri: poliesterske, epoksidne, vinil esterske, fenolne smole itd.

ee su duromerne matrice.

Materijal matrice:

27.5.2013.

21

Materijal ojaala:- Staklena vlakna- Ugljina vlkna- Aramidna vlakna- Ostali vlaknasti materijali (B, SiC, Al2O3)

POLIMERNI KOMPOZITI PMC

METALNI KOMPOZITI (MMC Metal Matrix Composites)

Materijal matrice:superlegure, legure aluminija, magnezija, titana i bakra

Materijal ojaala:- estice-kontinuirana vlakna (ugljik, silicijev karbid, bor, aluminij i tvrdimetali)

- diskontinuiranih vlakana i viskera (silicijeva karbida, sjeckana vlakna od ugljika i aluminija i estice aluminija i karbida, dijamanti)

27.5.2013.

22

Prednosti:

vrlo visoka vrstoa i krutost uz vrlo malu gustou,

visoka toplinska i elektrina vodljivost i niska toplinska rastezljivost,

vrlo dobra otpornost na troenje, vrlo dobra svojstva na

visokim temperaturama.

METALNI KOMPOZITI

Nedostaci:

Komplicirana proizvodnja, vrlo visoka cijena -cijena e padati sa

irenjem primjene, nedovoljno podataka o svojstvima

materijala, jo uvijek nema dovoljno smjernica za

konstruiranje s ovom vrstom materijala loa reciklinost.

METALNI KOMPOZITI

27.5.2013.

23

Klipnjaa napravljena od Al-legure ojaane s Al2O3 esticama. Ona ima puno bolja mehanika svojstva i otpornost na umor od eline klipnjae, a uz sve to ima i 42 % manju masu

Profili od Al-legure ojaane s grafitnim vlaknima. Imaju jednaku krutost kao i elik, a masu manju od aluminija

Ventili automobilskog motora napravljeni od kompozita s Ti-matricom koja je ojaana SiC esticama

Space Shuttle:nosai (cijevi) u prostoru za teret243 cijevi, d = 25-92 mm l = 0,6-2,3 m Al 6061/B/50f - 145 kg manja masa po letjelici (u usporedbi sa Al)

Hubble teleskop (4.3 cm x 8.6 cm x 2 m ):Al 6061/C/40f40 % manja masa (u odnosu na Al)

27.5.2013.

24

Zamanjak napravljen od kompozita s Al-matricom i vlaknastih Al2O3 ojaanja

Hondin blok motora napravljen od kompozita s Al-matricom i Saffil kratkih Al2O3 vlakana

Klip od kompozita Al-legura + Saffil vlakna

Umeci mjenjake kutije koji slue za lokalno ojaanje, a napravljeni su od Mg-legure ojaane ugljinim vlaknima

METALNI KOMPOZITI

27.5.2013.

25

Materijal matrice:OKSIDNE: NEOKSIDNE:

- Al2O3 - SiC

- SiO2 - Si3N4

- Mulit 3Al2O3 2SiO2 - B4C

- Ba-, Li- i Ca-aluminosilikat - AlN

KERAMIKI KOMPOZITI(CMC Ceramic Matrix Composites)

Materijal ojaala:

Diskontinuirana (viskeri, ploice, estice)

- Si3N4, SiC, AlN, TiB2, B4C, BN

- SiC najzastupljeniji zbog stabilnosti u nizu oksidnih i neoksidnih keramikih matrica - rezni alati

Kontinuirana vlakna

- staklo, mulit, Al2O3, C, SiC

- SiC vlakna najvie se koriste zbog visoke vrstoe, tvrdoe i toplinske stabilnosti


27.5.2013.

26


Prednosti:

stabilnost na ekstremno visokim temperaturama,

otpornost na toplinski ok,

iznimna otpornost na koroziju,

velika tvrdoa,

mala masa.

Nedostatak:

sklonost krhkom lomu.

Rjeenje: keramika matrica + keramika ojaanja.

27.5.2013.

27

Produljenje l, mm

Sila

F,

N

CMC sa SiC matricom ojaanog s kontinuiranim

SiC vlaknima

Gustoa, kg/m3 2100

Tlana vrstoa, MPa 450Vlana vrstoa, MPa 262Smina vrstoa, MPa 34Modul elastinosti, GPa 96Toplinska vodljivost, 10-6/K

2,7

Toplinska rastezljivost, W/mK

1,32

27.5.2013.

28

Al2O3 matricom

Al2O3 ojaanjima

Al2O3 matrica

C vlakna +ni sloj

Al2O3 matrica

SiC (3m)

Rezni alati napravljeni od kompozita s Al2O3 matricom i SiC viskerima

Glave izmjenjivaa topline napravljene od kompozita s Al2O3matricom koji je ojaan kontinuiranim vlaknima

Koni diskovi Porsche-a 911 Turbo napravljeni od kompozita sa SiC matricom koji je ojaan ugljinim vlaknima

27.5.2013.

29

Bio-based composites

Kompoziti od obnovljivih resursa????

Bio kompoziti???

Prije 30 ili vie godina kada je moja generacija pohaala osnovnu kolu, uili su nas da je Zemlja bogata puna minerala, ruda, nafte i plina.

Glavni zadatak izazov bio je kako poveati proizvodnju nemarei pri tome o zagaivanju ili koliini prirodnih resursa..

27.5.2013.

30

I to sada?

Zaustaviti razvoj?

Vratiti se nain ivota iz prolosti?

Ili pronai nove materijale i manje zagaujue procese proizvodnje?

27.5.2013.

31

Definicija BIOKOMPOZITABiokompoziti su kompozitni materijali nainjeni od:

prirodnih vlakana (biljnog ili ivotinjskog podrijetla) i i bioloki nerazgradljivih polimera nastalih derivacijama nafte (duromera - npr. epoksidna smola, fenolna smola i plastomera: PE, PP, PVC, PS).

sintetikih (umjetnih) vlakana i biopolimera (nastalih preradom biljaka)

od prirodnih vlakana i i biopolimera koje su ujedno najekolokiji kompoziti i esto se nazivaju zeleni kompoziti.

PRIRODNA VLAKNA Biljnog podrijetla:

vlakna (drva, trave, slame itd.) lie sjeme voe

liko

ivotinjskog podrijetla: vuna

dlaka svila

27.5.2013.

32

Vrste bio/prirodnih - vlakana

LAN KONOPLJA KENAF

JUTA HENEKEN KOKOS

DRVO KUKURUZ TRAVA

Porast primjene biokompozita u SAD u periodu 2000 2005.

Graevinarstvo Industrija Automobilska Brodogradnjaindustrija

27.5.2013.

33

Porast primjene biokompozita u Njemakoj auto industriji u periodu 19992005.

2000 cijela auto industrija Europe potroila je 28000 t prirodnih vlakana

Zato prirodna vlaknaPREDNOSTI:

Obnovljivi izvori Laka dostupnost Niska cijena i mali udio utroka energije tijekom

proizvodnje Mala gustoa (spec. teina) osigurava visoku spec. vrstou i krutost u usporedbi s staklenim vlaknima

Sigurnije za rukovanje i proizvodnju u odnosu prema sintetikim vlaknima

Utede zbog manjeg troenja opreme jer su prirodna vlakna ne abrazivna u odnosu prema sintetikim vlaknima vlaknima

Visoka elektrina nevodljivost Dobra zvuna izolacija Ne nastaje CO2 (biljke stvaraju jedino ugljine spojeve prilikom izgaranja ili kompostiranja)

27.5.2013.

34

Zato prirodna vlakna?NEDOSTACI:

Teko rasprljivi u matrici. Prirodna vlakna su higroskopna-upijaju vlagu, to ima za

posljedicu stvaranje pora, slabljenje veza a time i loijih mehanikih svojstava kompozita.

Vlakna poinju degradirati u rasponu do 90 do 200 oC, pa su temperatura obrade i izbor materijala matrice ogranieni.

Osjetljiva su na truljenje / degradacije iz okruenja (mikroorganizmi, gljivice, itd.).

Dimenzije vlakana i mehanika svojstva variraju od biljke do biljke.

Sadnja biljaka za izradu ojaala smanjuje zemljita za sadnju prehrambenih sorti!!!

DL

Materijal vlakna

Gustoa (g/cm3)

Duljina, L (mm) Promjer, D (mm) Vlana vrstoa N/mm2Vlakno Snop Raspon Sr.

vrijed.Raspon Sr.

Vrijed.LAN 1,51 1,2 10-65 32 10-25 18 1,778 357KENAF (list)

- 1,2 1,4-5 2,6 14-23 21 124 406

KENAF (srika)

0,31 - 0,4-1,1 0,6 18-37 30 20 -

KONOPLJA 1,48 1,2 7-5,5 25 13-30 18 1,087 826BOR 0,51 - 2,7-4,6 3,7 32-43 38 97 81,2JELA 0,48 - 2,7-4,6 3,7 32-43 38 97 109,2JASIKA 0,39 - 0,7-1,6 1,2 20-30 25 48 51,8

SVOJSTVA BILjNIH VLAKANA

27.5.2013.

35

VrstaVlakna

Gustoa(g/cm3)

Modul elastinosti(GPa)

Specifinimodul

E-staklo 2,55 73 29Konoplja 1,48 70 47Lan 1,4 60-80 43-57Juta 1,46 10-30 7-21Sisal 1,33 38 29Kokos 1,25 6 5Pamuk 1,51 12 8

USPOREDBA MODULA ELASTINOSTI

PRIMJENA BIOKOMPOZITA

Mijeana prirodna vlakna i PP sa UP matricom Juta-kokos hibridni kompozitni paneli

Lanena vlakna

katamaran

Renault Ellypse konceptni autoPrirodna vlakna za priguenje buke

27.5.2013.

36

PRIMJENA BIOKOMPOZITA

Lan-ugljina vlakna hibridni kompozitni bicikl - Prepreg postupak

Juta-PP koveg-aktovkaPostupak vakuumsko spajanje

Mijeana prirodna vlakna i PP RTM postupak

Mijeana prirodna vlakna i PP Postupak oblikovanje natrcavanjem

Documents

kompozitni polimeri