8. Kompoziti 8.1 168 Osnove kompozita

8.1.1 172 Graa kompozita8.1.2 174 Karakteristike kompozita8.1.3 176 Primjena kompozita8.1.4 178 Degradacija kompozita

8.2 179 Kompoziti s esticama8.2.1 179 Vrste kompozita s esticama8.2.2 179 Svojstva kompozita s esticama8.2.3 180 Primjena kompozita s esticama

8.3 182 Kompoziti s vlaknima8.3.1 182 Vrste kompozita s vlaknima8.3.2 182 Svojstva kompozita s vlaknima8.3.3 184 Primjena kompozita s vlaknima

8.4 186 Strukturni kompoziti8.4.1 186 Slojeviti kompoziti8.4.2 187 Stanini kompoziti8.4.3 187 Sendvi-konstrukcije

8.1 Osnove kompozita Kompozit materijal formiran kombiniranjem razliitih materijala (mehaniko mijeanje

po kemijskom sastavu i/ili strukturi razliitih komponenti) u jedinstvenu cjelinu. Cilj je postizanja si-nergijskog uinka boljih svojstva od svojstava komponenti (npr. vrstoa, toplinska vodljivost).

Ovakva definicija nije besprijekorna u kompozite se ne ubrajaju ve obraeni hetero-geni viefazni materijali (formirani faznim transformacijama osnovnog materijala): (a) metalne legure (npr. FeFeC3), (b) staklokeramike, (c) amorfno/kristali polimeri (npr. PE). S druge strane, u kompozite se ubrajaju strukture koje obuhvaaju vei broj specifino oblikovanih dijelova.

Prema tome, na prvoj razini (najmanje dimenzije konstituenata) kompoziti su heterogene smjese razliitih (istih) vrsta materijala (metali, keramike, polimeri), a na drugoj razini (najvee di-menzije konstituenata) heterogene strukture dijelova razliitih oblika (od razliitih materijala).

prijelom Al legure (metal) Al s dodatkom SiC (kompozit) pneumatik automobila

08 Kompoziti 169

Kompoziti ne pripadaju novim materijalima. Brojni su kompoziti prisutni u prirodi (npr. drvo, ljutura, kost), a umjetni su kompoziti koriteni jo u biblijska vremena za gradnju nas-tambi koritene su cigle od blata ojaanog slamom.

Konstituenti (gradbene jedinice) kompozita su:

matrica osnovni materijal odreenih svojstava (npr. Al) i dodatak materijal ijim se dodavanjem korigiraju manjkava svojstva matrice

(ojaanje) te postie potrebne kombinacija svojstava kompozita (npr. SiC)

hrast (prorodni kompozit) EP ojaan C vlaknima CCC

Pri formiranju kompozita, kako bi se dobila zahtijevana svojstva, mehaniki se mijeaju

razliiti materijali, a formirani kompoziti oznaavaju: 1. velikim poetnim slovima naziva vrste materijala matrice (na engleskom jeziku), 2. slovom M matrica (en. matrix), 3. slovom C kompozit (en. composite).

Matrica Dodatak polimer (en. Polymer) metal (en. Metal) keramika (en. Ceramic) polimer metal keramika

PMC (najee primjenjivani)

MMC (rjee primjenjivani)

CMC (rijetko primjenjivani, s izuzetkom betona)

Izuzetak su kompoziti s ugljinom matricom i ugljinim dodatkom (keramika/keramika isti materi-jal) koji se oznaavaju s CCC (en. Carbon Carbon Composite).

Prema tome, kompoziti se mogu podjeliti prema matrici (izostavljeni su prirodni i CCC):

U pravilu se kod kompozita s metalnom matricom s dodacima smanjuju trajne deforma-

cije pri viim temperaturama, kod kompozita s keramikom matricom poveava ilavost (sma-njuje krhkost), a kod kompozita s polimernom matricom poveava vrstoa i krutost.

Najvie se koriste kompoziti s duromernom (polimernom) matricom, a jo iru primjenu im ograniavaju potekoe u automatizaciji proizvodnje dijelova/sustava. Razvoj tehnologije

170 MATERIJALI

proizvodnje prahova i vrlo tankih niti potie iru primjenu kompozita s metalnom matricom, dok je primjena kompozita s keramikom matricom najmanje je rairena.

Kompoziti se mogu podijeliti i prema dodacima:

Za izradu niza dijelova/sustava (industrije vozila, zrakoplova, sportske opreme, opreme za kuan-

stva, brodogradnja, vodoopskrba, sanacija otpadnih voda) kompoziti mogu uspjeno zamijeniti naje-e koritene metale eljezo i aluminij, pri emu se esto postiu bolje performanse dijelo-va/sustava. Na primjer, s kompozitima se postiu manje mase izradaka jednake vrstoe u sluaju zamjene elika za 60 80 %, u sluaju zamjene aluminija za 20 50 %.

Primjer je kompozit s matricom ojaanom dugim usmjerenim vlaknima:

Usmjerena vlakna dodatka su od materijala s velikim E i Rm dok su E i Rm matrice relativno mali. Prema tome, preko elastine matrice se optereenje ravnomjerno rasporeuje po vrstim vlaknima. Kontaktnim povrinama se treba posvetiti posebna panja jer se preko njih prenosi optereenje s materijala matrice na materijal vlakana. Na primjer, zbog toga se kemijski obra-uje povrina C vlakana koja se ulau u EP.

Kao ilustrativni primjer moe se uzeti kompozit sa: epoksidnom matricom: Rm,m = 70 N/mm2 , Em = 2 kN/mm2 i m = 0,4 , ugljinim vlaknima: Rm,f = 3 000 N/mm2 , Ef = 250 kN/mm2 i f = 0,6 ,

na koji djeluje vlano optereenje u pravcu paralelnom s dugim vlaknima. Ako su u razmjeri volumnih udjela materijala matrice (m) i materijala vlakana (f):

vrstoa kompozita (Rm,c): ,c ,m m ,f fm m mR R R ,

modul elastinosti kompozita (Ec): c m m fE E E f ,

bie vrstoa i modul elastinosti kompozita: 2

,c ,m m ,f f 70 0,40 3000 0,60 28 1800 1828 1830 N/mmm m mR R R , 2

c m m f f 2 0,40 250 0,60 0,80 150 150,8 151 kN/mmE E E ,

08 Kompoziti 171

Prema tome, ovaj kompozit u odnosu na epoksidnu matricu, pri zadanom optereenju (EP/C, paralelni pravci optereenja i vlakana), ima vee vrijednosti vrstoe oko 25 puta i modula elasti-nosti oko 75 puta. Kod optereenja koja nisu paralelna s pravcem vlakana dobivaju se manje razlike (daleko manje pri kutu pravaca optereenja i vlakana jednkom 90 0).

U keramikim materijalima nisu poeljne jake veze matrice i dodatka preko kontaktnih povrina. Kompozit s keramikom matricom, te jakim vezama na kontaktnim povrinama ma-trica/dodatak, bio bi i pored dodatka krhak.

Prisutni ilavi dodaci (kontinuirana vlakna) sprjeavaju irenje pukotine kroz krhku kera-

miku matricu uz djelomino raskidanje veza matrica/dodatak. Pri tome se kod ispitivanja komada sa zarezom pod vlanim optereenjem mogu razlikovati tri procesa:

Neke su od opih prednosti (to se moe postii usvajanjem prikladnih matrica i dodataka) i nedostataka kompozitnih materijala u odnosu na metale, keramike ili polimere:

Prednosti Nedostaci velike E, Rm/m , Rm,t/m ,R IC/m i tvrdoe, te male stabilne dimenzije ak i pri ekstremno visokim i niskim (za od-

reene moe se postii c = 0 m/(mK)) svojstva se mogu prilagoditi potrebama (udjeli, oblici, dimenzije i ra-

spodjele dodatka) usmjeravanjem vlakana moe se usmjeriti raspodjela napreza-

nja

relativno visoka cijena materijala i iz-rade proizvoda

svojstva su ovisna o raspodjelama dodataka

matrica je izloena vanjskim utjeca-jima

172 MATERIJALI

mogu se priguiti titranja moe se poveati/smanjiti toplinska/elektrina vodljivost mogue spajanje dijelova tijekom njihovog oblikovanja (manji

trokovi zbog manjeg broja dijelova sustava) mogunost izrade proizvoda sloenih oblika te mali trokovi

naknadne obrade dobra otpornost na puzanje, umor, otapanje i koroziju mali koeficijent trenja i velika otpornost na troenje

pojava puzanja (PMC) potekoe pri preoblikovanju potekoe pri spajanju potekoe u odreivanju karakteristi-

ka potekoe u ispitivanju bez razaranja potekoe u utvrivanju preostalog

vijeka trajanja Prednosti Nedostaci

Na temelju uzajamnih usporedbi karakteritika se dobivaju semikvantitativ-na ocjene:

Materijal Rm Rm,t krutost duktilnost Max cijena metal 4 4 3 4 4 4 4 keramika 2 4 5 0 5 3 3 polimer 1 1 1 4 2 2 5 PMC 5 4 5 2 3 2 3 MMC 4 4 5 2 4 3 2 CMC 3 4 5 2 5 3 1

S 5 su ocjenjene relativno vrlo visoke vrijednosti: Rm , Rm,t , krutosti, duktilnosti, Max (tem-peraturna otpornost) i te relativno vrlo niske cijene.

8.1.1 Graa kompozita Graa je osnovnih materijala (metali, polimeri, keramike) ve detaljno obraena u prethodna

tri dijela.

Fe ferit MgO PP

Prema tome, pri analizi grae kompozita panju treba posvetiti prije svega rasporedu

materijala (matrica/dodatak) u kompozitu. Za potpuni opis grae kompozita treba navesti podat-ke o:

1. materijalu matrice, 2. materijalu dodatka (ukljuivo podatke o kontaktnim povrinama), 3. udjelima materijala matrice i dodatka, 4. obliku elemenata dodataka, 5. dimenzijama elemenata dodatka, 6. rasporedu elemenata dodatka, 7. orijentaciji elemenata dodatka i 8. grekama.

08 Kompoziti 173

Na primjer, kod jednog PMC-a (1. materijal matrice je polimer) , s vlaknima (2. materijal do-datka neodreen):

Ovisno o namjeni i prirodi kompozita, podaci kojima se opisuje kompozit mogu biti:

kvantitativni (, okrugla vlakna, promjer d = 0, 1 mm, ) i semikvantitivni (kvalitativni, npr. duga vlakna).

Kompoziti s dodatkom estica Sve su tri dimenzije estica dodatka podjednake te vie ili manje male. Kod kompozita s

dodatkom estica razlikuju se:

Dimenzije su dispergiranih estica do 0,1 m, velikih preko 0,1 m. estice vrlo veli-

kih dimenzija nazivaju se komadima (beton). estice dodatka mogu biti razliitih oblika sfer-nog, elipsoidnog, poliedarskog ili nepravilnog.

U pravilu se estice dodaju kako bi se poboljala svojstva jeftinog materijala matrice (beton cement + agregat). Najee se estice umjeavaju u tekuu do tjestastu agregaciju mat-rice koja se potom skruuje. Ako je to potrebno za postizanje zahtijevanih svojstava kontak-tnih povrina, estice se prije umjeavanja u matricu prikladno kemijski obrauju.

Ope poznati i esto sretani primjer kompozita s dodatkom velikih estica je beton smjesa cementa i "agregata" (keramika matrica i keramiki dodatak).

Kompoziti s dodatkom vlakana Jedna dimenzija vlakana je znaajno vea od druge dvije dimenzije. Kod kompozita s

dodatkom vlakana razlikuju se:

174 MATERIJALI

Vlakna vrlo malih promjera i relativno vrlo velikih duljina nazivaju se viskerima, a vlakna ve-likih promjera icama (armirani beton).

kratka duga neusmjerena usmjerena neusmjerena usmjerena

Tehnologija formiranja kompozita s vlaknima slina je prethodno opisanoj tehnologiji

formiranja kompozita s esticama. Opepoznati i esto sretani primjer kompozita s dodatkom dugih vlakana jest staklenim

vlaknima ojaana plastika (polimerna matrica i keramiki dodatak). Strukturni kompoziti

Strukturne kompozite formiraju jedinke specifinih oblika. Razlikuju se:

Kod slojevitih kompozita jedinke slojevi, imaju jednu dimenziju znaajno manju od

druge dvije, a kod staninih kompozita su najee sve tri dimenzije jedinki priblino jednake (pjene). Sendvi-kompoziti se dobivaju kombiniranjem slojevitih i/ili staninih kompozita.

slojevi stanice sendvi

Ope poznati i esto sretani primjer strukturnog slojevitog kompozita je "perploa" s izmjenini slojevi: (a) tanka ploa od drveta (smjer vlakana susjednih slojeva je u pravilu 90 ili 45), (b) ljepilo za drvo (polimer).

8.1.2 Karakteristike kompozita Zbog brojnosti moguih kombinacija osnovnih materijala i/ili konstitutivnih dijelova,

pri usvajanju kompozita za izradu nekog dijela treba biti vrlo oprezan (npr. kompozit moe podni-jeti daleko vea vlana optereenja du vlakana nego okomito na njih).

Svojstva kompozita u velikoj mjeri ovise o: 1. svojstvima i udjelima materijala matrice i dodatka (jakostima uzajamnih veza), 2. oblicima, dimenzijama, rasporedu i orijentacijama elemenata dodatka, 3. grekama.

Karakteristike kompozita U sljedea dva dijagrama i tablici, radi usporedbe, prikazane su odabrane karakteristike

odabranih kompozita.

08 Kompoziti 175

PEEKu0 PEEK s ugljinim vlaknima, 0 EPu0 EP s ugljinim vlaknima, 0 EPs0 EP sa staklenim vlaknima, 0 EPs EP sa staklenim vlaknima PIu90 PI s ugljinim vlaknima, 90 PA6660s PA66 sa 60 % staklenih vlakana PET45s PET sa 45 % staklenih vlakana

PET15s PET sa 15 % staklenih vlakana PEEKu0 PEEK s ugljinim vlaknima, 90 PFp PF s tvornikim punilom EPa EP s aramidnim vlaknima PP10kk PP s 10 % CaCO3 ABS40Al ABS s 40 % estica aluminija PTFE25s PTFE s 25 % staklenih vlakana

PEEKu0 PEEK s ugljinim vlaknima, 0 EPu0 EP s ugljinim vlaknima, 0 EPs0 EP sa staklenim vlaknima, 0 EPa EP s aramidnim vlaknima, 0 PA6660u PA66 sa 50 % ugljinih vlakana PA630u PA6 sa 30 % ugljinih vlakana PP1030s PP s 10 30 % staklenih vlakana

PP1020s PP s 10 20 % staklenih vlakana PEEKu0 PEEK s ugljinim vlaknima, 90 As alkid sa staklenim vlaknima BFsk bisfenil sa staklenim sferama PP10kk PP s 10 % CaCO3 ABS40Al ABS s 40 % estica aluminija PTFE25s PTFE s 25 % staklenih vlakana

176 MATERIJALI

matrica Titan Ugljik Poliester Epoksid Materijal

dodatak titan-karbid estice ugljina vlakna

stakleno tkanje

stakleno tkanje

aramidno tkanje

ugljino tkanje

Sastav, w i % 20 TiC(p) 50 C(Vf) tvorniko tkanje tkanje (kil) tkanje (kil) tkanje (kil) , kg/dm3 4,524,58 1,681,72 1,62,0 1,751,97 1,38 1,541,61 Rm, N/mm2 9501040 220250 175345 31,935,1 92106 470668 Rm,t, N/mm2 9601050 1423 210350 319351 129152 450649 E, kN/mm2 140160 90100 1431 66,369,7 2431 4448 , 0,330,35 0,310,33 0,300,35 0,310,32 0,330,35 0,330,34 Re, N/mm2 9401040 1423 166276 207304 129152 450649 A, % 0,30,31 0 12 0,850,95 0,370,42 0,840,93 K IC, N/m3/2 580890 180200 340660 190950 1901400 1902800 HV 240270 6774 5083 1122 1122 1122 Rd,is, N/mm2 26,931,3 1517 83138 4191 7199 247477 tMax, C 380430 20002100 170190 140220 140220 140220 tmin, C 273 273 12070 12070 12070 12070 c, J/(kgK) 585590 754758 11501210 10201120 510690 9501090 , W/(mK) 5,56,0 1070 0,650,68 0,420,51 0,190,26 1,12,2 , m/(mK) 7,78,4 0,68,2 2754 8,633 9,413 5,529 Ek, MV/m 1020 1420 1220 1220 e0, cm 180190 11002700 10181019 2102121022 3101921021 21057105 kreciklinosti 0 0 0,015 0,015 0,015 0,015 Cijena, kn 600850 6085 5866 70156 910990 470550 Otpornost na:

troenje dobra dobra srednja srednja srednja srednja oksidaciju (500C) vrlo dobra slaba vrlo slaba vrlo slaba vrlo slaba vrlo slaba paljenje vrlo dobra srednja slaba dobra dobra dobra UV zrake vrlo dobra vrlo dobra vrlo dobra dobra dobra dobra slatku vodu vrlo dobra vrlo dobra vrlo dobra vrlo dobra vrlo dobra vrlo dobra morsku vodu vrlo dobra vrlo dobra vrlo dobra vrlo dobra dobra vrlo dobra jake kiseline dobra dobra srednja srednja srednja srednja jake luine dobra slaba srednja vrlo dobra vrlo dobra vrlo dobra slabe kiseline vrlo dobra vrlo dobra vrlo dobra vrlo dobra vrlo dobra vrlo dobra slabe luine vrlo dobra vrlo dobra srednja vrlo dobra vrlo dobra vrlo dobra organska otapala vrlo dobra vrlo dobra srednja dobra dobra dobra

8.1.3 Primjena kompozita Svemirska tehnika:

nosee konstrukcije, antene satelita, kuita raketnih motora, spremnici goriva pod visokim tlakom, nosovi svemirskih letjelica, oplate, (za ulazak u atmosferu), sletne gume, sapnice;

Zrani transport: konstrukcijski dijelovi putnikih zrakoplova, ulazna/izlazna vrata, vrata prostora za sletnog trapa, krila, krilca, kupole, usmjerivai zraka, vertikalni stabilizatori, krakovi elise helikop-tera, propeleri, jedrilice, vratila transmisije, diskovi konica;

08 Kompoziti 177

Ope strojarstvo: zupanici, leajevi, zatitni pokrovi, tijela dizalica, ruke robota, naplatci, letve za tkanje, cijevi, dijelovi ploe za crtanje, boce za komprimirani plin, cijevi za morske platforme, ra-dijalni pneumatici;

Elektrotehnika:

elektrina izolacija dijelova, izolacija od utjecaja elektromagnetnih valova, podloge sklop-ki, podloge tiskanih kola, oklopi, kuita, poklopci, satelitske antene, radarske antene, ku-pole, vrhovi TV tornjeva, kanali za kablove, vjetrenjae;

Graevinarstvo: stambene jedinice, dimnjaci, betonske konstrukcije, razliiti pokrovi (kupole, prozori), bazeni za plivanje, proelja zgrada, profili, unutarnji zidovi, vrata, namjetaj, kupaonice, telefon-ske kabine;

Transport eljeznicom:

eoni dijelovi lokomotiva, konstrukcijski dijelovi vagona, vrata, sjedita i unutarnje preg-rade putnikih vagona, kuita ventilatora, kabine iara;

Transport morem: brodovi lebdjelice (hoverkrafti), brodovi za spaavanje, patrolni brodovi, male ribarice, ribar-ski brodovi, oprema za iskrcaj, minolovci, regatne brodice, brodice za zabavu, kanui;

178 MATERIJALI

Transport cestama: dijelovi karoserije, kompletne karoserije, volani, branici, reetke hladnjaka, vratila transmi-sije, opruge ogibljenja, spremnici za plin, asije, zglobovi ogibljenja, navlake, kabine, sje-dita, autocisterne, hladnjae, prikolice;

Sport i rekreacija: reketi za tenis i skvo, tapovi za pecanje, skije, tapovi za skok preko motke, jedrilice, daske za jedrenje, daske za surfanje, daske za koturanje, lukovi i strijele, atletska koplja, zatitne kacige, okvir bicikla, oprema za golf, oprema za sportsko veslanje;

Medicina: proteze, zubna protetika, invalidska kolica, bolniki aparati i oprema.

8.1.4 Degradacija kompozita Materijali dodataka kompozita su tijekom upotreba manje ili vie uspjeno zatieni od

tetnih djelovanja okolina (mehaniko, toplinsko, kemijsko) materijalima matrica koji ih okruuju. Sami materijali matrica kompozita neposredno su izloeni tetnim djelovanjima okolina. U prethodna tri dijela ve su obraena tetna djelovanja okolina na osnovne materijale (metali, ke-ramike, polimeri) te pri analizama degradacija kompozita panju treba posvetiti uinkovitosti za-titnih djelovanja matrica (izolacija) te kontaktnim povrinama matrica i dodataka.

PMC Kod PMCa posebnu panju treba posvetiti difuziji vode kroz polimernu matricu jer je u

primjeni rijetko mogue izbjei doticaj kompozita s vodom (tekua voda, vodena para, vlaga u zra-ku). Voda koja prodre kroz polimernu matricu do kontaktnih povrina matrica/dodatak moe u odreenoj mjeri oslabiti kemijske veze matrica/dodatak nakon ega se uspostavlja ravnotea. Meutim, ako se ne uspostavi ravnotea, konano dolazi do nepovratnog raskidanja jakih ke-mijskih veza matrica/dodatak i kompozit pri optereenju biva razoren (voda djeluje i kao mazivo te olakava uzajamno klizanje povrina matrica/dodatak).

MMC Uzrok degradacije MMCa mogu biti visoke proizvodne temperature pri kojima je talina

materijala matrice u kontaktu s dodatkom. Pri visokim temperaturama, na dodirnim povri-nama matrica/dodatak, mogu se odvijati brze kemijske reakcije koje ili oteuju materijal do-datka ili ga ine podlonim tetnim djelovanjima okoline. Ove tetne posljedice mogu se po-javiti i uslijed protjecanju elektrine struje kroz kompozit (tijekom njegove upotrebe) , priemu dolazi do brzog odvijanja elektrokemijskih reakcija na dodirnim povrinama matrica/dodatak.

CMC Posebnu panju treba posvetiti koroziji elika kao dodatka armiranom betonu.

08 Kompoziti 179

8.2 Kompoziti s esticama Neka se svojstava kompozita s esticama mogu predvidjeti na temelju zakona o ouva-

nju mase. Na primjer, gustoa je kompozita s esticama: mc = mi Vcc = V i i ,

c = i i , (i = Vi/VK) . 8.2.1 Vrste kompozita s esticama

Kompoziti s esticama se bitno razlikuju prema: (a) materijalu matrice (PMC, MMC, CMC) i (b) veliinama dodatih estica (dispergirane/velike).

8.2.2 Svojstva kompozita s esticama Dispergirane estice se dodaju matrici kako bi se poboljala mehanika svojstva mate-

rijala (prilagodila potrebama). Dimenzije su dispergiranih estica 10 250 nm, a svojom prisut-nosti ometaju gibanje dislokacija matrice te je na taj nain ojaavaju. Kompoziti s dispergira-nim esticama zbog toga se nazivaju disperzijski ojaanim kompozitima.

Za uinkovito ometanje gibanja dislokacija matrice moraju dispergirane estice biti tvr-de (npr. oksidi metala), a uinak ojaanja osim o tvrdoi ovisi i o:

dispergiranih estica. U materijalu matrice se dispergirane estice ne smiju otapati niti s njom kemijski reagirati, ali estice moraju biti vrsto povezane s materijalom matrice.

Velike estice se dodaju kako bi se smanjila cijena materijala. Dodane velike estice ne mogu uinkovito sprijeiti gibanje dislokacija matrice te na taj nain ne ojaavaju matricu. Pri optereivanju kompozita jednako se deformiraju matrica i dodane estice (K = m = ), ali se u matrici i dodanim esticama javljaju razliita naprezanja (m = ). Modul elastinosti kompozita kree se u granicama:

gornja: EK,Max = Emm + Emm , donja: EK,min = m

m m m

E EE E

.

180 MATERIJALI

FK = Fm + F EK,Max

FK = Fm = F EK,min

8.2.3 Primjena kompozita s esticama Beton formiraju keramika matrica (relativno skupa) i dodane krupne keramike estice

(relativno jeftine). Matrica koja povezuje estice naziva se cementom (portland-cement), a kao do-datak se koriste pijesak i ljunak. Za postizanje optimalne vrstoe i oblikovanja smjesa mora sadrati odgovarajue udjele dodatka, u pravilu, 60 80 %. Gusto pakirana struktura i dobri uzajamni kontakti postiu se s dvije dimenzije dodatka sitnije estice pijeska popunjavaju prostore izmeu krupnijih estica ljunka. Formiranoj smjesi dodaje se odgovarajua koliina vode. Vezivanje je nepotpuno ako je koliina dodane vode premala, a ako je prevelika, formi-ra se prekomjerno porozan beton. Tijekom skruivanja betona odvija se kemijska reakcija:

2 CaO-SiO2 + x H2O 2 CaO-SiO2-x H2O .

Prednosti Mane niska cijena formiranje iz komponenata i lijevanje na gradi-

litu skruivanje pri atmosferskim uvjetima, a i pod

vodom velika Rm,t , HV i E

mala Rm (10 15 puta manja od Rm,t) krhkost velike , i prskanje povrinskih slojeva pri

kvaenju i smrzavanju

vrstoa betona se poveava: ojaanjem elinom "armaturom" icama (D < 12 mm), ipkama (D > 12 mm),

mreama i profilima. Armature se postavljaju u beton prije njegovog skruivanja; uvoenjem prednapetosti postavljena se elina armatura prije skruivanja optereti

na vlak (ispod granice elastinosti elika). Nakon skruivanja betona armatura se rastereti i ona pri svom skupljanju povlai za sobom skrueni beton uspostavljajui u njemu trajnu tlanu napetost.

Metalni matrini kompoziti s esticama Metalnoj se matrici (mala , velika ) za postizanje potrebnih svojstava dodaju estice

keramike (velika Rm,t , HV, E i otpornost na troenje, a ta svojstva zadravaju i na povienim temperaturama). Najee se kao matrice koristi Al legure za lijevanje s dodatkom 10 30 % volumnih SiC ili Al2O3 estica veliina 10 20 m. Formirani su kompoziti jeftini, mogu se lijevati i zavarivati, a relativno su im dobre obradivosti plastinom deformacijom i rezanjem. Koriste se za izradu dijelova konica, motora i mjenjaa motokotaa i automobila.

08 Kompoziti 181

Abrazivi Brusne i rezne ploe proizvode se iz dodatih, manje ili vie sitnih, vrlo tvrdih i krhkih

reznih estica aluminijevog oksida (Al2O3), silicij karbida (SiC) i kubinog bor nitrida (BN), povezanih staklenom ili polimernom matricom u krutu plou. Dijamantne se estice povezuju metalnom matricom. Kod brusnih i reznih ploa moraju estice i matrica biti dobro uzajamno povezane (kako se estice optereene silama rezanja ne bi otkidale od matrice), a njihovi udjeli takvi da istroene estice mogu zamijeniti nove estice iz dubljih slojeva ploa.

Tvrdi metal

Tvrde metale formiraju estice tvrde keramike, na primjer WC, rasprene u metalnoj matrici, na primjer Co. Sam WC je vrlo tvrd, ali krhak, te se od njega ne mogu izraivati ploice za obradu metala rezanjem. Pri proizvodnji volfram-karbidnih/kobaltnih ploica za rezanje metala:

mijeaju se prahovi WC i Co, formirana smjesa se prea u kompaktne ploice i ploice se griju iznad talita Co.

Po hlaenju se dobiva konani proizvod tvrda i ilava ploica. Elektrini kontakti

Nedovoljno kvalitetni elektrini kontaktni dijelovi (sklopke, releji) ostvaruju slabe elektrine kontakte, griju se, troe i iskre. Kako za izradu dovoljno kvalitetnih elektrinih kontaktnih dijelova nema homogenog materijala pogodnih svojstava, potrebno je formirati kompozit. Kompozit pogodnih svojstava formira se s metalnom matricom od Ag koja povezuje metalni dodatak estice W. Ag ima oko 4 puta manju e0 i oko 3 puta veu od W, a W oko 30 puta veu Rm,t , oko 15 puta veu HV, te oko 3 puta viu tt od Ag. U

182 MATERIJALI

proizvodnji elektrinih kontaktnih dijelova, prvo se pod tlakom, pri visokoj temperaturi, izrauju ploice od praha W. Formirane se ploice uranjaju u talinu Ag koja popunjava raspoloive pore.

ajee smanjiti cijenu, dodatkom jeftinijih estica CaCO3 , SiO2 , gline ili staklenih kuglica.

Polimerni kompoziti s esticama Dodatkom se mogu poboljati razliita svojstva polimernih matrica, n

8.3 Kompoziti s vlaknima

8.3.1 Vrste kompozita s vlaknima Kompoziti s esticama bitno se razlikuju prema:

(a) materijalu matrice (PMC, MMC, CMC),

(c) usmjerenosti (usmjerena, neusmjerena).

8.3.2 Svojstva kompozita s vlaknima

nkcija, od kojih su neke kljune za pos-tizanj i dijela/sustava.

vlakna i na njih prenosi optereenje, te osigurava oblik i krutost kon-

oja se ne mogu samostalno optereivati, te se na taj nain

nain potie proizvodnju dijelova u ko-

rava zatitu ojaavajuih vlakana od kemijskih utjecaja i mehanikih oteiva-

svojstvima i kompatibilnou s vlaknima u velikoj mjeri utjee na vid otee-nja.

(b) duljinama vlakana (duga, kratka) i

Matrica i vlakna Materijal matrice u pravilu mora ispuniti vie fue zadovoljavajuih performansOsnovni su zadaci matrica:

objedinjavastrukcije,

izolira pojedinana vlakna kusporava irenje pukotine,

osigurava dobru kvalitetu povrine, te na tajnanom obliku ili blisko konanom obliku,

osigunja,

svojom duktilnou polimerna matrica (plastomeri) poveava ilavost kompozita, svojim

08 Kompoziti 183

Osnovni su zadaci vlakana: prihvat optereenja kod konstrukcijskih kompozita vlakna nose 70 90 % optere-

enja, osiguranje vrstoe, krutosti, toplinske stabilnosti, osiguranje elektrine vodljivosti ili izolacije, ovisno o namjeni kompozita.

Najire se koriste kompoziti s polimernom matricom i vlaknima te treba usporediti nji-hove karakteristike s karakteristikama tipinih predstavnika drugih vrsta materijala.

Materijal /kgdm3 E/kNmm2 Rm/Nmm2 (E/)/MJkg1 (Rm/)/kJkg1 tMax/C Metali lijevano eljezo 7,0 100 0,14 14,3 0,02 230300 ugljini elik 7,8 205 0,57 26,3 0,073 500650 legirani aluminij 2,7 73 0,45 27,0 0,17 150250

Polimeri poliamid 6 1,15 2,9 0,082 2,52 0,071 75100 polipropilen 0,9 1,4 0,033 1,55 0,037 5080 epoksid 1,25 3,5 0,069 2,8 0,055 80215

Keramike Al2O3 3,8 350 0,17 92,1 0,045 14251540MgO 3,6 205 0,06 56,9 0,017 9001000

K , kratka vlakna epoxid / 35 % staklo 1,90 25 0,30 8,26 0,16 80200 poliester / 35 % staklo 2,00 15,7 0,13 7,25 0,065 80125 poliamid / 35 % staklo 1,62 14,5 0,20 8,95 0,12 75110

K , usmjerena vlakna epoxid / 45 % staklo 1,81 39,5 0,87 21,8 0,48 80215 epoxid / 61 % ugljik 1,59 142 1,73 89,3 1,08 80215 epoxid / 53 % aramid 1,36 63,6 1,1 47,1 0,81 80215

Karakteristike su najee koritenih vlakana:

Materijal /kgdm3 E/kNmm2 Rm/kNmm2 (E/)/MJkg1 (Rm/)/MJkg1Viskeri grafit, C 2,2 700 20,7 318 9,41 silicij-nitrid, Si3N4 3,2 350380 57 109118 1,562,2 aluminij-oksid, Al2O3 4,0 7001500 1020 175375 2,55,0 silicij-karbid, SiC 3,2 480 20 150 6,25

Vlakna aluminij-oksid 3,95 379 1,38 96 0,35 aramid (Kevlar 49) 1,44 131 3,64,1 91 2,52,85 ugljik 1,782,15 228724 1,54,8 106407 0,702,70 E-staklo 2,58 72,5 3,45 28 1,34 bor 2,57 400 3,6 156 1,40 silicij-karbid 3,0 400 3,9 133 1,30 PE-UHMW (Spektra 900) 0,97 117 2,6 121 2,68

Metalna ica visoko-vrsti elik 7,9 210 2,39 26,6 0,30 molibden 10,2 324 2,2 31,8 0,22 volfram 19,3 407 2,89 21,1 0,15

Najire se koriste staklena vlakna E-staklo (wi/% = 52 56 SiO2 , 16 25 CaO, 12 16 Al2O3 , 5 10 B2O3). S-staklo (wi/% = 64 66 SiO2 , 24 26 Al2O3 , 9 11 MgO). Bez napomene se podrazumijeva E-staklo. Uobiajeni su promjeri vlakana 10 150 m.

184 MATERIJALI

Karakteristike kompozita s vlaknima u velikoj mjeri ovise i o duljini vlakana i o kutu pravca pod kojim djeluje optereenje u odnosu na pravac vlakana. Na primjer, kod epoksidne matrice s E staklenim vlaknima:

Vea koliina vlakana u pravilu poveava Rm i E formiranog kompozita pravilo ne vrijedi za v > 80 %, jer pri tako visokim postocima nisu sva vlakna okruena s matrinim materijalom. Poboljanje svojstava kompozita postie se pogodnim tkanjima vlakana, na primjer:

jednostavno tkanje jednostavno 45 saten saten 45 2/2 keper

8.3.3 Primjena kompozita s vlaknima Primjeri su postupaka proizvodnje s vlaknima:

SMC Sheet Molding Compound , SRIM Structural Reaction Injection Molding BMC Bulk Molding Compounds , RTM Resin transfer molding

Runo polaganje Proizvodi od vlaknima ojaanih polimera prvobitno su izraivani postupkom runog po-

laganja, a postupak se i danas koristi u izradi plovila i modela.

08 Kompoziti 185

Kod runog polaganja se na povrine izraenog kalupa nanose: (a) odvaja (olakava

vaenje proizvoda iz kalupa) i (b) materijal matrice. Potom se polae sloj ojaanja pogodno oblikovanih vlakana (npr. satenska tkanja staklenih vlakana) i ponovo se valjkom nanosi sloj materijala matrice uz uklanjanje pora (zrak) valjanjem. Nadalje se izmjenino nanose slojevi ojaanja i matrice sve do postizanja zahtijjevane debljine stijenke proizvoda.

Kod suvremenih se postupaka proizvodi od vlaknima ojaanih polimera oblikuju u dvostrukim kalupima ili u zatvorenim kalupima s uloenim pogodno formiranim zranim jastucima.

Poltrudiranje Dugi proizvodi nepromjenjivoga poprjenog presjeka (tapovi, profili, cijevi) izrauju se

poltrudiranjem.

Optika vlakna Optika su vlakna formirana od tri sloja: (a) jezgra od stakla velike istoe i velikog in-

deksa refrakcije, (b) prevlaka od stakla manjeg indeksa refrakcije koje titi jezgru od zareza i drugih nesavrenosti povrine i (c) obloga od polimera koje titi optiko vlakno od oteenja.

186 MATERIJALI

Kako je indeks refrakcije jezgre vei od indeksa refrakcije prevlake, to e se svjetlost gibati kroz jezgru jer se u potpunosti odbija od granine povrine jezgra/prevlaka. Potpuno odbijanje i istoa stakla jezgre omoguavaju duge putove svjetlosti uz male gubitke njenog intenziteta.

8.4 Strukturni kompoziti Strukturne kompozite, u pravilu, formiraju homogeni materijali i kompoziti, a svoj-

stva im ne ovise samo od svojstava i koliina komponenata nego i od geometrijskih oblika obuhvaenih dijelova.

8.4.1 Slojeviti kompoziti Slojeviti kompoziti su formirani od slojeva razliitih vrsta, karakteristika i debljina.

Proizvodi izraeni od slojevitih kompozita mogu biti jednostavni, kao to je npr. kompaktni disk (CD), te vrlo komplicirani, kao to su npr. skije za snijeg.

1. vrh skije homogeni polimer, ABS, obloga, estetika; 2. dvosmjerni sloj UP sa staklenim vlaknima 45, torzijska krutost; 3. strana homogeni polimer, ABS, obloga, estetika; 4. jednosmjerni sloj UP sa staklenim vlaknima 0 (neto malo 90), uzduna krutost; 5. jezgra homogeni polimer, PUR, punilo; 6. obloga jezgre dvosmjerni laminat, UP, torzijska krutost i povezivanje vanjskih slojeva; 7. priguni sloj homogeni polimer, PUR, poveava otpornost titranju; 8. rub ovrsnuti elik, omoguava skretanje sjeenjem snijega; 9. osnova stlaeni ugljik u polimernoj matrici, tvrdoa, otpornost na abraziju.

Najee se sreu povrinski slojevi kojima se osiguravaju eljena svojstva povrina di-jelova/sustava (tvrdoa, otpornost na troenje i koroziju, poboljanje izgleda) koja nema osnovni mate-

08 Kompoziti 187

rijal. Povrinski se slojevi nanose postupcima prskanja, sol-gel postupcima i kemijskim napa-ravanjem (CVD).

8.4.2 Stanini kompoziti Staninu (elijsku) strukturu formiraju sjedinjene elije s tankim krutim stjenkama (matri-

ca), ispunjene plinom (dodatak). elije mogu biti otvorene i zatvorene. Keramike pjene

Poroznost je keramikih pjena 75 90 %, te su niske i , velike specifine povrine i specifine vrstoe te velike kemijske i toplinske otpornosti.

Primjenjuju se za izradu konstrukcijskih dijelova letjelica, filtara izloenih djelovanju agresivnih kemikalija i/ili visokih temperatura, podloga za katalizatore.

Metalne pjene

Poroznost je metalnih pjena 40 90 %. Najvie se koriste aluminijske pjene niskih i , visoke krutosti. Dobro priguuju vibracije i zvukove. Koriste se za izradu konstrukcijskih dijelova vozila i letjelica.

Polimerne pjene Polimerne pjene s otvorenim elijama su fleksibilne, a pjene sa zatvorenim elijama

krute. Karakteristino su im niske i . Za dobivanje pjena koriste se:

plastomeri PS, PE, PMMA i duromeri PUR, UP.

Najee se koristi polimerna PS pjena "stiropor", za toplinsku izolaciju graevina i pakira-nje proizvoda osjetljivih na udare. Za poboljanje svojstava polimernoj se matrici dodaju raz-liiti aditivi, npr. za poboljanje vatrootpornosti i vrstoe.

8.4.3 Sendvi-konstrukcije Sendvi konstrukcije ukljuuju sloene trodimenzionalne dodatke jezgre (vlakna su

jednodimenzionalna, slojevi dvodimenzionalni), namijenjene prije svega poveanju vrstoe i krutosti pri savojnom i sminom poprenom, te lokalnom tlanom optereenju. Jezgre su s obje strane vezane za oblogu. Poznat je primjer sendvi konstrukcije valoviti kartonski papir s obje strane valovite jezgre zalijepljen je ravni papir vee debljine (karton).

sendvi-konstrukcija valovita jezgra sae aluminijska pjena

Sendvi konstrukcije se koriste za izradu dijelova zgrada (toplinska i zvuna izolacija

krovovi, zidovi, podovi, vrata), dijelova vozila (ukruenje pragovi, stupovi, branici) i letjelica (veliki Rm/ i E/ krila, usmjerivai zraka, elise).

8.1 Osnove kompozita 8.1.1 Graa kompozita Kompoziti s dodatkom estica Kompoziti s dodatkom vlakana Strukturni kompoziti

8.1.2 Karakteristike kompozita Karakteristike kompozita

8.1.4 Degradacija kompozita PMC MMC CMC

8.2 Kompoziti s esticama 8.2.1 Vrste kompozita s esticama 8.2.2 Svojstva kompozita s esticama8.2.3 Primjena kompozita s esticama Metalni matrini kompoziti s esticama AbraziviTvrdi metal Elektrini kontaktiPolimerni kompoziti s esticama

8.3 Kompoziti s vlaknima 8.3.1 Vrste kompozita s vlaknima 8.3.2 Svojstva kompozita s vlaknimaMatrica i vlakna

8.3.3 Primjena kompozita s vlaknima Runo polaganje Poltrudiranje Optika vlakna

8.4 Strukturni kompoziti 8.4.1 Slojeviti kompoziti 8.4.2 Stanini kompoziti Keramike pjene Metalne pjene Polimerne pjene

8.4.3 Sendvi-konstrukcije