Embed Size (px)
Citation preview
Полимерни композитни материали
Определение за композит
Многофазна система изградена от два или повече компонента, която съчетава, но в същото време превъзхожда свойствата на отделни фази (на изходните материали), постига се синергичен ефект. Този ефект се осъществява посредством строго дефинирано разпределение на компонентите в обема на композитния материал.
Природни композити – органични (цялата флуора и фауна, графит, диамант) и неорганични (руди, скали, камъни) В зависимост от размера на фазите – макро-, микро- и нано-композити.
Изграждащите го фази са физически и механически разделяеми материали.
Получават се чрез контролирано диспергиране (разпределение) на единия материал (фаза) в другата, за да се постигнат оптимални свойства.
Притежават по-добри и нови уникални свойства спрямо изходните материали (синергизъм).
Показват по-добри параметри отнесени към единица тегло на материала (специфични свойства).
Основни характеристики на композитните материали
Основни компоненти на полимерните композити
1. Дисперсна среда (матрица) - видове
2. Диспергирана фаза (усилващи елементи)
3. Междуфазова повърхност
1
3
2
• Роля на компонентите във формиране на свойствата на композита.
• Механичните свойства се предопределят от:
- обемното количество, разпределението, ориентацията и размера на диспергираната фаза (усилващия компонент),
- междуфазовите взаимодействия (химични и физични) на междуфазовата повърхност, т.е. от адхезията между компонентите.
Композитен материал
Матрица(Matrix)
Усилващи елементи(Reinforcing Phase)
Полимер Метал Керамика Архитектура Material
Термореак-тивни (Thermoset)
ТермопластиThermoplastic
EpoxyPolyesterPhenolics
PPPETPBTPAPCPESPEEK…
GlassCarbonAramidCeramicsNatural…
Прекъснати Непрекъснати
• Частици• Дълги влакна• Къси влакна • UD• Текстил
Технологична класификация на композитите
ненаситени смоли
Полимерни композити
Усилени с частички Влакнесто усилени Сруктурни композити
Дисперсионно, нано-усилени
Непрекъснати (подредени)
Дълги и къси влакна
Ламинати Панели
Ориентирани в една посока
Случайно ориентирани
Усилени с големи частии
Технологична класификация полимерните композити
Дисперсна среда:
ПОЛИМЕРНИ МАТРИЦИ
• Термореактивни полимери (Thermoset) – ненаситени полиестерни и епоксидни смоли• Еластомери (каучуци)
• Термопластични полимери (Thermoplastic). Биват аморфни, течнокристални и частично кристални.
Структура на различни видове полимери
Термопласти
Физични връзки(преплитания)(Топими, разтворими)
здрарви химичнивръзки м/у молекулите
ТермореактивниЕластомери
слаби химичнивръзки м/у молекулите
Функции на матрицата
Основен компонент на композитния материал.
Среда, през която се пренася и разпределя външното приложено напрежение.
Предпазва усилващите елементи от абразивното действие на околната средата и ги предпазва от химични реакции.
Разделя усилващите елменти един от друг и ги предпазва от пряк механичен контакт м/у тях.
Между матрицата и усилващите елементи трябва да има много силни адхезионни сили.
Диспергирана фаза (усилващи елементи)
• Влакна – къси, дълги и непрекъснати
• Частици с микро- и нано-размери
СТЪКЛЕНИ ВЛАКНА
Якост MPa 3500E-Modul MPa 80000Деформация % 4
Плътност g/cm3 2,54Коефициент на термичноразширение
10-6/K 5
-+
СилицииКислородНатрии
-
-
-+
+
+
ровинг повингова тъкан къси влакна≈ 0.6 mm
мат филаментна тъкан дълги влакна
≈ 5 – 24 mm
ТУРБОСТРАТИЧЕН
ГРАФИТ
Source: The Japanease Carbon Fiber Manufacting Associationhttp://www.carbonfiber.gr.jp/english/
Chopped fiber Felt, Mat
Braid
Woven fabric
Filament Tow
КЕВЛАР(Поли-парафенилен терефталат
амид)
Ароматните ядра на Kevlar-а имат радиална ориентация (като на спица на колело) което определя много висока степен на симетрия и регулярностна вътрешната структура на влакната. Именно тази регулярност, наподобяваща кристалност, е най-силно допринасящият фактор за якостта на. Kevlar-а.
Арамидни влакна
3500150000
48
1,45-452
Якост MPaМодул на еластичностMPaДеформация %Диаметър µmПлътност g/cm3
Коефициент на терм. 10-6/Kразширение
II
Органични влакна с течнокристална нематична мезофаза.
O N
O
N
O
H
H
O N
O
N
O
H
H
Kevlar 29 – притежава висока якост и нисък модул на
еластичност
Kevlar 49 – притежава висока якост и висок модул на
еластичност
• Молекулите са свързани с водородни връзки и образуват агрегати от паралелно разположени ламели, т.е. формират се твърди двуразмерни листове.
• Последните се подреждат във форма на радиална система.
Свойствата на композита са функция на количеството и геометрията на диспергираната фаза – размер на частиците, форма на частиците, разпределение и ориентация.
Функция на усилващата фаза
В зависимост от размера на усилващите компоненти, полимерните композити се делят на:
- макро
- микро
- нано
Влакнесто – усилени полимерни композити
Полимерна матрица (колаген)• Фиксиране на влакната• Превежда усилието до
влакната• Предпазва влакната
Влакно• Поема външното
натоварването
• Природен
м
матрица
вл
влакно
композит
к
Механични свойства
Влакна
Матрица
+ = Композит
Свойства на композит с непрекъснати влакна подредени в една посока
Натоварване в посока 1 = паралелно на влакната
Модул на еластичност на композита Ec1
1
2
3
EfEm
AfAm
Em = Модул на матрицатаEf = Модул на влакната Am = Повърхност (обем) на матрицатаAf = Повърхност (обем) на влакната
F
1
2
3
EfEm
AfAm
F
1
2
3
EfEm
AfAm
F
)1(1 fmffC vEvEE
Еластичен модул нормално
(напречно) на влакната E2
1
2
3
EfEm
AfAm
11
f
mf
m2
EE
v
EE
F
1
2
3
EfEm
AfAm1
2
3
EfEm
AfAm
Свойства на композит с непрекъснати влакна подредени в една посока
Натоварване в посока 2 или 3 = нормално на влакната
Em = Модул на матрицатаEf = Модул на влакната Am = Повърхност (обем) на матрицатаAf = Повърхност (обем) на влакната
Усилващ ефект на влакната при натоварване успоредно на посоката на
влакната
Деформация
На
пр
еж
ени
е
Влакна
Композит
Матрица
mB fB=Bll
Деформация
Нап
реж
ени
е
Влакна
Композит
Матрица
B mB
Усилващ ефект на влакната при натоварване перпендикулярно на посоката
на влакната
СТРУКТУРИРАНИ КОМПОЗИТИ
Композити при които експлотационните качества зависят от свойствата на компонентите, геометричния дизайн и ориентация на усилващите елементи.
• Ламинати – композити изградени индивидуални слоеве с едноосно ориентирани непрекъснати влакна. Слоевете се наслагват и прикрепят един върху друг чрез стапяне на полимерната матрица. [0]n, [0,90,0]s, [0,+45,90,-45,0].
• Сандвичови панели – изградени от здрави външни слоя, разделени от друг материал.
• Thermoforming of a sandwich structures
Heating Transport Thermoforming Demoulding
• A collapse of the core material due to an overheating must be prevented.
• An optimised joining between the face sheets at the end tails is necessary.
Bildquellen: DaimlerChrysler AG, AMG, SMC-Alliance, FACT GmbH, Composites World
DaimlerChrysler AG
Innenverkleidung (Thermoformen)
Außenverkleidung (Fließpressen)
Strukturbauteile(Fließpressen)
Source: K. Arnegger, Mann & Hummel, KL 2004
Source: K. Arnegger, Mann & Hummel, KL 2004
Horizontal Tail Plane
Floor Beamsfor Upper Deck
Rear Pressure Bulkhead
Outer Flaps
Vertical Tail Plane
J-Nose
Center Wing Box
Section 19
GLARE®
Section 19.1
Belly Fairing
Wing Ribs
Ref: Klenner, Kaiserslautern, 04/2003
МЕЖДУФАЗОВА ПОВЪРХНОСТ
• Роля – предаване на външното въздействие от матрицата към усилващите елементи
• Взаимодействието и връзката (адхезията) между двете фази зависят от химичния и физичен им състав, т.е. междуфазовата повърхност е специфична за всяка композитна система
• Адхезия – устойчивостта (съпротивлението), която две фази проявяват при разделянето им под действието на физично поле (механично или термично)
• Адхезията е в резултат на всички връзки, възникнали следствие на промяната на свободната енергия на граничната повърхност
• W = λ1 + λ2 - λ12 (1)
W – термодинамичната работа на адхезията
λ1 и λ2 – повърхностната свободна енергия на двете фази
λ12 - повърхностната свободна енергия между двете фази
• Адхезията е пряко свързана с адсорбцията и омокрянето
• Адсорбцията възниква следствие физични взаимодействия между атомите на двете фази. Изразява се с повишаване на концентрацията на даден компонент близо до разделителната повърхност
твърдо
пара
λSL
λSV
λLV
течно
А
θ
λSV = λSL + λLV cos θ (2)
λSV, λSL, λLV - повърхностна
свободна енергия (сила)
θ – контактен ъгъл (при θ = 0 – пълно омокряне)
Заместваме: λ1 = λSV , λ2 = λLV , λ12 = λSL
WA = λSL + λLV – λSL -
WA - физична връзка, формирана от междумолекълните
дисперсионни сили
z
y
x
Матрица: Термопластична матрица55 ... 70 тегл.-%; 75 ... 90 обем.-%
Влакно
Междуфазова повърхностInterphase
Полимер
Морфология на стъкло – усилен полимерен композит
влакна:30 ... 45 тегл.-%; 10 ... 25 Vol.-%
