Mašinski/tehnički Materijali Kompozitni materijali...Razvoj ovih materijala proizišaoje iz potrebe da se kod mnogih konstrukcija postigne štovećajačinai krutost, a uz to smanji

Mašinski/tehnički materijali - Dr Marko Pantić 1

Mašinski/tehnički Materijali

Kompozitni materijali

Definicija: Kompozitni materijali ili ukratko kompoziti su dobijeni

veštačkim spajanjem dva ili više materijala različitih svojstava s ciljem dobijanja

materijala takvih svojstava kakva ne poseduje niti jedna komponenta sama za

sebe. Tim putem mogu se postići neobične, odnosno kod drugih materijala

neuobičajene kombinacije svojstava, kao što su krutost, čvrstoća, težina,

ponašanje pri visokim temperaturama, hemijska postojanost (antikorozivnost),

tvrdoća ili provodnost (električna i toplotna).

Kompoziti mogu biti:

metalno-metalni,

metalno-keramički,

metalno-polimerni,

keramičko-polimerni,

keramičko-keramički,

polimerno-polimerni,

polimerno-metalni.

Razvoj ovih materijala proizišao je iz potrebe da se kod mnogih konstrukcijapostigne što veća jačina i krutost, a uz to smanji težina.

Značajan razvoj i primena kompozitnih materijala je počela oko1950. god.Danas se godišnje proizvodi oko 10 miliona tona sa povećanjem oko 5÷10 %

godišnje.Mašinski/tehnički materijali - Dr Marko Pantić 2

Osnovna svojstva grupa materijala:

• metali – čvrsti, duktilni, u pravilu teški

• polimeri – slabi, jako duktilni, laki

• keramike – tvrde, krte, stabilne pri visokim temperaturama, lake.

Kompoziti mogu istovremeno postići:

visoku čvrstoću, visoku krutost i malu masu, otpornost na različite medije i druge

kombinacije svojstava.

ZAŠTO KOMPOZITNI MATERIJALI?

Matrica Ojačivač Kompozit

+ =


Kompoziti se sastoje iz:• osnove (matrice)

metal, keramika, polimer.

• materijala za ojačavanje (ojačavača). čestice, vlakna

Kompozitni materijali mogu da budu:• izotropni (ista svojstva u svim pravcima),• anizotropni (različita svojstva u različitim pravcima).

matrica – osnovni materijal određenih svojstava

dodatak – materijal čijim se dodavanjem postižu potrebne kombinacije svojstava kompozita


Kоnstituеnti kоmpоzitа mоgu biti rаznоrоdni mаtеriјаli: nеmеtаli, kеrаmikе

i stаklа, mеtаli i lеgurе, pоlimеri. U zаvisnоsti оd vrstе kоnstituеntа imаmо:

• kompoziti s metalnom matricom – MMC (en. Metal Matrix Composites)

• kompoziti s keramičkom matricom – CMC (en. Ceramic Matrix Composites)

• kompoziti s polimernom matricom – PMC (en. Polymer Matrix Composites)

Prema matrici Prema dodatku

Kompoziti se mogu sistematizovati prema

matrici i prema dodatku na više načina:


МАТRICА

Mеtаlnа Pоlimеrnа Kеrаmičkа Uglјеničkа

ОЈАČ

IVАČ

Mеtаlni mеtаlnо-mеtаlni

pоlimеrnо-mеtаlni

kеrаmičkо-mеtаlni

uglјеničkо- mеtаlni

Pоlimеrni mеtаlnо-pоlimеrni

pоlimеrnо-pоlimеrni

kеrаmičkо-pоlimеrni

uglјеničkо- pоlimеrni

Kеrаmički mеtаlnо-kеrаmički

pоlimеrnо-kеrаmički

kеrаmičkо-kеrаmički

uglјеničkо- kеrаmički

Uglеnički mеtаlnо-uglјеnički

pоlimеrnо-uglјеnički

kеrаmičkо-uglјеnički

uglјеničkо-uglјеnički

Моgući оdnоs mаtricа-ојаčivаč dаје mоgućnоst dа sе kоmpоzitni mаtеriјаli

prikаžu i nа nаčin dаt u tаbеli.

Оdnоs mаtеriјаlа

mаtricе i ојаčivаčа

Kоmpоzit оpšti nаziv dоbiја prеmа imеnu mаtricе. U tаbеli sе vidi dа pоstојi

16 mоgućih pоdgrupа, аli је zbоg rаzličitih оsоbinа i rаzličitоg pоnаšаnjа grupа

mаtеriјаlа оvај brој nеštо mаnji.


Uоpštеnо pоsmаtrаnо оsоbinе kоmpоzitа zаvisе оd:

• svојstavа kоnstiutеnаtа tј. mаtricе i ојаčivаčа,

• vеličinе i rаspоdеlе kоnstituеnаtа,

• zаprеminskоg udеlа kоnstiutеnаtа,

• оblikа kоnstituеnаtа,

• prirоde i јаčine vеzа izmеđu kоnstituеnаtа.

Prеtеžnе оsоbinе grupа kоmpоzitnih mаtеriјаlа

Svојstvо Kоmpоziti

mеtаlni pоlimеrni kеrаmički

Gustinа [g/cm3] 2-16 1-2 2-17

Теmpеrаturа tоplјеnjа [oC] 200-3500 70-200 2000-4000

Тоplоtnа prоvоdlјivоst visоkа niskа srеdnjа

Тоplоtnо izdužеnjе srеdnjа visоkа niskа

Spеcifični tоplоtni kаpаcitеt nizаk srеdnji visоk

Еlеktričnа prоvоdlјivоst visоkа vrlо niskа vrlо niskа

Zаtеznа čvrstоćа [MPa] 100-2500 30-300 10-400

Моdul еlаstičnоsti [GPa] 40-400 0,7-3,5 150-450

Тvrdоćа srеdnjа niskа visоkа

Оtpоrnоst nа kоrоziјu srеdnjа-slаbа dоbrа-srеdnjа dоbrа

Upоrеdnа svојstvа kоmpоzitnih mаtеriјаlа


Diskretne jednolično raspoređene čestice – tvrd i krt materijal, obavijene mekanijom

i duktilnijom matricom. Struktura liči na onu kod mnogih dvofaznih disperzijski

ojačanih metalnih legura. Ipak, kod kompozita se za ugradnju dispergovanih čestica

ne primenjuje transformacija faza.

Čestice su najčešće od oksida, nitrida i karbida, kao npr.: Al2O3, SiC, BN, ZrO2,

TiC, ThO2, SiO2, WC, B4C itd.

Cu kompozit ojačan dispergovanim česticama B4C

Kompoziti s česticama

Gradjevinski materijal – Beton (pesak – cement),

Kermeti: WC, TiC (čestice) – Co, Ni, čelici (matrica),

Brusni materijal (tocila za brušenje i sečenje): Al2O3, SiC, BN i dijamant (čestice)

– polimerni materijali (matrica),

Elektrokontakti: W (čestice) – Ag, Cu (matrica), itd.

Beton


Kod vlaknima ojačanih kompozita dolazi do izražaja poboljšanje čvrstoće,

žilavosti, krutosti, kao i povećanja odnosa “čvrstoća/gustina” usled ugradnje

čvrstih, krutih i krtih vlakana u mekaniju, duktilniju matricu.

Dva značajna svojstva vlakana su visoka toplotna stabilnost i kontrolisana

rastegljivost pri povišenim temperaturama.

Vlakna se razlikuju prema:

vrsti,

dužini,

prečniku,

orijentaciji i

hibridizaciji.

Vlaknima ojačani kompoziti spadaju u

grupu anizotropnih materijala budući

da imaju znatno bolja svojstva u smeru

vlakana.

Vlaknima ojačani kompoziti

Vlakna nose opterećenje, zbog visoke čvrstoće mogu zaustaviti širenje pukotine i u

mikro području.


Vlaknima ojačani kompozitni materijali

Načini orijentacije vlakana

Različita tkanja


Koriste se:

Staklena vlakna

• E – staklo (električno - borosilikatno staklo)

• S – staklo (visoke jačine - magnezijum-aluminijum oksid-silikat staklo)

Ugljena vlakna izrađuju se iz katrana dobijenog rafinacijom nafte ili suvom

destilacijom uglja

• HS – visoke čvrstoće (93-95%C – ugljena vlakna)

• HM – visokog modula (99%C – grafitna vlakna)

Aramidna vlakna (Kevler) su aromatični poliamidni polimer ojačan benzolovim

prstenom

• Kevler 29 – balistička zaštita, užad, kablovi

• Kevler 49 - za vazdušno-kosmičku primenu, brodove, automobile

Borna vlakna sastoje se od bora koji se nanosi specijalnim postupkom na

vlakna volframa

Vrste ojačavajućih vlakana


Ostala vlakna proizvedena od:

• najlona,

• polietilena,

• silicijum karbida,

• silicijum nitrida,

• aluminijum oksida,

• volframa,

• bor karbida

• bor nitrida,

• čelika visoke čvrstoće itd.

Izbor vlakana se zasniva na zahtevima

vezanim za primenu (specifični modul,

specifična čvrstoća, žilavost, radna

temperatura…)


Kompozit ojačan sa dve ili više vrsta vlakana naziva se hibridan.

Kоmpоzit sа uglјеničnim i

аrаmidnim vlаknimа

dоbrа žilаvоst i čvrstоćа nа zаtеzаnjе оd аrаmidа;

dоbrа pritisnа i čvrstоćа nа zаtеzаnjе оd uglјеničnih vlаkаnа;

niskа gustinа аli rеlаtivnо visоkа cеnа

Kоmpоzit sа аrаmidnim i

stаklеnim vlаknimа

mаlа gustinа, dоbrа žilаvоst i čvrstоćа nа zаtеzаnjе оd аrаmidа;

zаtеznа i čvrstоćа nа zаtеzаnjе оd stаklа;

niskа cеnа

Kоmpоzit sа uglјеničnim i

stаklеnim vlаknimа

dоbrа pritisnа i čvrstоćа nа zаtеzаnjе, krutоst i niskа gustinа оd

uglјеničnih vlаkаnа;

niskа cеnа

Hibridni kоmpоziti sе dоbiјајu upоtrеbоm

višе vrstа vlаkаnа, kао ојаčivаčа u

јеdinstvеnој mаtrici. Vеlikа prеdnоst

оvаkvih kоmpоzitа је znаtnо bоlја

kоmbinаciја svојstаvа, nеgо štо је tо kоd

kоmpоzitа ојаčаnih sаmо јеdnоm vrstоm

vlаkаnа.

Pоstоје rаznе kоmbinаciје vlаkаnа i

mаtricа, аli ipаk nајčеšćе sе kоristе

uglјеničnа i stаklеnа vlаknа u pоlimеrnој

mаtrici.


Funkcija matrice

Matrica kod vlaknasto ojačanih kompozitnih materijala služi da:

• međusobno povezuje vlakna,• deluje kao posrednik koji prenosi i raspoređuje spoljna opterećenja na vlakna,• zaštiti vlakna od mehaničkih oštećenja i hemijskih uticaja sredine,• spreči širenje krtog loma od vlakna do vlakna (služi kao barijera širenju prsline),

Matrice mogu biti metalne (MMC), polimerne (PMC) ili keramičke (CMC).

Karakteristični materijali koji se najčešće koriste kao matrice:

metali: Al, Ti, Cu, Mg legure, superlegure itd.

polimeri: poliesterske smole, vinilesterske smole, epoksidne smole, PA, PP,

ABS, PPS, PEEK, PEI itd.

keramika: Al2O3, SiC, ZrO2 itd.

Kompoziti - matrice


Za vlaknasto ojačane kompozitne materijale kao materijal matrice koriste se:• Metalni materijali:

aluminijum, aluminijum-litijum, magnezijum i titan.

• Polimerni materijali: epoksidne smole - (najviše se koriste, 80% od svih polimera), poliester (jevtiniji je od epoksidne smole ali ima lošije osobine), polietarsulfani, poliamidi (za temperature od 300°C i više) i

silikoni.• Keramički materijali

Oksidna keramika; u ovu grupu spadaju Al2O3, SiO2, mulit (Al2O3/SiO2),

i Ca-aluminosilikati,

Neoksidna keramika; u ovu grupu spadaju SiC, Si3N4, BC, AlN itd.


Mašinski/tehnički materijali - Dr Marko Pantić

Vlakno-polimerna matrica

Osobine:• dobra kombinacija čvrstoće, krutosti i male mase,• dobra otpornost na zamor i puzanje,• gube čvrstoću pri relativno niskim temperaturama (iznad 70°C).

Matrica mora biti dovoljno kruta, a opet s druge strane mora biti u određenoj meri

otporna na širenje prsline.

Kontakt između vlakana i matrice mora biti dovoljno čvrst kako prilikom opterećenja

ne bi došlo do odvajanja.

Matrica mora biti otporna na utiicaj agresivnih medija.

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

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

Češće su duromerne matrice.

16

Poliesterske smole

Najčešće u primeni zbog niže cene od drugih.

Poliesteri su makromolekuli na bazi diabazičnih

kiselina (ortoftalna, izoftalna, tereftalna kiselina itd.) i

diola kao što su etilen glikol, propilen glikol, neopentil

glikol, bisfenol itd.Struktura poliester/staklena

vlakna kompozita

Vinil esterske smole

Vrlo slične poliesterskim smolama - nešto bolja

mehanička svojstva.

Otporne su na delovanje nekih kiselina, baza.

Standardne vinil esterske smole mogu se primeniti do

125 °C. Često se koriste različiti dodaci kojima se

poboljšava otpornost na delovanje UV zraka, kao i

vatrootpornost.Mikrostruktura kompozita s

vinil esterskom matricom i

staklenim vlaknima


Epoksidne smole

Vrlo dobra mehanička svojstva ali viša cena. Upravo

zbog toga se kompoziti s matricom od epoksidne smole

koriste uglavnom u vazduhoplovnoj industriji gde nešto

viša cena materijala ne igra preveliku ulogu. Vrlo dobra

otpornost na delovanje agresivnih medija i vode

(primena u brodogradnji).

Mikrostruktura kompozita s

matricom od epoksidne smole koja

je ojačana staklenim vlaknima

Matrica od poliimida

Za izradu delova koji su u svom radu izloženi visokim

temperaturama (primenjuju se do 250 °C). Ovi su

materijali takođe vrlo otporni na različite vrste kiselina i

baza, te imaju vrlo dobra mehanička svojstva.

Ostale vrste visokotemperaturnih matrica

Polifenilsulfid (PPS). (npr. izrada delova krila Airbus-a) - kao zamena za Al-

legure. Masa krila se smanjuje za oko 20 % čime se smanjuje potrošnja goriva,

poboljšava se otpornost na udarna opterećenja, te se poboljšava otpornost na

agresivne medije (gorivo, sredstvo za odleđivanje, itd.).


PRIMERI upotrebe delova od kompozitnih materijala

Plovni objekti

Stanje primene polimernih

kompozita na tržištu

SAD 2001. godine


Auto industrija


Avio i raketnaindustrija


Sportski rekviziti


Građevinarstvo


Dobra svojstva:

vrlo visoka čvrstoća i krutost uz vrlo malu gustinu, visoka toplotna i električna provodnost i

niska toplotna deformacija, vrlo dobra otpornost na habanje, vrlo dobra svojstva na visokim

temperaturama.

Loše strane:

komplikovana proizvodnja, vrlo visoka cena - cena će padati sa širenjem primene, nedovoljno

podataka o svojstvima materijala, još uvek nema dovoljno smernica za konstruisanje s ovom

vrstom materijala, loša recikličnost.

Ovi materijali su postali vrlo zanimljivi budući da se postupcima njihove proizvodnje mogu vrlo

uspešno kombinovati Al, Cu, Mg i Ti legure s karbidnim, oksidnim ili nitridnim fazama čime se

značajno poboljšavaju svojstva matrice

Vlakno-metalna matrica

24

Može se reći kako najveći udeo na tržištu MMC materijala zauzimaju kompoziti s

aluminijumskom matricom. Poznati su po skraćenici AMC (Aluminium Matrix

Composites). Udeo ojačanja u matrici ove vrste kompozita može iznositi i do 70 %.

Aluminijumska matrica može biti ojačana česticama (PAMC), viskerima ili kratkim

vlaknima (SFAMC), kontinuiranim vlaknima (CFAMC) ili pak nešto debljim nitima

(MFAMC). Dodavanjem ojačanja značajno se povećava modul elastičnosti (s 70 GPa

do čak 240 GPa), čvrstoća, krutost, otpornost na habanje, snižava se toplotna

deformacija i do 70 %.

PAMC materijali se najčešće ojačavaju keramičkim česticama oksida, karbida ili borida

(Al2O3, SiC ili TiB2).

Aluminijum ojačan TiB2 česticama

Kompoziti s matricom od aluminijumskih legura


Klipnjača napravljena od Al-legure

ojačane s Al2O3 česticama. Ona ima

puno bolja mehanička svojstva i

otpornost na zamor od čelične

klipnjače, a uz sve to ima i 42 %

manju masu.

Hondin blok motora napravljen od

kompozita s Al-matricom i Saffil

kratkih Al2O3 vlakana.

Klip od kompozita Al-legura + Saffil

vlakna.


Vlakno-keramička matrica

Osobine:

• imaju veliku čvrstoću i krutost,• otporni su na visokim temperaturama (preko 1500°C),

• veoma su krti,•Otpornost na koroziju.

Koriste se za izradu:

• komponenti mlaznih motora,• komponenti motora SUS,• delova opreme podmornica,• posuda pod pritiskom,• komponenti raznih uređaja.

Kada upoređujemo keramičke materijale s metalima, možemo reći kako oni

imaju nekoliko prednosti od kojih su najznačajnija visoka otpornost na visokim

temperaturama, te vrlo visoka otpornost na koroziju. Glavi nedostatak, koji još

uvek sprečava širu upotrebu keramike je sklonost krtom lomu.

Rešenje leži u primeni CMC → keramička matrica + keramička ojačanja.


Matrice se dele na dve osnovne vrste:

Oksidna keramika; u ovu grupu spadaju Al2O3, SiO2, mulit (Al2O3/SiO2), i Ca-

aluminoslikati. Oksidna keramika ima nešto bolju toplotnu i hemijsku stabilnost.

Neoksidna keramika; u ovu grupu spadaju SiC, Si3N4, BC, AlN itd. Neoksidna

keramika ima nešto bolja mehanička svojstva.

Takođe postoje i dve osnovne vrste ojačanja:

Prva vrsta su tzv. diskontinuirana ojačanja. U ovu grupu spadaju čestice, viskeri,

sečeni komadići vlakana itd. Neka najraširenija ojačanja jesu: SiC, Si3N4, BC,

TiB2, AlN itd. Smatra se kako ova ojačanja imaju nešto niža mehanička svojstva,

no dobra im je strana što se kompoziti mogu proizvoditi nekim od klasičnih

postupaka proizvodnje monolitne keramike, što znatno pojeftinjuje konačnu cenu

materijala.

U novije vreme za ojačanje keramičke matrice koriste se kontinuirana vlakna.

Ona imaju bolja mehanička svojstva, no dobijaju se složenijim proizvodnim

postupcima što poskupljuje konačnu cenu materijala. Vlakna se najčešće

izrađuju od sledećih materijala: Al2O3, mulit (Al2O3/SiO2), ugljenik, SiC (najčešće

se primenjuje zbog visoke čvrstoće, krutosti i toplotne stabilnosti).


Kompoziti sa SiC matricom su vrlo česti u industrijskoj primeni. Najčešći oblik

ojačanja koja se pritom koriste su kontinuirana vlakna. Neka od značajnih

svojstava ovih kompozita su: visoka toplotna provodljivost, mala toplotna

deformacija, mala masa, vrlo dobra otpornost na koroziju i habanje. Još jedno vrlo

važno svojstvo koje se pripisuje ovoj vrsti kompozita je otpornost na ekstremno

visoke temperature (1500 °C). Do toga dolazi zbog stvaranja tankog sloja oksida

na površini.

Mikrostruktura kompozita sa SiC matricom ojačanom s

kontinuiranim ugljeničnim vlaknima

Za ojačanje SiC matrice se vrlo često koriste i kontinuirana ugljenična vlakna. U

novije vreme je razvijeno nekoliko relativno jednostavnih proizvodnih postupaka

koji snižavaju cenu ovog, još uvek prilično skupog, materijala. Najštetniji deo ovih

procesa je kontakt rastopa i ugljeničnih vlakana pri čemu može doći do značajnog

sniženja čvrstoće i povećanja krtosti kompozitnog materijala.

Kompoziti sa SiC matricom


Neka od najistaknutijih svojstava jesu: visoka čvrstoća i tvrdoća, temperaturna

stabilnost, otpornost na habanje, otpornost na koroziju na povišenim

temperaturama, povišena lomna žilavost itd.

Vrlo često se za ojačanje Al2O3 matrice koriste vlakna od istog keramičkog

materijala. Prevlake na vlaknima su vrlo važne prilikom proizvodnje ove vrste

keramičkih materijala. Smatra se kako se primenom odgovarajućih prevlaka znatno

smanjuje krtost materijala. Neke od prevlaka koje se koriste: ugljenične prevlake,

BN, CeO2, ZrO2, LaPO4, BaZrO3 itd.

Mikrostruktura kompozita

s Al2O3 matricom i Al2O3

ojačanjima

Mikrostruktura kompozita s

matricom od Al2O3 i ugljeničnim

vlaknima s Ni prevlakom

Mikrostruktura kompozita koji ima

matricu od aluminijumovog oksida

koja je ojačana sa SiC česticama

dimenzija 3m

Kompoziti sa Al2O3 matricom


Rezni alati napravljeni od kompozita s Al2O3

matricom i SiC

viskerima

Ventilator za cirkulaciju vrućeg gasa

napravljen od kompozita sa SiC matricom

koji je ojačan kontinuiranim vlaknima

Kočioni diskovi Porsche-a 911 Turbo

napravljeni od kompozita sa SiC matricom

koji je ojačan ugljeničnim vlaknima

Primena kompozita s keramičkom matricom


Laminarni kompozitni proizvodi

Kompozitni materijali koji se sastoje od:

• vrlo tankih prevlaka, od različitih materijala za različite

funkcije koje se nanose na osnovni materijal,

• debljih zaštitnih površina (navara),

• bimetala,

• oslojenih metala,

• laminata i vlaknasto ojačanih kompozita u

obliku tankih slojeva.

nazivaju se laminarni kompozitni proizvodi.

Izrađuju se sa ciljem da se:

• poveća otpornost na koroziju,

• poveća abrazivna otpornost,

• poveća čvrstoća vlaknasto ojačanih kompozita u više ravni,

• obezbede različiti koeficijenti linearnog širenja (bimetali).

Aramid-aluminijum laminat, Arall, za upotrebu u avio industriji.


Tehnike izrade laminarnih kompozitnih materijala


Titan

ČelikČelik Olovo

OlovoEksploziv

Bakar

0,07mm

Gorionik

Lem

Šematski prikaz tehnika za izradu laminarnih kompozitnih materijala: (a) valjanje;

(b) eksplozivno zavarivanje; (c) izvlačenje; (d) tvrdo lemljenje.

DOBRE i LOŠE osobine kompozitnih materijala

DOBRE LOŠE

o Visoka čvrstoća o Visoka cena

o Visok modul elastičnosti o Spora proizvodnja

o Mala gustina o Zapaljivi

o Visoka specifična čvrstoća o Toksični

o Udarna otpornost o Nepostojani u agresivnim

sredinama

o Zamorna otpornost o Slabo poznavanje u stručnim

krugovima

o Koroziona otpornost o Nedovoljno stručne radne snage

o Prigušenje o Osetljivost na temperaturu

o Anizotropija o Osetljivost na vlagu

o Nevidljivi za radar (većina) o Nepogodnost opravke

o Pogodni za prototyping

o Lako mobilni

o Lako sastavljivi delovi


Fabrikacija kompozita

Proizvodnja delova od kompozita može se izvesti:

• Presovanjem,

• Injekcionim livenjem,

• Vučenjem-ekstruzijom i

• Namotavanjem filamenata.

Postupak presovanja uglavnom se odnosi na pločaste oblike, a injekciono

livenje na noseće delove konstrukcije ili sendvič konstrukcije.

Vučenje-ekstruzija se koristi za izradu proizvoda konstantnog poprečnog

preseka.

Namotavanje filamenata primenjuje se pri izradi okruglih delova, kao npr. cevi.



Hvala na pažnji !

Documents

Mašinski/tehnički Materijali Kompozitni materijali...Razvoj ovih materijala proizišaoje iz potrebe da se kod mnogih konstrukcija postigne štovećajačinai krutost, a uz to smanji