1

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE

2

DEFINICJA KOMPOZYTU

KOMPOZYTEM NAZYWA SIĘ MATERIAL BĘDĄCY KOMBINACJA DWÓCH LUB WIĘCEJ

ROŻNYCH MATERIAŁÓW

3

KOMPOZYTY

POLIMERY CERAMIKA I SZKŁA

METALE I ICH STOPY

Kompozyt:Włókna węglowe ciągłe (preforma 3D)Osnowa : Al-Si

4

PODZIAŁ MATERIAŁÓW KOMPOZYTOWYCH

OSNOWA:- metalowa, -polimerowa,-ceramiczna

+ ZBROJENIE:włókna :- szklane, węglowe, polimerowe, borowe...,- cząstki np. SiC

PrzykładyKompozyt epoksydowy zbrojony włóknami KevlarSilumin wzmocniony Al4FeSi

Kompozyty o osnowie:•metalowej •polimerowej•ceramicznej

5

RODZAJE FAZY WZMACNIAJĄCEJ (ZBROJĄCEJ)proszek duże cząstki

krótkie włókna włókniste tkaninyjednokierunkowe i ortogonalne(włókna ciągłe)

Warstwowe: laminaty,np. narta

Kompozyty strukturalne

Z rdzeniem komórkowym (sandwicz)

6

Włókna

Kompozyt

Osnowa

Własności kompozytu determinują: • własności osnowy•doskonałość powiązania osnowy i włókien•Ilość włókien (proszku) •własności i geometria fazy wzmacniającej(wielkość cząstek, długość i orientacja włókien)

7

Mod

ułY

oung

’a

% napełniacza (zbrojenia)

Wpływ rodzaju i ilości napełniacza na moduł sprężystości (sztywność) kompozytu

włókna

ziarna

Efektywność zbrojenia włóknistego i ziarnistego

8

Wpływ ilości włókien na na przebieg wykresunaprężenie-odkształcenie dla kompozytu polimerowego

napręż

enie

odkształcenie

30% 20% 10%

0%

9

Wpływ orientacji włókien na wytrzymałość kompozytu

jednokierunkowy

Ortogonalny(tkanina

dwukierunkowa)

chaotycznyWyt

rzym

ałość

na r

o zciąg

a nie

% włókien szklanych

10

1. Kompozyty umacniane cząstkami (particles)

(ziarniste)Mechanizm umocnienia

•Ograniczenie ruchu dyslokacji•Ograniczenie ruchliwościmakrocząsteczek

umocnienie przez przejmowanieobciążenia z osnowy, hamowanie odkształcania osnowy

1. Cząstki nanometryczne10-100 nm 0.01-0.1µm

2. cząstki duże (0,1µm – mm)

Efekt zależy od jakości połączenia ziaren i osnowy

11

np. opony-elastomery(np. poliizopren, SBR)

+

15-30%sadza (20-30nm)

Spalanie gazu lub ropyprzy małym dopływie powietrza

•Odporność na zużycie ścierne•Wytrzymałość na rozciąganie, rozerwanie

Polimery: + napełniacze ziarniste:talk, kreda,piasek, zmielone laminaty(Obniżenie ceny, wzrost sztywnosci i odporności cieplnej

Przykłady kompozytów ziarnistych(particulates)

12

Metale

np. osnowa :stopy Al + wzmocnienie SiC, grafit

•poprawa odporności na ścieranie, •zmniejszenie współczynnika tarcia

Silumin + SiC

13

Stopy żarowytrzymałestop Ni +wzmocnienie 3% ThO2

Odpornośc na pełzanie, mniejszy spadek wytrzymałości z temperaturą

SAP (sintered Aluminum powder)Al +Al2O3

14

Cermetale,np. Węgliki spiekane

Osnowa: Ni lub Co ciągliwa,

duża odporność na pękanie+

TiC, 90%lub WC (twardy, kruchy)

15

Beton: cementowy, asfaltowyOsnowa: cement, woda

lub asfalt

+ Napełniacz: piasek + żwir60-80%

Beton zbrojony: pręty stalowe, siatka, włókna syntetyczne

Beton sprężony (pręty naprężone, po utwardzeniu beton się kurczy(wstępne naprężenie ściskające)

Ceramika:

Wzrost odporności na pękanie

Kruchy, mała Rm duża Rcpęka (pory, mróz)

16

Określanie własności kompozytóww funkcji ilości zbrojenia

A. Gęstość

dc-gęstość kompozytu (composite)dm- osnowy (matrix)df- włókien (fibres)

dc=dmVm +dfVf

17

B. Sztywność kompozytów (moduł E)Przykład osnowa Cu , Wolfram – faza zdyspergowana

ppmmc VEVEE +=

mppm

pmc EVEV

EEE

+=

Ec

W 100%Cu 100%

Ec-moduł kompozytu Em- osnowyEp- cząstek zbrojeniaEf- włókien

Vm- udział objętościowyosnowy

górna granica(w przypadku włókienjednokierunkowych-wzdłuż ułożenia Włókien)

dolna granica(w przypadku włókienjednokierunkowych-prostop. do ułożenia

włókien)

18

Wytrzymałość kompozytów

Wytrzymałość a/na ściskanie- rośnieb/na rozciąganie- silnie zależy od adhezji zbrojenia i osnowy

słaba adhezja to wytrzymałośćkompozytów jest mniejsza niż osnowy

σc*

słaba adhezjadobra adhezja

Optymalna ilość zbrojenia ziarnistego- 10-25%

σm*

Vp

19

Wytrzymałość kompozytu włóknistego Przebieg rozciągania

kompozytu wzdłuż włókien

osnowa

włókna

kompozyt

σf*

σc*

Wytrzymałość kompozytu w kierunku wzdłużwłókien

εf* < εm

*, ( np. włókno węglowe ciągłeεf* = 1,5% ż. epoksydowa εm* = 5%),kompozyt pęka gdy pękają włókna

ε*fε’mpl

dla przypadku:

1,5% 5%

ε*m

σc* = σf*VfWarunek:

Idealne powiązanie włókien i osnowy

Początek odkszt. plastycznego osnowy

20

Odporność udarowa

Tłoki silników

narzędzia skrawające z dużą prędkością

Kadłuby okrętów

21

Dlaczego włókna są takie wytrzymałe?

mniejsza średnica

Wytrzymałość, MPa

mniejszy rozmiar wad(mechanika pękania)

Włókna – średnica 5- 150 µm

średnica włókien SiC

WZMOCNIENIA WWZMOCNIENIA WŁŁÓÓKNISTEKNISTE

22

Rodzaje włókien wzmacniających

•Szklane•Węglowe (wysokomodułowe lub wysokowytrzymałościowe)•Polimerowe –aramidowe (Kevlar), polietylenowe

Boru•Węglika krzemu SiC•Tlenku Al

23

SiONa

budowa amorficznaSiOSiO22

+ Inne tlenki: NaInne tlenki: Na22O, KO, K22O, O, MgOMgO, , CaOCaO, , AlAl22OO33,,

Najpowszechniejsze: WŁÓKNA SZKLANE do łączenia z żywicami poliestrowymi (budowa lodzi )

24

WŁÓKNA WĘGLOWE –w kompozytach o osnowie epoksydowej w lotnictwie

1967 początek zastosowań włókien węglowych jako wzmocnienia kompozytów dla lotnictwa

Struktura i wady pasm krystalitów we włóknie grafitowym z PAN

(zamiast metali)

25

Temperatury pracy kompozytów