28
Kompozitni materijali Kompozitni materijali

Materijali II Kompozitni Materijali(Predavanja Spanicek)

Embed Size (px)

DESCRIPTION

preuzeto sa http://fsbmaterijali.tk/

Citation preview

Kompozitni materijaliKompozitni materijali

DEFINICIJADEFINICIJA

Kompozitni materijali ili Kompozitni materijali ili ““kompozitikompoziti”” su su proizvedeni umjetnim spajanjem dvaju ili proizvedeni umjetnim spajanjem dvaju ili vivišše materijala razlie materijala različčitih svojstava s ciljem itih svojstava s ciljem dobivanja materijala takvih svojstava kakva dobivanja materijala takvih svojstava kakva ne posjeduje niti jedna komponenta sama ne posjeduje niti jedna komponenta sama za sebeza sebe

Neke od općih prednosti kompozitnih materijala pred konvencionalnim materijalima jesu sljedeće:

• - mogućnost izrade vrlo složenih oblika,• - smanjenje troškova naknadne obrade dijelova,• - mogućnost spajanja dijelova tijekom samog postupka proizvodnje,• - dimenzijska stabilnost pri ekstremnim radnim uvjetima,• -otpornost na koroziju.

PodjelaPodjela

Materijal matriceMaterijal matriceOblik ojaOblik ojaččalaala

Matrica:Matrica:MetalnaMetalnaKeramiKeramiččkakaPolimerna (polimer, ugljik)Polimerna (polimer, ugljik)

Oblik ojaOblik ojaččala:ala:ČČestice estice VlaknaVlaknaStrukturni kompozitiStrukturni kompoziti(slojeviti kompoziti (laminati) (slojeviti kompoziti (laminati)

i sendvii sendvičč konstrukcije)konstrukcije)

KonaKonaččna svojstva kompozita ovisit na svojstva kompozita ovisit ćće o:e o:

svojstvima matrice i ojasvojstvima matrice i ojaččalaalaveliveliččini i raspodjeli konstituenataini i raspodjeli konstituenatavolumnom udjelu konstituenatavolumnom udjelu konstituenataobliku konstituenataobliku konstituenataprirodi i jakosti veza izmeprirodi i jakosti veza izmeđđu konstituenatau konstituenata

Matrice

Metalne (MMC), polimerne (PMC) ili keramičke (CMC).Iz svake od tih skupina opisat će se samo neki karakteristični materijali koji se češćekoriste 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.

U novije vrijeme se proizvode i tzv. ugljik-ugljik kompoziti. Ovi materijali mogupodnijeti vrlo visoke temperature. Bez ikakvih problema mogu biti izloženi temperaturiod 1700 °C, a kratkotrajno mogu funkcionirati i do 2700 °C.

← Usporedba specifičnogmodula elastičnosti i specifične čvrstoćenekih metala i kompozita

KompozitiKompoziti s s ččesticamaesticama

Disperzije (do 0,1 Disperzije (do 0,1 µµm, m, VVpp < 15 %)< 15 %)Velike Velike ččestice (od 0,1 estice (od 0,1 µµm, m, VVpp >20 %)>20 %)

VeliVeliččina ina ččesticaesticaVolumni udioVolumni udioRazmak izmeRazmak izmeđđu u ččesticaestica

Čestice SiC - 12 µm

Vlaknima ojaVlaknima ojaččani ani kompozitikompoziti

TiB visker

ViskeriViskeriVlakna Vlakna ŽŽiceice

ViskeriViskeri: : sisiććuuššni monokristalini monokristali, , ekstremno velikiekstremno veliki omjer duljina omjer duljina/promjer, /promjer, pravilna grapravilna građđa, a, RRmm, naj, najččvrvrššćći poznati materijal, i poznati materijal, cijenacijena

Vlakna: polimerna i / ili keramiVlakna: polimerna i / ili keramiččka, ka, polikristalnapolikristalna ili amorfnaili amorfna

ŽŽica:ica: ččelik, elik, MoMo, W, relativno veliki promjer, aut. gume, cijevi, , W, relativno veliki promjer, aut. gume, cijevi,

Vlaknima ojačani kompoziti

Kod vlaknima ojačanih kompozita dolazi do izražaja poboljšanje čvrstoće, žilavosti, krutosti, te povećanja omjera “čvrstoća/gustoća” uslijed ugradnje čvrstih, krutih i krhkih vlakana u mekaniju, duktilniju matricu.

Materijal matrice prenosi opterećenje na vlakna te osigurava duktilnost i žilavost, budući da vlakna nose veći dio opterećenja. Upravo zbog te činjenice je vrlo važna veza između matrice i vlakana.

Dva značajna svojstva vlakana su visoka toplinska stabilnost i kontrolirana rastezljivost pri povišenim temperaturama.

Vlakna se razlikuju prema: vrsti, duljini, promjeru, orijentaciji i hibridizaciji.

Vlaknima ojačani kompoziti spadaju u skupinu anizotropnih materijala budući da imaju znatno bolja svojstva u smjeru vlakana.

← Dijagram “naprezanje –istezanje” vlaknimajednosmjerno ojačanogkompozita

Karakteristike vlaknima ojaKarakteristike vlaknima ojaččanihanihkompozitakompozita

Omjer duljina/promjerOmjer duljina/promjerVolumni udio vlakanaVolumni udio vlakanaUsmjerenost (raspored) vlakanaUsmjerenost (raspored) vlakanaSvojstva vlakanaSvojstva vlakanaSvojstva matriceSvojstva matrice

Usmjerenost (orijentacija)Usmjerenost (orijentacija)

RRaazdioba ojazdioba ojaččala ala ((aa) ) kontinuiranakontinuirana jednosmjernajednosmjerna vlaknavlakna, , ((bb) ) slusluččajnoajno usmjerenausmjerena

diskontinuiranadiskontinuirana vlaknavlakna,,((cc) ) ortogonalnoortogonalno rasporeraspoređđenaena vlaknavlakna, , ((dd) ) viviššesmjernoesmjerno usmjerenausmjerena

vlaknavlakna

SVOJSTVA VLAKANA

OjaOjaččaloalo PrednostPrednostii NedostaciNedostaci

EE--sstatakklo, Slo, S--sstaklotaklo Spec. Spec. ččvrstovrstoćća, a, cijenacijena

KKrutostrutost, , didinaminamiččka ka izdrizdržžljivostljivost

AramidnaAramidna vlaknavlakna Spec. Spec. ččvrstovrstoććaa TlaTlaččnana ččvrstovrstoćća, a, uupipijjaannjjee vlagevlage

HS HS ((visokovisokoččvrstavrsta) ) ugljiugljiččnana

Spec. Spec. ččvrstovrstoćća, a, kkrutosrutostt

CijenaCijena

UHMUHM ((ultravisoko ultravisoko modulnamodulna)) ugljiugljiččnana

IzuzetnoIzuzetno visokavisokakrutostkrutost

ČČvrstovrstoćća, a, cijenacijena

PREDNOSTI I NEDOSTACI VLAKANA

Staklena vlaknaStaklena vlakna

EE--staklo (do 500 staklo (do 500 ooCC) ) –– elektrielektriččna vodljivost, na vodljivost, SS--staklo (do 1050 staklo (do 1050 ooCC) ) -- ččvrstovrstoćća, a, CC-- staklo staklo Promjer: 3Promjer: 3--2020µµm, dobra povrm, dobra površšinska svojstva, inska svojstva, ččvrstovrstoćća, cijena, a, cijena, Mana: krutost !!!Mana: krutost !!!

Primjena:Primjena:-- Sportska i rekreacijska plovilaSportska i rekreacijska plovilaU zrakoplovstvu:U zrakoplovstvu:Interijer Interijer BoeingBoeing 767 (767 (mehmeh. i . i tehntehn. svojstva, + nezapaljivost, . svojstva, + nezapaljivost, ograniograniččenja prema gorivosti i toksienja prema gorivosti i toksiččnim plinovima, estetski nim plinovima, estetski zahtjevi kompanija i putnika)zahtjevi kompanija i putnika)BoeingBoeing 777777--200: dijelovi stabilizatora 200: dijelovi stabilizatora

UgljiUgljiččna vlaknana vlakna

40 godina u komercijalnoj upotrebi 40 godina u komercijalnoj upotrebi 19901990--ih Svojstva/cijena (80ih Svojstva/cijena (80--200 $/kg planovi do 11 $/kg)200 $/kg planovi do 11 $/kg)Zahtjevi: 16.000 t/god Zahtjevi: 16.000 t/god –– 30 % zrakoplovna industrija30 % zrakoplovna industrija

Promjer 8Promjer 8--10 10 µµm, kontinuirana i rezanam, kontinuirana i rezanaAl 6061: 7x veAl 6061: 7x većća a RRmm, 2x ve, 2x većća krutost; 1,5x manja gustoa krutost; 1,5x manja gustoććaaNajveNajvećći specifii specifiččni modul i visoka specifini modul i visoka specifiččna na ččvrstovrstoćća a Toplinska vodljivost 3x bolja nego kod Toplinska vodljivost 3x bolja nego kod CuCu+ odgovaraju+ odgovarajućća matrica = najbolja korozijska postojanosta matrica = najbolja korozijska postojanost

Standardni modul (220 Standardni modul (220 GPaGPa; 50 $/kg); srednji modul (240 ; 50 $/kg); srednji modul (240 GPaGPa; 80 $/kg); visok modul (300 ; 80 $/kg); visok modul (300 GPaGPa; 150 $/kg), ; 150 $/kg), ultravisokultravisokmodul (450 modul (450 GPaGPa; 1000 $/kg) ; 1000 $/kg)

PROIZVODNJA UGLJIČNIH VLAKANA

AramidnaAramidna vlaknavlakna

1970. God1970. GodTrgovaTrgovaččka imena: KEVLAR 49 (29, 149...), NOMEX, ka imena: KEVLAR 49 (29, 149...), NOMEX, TWARONTWARON

NajviNajvišša specifia specifiččna na ččvrstovrstoćća od svih komercijalno dostupnih ojaa od svih komercijalno dostupnih ojaččala, ala, krutost krutost

TlaTlaččna na ččvrstovrstoćća loa loššija od ugljiija od ugljiččnih vlakana, slaba adhezija sa matricom,nih vlakana, slaba adhezija sa matricom,higroskopanhigroskopan, skuplji od staklenih vlakana , skuplji od staklenih vlakana

Nije krhak Nije krhak –– tkaninetkanine

VRSTE MATERIJALA U BOEING 7E7 (787)

PULTRUDIRANI PROFILI OD POLIMERNIH KOMPOZITA U GRADITELJSTVU

““Strukturni Strukturni kompozitikompoziti””:: ne ovise o svojstvima matrice i ojane ovise o svojstvima matrice i ojaččala veala većći o geometrijskom rasporedu elemenata konstrukcijei o geometrijskom rasporedu elemenata konstrukcije

SavojnaSavojna ččvrstovrstoćća grede a grede –– EE··II33

a I = b aI = b a33 /12, (b /12, (b je dubinaje dubina).).

Relativna krutostRelativna čvrstoćaRelativna masa

SendviSendvičč konstrukcijekonstrukcije

Tanka kora Tanka kora –– jezgra preuzima tlajezgra preuzima tlaččna opterena optereććenja! enja! –– mehmeh. svojstva . svojstva jezgre!jezgre!

BRANIK AUTOMOBILA: SENDVIČ -JEZGRA OD PJENE PP S ČESTICAMA

Hibridni Hibridni kompozitikompoziti

UgljikUgljik / / AramidAramidDobra Dobra žžilavost+vlailavost+vlaččna na ččvrstovrstoćća od a od aramida aramida TlaTlaččna i vlana i vlaččna na ččvrstovrstoćća od ugljia od ugljiččnih vlakananih vlakanaNisko gustoNisko gustoćća ali relativno visoka cijenaa ali relativno visoka cijenaAramidAramid / / StakloStakloMala gustoMala gustoćća, a, žžilavost, vlailavost, vlaččna na ččvrstovrstoćća od a od aramidaaramida..TlaTlaččna i vlana i vlaččna na ččvrstovrstoćća od staklaa od staklaNiska cijena!!Niska cijena!!Ugljik / Ugljik / ŞŞtaklotakloTlaTlaččna i vlana i vlaččna na ččvrstovrstoćća, krutost, gustoa, krutost, gustoćća a -- ugljikugljikDobra svojstva, cijena Dobra svojstva, cijena -- staklo staklo Niska cijena!!Niska cijena!!

TkanineTkanineProizvodnja spojenih dugih C, S, A vlakana s ciljem proizProizvodnja spojenih dugih C, S, A vlakana s ciljem proizvodnje vodnje jednoslojnih ili vijednoslojnih ili viššeslojnih ploeslojnih pločča (plahta) a (plahta)

Jednosmjerna (Jednosmjerna (unidirekcijskiunidirekcijski))PletivaPletiva

PLAIN TWILL SATIN

BASKET LENO MOCK LENO

SaSaććastaasta konstrukcijakonstrukcija

JezgraJezgra

Pjene Pjene (PVC, PS, PU, PEI (PVC, PS, PU, PEI polieterimidpolieterimid, akrilne pjene), akrilne pjene)U primjeni gustoU primjeni gustoćće od 40e od 40--200 kg/m200 kg/m33

Debljine od 5Debljine od 5--50 mm50 mmSaSaćće e (Al, (Al, NomexNomex –– aramidaramid, ABS, , ABS, PolikarbonatPolikarbonat, PP, PE), PP, PE)Al Al –– najbolja specifinajbolja specifiččna na ččcrstocrstoććaa, opasnost od galvanske korozije, opasnost od galvanske korozijeNomexNomex –– otpornost na pootpornost na požžare (avioni)are (avioni)PlastomeriPlastomeri –– mogumoguććnost recikliranjanost recikliranjaDrvo Drvo ((BalzaBalza, cedar), cedar)

SaSaććastaasta konstrukcijakonstrukcija

PaneliPaneli u u avioindustrijiavioindustriji:: jezgrajezgra–– sasaćće; izvana Al lim (folija) = krut, e; izvana Al lim (folija) = krut, ččvrst, lagan konstrukcijski materijal (oplate, krila, trupa repa vrst, lagan konstrukcijski materijal (oplate, krila, trupa repa zrakoplova)zrakoplova)

ProizvodnjaProizvodnja

Oblikovanje Oblikovanje nanašštrcavanjemtrcavanjemRuRuččno (automatsko no (automatsko laminiranjelaminiranje))PultrudiranjePultrudiranje (40(40--70 % oja70 % ojaččala)ala)RTM (RTM (resinresin transfer transfer mouldingmoulding))Namatanje (Namatanje (filamentfilament windingwinding))PrepregPrepreg