Tribološka svojstva kompozita

7/28/2019 Triboloka svojstva kompozita

1/23

FAKULTET STROJARSTVA I BRODOGRADNJE

SEMINARSKI RAD IZ KOLEGIJA ''TRIBOLOGIJA''

ak. godina 2012/13.

TRIBOLOKA SVOJSTVA KOMPOZITA

Seminar izradio: Vedran Babi

Profesor: prof. dr.sc. Kreimir Grilec

Zagreb 2.7.2013.


2/23

Vedran Babi Triboloka svojstva kompozita

Fakultet strojarstva i brodogradnje

SADRAJ:

1. UVOD.............................................................................................................................. 1

2. OPENITO O KOMPOZITIMA.................................................................................... 2

3. PODJELA KOMPOZITNIH MATERIJALA................................................................. 4

4. PRIMJENA KOMPOZITNIH MATERIJALA............................................................... 6

5. SVOJSTVA POLIMERNIH KOMPOZITA................................................................... 8

6. EROZIJA KOMPOZITA OJAANIH VLAKNIMA................................................... 11

6.1. Metoda ispitivanja............................................................................................. 12

6.2. Otpornost na eroziju kompozita ojaanih vlaknima............................................... 13

3. PRIMJER UREAJA ZA KOMPOSTIRANJE U KUANSTVU.............................. 18

4. LITERATURA.............................................................................................................. 21


3/23


Fakultet strojarstva i brodogradnje 1

1. UVOD

Postoji velik broj razliitih kompozitnih materijala s razliitim svojstvima. U ovom

seminarskom radu bit e dan uvid u kompozitne materijale te e biti prikazana podjela i

primjena kompozita. Prikazat e sei svojstva polimernih kompozita budui da su oni najee

primjenjivani.

I kompoziti su podloni razliiti oblicima troenja, to ovisi o svojstvima materijala od

kojih se sastoje i njihovog meusobnog uinka na ukupna svojstva kompozita. U radu e biti

objanjena erozija kompozita ojaanih vlaknima te abrazijsko troenje PEEK-a ojaanog

ugljinim vlaknima. Takoer e biti prikazani rezultati ispitivanja otpornosti na erozijsko i

abrazijsko troenje ovih kompozita.


4/23



2. OPENITO O KOMPOZITIMA

Kompozitni materijali ili kompoziti su proizvedeni umjetnim spajanjem dvaju ili vie

materijala razliitih svojstava s ciljem dobivanja materijala takvih svojstava kakva ne

posjeduje niti jedna komponenta sama za sebe. Neke od opih prednosti kompozitnih

materijala pred konvencionalnim materijalima su sljedee:

mogunost izrade vrlo sloenih oblika,

smanjenje trokova naknadne obrade dijelova,

mogunost spajanja dijelova tijekom samog postupka proizvodnje,

dimenzijska stabilnost pri ekstremnim radnim uvjetima,

otpornost na koroziju.

Konana svojstva kompozita ovisit e o:

svojstvima matrice i ojaala,

veliini i raspodjeli konstituenata,

volumnom udjelu konstituenata,

obliku konstituenata,

prirodi i jakosti veza izmeu konstituenata [1].

Kompoziti su se razvili iz potrebe za materijalima nie gustoe i boljih mehanikih

svojstava, toplinskih svojstava (toplinska provodnost, toplinska rastezljivost, specifini

toplinski kapacitet, omekavalite i talite), elektrinih svojstava (elektrina

provodnost/otpor), optikih i akustikih svojstava i kemijske postojanosti[2].

Definicija s poetka poglavlja nije besprijekorna u kompozite se ne ubrajaju ve

obraeni heterogeni viefazni materijali (formirani faznim transformacijama osnovnog

materijala): metalne legure (npr. Fe-FeC3), staklokeramike, amorfno/kristalni polimeri (npr.PE). S druge strane, u kompozite se ubrajaju strukture koje obuhvaaju vei broj specifino

oblikovanih dijelova. Na slici 1 moe se vidjeti razlika izmeu heterogenog viefaznog

materijala i kompozita.


5/23



Slika 1. Prikaz razlike izmeu heterogenog viefaznog materijala i kompozita [3]

Kompoziti ne pripadaju novim materijalima. Brojni su kompoziti prisutni u prirodi

(npr. drvo, ljutura, kost), a umjetni su kompoziti koriteni jo u biblijskim vremenima (za

gradnju nastambi koritene su cigle od blata ojaane slamom). Gradbene jedinice kompozita

su matrica (osnovni materijal) i dodatak (ojaavalo ili punilo). Na slici 2 vidi se primjer

prirodnog i umjetnog kompozita [3].

Slika 2. Prikaz prirodnog i umjetnog kompozita [3]


6/23



3. PODJELA KOMPOZITNIH MATERIJALA

Temeljna podjela kompozita vri se prema materijalu matrice. Prema tome postoje tri

glavne skupine:

metalni kompoziti (MMCmetal matrix composite),

polimerni kompoziti (PMCpolymer matrix composite),

keramiki kompoziti (CMCceramics matrix composite).

Takoer, kompozitni materijali mogu sadravati razliite oblike ojaala:

estice,

vlakna,

strukturni kompoziti (slojeviti kompoziti i sendvi konstrukcije) [1].

Najee primjenjivi kompoziti su kompoziti s polimernom matricom, rjee

primjenjivi su kompoziti s metalnom matricom, a kompoziti s keramikom matricom se

rijetko primjenjuju (izuzetak je beton). Takoer postoje i prirodni kompoziti te CCC

kompoziti. CCC kompoziti su kompoziti s ugljinom matricom i ugljinim ojaalom

(prikazani na slici 3).

Slika 3. Kompozit s ugljinom matricom i ugljinim ojaalom [4]

Svakoj od ovih skupina dodaju se dodaci radi smanjenja nedostataka osnovnog

materijala. Tako se metalnoj matrici dodaju dodaci da bi se smanjila trajna deformacija pri


7/23



viim temperaturama, kompozitima s keramikom matricom se dodacima poveava ilavost,

dok se kod kompozita s polimernom matricom poveava vrstoa i krutost [3].

Takoer, kompoziti se mogu dijeliti prema:

materijalu ojaavala (kompoziti sa staklenim vlaknima ili s metalnimojaanjem),

obliku ojaavala (vlaknasti kompoziti, kompoziti sa esticama),

rasporedu ojaavala (kontinuirani kompoziti, diskontinuirani kompoziti),

postupku izrade (izravno preani kompoziti, namotavani kompoziti),

primjeni (konstrukcijski kompoziti, elektrotehniki kompoziti) [5].


8/23



4. PRIMJENA KOMPOZITNIH MATERIJALA

Polimerni kompoziti su najee primjenjivani kompozitni materijali. Slika 4 prikazuje

stanje primjene polimernih kompozita na tritu SAD-a 2001. godine.

Slika 4. Stanje primjene polimernih kompozita u SAD-u [6]

Kompoziti sa staklenim vlaknima esto se primjenjuju kod sportskih i rekreacijskih

plovila. Takoer se primjenjuju i u zrakoplovstvu (interijer Boeinga 767 i dijelovi

stabilizatora Boeinga 777-200). Kompoziti s ugljinim vlaknima su takoer esto

primjenjivani u zrakoplovnoj industriji. Na slici 5 vidi se iroka primjena kompozita u

zrakoplovstvu. 50% primjenjenih materijala u zrakoplovu ine kompoziti.

Slika 5. Primjena kompozita u zrakoplovstvu [1]


9/23



Branik automobila jest sendvi kompozit kojemu je jezgra od pjene PP s esticama. Ta

primjena je prikazana na slici 6.

Slika 6. Primjena kompozita kod branika automobila [1]

Kompoziti su nali svoje mjesto i u graevini i proizvodnji tkanina te u balistici

(pancirke i vojne kacige). Njihova primjena danas je zbilja iroka. Razlog tome je to pruaju

odlina mehaniki i antikorozivna svojstva te mogu imati malu masu [1].


10/23



5. SVOJSTVA POLIMERNIH KOMPOZITA

Polimerni kompoziti najee su primjenjivani kompozitni materijali, pa e u ovom

poglavlju biti predstavljena njihova svojstva. Ponaanje polimernog kompozita ovisi o

svojstvima materijala i ojaavala, veliini i rasporedu konstituenata, volumnom udjelu

konstituenata, obliku konstituenata te prirodi i jakosti veza meu konstituentima. Kompoziti

mogu istovremeno postii visoku vrstou, visoku krutost i malu masu, postojanost na

razliite medije i druge kombinacije svojstava. Mogua je izrada sloenih oblika od

polimernih kompozita. Njihovom primjenom dolazi do snienja trokova naknadne obrade

dijelova [5].

Svojstva kompozita specifina su zbog toga to ona nisu jednostavan zbroj pojedinih

komponenti. Prilikom proizvodnje kompozita potrebno je ostvariti kompatibilnost izmeu

matrice i dodatka. Na slici 7 se moe vidjeti primjer kompozita ojaanog dugim usmjerenim

vlaknima.

Slika 7. Kompozit ojaan dugim usmjerenim vlaknima [3]

Pravilnim odabirom komponenata dobivaju se specifina svojstva kakva ne posjeduje

niti jedna komponenta sama za sebe. Polimerna matrica rasporeuje optereenje kompozitnog

materijala na svako pojedino vlakno, a ujedno vlakna titi od oteenja i udarca. Ovakvakombinacija kao rezultat ima dobivanje materijala visoke vrstoa i krutosti, male gustoa i

dobre postojanosti na atmosferske utjecaje. Na sljedeem dijagramu naprezanje istezanje,

prikazanom na slici 8, mogu se vidjeti pojedinana svojstva matrice i ojaala te svojstva

polimernog kompozita.


11/23



Slika 8. Dijagram naprezanje-istezanje za vlakno, smolu i polimerni kompozit [3]

Konana svojstva kompozita ovisti e o svojstvima vlakana, svojstvima smole,

volumnom omjeru vlakana te geometriji i orijentaciji vlakana u kompozitu.

Prednost kompozitnih materijala je ta to se svojstva kompozita mogu kreirati premaelji i potrebama gotovog proizvoda. To znai da se prilikom proizvodnje kompozita najprije

odredi namjena kompozitnog materijala te se prema optereenjima i uvjetima u kojima e

materijal biti eksploatiran odreuju vrsta matrice (smole) i ojaala (vlakana).

Kemijski sastav polimerne matrice bitno odreuje svojstva polimernih kompozita. U

primjeni prevladavaju duromerne matrice, prvenstveno one poliesterskog, vinilesterskog i

epoksidnog tipa. Razliiti tipovi poliesterske matrice uz isto ojaavalo mogu pokazati razliita

svojstva. Dok je prednost poliestera u dobrim mehanikim osobinama i lakoj preradi, epoksidiimaju veu kemijsku postojanost, manju kontrakciju volumena i bolja elektrosvojstva.

Vinilesteri su po svojstvima izmeu poliestera i epoksida. Lako se prerauju poput poliestera,

a kemijski su postojani skoro kao epoksidi. Za svojstva kompozita vana je ne samo vrsta

ojaavala nego i njegova usmjerenost i raspodjela u matrici

Kompoziti gotovo uvijek sadre upljine raznih oblika i veliina koje nastaju zbog

neuklopljenih mjehuria zraka u viskoznoj fazi smole tijekom izrade ili su posljedica loeg


12/23



kvaenja vlakna (npr. uslijed neodgovarajue viskoznosti matrice). Te upljine smanjuju

svojstva i bitno utjeu na djelovanje medija [3].

Mehanizmi postizanja svojstava kompozitnih materijala su:

Adicijski efekt- doprinos pojedine komponente neovisan je o doprinosu drugih

(npr. gustoa kompozita je priblino srednja vrijednost gustoe njegovih

sastojaka proporcionalno njihovim masenim udjelima),

Komplementarni efekt- svaki sastojak doprinosi ostvarenju samo odreenog

svojstva kompozita (sendvi kompoziti unutarnji sloj preuzima i prenosi

optereenja, a vanjski slojevi slue primjerice za poboljanje postojanosti na

atmosferske utjecaje),

Interakcijski efekt - konana svojstva kompozita bolja su nego pojedinana

svojstva njegovih sastojaka - dolazi do sinergistikog djelovanja sastojaka [5].


13/23



6. EROZIJA KOMPOZITA OJAANIH VLAKNIMA

Kod zrakoplova i brzih vozila koja se kreu u pranjavim uvjetima, izlaganje praini,

pijesku i ostalim vrstim esticama moe negativno utjecati na svojstva materijala i vijek

trajanja opreme. Oteenja izazvana erozijom metalnih materijala su prepoznata i istraivana.

Za oteenja izazvana erozijom kompozitnih materijala raspoloive su samo ograniene

informacije. Budui da se primjena polimernih kompozita kod konstrukcije raznih proizvoda

sve vie poveava, potrebno je razumijevanje mehanizama i utjecaj erozije kod kompozitnih

materijala.

Openito se smatra da je gubitak materijala kod erozije uzrokovan s dva mehanizma

troenja. To su abrazija i umor povrine. Da bi se odredio iznos erozije uzrokovane esticama

pijeska, predloen je empirijski faktor ''jaine erozije''. Pomou njega odreuje se energija

apsorbirana po jedinici volumena materijala koja je potrebna da doe do loma materijala

uslijed djelovanja erozije u raznim uvjetima. Analitiki izraz za eroziju moe se izvesti iz

faktora jaine korozija i ispitivanih parametara poput gubitka teine, mase abraziva, upadnog

kuta i brzine.

Prijanja istraivanja na nekim kompozitnim materijalima (staklo/poliamid,

ugljik/poliamid, staklo/epoksidna smola, elik/epoksidna smola) pokazala su da kompozitnimaterijali imaju razmjerno slabu otpornost na eroziju. Razliita ojaavala mogu poboljati ili

pogorati otpornost na eroziju kod kompozitnih materijala. Otkriveno je da npr. dobro preana

duktilna vlakna u termoplastinoj matrici pokazuju najbolju otpornost na eroziju.

U nastavku e biti izloeno ispitivanje erozije nekih kompozitnih materijala (staklo,

grafit i aramidna vlakna impregnirani u epoksidne (EP), bis-maleimidne (BMI), poliimidne

(PI), polifenilen sulfidne (PPS), PEEK i poliamidne matrice). Nakon ispitivanja mjeri se

gubitak mase uslijed erozije koji se pretvara u gubitak volumena. Gubitak volumena je mnogo

pogodniji za usporedbu razliitih materijala i oblika. Parametri koji se uzimaju u obzir su

brzina estica, upadni kut, ukupna masa abraziva, abrazivni materijal i veliina estica. Za

ispitivanje povrine koristi se elektronski mikroskop [7].


14/23



6.1. Metoda ispitivanja

Oprema za ispitivanje sastoji se od tlane posude, sustava za dobavu pijeska, komore

za ispitivanje i sakupljaa pijeska. Komora za ispitivanje je zapravo elini cilindar sa

zatvorenim krajevima. Na vrhu komore nalazi se mlaznica pomou koje pijesak ulazi u

komoru te etiri zrane turbine koje usmjeravaju pijesak prema dnu komore. Na dnu komore

se nalazi lijevak i kolektor. S jedne strane komore nalazi se prozor za promatranje tijekom

ispitivanja. Unutar komore nalazi se ipka na koju je privren ravan uzorak koji se ispituje.

ipka se moe rotirati zaetiri razliita eljena kuta (30, 45, 60 i 90). Na slici 9 prikazana

je komora s prethodno navedenim dijelovima koja slui za ispitivanje otpornosti na eroziju.

Slika 9. Komora za ispitivanje otpornosti na eroziju [7]

Tok estica pijeska i visoko stlaenog zraka ulazi u komoru za ispitivanje i pogaa

uzorak koji se ispituje. Uzorak se tijekom ispitivanja dri na udaljenosti od 41 cm od otvora

mlaznice. Uzorak koji se ispituje je dimenzija 5.7 x 5.7 x 0.25 cm, a ispituje se po 10 uzoraka

za svaki sluaj erozijskog troenja. Brzina estica moe se regulirati regulacijom pritiska

zraka i pomou ventila za dobavu pijeska. Erozija je mjerena kao smanjenje mase ispitnoguzorka [7].


15/23



6.2. Otpornost na eroziju kompozita ojaanih vlaknima

Prethodno navedenom opremom i metodom ispitivanja dolazi se do spoznaje kako se

kree gubitak volumena, tj. troenje, u odnosu na upadni kut za svaki od ispitivanih

kompozita. Na slici 10 prikazana je otpornost na eroziju razliitih kompozita ojaanih

vlaknima (erozija je vrena esticama aluminijevog oksida). I kod malih i kod velikih upadnih

kuteva grafitna vlakna pokazuju najmanju otpornost na eroziju. Meutim, za srednji raspona

upadnih kuteva kod staklenih vlakna vidljiv je vei gubitak volumena uzrokovan erozijom.

Slika 10. Otpornost na eroziju kompozita s razliitim vlaknima [7]


16/23



Otpornost na eroziju kompozita s razliitim matricama ojaanima grafitom prikazana

je na slici 11. za kompozite s jednosmjernim vlaknima i na slici 12. za kompozite s

dvosmjernim ojaanjem. Kompoziti s poliamidnom i bis-maleimidnom matricom pokazuju

veu otpornost na eroziju od kompozita s epoksidnom i polifenilen sulfidnom matricom.

Gubitak volumena se poveava s poveanjem upadnog kuta do 60, dok nakon tog kuta

poinje padati.

Slika 11. Otpornost na eroziju kompozita s razliitim matricama ojaanima jednosmjernim

grafitnim vlaknima [7]


17/23



Slika 12. Otpornost na eroziju kompozita s razliitim matricama ojaanima dvosmjernim

grafitnim vlaknima [7]

Na slici 13. prikazana je otpornost na eroziju polifenilen sulfidnih (PPS) kompozita s

razliitim tipovima grafitnih ojaanja. PPS kompozit s injekcijsko preanim grafitnim

vlaknima pokazuje najbolju otpornost na eroziju.


18/23



Slika 13. Otpornost na eroziju polifenilen sulfidnih (PPS) kompozita s razliitim tipovimagrafitnih ojaanja [7]

Na slici 14. prikazana je stopa erozije naspram upadnom kutu estica za neke

kompozite i metale. Metali pokazuju puno bolju otpornost na eroziju u odnosu na kompozitne

materijale [7].


19/23



Slika 14. Stopa erozije naspram upadnom kutu estica za kompozite i metale [7]


20/23



7. ABRAZIJSKO TROENJE PEEK-A OJAANOG UGLJINIM

VLAKNIMA

Abrazijsko troenje je istiskivanje materijala izazvano tvrdim esticama ili tvrdimizboinama kod relativnog gibanja dvaju ili vie dijelova. Polimerni kompoziti sve vie

zamjenjuju klasine materijale u raznim primjenama, a budui da oko 50% sluajeva troenja

otpada na abraziju, valja posvetiti panju otpornosti kompozitnih materijala na ovu vrstu

troenja [8].

U nastavku e biti iznijeti rezultati ispitivanjaabrazijskog troenja PEEK-a ojaanog

jednosmjernim i dvosmjernim ugljinim vlaknima (prikaz mikrostrukture na slici 15).

Slika 15. Mikrostruktura PEEK-a ojaanog ugljinim vlaknima [6]

Na slici 16. prikazani su definirani smjerovi klizanja za kompozit s jednosmjernim

vlaknima (a) i kompozit s dvosmjernim vlaknima (b).


21/23



Slika 16. Smjerovi klizanja za kompozit s jednosmjernim vlaknima (a) i kompozit s

dvosmjernim vlaknima (b) [9]

Ovisnost stope troenja kompozita s jednosmjernim vlaknima o orijentaciji vlakna

prikazana je na slici 17. Kod P-orijentacije troenje je najmanje, kod N-orijentacije ono je

malo vee, dok je kod AP orijentacije troenje puno vee. Iz toga se moe zakljuiti da je AP-

orijentacija najloiji sluaj to se tie otpornosti na abrazijsko troenje [9].


22/23



Slika 17. Ovisnost troenja kompozita s jednosmjernim vlaknima o orijentaciji vlakna [9]

Stopa troenja kao funkcija orijentacije vlakana za kompozit PEEK-a ojaanog s

dvosmjernim ugljinim vlaknima prikazana je na slici 18 [9].

Slika 18. Ovisnost troenja kompozita s dvosmjernim vlaknima o orijentaciji vlakana [9]


23/23


F k l j i b d d j 21

LITERATURA:

[1] paniek, urica, Kompozitni materijali, predavanja ak. god. 2009./2010.

[2] Akovali, G.: Handbook of Composite Fabrication, RAPRA Technology LTD., Shawbury,

Shrewsbury, Shropshire, UK, 2001.

[3] Ivan Sovulj, Ispitivanje svojstva kompozitnih materijala, diplomski rad, Zagreb, 2012.

[4] http://pwatlas.mt.umist.ac.uk/internetmicroscope/micrographs/microstructures/more-

composites/carbon-carbon-composite.html, posjeen 28.6.2013.

[5] ercer, M., PredavanjaPrerada kompozitnih tvorevina, FSB, Zagreb, 2008./2009.

[6] Filetin, T., Mari, G., Postupci proizvodnje kompozita, predavanja ak. god. 2012./2013.

[7] Tsiang, Tseng-Hau, ''Sand erosion of fiber composites: testing and evaluation'', Test

methods for design allowables for fibrous composites: 2nd volume, ASTM STP 1003, C.

C. Chamis, Eds., American society for testing and materials, Philadelphia, 1989.

[8] Grilec, K., Ivui, V., Tribologija, autorizirana predavanja, ak. god. 2012./2013.

[9] Mody, P.B., Chou, T.-W., Friedrich, K., ''Abrasive wear behavior of unidirectional and

woven graphite fiber/PEEK composites'', Test methods for design allowables for fibrous

composites: 2nd volume, ASTM STP 1003, C. C. Chamis, Eds., American society for

testing and materials, Philadelphia, 1989.

Documents

Tribološka svojstva kompozita