Zastosowanie kompozytów

  • View
    569

  • Download
    0

Embed Size (px)

Transcript

MIESICZNIK NAUKOWO-TECHNICZNY ORGAN STOWARZYSZENIA INYNIERW I TECHNIKW MECHANIKW POLSKICH ROK LXXXI

Kompozyty wkniste waciwoci, zastosowanie, obrbka ubytkowaKAZIMIERZ E. OCZO *

Budowa kompozytw wknistych. Kompozyty z osnow polimerow, metalow i ceramiczn. Zastosowanie kompozytw wknistych w przemyle lotniczym i samochodowym. Problemy obrbkowe kompozytw wknistych i sposoby ich przezwyciania. Narzdzia do skrawania kompozytw wknistych.Materia kompozytowy (lub krcej kompozyt) jest to tworzywo zoone z dwch lub wicej komponentw o rnych waciwociach. Jednym ze skadnikw jest osnowa (matrix) spajajca w cao kompozyt i nadajca mu twardo, elastyczno i odporno na ciskanie, drugim za materia konstrukcyjny (wzmacniajcy) odpowiedzialny za wzmocnienie kompozytu poprzez uksztatowanie pozostaych jego waciwoci. Waciwoci kompozytu nigdy nie prezentuj sumy czy redniej wartoci poszczeglnych waciwoci jego skadnikw. Generalnie rola osnowy polega na ochronie materiau wzmacniajcego, przenoszeniu na niego napre zewntrznych i nadawaniu danego ksztatu wytworzonej czci kompozytowej, natomiast funkcja materiau wzmacniajcego sprowadza si do zapewnienia kompozytowi wysokich waciwoci mechanicznych i wzmocnienia osnowy w selektywnych kierunkach [1]. Materiay kompozytowe s obecnie stosowane coraz powszechniej ze wzgldu na ich korzystne w porwnaniu z metalami waciwoci, takie jak wytrzymao i sztywno przy maej masie waciwej. Oferuj one interesujce moliwoci aplikacyjne dla nowych, lekkich konstrukcji wyrobw. Waciwoci kompozytu zale od waciwoci fizycznych osnowy i materiau wzmacniajcego, postaci wzmocnienia (wkna, czstki) oraz wzgldnej zawartoci osnowy (Vo) i wzmocnienia (Vw ) ujmowanych jako frakcje objtociowe (V0 + Vw = 100%). W kompozytach wknistych znajduj zastosowanie osnowy polimerowe, metalowe i ceramiczne (rys. 1). Z kolei jako materia wzmacniajcy wykorzystuje si przede wszystkim wkna wglowe, szklane i aramidowe oraz, w mniejszym stopniu, ceramiczne, borowe, grafitowe i inne, przy czym mog by one dugie (ci* Prof. zw. dr in. Kazimierz E. Oczo jest pracownikiem naukowym Katedry Technik Wytwarzania i Automatyzacji Politechniki Rzeszowskiej i redaktorem naczelnym Mechanika.

ge) lub krtkie (niecige), jak te uporzdkowane lub przypadkowe. Gwnymi zaletami kompozytw z osnow polimerow i wknami dugimi w porwnaniu z wknami krtkimi s [2]: lepsze waciwoci mechaniczne, wysza udarno z karbem, mniejsza skonno do pezania, bardzo dobra trwao w podwyszonej temperaturze w wilgotno-gorcym klimacie. Waciwoci kompozytu z dugimi i uporzdkowanymi wknami s zdecydowanie anizotropowe. Wkna dugie mog by jednokierunkowe (wszystkie wkna rwnolege do siebie) lub splecione w formie tkaninowej (technika preform). Jednokierunkowe usytuowanie wkien zapewnia kompozytowi najwysze waciwoci mechaniczne. Kompozyty z osnow polimerow (PMC) Kompozyty z osnow polimerow PMC (Polimer Matrix Composites) mog by wzmacniane grubymi i mocnymi wknami wkomponowanymi w mikk i cigliw osnow. Osnow mog stanowi polimery termoutwardzalne (poliepoksydy i poliestry) oraz polimery termoplastyczne (poliamidy). Najbardziej rozpowszechnionymi rodzajami wzmocnienia stosowanymi w kompozytach PMC s wkna szklane G (Glass), wglowe C (Carbon) i aramidowe A (Aramid). Std te kompozyty PMC wzmacniane wknami szklanymi s okrelone akronimem GFRP (Glass Fibre Reinforced Plastics) i analogicznie wzmacniane wknami wglowymi jako CFRP czy aramidowymi jako AFRP. Kompozyty GFRP byy przez dugi czas najczciej stosowane ze wzgldu na ich waciwoci mechaniczne,

Rys. 1. Podzia kompozytw wzmacnianych wknami (kompozytw wknistych)

580

MECHANIK NR 7/2008

jak te relatywnie nisk cen. Z kolei kompozyty CFRP i AFRP zapewniaj wysz wytrzymao (tabl. I), wiksz sztywno i wykazuj mniejsz mas waciw (gsto), jednake s drosze i z tego powodu wykorzystywane przede wszystkim w konstrukcjach, ktrych wyznacznikiem nie jest koszt, lecz prezentowane waciwoci. CFRP znajduj zastosowanie w konstrukcjach wymagajcych duej sztywnoci i odpornoci na podwyszone temperatury, natomiast AFRP s preferowane wwczas, gdy najbardziej istotna jest wytrzymao, wizko i lekko.

Kompozyty MMC generalnie wykazuj wiksz wytrzymao i wyszy modu sprystoci od konwencjonalnej stali oraz stopw Al, Mg i Ti, jak te od kompozytw PMC. Niecige (krtkie) wkna i czstki wzmacniajce MMC wpywaj na ich niszy koszt oraz umoliwiaj wysz wytrzymao i sztywno, jak rwnie lepsz stabilno wymiarow ni odpowiednie materiay niewzmacniane. Nawet niewielki dodatek materiau wzmacniajcego (w granicach 20%) powoduje znaczny wzrost wytrzymaoci i sztywnoci MMC. Kompozyty z osnow ceramiczn (CMC) Kompozyty z osnow ceramiczn CMC (Ceramic Matrix Composites) s opracowywane i rozwijane w celu zwikszenia odpornoci na kruche pkanie niewzmacnianych materiaw ceramicznych, wykazujcych wyszy modu sprystoci i wysze waciwoci mechaniczne w wysokich temperaturach ni odpowiednie materiay metalowe. Wkna dugie i krtkie (wiskersy) lub czstki s wykorzystywane jako komponenty wzmacniajce CMC. Do zazwyczaj spotykanych wzmocnie CMC naley zaliczy Al2O3, SiC i C, natomiast jako osnowa znajduj zastosowanie Al2O3, SiC i Si3N4. Zastosowanie kompozytw wknistych Kompozyty wkniste znajduj zastosowanie szczeglnie w takich branach, jak przemys lotniczy i kosmiczny oraz motoryzacyjny, a ponadto w przedsibiorstwach budowy statkw, jachtw i odzi, zbiornikw i naczy cinieniowych, energetycznych urzdze wiatrowych, anten satelitarnych, sprztu sportowego, sprztu medycznego, elementw budowlanych itp. Najbardziej spektakularne zastosowania kompozytw wknistych dotycz przemysu lotniczego i kosmicznego. Coraz wiksza zoono samolotw zarwno wojskowych, jak i cywilnych zmusza ich wytwrcw do poszukiwania nowatorskich materiaw, ktre zmniejszaj mas, maksymalizuj efektywne zuycie paliwa i utrzymuj rwnowag aerodynamiczn. Kompozyty i zestawy (pakiety) zoone z lekkich materiaw konstrukcyjnych s dobrym rozwizaniem, szczeglnie na wytrzymalsze materiay przydatne w budowie samolotw, poniewa s lejsze od dotychczas stosowanych, relatywnie atwo si formuj i s odporne na podwyszone temperatury, chocia wymagaj rozwizania jeszcze wielu problemw z ich ksztatowaniem. Przykadem znaczcego zmniejszenia masy obciajcej podwozie samolotu jest wprowadzenie przez firm Airbus duej liczby elementw z kompozytw do samolotu A380 (rys. 2). Okoo 22% struktury podstawowej samolotu (w stosunku wagowym) wykonano z rnych kompozytw wknistych z osnow z ywicy epoksydowej, przewanie CFRP. Powodem ich zastosowania bya wysoka sztywno wzmacniajcych wkien wglowych z wartociami a do 935 GPa w porwnaniu z 70 GPa przy aluminium. Gsto CFRP wynosi tylko 60% w stosunku do gstoci Al, co pozwala osign oszczdno masy nawet o 40% w porwnaniu z konstrukcjami aluminiowymi [3]. Firma m.in. stosuje rwnie w nieznacznych ilociach kompozyty GFRP do produkcji usterzenia pionowego, jak te FRP wzmacniane kwarcem do produkcji stoka dziobowego. 3% struktury podstawowej samolotu stanowi skorupa kaduba kompozytu GLARE (Glass Fibre Reinforced Aluminium Laminates) firmy Alcoa. Jest to rozwizanie hybrydowe zoone z 2 6 warstw aluminiowych o gruboci 0,2 0,5 mm. Pomidzy skrajnymi warstwami aluminium s usytuowane na przemian warstwy

Spord polimerw termoutwardzalnych na plan pierwszy wysuwaj si ywice epoksydowe (epoxy resins), ywice poliestrowe (polyester resins) za, chocia tasze, wykazuj jednak gorsz wytrzymao i wikszy skurcz po termoutwardzeniu, a tym samym nie zapewniaj dokadnoci geometrycznej wyrobw z osnow z ywicy epoksydowej. Polimery termoplastyczne cechuje mniejsza wytrzymao i niszy modu sprystoci podunej, ale za to zupenie dobra plastyczno. Maksymalna temperatura pracy dla kompozytw wknistych jest relatywnie niezbyt wysoka, gdy osnowa wykazuje skonno do zmikczania si oraz chemicznego rozkadu lub degradacji w podwyszonej temperaturze. Kompozyty z osnow metalow (MMC) Kompozyty z osnow metalow MMC (Metal Matrix Composites) znajduj zastosowanie w konstrukcjach pracujcych w relatywnie wyszych temperaturach ni dopuszczalne w odniesieniu do PMC. Wkna dugie (cige) zapewniaj najwiksz sztywno i waciwoci wytrzymaociowe materiaom MMC. Budowa najwczeniej wprowadzonych kompozytw borowo-aluminiowych polega na tym, e warstwy wkien borowych, umieszczone midzy cienkimi foliami aluminiowymi, s spajane na gorco foli, ktra ulega deformacji wok wkien pod wpywem siy ciskajcej. Przez wzmacnianie wknami borowymi wytrzymao na rozciganie MMC moe wzrosn 3 5-krotnie. Innymi materiaami wzmacniajcymi MMC s: wglik krzemu (SiC), tlenek glinu (Al2O3), grafit i wolfram w postaci czstek, wkien dugich i krtkich. Z kolei do najczciej wykorzystywanych w MMC osnw zalicza si stopy aluminium, magnezu lub tytanu (rys. 1).

582

MECHANIK NR 7/2008

Rys. 2. Przykady rnych zastosowa w ramach 22% udziau CFRP w budowie samolotu Airbus A380

wkien i metalu. Warstwy ukierunkowanych wkien szklanych, tzw. prepegi, o gruboci 0,125 0,5 mm s spojone osnow z ywicy epoksydowej i poczone z aluminium. Zorientowanie wkien zaley od zastosowania wyrobu. Materia GLARE jest droszy od Al i innych kompozytw, jednake ze wzgldu na wykonanie zewntrznych warstw z Al moe czony jak metalowy, zachowujc przy tym nisk gsto. Jednoczenie powinien przy porwnywalnej wytrzymaoci by lejszy i odporniejszy na korozj ni Al oraz mniej podatny na powstawanie pkni [4 7]. Aktualnie prowadzone s take prace badawcze nad zastosowaniem nanorurek wglowych w celu wzmocnienia i usztywnienia kompozytw. Mog one znale zastosowanie do 2020 r. zarwno w samolotach A380, jak i Boeing 747. O ile w samolocie Airbus A380 udzia kompozytw wknistych wynosi ok. 25%, to ju we wprowadzanym do eksploatacji w 2008 r. samolocie Boeing 787 Dreamliner (rys. 3) udzia ten siga 50%. Przewiduje si, e w projektowanym samolocie Airbus A350 szerokokadubowym liniowcu redniej wielkoci planowanym do wprowadzenia

space Corporation, daje si zauway rosnce zastosowanie stopw aluminiowo-litowych (Al-Li), cechujcych si nie tylko moliwoci obn