Materiale-Compozite.pdf

2/13/2012

1

Materiale compozite Conf. Dr. Ing. Mircea Nicoară

Departamentul Ingineria Materialelor și Fabricației

Sala 111 SPM,Tel.: 403660, 0722-644975

E-mail: [email protected]

Web: www.eng.utt.ro./~mnicoara

http://groups.yahoo.com/group/cursuri_materiale_UPT/

20:12 1

MATERIALE COMPOZITE Caracterizare

Producere

Utilizare

20:12 2

mailto:[email protected]

http://www.eng.utt.ro./~mnicoara

http://groups.yahoo.com/group/cursuri_materiale_UPT/

2/13/2012

2

Cuprins

Introducere

Definiții, caracterizare,clasificări, istoric

Aplicații

Compozite armate cu fibre lungi

Definiții, caracterizare

Elemente de armare: tipuri, forme de prezentare,

proprietăți

Tehnologia de producere a compozitelor cu fibre lungi

Compozite cu armare discontinuă

Micromecanica materialelor compozite

20:12 3

MATERIALE COMPOZITE

I. Introducere

20:12 4

2/13/2012

3

Definiţii

Material compozit (în sens restrîns):

Aranjament de fibre (lungi sau scurte)

dintr-un material rezistent = ranforsant

Înglobate într-un material cu rezistenţă

mecanică mult mai redusă = matrice

Mai multe definiţii posibile

Se rezumă practic doar la compozite structurale

Armate cu fibre (Fiber Reinforced Composites)

20:12 5

Definiţii Materialul compozit structural este format din componente distincte şi separate la scară macroscopică: Ranforsant (element de armare) - rezistent şi rigid, preia în mare parte sarcinile mecanice

Matrice - continuă, mai puţin rigidă şi rezistentă, asigură interacţiunea cu mediul (rezistenţă la coroziune, culoare, textură, conductivitate etc.)

Uneori datorită interacţiunii chimice dintre matrice şi ranforsant poate apărea o fază intermediară numită interfaţă sau interfază

20:12 6

2/13/2012

4

Definiţii Material compozit (în sens mai larg)

Un material care îndeplineşte simultan 3 condiţii: 1. Este multifazic

2. Fazele componente sunt distincte la nivel

macroscopic

3. Componentele aparţin unor clase diferite de materiale (metalice, ceramice, polimerice)

Este utilă pentru că include şi compozitele cu particule sau sandwich dar comportă excepţii

20:12 7

Definiţii

Excepţie de la regula 2: Unele compozite cu matrice metalică armate cu particule

sau fibre de dimensiuni microscopice

Nanocompozite: ranforsanţii au dimensiuni nanometrice

Excepţii de la regula 3:

Compozitele C-C (fibre C + matrice de C amorf)

20:12 8

2/13/2012

5

Unele dintre definiţii sunt legate de existenţa unui efect micromecanic al combinaţiei de faze

Tranfer de sarcină la compozite cu fibre lungi

Fixarea dizlocaţiilor (dislocation pinning) la

compozite armate cu particule

Alte efecte sinergice (performanţe superioare componentelor folosite independent)

Definiţii

20:12 9

Transferul de sarcină

Sarcina aplicată matricei către ranforsant

(care fiind mai rigid preia o mare parte din sarcină)

Presupune existenţa unei legături suficient de

puternice fibră-matrice

(adeziune, existenţa unei interfeţe)

20:12 10

2/13/2012

6

Fixarea dizlocaţiilor

La compozitele cu matrice metalică (MMC)

Deformaţia plastică este însoţită de deplasarea dizlocaţiilor

în reţeaua cristalină a matricei metalice

Dacă deplasarea dizlocaţiilor este împiedicată, tensiunea

mecanică necesară deformării este mai mare

Se produce creşterea proprietăţilor mecanice (limita de

curgere, rezistenţa mecanică)

20:12 11


Componente necesare:

Matrice ductilă (de obicei metalică)

Particule dure de armare:

faze intermetalice (durificarea structurală a aliajelor prin

îmbătrînire)

particule ceramice, nanoparticule

20:12 12

2/13/2012

7


Limita de curgere a compozitului este dată de

tensiunea mecanică necesară unei dizlocaţii

pentru ocolirea unei particule (Orowan)

20:12 13


G – modulul transversal al materialului

b – vectorul Burgers (direcţia şi mărimea dizlocaţiei dintr-o reţea cristalină)

λ – distanţa între particule

/bG

20:12 14

2/13/2012

8


Limita de curgere σc creşte cu cît distanţa dintre particule λ este mai mică

La aceaşi proporţie volumică de particule distanţa dintre particule este mai mică dacă particulele sunt mai fine

Durificarea este mai accentuată cu cît particulele sunt mai fine (de ex. Nanoparticulele)

20:12 15

Istoric

Arcuri mongole:

Zona comprimată – corn de animal

Zona întinsă – lemn

Lipite sau legate cu tendoane

Săbii japoneze:

Lame de oțel și fier moale

20:12 16

2/13/2012

9

1939-Gordon si De Bryne:

- rasina fenolica+fibre de in =

GORDONAEROLITE (ca o alternativa la aliajele de Al)

1942-1943- Rasini poliesterice+fibre de sticla=

materiale compozite pentru ecranele transparente ale

radarelor

1966: fibre de bor; 1968: fibre de carbon; 1972: fibre

aramidice; 1976: fibre polietilenice

2000: 6o milioane tone compozite se produc pe glob

Apollo-11 (75% din MC); Discovery (87% din MC !)

Istoric

20:12 17

Scopul dezvoltării compozitelor:

Combinaţie favorabilă a unor proprietăţi

tipice (antagonice); Exemplu:

tenacitate (ductilitate)–rezistenţă mecanică (duritate)

Îmbunătăţirea unei performanţe Exemplu:

Rezistenţă mecanică specifică (Rm/ρ) de valoare mare

Comportamentul la temperaturi ridicate

Realizarea unei anumite aplicaţii

20:12 18

2/13/2012

10

Scopul dezvoltării compozitelor:

Un nou concept:

PROIECTAREA materialului pentru o

anumită aplicaţie

Alternativ la SELECŢIA materialului

pentru aplicaţii

20:12 19

PROIECTAREA MATERIALULUI

Materialul este configurat în funcţie de aplicaţie:

Proprietăţile finale sunt influenţate de

RANFORSANT: prin natura, proporţia, poziţionare,

configuraţie

MATRICE: tipul materialului, starea structurală

Piesa şi materialul sunt realizate în acelaşi timp

Engl. Material design

20:12 20

2/13/2012

11

PROIECTAREA MATERIALULUI

Puternică ANIZOTROPIE a materialului:

Proprietăţile sunt mult diferite în funcţie de direcţie

Există şi la materialele clasice

Exemplu: tabla laminată, sîrma trasă etc.

Compozite cu fibre lungi: proprietăţile mecanice sunt

mult mai ridicate pe direcţia fibrelor

Se bazează pe anizotropia proprietăţilor

20:12 21

CLASIFICARE

Compozite cu fibre lungi sau armare continuă (Continuously Fiber Reinforced Composites);

Compozite cu armare discontinuă Particule(Particle Reinforced Composites)

Fibre scurte(Short Fiber Reinforced Composites) etc.

Stratificate sau “sandwich”;

20:12 22

2/13/2012

12

CLASIFICARE

Compozite cu fibre lungi sau armare continuă

Unidirecţional (fibre monofilare + matrice metalică)

Multidirecţional (fibre multifilare+matrice

polimerică)

20:12 23

CLASIFICARE Compozite cu fibre lungi sau armare continuă

Unidirecţional Au STRATURILE orientate pe ACEAȘI direcție

STRATURI engl. LAMINA (pl. LAMINAE), LAYER sau PLY

Multidirecţional Au STRATURILE orientate pe direcții DIFERITE

Se numesc compozite stratificate engl. LAMINATE COMPOSITES

Dacă STRATURILE nu sunt disctincte (nu există o stratificare clară), se numesc BULK COMPOSITES – de ex. compozitele cu particule

20:12 24

2/13/2012

13

CLASIFICARE

Particule:

Poliedrice

Sferice

Discuri etc.

Fibre scurte: Aliniate

(anizotropie)

Nealiniate (cvasi-izotropie)

(cvasi-izotropia proprietăţilor) 20:12 25

CLASIFICARE

Compozite stratificate sau “sandwich”;

20:12 26

2/13/2012

14

CLASIFICARE

După natura materialului matricei:

Polimerică

Metalică

Ceramică

20:12 27

Au apărut ca înlocuitori ai aliajelor metalice uşoare

Sunt de obicei armate cu fibre lungi (multifilament) sau scurte de natură: Ceramică: sticlă, carbon, Organică: aramide (KEVLAR)

Prezintă o puternică anizotropie: diferenţa de proprietăţi între matrice şi ranforsant

este pronunţată – armare multidirecţională

Compozite cu matrice polimerică

20:12 28

2/13/2012

15

Avantaje: Proprietăţi mecanice (specifice) (Rm/ρ)

Rezistente la oboseală

Disponibile în cantităţi ridicate la costuri reduse

Cunoştiinţe de proiectare şi tehnologice bune

Rezistente la produse folosite în industrie (ulei, grăsimi, lichide hidraulice, vopsele, solvenţi, petrol)

Nu corodează


20:12 29

Dezavantaje: Instabilitatea proprietăţilor (îmbătrînesc): matricea polimerică este sensibilă la umiditate, radiaţii, fungi etc.;

Sensibilitate la temperaturi mari şi medii corozive;

Nu preia sarcini transversale: este necesară armarea multidirecţională, ceea ce duce la complicaţii tehnologice şi măreşte costurile.


20:12 30

2/13/2012

16

Compozite cu matrice metalică

MMC – Metal Matrix Composites

Creşterea proprietăţilor prin armare este mai puţin

pronunţată

Metale uşoare (Al, Mg, Ti) armate cu particule

sau fibre scurte de natură ceramică: bor,

carbură de siliciu (SiC), carbură de bor

(B4C), alumină Al2O3

Titan armat cu fibre lungi de diametre mai mari,

de natură ceramică

20:12 31


Ti-5Al-5V/80vol%SiC (fibre monofilament)

20:12 32

2/13/2012

17

Avantaje: Proprietăţi superioare la temperaturi ridicate;

Rezistenţă la solicitări transversale pe direcţia fibrelor Este posibilă armarea unidirecţională

Rezistenţă bună la coroziune şi stabilitate fizică a proprietăţilor

Avantaje tehnologice – procesare similară cu materiale clasice (turnare, deformare, aşchiere, sudare) Posibilitatea aplicării tratamentelor termice, pentru modificarea proprietăţilor matricei


20:12 33

Dezavantaje: Costuri ridicate Utilaje complicate (de natură tehnologică); Cost ridicat al materiilor prime (mai ales la fibre lungi)

Dificultăţi tehnologice de producere (înglobare, infiltrare, aliniere) Experienţă practică limitată Este dificilă impunerea pe piaţă a unei noi clase de materiale: costuri iniţiale mari, conservatorism în ceea ce priveşte concepţia


20:12 34

2/13/2012

18

Dezvoltarea lor este incipientă

Obiectiv principal: reducerea fragilităţii

Rezistenţa mecanică şi rigiditatea nu se modifică semnificativ;

Compozite cu matrice ceramică

20:12 35

Matrice: oxizi, carburi, nitruri

Ranforsanţi: Whiskers – fibre scurte, monocristaline SiC, Al2O3, Si3N4 etc. (diam.~1 µm sau mai puţin, lung. 200-300 µm)

Fibre lungi monofilament – ceramica devine flexibilă:


20:12 36

2/13/2012

19

Avantaje: Proprietăţi superioare la temperaturi foarte ridicate; Rezistenţă foarte ridicată la coroziune şi stabilitate foarte bună a proprietăţilor;

Dezavantaje: Costuri; Dificultăţi tehnologice de producere (metalurgia pulberilor, depunere în vid, reacţii chimice); Insuficiente cunoştiinţe teoretice;


20:12 37

CLASIFICARE

După tipul procedeului de fabricare

Artificiale - (cu înglobare);

“In-situ” – prin transformări chimice sau

structurale în însăşi intimitatea

materialului

20:12 38

2/13/2012

20

CLASIFICARE

Exemple de compozite produse

“In-situ”:

oxidare sau nitrurare internă a unei topituri

metalice (insuflare de gaz: aer, azot,

oxigen)

solidificare dirijată a unui eutectic

20:12 39

Aplicațiile

Materialelor compozite

20:12 40

2/13/2012

21

MATERIALE COMPOZITE

Aplicaţii:

•Structurale

•Funcţionale

20:12 41

MATERIALE COMPOZITE

Aplicaţii:

Electronică, Electrotehnică •Suporţi pentru plăcii de circuite imprimate •Dulapuri, cofrete •Antene •Căi pentru cabluri •Radiatoare termice

20:12 42

2/13/2012

22

MATERIALE COMPOZITE

Aplicaţii:

Construcţii, lucrări publice •Cosuri, tubulatură •Cofraje pentru betoane •Piscine •Panouri pentru faţade, profile •Obiecte sanitare

20:12 43

MATERIALE COMPOZITE

Aplicaţii:

Transport rutier •Componente de caroserie •Arbori de transmisie, blocuri motoare, biele •Rezervoare de carburant •Profile de rezistenţă, suspensii •Cisterne, incinte izoterme

20:12 44

2/13/2012

23

MATERIALE COMPOZITE

Aplicaţii: Transport rutier

Fuel tank

Fuel lines

Mirror housing

Door handles

20:12 45

MATERIALE COMPOZITE Aplicaţii: Transport rutier

20:12 46

2/13/2012

24

MATERIALE COMPOZITE

Aplicaţii:

Transport feroviar •Piese de transmisie •Caroserii de vagoane •Uşi, panouri interioare •Căi de ventilaţie

20:12 47

MATERIALE COMPOZITE

Aplicaţii:

Transport maritim •Hovercrafts •Ambarcaţiuni uşoare, sportive, şalupe (coca)

20:12 48

2/13/2012

25

MATERIALE COMPOZITE

Aplicaţii:

Transport aerian •Avioane ultrauşoare •Planoare •Componente de avioane mari: borduri, derivoare •Palete de helicopter •Discuri de frîne, echipamente de rulare, arbori •Diuze pentru motoare

20:12 49

MATERIALE COMPOZITE

Aplicaţii:

Mecanică generală •Angrenaje (roţi, arbori, axe) •Cuzineţi •Braţe de roboţi •Profile portante (platforme off-shore) •Incinte sub presiune

20:12 50

E:/Backups/Prezentari_2004/Internet/INTERNET 2/Google Rezultate in imagini pentru www_propulsair_com-images-photos-helices-HR-elice_Propulsair_jpg_files/imgres_files/elice_Propulsair.jpg

2/13/2012

26

51

MATERIALE COMPOZITE

Aviație militară

Structura sandwich pentru tehnologia

STEALTH

43% din structura lui F-111

65% din structura F-22 RAPTOR

71% din structura B-2

Aplicaţii:

20:12

52

MATERIALE COMPOZITE

Industria armamentului

Blindaj reactiv de tipul compozitelor

stratificate (sandwich) Aplicaţii:

Cutii pentru echipamente

sensibile: subacvatice, antisoc 20:12

2/13/2012

27

MATERIALE COMPOZITE

Aplicaţii:

Sport şi recreere •Rachete de tenis •Beţe de pescuit •Schiuri •Trambuline •Arcuri •Căşti de protecţie •Cadre de bicicletă •Crose de golf •Planşe pentru surf 20:12 53

Produse diverse

“Entertaintment industry”

reception desk

panouri decorative,

scaune

MATERIALE COMPOZITE

Elemente de

semnalizare rutieră

20:12 54

2/13/2012

28

Aplicaţii biomedicale Concept de dezvoltare:

Ameliorarea proprietăţilor materialelor clasice:

Metalice

Polimerice

Ceramice

Sinergie pentru crearea de materiale mai

performate

20:12 55

Aplicaţii biomedicale

Concept:

“Proiectarea” de materiale cu anumite proprietăţi

relative la mediul biologic

Inerte

Bioactive – interfață legătură între material și

țesut

Resorbabile

Rezistenţă / Rigiditate similare materialelor

naturale – compatibilitate biomecanică

(cf. legii lui Wolff -„„Wolff‟s Law‟‟) 20:50 56

2/13/2012

29


„„Wolff‟s Law‟‟:

La modificarea tensiunilor și deformațiilor osul se

remodelează astfel ca tensiunea să se mențină la

anumite valori

Consecință:

În cazul implanturilor mai rigide, osul este supus unor

sarcini mai reduse are loc resorbirea

Sunt preferabile implanturile cu rigiditate similară cu a

osului

20:55 57


Materialele metalice biocompatibile

Aliaje Co–Cr

Oţeluri inoxidabile

Aliaje de titan

Eliberează ioni şi produse de coroziune

Pentru creşterea biocompatibilităţii: se cuplează cu materialele ceramice

20:12 58

2/13/2012

30


Polietilenă (PE)

Polipropilenă (PP)

Poliuretan (PU)

Poli-Tetra-Fluoro-Etilenă (PTFE)

Poli-Vinil-Clorid (PVC)

Poliamide (PA),

Poli-Metil Metacrilat (PMMA),

Poliacetal

Policarbonat (PC),

Poli-Etilen-Tereftalat (PET)

Poli-Eter-Eter-Ketonă (PEEK)

Polisulfonă (PSU)

Materialele polimerice biocompatibile - de tip biostabil

Ranforsate pentru creşterea proprietăţilor mecanice: fibre, particule

20:35 59


Poli (lactic acid) (PLA)

Poli (glicolic acid) (PGA)

Poli (e-caprolactonă) (PCL)

Poli-hidroxi-butirat (PHB)

Materialele polimerice biocompatibile - de tip biodegradabil

Producerea de “schelete” (scaffolds) bio-resorbabile pe

măsura regenerării țesuturilor

Ranforsate pentru creşterea proprietăţilor mecanice: fibre, particule

20:39 60

2/13/2012

31


Biocompatibilitate foarte bună -conţin: Ioni prezenţi în medii fiziologice:Ca 2+, K+, Mg 2+, Na + etc.

Ioni cu toxicitate redusă Al 3+, Ti 2+

Dintre cele mai folosite pentru legătură

puternică cu ţesuturile biologice (bioactive): alumina, zirconia – fragile

hidroxiapatita HA (bioactivă) – Ca10(PO4)6(OH)2 şi

TCP (tricalcium phosphate – bioresorbabil ) -Ca3(PO4)2 au rezistenţe

mecanice reduse

Ceramice biocompatibile (bioceramicele)

Inconvenient major - tenacitate redusă

Folosite mai ales ca ranforsanți: fibre, particule

20:12 61

Factori care influențează performanțele compozitelor bioactive

Compozite de uz:

general – primează proprietățile mecanice

biomedical - primează biocompatibilitatea

21:26 62

Mai multe componente

crește probabilitatea reacților adverse

cel puțin 1 trebuie să fie bioactiv

2/13/2012

32


S-au dezvoltat cîteva clase de compozite

Dpdv al matricei folosite:

Compozite cu matrice polimerică:

Ex: PEEK/Cf (fibre), HDPE/ HAp (particule)

Compozite cu matrice metalică:

Ex: Ti/HAp, Ti–6Al–4V/HAp.

Compozite cu matrice ceramică:

Ex: HA/ol.inoxf, HA/sticlăf

20:12 63

Aplicaţii biomedicale Dpdv al bioactivităţii:

Compozite BIOINERTE Ex: carbon/Cf, PEEK/Cf

Compozite BIOACTIVE Ex: Bioglass/ol.inoxf, HA/sticlăf, HDPE/HAp, Ti–6Al–4V/HAp.

Compozite BIORESORBABILE Folosesc matrici din polimeri biodegradabili:

Acid polilactic (PLA=polylactic acid)

Acid poliglicolic (PGA=polyglycolic acid)

Policaprolactona (PCL=poly e-caprolactone)

Polihidroxibutirat (PHB=polyhydroxybutyrate)

Ex: PLA/TCP, PHB/TCP(tricalcium phosphate) 20:12 64

3/29/2012

1

MATERIALE COMPOZITE ARMATE CU FIBRE LUNGI

COMPOZITE CU ARMARE CONTINUĂ

13:18 65


Ranforsanţii străbat întreaga lungime sau

o porţiune importantă a piesei

13:18 66

3/29/2012

2


Laminat unidirecţional

Anizotropic

Laminat multidirecţional Cvasi –izotropic

13:18 67

Efectul fibrelor şi matricei proprietăţilor

Tip compozit Solicitarea

mecanică Component

dominant

Unidirecţional

Tracţiune 0° Fibre

Compresiune 0° Fibre / Matrice

Forfecare Matrice

Tracţiune 90° Matrice

Multidirecţional

Tracţiune Fibre

Compresiune Fibre / Matrice

Forfecare în plan

Fibre

Forfecare între straturi

Matrice

13:18 68

3/29/2012

3

Diagrama de orientare a fibrelor Fibre în direcţiile 0°, 90°, +45°, -45°

Zona preferenţială 0°: 15-50%, 90°: 10-40%, ±45°: 25-75%

Zona anizotropă 0°: 25%, 90°: 25%, ±45°: 50%

13:18 69

FIBRE LUNGI

Forme de prezentare

• Fibre monofilament (pentru compozite cu matrice metalică) • Roving (mănunchiuri de fibre) • Mat • Prepreg • Pînze ţesute (wowen fabric) (2D, 3D) • Fibre împletite (knitted fabric) • Fibre cusute (stitched fibers)

13:18 70

3/29/2012

4

FIBRE LUNGI - Terminologie

Fibră (Fiber) o entitate de material

avînd una dintre dimensiuni mult mai

mare decît celelalte.

Se defineşte un raport l/d de obicei mai

mare de 100

13:18 71


Filament (filament) cea mai mică

unitate de material fibros.

La fibrele monofilament este sinonim cu

fibra

13:18 72

3/29/2012

5


Mănunchi

engl. strand – pentru fibre de sticlă

engl. tow - pentru fibre de carbon)

un număr de fibre grupate

cu axele paralele

de obicei nerăsucite

13:18 73


Mat

Produs format din

fibre scurte sau

fibre lungi,

orientate sau nu,

menţinute împreună sub formă de pînză,

prin formă sau

cu ajutorul unui adeziv 13:18 74

3/29/2012

6


Mat din fibre de sticlă 13:18 75


Roving (stratifil)

meşă sau mănunchi îngust şi lung de fibre, care este de regulă tras sub formă de benzi cu fibre paralele; de obicei se foloseşte pentru:

Ţesere

Pultruziune (asemănătoare extrudării)

Realizarea prin tăiere a fibrelor scurte

Înfăşurare (fillament winding)

13:18 76

3/29/2012

7


Roving (stratifil) 13:18 77

ROVING

Semifabricate sub formă de mănunchiuri de fibre tow,

strand (de obicei nerăsucite)

• Diametrul fibrei 5- 30 μm •Pînă la 1000 de fibre în mănunchi

Avantaje: • Sunt de obicei cele mai ieftine Dezavantaj: • Prezintă dificultăţi în utilizare (realizarea poziţionării în timpul producerii compozitului)

13:18 78

3/29/2012

8

ROVING

Folosite la producerea prin:

pultruziune

înfăşurare (fillament winding)

În ultimul timp au apărut mănunchiuri preimpregnate pregtow

13:18 79

PREPREG

folii subţiri de fibre

uniaxiale poziţionate paralel una faţă de cealaltă

biaxiale sub formă de ţesătură

preimpregnate cu polimerul folosit ca matrice.

se livrează în benzi continue de pînă la 2 m lăţime

De obicei pentru rășini termodurificabile – recent și

termoplaste

13:18 80

3/29/2012

9

PREPREG

Flexibilitate:

Geometria semifabricatului poate fi uşor configurată

Determinarea grosimii se poate face prin adăugarea sau

îndepărtarea de straturi

Proporţii volumice de fibre Vf de pînă la 0,6 – 0,65 (la cele

uniaxiale)

Se pretează la croirea computerizată (rapiditate, reducere

deşeuri)

Avantaje:

13:18 81

PREPREG

Limitări şi dezavantaje:

Uniaxiale:

pot fi aşezate doar pe suprafeţe cu curburi simple (eventual tăiate în benzi înguste)

Biaxiale:

se pot manevra mai uşor dar pot fi modelate mai greu datorită grosimii mai mari

Vf p.l. 0,55

13:18 82

3/29/2012

10

PREPREG

Fiind livrate cu polimerul nepolimerizat sau doar parţial polimerizat

au o durabilitate limitată:

presupune depozitarea la temperature scăzute şi protejarea cu folii de material plastic

Costuri mai mari legate de preimpregnare, păstrare şi manevrare

Limitări şi dezavantaje:

13:18 83

PREPREG

Utilizare

Pentru formarea compozitelor

în forme unilaterale sub vid

uneori pentru presarea în matriţe bilaterale

13:18 84

3/29/2012

11

Materiale textile

Suprafețe textile = fabric

Țesute (woven)

Împletite (braided)

Tricotate (knitted)

Cusute (stitched)

13:18 85

PÎNZE ŢESUTE

Engl. woven fabric

nu se deşiră atunci cînd sunt manevrate sunt indicate pentru suprafeţe mari

Avantaj

Dezavantaj

Datorită fibrele sunt deplasate de la direcţiile rectilinii planeitate redusă micromecanică mai puţin favorabilă

13:18 86

3/29/2012

12

PÎNZE ŢESUTE

Război de ţesut

13:18 87

PÎNZE ŢESUTE

Compoziţii disponibile de fibre

Densităţi de suprafaţă 100 - 4500 g/m2

Grosime de 0,1–5,0 mm

Sticlă Aramide Carbon Hibride

Pentru fiecare strat

13:18 88

3/29/2012

13

PÎNZE ŢESUTE

Diferite tipuri de ţesături

Densităţi de suprafaţă 100 - 4500 g/m2

Grosime de 0,1–5,0 mm

Simplă (Plain) Twill (Sergée) Satin

Pentru fiecare strat

13:18 89

PÎNZE ŢESUTE

Simplă (Plain)

Urzeală (warp)

Bătă

tură

(weft)

Cea mai rezistentă la manevrare Cea mai puţin plană Cele mai mari curburi ale fibrelor Proprietăţile mecanice cele mai reduse

fiecare fir de bătătură trece alternativ • peste 1 fir de urzeală • apoi sub 1 alt fir

13:18 90

3/29/2012

14

PÎNZE ŢESUTE

Twill (Sergée)

Urzeală

Bătă

tură

Curburi mai reduse ale fibrelor Planeitate mai bună Proprietăţile mecanice mai bune

fiecare fir de bătătură trece alternativ • peste 2 fire de urzeală • apoi sub alte 2 fire

13:18 91

PÎNZE ŢESUTE

Satin

Urzeală

Bătă

tură

Cele mai reduse curburi ale fibrelor Planeitatea cea mai bună Proprietăţile mecanice cele mai bune Se destramă mai uşor

fiecare fir de bătătură trece alternativ • pe dedesubtul a 3 fire de urzeală (satin de 4) sau a 7 (satin de 8) • apoi deasupra a 1 fir

13:18 92

3/29/2012

15

Fibre ŢESUTE tridimensional

13:18 93

Fibre ŢESUTE tridimensional

Rotor de turbină 13:18 94

3/29/2012

16

Fibre tricotate

Tricotarea este realizată prin împletirea în ochiuri a unor mănunchiuri de fibre

(engl. knitted fabric)

13:18 95

Fibre tricotate

Ramă pentru geam (aeronautică)

Tricotaj multistrat

13:18 96

3/29/2012

17

Fibre împletite

Engl. braided

Încrucișarea a 3 sau mai multe

mănunchiuri pentru a produce un

ranforsaj tubular cu fibre la ±45° față de

axa principală a tubului

13:18 97

Fibre cusute (stitched)

13:18 98

3/29/2012

18

Fibre de armare

Cele mai uzuale

Sticlă

Aramide

Carbon

Polietilenă

Ceramice: B, B-SiC, Al2O3, SiC, B4C, AlN etc.

13:18 99

Principii ale utilizării fibrelor

Teoria ruperii a lui Alan Griffith (1920)

A studiat rezistența tijelor și fibrelor de sticlă

Cînd diametrul scade ~10 µm → Rm↑↑

Există Rcritic pentru propagarea unei fisuri

Pentru fisuri mici Rcritic ↑↑

Fibrele subțiri vor avea fisuri mai mici

Scade probabilitatea de producere a unui

defect 13:18 100

3/29/2012

19

Proprietăţile compozitelor armate cu fibre

13:18 101

Proprietăţi comparative

Fibre uzuale

13:18 102

3/29/2012

20

Principalele tipuri de fibre carbon

sticlă

aramide

ex. Kevlar, Twaron

polietilenă

ex. Dyneema, Spectra

Ceramice: B, B-SiC, Al2O3, SiC, B4C, AlN etc.

naturale

in, cînepă, iută, kenaf (Hibiscus cannabinus), sisal (Agave sisalana)

13:18 103

COMPOZIŢIE

50-60 % SiO2 + oxizi (Al2O3, B2O3, CaO, MgO etc.)

FIBRE ANORGANICE

Fibre de sticlă

PROPRIETĂŢI

• Amorfe

• Izotrope

13:18 104

3/29/2012

21

FIBRE ANORGANICE

Fibre de sticlă

Producere: topire + ejectarea topiturii

Diametru: pînă la 10 µm

Tipuri:

•Tip E (Electrical glass)

•Tip C (Chemical glass) şi E-CR (Electrical-Corrosion Resistent glass)

•Tip AR (Alkali Resistent glass)

•Tip S (Strength glass)

•Tip R

•Tip T (“Texxes”)

13:18 105

FIBRE ANORGANICE

Fibre de sticlă

•Tip E (Electrical glass)

•Uşor de produs

•Cost redus

•Proprietăţi mecanice bune

•Sensibile în medii acide sau alcaline

13:18 106

3/29/2012

22

FIBRE ANORGANICE

Fibre de sticlă

Tip C (Chemical glass) şi

E-CR (Electrical-Corrosion Resistent glass)

•Rezistente în medii acide

•Proprietăţi comparabile cu E glass

•Preţ mai ridicat

13:18 107

FIBRE ANORGANICE

Fibre de sticlă

Tip AR (Alkali Resistent glass)

•Rezistente în medii alcaline

•Înlocuitoare ale fibrelor de azbest

•Producere mai dificilă (ZrO2)


13:18 108

3/29/2012

23

FIBRE ANORGANICE

Fibre de sticlă

•Rm şi E mai ridicate (industria aeronautică)

•Stabilitate termică a proprietăţilor mecanice

•Producere mai dificilă (dificultăţi de tragere)


Tip S (Strength glass)

13:18 109

FIBRE ANORGANICE

Fibre de sticlă

Tip R – varietate a sticlei S

•Rm şi E mai ridicate (industria aeronautică)

•Stabilitate termică a proprietăţilor mecanice

•Producere mai dificilă (dificultăţi de tragere)


13:18 110

3/29/2012

24

EC

ARS

R

Rm/ro

Rm

2200 2400

1700

3900

3100

866 960

630

1566

1245

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

FIBRE ANORGANICE

Fibre de sticlă

13:18 111

Efectul oxizilor Oxid % in E-glass % în S-glass Efect asupra Proprietăților

SiO2 54 65 Dilatație termică foarte redusă

Na2O urme urme Dilatație termică ridicată, sensibilitate la umiditate

K2O - - Dilatație termică ridicată, sensibilitate la umiditate

Li2O - - Dilatație termică ridicată, sensibilitate la umiditate

CaO 17.5 urme Rezistență la apă, acizi, alcalii

MgO 4.5 10 Rezistență la apă, acizi, alcalii

B2O3 8.0 urme Dilatație termică redusă

Al2O3 14 25 Stabilitate chimică îmbunătățită

Fe2O3 urme urme Colorare în verde

ZnO - - Stabilitate chimică

PbO - - Densitate și strălucire crescute (transmiterea luminii) și dilatație termică ridicată

BaO - - Densitate ridicată și stabilitate chimică îmbunătățită

TiO2 Stabilitate chimică îmbunătățită, mai ales la alcalii

3/29/2012

25

FIBRE ANORGANICE

Fibre de sticlă

DEZAVANTAJ IMPORTANT:

tendinţă de distrugere sub influenţa mediului

Distrugere prin abraziune (frecare): lustruire chimică

Coroziune în medii apoase (adîncirea defectelor superficiale)

Coroziunea sub tensiune (efect cumulat

tensiune + mediu = creştere fisuri)

Reducerea Rm în funcţie de temperatură şi durată de menţinere

13:18 113

FIBRE ANORGANICE

Fibre de sticlă

Măsuri de protecţie: acoperire (“size”)

Şi alte efecte funcţionale:

• Legarea fibrelor între ele

• Lubrifiere

• Îmbunătăţirea legăturii cu matricea

• Proprietăţi antistatice

13:18 114

3/29/2012

26

Probleme legate de utilizare

Manevrarea poate produce distrugeri

Sare – dizlocuirea unor ioni de legătură

Ulei, grăsime – împiedică aderența

Reguli de securitate

Fibrele comerciale NU trebuie să fie

respirabile (diametru > 5 μm)

13:18 115

FIBRE ANORGANICE

Fibre de cuarţ

COMPOZIŢIE: 99,99 % SiO2; Diametru 7-14 µm

PROPRIETĂŢI

• Stabilitate termică a proprietăţilor: 1050ºC (1250 ºC )

• Rezistenţă la oxidare şi agenţi chimici;

• Rezistenţă şoc termic

• Rezistenţă la radiaţii

• Duritate mare

• Stabilitate dimensională

• Densitate redusă (2,2 g/cm3)

13:18 116

3/29/2012

27

FIBRE ANORGANICE

Fibre de cuarţ

•Preţ ridicat: industria aeronautică, centrale nucleare etc.

13:18 117

COMPOZIŢIE: >90 % C

Diametru 7-10 µm

Proprietăţi mecanice ridicate Stabilitate fizico-chimică (termică, în absenţa oxigenului) Coeficient de dilatare termică redus

Fibre de carbon

13:18 118

3/29/2012

28

Fibre de carbon

Clasificare

Ca geometrie:

Lungi (continue) sau scurte

Ca structură

Cristaline, amorfe, parţial cristaline

13:18 119

STRUCTURĂ:

•Cristalite mici de grafit turbostratic

•Legături: covalente + van der Waals

Caracter

anizotropic

FIBRE ANORGANICE

Fibre de carbon

13:18 120

3/29/2012

29

FIBRE ANORGANICE Fibre de carbon Reţeaua grafitului

Proprietăţi mecanice ridicate

(direcţia fibrei)

Pro

prietăţi m

ecanice red

use

(perp

end

icular p

e fibră)

13:18 121

FIBRE ANORGANICE

Fibre de carbon

Proprietăţi ridicate Alinierea cu planele bazale

Anizotropie ridicată

13:18 122

3/29/2012

30

FIBRE ANORGANICE

Fibre de carbon

În funcţie de precursor:

• PoliAcriloNitril (PAN)

• gudron (PITCH)

• Rayon (din gaze)

Sortimente:

HS – high strength

IM – intermediate modulus

HM – high modulus

UHM – ultra high modulus

XA – alungire ridicată

13:18 123

FIBRE ANORGANICE

Fibre de carbon

E (relativ) ρ

preţ relativ

Rm

A relativ

Exemplu pentru E [GPa]:

• HM: axial 380; radial 12

• HS: axial 230; radial 20

13:18 124

3/29/2012

31

FIBRE ANORGANICE

Fibre de carbon – tip PAN

Operaţiunile de producere

1. Precursorul este nepolimerizat (termorigid)

2. Tragere în fire (wet spinning)

3. Oxidarea (pentru stabilizare)

• Rearanjare moleculară

• Obţinere OxiPAN

4. Carbonizare – eliminare H2O şi HCN

3. Grafitizarea (2500ºC)

(HS, VHS, IM)

(HM, UHS)

13:18 125

FIBRE ANORGANICE

Fibre de carbon – tip PAN

Tipul de fibră în funcţie de temperatura de grafitizare

0

50

100

150

200

250

300

350

1200 1600 2000 2400 2800

Temperatura de grafitizare [°C]

Rm

[G

Pa]

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

E [

GP

a]

E

RmHMHM

13:18 126

3/29/2012

32

FIBRE ANORGANICE

Fibre de carbon – tip PITCH


1. Preparare gudron (izotropic – anizotropic)

2. Polimerizare (350ºC) – mezofază (lichid + solid)

3. Extrudare (sub formă de fibre)

4. Oxidare

5. Carbonizare – (2000ºC)

6. Grafitizarea – (2900ºC)

Materie primă: gudron (smoală)

13:18 127

FIBRE ANORGANICE

Fibre de carbon – din gaze

Se produc la contactul dintre

un gaz cu conţinut de carbon:

Acetilenă C2H2, etan CH3-CH3, metan CH4, gaz natural, benzen C6H6

+ H2 se realizează un amestec (CO/CO2/H2; C2H2)

contact cu particule de metal catalizator :Fe, Ni, Cu, Pa etc (10 nm).

Particulele aşezate pe un suport ceramic

inert faţă de metal (MgO, SiO2)

H2 + CO → H20 + C↓ Reacţia de depunere catalitică

C2H2 → H2 + 2C↓

13:18 128

3/29/2012

33

FIBRE ANORGANICE

Fibre de carbon – din gaze

Particulă de metal catalizator

Creşterea filamentului

Filament

Fibră

Gaz

carbonic

Creştere

catalitică

Depunere din vapori

(necatalitică)

Gaz

carbonic

Gaz

carbonic

Gaz carbonic

13:18 129

Producerea fibrelor (nanofibrelor)

prin depunere din vapori

Materie primă:

Hidrocarburi gazoase

(CH4; C6H6; C2H2)

în prezenţa unui catalizator metalic

Fe, Ni, Co

13:18 130

3/29/2012

34

Fibre de carbon: caracteristici

E A

Conductoare electrice

Coeficient longitudinal de dilatație termică

ușor negativ

Efectul crește odată cu creșterea modulului

FIBRE ANORGANICE

Fibre de carbon – armare pentru compozite

Matrice polimerică : producere facilă, temperaturi scăzute de

procesare

o Răşini termodurificabile: epoxidice, fenolice (200°C)

o Răşini termoplaste:

o polimide (PI),

o polietersulfone (PES),

o polietereterketone (PEEK),

oPolieterimide (PEI),

oPolifenil sulfide (PPS) (300 - 400°C.

o Tratamente superficiale pentru îmbunătăţirea legăturii cu

matricea: oxidare (gaze, soluţii, procedee elecrochimice, plasmă

etc.) acoperiri, agenţi de umectare

13:18 132

3/29/2012

35

FIBRE ANORGANICE


Matrice ceramică

(beton, gips, MgO, A12O3, SiC, Si3N4, ZrO2):

o Pot conferi conductivitate electrică sau termică

o Reduc dilataţia termică

o Îmbunătăţesc tenacitatea (tendinţă de smulgere la deformaţie

plastică)

o Împiedică interferenţa electromagnetică (RFI, EMI)

13:18 133

FIBRE ANORGANICE


-Matrice metalică:

o Potenţial catodic mai mare decît orice metal, care devine anod şi

formează astfel cu fibra de grafit un cuplu galvanic care duce la

oxidarea metalului.

o Pentru compozite cu matrice metalică se procedează la

acoperirea fibrelor.

o Se reduce mult dilataţia termică

o De obicei o preformă de fibre cu liant polimeric

o Îmbunătăţirea umectării , evitarea reacţiei cu metalul prin

acoperiri placare cu Ni, Cu, Ag se produc compuşi intermetalici

fragili, acoperire cu pelicule ceramice TiC, SiC, B4C, TiB2, TiN,

K2ZrF6, ZrO, acoperire cu carbon amorf

13:18 134

3/29/2012

36

FIBRE ANORGANICE


Matrice de carbon:

o Creşterea rezistenţei mecanice, fibrele avînd textură şi

proprietăţi mecanice mult mai mari

o Tenacitate: desprinderea fibrelor produce absorbţia de energie

(pseudo-plasticitate)

o Producere: liquid phase impregnation (LPI), hot isostatic

pressure impregnation carbonization (HIPIC), hot pressing,

chemical vapor infiltration (CVI).

o Protejare la oxidare: acoperire cu SiC, Si3N4, răşini siliconice

13:18 135

Fibre de carbon (structură)

Thornel P-100

13:18 136

3/29/2012

37

FIBRE ANORGANICE

Fibre de bor

CVD (Chemical Vapor Deposition: 2BCl3 + 3H2 2B + 6HCl

Depunere în vid

13:18 137

FIBRE ANORGANICE

Fibre de bor


1. Depunere CVD

2. Recoacere

3. Tratament superficial (chimic)

4. Acoperire SiC (Borsic) la MMC

Proprietăţi superioare, densitate scăzută, cost ridicat

13:18 138

3/29/2012

38

FIBRE ANORGANICE

Fibre din carbură de siliciu

Proprietăţi superioare, cost ridicat – mai ales pentru MMC

Obţinere:

prin CVD

din precursori (similar cu C) – 10-15 µm

creşterea de monocristale (whiskers) –

proprietăţi excepţionale– 0,1– 0,5 µm

13:18 139

FIBRE ANORGANICE

Fibre din carbură de siliciu

CVD – pe miez de W (reacţie la 900ºC) sau C

CH3 + SiCl3 SiC + 3HCl

Acoperire finală cu C

13:18 140

3/29/2012

39

FIBRE ANORGANICE

Fibre din alumină

Proprietăţi ridicate

Stabilitate termică pînă la 1300ºC Industria aerospaţială

Izolatori

Fragilitate

Cost ridicat

Policristaline

În amestec cu SiO2

13:18 141

FIBRE ANORGANICE

Fibre metalice

Metale: Ti, W, Mo, Al, aliaje – diametru 10 – 150 µm

Utilizare restrînsă: densitate mare;eventual combinaţie cu C sau sticlă

13:18 142

3/29/2012

40

FIBRE ANORGANICE

Fibre monocristaline

Proprietăţi excepţionale:

• Rm ridicată

• Densitate redusă

• Stabilitate termică

• Rezistenţă la coroziune

• Costuri f. mari

Diametru: 1 – 10 µm

Lungime: 10 – 300 µm

Tipuri: Grafit, Al2O3, SiC, Si3N4, AlN, BeO, Fe, Si

– realizate prin “creştere”

13:18 143

FIBRE ORGANICE

ARAMIDELE

POLIETILENA

(ARomatic poliAMIDE)

• KEVLAR – Du Pont

• TWARON – Akzo

• TECHNORA –Teijin

• SPECTRA – Allied Signal

• DYNEEMA – Dutch State Mines DSM

13:18 144

3/29/2012

41

ARAMIDELE

Legături:

În lanţurile moleculare paralele cu axa fibrei

În lanţurile moleculare perpendiculare cu axa fibrei

13:18 145

ARAMIDELE

Caracteristici

• ρ

• E

• Rm

• T > 100ºC

• K

•Prelucrabilitate

•Rm (compresiune)

•Higroscopice

•UV

Comportare bună la încovoiere Dilatație termică negativă → piese fară dilatație termică

13:18 146

3/29/2012

42

ARAMIDELE

Meta-Aramide (m-Aramide)

• Rm↑ 5x față de p-Aramide

Para-Aramide (p-Aramide)

• A↑ 13x față de m-Aramide

13:18 147

POLIETILENA

Caracteristici (similare aramidelor la densități mai mici)

• ρ

• Rm

• E

• K

Legătură covalentă

între atomii de carbon

• T < 100ºC

Foarte înaltă densitate moleculară - UHMWPE

13:18 148

Denumiri comerciale

Dyneema (DSM)

Spectra (Allied Corporation)

3/29/2012

43

Comparație fibre

Densitate [g/cm3]

aramidă (1.44) < carbon (1.6-1.8) < sticlă (2.56)

Rigiditatea fibrei standard

sticlă (70 GPa) < aramidă (140 GPa) < carbon (210 GPa)

Tenacitate

carbon (fragile) < sticlă < aramidă (tenace)

FIBRE NATURALE

•Inul

•Cînepa

•Bumbacul

•Iuta

•Mătasea

•Lemnul

Proprietăţi

mecanice

modeste

VEGETALE

•Lînă

ANIMALE

13:18 150

3/29/2012

44

• Azbestul

MINERALE

FIBRE NATURALE

Cancerigen

Proprietăţi

ridicate

13:18 151

Densitatea fibrelor Tulpină Frunze Semințe Animal Sintetic

Carb

on

Ara

mid

e

Sticlă

Măta

se

Coco

s

Bum

bac

Sisa

l

Ananas

Iută

Cîn

epă

In

1500 kg/m3

3/29/2012

45

Rigiditatea fibrelor (E)

Carb

on

Ara

mid

e

Sticlă

Măta

se

Coco

s

Bum

bac

Sisa

l

Ananas

Iută

Cîn

epă

In

Tulpină

Frunze

Animal

Sintetic 100 GPa

Rezistența fibrelor

1 GPa

Tulpină

Frunze

Semințe

Animal

Sintetic

3 GPa

2 GPa

Carb

on

Ara

mid

ă

Sticlă

Măta

se

Coco

s.

Bum

bac

Sisa

l

Ananas

Iută

Cîn

epă

In

3/29/2012

46

Rigiditate și rezistență specifică

E sau Rm/densitate

i.e. (MN/m2)/(kg/m3) = MN.m/kg

Modul Rezistență

In 65.8 0.55

Cînepă 46.1 0.61

Iută 39.5 0.57

Sticlă 27.8 1.33

Aramidă 86.1 1.92

Carbon 109.9 1.40

Aluminiu 25.5

Avantajele fibrelor naturale

“producția de fibre naturale necesită mai

puțin de 10 % din energia necesară pentru

producerea de fibre sintetice (aprox. 90

GJ/tonă)”, dar.....

JEG van Dam and HL Bos,

Consultation on natural fibres:

the environmental impact of hard fibres and jute in non-textile industrial applications

ESC-Fibres Consultation no 04/4, Rome, 15-16 December 2004.

http://www.fao.org/es/esc/common/ecg/51423_en_esc_4.pdf





3/29/2012

47


..... aceste cifre sunt valabile doar pentru

cultivarea iutei (în afara de culegere,

topire, decorticare) în ferme mici pe

bază de muncă manuală și forță

animală, fără mașini și chimicale

Probleme de mediu Epuizarea nutrienților din sol/fertilizare

Competiție din partea buruienilor/ierbicide

Competiție din partea insectelor/pesticide

Probleme economice Subvenții agricole

Dependența de vreme

Influența pieței / efecte asupra altor domenii


3/29/2012

48

Avantajele fibrelor naturale Tehnologia inului:

arat

semănat

pesticide (de 2x)

îngrășăminte N

îngrășăminte P/K

ierbicide (de 2x)

recoltare

Cît combustibil se consumă pentru operațiunile de

mecanizare și cîtă energie pentru substanțele

aplicate?

Elemente de armare avansate din carbon

13:18 160

3/29/2012

49

Carbon

Carbonul există în mai multe forme alotropice:

Diamant – fiecare

atom este legat de alţi 4 atomi într-o configuraţie de tetraedru, formînd o reţea 3D

Grafit – fiecare atom

ste legat de alţi 3 într-o configuraţie triunghiulară formînd o reţea 2D

Fullerene (buckyball) –

molecule mari formate exclusiv din atomi de carbon legaţi sub formă triunghiulară, formînd sferoizi

Nanotub de

carbon – fiecare

atom este legat într-o configuraţie triunghiulară, formînd cilindrii goi

Nano-sîrme agregate de diamant – forma alotropică cea

mai recent descoperită şi material cel mai dur cunoscut pînă în prezent

13:18 161

Structura nanofibrelor

de carbon crescute

din stare de vapori

13:18 162

3/29/2012

50

Straturi de grafit (reţea hexagonală de carbon)

Împachetate fără îmbinare sub formă de cilindru

Nanotuburile

13:18 163

Diametrul de ordinul nanometrilor Lungimea – de ordinul milimetrilor (deocamdată) Raportul lăţime – lungime este foarte mare

Nanotuburile

6

3

9

1010

10

L

dR

13:18 164

3/29/2012

51

Proprietăţile fizice nu sunt complet lămurite. Dificultatea constă în faptul că tuburile au o gamă foarte largă de proprietăţi: Electronice Termice Mecanice care depind de tipul tubului.

Nanotuburile

13:18 165

Tuburile sunt: uşoare flexibile stabile termic inerte chimic caracter metalic sau de semiconductor în funcţie de torsiunea tubului

Nanotuburile

13:18 166

3/29/2012

52

Tuburile pot fi: cu un singur perete cilindric SWNTs - single cylindrical wall nanotubes cu perete cilindric multiplu MWNTs - multiple walls nanotubes

Nanotuburile

13:18 167

Pentru un SWNTs Modulul lui Young ~ 1 TPa = 1012 Pa

Rezistenţa la tracţiune ~ 30 GPa = 3000 daN/mm2

Nanotuburile

13:18 168

3/29/2012

53

Producerea nanofibrelor

prin depunere din vapori

Materie primă:

Hidrocarburi gazoase

(CH4; C6H6; C2H2)

în prezenţa unui catalizator metalic

Fe, Ni, Co

13:18 169

Aplicaţii

Fuel

tank

Fuel lines

Mirror housing

Door handles

13:18 170

3/29/2012

54

MATERIALE PENTRU MATRICE

MATRICI

ORGANICE MINERALE

Ceramice Metalice Termodurificabile Termoplastice Elastomeri

•Boruri

•Carburi

•Nitruri

Al,Ti,Ni,Cu,Mg

Ol inox,

superaliaje

13:18 171

Caracteristici esenţiale ale polimerilor TD şi TP

Caracteristici generale TP: termoplaste TD: termodurificabile

Stare de bază Solidă (pregătit de utilizare:

polimerizat)

Lichid vîscos supus

polimerizării

Depozitarea

materialului de bază Nelimitată

Durată limitată (precauţii

necesare)

Absorbitivitatea

elementelor de armare Dificilă Uşoară

Formare Încălzire (încălzire-topire/

înmuiere +răcire de fixare) Încălzire continuă

Ciclu Scurt Mai lung (polimerizare)

Caracteristici specifice

Comportare la şoc Destul de bună limitată

Comportare la

temperatură

Slabă, cu excepţia noilor TP

termostabile bună

Reziduuri şi deşeuri reciclabile nericiclabile

Condiţii de punere în

operă bune + igienice

Emanaţii în cazul metodelor

umede (posibile alergii) 13:18 172

3/29/2012

55

MATRICI POLIMERICE

Răşini termodurificabile

Epoxidice

Poliesterice nesaturate

Vinilesterice

Siliconice

Poliamidice

Polimidice

Fenolice

13:18 173


Iniţial: sub formă lichidă

Durificare prin formare de legături

transversale (cross-linking)

Important:

Densitatea legăturilor (tehnologia de

polimerizare)

Unităţile moleculare care formează lanţurile

polimerice (tipul răşinii)

13:18 174

3/29/2012

56


Faţă de termoplaste: • proprietăţi mecanice similare sau superioare dar • sunt mai fragile

13:18 175

Polimerizare: la rece sau tratament termic (la formarea compozitului)

Tratament final la temperatură maximă: stabilitate a proprietăţilor

Contracţia prin polimerizare sau la răcire poate produce tensiuni reziduale


13:18 176

3/29/2012

57

Răşini epoxidice:

Contracţii mai reduse

Deformaţii mai reduse cu temperatura

Se pot utiliza polimerizate parţial în

preimpregnate

Costuri mai ridicate


13:18 177

Răşini termoplaste

NU au legături transversale între lanţurile moleculare

Proprietăţi mecanice ridicate datorită unităţilor monomerice şi masei moleculare ridicate

Termoplaste amorfe: prezintă tangenţe ale lanţurilor moleculare (asemănătoare legăturilor transversale)

Încălzire: dispar tangenţele - lichifiere

13:18 178

3/29/2012

58

Matrici – termoplaste de înaltă performanţă

Polieter eter ketonă (PEEK)

Polisulfone

Polisulfide

Polimide

Polipropilenă


13:18 179


Proprietăţi

Ductilitate

Variaţia puternică a proprietăţilor cu T

Rezistente la agenţi chimici

Prezintă fluaj – redistribuire tensiuni în compozit

13:18 180

3/29/2012

59


Problemă tehnologică

În stare topită au vîscozitate ridicată

13:18 181

Aluminiu

Magneziu

Titan

Cu

Mg

Ni

De obicei aliaje

MATRICI METALICE

13:18 182

3/29/2012

60

Caracteristici:

Ductile

Izotropice (preiau sarcini transversale)

Reactive cu oxigenul (probleme tehnologice)

MATRICI METALICE

13:18 183

MATRICI METALICE

Efectul armării

Creştere rezistenţă mecanică, rigiditate (mai puţin decît la polimeri)

Ameliorare uzare, dilataţie termică, fluaj

13:18 184

3/29/2012

61

MATRICI CERAMICE

Categorii folosite

Sticle ceramice

Ceramice convenţionale

Cimenturi

Sisteme C/C

Obiectiv principal

Creşterea tenacităţii şi ductilităţii

13:18 185

STICLE CERAMICE

Pe bază de aluminosilicaţi sau borosilicaţi

13:18 186

3/29/2012

62

(Folosite mai rar)

Exemple:

SiC, Si3N4, Al2O3, ZrO2

CERAMICE CONVENŢIONALE

13:18 187

CIMENTURI

Armate cu fibre scurte

Creştere proprietăţi

Nu diminuează formabilitatea

13:18 188

3/29/2012

63

CARBON

SISTEME Carbon/Carbon

Infiltrarea cu vapori a unei structuri din

fibre de carbon

13:18 189

TEHNOLOGIA PRODUCERII

COMPOZITELOR POLIMERICE CU FIBRE

13:18 190

3/29/2012

64

PROCEDEE DE FORMARE

ELEMENT DE ARMARE RĂŞINĂ

Impregnare (amestecare)

Aşezare în scula de format

Compactare

Polimerizare

Extragere

Finisare 13:18 191

Operațiuni standard

Formarea manuală

Formarea prin contact – Hand lamination

Formarea prin pulverizare - Spray technique

13:18 192

HLU – Hand Lay Up

sau

Contact Moulding

3/29/2012

65

Formarea prin contact

13:18 193

Fibre: sticlă, Kevlar, carbon

Matrice: rășini poliesterice, fenolice, epoxidice etc.


Fibre - plasare pe formă & umectare cu rășină

Fibre - orice natură și formă:

Sticlă, aramide, carbon or especially glass

Mat, țesături, împletituri, fibre cusute etc. (și combinații)

Pensule pentru distribuirea rășinii

Tamponare - mat cu fibre scurte

Periere - țesături

Role pentru eliminarea bulelor de aer

3/29/2012

66


Formarea trebuie să fie continuă

Fără pauze >24 ore pentru rășini poliesterice

Pauze >24 ore – curățire + șlefuire

Rășini epoxidice – strat de protecție împotriva

reacției cu aerul – se îndepărtează la reluarea

formării

Agent demulant: împiedică lipirea de matriţă

Gel-coat: răşină poliesterică colorată pentru o suprafaţă netedă sau finisaje speciale

Avantaje

Experiență îndelungată

Durată redusă de pregătire a

fabricației

Echipament și scule minimale

Pot fi folosite materiale relativ ieftine

Varietate de furnizori și tipuri de

materiale

Flexibilitate a formei și dimensiunilor

3/29/2012

67

Avantaje

Modificările de proiect se fac rapid

Cost competitiv la piese individuale și serii scurte

Flexibilitate a formei şi dimensiunilor (p.l. 50 m)

Proporții de fibre mai mari decît la pulverizare

Gamă largă de proprietăți fizico-mecanice

Se pot realiza construcții tip sandwich (miez de

spumă sau lemn de balsa), se pot îngloba inserții

Dezavantaje

Reglementări pentru securitatea muncii

Costuri legate de tratamentul componentelor

organice volatile

Cantitate mare de manoperă

Calitatea și variabilitatea dimensională depinde de

abilitățile operatorului

Potențial de erori la prepararea rășinii

Productivitate redusă pentru polimerizarea la

temperatura ambiantă

3/29/2012

68

Dezavantaje Rășini cu vîscozitate redusă

Greutate moleculară redusă

Volatile.

Proprietăți mecanice și termice reduse

Contracții mari și potențial exoterm

mai ales în zone bogate în rășină, groase

Scurgerea rășinii pe suprafețele verticale

se adaugă agenți thixotropici (scăderea viscozității la

agitare)

O singură suprafață finisată

Vf / Pori

Cantități mari de deșeuri

Formarea prin pulverizare

13:18 200

De obicei fibre scurte (tăiate)

3/29/2012

69

Avantajele pulverizării

Costuri reduse pentru echipament și scule

Materii prime ieftine

Fibre continue sub formă de roving

Viteze ridicate de depunere

Manoperă redusă (față de formarea manuală)

Flexibilitate a pieselor (formă, grosime perete)

Potențial pentru automatizare (roboți)

Dezavantajele pulverizării

Probleme de sănătate și securitate a muncii față de

compușii organici volatili

Productivitate redusă la variantele manuale

Calitate dependentă de calificarea operatorului

Dificultate de evitare a înglobării aerului în piesă

Imprecizie dimensională de la o piesă la alta

Scule unilaterale (o singură suprafață finisată)

Proprietăți fizico-mecanice reduse (Vf, fibre scurte)

Proporție ridicată de pierderi de materie primă

pulverizare

3/29/2012

70

FORMAREA MATRITA - POANSON

13:18 203

FORMAREA MATRITA - POANSON

Tehnologie: • Aşezare amestec fibre - matrice; • Presare 1 – 2 bar • Polimerizare la rece sau cald • Serii mijlocii pentru auto sau aeronautică

13:18 204

3/29/2012

71

FORMAREA ÎN VID

13:18 205

Engl. Vacuum bagging

FORMAREA ÎN VID

Tehnologie: • Aşezare semifabricat de fibre preimpregnate; • Aşezare material filtru • Folie de etanşare • Vidare: formare, compactare, eliminare bule • Surplusul de răşină absorbit de material filtru • Polmerizare: etuvă, autoclave (p.l. 7 bar), iradiere cu electroni sau raze X.

13:18 206

3/29/2012

72

FORMAREA ÎN VID Polimerizare prin iradiere

13:18 207

Avantaje

Față de formarea manuală

Vf, pori

Umectare fibre mai bună (presiune,curgere

rășină)

Reținere compuși organici volatili

Se pot obține curburi complexe

Rm, E (Vf)

3/29/2012

73

Dezavantaje

Față de formarea manuală

Cerințe superioare de calificare

La piese mari – folii îmbinate

Sculele trebuie să fie etanșe

Costuri mari la echipamente și consumabile

Vidul poate extrage componentele volatile din

rășini

Consumabilele să fie compatibile cu rășinile

Presiunile de consolidare limitate la 1 atm

FORMAREA PRIN INJECTARE

13:18 210

RTM - Resin Transfer Molding

Variantă VARTM – Vacuum Assited Resin Transfer Molding

3/29/2012

74

FORMAREA PRIN INJECTARE

Tehnologie: • Aşezare semifabricat de fibre teşute sau împletite între matriţă şi miez ; • Injectare răşină (poliester sau fenolică) la presiune joasă • Polimerizare (rece sau cald)

13:18 211

INJECTARE DE PREIMPREGNATE

Matrice termodurificabilă

13:18 212

3/29/2012

75

INJECTARE DE PREIMPREGNATE

Matrice termoplastă

13:18 213

INJECTARE DE SPUMĂ

Obţinere de poliuretan armat cu fibră de sticlă

13:18 214

3/29/2012

76

INJECTARE DE SPUMĂ Obţinere de poliuretan armat cu fibră de sticlă

• Se pretează şi la dimensiuni mari • Proprietăţi mecanice bune • Stabilitate dimensională bună • Calitate bună a suprafeţelor

13:18 215

FORMAREA CENTRIFUGALĂ

13:18 216

3/29/2012

77

FORMAREA CENTRIFUGALĂ

• Repartiţie omogenă a răşinei • Extragerea se face după contracţia răşinei poliesterice • Calitate bună a suprafeţelor

13:18 217

ÎNFĂŞURAREA FILAMENTELOR

Obţinerea continuă a tuburilor

13:18 218

3/29/2012

78


13:18 219


• Pentru recipiente sub presiune • Se realizează pe mandrine demontabile • Ulterior înfăşurării – polimerizare în etuvă sau autoclavă • Proporţie ridicată de armare (p.l. 85%)

13:18 220

3/29/2012

79

FORMAREA PLĂCILOR

13:18 221

SMC – Sheet Moulding Compound

FORMAREA PROFILELOR Pultruziune

13:18 222

3/29/2012

80

FORMAREA PRIN PRESARE Numai pentru matrice termoplastă

13:18 223

Organizarea fluxului tehnologic – Clagi Biled

Constructie model Constructie matrite Remedieri matrite

verificare

Aplicare agent decofrant

Aplicare gelcoat

Stratificare

Decofrare

Verificare

Chituire Slefuire Vopsire

Pregatire suprafata in

gelcoat.

Montaj Livrare client

13:18 224

Date post:	01-Dec-2015
Category:	Documents
Upload:	adinicu
View:	29 times
Download:	6 times

Materiale-Compozite.pdf

Documents