Investeşte în oameni! Proiect cofinanţat din Fondul Social European prin Programul Operaţional Sectorial pentru Dezvoltarea Resurselor
Umane 2007 – 2013 Axa prioritară: 1 „Educaţia şi formarea profesională în sprijinul creşterii economice şi dezvoltării societăţii bazate pe cunoaştere”
Domeniul major de intervenţie: 1.5 „Programe doctorale şi postdoctorale în sprijinul cercetării” Titlul proiectului: „Parteneriat interuniversitar pentru excelenta in inginerie - PARTING” Cod Contract: POSDRU/159/1.5/S/137516
Beneficiar: Universitatea Tehnică din Cluj-Napoca Partener: Universitatea Transilvania din Brasov
Universitatea Transilvania din Brasov
Scoala Doctorala Interdisciplinara
Departament: Știința Materialelor
Ing. Radu Francisc COTERLICI
Rezumatul tezei de doctorat
Eco-compozite sustenabile cu proprietăți
performante
Summary of the PhD Thesis
Sustainable green composite with performance
properties
Conducător ştiinţific
Prof.dr.ing. Virgil GEAMĂN
BRAȘOV, 2015
MINISTERUL EDUCAŢIEI ȘI CERCETĂRII ȘTIINȚIFICE
Universitatea Transilvania din Brașov
Bd. Eroilor 29, 500036 Brașov, Romania,Tel/Fax: +40 268-410525, +40 268 412088
www.unitbv.ro
D-lui ( D-nei)
...............................................................................................................................
COMPONENŢA
Comisiei de doctorat
Numită prin ordinul Rectorului Universităţii “Transilvaniaˮ din Braşov
Nr.7480 din 07.09.2015
PREȘEDINTE: - Prof. univ. dr. ing. Teodor MACHEDON PISU
DECAN- Facultatea de Știința și Ingineria Materialelor
Universitatea “Transilvania” din Brașov
CONDUCĂTOR - Prof. univ. dr. ing. Virgil GEAMĂN
ȘTIINȚIFIC: Universitatea “Transilvaniaˮ din Brașov
REFERENȚI: - Prof. univ. dr. ing. Doina RĂDUCANU
Universitatea “ Politehnicaˮ din București
- Prof. univ. dr. ing. Liviu NISTOR
Universitatea Tehnică din Cluj - Napoca
- Conf. univ. dr. ing. Dana LUCA MOTOC
Universitatea “Transilvaniaˮ din Brașov
Data, ora şi locul susţinerii publice a tezei de doctorat: 16.10.2015, ora
12:00, sala W III 4.
Eventualele aprecieri sau observaţii asupra conţinutului lucrării vă rugăm
să le transmiteţi în timp util, pe adresa [email protected]
Totodată vă invităm să luaţi parte la şedinţa publică de susţinere a tezei de
doctorat.
Vă mulţumim !
Eco-compozite sustenabile cu proprietăți performante
CUPRINS
Pag.
teză
Pag.
rezumat
Introducere
1 1
CAPITOLUL 1. Stadiul actual privind materialele eco-compozite pe bază
de fibre naturale
5 5
1.1. Fibrele naturale 5 5
1.2. Compoziția chimică și proprietățile fizico - mecanice ale fibrelor naturale
1.3. Materiale compozite polimerice lignocelulozice
1.4. Procedee de obținere a materialelor eco-compozite pe bază de fibre naturale
1.5. Domenii de utilizare a materialelor eco-compozite
1.6. Micromecanica materialelor eco-compozite
1.7. Concluzii parțiale
8
11
21
23
25
32
6
7
10
10
11
14
CAPITOLUL 2. Motivația temei și obiectivele programului de doctorat
2.1. Motivația temei
2.2.Obiectivele programului de doctorat
33
33
35
15
15
16
CAPITOLUL 3. Metode experientale și tehnici de caracterizare a eco-compozitelor
37 18
3.1. Etapele de procesare a materialelor compozite
3.2. Efectul mediului agresiv asupra materialelor compozite
3.3. Testarea mecanică prin încovoiere în trei puncte
3.4. Analiză morfologică de suprafață (MEB)
3.5. Analiză dilatometrică (DIL)
3.6. Analiză calorimetrică cu scanare diferențială (DSC)
3.7. Analiză termogravimetrică și analiză termică diferențială ( TG/DTA)
3.8. Analiză prin metoda elementelor finite (MEF)
3.9. Testarea la impact a unei structuri din compozit. Studiu de caz
3.9.1. Realizarea și testarea unei căști de protecție
3.9.2. Modelare prin MEF a căștii de protecție
37
38
40
42
43
44
45
46
59
62
63
18
19
21
22
22
23
23
24
26
28
29
Eco-compozite sustenabile cu proprietăți performante
CAPITOLUL 4. Caracterizarea proprietăților eco-compozitelor
4.1.Efectul mediului agresiv asupra materialelor eco-compozite
4.2.Caracteristici mecanice la încovoiere în trei puncte
4.3. Morfologia suprafețelor materialelor compozite
4.4. Caracteristici termo-fizice prin analiză dilatometrică (DIL)
4.5. Variația temperaturii de tranziție (Tg) prin analiză calorimetrică (DSC)
4.6. Variația masică și transformările termice prin analiză simultană (TG/DTA)
4.7. Analiza rezultatelor prin MEF
4.8. Analiza rezultatelor experimentale la impact și prin MEF
4.9.Concluzii parțiale
65
65
68
75
77
80
81
88
93
104
31
31
33
38
39
40
41
45
47
50
CAPITOLUL 5. Concluzii finale. Contribuții originale. Direcții viitoare de cercetare.
Diseminarea rezultatelor
5.1. Concluzii finale
5.2. Contribuții originale
5.3. Direcții viitoare de cercetare
5.4. Diseminarea rezultatelor
107
107
109
110
111
52
52
53
54
54
Bibliografie selectivă 114 57
Anexe
Anexa 3. Scurt rezumat al tezei de doctorat
Anexa 4. Curriculum vitae
Eco-compozite sustenabile cu proprietăți performante
CONTENTS
Page
thesis
Page
abstract
Introduction
1 1
CHAPTER 1. Present state of green-composite materials based on natural fibers
1.1.
Natural fibers
1.2.
Chemical composition and physico-mechanical properties of natural fibers
1.3.
Lignocellulosic polymer composite materials
1.4.
Manufacture technologies for green - composite materials based on natural fibers
1.5.
Application fields of green - composite materials
1.6.
Micromechanics of green - composite materials
5 5
5 5
8 6
11 7
21 10
23 10
25 11
1.7. Partial conclusions
CHAPTER 2. The subject motivation and objectives of PhD program
2.1. Subject motivațion
2.2. Objectives of PhD program
CHAPTER 3. Experimental procedure and green-composite techniques
characterisation
3.1. Processing steps of green - composite materials
3.2. The effect of an agressive environmental on eco-composite materials
3.3. Mechanical three point bending test
3.4. Surface morphology analysis (SEM)
3.5. Dilatometric analysis ( DIL)
3.6. Differential scanning calorimetry ( DSC)
32
32
33
35
37
37
38
40
42
43
44
14
15
15
16
18
18
19
21
22
22
23
Eco-compozite sustenabile cu proprietăți performante
3.7. Thermogravimetry analysis and differential thermal analysis (TG/DTA)
3.8. Finite element method analysis (FEM)
3.9. Shock test of composite structure. Case study.
3.9.1. Execution and protection helmet test
3.9.2. FEM modeling of helmet tested
CHAPTER 4. Characterisation of green-composites properties
45
46
59
62
63
65
23
24
26
28
29
31
4.1. Agressive environmental effect on green-composite materials
4.2. Mechanical characteristics during bending tests
4.3. Eco-composite surface morphology
4.4. Thermo-physical characteristics by dilatometric analysis ( DIL)
4.5. Transition temeprature variation (Tg) by differential scanning calorimetry (DSC)
4.6. The variation of mass and thermal transformations by thermogravimetry analysis
and differențial thermal analysis (TG/DTA)
4.7. Finite element method analysis results (FEM)
4.8. Experimental results analysis of shock test and finite element methods
4.9. Partial conclusions
65
68
75
77
80
81
88
93
104
31
33
38
39
40
41
45
47
50
CHAPTER 5. Final conclusions. Original contributions. Future research directions.
Results dissemination.
107
52
5.1. Final conclusions
5.2. Original contributions
5.3. Future research directions
5.4. Results dissemination
107
109
110
111
52
53
54
54
Selective references 114 57
Appendix
Appendix 3. PhD thesis abstract
Appendix 4. Curriculum vitae
Eco-compozite sustenabile cu proprietăți performante
Prezenta lucrare prezintă cercetările realizate în cadrul Universității Transilvania din
Brașov, cofinanțate din Fondul Social European și de Guvernul României prin Programul
Operațional Sectorial pentru Dezvoltarea Resurselor Umane, 2007-2013, Axa prioritară: 1
"Educația și formarea profesională în sprijinul creșterii economice și dezvoltării societății
bazate pe cunoștere", Domeniul major de intervenție: 1.5 "Programe doctorale și
postdoctorale în sprijinul cercetării", Titlul proiectului: "Parteneriat interuniversitar pentru
excelență în inginerie – PARTING", Cod Contract: POSDRU/159/1.5/137515. Beneficiar:
Universitatea tehnică din Cluj-Napoca, Partener: Universitatea Transilvania din Brșov, cu
începerea de la 2 Octombrie 2012. Această lucrare de doctorat a fost elaborată sub
îndrumarea domnului Prof. dr. ing. Virgil Geamăn căruia țin să-i mulțumesc pentru
încrederea acordată, susținerea și contribuția în dezvoltarea acestei cercetări.
Mulțumesc membrilor comisiei, d-nei Prof. dr. ing. Doina Răducanu, d-lui Prof. dr.
Ing. Nistor Liviu, d-nei conf. dr. Ing. Dana Luca Motoc pentru analiza lucrării în vederea
susținerii publice și pentru observațiile indicate în îmbunătățirea acestei lucrări de doctorat.
Mulțumesc colectivului de cadre didactice de la catedra de Știința și Ingineria
Materialelor de la Universitatea Transilvania din Brașov, pentru sfaturile acordate,
susținerea și încurajarea în activitatea de cercetare.
Mulțumesc d-lui Conf. dr. ing. Horațiu Teodorescu-Drăghicescu din cadrul
Departamentului de Inginerie Mecanică, Universitatea Transilvania din Brașov, pentru
timpul acordat efectuării cercetărilor experimentale.
Mulțumesc d-lui S. l. dr. ing. Virgil Tudose din cadrul Departamentului de Rezistența
Materialelor, Universitatea Politehnică din București, pentru ajutorul oferit la efectuarea
cercetării experimentale.
Mulțumesc dr. ing. Andreea Crisbășan, d-lui Conf. dr. ing. Denis Chaumont, Dl. Yvon
Lacroute și Dl. Frederic Herbst de la Universitatea deBourgogne din Dijon, pentru ajutorul
acordat la realizarea analizelor SEM.
Nu în ultimul rând vreau să mulțumesc familiei și în special prietenei mele care m-a
sprijinit și a contribuit la redactarea acestei lucrări de doctorat.
Eco-compozite sustenabile cu proprietăți performante
Ing. Radu Francisc Coterlici 1
Introducere
Conceptul de "compozit" nu este o invenție umană și poate fi definit ca fiind un sistem
multifazic, prin combinarea a două sau mai multe materiale diferite în scopul obținerii unor
performanțe superioare în raport cu cele ale componenentelor separate [18].
Se poate spune că, face parte integrantă din viața cotidiană, fiind prezent peste tot în
jurul nostru, sub formă de ţesut muscular, os, dinte, scoică, lemn [51],[85], totodată
reprezentând cheia conservării mediului înconjurător. De-a lungul timpului, omul a combinat
două sau mai mai multe materiale neomogene, fiecare având avantaje structurale unice într-un
singur material neomogen cu caracteristicele ambelor materiale [94].
Un exemplu clasic, egiptenii antici au fost cei care au obţinut cărămizile din paie şi
noroi, aşa numiţii chirpici, primul compozit pe bază de polimer a fost obţinut în jurul anilor
5000 î. Hr. în Orientul Mijlociu, unde smoala a fost folosită ca liant pentru papură în
construirea bărcilor de pescuit [61].
În mod ideal, proprietăţile materialelor ar trebui să fie reproductibile şi cunoscute cu
exactitate, din moment ce exploatarea satisfăcătoare a eco – compozitului depinde de
flexibilitatea de proiectare, care rezultă din proprietăţile unei combinaţii de materiale pentru a
servi unei anumite cerinţe. În prezent, unele dintre cele mai importante proprietăţi pot fi
prezise pe baza unor modele matematice[46].
La nivel global, dependența și consumul ridicat al materialelor sintetice, metalice și
nemetalice greu degradabile în timp, au condus la creșterea contaminării mediului
înconjurător. În ultimii ani, în scopul diminuării acestui fenomen negativ, interesul utilizării
fibrelor naturale în vederea obținerii compozitelor polimerice ranforsate cu diferite fibre
lignocelulozice ca materiale alternative celor neecologice a crescut rapid în numeroase
domenii de aplicații precum industria de automobile, civilă, aeronautică, navală, cât și în
activitățile de cercetare.
Pe lângă beneficiile avantajoase oferite, dezavantajul major al scăderii duratei de viață
al eco – compozitelor pe bază de fibre naturale este oferit de tendința naturii hidrofile a
acestora de a absoarbi umezeala din atmosferă, provocând modificări dimensionale în timp,
rezultând scăderea proprietăților mecanice. În defavoarea avantajelor menționate mai sus,
aspectul și calitatea fibrelor naturale sunt variabile în funcție de vreme, iar prețul acestora
fluctuează în funcție de politica agriculturii. S-a demonstrat (figura 1) că, energia consumată
pentru producerea unor fibre naturale este mai scăzută față de cea a fibrelor sintetice.
Eco-compozite sustenabile cu proprietăți performante
Ing. Radu Francisc Coterlici 2
Fig.1. Consumul de energie pentru producerea fibrelor utilizate ca ranforsant [114]
Fig.2. Comparație între costul fibrelor naturale și cea sintetică [30]
Energia consumată arată că nu orice fel de ranforsant este ecologic. În diagrama din
figura 2, este prezentat în mod comparativ costul fibrelor naturale și a celei sintetice. Se poate
observa că, valorile indicate confirmă avantajul preț/kg redus în ceea ce privește fabricarea
fibrelor naturale.
O analiză comparativă a datelor statistice înregistrate în ultimii ani, arată că producția
globală de fibre naturale domină cu o proporție semnificativă de 42 %, în cazul fibrelor de
iută, față de cea a fibrelor sintetice, având o valoare procentuală de 17 %, (figura 3).
Eco-compozite sustenabile cu proprietăți performante
Ing. Radu Francisc Coterlici 3
Fig.3. Producția globală de fibre textile [14]
Pornind de la actualiatatea și noutatea temei abordate în cadrul prezentei teze de
doctorat, intitulată Eco – compozite sustenabile cu proprietăți performante, se propune
conceperea și dezvoltarea unor noi materiale compozite, pe bază de fibre lignocelulozice cu
caracter ecologic în vederea îndeplinirii condițiilor necesare utilizării acestora în sfera
diferitelor ramuri de activitate.
Activitatea de cercetare științifică s-a desfășurat la Institutul de Cercetare Dezvoltare
Inovare Produse High – Tech pentru Dezvoltarea Durabilă, PRO – DD, în laboratorul de
Tehnologii și materiale avansate metalice, ceramice și compozite.
Structura lucrării de cercetare împărțită în cinci capitole, îmbină și oferă o imagine de
ansamblu a cercetării aprofundate, dezvoltând evolutiv tematica subiectului de cercetare
științifică, începând cu introducerea tezei și terminând cu concluziile, contribuțiile și direcțiile
viitoare de cercetare.
Capitolul 1, intitulat Stadiul actual privind materialele compozite pe bază de fibre
naturale prezintă o analiză a cercetărilor studiate până în prezent în literatura de specialitate,
privind domeniul materialelor compozite pe bază de fibre naturale. Sunt sintetizate câteva
aspecte referitoare la principalele metode de obținere și câteva domenii de utilizare a
materialelor compozite. De asemenea sunt prezentate câteva noțiuni de micromecanică ce
abordează studiul modelelor teoretice utilizate pentru analiza diverselor proprietăți ale fazelor
existente și interacțiunea acestora în microstructura materialelor compozite.
Eco-compozite sustenabile cu proprietăți performante
Ing. Radu Francisc Coterlici 4
Capitolul 2, intitulat Motivația temei și obiectivele programului de doctorat, pune în
evidență beneficiile materialelor eco – compozite sustenabile asupra omenirii și a mediului
înconjurător, precum propunerea unor obiective în vederea desfășurării cercetării științifice cu
căteva etape de lucru.
Capitolul 3, intitulat Metode experimentale și tehnici de caracterizare a eco –
compozitelor, este destinat prezentării detaliate a procesului de obținere a materialelor eco –
compozite cât și descrierii principalelor echipamente și tehnici de caracterizare utilizate în
vederea determinării caracteristicilor structurale și proprietăților termo – fizice și mecanice.
De asemenea, se prezintă un model de calcul numeric cu elemente finite cu ajutorul
softului ANSYS LS – DYNA privind comportarea dinamică a structurii, un procedeu de
obținere a unei structuri de compozit propus ca studiu de caz și solicitată la impact, respectiv
modelare prin MEF.
Capitolul 4, intitulat Caracterizarea proprietăților eco – compozitelor, prezintă în
mod comparativ rezultatele caracteristice a materialelor condiționate de un mediu agresiv,
rezultatele în urma solicitărilor la încovoiere, rezultatele termo-fizice obținute prin analize
DIL, DSC și TG – DTA, rezultatele calcului numeric cu elemente finite, respectiv rezultatele
solicitării la impact experimental și prin MEF.
Capitolul 5, intitulat Concluzii finale. Contribuții originale. Direcții viitoare de
cercetare, cuprinde concluziile generale rezultate în urma cercetării științifice efectuate,
evidențiind contribuțiile proprii ale autorului întreprinse în cadrul tezei de doctorat, precum și
câteva propuneri de cercetări ulterioare.
.
Eco-compozite sustenabile cu proprietăți performante
Ing. Radu Francisc Coterlici 5
CAPITOLUL 1
Stadiul actual privind materialele compozite pe bază de fibre
naturale
1.1. Fibrele naturale
Fibrele naturale prin definiţie simplă, nu sunt fibre sintetice şi nu sunt făcute de mâna
omului [118]. Acestea pot fi extrase din tulpinele, frunzele şi seminţele diferitelor plante.
Fibrele colectate din tulpină sunt numite fibre liberiene, unde un singur filament poate
avea diametrul aproximativ de 10 µm. Cunoscând faptul că, resursele neregenerabile sunt din
ce în ce mai scăzute, dependenţa noastră a crescut inevitabil. Acest secol ar putea fi numit
secolul celulozic, fiindcă au fost descoperite mai multe resurse de plante regenerabile. În
general s-a afirmat că, fibrele naturale sunt regenerabile şi durabile, dar de fapt nu sunt [30].
Clasificarea principalelor fibre naturale în funcție de origine poate fi observată în
diagrama reprezentată schematic în figura 1.1.
Fig. 1.1. Clasificarea fibrelor naturale în funcție de origine [58]
În trecut, fibrele naturale nu au fost considerate materiale de ranforsare pentru
polimeri, datorită unor probleme asociate cu domeniile de utilizare ale acestora, prezentând o
stabilitate termică scăzută, posibilitatea de degradare la temperaturi cuprinse între 230 oC şi
350 oC, natură hidrofilă a fibrelor și a unor constituenţi ce conduc la o aderență slabă între
fibre şi matrice. Caracterul hidrofil poate determina tumefierea şi macerarea fibrelor. Mai
mult decât atât, umiditatea scade semnificativ proprietăţile mecanice ale fibrelor, fiind
Eco-compozite sustenabile cu proprietăți performante
Ing. Radu Francisc Coterlici 6
variabile în funcţie de calitatea recoltei, de vârsta, respectiv tulpina plantei din care sunt
extrase fibrele şi tehnicele de extracţie. În general, sunt menţionate câteva avantaje ce fac
atractivă aplicarea acestor fibre şi anume: proprietăţile specifice, reciclabilitatea lor [67],
densitatea relativ scazută, sunt destul de rigide și rezistente, oferind caracteristici mecanice
ridicate ce pot fi comparabile cu cele ale fibrei de sticlă [37].
1.2. Compoziția chimică și proprietățile fizico - mecanice ale fibrelor
naturale
Principalele elemente componente ale tuturor fibrelor naturale sunt celuloza,
hemiceluloza și lignina, în diferite proporții, fiind prezente și altele precum ceara, pectina, și
sărurile anorganice [17]. Celuloza este principalul constituent structural al fibrelor naturale a
căror proprietăți mecanice sunt dependente de acest constituent. Importanța utilizării fibrelor
în funcție de rezistența lor, depinde de alegerea tipului de fibră, lungimea, diametrul, forma,
dimensiunile, orientările şi grosimea pereţilor celulari. Lignina şi pectina sunt polimeri mai
slabi decât celuloza, iar în cazul în care fibrele vor fi folosite ca ranforsanți pentru compozite
trebuie să fie eliminate. Cea mai mare parte de pectină este eliminată când fibrele sunt
separate de tulpină prin înmuiere în apă şi meliţare (bătaie).
Compoziţia chimică a ranforsanților naturali are un rol vital şi un impact inevitabil
asupra proprietăţilor finale ale compozitului. În literatura de specialitate există o
multitudine de lucrări științifice de actualitate publicate de mulți cercetători care au
evidențiat atât proprietățile mecanice ale materialor compozite ranforsate cu fibre naturale
precum și caracterul sustenabil al acestora.
Proprietățile materialelor compozite polimerice ranforsate cu fibre naturale sunt
influențate mult de grosimea, lungimea și de cantitatea de fibră adăugată în matricea
polimerică. Modulul de elasticitate al fibrelor naturale poate fi comparabil sau chiar mai bun
decât al fibrelor de sticlă, (Jawaid, 2011), Ku (2011), [47], [60].
Funcția unei matrice într-un compozit este de a asigura un mediu relativ rigid și de a
transfera efortul către ranforsant. Un material compozit este caracterizat după proprietățile
fizice superioare obținute în urma legăturii chimice dintre constituenți [115].
Studiul microstructurii fibrelor de sisal, banan, in și iută după ruperea lor precum și
proprietățile mecanice după ranforsare în matrice de polipropilenă, a fost raportat în lucrarea
(Oksman et. al., 2009) [83], cu mențiunea că, într-un compozit caracteristicile mecanice pot fi
crescute drastic prin îmbunătățirea aderenței la interfața dintre fibră și matrice.
Eco-compozite sustenabile cu proprietăți performante
Ing. Radu Francisc Coterlici 7
1.3. Materiale compozite polimerice lignocelulozice
Un material eco – compozit poate fi alcătuit din faza continuă, cunoscute sub
denumirea de matrice și faza discontinuă cunoscută sub denumirea de armătură sau
ranforsant.
Cele mai cunoscute și utilizate matrici în vederea obținerii materialelor eco –
compozite sunt rășinile poliesterice și epoxidice, iar elementele ce pot fi folosite ca materiale
de armare pot fi sub formă de particule, foiţe, solzi sau fibre continue sau discontinue (figura
1.3).
Fig. 1.3. Fazele constituente ale compozitului
După cum este prezentat în figura 1.4, materialele de ranforsare se împart în două mari
categorii: fibre continue și discontinue, unde fiecare categorie clasificându-se în alte tipuri
diferențiate, după raportul de lungime/diametru.
Fig. 1.4. Reprezentarea schematică a fibrelor după forma fazei de ranforsare [56]
Eco-compozite sustenabile cu proprietăți performante
Ing. Radu Francisc Coterlici 8
Matrici termorigide
Cele mai utilizate matrici termorigide la obținerea materialelor compozite polimerice
ranfosate cu fibre sunt rășinile epoxidice și rășinile poliesterice nesaturate (Edelman și
McMahon, 1979) [33]. Rășinile termorigide formate din precursori cu greutate moleculară
relativ scăzută, prezintă un proces de polimerizare ireversibil.
În tabelul 1.2 sunt prezentate proprietățile mecanice ale rășinilor poliesterice și
epoxidice. În prezent, există o serie de cercetări privind comportamentul rășinilor termorigide
și a materialelor compozite în diferite medii, implicând atât expunerea la umezeală, ce poate fi
sub formă de vapori atmosferici, ploaie cât și expunerea în medii agresive precum mediul
alcalin sau salin.
Tabelul 1.2. Proprietățile rășinilor polimerice termorigide [48], [73], [110]
Proprietăți Rășină
Poliesterică Epoxidică
ρ [g/cm3] 1,2-1,5 1,1-1,4
E [GPa] 2 -4,5 3-6
σt [MPa] 40-90 35-100
Absorbția apei [%] 0,1-0,3 0,1-0,4
CTE [10-6
/ °C] 40-60 50-70
Contracție [%] 4-8 1-2
Influența absorbției apei asupra materialelor compozite
Cu mult timp în urmă s-a analizat absorbția umezelii de către compozitele polimerice
permeabile și impermeabile pe bază de fibre de iută, respectiv fibre de sticlă sub influența
unor factori externi și interni identici, punând în evidență permeabilitatea relativă ale acestor
compozite prin indicele difuzivității. Coeficienții de difuzie a materialelor compozite pe bază
de fibre naturale și fibre sintetice sunt dependenți de temperatură. În cazul fibrelor permeabile
coeficientul de difuzie și starea de echilbru cresc odată cu fracția volumică, situație care în
cazul fibrelor impermeabile de difuzie se realizează în sens invers, (Rao et. al., 1984) [96],
[97]. În ceea ce privește, orientarea fibrelor autorii au menționat că, aceasta constitue un rol
important asupra coeficientului de difuzie al compozitului cu fibră de iută. S-a arătat că,
energia de activare scăzută a difuziei în compozitul pe bază de fibră de iută și energia
exponențială ridicată a umidității relative a indicat apariția unei barierei rezultând o difuzie
slabă. Alte studii au raportat efectul tratamentului cu apă de mare asupra proprietăților
mecanice ale fibrelor palmierului de zahăr ranforsate în matrice polimerică epoxidică, la
Eco-compozite sustenabile cu proprietăți performante
Ing. Radu Francisc Coterlici 9
impact și la încovoiere, prin imersarea lor timp de 30 de zile în același tip de apă. Un alt
proces de investigare aplicat a fost analiza morfologică de suprafață a fibrelor după
tratamentul cu apa de mare, precum și adeziunea la interfața dintre fibră și matrice, (Ishak et.
al., 2009) [52].
Proprietățile mecanice ale compozitelor
Referitor la proprietățile mecanice ale compozitelor pe bază de iută, s-au obținut
stratificate cu orientarea fibrelor pe diferite direcții (0°), (0°/90°), (0°/±45°/0°),
(0°/90°/90°/0°), cu mențiunea că, atât adaosul de ranforsant de tip țesătură de iută, creșterea
numărului de straturi, cât și aranjarea țesăturii în diferite unghiuri conduc la îmbunătățirea
proprietăților mecanice ale laminatelor, (GiriDev et. al., 2006) [43]. De remarcat este și
cercetarea experimentală realizată asupra comportamentului mecanic, vâscoelastic, termic și
morfologic al compozitelor pe bază de polietilenă cu densitate ridicată (HDPL) și ranforsate
cu fibre de bambus. Rezultatele cercetărilor efectuate au arătat că, acestea oferă proprietăți de
rezistență optime și stabilitate termică ridicată, (Mohanty și Nayak, 2010) [74]. Mai departe,
s-a pus accentul pe stabilitatea termică și proprietățile mecanice ale compozitelor pe bază de
bumbac și albuș de ou. S-a raportat că, fibrele de bumbac pot avea un rol important în
structura compozitului, respectiv performanțelor mecanice ale acestuia. Prin analiza
morfologică s-a constat că adeziunea la interfața dintre fibrele de bumbac și albușul de ou este
foarte ridicată, (Yusliza și Zuraida, 2011) [130].
Proprietățile termo – fizice ale compozitelor
O analiză succintă generalizată a fost publicată în lucrarea (Monteiro et. al., 2012)
[75], privind stabilitatea termică a materialelor compozite polimerice ranforsate atât cu cele
mai comune fibre lignocelulozice, precum iută, sisal, in, cânepă, nucă de cocos, bumbac, lemn
și bambus deja utilizate în producerea componentelor de automobile, dar cât și cu cele mai
puțin cunoscute, precum curaua, henequen, fique, buriti, coji de măsline și kapok. S-a relatat
că, pierderea masică este înregistrată sub 200 °C fiind asociată cu dehidratarea materialului.
S-a precizat că la temperaturile de 422 °C și 463 °C are loc degradarea matricei polimerice.
Prin analiza termogravimetrică s-a arătat că, degradarea fibrelor de porumb s-a realizat în
jurul temperaturii de 200 °C, pe când în cazul fibrelor neprelucrate s-a ajuns la 330 °C.
În cazul materialului compozit polimeric ranforsat cu fibre din tulpină de porumb s-a
evidențiat prezența stabilității termice până în jurul temperaturii de 410 °C, urmată de
Eco-compozite sustenabile cu proprietăți performante
Ing. Radu Francisc Coterlici 10
degradarea acestuia, (Saravana et. al., 2013) [104].
În cazul compozitelor polimerice pe bază de fibre naturale 60 % din acestea se
descompun între 215 ºC - 310 ºC, (Azwa et. al., 2013) [8].
1.4. Procedee de obținere a materialelor eco – compozite pe bază de
fibre naturale
În vederea obținerii materialelor compozite este cunoscută o gamă diversă de procedee
utilizate, și anume:
Formarea manuală prin contact;
Formarea prin injecție a rășinii sub presiune;
Formarea sub vid în matriță deschisă;
Formarea prin presare la rece;
Formarea prin presare la cald;
Formarea prin pultrudere;
Formarea prin extrudare;
Formarea prin înfășurare.
1.5. Domenii de utilizare a materialelor compozite
În ultimii ani, utilizarea materialelor compozite polimerice a luat amploare în diverse
domenii (figura 1.5), datorită proprietăților specifice și condițiilor de exploatare deosebite.
Fig. 1.5. Domenii de utilizare a materialelor eco-compozite [21], [44], [82], [89]
Eco-compozite sustenabile cu proprietăți performante
Ing. Radu Francisc Coterlici 11
Industria aeronautică a folosit în mare parte materiale compozite naturale, iar prin anii
'30 materialele naturale au fost înlocuite cu aliaje de aluminiu dominând industria din acel
moment, totuși structurile din lemn persistând până în al doilea război mondial, fiind
construite diferite modele de aeronave cum ar fi: Havilland Mosquito (DH98), construit
dintr-un laminat tip sandviș placaj/balsa/placaj, probabil reprezentând la acel moment cel mai
mare proiect realizat din lemn. În anul 1937 a fost construit un avion de linie numit Albatros
(DH 91) și în 1940 au fost construite fuselaje Spitfire, fiind folosită ca matrice rășina fenolică
și ranforsant fibre de in nerăsucite, (Davies et. al., 2012) [29].
În industria sportului s-au folosit fibre dintr-o variație de materiale biodegradabile
unde este mai puțin probabil să cauzeze accidente grave sau pagube materiale scumpe față de
alte aplicații (Haneef et. al., 2013) [45]. În ciuda acestui fapt, cererile de echipamente sportive
până în prezent au implicat utilizarea compozitelor hibride formate din fibre naturale,
respectiv sintetice și matrice polimerică nedegradabilă ce neagă una din beneficiile principale
și anume biodegradabilitatea. Exemple cunoscute sunt snowboard-urile armate cu fibre de in,
rachete de tenis armate cu fibre de in și fibre de carbon (25:75 %), cadre de bicicletă cu fibre
de in și fibre de carbon (80 – 20 %). Fibrele de in în aceste aplicații au rolul de a absorbii
micro-șocurile pentru un confort superior.
1.6. Micromecanica materialelor eco - compozite
Comportamentul elastic al materialelor compozitele
Literatura de specialitate pune la dispoziție informații care pot prezice proprietățile de
material al acestei categorii de compozite în funcție de procentul volumic de armare și de
configurația fibrelor în masa matricei (figura 1.6), ce poate fi sub formă de rețea triunghiulară,
hexagonală și pătratică, exprimate cu relațiile (1.1), (1.2), (1.3) în funcție de diametrul
fibrelor, d, și de lungimea elementară a distribuțiior a, precum și de densitatea efectivă a
compozitului ce poate fi calculată cu relația (1.4), fiind cunoscute câteva modele teoretice
precum Voigt, Reuss și Reuss modificat, limitele Voigh –Reuss, Hashin – Rosen, Hill,
Silnutzer, Milton – Phan – Thien, Gibiansky – Torquato, Tsai –Hahn, Nielsen, Puck, Chamis,
Hopkins – Chamis și Hopkins – Chamis modificat, modelul cu factorul C, Fu, Ju – Zhang,
Huang, modelul mecanicii materialelor, Cox, Krenchel și modelul Chen, dezvoltate în scopul
determinării limitelor de variație pentru proprietățile elastice (Curtu și Motoc, 2009) [28].
Eco-compozite sustenabile cu proprietăți performante
Ing. Radu Francisc Coterlici 12
Fig. 1.6. Distribuția fibrelor în masa matriței cu rețea: a. triunghiulară; b. hexagonală; c.
pătratică
- rețea triunghiulară:
- rețea hexagonală:
- rețea pătratică:
unde: ρm și ρf = densitățile masice ale materialului matricei, respectiv fibrelor în Kg/m3;
Vm și Vf = fracțiile volumice ale fazelor.
Proprietățile elastice ale materialelor compozite polimerice ranforsate cu fibre de
sticlă, lemn, cânepă și coajă de orez au fost determinate și comparate cu o serie de modele
matematice printre care și regula amestecurilor (ROM), respectiv regula inversă a
amestecurilor (IROM), (Facca et al., 2006) [35]. Modele Voigt și Reuss cunoscute în
literatura de specialitate ca modelele stării de deformație și a tensiunilor constante, sunt cel
mai utilizate modele matematice pentru predicția modulului de elasticitate longitudinal al
materialelor eco-compozite. Aceste modele pot oferi limitele minime și maxime ale
proprietăților elastice (Cao et al, 2013; Curtu și Motoc, 2009) [12], [28], unde expresiile
matematice poate fi scrise sub forma:
(1.5)
Eco-compozite sustenabile cu proprietăți performante
Ing. Radu Francisc Coterlici 13
În cazul modelului Voigt (ROM) expresia se scrie
(1.8)
unde:
Ef și Em = modulul de elasticitate longitudinal ale fazelor;
Vf și Em = procentele volumice;
δ = factorul mecanic.
Comportamentul termic al materialelor compozite
În vederea predicției coeficientului de expansiune termic, se aplică același model
matematic ca la predicția modulului de elasticitate, cunoscut sub denumirea de regula
amestecurilor (ROM), prin modificarea expresiei (1.9), exprimată astfel (Tilton, 2011) [119]:
(1.9)
unde:
αc , αf, αm = coeficientul de expansiune termic al materialului de ranforsare și al matricei;
vf = fracția volumică a materialului de ranfosare.
Comportamentul higroscopic al materialelor compozite
Difuzia apei sau a umidității din aer în structura materialelor (absorbția și desorbția)
poate fi descrisă cu a doua lege a lui Fick (starea de neechilibru a difuziei) propusă pentru
prima dată în anul 1855 ( Fick, 1855) [39]. În cercetarea stiințifică elaborată de Wong (2013)
[127], a doua lege a lui Fick precizează că gradientul profilului și cel al concentrației, ce
reprezentă forța motrică a difuziei, se schimbă odată cu timpul.În figura 1.7 este prezentată
curba de difuzie a lui Fick ce evidențiază porțiunea liniară a absorbției.
Eco-compozite sustenabile cu proprietăți performante
Ing. Radu Francisc Coterlici 14
Fig. 1.7. Curba de difuzie a lui Fick [128]
1.7. Concluzii parțiale
În urma cercetării bibliografice privind domeniul materialelor compozite ranforsate cu
fibre naturale pot concluziona că:
conceptul de ecologic, biodegradabil are un impact foarte ridicat la nivel mondial, ce
implică reducerea consumului de energie prin scăderea majoră a gradului de poluare a
mediului inconjurător;
trendul actual al realizării materialelor eco-compozite a revoluționat industriile din
întreaga lume, datorită ușurinței de fabricare a compozitelor ecologice la un cost redus și
volumului bogat de resurse naturale biodegradabile;
materialele eco-compozite oferă posibilitatea de a înlocui anumite structuri din diferite
domenii de utilizare cum ar fi industria de automobile, industria navală, industria feroviară,
industria aeronautică, oferind o scădere a greutății acestora, implicând automat scăderea
energiei iar degradabilitatea și proprietățile acestor materiale eco-compozite pot oferi
posibilitatea selectări domeniului de aplicare în funcție de durata de viață;
eco - compozitele reprezintă o nouă clasă de materiale care să răspundă exigențelor în
ceea ce privește proprietățile mecanice, greutate scăzută, stabilitate dimensională, estetică și
tot odată factorului economic.
Eco-compozite sustenabile cu proprietăți performante
Ing. Radu Francisc Coterlici 15
CAPITOLUL 2
Motivația temei și obiectivele programului de doctorat
2.1. Motivația temei
La ora actuală majoritatea domeniilor cunoscute sunt consumatoare de materiale
ecologice. Pe baza legilor economiei de piață, dezvoltarea mondială se concentrează pe
alegerea și utilizarea corectă a materialelor, iar procesele de prelucrare a acestora trebuie să
se facă conform cerințelor științifice pentru a răspunde unor exigențe din ce în ce mai mari.
Conceptul de eco-compozit a atras atenția atât pe plan mondial cât și pe plan
internațional datorită posibilitații de a înlocui unele materiale convenționale și nu în ultimul
rând competitivității și eficienții asupra omenirii. Eco-compozitele "sustenabile" la aceast
moment reprezintă un domeniu prioritar datorită resurselor naturale ce se gesesc din
abundență și a căror nevoi ridică nivelul de trai prin intermediul produselor profitabile fără
efecte adverse asupra mediul înconjurător (figura 2.1).
Fig.2.1. Reprezentarea schematică a sferelor sustenabilități
Eco-compozite sustenabile cu proprietăți performante
Ing. Radu Francisc Coterlici 16
2.2. Obiectivele programului de dotorat
Obiectivele propuse pe perioada derulării programului de doctorat au fost:
Realizarea unor noi materiale eco-compozite sustenabile;
Analiza comportării materialelor compozite într-un mediu agresiv;
Analiza proprietăților mecanice prin încercări la încovoiere;
Caracterizarea prin microscopie electronică de baleiaj a suprafețelor materialelor;
Determinarea caracteristicilor termo - fizice prin analize (DIL), (DSC) și ( TG/DTA);
Analiza comportării la impact a unei structuri prin MEF;
Studiu de caz - realizarea unei structuri din compozit și testarea la impact experimental și
prin modelare cu MEF.
Pe baza obiectivelor de lucru am propus aplicarea unei strategii de lucru ce cuprinde
câteva etape. În vederea analizei studiului experimental, în figura 2.2 este prezentată schema
cu etapele derulate.
Etapa obținerii materialelor compozite a constat în achziționarea unor țesături
naturale din bumbac și iută precum și o rășină polimerică nesaturată de pe piață iar cu ajutorul
unei metode de formare cunoscută în literatura sub denumirea de Hand – lay up, au fost
obținute plăci de configurații stratificate cu 1, 3, 5 și 7 straturi;
Etapa determinării caracteristicilor materialelor studiate prin diferite metode cum ar
fi:
- prin condiționarea lor într-un mediu agresiv;
- prin încercări mecanice de încovoiere în trei puncte;
- analiză morfologică de suprafață;
- prin analize termice DIL, DSC și TG/ DTA.
Etapa interpretării rezultatelor obținute în urma studiului experimental ce a constat în
procesarea statistică a rezultatelor în urma determinărilor prin construirea de grafice cu
valorile medii și studierea rezultatelor comparativ prin optimizarea acestora, modelare prin
metoda elementelor finite și formarea unei structuri în vederea testării la impact experimental
și prin MEF.
Eco-compozite sustenabile cu proprietăți performante
Ing. Radu Francisc Coterlici 17
Fig. 2.2. Schema cu etapele de derulare a programului experiment
Eco-compozite sustenabile cu proprietăți performante
Ing. Radu Francisc Coterlici 18
CAPITOLUL 3
Metode experimentale și tehnici de caracterizare
a eco – compozitelor
3.1. Etapele de procesare a materialelor eco - compozite
Procesul de fabricare după cum este prezentat în figura 3.1 s-a realizat prin câteva
etape principale:
- curățarea și aplicarea unui strat fin de soluție decapantă pe suprafața sticlei pentru
reducerea legăturii strânse dintre materialul compozit și forma plană în momentul îndepărtării
acestuia după procesului de polimerizare;
- aplicarea în prealabil a unui strat de rășina preaccelerată (un mix de 100 g rășină / 2-4
ml de Peroxid MEC), pentru fixarea și impregnarea suprafeței inferioare a țesăturii;
- așezarea materialului de ranforsare pe suprafața pregătită;
- aplicarea stratului de rășină pe suprafața superioară a materialului de ranforsare;
impregnarea s-a făcut prin trecerea rășinii cu ajutorul unei spatule din plastic pe toată
suprafața materialului.
Fig. 3.1. Etapele obținerii materialului eco – compozit
Perioada de fabricare a materialului compozit poate fi estimată din momentul
amestecului rășinii cu acceleratorul pentru întărire, unde gelifierea se produce între 8 – 16
minute. Polimerizarea completă se face la temperatura mediului ambiant, iar caracteristicile
Eco-compozite sustenabile cu proprietăți performante
Ing. Radu Francisc Coterlici 19
optime pot fi obținute de la 7 zile din momentul fabricării. Pentru obținerea materialelor
compozite au fost achiziționate materiale textile din bumbac și iută cu texturi și grosimi
diferite, pentru ranforsare și rășină poliesterică nesaturată Nestrapol 450 – 66 [123].
S-au fabricat plăci dreptunghiulare având dimensiuni 350 mm x 300 mm din fiecare
tip de material achiziționat (figura 3.2), prin metoda de formare manuală, cunoscută în
literatura de specialitate Hand lay – up method.
a. b. c. d. e.
Fig. 3.2. Plăci obținute prin metoda de formare manuală: a. R; b. CB; c. CBA d. CI; e. CIM
Au fost obținute o serie de plăci din materiale compozite cu 1, 3, 5 și 7 straturi pentru
fiecare tip de ranforsant. În tabelul 3.1 sunt prezentate elementele constituente ale plăcilor din
materiale compozite.
Tabelul 3.1. Elemente constituente ale plăcilor din materiale eco-compozite
Nr.crt. Denumire
placă Rașină/Matrice Inserție/Armătură
Nr. de
straturi h
[mm] 1 3 5 7
1 R Nestrapol - - - - -
2…10
2 CB Nestrapol Țesătură de Bumbac * * * *
3 CBA Nestrapol Țesătură de Bumbac
apretat * * * *
4 CI Nestrapol Țesătură de Iută * * * *
5 CIM Nestrapol Iută (MAT) * - - -
3.2. Efectul mediului agresiv asupra materialelor eco - compozite
Materialele eco - compozite polimerice sub acțiunea unor factori de mediu suferă o
serie de trasformări care pot influența proprietățile mecanice, transformări cunoscute sub
denumirea de îmbătrânire. Aceaste condiționare s-a realizat datorită faptului că o serie de
materiale eco-compozite pot fi utilizate pentru obținerea unor repere folosite la ambarcațiuni,
elemente ornamentale, recipiente, la platformele petroliere etc, care lucrează în mediu coroziv
Eco-compozite sustenabile cu proprietăți performante
Ing. Radu Francisc Coterlici 20
cum ar fi apa de mare. Din acest motiv am expus epruvetele eco-compozite într-o soluție
apoasă cu 5 % NaCl prin imersare, concentrația fiind exprimată cu relația (3.1):
c (%) = md / ms x 100 (3.1)
unde: c (%) = concentrația procentuală;
md = masa de substanță dizolvată;
ms = masa de soluție în care are loc dizolvarea.
Din plăcile obținute a fost prelevat un prim set de epruvete cu 1, 3, 5 și 7 straturi
conform (SR EN ISO 14125:2000) [135], corespunzătoare clasei II de materiale plastice
armate cu mat-uri continue și țesături, precum și formate mixte. Au fost confecționate câte 5
epruvete pentru fiecare material eco-compozit obținut și scufundate într-un recipient cu
soluție apoasă cu 5 %NaCl (figura 3.3), pentru o perioadă de 90 de zile (2160 h).
Înainte de imersie, epruvetele au fost cântărite cu ajutorul unui cântar electronic de
precizie, după care s-a reluat operațiunea timp de 12 zile la fiecare 24 h pentru a urmări
procentul de soluție apoasă cu 5 %NaCl absorbit.
a. b.
Fig. 3.3. Epruvete scufundate în soluție salină:a. vedere din laterală; b. vedere de sus
Calculul procentului de apă absorbit a fost exprimat cu relația (3.2) conform EN ISO
62 (2008) [136]:
P = (Pw – P0) / P0 * 100 (%) (3.2)
unde: Pw = greutatea probei după imersie;
Po = greutatea probei uscată.
Eco-compozite sustenabile cu proprietăți performante
Ing. Radu Francisc Coterlici 21
3.3. Testarea mecanică prin încovoiere în trei puncte
Din plăcile obținute a fost prelevat un al doilea set de epruvete prezentate în figura 3.4,
cu valorile dimensionale prezentate în tabelul 3.2.
Tabelul 3.2. Valorile dimensionale ale tipul de epruvete pentru încercarea la încovoiere
Înaintea efectuării unui test de încovoiere, epruveta este măsurată transversal și pe
lățime, ulterior datele sunt introduse în softul mașinii pentru obținerea caracteristicilor
mecanice. Testele mecanice prin încovoiere în trei puncte au fost realizate cu ajutorul
echipamentului de tip LR5K Plus (figura 3.5), fabricat de LLOYD Instruments ce permite
înregistrarea perechilor de valori sub formă de fișiere text având 200 - 500 linii în funcție de
viteza de achiziție iar datele înregistrate au fost prelucrate statistic cu ajutorul software – ului
Nexigen PlusTM
.
Fig.3.5. Mașina de testare prin încovoiere în trei puncte (LR5K Plus)
Prin această metodă pot fi enumerate o serie de caracteristici și anume: modulul de
elasticitate la încovoiere [MPa], rigiditatea la încovoiere [N/m], forța la încărcarea maximă
[kN], tensiunea maximă de încovoiere la încărcarea maximă [MPa], deplasarea la încărcarea
maximă [mm], deformarea maximă la încărcarea maximă [-], forța la rupere [kN], tensiunea
maximă la rupere [MPa], deformația specifică la rupere [-]. Eroarea relativă a rezultatelor
modulelor de elasticiate înregistrate în urma testelor de încovoiere s-a determinat prin
Clasa II: materiale plastice armate cu mat-uri continue,
țesături și formate U.M. [mm] Toleranța
L Lungime 80 -0/+10
L Distanța între reazeme 64 ± 1
B Lățimea 15 ± 0,5
H Grosimea 2…10 ±0,2
Eco-compozite sustenabile cu proprietăți performante
Ing. Radu Francisc Coterlici 22
calculul procentual dintre valoarile modulelor de elasticitate corespunzătore materialului R
(Ex exp.), respectiv materialului compozit (Ey exp.), pe baza relației (3.3) [14], [122]:
Eroarea = x 100 [%] (3.3)
3.4. Analiză morfologică de suprafață (MEB)
Pentru determinarea analizelor de suprafață a materialelor compozite a fost utilizată
microscopia electronică de baleiaj. Această tehnică de analiză a permis ilustrarea suprafeței
materialului compozit la scară microscopică. Analizele morfologice au fost realizate pe un
microscop de tip JEOL JSM 6400 care lucrează cel mai adesea cu un fascicul de electroni de
20 KeV. În funcție de condițiile experimentale utilizate (tensiunea de accelerație pentru
electroni incidenți de 20 kV și distanța de analiză de 15 mm), volumul analizat este de ordinul
a 1 µm3. Testele de analiză morfologică au fost determinate la Universitatea ''De Bourgogne'',
Institute Carnot de Bourgogne, din Dijon - Franța.
3.5. Analiză dilatometrică (DIL)
Analiza dilatometrică este metoda de analiză termică prin care se determină variația
dimensiunilor probelor prin dilatare sau contracție a unui material în funcție de temperatură
determinand coeficientul de expansiune liniar în timpul încălzirii (CTE), în conformitate cu
ASTM E 831-14 [137]. CTE reprezintă variația relativă a lungimii materialului la o creștere
de temperatură de 1 K. La o anumită temperatură T1, CTE fiind calculat cu relația [66]:
unde: α = coeficientul de dilatare liniar [K-1
];
Δl = variația dimensiunilor liniare [μm];
l0 = lungimea inițială a probei [μm].
Pentru determinarea analizelor dilatometrice au fost obținute epruvete cilindrice
prezentate în figura 3.7, cu lungimea de 10 mm și diametrul de 6 mm. Condițiile de lucru au
fost desfășurate în atmosferă controlată în intervalul 20 οC – 250
οC, cu o viteză de încălzire
de 10 οC/min.
Eco-compozite sustenabile cu proprietăți performante
Ing. Radu Francisc Coterlici 23
Fig. 3.7. Forma geometrică ale epruvetelor testate
Achiziția și prelucrarea datelor experimentale s-au realizat cu programele WIN - TA și
WIN – DIL, ce permite transpunerea lor într-un grafic în timp real sub formă de curbă
asociată cu dilatarea termică, timpul și temperaturile de încălzire.
3.6. Analiză calorimetrică cu scanare diferențială (DSC)
Calorimetria cu scanare diferențială (DSC), este tehnica aplicată materialelor aflate în
stare solidă sau lichidă prin încălzirea simultană a două probe, una de referință și una inițială,
prin evaluarea fluxului termic în funcție de temperatură.
În studiul de caz analizele calorimetrice au fost efectuate cu un calorimetru diferențial
de tip DSC 200 F3 Maia (figura 3.8), produs de firma Netsch (Germania). Determinarea
temperaturii de tranziție s-a realizat în atmosfera controlată de N2, cu temperatura de lucru
cuprinsă între 15 oC - 200
oC, cu viteza de încălzire/răcire de 10
oC/min, celula folosită fiind
un creuzet din alumină, iar greutatea epruvetelor fiind cuprinsă între 10 - 20 mg.
3.7. Analiză termogravimetrică și analiză termică diferențială
(TG /DTA)
Analiza termică simultană este o tehnică prin care pot fi combinate și caracterizate
diferite măsurători cum ar fi analiza termogravimetrică (TG) ce urmărește variația masei unei
probe la diferite temperaturi și o analiză termică diferențială (DTA) ce studiază transformările
de fază la intervale mici de temperatură prin absorbția sau degajarea unei cantități de caldură
și măsoară diferența de temperatură dintre o probă și un material de referință. Pentru
determinarea pierderilor de masă, analizele termice au fost realizate în intervalul de
temperatură 20 oC – 600
oC, în atmosferă controlată, cu un flux constant de N2 de 20 ml/min
și o viteză de încălzire de 10 oC/min, cu greutatea probelor cuprinsă între 10 - 20 mg.
Eco-compozite sustenabile cu proprietăți performante
Ing. Radu Francisc Coterlici 24
3.8. Analiză prin metoda elementelor finite (MEF)
Modelarea la impact a unei structuri din compozit cu 5 straturi de
țesătură din bumbac
Pentru a studia comportamentul la impact al materialului cu cinci straturi de țesătură
de bumbac, s-a realizat un model de calcul cu elemente finite, în softul ANSYS, pentru o
epruvetă cu dimensiunile 100 x 100 x 10 (mm) asupra căreia a fost lăsată să cadă o sferă de
masă 0,5 kg. Accelerația acesteia a fost aleasă astfel încât energia de impact să fie de 5 J.
Având în vedere că modelul are două plane de simetrie, calculul s-a realizat doar pe un
sfert din structură (figura 3.13).
a. b.
Fig. 3.13. Geometria modelului: a. în întregime; b. pe sfert
Distanța de la sferă până la placă a fost de 100 mm. Pentru a obține o energie de
impact de 5J trebuie ca sfera să ajungă în momentul impactului la o viteză de 4,47 m/s,
calculată astfel:
(3.14)
Utilizând relațiile de calcul din cinematică, s-au determinat timpul de cădere și
accelerația necesară pentru a atinge această viteză pe distanța de 100 mm:
(3.15)
Eco-compozite sustenabile cu proprietăți performante
Ing. Radu Francisc Coterlici 25
Caracteristicile elastice introduse pentru materialul sferei au fost cele ale oțelului:
și . Densitatea acestuia s-a introdus ca fiind . În
figura 3.14 este prezentată curba experimentală și în figura 3.15 cea introdusă în programul cu
elemente finite.
Fig. 3.14. Curba tensiune-deformație obținută experimental
Fig. 3.15. Curba introdusă în programul cu elemente finite
Coordonatele celor douăsprezece puncte prin intermediul cărora s-a introdus curba
caracteristică a materialului în softul cu elemente finite sunt prezentate în tabelul 3.3.
Tabelul 3.3. Coordonatele punctelor care definesc curba schematizată
Nr. punct 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Tensiunea
[MPa]
0
2,3
8
8,2
7
14,3
20
25,6
30,4
36,9
41,9
45,1
50,1
55,7
Deformația
[mm/mm]
0
0,0
019
1
0,0
068
0,0
118
0,0
166
0,0
214
0,0
262
0,0
335
0,0
407
0,0
456
0,0
552
0,0
842
Eco-compozite sustenabile cu proprietăți performante
Ing. Radu Francisc Coterlici 26
Elementele finite utilizate la discretizare au fost SOLID186 pentru placă (hexaedric) și
SOLID187 pentru sferă (tetraedric). Discretizarea modelului este prezentată în figura 3.16.
Condițiile la limită impuse au constat în blocarea tuturor deplasărilor pe cele două
suprafețe laterale ale plăcii și blocarea deplasărilor pe direcție perpendiculară pe suprafețele
definite de planele de simetrie, atât la sferă cât și la placă. Aceste blocaje se pot observa în
figura 3.17.
Fig. 3.16. Discretizarea modelului Fig. 3.17. Blocajele impuse
Încărcarea a constat în aplicarea unei accelerații de pe direcția axei z
(direcția de impact) pentru elementele finite ale sferei. Având în vedere că analiza a fost una
tranzitorie, timpul final a fost ales 0,05 s și pasul de integrare de 0,0004 s (125 de pași).
3.9. Testarea la impact a unei structuri din compozit. Studiu de caz.
Pentru simularea impactului s-a folosit un stand prezentat în figura 3.18, care se află în
dotarea facultații de Inginerie Mecanică, Departamentului de Autovehicole și Transporturi din
cadrul Universității Transilvania Brașov.
Fig. 3.18. Stand de încercare la impact
Eco-compozite sustenabile cu proprietăți performante
Ing. Radu Francisc Coterlici 27
În figura 3.19 a. și b. sunt prezentate elementele componente ale standului, fiind
prevăzut cu un dispozitiv cu arc și o tijă cu capul impactor de formă sferică, prevăzut cu un
sistem de declanșare cu manetă și un cap de silicon.
a. b.
Fig. 3.19. Elemente componente: a. dispozitivul și schema cu arc [114]; b. model standard
cap din silicon
Cunoscând caracteristicile și săgeata arcului elicoidal cilindric de compresiune cu
secțiunea spirei rotundă, poate fi calculată sarcina cu care capul impactor lovește ținta
stabilită. Dimensiunile și caracteristicile arcului elicoidal sunt prezentate în figura 3.20.
Fig. 3.20. Dimensiunile geometrice ale arcului elicoidal [114]
Calculul pentru săgeata arcului f este dată de relația [114]:
f = (3.16)
unde: F = sarcina aplicată arcului;
R = raza de înfăşurare;
G = modulul de elasticitate transversal al materialului din care este confecţionat arcul;
n = numărul de spire;
d = diametrul secţiunii transversale al sârmei din care este construit arcul.
Eco-compozite sustenabile cu proprietăți performante
Ing. Radu Francisc Coterlici 28
Caracteristicile şi dimensiunile arcului din dispozitiv pentru aplicarea forţei sunt
prezentate în tabelul 3.4.
Tabelul 3.4. Caracteristicile arcului elicoidal de compresiune
Pentru înregistrarea semnalelor, senzorii au fost conectați la aparatele de semnal și
pozitionați pe capul impactor de formă sferică și în centrul capului de silicon. Pentru captarea
undelor de presiune din capul siliconic senzitivitatea traductorului de accelerație poziționat în
capul siliconic a fost mărită de 10 X.
3.9.1. Realizarea și testarea unei căști de protecție
În figura 3.12 sunt prezentate elementele necesare pentru realizarea unei căști de
protecție, după o cască standard de pompier (anii‘60), (figura 3.21 a.), am obținut un model
din silicon cu rol demulator, (figura 3.21 b.) și o preformă din spumă poliuretanică (figura
3.21 c.), obținînd o cască din materialul compozit CB cu 5 straturi, prezentată în figura 3.21 d.
a. b. c. d.
Fig. 3.21. Elemente necesare: a. cască standard (Textolit); b. cască silicon cu rol demulator;
c. preformă din spumă poliuretanică; d. cască CB cu 5 straturi
În cadrul acestui studiu de caz a fost supusă la impact casca realizată din materialul
compozit CB cu 5 straturi cu o forță rezultată în urma comprimării arcului cu valorea săgeții
arcului de 60 mm corespuzătoare forței de 1056 N. În figura 3.22 a., respectiv b. este
prezentat momentul de dinainte și după impact.
Arc elicoidal cilindric de compresiune
n d [mm] R [mm] G [MPa]
11 8 38 8.1x104
Eco-compozite sustenabile cu proprietăți performante
Ing. Radu Francisc Coterlici 29
a. b.
Fig. 3.22. Casca CB cu 5 straturi în momentul: a. de dinainte și b. după impact pentru casca
CB cu 5 straturi
Casca testată a fost prevăzută cu un sistem de amortizare din spumă de polistiren
expandat și căptușeală. În figura 3.22 a și b este prezentat momentul de dinainte și după
impact.
3.9.2. Modelarea prin MEF a căștii de protecție
Modelul de calcul numeric la impact pentru cască CB cu caracteristicile materialului
rezultate de la compozitul cu 5 straturi
Calculul numeric, efectuat cu metoda elementelor finite cu ajutorul softului ANSYS
LS-DYNA, a fost simulat impactul cu o cască de protecție a unui corp sferic de masă ,
lăsat să cadă liber de la o înălțime de un metru. Pentru simplificarea modelului numeric s-a
considerat că materialul căștii este izotrop și liniar.
Geometrie și caracteristici
S-a realizat geometria căștii de protecție, prezentată în figura 3.23 a și s-a modelat
corpul impactor ca fiind din oțel și având diametrul . În figura 3.23 b sunt prezentați
parametri dimensionali ai căștii.
a. b.
Fig. 3.23. Cască de protecție cu : a. geometria; b. dimensiunile caștii
Eco-compozite sustenabile cu proprietăți performante
Ing. Radu Francisc Coterlici 30
În figura 3.24 este redată discretizarea căștii și condițiile la limită impuse (blocarea
deplasării pe direcția impactului).
Fig. 3.24. Discretizarea căștii și blocajele impuse
Elementele finite utilizate au fost SHELL 163, pentru discretizarea căștii, și SOLID
164, pentru corpul impactor. Grosimea elementului SHELL a fost , egală cu grosimea
materialului din care s-a realizat casca. Încărcarea impusă a fost o accelerație de
pentru sferă.
Eco-compozite sustenabile cu proprietăți performante
Ing. Radu Francisc Coterlici 31
CAPITOLUL 4
Caracterizarea proprietăților eco – compozitelor
4.1. Efectul mediului agresiv asupra materialelor eco-compozite
Pentru trasarea curbelor de absorbție s-a calculat media a 5 epruvete corespunzătoare
fiecărui tip de material cu 1, 3, 5 și 7 straturi. În figura 4.1 este prezentată curba materialului
R, cu evoluția absorbției și punctul de echilibru după 60 de zile având un procent maxim
absorbit de 0,0095 %. În figura 4.2 sunt prezentate curbele caracteristice materialului
compozit CB cu 1 strat, 3, 5 [23], respectiv 7 straturi [24] .
Fig. 4.1. Curba de absorbție a materialului R Fig . 4.2. Curbele de absorbție ale materialul
CBcu 1, 3, 5 și 7 straturi
Fig. 4.3. Curbele de absorbție ale materialul CBA cu 1, 3, 5 și 7 straturi
Eco-compozite sustenabile cu proprietăți performante
Ing. Radu Francisc Coterlici 32
În figura 4.3 sunt prezentate curbele de absorție corespunzătoare materialului compozit
CBA cu 1, 3, 5 și 7 straturi, unde se poate observa că, absorția crește odată cu timpul de
imersare, ajungând la un echilibru în primele 30 zile. În figura 4.4 sunt prezentate curbele de
absorbție corespunzătoare materialului compozit CI cu 1 strat, 3 straturi [25], respectiv 5 și 7
straturi, unde absorbția crește chiar și după 60 de zile. În figura 4.5 se pune în evidență curba
caracteristică materialului compozit CIM [26].
Fig. 4.4. Curbele de absorbție a Fig. 4.5. Curba de absorbție a
compozitul CI cu 1, 3, 5 și 7 straturi compozitul CIM cu 1 strat
Sinteza comparativă a rezultatelor
În figura 4.6 sunt reprezentate comparativ curbele pentru absorbția medie a
materialelor studiate în funcție de numărul de straturi.
a. b.
Eco-compozite sustenabile cu proprietăți performante
Ing. Radu Francisc Coterlici 33
c. d.
Fig. 4.6. Curbele de absorbție ale materialelor compozite CB, CBA, CI cu:
a. 1 strat, b. 3straturi, c. 5 straturi, d. 7 straturi
4.2. Caracteristici mecanice la testele de încovoiere
În urma testelor de încovoiere prin metoda celor trei puncte, valorile rezultate au fost
prelucrate statistic cu ajutorul software – ului PROXON. În continuare sunt prezentate
graficele cu rezultatele medii pentru fiecare material compozit necondiționat/condiționat de
mediu agresiv (soluție apoasă cu 5 % NaCl).
Materialul CB cu 1, 3, 5 și 7 straturi
În figura 4.8 sunt prezentate prin comparație variația proprietăților mecanice, pentru
materialul polimeric R și pentru materialul compozit CB cu 1, 3, 5 și 7 straturi necondiționat
și condiționat de mediul agresiv cu rezultatele tensiunii normale maxime (figura 4.7 a.),
deformații specifice (figura 4.7 b.), modulul de elasticitate (figura 4.7 c.) și eroarea relativă
procentuală a modulului de elastictate (figura 4.7 d.).
a. b.
Eco-compozite sustenabile cu proprietăți performante
Ing. Radu Francisc Coterlici 34
c. d.
Fig. 4.7. Variația comparativă a proprietăților determinate prin încercarea la încovoiere a
materialelor R și compozitului CB cu 1, 3, 5 și 7 straturi necondiționat și condiționat de
mediul agresiv cu: a. tensiunea normală maximă; b. deformația specifică maximă; c. modulul
de elasticitate; d. eroarea relativă procentuală a modulului de elasticitate
Materialul CBA cu 1,3,5 și 7 straturi
În figura 4.9 sunt prezentate în mod comparativ variația proprietăților mecanice,
pentru materialul polimeric R și pentru materialul compozit CBA cu 1, 3, 5 și 7 straturi
necondiționat și condiționat de mediul agresiv cu rezultatele tensiunii normale maxime
(figura 4.8 a.), deformații specifice (figura 4.8 b.), modulul de elasticitate (figura 4.8 c.) și
eroarea relativă procentuală (figura 4.8 d.).
a. b.
Eco-compozite sustenabile cu proprietăți performante
Ing. Radu Francisc Coterlici 35
c. d.
Fig. 4.8. Variația comparativă a proprietăților determinate prin încercarea la încovoiere a
materialelor R și compozitului CBA cu 1, 3, 5 și 7 straturi necondiționat și condiționat de
mediul agresiv cu: a. tensiunea normală maximă; b. deformația specifică maximă; c. modulul
de elasticitate; d. eroarea relativă procentuală a modulului de elasticiate
Materialul CI cu 1, 3, 5 și 7 straturi
În figura 4.9 sunt prezentate comparativ proprietățile mecanice, pentru materialul
polimeric R și pentru materialul compozit CI cu 1, 3, 5 și 7 straturi necondiționat și
condiționat de mediul agresiv, cu variații ale rezultatelor tensiunii normale maxime (figura 4.9
a.), deformații specifice (figura 4.9 b.), modulul de elasticitate (figura 4.9 c.) și eroarea
relativă procentuală (figura 4.10 d.).
a. b.
Eco-compozite sustenabile cu proprietăți performante
Ing. Radu Francisc Coterlici 36
c. d.
Fig. 4.9. Variația comparativă a proprietăților determinate prin încercarea la încovoiere a
materialelor R și compozitului CI cu 1, 3, 5 și 7 straturi necondiționat și condiționat de
mediul agresiv cu: a. tensiunea normală maximă; b. deformația specifică maximă; c. modulul
de elasticitate; d. eroarea relativă procentuală a modulului de elasticitate
Materialul CIM cu 1 strat
În figura 4.10 sunt prezentate comparativ proprietățile mecanice, pentru materialul
polimeric R și pentru materialul compozit CIM cu 1 strat necondiționat și condiționat de
mediul agresiv, cu variații ale rezultatelor tensiunii normale maxime (figura 4.10 a.),
deformații specifice (figura 4.10 b.), modulul de elasticitate (figura 4.10 c.) și eroarea relativă
procentuală (figura 4.10 d.).
a. b.
Eco-compozite sustenabile cu proprietăți performante
Ing. Radu Francisc Coterlici 37
b. d.
Fig. 4.10. Variația comparativă a proprietăților determinate prin încercarea la încovoiere a
materialelor R și compozitului CIM cu 1, 3, 5 și 7 straturi necondiționat și condiționat de
mediul agresiv cu: a. tensiunea normală maximă; b. deformația specifică maximă; c. modulul
de elasticitate; d. eroarea relativă procentuală a modulului de elasticitate
În tabelul 4.1 și tabelul 4.2 sunt prezentate comparativ rezultatele obținute pentru
valorile medii ale modulelor de elasticitate la încovoiere în trei puncte, respectiv eroarea
relativă procentuală a modulului de elasticitate..
Tabelul 4.1. Comparația rezultatelor experimentale ale modulului de elasticitate
Material E [MPa]
Fără 1 strat 3 straturi 5 straturi 7 straturi
R 1165,3 - - - -
CB - 751 996,98 1204,8 1594,7
CB_5% NaCl - 590,21 1153,6 1303,1 1405,5
CBA - 824,6 1002,1 1773,6 1173,7
CBA_5% NaCl - 790,82 645,31 832,72 748,51
CI - 729,7 1240,3 1212,2 1284,7
CI_5% NaCl - 594,77 716,21 1116,6 962,61
CIM - 619,19 - - -
CIM_5% NaCl - 632,43 - - -
Tabel 4.2. Comparația rezultatelor erorii relative procentuale ale modulului de elasticitate
Material Eroarea relativă procentuală [%]
1 strat 3 straturi 5 straturi 7 straturi
CB -55,16 -16,88 3,27 26,92
CB_5% NaCl -97,4 -1,01 10,57 17,09
CBA -41,31 -16,28 34,29 -0,71
CBA_5% NaCl -47,35 -80,57 -39,98 -55,6
CI -59,69 6,04 3,86 9,29
CI_5% NaCl -79,5 -62,7 -4,36 -21,05
CIM -88,19 - - -
CIM_5% NaCl -84,25 - - -
Eco-compozite sustenabile cu proprietăți performante
Ing. Radu Francisc Coterlici 38
4.3. Morfologia suprafețelor materialelor compozite
În continuare sunt prezentate micrografiile materialelor compozite necondiționate și
condiționate de mediul agresiv.
a. b.
c. d.
e. f.
Fig. 4.12. Micrografii SEM cu: a. material R condiționat de mediu; b. material CB cu fibre
rupte din matrice; c. material CBA cu aglomerații de fibre la suprafața; d. material CI
condiționat de mediu; e. material CIM cu distribuția fibrelor; f. material R cu defecte pe
suprafață
Eco-compozite sustenabile cu proprietăți performante
Ing. Radu Francisc Coterlici 39
Figura 4.12 sunt prezentate micrografii SEM cu suprafața compozitelor necondiționate
și condiționate de mediu agresiv. În figura 4.12 a. se poate observa formarea cristalelor de
sare pe suprafața materialului R, după dehidratarea soluției apoase cu 5% NaCl . În figura
4.12 b. este prezentat materialul CB cu fibrele rupte unde se poate observa lipsa spațiilor
dintre fibră și matrice ce relatează faptul că există o legătură intimă la interfața dintre
constituenți. În figura 4.12 d. este prezentată suprafața materialul CI condiționat de mediu
agresiv, relatând îmbătrînirea accelerată, cauzată de efectul imersiei timp de 90 de zile în
soluție apoasă cu 5 % NaCl. În figura 4.6 e. se prezintă materialul CIM cu distribuția fibrelor
după ruperea la încovoiere. Se poate observa apariția smulgeri de fibre ce se datorează
legăturii slabe la interfața matrice/fibră, ce implică un consum mic de energie oferind
materialului o scădere a tenacității. Defectele de suprafață cum sunt prezentate în figura 4.12
f. sub formă de goluri, în timpul imersie absorb o cantitate mare de apă conducând la
degradarea lui în timp.
4.4. Caracteristici termo – fizice prin analiză dilatometrică (DIL)
În figura 4.16 și figura 4.17 sunt prezentate variațiile negative ale coeficienților de
expansiune ale materialelor compozite necondiționate și condiționate de mediul agresiv.
Fig. 4.16. Variația coeficientului de expansiune Fig. 4.17. Variația coeficientului de expansiune
negativ cu temperaturapentru materialele negativ cu temperaturapentru materialele
necondiționate condiționate de mediul agresiv
Curbele corespunzătoare materialelor necondiționate și condiționate de mediul agresiv
pun în evidență neliniaritatea acestora prin apariția unor procese de dilatare – contracție. În
tabelul 4.3 sunt prezentate temperaturile și valorile negative ale coeficientului de expansiune
termică rezultate în timpul proceselor termice.
Eco-compozite sustenabile cu proprietăți performante
Ing. Radu Francisc Coterlici 40
Tabelul 4.3. Valorile temperaturilor și coeficientul negativ de expansiune termică
Denumire material Necondiționate Condiționate - 5% NaCl
T (°C) α (E-6
/C-1
) T (°C) α (E-6
/C-1
)
R 93,3 -161,6 - -
CB 97,4 -154,7 110,9 -140,1
CBA 83,5 -18,3 102,1 -107,.2
CI 104,9 -36,8 108,2 -80,0
CIM 91,2 -29,6 98,9 -25,5
Prin analiza în mod comparativ a valorilor negative ale coeficientilor de expansiune se
poate observa că materialele compozite necondiționate și condiționate de mediul agresiv au
înregistrat o scădere a valorilor față de materialul R.
4.5. Variația temperaturii de tranziție Tg prin analiză calorimetrică
(DSC)
În tabelul 4.4 și tabelul 4.5 sunt prezentate procesele de tranziție corespunzător
fiecărui material studiat cu Tonset – Punctul de inflexiune –Tend, precum și căldura specifică
consumată la efectuarea procesului.
Tabelul. 4.4. Temperaturile de tranziție Tg ale materialelor necondiționate
Material T onset [0C] Punctul de inflexiune [
0C] T end[
0C] ΔCp[ J/g*C]
R 51,5 56,7 80,1 0,212
CB 45,6 55,2 76,2 0,238
CBA 46,9 62,4 65 0,170
CI 52,7 68,7 86,1 0,817
CIM 57,1 64,6 69,6 0,429
Tabelul 4.5. Temperaturile de tranziție Tg ale materialelor condiționate de mediul agresiv
Material T onset [0C] Punctul de inflexiune [
0C] T end[
0C] ΔCp[ J/g*C]
R 47,1 54,1 71,8 0,228
CB 41,6 48,4 76,2 0,596
CBA 51,5 64,1 69,3 0,490
CI 44,8 66,0 85,9 0,644
CIM 45,6 55,9 69,7 0,343
După cum se poate observa atât din reprezentările grafice, cât și din valorile rezultate
și prezentate tabelar, temperaturile de tranziție sticloasă (Tg) sunt foarte apropiate.
Eco-compozite sustenabile cu proprietăți performante
Ing. Radu Francisc Coterlici 41
4.6. Variația masică și transformările termice prin analiză simultană
(TG/DTA)
Analiza termică TG/DTA asupra materialului polimeric R
În figura 4.20 este reprezentată analiza termică simultană pentru materialului R
necondiționat și R condiționat de mediul salin cu 5 % NaCl, prin evidențierea etapelor
corespuzătoare degradării termice prin pierderea de masă și temperaturile proceselor
exotermice și endotermice.
Fig. 4.20. Curbele TG/DTA pentru materialul R necondiționat și condiționat de mediul salin
cu 5% NaCl
Analiză termică TG/DTA asupra materialului compozit CB
În figura 4.21 este reprezentată analiza termică simultană pentru materialului CB
necondiționate și CB condiționat de mediul salin 5% NaCl prin evidențierea etapelor
corespuzătoare degradării termice prin pierderea de masă și temperaturile proceselor
exotermice și endotermice.
Eco-compozite sustenabile cu proprietăți performante
Ing. Radu Francisc Coterlici 42
Fig. 4.21. Curbele TG/DTA pentru materialul CB necondiționat și condiționat de mediu cu
5 % NaCl
Analiză termică TG/DTA asupra materialului compozit CBA
În figura 4.22 este reprezentată analiza termică simultană pentru materialului CBA
necondiționat și CBA condiționat de mediul salin cu 5 %NaCl prin evidențierea etapelor
corespuzătoare degradării termice.
Fig. 4.22. Curbele TG/DTA pentru materialul CBA necondiționat și condiționat de mediul
salin cu 5% NaCl
Eco-compozite sustenabile cu proprietăți performante
Ing. Radu Francisc Coterlici 43
Analiză termică TG/DTA asupra materialului compozit CI
În figura 4.23 este reprezentată analiza termică simultană pentru materialului CI
necondiționat și CI condiționat de mediul salin cu 5 %NaCl prin evidențierea etapelor
corespuzătoare degradării termice prin pierderea de masă și temperaturile proceselor
exotermice și endotermice.
Fig. 4.23.Curbele TG/DTA pentru materialul CI necondiționat și condiționat
de mediul salin cu 5 %NaCl
Analiză termică TG/DTA asupra materialului compozit CIM
În figura 4.24 este reprezentată analiza termică simultană pentru materialului CIM
necondiționat și CIM condiționat de mediul salin cu 5 %NaCl prin evidențierea etapelor
corespuzătoare degradării termice prin pierderea de masă și temperaturile proceselor
exotermice și endotermice.
Eco-compozite sustenabile cu proprietăți performante
Ing. Radu Francisc Coterlici 44
Fig. 4.24. Curbele TG/DTA pentru materialul CIM necondiționat și condiționat de mediul
salin cu 5 %NaCl
În tabelul 4.6 sunt prezentate valorile obținute în urma analizelor simultane pentru
materialele compozite neconndiționate și condiționate de mediul salin cu 5 %NaCl.
Tabelul 4.6. Analiza rezultatelor experimentale TG/DTA ale materialelor necondiționate și
condiționate de mediul agresiv
Nr.
crt. Material
Interval de temperatură [°C] Tmax [
°C] Masa
reziduală
[%]
30 - 170 210 -300 350 - 400 600
Pierderea de masă [%]
1. R 3,20 5,27 82,36 100 0
R_5 %NaCl 1,48 11,52 86,08 91,70 8,30
2. CB 2,92 8,51 87,40 99,58 0,42
CB_5 %NaCl 1,41 9,15 72,00 82,09 17,91
3. CBA 3,34 14,09 76,95 99,12 0,88
CBA_5 %NaCl 2,13 5,38 63,37 84,10 15,90
4. CI 2,72 11,10 53,70 79,93 20,07
CI_ 5%NaCl 2,55 10,70 58,56 68,83 31,17
5. CIM 1,08 8,97 74,16 86,66 13,34
CIM_5 %NaCl 2,29 9,64 76,22 89,96 10,14
Valorile rezultatele și prezentate în tabelul 4.6, pun în evidențiază sustenabilitatea
materialelor compozite pe bază de polimeri și fibre naturale, gradul de degradabilitate în timp
și tot odată ciclul de viață cu direcția de aplicabilitate ale acestora.
Eco-compozite sustenabile cu proprietăți performante
Ing. Radu Francisc Coterlici 45
4.7. Analiza rezultatelor prin MEF
În figurile 4.27 și 4.28 sunt prezentate câmpurile deplasărilor pe direcția de impact
(axa z) și ale tensiunilor echivalente von Mises, la pasul 115 (în momentul în care sfera
ajunge la viteză zero).
Fig. 4.27. Câmpul deplasărilor pe direcția Fig. 4.28. Câmpul tensiunilor von Mises
axei z [m] la pasul 115 [MPa] la pasul 115
În figurile 4.29, 4.30, 4.31 sunt prezentate hărțile de deformații specifice echivalente
totale, elastice și plastice, la pasul 115. Se observă că deformațiile plastice au valori
considerabile în comparație cu cele elastice, ceea ce poate crea probleme în exploatarea
materialului în practică, dacă se ajunge până la acest nivel de solicitare.
Fig. 4.29. Deformația specifică echivalentă Fig. 4.30. Deformația specifică echivalentă
totală [mm/mm] la pasul 115 elastică [mm/mm] la pasul 115
Fig. 4.31. Deformația specifică echivalentă plastică [mm/mm] la pasul 115
Eco-compozite sustenabile cu proprietăți performante
Ing. Radu Francisc Coterlici 46
Pentru a analiza evoluția în timp a tensiunilor și a unor parametri necesari calculului
energiei de impact absorbită prin deformarea materialului, s-au extras datele corespunzătoare
nodurilor marcate în figura 4.32.
Fig. 4.32. Nodurile pentru care s-au extras date în urma calculului
În tabelul 4.7 sunt prezentate datele utilizate în calculul energiei absorbite prin
deformarea materialului. Înregistrările marcate prin înclinare corespund perioadei impactului.
Tabelul 4.7. Valorile în urma calculului energiei absorbite prin deformarea materialului
Nr. pas Momentul
de timp [s]
Deplasarea
nodului 2539
[m]
Accelerația
sferei
[m/s2]
Viteza
sferei
[m/s]
Forța de
impact [N]
112 4.48E-02 0 -100 -4.4602 -50
113 4.52E-02 -1.04E-03 1732.86 -3.76706 866.43
114 4.56E-02 -2.18E-03 4585.71 -1.93277 2292.855
115 4.59E-02 -2.45E-03 6835.97 0.345882 3417.985
116 4.63E-02 -1.97E-03 6495.94 2.5112 -
117 4.66E-02 -9.07E-04 3847.95 3.79385 -
118 4.69E-02 5.08E-05 1040.97 4.14084 -
119 4.73E-02 -5.24E-05 -17.5338 4.13499 -
120 4.77E-02 -2.94E-04 -168.662 4.06753 -
121 4.81E-02 1.11E-04 -31.4096 4.05496 -
122 4.85E-02 -1.58E-04 -168.508 3.98756 -
123 4.89E-02 -2.14E-04 -31.5847 3.97493 -
În tabelul 4.8 sunt redate rezultatele obținute pentru studiul energiei de impact.
Tabelul 4.8. Rezultatele obținute pe baza modelului de calcul numeric
Viteza
de impact
[m/s]
Energia
de impact
[J]
Decelerația
maximă
[m/s2]
Forța
de contact
[N]
Deplasarea
maximă
[m]
Energia
absorbită
[J]
4,47 5 6835 3418 0,00245 2,218
Eco-compozite sustenabile cu proprietăți performante
Ing. Radu Francisc Coterlici 47
4.8. Analiza rezultatelor experimentale la testul prin impact și MEF
Rezultate la impact
În figurile 4.37 și 4.38 sunt redate înregistrările obținute de la cele două accelerometre
pentru casca realizată din materialul cu cinci straturi de țesătură dublă de bumbac.
Fig. 4.37. Accelerația corpului impactor
Impactul a avut loc la momentul și s-a desfășurat până la , iar
accelerația corpului impactor pe această perioadă este prezentată în figura 4.37.
Fig. 4.38. Accelerația din macheta capului uman
Eco-compozite sustenabile cu proprietăți performante
Ing. Radu Francisc Coterlici 48
Fig. 4.39. Accelerația corpului impactor pe durata impactului
Înlocuind numeric, se obține pentru energia de impact:
În tabelul 4.9 sunt prezentați principalii parametri obținuți.
Tabelul 4.9. Rezultatele testului la impact
Viteza
de impact
[m/s]
Energia
de impact
[J]
Decelerația
maximă
[m/s2]
Forța
de contact
[N]
Deplasarea
maximă
[mm]
Energia
absorbită
[J]
16,07 278,9 7266 15695 33,1 204,5
Procentul absorbit prin deformarea materialului (PA) din energia de impact este:
Rezultate calcule numerice
Rezultatele au fost obținute în urma efectuării a 50 de pași de integrare. Pentru a
verifica corectitudinea parametrilor introduși în calculul numeric, s-a urmărit evoluția în timp
a vitezei corpului impactor. În figura 4.44 este reprezentat graficul acestei variații. Se observă
că sfera parcurge în cădere liberă de la o înălțimea de un metru în aproximativ și atinge
o viteză de (-4,32) m/s. După 0.02 s viteză scade la zero (moment în care deformația căștii
este la maxim) și apoi revine din iarăși la 0.02 s cu o viteză de 2.2 m/s. Astfel se produce o
pierdere de energie a impactorului ce ar trebui recuperată în derformația reziduală a căștii
Eco-compozite sustenabile cu proprietăți performante
Ing. Radu Francisc Coterlici 49
prezentată în continuare.Viteza de impact de 4.32 m/s obținută din analiza numerică poate fi
verificată prin relațiile cinematice (4.13) și (4.14):
; (4.13)
(4.14)
Diferențele foarte mici dintre rezultate arată că parametri au fost introduși corect și pot
fi diminuate considerabil dacă numărul de pași de integrare crește.
Fig.4.44. Evoluția vitezei în timp a corpului impactor
În figura 4.45 este redat câmpul tensiunilor echivalente von Mises la momentul t =
0.46 s, când în structură se înregistrează valoarea maximă a tensiunii. Această valoare a fost
obținută în nodul cu numărul 1393. În figura 4.46, este prezentată evoluția în timp a tensiunii
echivalente von Mises în nodul 1393.
Fig. 4.45 Deformația structurii cu: a. Câmpul tensiunilor von Mises la t = 0.46 ; b. poziția
nodului cu umărul 1393
Eco-compozite sustenabile cu proprietăți performante
Ing. Radu Francisc Coterlici 50
Pentru a calcula energia de impact și energia de deformație a structurii, s-au extras din
rezultatele obținute în urma analizei cu elemente finite accelerația, viteza și deplasarea
impactorului. Perioada impactului a fost intre și .
a. b.
Fig. 4.47. Structura căștii deformate după momentul impactului:
a. vedere din lateral; b. vedere din față
Ținând seama de masa impactorului ( ) și aplicând relațiile de calcul prezentate în
capitolul 4, s-au determinat parametrii prezentați în tabelul 4.10.
Tabelul 4.10. Rezultatele obținute pe baza modelului de calcul numeric
Viteza
de impact
[m/s]
Energia
de impact
[J]
Decelerația
maximă
[m/s2]
Forța
de contact
[N]
Deplasarea
maximă
[m]
Energia
absorbită
[J]
4,386 48,09 6029,7 30148 0,0451 36,52
Procentul de energie absorbită este următorul:
4.9.Concluzii parțiale
În urma procesului de imersie a materialelor compozite în soluție salină cu 5% NaCl
pentru o perioadă de 90 de zile, în cazul materialului polimeric R s-a înregistrat o valoare a
absorbției de 0,0095 %. În cazul materialelor compozite cu 1 strat s-a înregistrat o valoare a
absorbției cuprinsă între 12,32 % - 17,96 %, în cazul materialelor compozite cu 3 straturi s-a
înregistrat o valoare a absorbției cuprinsă între 14,2 % - 26,4 % și pentru materialele
compozite cu 5 straturi sa înregistrat o valoare a absorbției cuprinsă între 10,46 % - 15,10 %,
respectiv pentru materialele compozite cu 7 straturi s-a înregistrat o valoare a absorbției
cuprinsă între 9,1 % - 11,11 %.
În urma încercărilor la încovoiere în trei puncte, o analiză a rezultatelor materialelor
condiționate de mediul agresiv oferă o scădere a proprietăților mecanice.
Eco-compozite sustenabile cu proprietăți performante
Ing. Radu Francisc Coterlici 51
Efectuarea analizelor morfologice de suprafață a condus la punerea în evidență în
detaliu a defectelor de suprafață, degradării acestuia, rupturii obținute în urma solicitării la
încovoiere cu evidențierea fisurilor și așezării neuniforme a fibrelor în matrice, precum și
defectele interne din materialul compozit, respectiv legăturile la interfața fibră/matrice;
Analiza termo-fizică comparativă a materialelor compozite studiate a arătat
coeficientul de dilatare termică (CTE) este influențat mult de elementul de ranforsare precum
și de alți factori ce pot contribui la instabilitatea termică.
Prin analiza temperaturilor de tranziție Tg a materialelor compozite necondiționate și
condiționate de mediul agresiv s-a constat că temperaturile de tranziție sunt apropiate în
ambele cazuri.
Analiza comparativă a materialelor necondiționate și condiționate de mediul agresiv a
aratat că degradarea materialelor condiționate până la temperaturi de 200 oC se produce mai
lent față de materialele necondiționate, iar cu creșterea temperaturii degradarea materialelor
condiționate accentuându-se cu creșterea temperaturii.
Analizând rezultatele obținute, se poate spune că energia de impact este absorbită prin
deformarea plăcii într-un procent foarte mic. Comparând rezultatele experimentale cu cele
numerice, care vor trebui refăcute pentru dimensiunile reale ale epruvetelor (altă grosime
decât în această lucrare) se va putea analiza comportamentul în exploatare al materialului cu
un grad de certitudine mult mai ridicat. În cazul cercetărilor la impact s-a obținut pentru
structura analizată un procent de absorbție de 73,3%, ceea ce reprezintă o valoare acceptabilă.
Un alt aspect important este acela că rezultatele au putut fi afectate de rata mică de achiziție a
datelor (o milisecundă) în raport cu durata fenomenului (câteva milisecunde). Astfel, este
posibil ca unele valori să fie trunchiate și să apară erori de integrare. Din punct de vedere al
rezistenței mecanice, materialul propus pentru realizarea unor căști de protecție îndeplinește
condițiile necesare.
Din calculele numerice s-au obținut tensiuni echivalente maxime, la încercarea la
impact a căștii, mult inferioare limitei de rupere a materialului. Tensiunile obținute în urma
calculului sunt mai mari decât cele reale, deoarece, materialul este vâscoelastic. Proprietățile
mecanice obținute pentru materialul prezentat în lucrare reprezintă un argument pentru
utilizarea acestor tipuri de materiale și în alte aplicații industriale. Industria alimentară este un
domeniu în care cercetările privind materialele ecologice și biodegradabile sunt motivate de
normele de sănătate impuse. Ca direcție ulterioară de dezvoltare a cercetărilor rămâne
realizarea unui model de calcul care să țină seama de influența tuturor factorilor importanți
(elementele de amortizare din interiorul căștii, capul uman etc.
Eco-compozite sustenabile cu proprietăți performante
Ing. Radu Francisc Coterlici 52
CAPITOLUL 5
Concluzii finale. Contribuții originale. Direcții viitoare de
cercetare
5.1. Concluzii finale
Pentru atingerea scopului tezei de doctorat obiectivele propuse au fost îndeplinite în
totalitate ce au dat naștere următoarelor concluzii generale:
s-au obținut noi materiale eco-compozite stratificate, printr-o metodă de formare
manuală cunoscută în literatura de specialitate sub denumirea de metoda Hand lay-up, în
vederea scăderii costurilor și eliminării consumului de energie și s-au obținut epruvete cu 1, 3,
5 și 7 straturi pentru fiecare tip de material eco-compozit studiat;
s-a analizat comportamentul materialelor eco-compozite cu 1, 3, 5 și 7 straturi într-un
mediu agresiv prin imersia acestora într-o soluție apoasă cu o concentrație de 5 % NaCl, care
a condus la monitorizarea și înregistrarea evoluției absorbției, menționând faptul că
responsabilii pentru absorbția soluției sunt caracterul hidrofil al fibrelor naturale, contactul
dintre capilarul fibrei și soluție în urma debitării plăcilor în scopul obținerii epruvetelor,
defectelor de suprafață și a celor din interior apărute în urma obținerii materialelor compozite
și datorită procesului de hidrodilatare;
au fost analizate proprietățile mecanice prin încovoiere în trei puncte a două seturi de
materiale compozite (necondiționate și condiționate de mediul agresiv); s-a constat că oadată
cu creșterea numărului de straturi proprietățile materialelor eco-compozite studiate se
îmbunătățesc; în mod comparativ s-a evidențiat că proprietățile materialelor eco-compozite
condiționate de mediul agresiv au înregistrat valori descrescătoare față de materialele eco-
compozite necondiționate; prin modelul de calcul matematic al erorii relative s-a demonstrat
că odată cu creșterea numărului de straturi de ranforsant proprietățile elastice sunt crescătoare.
s-au efectuat cercetări privind analiza morfologică de suprafață pe eșantioane prelevate
din materialele eco-compozite prin Microscopie Electronică de Baleiaj (SEM), rezultatele
punând în evidență câteva aspecte privind neomogenitatea, distribuția materialului de
ranforsare, adâncituri, degradarea matricei sub efectul mediului agresiv, precum și câteva
aspecte de aderare a matricei la fibră și orientarea fibrelor în urma rupturii prin încovoiere,
prezența defectelor interne în matricea polimerică sub formă de vacuole, incluziuni,
neuniformități;
Eco-compozite sustenabile cu proprietăți performante
Ing. Radu Francisc Coterlici 53
s-au efectuat cercetări de caracterizare a proprietăților termo-fizice ale materialelor eco
- compozite prin analiză dilatometrică (DIL), analiză calorimetică cu scanare diferențială
(DSC) și analiză simultană (TG/DTA), punând în evidența comportamentul termic al
materialelor eco-compozite prin evidențierea coeficientului de expansiune.
5.2. Contribuții originale
Elementele de originalitatea ale cercetării științifice oferite în cadrul tezei de doctorat
intitulată Eco-compozite cu proprietăți sustenabile au constat în redarea unor contribuții
personale ce au fost structurate pe toată perioada cercetării experimentale, astfel:
aplicarea unui procedeu ce nu implică consum de energie și cost ridicat;
conceperea și realizarea de noi materiale eco-compozite cu țesături naturale din
bumbac, bumbac apretat, iută și fibre de iută (MAT), cu 1, 3, 5 și 7 straturi;
realizarea epruvetelor specifice cercetărilor experimentale;
studiu experimental privind comportamentul materialelor compozite într-un mediu
agresiv și influența acestuia asupra proprietăților mecanice;
studiu experimental cu privire la determinarea proprietăților elastice prin încercăr i
mecanice de încovoiere;
studiu experimental cu privire la analiza morfologică de suprafață a materialelor
compozite;
studiu experimental de investigare a stabilității dimensionale ale materialelor eco-
compozite în timpul încălzirii lor, cu determinarea coeficienților de expansiune termică
(CTE), prin analiză dilatometrică (DIL);
studiu experimental de caracterizare a proprietăților termice, ce a constat în aplicarea
analizei de calorimetrie cu scanare diferențială (DSC), ce a permis identificarea
temperaturilor de tranziție (Tg), a materialelor compozite cu diferite inserții naturale;
studiu experimental de investigare a transformărilor de fază, a degradabilității prin
pierderea de masă, precum și a temperaturilor de lucru, prin analiză simultană,
termogravimetrică (TG) și analiză termică diferențială (DTA);
conceperea unei matrițe în vederea realizării unei căști de protecție din materialele
compozite și determinarea proprietăților de rezistență la impact, prin adaptarea unui stand,
deja existent, la modelul de cercetare, respectiv și analiza comportării căștii de protecție
solicitat dinamic folosind softul LS-DYNA, precum și interpretarea datelor experimentale.
Eco-compozite sustenabile cu proprietăți performante
Ing. Radu Francisc Coterlici 54
5.3. Direcții viitoare de cercetare
Considerând că lucrarea de față este o scurtă bază de cercetare stiințifică, ce cuprinde o
serie de rezultate cu posibilă satisfacere a nevoilor noastre, prezenta lucrare de doctorat oferă
posibilitatea cercetătorului de a putea propune un studiu aprofundat în urma aceastei teme, cu
următoarele direcții:
realizarea unor noi materiale eco-compozite prin adăugarea unui al doilea element de
ranforsare sub formă de particule, în scopul îmbunătățirii proprietăților mecanice;
propunerea aplicării unor tratamente de suprafață materialelor textile, pentru
îmbunătățirea legăturilor la interfața fibră/matrice și diminuării naturii higroscopice, în
vederea îmbunătățirii proprietăților termo-mecanice;
cercetare privind influența altor factori de mediu agresiv asupra proprietăților
materialelor eco-compozite studiate, precum și comportamentul acestora;
cercetare privind determinarea proprietăților materialelor eco-compozite prin alte
metode de analiză;
cercetare privind mecanismul de degradare al materialelor compozite polimerice în
diferite intervale de temperatură;
5.4. Diseminarea rezultatelor
Rezultatele cercetării realizate pe tot parcursul programului de doctorat au fost
valorificate prin publicarea în reviste recunoscute de CNCSIS și participare la conferințe
internaționale, prezentate astfel:
Articole publicate
Articole ISI
Nr.
Crt. Autor/Titlul Revistă Factor de impact
1
R.F.Coterlici, V.Geamăn,
I.Radomir, M.A.Pop, Green
composites based on Kenaf
fibers
Advanced in Engineeringand
Management, Advanced
EngineeringForum,Trans
Tech Publications,Vol.13,
pag.15,2015, ISSN: 978-3-
03835-501-4
-
2
V.Tudose, R.F.Coterlici, D.I.
Tudose, A. Hadâr, G.A.
Constantin, Study on the use
of a biodegradable material to
manufacture plansifter
suspension system
Materiale Plastice,Vol.52,
Nr.3, pag.376- 380, 2015,
ISSN: 0025-5289
0,463
Eco-compozite sustenabile cu proprietăți performante
Ing. Radu Francisc Coterlici 55
Articole BDI/B+
Nr. Crt. Autor/Titlul Revistă
1
R.F.Coterlici, V.Geamăn,
M.A.Pop, I.Radomir, Application
of natural fiber composites in
automotive industry
Metalurgia Nr.3, pag.22-25,2014,
ISSN: 0461-9579
2 R.F.Coterlici, V.Geamăn,
Sustainable composites based on
eco-friendly natural fibers
The annals of Dunărea de jos University of
Galați fascicle IX metallurgy and science
Galati University Press,pag. 19-23, 2014,
ISSN: 1453 – 083X.
3
R. F. Coterlici, V. Geamăn, The
effect of salt water treatment on
bending of jute tissue/epoxy
composites
The 5th International Conference on
Advanced Composite Materials
Engineering COMAT 2014 Brașov,
România, Vol. 1 (CD), pag. 46-50, 2014,
ISBN: 978 – 606 – 19 – 0411 – 2
4
R. F. Coterlici, V. Geamăn,
Evaluation of mechanical
properties of friendly
cotton/nestrapol
RECENT, Rezultatele cercetărilor noastre
tehnice, Transilvania University of
Brașov, România, Vol.16, nr.2(45), pag.
85-89,2015,
ISSN: 1582-0246
Articole prezentate la conferințe internaționale
Articole prezentate la conferințe internaționale
Nr. Crt. Conferință Titlul
1
TheVIth edition of International
Conference UgalMat, 2014, Galați,
România, 29.05.2014-30.05.2014
R.F.Coterlici, V.Geamăn, Sustainable
composites based on eco-friendly
natural fibers
2
The 5th International Conference on
Advanced Composite Materials
Engineering – COMAT, Brașov,
România, 16.10.2014-17.10.2014
R. F., Coterlici, V. Geamăn, The
effect of salt water treatment on
bending of jute tissue/epoxy
composites
3
9th International Conference on
Materials Science & Engineering –
BraMat, Brașov, România,
05.03.2015 – 07.03.2015 – Sesiune Poster
R. F., Coterlici, H. Teodorescu-
Drăghicescu, V. Geamăn, Study of
thermal and mechanical properties for
eco-composites based on jute by
applying salinity treatment
4
R. F.Coterlici, H. Teodorescu-
Drăghicescu, V. Geamăn, The
influence of salinity treatment on
thermo-mechanical properties of
sustainable jute tissue/nestrapol 455-
60 composite
5
Al XIII lea Simpozion Național cu
participare Internațională
"Mecatronică și Inginerie Mecanică,
Microtehnologii și Materiale noi" –
MIM-MMN, Valahia, Târgoviște,
România, 26 Iunie, 2015
R. F. Coterlici , V. Geamăn, Study of
mechanical properties after aging in
aqueous solution of natural fiber
/unsaturated polyester resin composite
Eco-compozite sustenabile cu proprietăți performante
Ing. Radu Francisc Coterlici 56
Articole acceptate spre publicare
Articole ISI în curs de publicare
Nr.
Crt. Autor/Titlul Revistă
Factor
de impact
1
V. Tudose, R.F.Coterlici,
D.Tudose, H. Gheorghe,
Ș.D. Pastrama, Study regarding the
use of a cotton fiber reinforced
composite for obtaining protection
helmets
Industria Textilă
0,853
De asemenea în perioada programului de doctorat a fost publicat un articol ce nu
face parte din tematica lucrării.
Articole ISI
Nr. Crt. Autor/Titlul Revistă
1
R.F.Coterlici, Denis Chaumont,
Marco Socilotti, Ana Vețeleanu, Virgil
Geamăn, Growth of TiO2
nanostructures on copper sheets with
MOCVD technique
Metalurgia Internațional, Vol. 18, nr.5,
pag.33-36, 2013, ISSN:1453-083X
Eco-compozite sustenabile cu proprietăți performante
Ing. Radu Francisc Coterlici 57
Bibliografie
[8] Azwa, Z. N., Yousif, B. F., Manalo A., C., Karunasena, W., A review on the
degradability of polymeric composites based on natural fibres, Materials & Design, Vol.
47, pag. 424-442, 2013, ISSN: 0261 – 3069.
[12] Cao, Y., Wang, W., Wang, Q., Wang, H., Application of mechanical properties models
to flax fibe / wood fiber / plastic composites, BioResources, Vol. 8, nr. 3, pag. 3276-3288,
ISSN: 1930 - 2126.
[14] Cerbu, C., Modelarea, testarea și optimizarea structurilor din materiale composite
ranforsate cu țesături și fibre naturale, Teză de abilitare, Universitatea Transilvania,
Brașov, 2015.
[17] Cicala, G., Cristaldi, G., Recca, G., Latteri A., Composites Based on Natural Fibre
Fabrics, Woven Fabric Engineering, pag. 317-342, 2010, ISBN: 978–953– 07–194-7.
[18] Champbell, F. C., Structural Composite Materials, Editura ASM International, Ohio,
Statele Unite ale Americii, ISBN – 13: 978 – 1 – 61503 – 037 – 8, 2010.
[19] Comșa, D. S., Metoda Elementelor Finite, Curs introductiv, Ed. U. T. PRES, Cluj-
Napoca, 2007.
[21] Coterlici R. F., Geamăn V., Pop M. A, Radomir I., Application of natural fiber
composites in automotive industry, Metalurgia, nr. 3, pag. 22-25, 2014, ISSN: 0461–
9579.
[22] Coterlici R. F., Geamăn V., The effect of salt water treatment on bending of jute
tissue/epoxy composites, The 5th International Conference on Advanced Composite
Materials Engineering COMAT 2014 Brașov, România, Vol. 1 (CD), pag. 46-50, 2014,
ISBN: 978 – 606 – 19 – 0411 – 2.
[23] Coterlici R. F., Geamăn V., The effect of salt water treatment on bending of jute
tissue/epoxy composites, The 5th International Conference on Advanced Composite
Materials Engineering COMAT 2014 Brașov, România, Vol. 1 (CD), pag. 46-50, 2014,
ISBN: 978 – 606 – 19 – 0411 – 2
[24] Coterlici R. F., Geamăn V., Evaluation of mechanical properties of friendly cotton /
nestrapol 455-60 composites after saline environmental condition, Recent, vol 16, nr.2
(45), pag. 85-89, 2015, ISSN: 1582-0246
[25] R. F. Coterlici , Geamăn V., Study of mechanical properties after aging in aqueous
solution of natural fiber/unsaturated polyester resin composite, Al – XIII – lea
Simpozion Național cu participare Internațională "Mecatronică și Inginerie Mecanică,
Eco-compozite sustenabile cu proprietăți performante
Ing. Radu Francisc Coterlici 58
Microtehnologii și Materiale noi" – MIM-MMN, Valahia, Târgoviște, România, 26
Iunie, 2015
[26] Coterlici R.F., Teodorescu-Drăghicescu H., Geamăn V., The influence of salinity
treatment on thermo-mechanical properties of sustainable jute tissue/nestrapol 455-60
composite, Al – XIII – lea Simpozion Național cu participare Internațională "Mecatronică
și Inginerie Mecanică, Microtehnologii și Materiale noi" – MIM-MMN, Valahia,
Târgoviște, România, 26 Iunie, 2015
[27] Coterlici R. F., Geamăn V., Radomir I., Pop M. A., Green composites based on kenaf
fibers, Advanced Engineering Forum, Vol, 13, pag, 15-18, 2015, ISSN 978 – 3 – 03835 –
501 – 4;
[28] Curtu, I., Motoc, D., L., Micromecanica materialelor compozite, Modele toretice, Ed.
Universității Transilvania, Brașov, 2009
[30] Dittenber, D. B., GangaRao, H. V. S., Critical review of recent publications on use of
natural composites in infrastructure, Composites Part A: Applied Science and
Manufacturing, Vol. 43, nr. 8, pag. 1419-1429, 2012, ISSN: 1359 – 835X.
[33] Edelman, P., McMahon, E., A New DAP-Polyester Resin for Carbon Fibers, Journal of
Composites Technology & Research, Vol. 1, nr. 2, pag. 7, 1979, ISSN: 0884-6804.
[35] Facca, A. G., Kortschot, M. T., Yang, N., Predicting the elastic modulus of natural fibre
reinforced in thermoplastics, Composites, Part A, Vol. 37, pag. 1660 – 1671, 2006,
ISSN: 1359-835X.
[37] Faruk, O., Bledzki, A. K., Fink, H. P., Mohini, S., Biocomposites reinforced with natural
fibers: 2000–2010, Progress in Polymer Science, Vol. 37, nr. 11, pag. 1552-1596, 2012,
ISSN: 0079 – 6700.
[39] Fick, A., Über diffusion, Annalen der Physik und Chemie, edited by Poggendorff, J., C.,
Vol. 94, pag. 59-86, 1855.
[43] GiriDev, V. R., Dhinesh, K., Baghulan, M. B., Raghunathan, Effect of lay-up angle and
layers on mechanical properties based on rib knit jute inlaid performs, Indian Journal
of Fibre & Textile Research, Vol. 31, pag. 422-425, 2006, ISSN: 0975 – 1025.
[44] Gheorghe, V., Structuri cu rigiditate ridicată din materiale compozite, utilizate în
construcția de autovehicule, Teză de doctorat, Brașov, România, 2013.
[45] Haneef, M., Rahman, J. F., Yunus, M., Zameer, S., Patil, S., Yezdani, T., Hybrid
Polymer Matrix Composites for Biomedical Applications, International Journal of
Modern Engineering Research, Vol. 3, nr. 2, pag. 970-979, 2013, ISSN: 2249 - 6645.
Eco-compozite sustenabile cu proprietăți performante
Ing. Radu Francisc Coterlici 59
[46] Harris, B., Engineering composites materials, Editura IOM, Londra, United Kingdom,
1999, ISBN: 1861250320.
[47] Ho, M. - po, Wang, H., Lau, K. - lau, Lee, J. - hee, Hui, D., Interfacial bonding and
degumming effects on silk fibre/polymer biocomposites, Composites Part B:
Engineering, Vol.43, nr.7, pag. 2801–2812, 2012, ISSN: 1359 – 8368.
[48] Holbery J., Houston D., Natural-fibre-reinforced polymer composites in automotive
applications, The Journal of The Minerals, Metals & Materials Society, Vol. 58, nr. 11,
pag. 80-86, 2006, ISSN: 1543 – 1851.
[49] Hossain, Md. H., Islam, Md. A., Vuurea, A. V., Verpoest, I., Tensile behavior of
environment friendly jute epoxy laminated composite, Procedia Engineering, Vol. 56,
pag. 782 – 788, 2013, ISSN: 1877 - 7058.
[51] Ichhaporia, P. K., Composites from Natural Fibers, Teză de dizertație, Raleigh,
California de Nord, 2008.
[52] Ishak, M. R., Leman, Z., Sapuan, S. M., Salleh, M. Y., Misri, S., The effect of sea water
treatment on the impact and flexural strength of sugar palm fibre reinforced epoxy
composites, International Journal of Mechanical and Materials Engineering, Vol. 4, nr.3,
pag. 316-320, 2009, ISSN: 1823 – 0334.
[56] Karbhari, V. M., Durability of composites for civil structural applications, Editura
Woodhead, 2007, ISBN: 978 – 1 – 84569 – 035 - 9.
[58] Kozłowskiy, R., Władyka-Przybylak, M, Flammability and fire resistance of composites
reinforced by natural fibers, Polymers for Advanced Technologies, Vol. 19, nr. 6, pag.
446-453, 2008, ISSN: 1099 - 1581.
[60] Ku, H., Wang, H., Pattrachaiyakoop, N., Trada, M., A review on tensile properties of
natural fiber reinforced polymer composites, Composites Part B: Engineering, Vol.42, nr.
4, pag. 856-873, 2011, ISSN: 1359 - 8368.
[61] Kulshreshtha, A. K., Vasile, C., Handbook of Polymers Blends and Composites, Editura
Smithers Rapra Technology, Vol. 1, 2002, ISBN: 978 – 60119 – 666 – 8.
[66] Lichioiu, I., Rolul structurilor de neechilibru în îmbunătățirea proprietăților aliajelor cu
bază de aluminiu, Teză de doctorat, Universitatea Transilvania, Brașov, 2012.
[67] Magniont, C., Contribution à la formulation et à la caractérisation d'un écomatériau de
construction à base d'agroressources, Teză de doctorat, Toulouse, Franța, 2010.
[73] Mohanty, A. K., Misra, M., Drzal, L. T., Natural Fibers, Biopolymers, and
Biocomposites, Editura CRC Press, 2005, ISBN: 978-0-203-50820-6.
Eco-compozite sustenabile cu proprietăți performante
Ing. Radu Francisc Coterlici 60
[75] Monteiro, S. N., Calado, V., Rodriguez, J . S., Margem, F. M., Thermogravimetric
stability of polymer composites reinforced with less common lignocellulosic fibers – an
overview, Journal of Materials Research and Technology, Vol. 1, nr. 2, pag. 117-126,
2012, ISSN: 2238 - 7854.
[82] Nicolae, O. I., Impactul materialelor compozite utilizate în construcţii asupra mediului,
Teză de doctorat, Brașov, România, 2013.
[83] Oksman, K., Mathew, A. P., Långström, R., Nyström, B., Joseph, K., The influence of
fibre microstructure on fibre breakage and mechanical properties of natural fibre
reinforced polypropylene, Composites Science and Technology, Vol. 69, nr. 11-12, pag.
1847–1853, 2009, ISSN: 0266 - 3538.
[85] Panda, A., A study on thermal conductivity of epoxy/Al2O3, Teză de doctorat, Rourkela,
India, 2013.
[89] Pătrănescu, A. E., Contribuții la determinarea proprietăților mecanice ale compozitului
de tip MAT-Roving, utilizat la recipiente cilindrice, Brașov, România, 2011.
[94] Price, T. L., Dalley, G., McCullough, P. C., Choquette L., Handbook: Manufacturing
advanced composite componenets for airframes, 1997.
[96] Rao, R. M. V. G. K., Balasubramanian, N., Chanda, M., Factors affecting moisture
absortion in polymer composites, Part 1: Influence of internal factors, Journal of
reinforced plastics and composites, Vol. 3, pag. 232–245, 1984, ISSN: 0731-
6844/84/03/0246-08.
[97] Rao, R. M. V. G. K., Chanda, M., Balasubramanian, N., Factors affecting moisture
absortion in polymer composites, Part 1: Influence of external factors, Journal of
reinforced plastics and composites, Vol. 3, pag. 246 -25, 1984, ISSN: 0731-
6844/84/03/0246-08.
[104] Saravana, B., D., Mohan, K., G., C., IAENG, Thermal properties of maize fiber
reinforced unsaturated polyester resin composites, Proceedings of the world congress on
[106] Sbiai, A., Materiaux composites à matrice époxy de chargée par des fibres de palmier
dattier: effet de l’oxydation au tempo sur les fibres, Teză de doctorat, Lyon-Franța-2011
[110] Sinha, P. K., Composite Materials and Structures, Published By: Composite Centre of
Excellence, AR & DB, Departament of Aerospace Engineering, I. I. T. Kharagpur,
2006.
[114] Stanciu, D. M., Terciu, O. M., Curtu, I., Compozite lignocelulozice, Aplicații în
Industria Automobilelor, Editura Universității Transilvania, Brașov, ISBN: 978-606-19-
0518-8, 2014.
Eco-compozite sustenabile cu proprietăți performante
Ing. Radu Francisc Coterlici 61
[115] Stoian, E. V., Rizescu, C. Z., Pintea, J., Ungureanu, D. N., Fluieraru C. P., Obtaining
and characterization of composite materials with polymeric matrix, International
Journal of Geology, Vol. 3, nr. 3, pag. 70-78, 2009, ISSN: 1998 - 4499.
[118] [119][125][121] Ticoalu, A., Aravinthan, T., Cardona, F., A review of current
development in natural fiber composites for structural and infrastructure applications,
Southern Region Engineering Conference, Toowoomba, Australia, 2010.
[119] Tilton G.J., Finite element of thermal expansion in polymer/ZrW2O8 composites, pag. 1-
76, 2011, Teză de disertație.
[122] Tudose V., R. F., Coterlici, D. I., Tudose, A., Hadâr, G. A., Constantin, Study on the
use of a biodegradable material to manufacture a plansifter suspension system, Materiale
Plastice, Vol. 52, Nr.3, pag.376-380, 2015, ISSN: 0025-5289.
[123] V. Tudose, R.F.Coterlici, D.Tudose, H. Gheorghe, Ș.D. Pastrama, Study regarding the
use of a cotton fiber reinforced composite for obtaining protection helmets, Industria
Textilă, 2015 - Acceptată spre publicare.
[127] Wong, K. J., Moisture absortion characterizațion and effects on mechanical behavior
of carbon/epoxy composite: Application to bonded patch repair of composite structures,
Universitatea de Bourgogne, Dijon, Franța, pag. 1-225, 2013.
[128] Yan, L., Chouw, N., Jayaraman, K., Flax fibre and its composites – A review,
Composites Part B: Engineering, Vol. 56, pag. 296-317, 2014, ISSN: 1359 – 8368.
[130] Yusliza, Y., Zuraida, A.,The effect of fibres content on cotton reinforced albumen
composites,IIUM Engineering Journal,Vol,12,nr.2,pag.131-144,2011,ISSN:2289– 7860.
[135] ***, EN ISO 14125 (2000). Fibre reinforced in plastic composites – Determination of
flexural properties, British Standard, London
[136] ***, EN ISO 62 (2008). Plastics.Determination of water absortion, European
Committee for Standardization Brussels
[137] ***, ASTM E 831-14, Standard Test Method for Linear Thermal Expansion of Solids
Materials by Thermomechanical Analysis. 2014.
Eco-compozite sustenabile cu proprietăți performante
Ing. Radu Francisc Coterlici
Anexa 3
Resumat
Scopul cercetarii stiințifice din cadrul tezei de doctorat intitulată Eco compozite
sustenbile cu proprietăți performante, îl reprezintă realizarea unor noi materiale compozite cu
caracter ecologic care să îndeplinească unele condiții necesare utilizării acestora în diferite
domenii. Pe baza aceasta, cercetarea a luat aploare continuând cu analiza a comportamentului
materialelor compozite într-un mediu agresiv prin imersia acestora într-o soluție apoasă cu 5
% NaCl, efectuarea unei analize comparative a proprietăților mecanice rezultate în urma
testelor de încovoiere în trei puncte, precum și a proprietăților termo-fizice rezultate prin
analiză dilatometrică (DIL), analiză calorimetrică cu scanare diferențială (DSC) și analiză
simultană, termogravimetrică cu analiză termică difrențială (TG/DTA). De asemenea s-a
propus un studiu de caz, ce a constat în obținerea unei structuri compozit în formă de cască de
protecție și testarea acestei la impact experimental și prin modelul de calcul cu elemente finite
(MEF) cu ajutorul softului ANSYS LS-DINA.
Appendix 3
Abstract
The aim of scientific research of the doctoral thesis entitled Sustainable green
composite with performance properties, is the development of new environmentally friendly
composite materials that meet certain conditions required to use them in different fields. On
the basis of this research it has gained by continuing with the analysis of the behavior of
composite materials in an aggressive environment by immersing them in an aqueous solution
with 5% NaCl, to carry out a comparative analysis of the mechanical properties resulting from
the three-point bending tests, as well as the thermos-physical properties resulting by
dilatometric analysis (DIL), differential scanning calorimetric analysis (DSC) and
simultaneous analysis by thermo-gravimetric with thermal analysis (TG / DTA). It was also
suggested a case study, which consisted of obtaining a helmet shaped composite structure and
testing of it to experimental impact and by model of computation with finite elements (FEM)
using ANSYS software LS-DINA.
Eco-compozite sustenabile cu proprietăți performante
Anexa 4
Informații personale Radu Francisc COTERLICI
Str. Mărășești , bl. 1, ap.4, Jud. Bacău, Mun. Onești, România
0726 722 275
[email protected] Sexul: Masculin| Data naşterii: 13/04/1982 | Naţionalitatea: Română
Experiență profesională
Perioada / Angajator 2000-2002 / S.C. SELTECO S.A.
Funcția / Sector Lăcătuș mecanic / Industrie
Perioada / Angajator 2008-2013 / S.C. ARO-PALACE S.A.
Funcția / Sector Receptioner / Turism
Educație și formare
Perioadă 2012 - 2015
Numele instituției Universitatea Transilvania Brașov, România
de învătământ Facultatea de Știința și Ingineria Materialelor
Poziția ocupată Doctorand / Titlul tezei: Eco-compozite sustenabile cu proprietăți
performante
Perioadă 2010 - 2012
Numele instituției Universitatea Transilvania Brașov, România
de învătământ Facultatea de Știința și Ingineria Materialelor
Master: Ingineria și Managementul Materialelor Avansate,
Metalice, Ceramice și Compozite
Perioadă Ianuarie 2010 – Mai 2010
Numele instituției Stagiu extern de cercetare la Universitatea de Bourogne
de învătământ ICB - NANO (NanoForm) – Dijon, Franța
Perioadă 2006 - 2010
Numele instituției Universitatea Transilvania Brașov, România
de învătământ Facultatea de Știința și Ingineria Materialelor
Licență: Știința Materialelor
Alte calificări
Certificat de absolvire Inspector in domeniul securitații și sănătății in muncă
Competențe antreprenorial
Activitate științifică
Lucrări publicate 2 lucrări ISI Journal, 2 lucrări ISI Proccedings, 3 lucrări BDI,
1 lucrare B+ și 4 participări la conferințe internaționale
Appendix 4
Eco-compozite sustenabile cu proprietăți performante
Curriculum Vitae
Personal information Radu Francisc COTERLICI
Street Mărășești , bl. 1, ap.4, Bacău, Onești, România
0726 722 275
[email protected] Sex: Male| Date of birth: 13/04/1982 | Nationality: Romanian
Work experience
Date(from-to) / Employer 2000-2002 / S.C. SELTECO S.A.
Ocupation / Section Mechanic fitter / Industry
Date(from-to) / Employer 2008-2013 / S.C. ARO-PALACE S.A.
Ocupation / Section Receptionist / Tourism
Educațion and training
Date(from-to) 2012 – 2015
Name and type of organization Transilvania University, Brașov, România
providing education and training Faculty of Materials Science and Engineering
Position PhD Student / Thesis title: Sustainable green-composite with
performance properties
Date(from-to) 2010 - 2012
Name and type of organization Transilvania University, Brașov, România
providing education and training Faculty of Materials Science and Engineering
Master degree: Engineering and Management of Advanced
Metallic, Composite and Ceramics Material
Date(from-to) Ianuarie 2010 – Mai 2010
Name and type of organization Research stage at de Bourogne University
providing education and training ICB - NANO (NanoForm) – Dijon, France
Date(from-to) 2006 - 2010
Name and type of organization Transilvania University, Brașov, România
providing education and training Faculty of Materials Science and Engineering
Bachelor: Materials Science
Qualification
Graduation certificates Inspector in the security field and health at work
Entrepreneurial competent
Scientific activity Published papers 2 scientific papers in ISI Journal, 2 scientific papers in ISI Proccedings, 3
papers in BDI, 1 paper B+ and 4 participation at international conferences