MATERIALE COMPOZITE

Materialele compozite reprezint o asociere eterogena de dou sau mai multe materiale, caracterizate printr-o combina ie de propriet i ce nu printrpot fi atinse de catre materialele componente luate separat. separat. n general, materialele compozite sunt alc tuite din 2 faze: matricea (masa de baz ) reprezint un mediu continuu, care leag ntre ele elementele de armare, repartizeaz eforturile, preia o parte din acestea i protejeaz mpotriva agen ilor fizico-chimici. fizico-chimici. elementele

de armare rol de a nt ri (consolida) matricea i de a prelua solicit rile mecanice. mecanice.Cele 2 faze constitutive, n general, nu reac ioneaz chimic i nici mecanic. mecanic. intre ele nici

Dup forma constituentului de armare, materialele armare, compozite se pot clasifica n:

(10lungi (10-20 mm) monostrat fibre multistrat scurte (< 10 mm) continue

armare: Particulele de armare: macroparticule cu dimensiuni > 1 m microparticule cu dimensiuni cuprinse ntre 0,01 m i 0,1 m

Materialele compozite pot fi clasificate n func ie de compozite materialul matricei n: matriale compozite cu matrice metalic materiale compozite cu matrice ceramic

materiale

compozite cu matrice polimeric , uneori fiind utilizat i terminologia de matrice organic

Materialele compozite cu matrice metalic matricea: relaziv moale i flexibil matricea:

:

Constituentul de armare trebuie s prezinte rigiditate i

rezisten

mecanic ridicat

Materiale pentru armare n cazul materialelor compozite cu matrice metalic : particule fibre lungi

Materiale compozite cu matrice polimeric : matricea: relativ moale i flexibil matricea: Constituentul de armare trebuie s prezinte rigiditate i

rezisten

mecanic ridicat leg tura matrice-element de matricearmare trebuie sa fie puternic .

Materiale compozite cu matrice ceramic : matricea: relativ dur matricea:

i fragil

la trac iune ridicat pentru a opri propagarea fisurilor legatura matricematrice-element de armare trebuie sa fie mai putin puternic .

Constituentul de armare trebuie s prezinte rezisten

Materiale compozite armate cu fibremecanic , modul de elasticitate i raport rezisten /mas mai ridicate dect materialele componente; componente; Factori de influen : lungimea; lungimea; diametrul; diametrul; orientarea; orientarea; cantitatea de fibre ncorporate n matrice; matrice; t rie leg turii fibr de armare/matrice. armare/matrice. rezistent

Dimensiunea fibrelor caracterizat lungimea fibrelor, d diametrul fibrelor). fibrelor). l/d mare, rezisten

de raportul l/d (l

mecanic ridicat .

Efectul orient rii fibrelor de armare rupere. asupra rezisten ei la rupere.Rezisten a maxim se ob ine cnd fibrele de armare sunt orientate paralel cu direc ia solicit rii.

Aranjament a) unidirectional b) quasi-izotropic

Este posibil i orietarea tridimensional a fibrelor de armare.

Combinnd diferite orient ri ale fibrelor se pot ob ine materiale compozite cu izotropie ridicat a propriet ilor.

Fibrele de armare trebuie s prezinte o densitate ct mai mic , rezisten mecanic ridicat i rigiditate mare. mare. Cele mai importante caracteristici ale acestora sunt date de: Modulul de elasticitate specific = E/ E/ Rezisten a specific = Rm/ Rm/

Rm rezisten a de rupere la trac iune, E modulul de elasticitate longitudinal i densitatea. Particulele de armare: armare: macroparticule: carburi refractare (WC, TiC, TaC); macroparticule: TaC); microparticule: oxizi (Al2O3, ThO2, SiO2, CdO) microparticule:

Fibre de armareCele mai utilizate fibre pentru ob inerea de materiale compozite cu matrice polimeric sunt:

de sticl fibrele de carbon fibrele de aramide (Kevlar)Pentru ob inerea de materiale compozite cu matrice metalic se utilizeaz :

fibrele

fibre de bor fibre de carbon fibre ceramice oxidice sau non-oxidice non-

Fibre de sticl produs industrial pentru prima dat in 1938 materia prima SiO2 Raportul suprafa /mas mare susceptibilitate ridicata la atac chimic compozitele polimerice armate cu fibr de sticl dezvoltate de englezi n timpul celui de-al II-lea r zboi mondial, n avia ie de- IIi marin datorit transparen ei la microunde i a rezisten ei mecanice ridicate. ridicate.

Fibrele de carbon obtinere: oxidarea i piroliza PNA, obtinere: urmat de tratament termic a fibrelor de C rezultate (nc lzire la 1500 2000 C pentru cre terea Rm: Rm: 5600 MPa, i respectiv 2500 3000 C pentru cre terea modulului de elasticitate E: 531 GPa). GPa) compozitele armate cu fibre de C

cu cele mai largi aplica ii sunt cele cu matrice polimeric

Tesatur din fibre de C

Kevlarul produs pentru prima dat de compania

DuPont n 1971 prezint cea mai mare rezisten

specific dintre toate fibrele utilizate ca elemente de armare n materialele compozite. rezisten ridicat la temperaturi mari

Vesta antiglon

pre de cost ridicat n special datorit cantit ii mari de H2SO4 concentrat utilizat n procesul de produc ie. ie.

Lan uri de poli-parafenilen-tereftalamida legate poli-parafenilenprin pun i de hidrogen

Materiale polimerice pentru matriceCei mai utiliza i polimeri pentru matrice n cazul materialelor compozite cu matrice polimeric sunt: polimerii termoplastici; termoplastici; polimeri termorigizi cei mai utiliza i. Polimerii termorigizi (r ini) cei mai frecvent utiliza i sunt: fenoli propriet i electrice bune; r inile epoxidice contrac ie mic la polimerizare, prezint cea mai ridicat rezisten i rigiditate; poliesteri cele mai utilizate dintre r ini datorit pre ului mic (jumatate din al ra inilor epoxidice).

Materiale pentru matrice metalic cele mai utilizate: Aluminiu Magneziu Cupru Nichel compu i intermetalici. Materialele compozite cu matrice metalic prezint rezisten la temperaturi ridicate mai bun dect cele cu matrice polimeric , dar sunt mai scumpe i mai dificil de ob inut. inut.

Materiale compozite cu matrice metalic compozite armate cu microparticule (durificate prin dispersia oxizilor) - ODS Pot fi considerate materiale compozite deoarece: nu exist interac iune ntre componen i (matrice-particula de armare); nu exist solubilitate ntre materialul matricei i particulele de armare.

dimensiunilor suficient de mici (0,01 0,1 m) tensiuni n material care duc la cre terea limitei de curgere i a rigidit ii. ii.

Rol de blocare a deplas rii disloca iilor datorit

SAP (pulbere de Al sinterizat) matricea: Al elementul de armare: Al2O3 14 % vol.

Al mpreun cu Al2O3 sub form de pulberi se preseaz la presiuni mari, apoi se sinterizeaz .

Oxidare n aer la temperaturi mari a pulberii de Al, presare i sinterizare.

Propriet i ale materialelor compoziteDensitate mult mai mic a materialelor compozite comparativ cu metalele

Rezisten mecanic mai ridicat dect a aliajelor metalice.

Propriet i ale diferitelor materiale utilizate ca elemente de armareConstituent de armare (fibre) Sticla Rm, [MPa] Densitate, [g/cm3] Avantaje Dezavantaje

3500

2,5

-rezistenta ridicata - pret de cost mic - rezistenta ridicata - rigiditate mare - rezistenta ridicata - densitate mica

- rigiditate mica - temperatura de utilizare limitata - pretul de cost relativ mare - rezistenta scazuta la compresiune - pret de cost ridicat - pret de cost mare

Carbon Aramida (kevlar)

3700 3800

1,8 1,4

Bor

3300

2,1

- rigiditate mare - resistenta la compresiune ridicata - rigiditate mare - temperature de utilizare ridicate

Ceramica (alumina)

3000

3,8

- rezistenta mica - pret de cost mare

Propriet i ale diferitelor materiale utilizate ca matriceMatrice Densitate, [g/cm3] Rm, [MPa] A, [%] Rm/ , [MPa/g/cm3]

Ceramica Al2O3 ZrO2 Metalica Al CuZn30 Otel TiSn2.5 Polimerica PE PA 6.6 PS

3,87 5,92

332 900

0 0

86 152

2,7 8,5 7,86 4,56

77 550 460 792

47 70 35 20

29 65 59 174

1,12 1,14 1,05

50 70 50

4 60 2

36 61 48

In graficul de mai jos este reprezentat modulul de elasticitate specific i rezisten a specific pentru diferite materiale.

Aplica ii ale materialelor compozite coca ambarc iunilor de vitez i agrement; industria aerospa ial : componente structurale ale fuselajului i propulsoarelor; componente pentru industria auto: elemente de structur , componente ale caroseriilor, rezervoare de combusibil la ma inile de competi ii, etc; n industria nucleara i energetic : turbine, conducte, etc; echipamente sportive; construc ii civile; industria minier : scule de foraj; electrotehnic i electronic : contacte, circuite, componente; medicin : biomateriale; industria de aparare.

Avioane de vn toare i bombardiere

F15 inglobeaz 2 % din greutate materiale compozite, procentaj care a ajuns la 25 % n cazul F22

V22 avion cu decolare vertical

i dublu rol: avion i elicopter

50 % din componente sunt constituite din materialele compozite

B2 bombardier invizibil are n componen peste 60 % materiale compozite Cerin ele proiectului de Invizibilitate Invizibilitate la radar au fost mbun t ite semnificativ datorit materialelor compozite utilizate. Boeing 787 primul avion comercial al carui fuselaj a fost facut exclusiv din materiale compozite consum de combustibil cu 20 % mai mic decat alte avioane din clasa sa; sa; intre inere cu costuri mici; mici; independen de zbor cu 30 % mai mare decat rivalele sale; sale; taxe de aeroport mai mici. mici.

Bibliografie Dobra, T., Constantinescu, V., Bota, D., Materiale compozite cu matrice metalic ISBN 973-662-022-0, Ed. U.T.PRES, Cluj, 2003. Ianc u, H., Neme , O., Materiale compozite concep ie fabrica ie, ISBN 973-9357-24-5, Ed. MEDIAMIRA, Cluj, 2003.

i