Komozitni Materijali - Seminarski Rad

7/22/2019 Komozitni Materijali - Seminarski Rad

http://slidepdf.com/reader/full/komozitni-materijali-seminarski-rad 1/12

UNIVERZITET U BIHAĆUTEHNIČKI FAKULTET BIHAĆODSJEK: ELEKTROTEHNIČKISMJER: INFORMATIKA

S E M I N A R S K I R A D

Tema: Kompoziti mate!i"a#i

$!o%e&o!:

D!' F(a) Ćato*i+ St()et:



Seminarsiki rad Kompozitni materijali

Sae# Čo*i+Br.indeksa: ,-.I

KOM$OZITNI MATERIJALI

/OM$OSIT MATERIALS

K#"(0e !i"e0i: mate!i"a#i1 0e#i21 meta#i1 #e3(!e1 2ompoziti mate!i"a#i

SAŽETAK:

Kompozitni materijal , materijal, supstanca koji je kombinacija dva ili više različitih materijala.

Takvi materijali često posjeduju izvanredna mehanička i druga fizikalna svojstva.

Nanotehnologija može stvoriti kompozitne materijale sa strukturom koja je precizno definirana

na skali od stotinjak nanometara. Na primjer, fotonički kristali su kompozitni materijali koji

sadrže periodički ureene !kvazi" kugle, radijusa od nekoliko stotina nanometara, u

pozadinskoj matrici drugog materijala. Kompozitni materijali su česti u prirodi, posebno u

#živoj# tvari. Na primjer, kosti su kompozitni materijal.

$a %e se dva ili više materijala, razumno kombinovana, ponašati različito i često mnogo

efikasnije nego svaki materijal posebno, je ocigledno i veoma poznato. &li ovaj jednostavan

koncept nudi koristan nacin razmisljanja o razvoju i primjenama materijala. Tek primjenom

jedinstvenog i multidisciplinarnog pristupa materijalima možemo shvatiti pun značaj i veliki

potencijal kompozitnih materijala u svim granama inženjerskih nauka.

Ke45o!)&: mate!ia#&1 &tee#1 meta#1 a##o41 6ompo&it mate!ia#&

ABSTRACT:

'omposits material, material substance that is a combination of t(o or more diferent materials.

Those materials more often have e)cellent mechanical characteristics and other ph*sical

characteristics. Nanotehnolog* can create compos*t materials (ith a structure that is precisel*

defined on a scale to several hunderes of nanometers. +or, e)ample, fotonic cr*stal are

composits material that contanis periodical definden uaz* spheres, radius to several

nanometers, in behind matri) of a another material. 'omposit material are eas* to find in a

nature, specia* in a living substance. -ones, for e)ample, are composit materials.

t/s obvious, that t(o are more materials, resonabl*, combined (ill be harder then each b*himself. -ut this simpl concept offers a usefull (a* of thinking abaut development and uses of a

2




material. +ull meanning and huge potential are understandible b* using those material in

unicat and multidisciplinar* (a*s in all branches of engeenering science.

7' UVOD

Da će se dva ili više materijala, razumno kombinirana, ponašati različito i često mnogoefikasnije nego svaki materijal posebno, je očigledno i veoma poznato. Ali ovaj jednostavankonept nudi koristan način razmišljanja o razvoju i primjenama materijala. !ek primjenom jedinstvenog i multidisiplinarnog pristupa materijalima mo"emo s#vatiti pun značaj i ogroman potenijal kompozitni# materijala u svim granama in"enjerski# nauka.

-'DEFINI/IJA

$e postoji univerzalno pri#vaćena definiija kompozitni# materijala. %ompozitni materijali udanašnjem smislu te riječi podrazumijevaju čvrstu vezu dva ili više sastavni# elemenata, koji susjedinjeni u makroskopskoj veličini, bez razaranja, nerazdvojivu vezu, u ilju dobijanja bolji#me#anički# i drugi# karakteristika, nego što su to posjedovali sastavni elementi kompozitni#materijala prije nji#ovog sjedinjavanja.

&e'utim, u rečniima, ali i u svakodnevnoj upotrebi se termin (kompozitan) odnosi na neštošto je sastavljeno od različiti# dijelova ili elemenata. %ada "elimo da damo definiiju u skladusa tim odma# slijedi zaključak da je više definiija moguće. %oji materijali se mogu smatratikompozitnim, a koji monolitnim zavisi od nivoa posmatranja koji slu"i kao osnova za definiiju.

8' KOM$OZITNI MATERIJALI UO$ĆE

%ompozitni materijali zauzimaju posebno mjesto me'u savremenim materijalima, jer predstav*ljaju kombinaiju dva ili više raznorodni# materijala, sa osnovnim svojstvima koja zavise odosobina ti# materijala, ali se od nji# razlikuju. +ećina materijala prirodnog ili vještačkog porjekla imaju takva svojstva, ali se zbog razlika uslovljeni# #emijskim sastavom, fizičko*me#aničkim svojstvima, oblikom i dimenzijom faza, ne mogu svi dvo ili višefazni sistemismatrati kompozitnim materijalima. bog toga je potrebno preiznije definisati pojamkompozita kao savremenog konstrukijskog materijala.

&aterijal se smatra kompozitom ako zadovoljava sledeće uslove:

mora biti vještačkog porjekla- mora posjedovati svojstva koja nema ni jedna od konstutivni# faza- mora se sastojati od najmanje dvije faze sa jasnom graniom razdvajanja izme'u faza- oblik i raspodjela faza treba da budu unaprijed za#tijevani projektom- osobine svake faze treba da budu unapred odre'ene- zastupljenost svake faze mora da bude dovoljna, odnosno sadr"aj faze mora da prelazi

neku kritičnu veličinu.

vaki kompozitni materijal sastoji se od ojačavača /punioa0, orijentisanog u odre'enom pravui matrie1 koja slu"i kao vezivno sredstvo. 1jačavač doprinosi čvrstoći i krutosti. &atria, kojaslu"i kao osnova, mo"e biti organska, keramička ili metalna. unkija matrie je da zaštitiojačavač i ravnomjerno rasporedi opterećenje na sva elemente ojačavača. 3rimaran utiaj nasvojstva kompozitni# materijala ima ojačavač.

4




%ompozitni materijali su anizotropni, a potrebna čvrstoća kompozita se najčešće posti"eorijentaijom ojačavača u odnosu na smjer djelovanja sila. Anizotropnost svojstava ne mora bitinedostatak, jer je moguće proizvoditi dijelove sa rasporedom me#anički# svojstava kojaodgovaraju pravima maksimalni# napona uspostavljeni# u materijalu.

8'7' Sa&ta* 2ompoziti9 mate!i"a#a5 prinipu se kompoziti mogu napraviti kao kombinaija bilo koja dva ili više materijala bilo dasu to metalni, organski ili neorganski materijali. 6ako su moguće kombinaije materijala praktično neograničene, same forme od koji# se materijal sastoji su limitirajuće.7lavni sastoji kompozitni# materijala su vlakna, djelići /čestie0, ploče ili slojevi /naslage0,ljuskie, popunjivači i matrie /kalupi0.&atria /eng. matri80 je tijelo sastojka koje slu"i daogradi kompozitni materijal i da mu formira njegovu veličinu i obim. &e'utim u nedostatkuodgovarajući# termina na bosanskom jeziku /eng. matri80 se mo"e prevesti i kao kalupkompozitnog materijala. /prim. aut.0 1va vlakna, čestie, ploče, ljuskie i popunjivači sustrukturni elementi koji odredjuju unutrašnju strukturu kompozita. 5glavnom, ali ne i uvijek onise mogu smatrati )dodavaoima) kompozitnog materijala. &o"da je najtipičniji kompozitni

materijal sastavljen od strukturnog elementa okru"enog u matriu, ali mnogi kompoziti nemajumatriu i sastavljeni su od jednog ili više sastavni# dijelova koje čine dva ili više različiti#materijala.

8'-' $o)"e#a 2ompoziti9 mate!i"a#a

3ostoji više načina podjele kompozitni# materijala. 5 zavisnosti od toga kakav se ojačavačkoristi, razlikuju se tri vrste kompozita:

kompoziti sa disperznim čestiama-

vlaknasti kompoziti- slojeviti kompoziti.

%ompoziti ojačani disperznim čestiama sadr"e ojačavač u obliku fini# čestia koje su slučajno,statistički ravnomjerno, raspore'ene u osnovi. 3orijeklo čestia mo"e biti egzogeno, kada jeojačavač odre'enom te#nikom unijet u osnovu, ili endogeno, npr. oksidaijom reaktivnogelementa u metalnoj matrii.

+laknasti kompoziti se mogu podijeliti, u zavisnosti od toga da li se koriste isprekidana ilineprekidna vlakna i od nji#ove orijentaije, na:

kompozite ojačane kratkim vlaknima, kompozite ojačane neprekidnim vlaknima, kompozite ojačane vlaknima, koji su orijentisani u različitim pravima

5 praksi se najčešće koriste slojeviti kompoziti, koji se sastoje od nekoliko linijski# kompozitasa neprekidnim vlaknima, lojevi se sla"u u zavisnosti od za#tjeva u pogledu me#anički#svojstava, koje postavlja projektant.

5 odnosu na prirodu materijala matrie, kompozitni materijali se mogu rasporediti u četiriosnovne grupe:

kompozitni materijali sa polimernom matriom * 3&%-

kompozitni materijali sa metalnom matriom * &&%- kompozitni materijali sa staklastom * &% ili staklokeramičkom matriom * %&%-

9




kompozitni materijali sa keramičkom osnovom ili matriom * %&%.

' OSOBINE KOM$OZITNIH MATERIJALA

'7' Fizi02e o&o;ie 2ompoziti9 mate!i"a#a

%arakterizaija fizički# osobina kompozitni# materijala obu#vata odre'ivanje:

gustine kompozinog materijala zapreminski sadr"aj vlakana zapreminski sadr"aj matrie

zapreminski sadr"aj praznina /poroznost0 koefiijent termičkog širenja koefiijent širenja vlage, i koefiijet toplotne provodljivosti.

'-' <(&tia 2ompoziti9 mate!i"a#a

3roedura za odre'ivanje gustine kompozitni# materijala je definisana standardom A!&D;2. 7ustina kompozitni# materijala na 24°< se odre'uje pomoću zavisnosti:

bwa)9975.0(a

−+

⋅=ρ /=0

gde je: ρ * gustina kompozitnog materijala, kg>m4

a * te"ina uzorka na vazdu#u, kg b * prividna te"ina potpuno potopljenog uzorka i djelimično potopljene "ie? * prividna te"ina djelimično potopljene "ie@,;; * gustina destilovane vode na 24°<

'8' Zap!emi&2i &a)!=a" *#a2aa

apreminski sadr"aj vlakana je veoma značajna osobina kompozitni# materijala, jer od njezavisi direktno i me#anička svojstva kompozita. 1dre'uje se sa tačnošću ±=C. 6ma veliki utiajna gustinu kompozinni# materijala. 1dre'uje se pomoću zavisnosti:

mf

mcf V

ρ−ρ

ρ−ρ=

/20

gdje su: ρ, ρm i ρf * gustine kompozita, matrie i vlakna, respektivno

apreminski sadr"aj vlakana se mo"e odrediti i pomoću zavisnosti:




cc

f f f

/

/V

ρ

ρ=

/40

gdje su: i f * te"ine kompozita i vlakana, respektivno

'' Zap!emi&2i &a)!=a" p!azia >po!ozo&t?

1dre'ivanje zapreminskog sadr"aja praznina, odnosno odre'ivanje poroznosti je definisanostandardom A!& D249.1dre'uje se pomoću zavisnosti:

( )

cc

mf cf f

!/

//"V

ρ

ρ−+ρ−= /90

avremena metoda za odre'ivanje poroznosti kompozitni# materijala kojoj se danas poklanjasve više pa"nje je analiza slike /image analEsis0. 3rimer jedne slike presjeka unidirekionogkompozita je dat na slii 4.

lika =. Digitalizovana slika presjeka kompozita ugljenična vlakna>epoksidna smolaza odre'ivanje zapreminskog sadr"aja vlakana i praznina /poroznosti0

$a osnovu odre'enog broja piksela za različite nivoe intenziteta sivila mo"e se odreditizapreminski udio, sl. 9:

praznina * N

n0

v

== /0

matrie *#

nV $! = /F0

F




vlakana *#

nV %! = /0

gdje je:n=, n2 i n4 * broj piksela koji odgovara nivou intenziteta sivila za praznine, matriu i

vlakna, respektivno $ * ukupan broj piksela na slii

lika 2. 1dnos broja piksela i nivoa intenziteta sivila

'@' Me9ai2a #oma 2ompoziti9 mate!i"a#a

&e#aniku loma kod kompozitni# materijala /prije svega se misli na slojaste kompozite0mo"emo posmatrati kroz dvije izdvojene analize:

1dre'ivanje interlaminarne "ilavosti loma 3rimena GH&G za odre'ivanje parametara me#anike loma /% , % 6, da>d$, ∆% t#0

3oznato je da interlaminarna čvrstoća na smianje predstavlja u stvari čvrstoću delamina*ije, tese stoga se "ilavost loma delaminaije mo"e karakterisati faktorom intenziteta napona ili brzinom oslobo'ene energije deformaije koje korespondiraju slučaju 6, 66 ili 666.




lika 4. 1snovni oblii razvoja prsline i obrazovanja površine preloma

1blii pomeranja vr#a prsline, koja le"i u I* ravni, mogu se opisati na sledeći način:

6 oblik * razvoj prsline cepanjem, odre'en je pomijeranjem površina prsline tako da seone otvaraju simetrično u odnosu na prvobitnu ravan prsline.

66 oblik * razvoj prsline klizanjem, se odnosi na lokalnu deformaiju pri kojoj jedna površina klizi po drugoj u istoj ravni, ali u suprotnim smjerovima.

666 oblik * razvoj prsline smicanjem, predstavlja slučaj lokalne deformaije, pri kojoj se površine smiču jedna po drugoj du" čela prsline tako da tačke materijala, koje su prerazvoja prsline bile u istoj vertikalnoj ravni, posle razvoja prline se raspore'uju porazličitim vertikalnim ravnima /tzv. neravni razvoj prsline0.

1dre'ivanje 6nerlaminarne "ilavosti loma za slučaj 6 * ijepanjem, se radi na Double antilever beam /D<B0 * dvostruko usmjerena konzola epruvetama i ?idt#*tapered double antilever beam/!D<B0 * široko zašiljena dvostruko usmerena konzola

'' Mate!i"a#i *e#i2e po*!ie

&aterijali velike površine , materijali koji imaju veliki omjer površine i volumena. Jazmotrimonpr. komad materijala u obliku kugle radijusa J. 1mjer površine i volumena je 4>J. 3rematome, za manje komadiće materijala, omjer površine i volumena postaje veći. a komadićematerijala na nanometarskoj skali /nanočestie0, doprinos površine ukupnim svojstvimamaterijala postaje vrlo va"an. $a primjer, u nanoskopskoj čestii dijametra nm, oko polanjeni# atoma nalazi se na površini /slabo koordinirani atomi0. 5pravo zbog ove činjenie,te#nike i metode znanosti o površinama koriste se za opis svojstava nanoskopske tvari. Kak imakroskopski komadi nanostrukturirani# materijala mogu imati veliku površinu, jer se

nanoskopski sastavni dijelovi takvi# materijala mogu urediti na takav način da površinaizlo"ena okolini ostaje velika. $a primjer, materijali gra'eni od jednostjenčani# ugljikovi#nanoijevi sastoje se od snopova ugljikovi# nanoijevi.

nopovi su sačinjeni od nekoliko desetaka ugljikovi# nanoijevi i prema tome imaju vrlo velikuizlo"enu površinu. nopovi u makroskopskom materijalu organizirani su na takav način danji#ova velika površina i dalje ostaje izlo"ena /pojedini snop nije zaklonjen drugim snopovimau materijalu0. &aterijali velike površine su od interesa zbog katalitički# primjena jer se proeskatalize odvija na površinama materijala. 3orozni materijali kao što su npr. zeoliti tako'er imajuveliku izlo"enu površinu. !akvi materijali mogu se koristiti i za separaiju različiti# plinova/pročišćavanje plinova, uklanjanje vrlo fini# kontaminanata iz vode i zraka0 jer, zboggeometrijski# ograničenja, molekule odre'enog plina mogu ući u nanometarske pore materijala,dok su molekule drugog plina prevelike da bi se smjestile u pore. &aterijali velike površine

L




tako'er se mogu koristiti za spremanje plinova /adsorpijski>desorpijski materijali0 i kaoelemeti baterija odn. kapaitora.

',' Ra&po)"e#a &t!(2t(!i9 e#emeata ( 2ompozit(

trukturni elementi koji sačinjavaju kompozitni materijal mogu se raspodjeliti po kompozitu nadva načina. $ajčesći oblik pojavljivanja strukturni# elemenata je pravilan i ponovljiv model/mustra0, sa relativno uniformnim ukrštanjima u materijalu i strukturi, ali i sa uniformnomraspore'enošću po materijalu. &atrično*čestični, i neke vrste matrično*vlaknasti# kompozita, ukojima strukturni element je ravnomjerno raspore'en po kalupu, predstavlja #omogeni tipkompozitnog materijala.Druga mogućnost je varijabilni model /mustra0 strukturni# elemenata koji se ne ponavljaju ni uunutrašnjoj formi ni u materijalu. &aterijali ovog tipa se nazivaju stepenasti kompoziti /graded,gradient omposites, eng.0. 5 ovu kategoruju spadaju lisnati materijali koji se sastavljeni odnekoliko razliiti# slojeva. $itima obavijeni /filament*njound, eng.0 kompoziti mogu biti proizvedeni sa varijabilnom raspodelom vlakana /slika 20.

lika 9. tepenasti kompozitit

%od obe vrste i kod #omogeni# i kod stepenasti# kompozita strukturni elementi /vlakna iljuskie0 mogu biti smješteni ili u orjentisanom ili proizvoljnom rasporedu. /slika 40

lika . Jaspored vlakna i ljuskia #omogeni# i stepenasti# kompozita

1bilje vrsta matrični# sistema kompozita najrazličitijeg tkanja u dvije i tri dimenzije daje

nebrojeno mnogo mogući# kombinaija na koje mo"emo sastaviti kompozitne materijale, kojiće samim tim, posijedovati veoma različite: me#aničke, fizičke, #emijske, i termičkeosobnine. %omponovani kompozitni materijali će u izvijesnoj mjeri naslijediti osobine sastavni#

;




elemenata, ali konačnu riječ o defininitivnim osobinama kompozitni# materijala, ipak će datidetaljno ispitivanje, koje mora biti sprovedeno za svaku kombinaiju sastavni# elemenata po pitanju najva"niji# njegovi# osobina. a in"injersku primjenu, svakako, najva"nija suispitivanja termo*me#anički# karakteristika kompozitni# materijala. 1vakva ispitivanja se većdugi niz godina sistematski obavljaju širom svijeta, a nji#ovi rezultati su prisutni i dostupni uliteraturi.

@' ZAKLJUČAK

%ompozitni materijali se razvijaju u smjeru u kome postaju ekonomski konkurentni sa metalimazbog nekoliko razloga:

=. !roškovi nabavke se smanjuju uslijed:

manjenja troškova materijala zbog kvantitativnog povećanja proizvedenemase materijala

manjenja troškova proizvodnje uslijed razvoja te#nologije, kao i zbog razvitkanovi# smola, lakši# za proizvodnju

2. 3oboljšanja u materijalu koja će dalje reduirati ijenu troškova i produ"iti vijektrajanja materijala.

@'7' B()(+o&t

5 budućnosti ćemo biti primorani da konzerviramo naše ograničene resurse kako populaija bude rasla, a za#tjevi za kvalitetom budu narastali. %ompoziti će igrati va"nu ulogu u skretanju pa"nje na efikasniju upotrebu osnovni# materijala i goriva. $eki naučnii vjeruju da će im

vlakna %evlar*a /kompozitnog materijala koji se razvija0 omogućiti da kopaju rudu na &jeseu.Joboti bi mogli da tovare terete mjesečeve prašine u %v*Hp vreće i da i# stavljaju u ogromankatapult. %ako je mjesečeva gravitaija samo =>F od zemaljske, katapult bi lako odbaio vreće usvemir, gdje bi mogle biti u#vaćene u više kilometarsku mre"u napravljenu od %evlar*a usvemirskoj stanii gdje bi se mjesečeva prašina obra'ivala. vemirske #vataljke i kopanje rudena &jeseu danas mogu biti naučna fantastika, ali fantastika se pretvara u stvarnost velikom brzinom.

=@




SADRCAJ

%1&316!$6 &A!HJ6MAG6.......................................................................................................2

%ljučne riječi..................................................................................................................................2

ANH!A%......................................................................................................................................2

%eE?ords........................................................................................................................................2

AB!JA<!...................................................................................................................................2

=. 5+1D.........................................................................................................................................4

2.DH6$6<6MA................................................................................................................................4

4. %1&316!$6 &A!HJ6MAG6 513OH.....................................................................................4

4.=. astav kompozitni# materijala................................................................................................9

4.2. 3odjela kompozitni# materijala...............................................................................................9

9. 11B6$H %1&316!$6P &A!HJ6MAGA............................................................................

9.2. 7ustina kompozitni# materijala..............................................................................................

9.4. apreminski sadr"aj vlakana ..................................................................................................

9.9. apreminski sadr"aj praznina /poroznost0..............................................................................F

9.. &e#anika loma kompozitni# materijala.................................................................................

9.F.&aterijali velike površine.........................................................................................................L

==




9.. Jaspodjela strukturni# elemenata u kompozitu......................................................................L

. A%GM5KA%...........................................................................................................................=@

.=. Budućnost..............................................................................................................................=@

=2

Documents

Komozitni Materijali - Seminarski Rad