Kompoziti skripta

1

Zdravko SchauperlŠkolska god. 2009./10.

Kompozitni materijali

(“Kompoziti”)


Sadržaj:

Definicija

Svojstva

Podjela

Mjesta i karakteristike primjene

Proizvodnja

Konstrukcije

2

UvodKompozitni materijali ili kompoziti su dobiveni umjetnim

spajanjem dvaju ili više kemijski različitih materijala s jasnom granicom izmeñu njih.

Heterogeni materijali koji se sastoje od više materijala a s ciljem dobivanja materijala takvih svojstava kakva ne posjeduje niti jedna komponenta sama za sebe.


Zašto kompoziti?

Prednosti nad “tradicionalnim” konstrukcijskim materijalima:Mehanička svojstva (specifična čvrstoća, krutost)Otpornost na korozijuOdržavanjeVijek trajanja“Dizajniranje” svojstava


3

Stanje na tržištu SAD

Izvor: SPI Composites InstituteIzvor: SPI Composites Institute


2001. godine 2008. godine


4

Uvod

+

Ojačalo

=

Kompozit


Matrica

Opeke, beton, tvrdi metal


Uloga matrice:– Povezuje vlakna

– Prenosi opterećenje na vlakna

– Zaštićuje vlakna od okolnih utjecaja i oštećenja

Zahtjevi na matricu:

– Otpornost na koroziju

– Poboljšana svojstva u poprečnom smjeru

– Poboljšavanje žilavosti cijele konstrukcije

– Ne smije kemijski reagirati s vlaknom

– Mora prianjati uz vlakna

5


Uloga ojačala:– Visoka čvrstoća

– Visok modul elastičnosti - krutost

– Ostala zahtjevana svojstva (toplinska vodljivost, otpornost na trošenje…)

Ukupno ponašanje kompozita ovisi o:

– svojstvima matrice i ojačala,

– veličini i rasporedu (raspodjeli) konstituenata,

– volumnom udjelu konstituenata,

– obliku konstituenata,

– prirodi i jakosti veze meñu konstituentima.


6


Podjela kompozitaPodjela kompozita

Materijal matrice Oblik ojačala

Metalna

Keramička

Polimerna

(Ugljik)

Čestice

Vlakna

ugljik-ugljik kompoziti (do 1700 °C, a kratkotrajno do 2700 °C).

Kompoziti ojačani s česticama

Disperzije (promjer do 0,1µm)

Velike čestice (promjer od 0,1µm)

Al2O3, SiC, BN, ZrO2, TiC, ThO2, SiO2, WC, B4C

Veličina čestica

Volumni udio

Razmak izmeñu čestica


Cu kompozit ojačan dispergiranimčesticama B4C

7

Kompoziti s česticama

Disperzije (do 0,1µm)

GrijačiW-ThO2, ZrO2

Električne komponentePt-ThO2

Ploče akumulatoraPb-PbO

Dijelovi turbinaNi-20 %Cr-ThO2

Magnetski materijali postojani puzanjuCo-ThO2, Y2O3

Svemirska tehnika i nuklearni reaktoriBe-BeO

Nuklearni reaktoriAl-Al2O3

Električni kontaktiAg-CdO

PrimjenaSustav

Velike čestice: tvrdi metali, abrazivne ploče, električni kontakti (W+Ag)


Kompoziti ojačani s vlaknima

Viskeri

Vlakna

Žice

Viskeri: monokristali, veliki omjer duljina/promjer, pravilna graña, Rm, najčvršći poznati materijal, cijena (grafit (ugljik), silicijev karbid, silicijev nitrid, aluminijev oksid)

Vlakna: polimerna i / ili keramička, polikristalna ili amorfna

Žica: čelik, Mo, W, relativno veliki promjer, aut. gume, cijevi,

TiB viskeri

8

Vlaknima ojačani kompoziti

Žica: čelik, Mo, W, relativno veliki promjer, aut. gume, cijevi,

21,14070,15289019300Volfram

31,83240,22220010200Molibden

26,62100,3023907900Visokočvrsti čelik

Metalne žice

1211172,682600970PE-UHMW (Spectra 900)

1334001,3039003000Silicijev karbid

1564001,4036002570Bor

2872,51,3434502580E-staklo

106...407228...7240,70...2,701500...48001780...2150

Ugljik a

911312,5...2,853600...41001440Aramid (Kevlar 49)

963790,3513803950Aluminijev oksid

Vlakna

1504806,25200003200Silicijev karbid (SiC)

175...375700...15002,5…5,010000...200004000Aluminijev oksid (Al2O3)

109...118350...3801,56…2,25000...70003200Silicijev nitrid (Si3N4)

3187009,1207002200Grafit

Viskeri

Specifičnimodul,(x103m2/s)

Modulelastičnost

ikN/mm2

Specifičnačvrstoća,(x106m2/s)

Vlačnačvrstoća, N/mm2

Gustoća,kg/m3

Materijal

Karakteristike vlaknima ojačanih kompoziti

Omjer duljina promjer

Volumni udio vlakana

Usmjerenost (raspored) vlakana

Svojstva vlakana

Svojstva matrice


9


Usmjerenost (orijentacija)

Raspored ojačavala

(a) kontinuirana jednosmjerna vlakna, (b) slučajno usmjerenadiskontinuirana vlakna,

(c) ortogonalno rasporeñena vlakna, (d) višesmjerno usmjerenavlakna


10


Ponašanje jednosmjerno ojačanog polimera s vlaknima

Vrste vlakna


STAKLENA

ARAMIDNA

UGLJIČNAKERAMIČKA NYLON POLYESTER

POLYETHYLENE POLYPROPYLENE

Specifični modul, specifična čvrstoća, žilavost, radna temperatura…

11

Staklena vlakna


90% svih vlakana kod PK

Promjer: 3-20µm,

Jeftina proizvodnja, relativno dobra specifična čvrstoća, kemijska postojanost

A-staklo (visoko alkalno, dobra kemijska otpornost, slaba el. svojstva)

C-staklo (specijalan sastav za izuzetno agresivne kemikalije)

E-staklo (>50% svih stakl.ojačala, dobra čvrstoća, otpornost na utjecaj morske vode-brodogradnja)

S-staklo (čvrstoća 30% veća od E-stakla, bolja Rd, 3-4x skuplje od E-stakla)

D-staklo (niska dielektrična konstanta, loša meh svojstva)

T-staklo (do 1050oC, viša Rm i E)


12


Aramidna vlakna


1965. god – DuPont, (aromatski PA)

1970. god – komercijalna primjena

Kevlar 49 (29, 149...), Twaron

Različite vrste – različita svojstva ali svi visok Rm – preko 3000N/mm2

ρ=1,44g/cm3; Rd, žilavost.

Otpornost na abraziju, dobra kemijska i toplinska postojanost.

Degradacija (spora) kod UV zračenja

Tlačna čvrstoća lošija od staklenih i ugljičnih vlakana, slaba adhezija sa matricom, higroskopan, skuplji od stakl. vlakana

Nije krhak – tkanine

aramid+fenolne smole

13

Balistika

14

Kablovi od optičkih vlakana

Twaron preña kao zaštita optičkih vlakana od mehaničkog opterećenja

Gumeni proizvodi• Visoka čvrstoća i dinamička izdržljivost• Temperaturna postojanost• Kemijska postojanost

15

Zrakoplovstvo

– Airbus (fairings)

– Boeing (ducts,radomes)

– Eurocopter (Tiger)

– MD (Apache)

– LD3 (KLM, SAS,……)

– Engine containment belts

KOMPONENTE

16

Zaštita od potresa/obnova zgrada

Ugljična vlakna


1958. god - Union Carbide Parma Technical Center, Cleveland, Ohio

1970. god – komercijalna primjena (85% C atoma)

Promjer niti 5-10µm - uglavnom C-atomi, relativno pravilno složeni u kristalnoj rešetci

17

Ugljična vlakna


1958. god - Union Carbide Parma Technical Center, Cleveland, Ohio

1970. god – komercijalna primjena (85% C atoma)

Promjer niti 5-10µm - uglavnom C-atomi, relativno pravilno složeni u kristalnoj rešetci

Ugljična vlaknaToplinska piroliza POLYACRYLONITRIL (PAN), polimer baziran na ACRYLONITRILU

Rm= 5.600 N/mm2

E= 530.000 N/mm2

18

Usporedba mehaničkih svojstva standardnih ugljičnih vlakna s čelikom povišene čvrstoće

Materijal

Vlačna čvrstoća(GPa)

Modul elastičnosti

(GPa)

Gustoća(g/cm3)

Specifična čvrstoća

(GPa)

Ugljična vlakna (Standard Grade)

3.5 230.0 1.75 2.00

Čelik povišene čvrstoće

1.3 210.0 7.87 0.17

standardni modul (220GPa)

srednji modul (240GPa)

visoki modul (300GPa)

ultravisoki modul (>500GPa)

Ugljična vlakna

Toplinska vodljivost značajno bolja nego kod Cu

+ odgovarajuća matrica = najbolja korozijska postojanost

Žilavost slabija nego kod staklenih ili aramidnih vlakana

Najveći specifični modul i visoka specifična čvrstoća

19

SPORT

20

Keramička vlakna

Za kompozite otporne na visoke temperature (preko 1000 oC)

Za izradu MMC

Neoksidna keramika - na osnovi SiC, Al (Al2O3, AlSi…)

Oksidna keramika - yttrium aluminium garnet (YAG) (Y3Al5O12)

W – jezgra, a oko nje SiC (CVD)

SVOJSTVA VLAKANA

21

SVOJSTVA KOMPOZITA

Ugljik / Aramid

Dobra žilavost+vlačna čvrstoća od aramida

Tlačna i vlačna čvrstoća od ugljičnih vlakana

Nisko gustoća ali relativno visoka cijena

Aramid / Staklo

Mala gustoća, žilavost, vlačna čvrstoća od aramida.

Tlačna i vlačna čvrstoća od stakla

Niska cijena!!

Ugljik / Ştaklo

Tlačna i vlačna čvrstoća, krutost, gustoća - ugljik

Dobra svojstva, cijena - staklo

Niska cijena!!

Hibridni kompoziti


22

Tvornička ojačala

Proizvodnja spojenih dugih C, S, A vlakana s ciljem proizvodnje jednoslojnih ili višeslojnih ploča (tkanina)

Jednosmjerna (unidirekcijski)

Pletiva


Sendvič konstrukcije“Strukturni kompoziti”: Ne ovise o svojstvima matrice i ojačala već

i o geometrijskom rasporedu elemenata konstrukcije

Savojna čvrstoća grede – E*I3

a I = b a3 /12, (b je dubina).

Relativna krutostRelativna čvrstoća

Relativna masa

Tanka kora–jezgra preuzima tlačna opterećenja! – meh. Svojstva jezgre!

23

Paneli u brodogradnji npr. jezgra– saće; izvana Al lim (folija) = krut, čvrst, lagan konstrukcijski materijal


JezgraJezgra

Pjene (PVC, PS, PU, PEI polieterimid, akrilne pjene)

U primjeni gustoće od 40-200kg/m3

Debljine od 5-50mm

Saće (Al, Nomex – aramid, ABS, Polikarbonat, PP, PE)

Al – najbolja specifična čcrstoća, opasnost od galvanske korozije

Nomex – otpornost na požare (avioni)

Plastomeri – mogućnost recikliranja

Drvo (Balza, cedar)


24

Predviñanje svojstava Vlak (vlačna čvrstoća ojačala)

Tlak (adhezija, krutost matrice)

Smik (matrica prenosi naprezanje kroz kompozit, adhezija, krutost matrice)

Savijanje (kombinacija vlak, tlak, smik)


Zakon miješanja:

Opterećenje paralelno sa vlaknima (iso-strain):

Opterećenje okomito na vlakna (iso-stress):

mmvvc VV ⋅+⋅= ρρρρρρρρρρρρ

mmvvc VEVEE ⋅+⋅=

fmmf

fm

cVEVE

EEE

⋅+⋅

⋅=


25

Poliesterska smola ojačana je sa staklenim vlaknima čiji je volumni udio 60%. Izračunajte modul elastičnosti kompozita u smjeru vlakana.

Em = 6,9 x 103MPa

Est.vl. =72,4 x 103MPa

(rezultat: Ec. =46,2 x 103MPa)


Proizvodnja kompozitnih dijelova

– Ručno polaganje

– Oblikovanje naštrcavanjem

– Pultrudiranje

– Ubrizgavanje smole u kalup (RTM - resin transfer moulding)

– Namatanje (filament winding)

– Prepreg

26

Ručno polaganjeVlakna povezana u tkanja različitog oblika stavljaju se u kalup. Na njih se nanosi smola koja se impregnira u ojačanja pomoću valjaka ili kistova. Do skrućivanja dolazi pri atmosferskim uvjetima.

Nedostaci:� kvaliteta postupka u velikoj mjeri ovisi o umješnosti radnika. Teško proizvesti kompozite s malim udjelom smole bez pukotina.� Koriste se smole male viskoznosti što znatno utječe na svojstva.

Prednosti:� vrlo jednostavan postupak koji se primjenjuje već dulje vrijeme,� malen trošak izrade alata,� veliki izbor vrste materijala i dobavljača,� udio vlakana je veći i vlakna su dulja nego u slučaju polaganja naštrcavanjem.

27

NaštrcavanjeVlakno ulazi u ručni pištolj u kojem se sječe na manje komadiće i dodaje u struju zraka i tekuće smole. Takva se mješavina naštrcava u kalup gdje se i skrućuje u atmosferskim uvjetima. Kao materijal matrice se uglavnom koriste poliesteri, dok se za ojačanje koriste isključivo staklena vlakna.

28

Nedostaci:� sadrže nešto veću količinu smole tako da imaju veću masu,� za ojačanja se koriste samo kratka i sječena vlakna, tako da

konačni proizvod ima ograničena mehanička svojstva,� smola moraju imati malu viskoznost kako bi se mogle naštrcavati,

a to najčešće ide na štetu mehaničkih i toplinskih svojstava,

Prednosti:� široka primjena postupka već niz godina,� vrlo jeftin način taloženja vlakna i smole,� mali trošak izrade alata.

Kalupi za ručno polaganje / naštrcavanje

29

Pultrudiranje

Osnovne karakteristike:

� Ujednačen presjek

� Kontinuirana dužina

� Anizotropnost

� Mogući komplicirani oblici profila

� Hibridna ojačala

Pultrudiranje

Nedostaci:

� anizotropnost

�visoka cijena alata

Prednosti:

� brz, ekonomičan postupak

�homogen materijal i svojstva

�komplicirani profili

30

pultrudirani profili od polimernih kompozita u graditeljstvu

31

Ubrizgavanje smole u kalup (Resin transfer moulding - RTM)

Predoblik od vlakana se postavlja u kalup (mogu se stvoriti različiti oblici koji se drže vezivom). Kalup zatvara te se u njega ubrizgava smola (može se koristiti i vakuum). Nakon što je kalup popunjen zatvaraju se mjesta na kojima je ubrizgana smolai dolazi do skrućivanja na povišenim ili sobnim temperaturama.Mogu se koristiti gotovo sve vrste matrica i vlakana.

Prednosti:� proizvodnja kompozita s visokim udjelom vlakana i s niskim udjelom pukotina u materijalu,� budući da je smola zatvorena u kalup, ne predstavlja opasnost za okolinu,� puno bolji izgled površine.

Nedostaci:� skup i težak alat,� proizvodnja je ograničena na manje komade,� mogu se pojaviti mjesta na proizvodu koja nisu popunjena smolom, što zahtjeva dodatnu kontrolu i potencijalni otpad.

32

DRUGI PROCESI UBRIZGAVANJA – SCRIMP, RIFT, VARM itd.Tkanja se polažu u kalup a na njih se stavlja površinski pokrov i pletivo. Pomoću vakuum pumpe se uklanja zrak, a zatim slijedi ubrizgavanje smole. Pletivo olakšava protok smole i vlanje ojačanja. Matrice: epoksidne smole, poliesteri i vinil esteri. Kao ojačanja mogu poslužiti sve vrste vlakana.

Prednosti:

� mnogo manji trošak izrade alat, budući da kao gornji dio kalupa služi pokrov iz kojeg se isisava zrak,� moguća je proizvodnja dijelova velikih dimenzija,� moguće je i korištenje alata koji se inače primjenjuju u postupku ručnog polaganja.

Nedostaci:� izvoñenje procesa je relativno složeno,� moraju se koristiti smole male viskoznosti,� moguća je pojava lokaliteta u koje nije impregnirana smola (otpad).

33

34

Namatanje (filament winding)

35

Prednosti:

� vrlo brza i ekonomična metoda,� može se regulirati udio smole na vlaknima,� troškovi su manji zbog toga što se rabe pojedinačna vlakna, a ne tkanja� mogu se dobiti odlična mehanička svojstva kompozita ako se vlakna poslažu u smjeru djelovanja opterećenja.

Nedostaci:

� oblici proizvoda koji se dobivaju su ograničeni (konveksni),� smještaj vlakana na različite oblike nije uvijek lagan (npr uzdužno) ,� troškovi dijela na koju se namotava mogu biti visoki u slučaju izrade velikih dijelova,� vanjska površina proizvoda nije uvijek estetski prihvatljiva.


36


Spremnik od polimernog kompozita proizveden namatanjem

37

Prepreg

Različita vlakna ili tkanja se predimpregniraju sa smolom. Tako dobiveni oblicise najčešće zamrzavaju kako bi se mogli skladištiti dulje vrijeme. Smola koji se koristi nije potpuno u krutom stanju tako da je prepreg na dodir malo ljepljiv. Nakon toga se preprezi strojno polažu u kalup, vakuumski se pakiraju i zagrijavaju na temperaturu 120-180°C. Uz kemijske dodatke moguće je sniziti temepraturu skrućivanja na 60-100°C. Ako je za stvaranje kompozita potrebannešto viši tlak sve se to stavlja u autoklavu kojom je moguće postići tlakove do 5 atmosfera. Matrice: epoksidne smole, poliesteri, fenoli i visokotemperaturni plastomerikao što su npr. poliimidi.

Prednosti:

� moguće je vrlo precizno podešavanje udjela vlakana i smole,� materijali su potpuno ekološki prihvatljivi,� moguće je impregniranje i smola visoke viskoznost čime se značajno utječe na mehanička i toplinska svojstva kompozita,� moguća je automatizacija cijelog procesa.

Nedostaci:

� troškovi materijala su veći,� materijal se skrućuje u autoklavama koje su prilično skupe i ograničenih su dimenzija,� proces se odvija na povišenim temperaturama tako da i to treba uzeti u obzir prilikom izbora materijala alata.

38

METALNI KOMPOZITI(MMC – Metal Matrix Composites)

Matrice: superlegure, legure aluminija, magnezija, titana i bakra

Ojačala: - čestice

- kontinuirana vlakna (ugljik, silicijev karbid, bor, aluminij i tvrdi metali)

- diskontinuiranih vlakana i viskera (silicijeva karbida, sjeckana vlakna od ugljika i aluminija i čestice aluminija i karbida,dijamanti)

Prednosti:

� vrlo visoka čvrstoća i krutost uz vrlo malu gustoću,

� visoka toplinska i električna vodljivost i niska toplinska rastezljivost,

� vrlo dobra otpornost na trošenje,

� vrlo dobra svojstva na visokim temperaturama.

Nedostaci:

� komplicirana proizvodnja,

� vrlo visoka cijena - cijena će padati sa širenjem primjene,

� nedovoljno podataka o svojstvima materijala,

� još uvijek nema dovoljno smjernica za konstruiranje s ovom vrstom materijala,

� loša recikličnost.

39

Vlakno MatricaVolumni

udiovlakna, %

Gustoća,kg/m3

Modul E, kN/mm2 Rm, N/mm2

Ugljičnovlakno

Al-legura 6061

41 2440 320 620

Vlakno bora 48 - 207 1515

SiC 50 2930 230 1480

Al2O3Al-legura

380.0 24 - 120 340

Ugljičnovlakno

Mg-leguraAZ31

38 1830 300 510

“Borsic” Titan 45 3680 220 1270

Označivanje:

A / B / Xp – I

matrica ojačalo udio vrsta

Al 6061 / Al2O3 / 20p / T6

Al / Nextel 610 / 45f (Re = 1200 MPa)

40

Kompoziti s Al-matricom

-najveći udio na tržištu

MATERIJAL E, GPa Rp0,2 ,MPa Rm ,MPa A5 ,%

6061+0 %TiB2 70 79 220 48

6061+6 %TiB2 90 189 346 27

6061+12 %TiB2 96 220 390 16

2618+0 %TiB2 74 101 343 43

2618+8 %TiB2 89 211 410 18

Utjecaj čestica TiB2 na mehanička svojstva

Kompoziti s Al-matricom

Klipnjača napravljena od Al-legure ojačane s Al2O3 česticama. Ona ima puno bolja mehanička svojstva i otpornost na umor od čelične klipnjače, a uz sve to ima i 42 % manju masu

Profili od Al-legure ojačane s grafitnim vlaknima. Imaju jednaku krutost kao i čelik, a masu manju od aluminija

Ventili automobilskog motora napravljeni od kompozita s Ti-matricom koja je ojačana SiC česticama

41

Zamašnjak napravljen od kompozita s Al-matricom i vlaknastih Al2O3

ojačanja

Hondin blok motora napravljen od kompozita s Al-matricom i Saffilkratkih Al2O3 vlakana

Klip od kompozita Al-legura + Saffilvlakna

Dio konstrukcije Space Shuttle-a napravljen od B/Al kompozita kojim se postigla ušteda u masi od 45 % u odnosu na Al legure

Al/SiC cilindar koji je ugrañen u bolide Formule 1

Umeci mjenjačke kutije koji služe za lokalno ojačanje, a napravljeni su od Mg-legure ojačane ugljičnim vlaknima

42

Space Shuttle:

nosači (cijevi) u prostoru za teret

243 cijevi, d = 25-92 mm l = 0,6-2,3 m

6061/B/50f - 145 kg manja masa po letjelici (u usporedbi sa Al)

Hubble teleskop (4.3 cm x 8.6 cm x 2 m ):

6061/C/40f

40 % manja masa (u odnosu na Al)

(dimenzijska stabilnost – α)

43

KERAMIČKI KOMPOZITI(CMC – Ceramic Matrix Composites)

Mana - sklonost krhkom lomu.

Rješenje: keramička matrica + keramička ojačanja.

stabilnost na ekstremno visokim temperaturama,

otpornost na toplinski šok,

iznimna otpornost na koroziju,

velika tvrdoća,

mala masa.

CMC sa SiC matricom ojačanog s kontinuiranim SiC vlaknima

Gustoća, kg/m3 2100

Tlačna čvrstoća, MPa 450

Vlačna čvrstoća, MPa 262

Smična čvrstoća, MPa 34

Modul elastičnosti, GPa 96

Toplinska vodljivost, 10-6/K 2,7

Toplinska rastezljivost, W/mK 1,32

44

Al2O3 matrica

Al2O3 vlakna Al2O3 matrica

C vlakna + Ni sloj

Al2O3 matrica

SiC (3µm) čestice

Rezni alati napravljeni od kompozita s Al2O3 matricom i SiC viskerima

Glave izmjenjivača topline napravljene od kompozita s Al2O3matricom koji je ojačan kontinuiranim vlaknima

Kočni diskovi Porsche-a 911 Turbonapravljeni od kompozita sa SiC matricom koji je ojačan ugljičnim vlaknima

45

Documents

Kompoziti skripta