Polimeri i kompoziti - Marić

1Gojko Mari

POLIMERI I KOMPOZITI

Akademska godina 2013/2014

2Slika 1. Podjela materijala prema njihovom podrijetlu

3Definicija

Kompozitni materijali ili kompoziti su proizvedeni umjetnim spajanjem dvaju ili vie materijala razliitih svojstava s jasnom granicom izmeu njih. Posljedica je dobivanje materijala takvih svojstava kakva ne posjeduje niti jedna komponenta sama za sebe.

4Svojstva kompozita ovise o:

svojstvima matrice i ojaala,

veliini i rasporedu (raspodjeli) konstituenata,

volumnom udjelu konstituenata,

obliku konstituenata,

prirodi i jakosti veze meu konstituentima.

5Temeljna podjela kompozita, prema vrsti materijala matrice:

polimerni (PMC)

metalni (MMC)

keramiki (CMC)

6Slika 2. Podjela kompozita s obzirom na materijal matrice

7Slika 3. Podjela kompozita s obzirom na materijal matrice i materijal ojaala

9Primjena kompozita u zrakoplovnoj industriji

20% uteda goriva i16.000 kg = 16 t, laki

11

Primjena kompozita

Most za pjeake Danska, 40m (1997)

vedska mornarica, Stealth-nevidljivi za

radar (2005)

Lance ArmstrongTrek bike, 2004 Tour de France

12

Uz istu vrstou kompoziti imaju 80% manju masu od elika, 60% od Al.

Visoka specifina vrstoa (odnos vrstoe i teine)

Kompoziti imaju veu specifinu vrstou od drugih materijala. Izborom materijala matrice te materijala i oblika ojaala mogu se kreirati svojstva novonastalog materijala

13

Prednosti kompozita

Mogunost izrade sloenih oblika, uz niske trokove. Kod izrade MMc trokovi rastu zbog potrebe skupe opreme - autoklave

Otporni na djelovanje korozije

Niska ulaganja u proizvodnu opremu

Trajnost

14

Nedostaci kompozita

Iskustva steena tijekom dugogodinjeg koritenja metalnih materijala uglavnom se ne mogu koristiti kod kompozita.

Kompoziti su heterogeni svojstva ovise o mjestu ispitivanja.

Kompoziti su uglavnom anizotropni.

15

Nedostaci kompozita

Kompozitne materijale teko je ispitivati nerazornim metodama ispitivanja.

American Airlines let 587, raspao se je iznad New York 12 studenog 2001 (265 mrtvih). Repno krilo Airbus A300s (8 m visoko) je otpalo, jer se na vrijeme nije uoila pukotina na spoju

s trupom umor materijala.

16

Nedostaci kompozita

U studenom 1999. jedrilica uesnica American kupu puknula je na dva dijela zbog odljepljivanja strukturnih dijelova sendvi konstrukcije.

17

METALNI KOMPOZITI

(MMC Metal Matrix Composites)

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

Ojaala:- estice-kontinuirana vlakna (ugljik, silicijev karbid, bor, aluminij i tvrdimetali)

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

18

METALNI KOMPOZITI

Oznaivanje:

A / B / Xp I

matrica ojaalo udio vrsta

Al 6061 / Al2O3 / 20p / T6

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

19

METALNI KOMPOZITI

Vlakno MatricaVolumni udio vlakna, %

Gustoa,kg/m3

Uzduni vlani modul E, kN/mm2

Uzduna Rm,N/mm2

Ugljino vlakno Al-legura 6061 41 2440 320 620

Vlakno bora 48 - 207 1515

SiC 50 2930 230 1480

Al2O3 Al-legura 380.0 24 - 120 340

Ugljino vlakno Mg-legura AZ31 38 1830 300 510

Borsic Titan 45 3680 220 1270

20

Prednosti:

vrlo visoka vrstoa i krutost uz vrlo malu gustou,

visoka toplinska i elektrina vodljivost i niska toplinska rastezljivost,

vrlo dobra otpornost na troenje,

vrlo dobra svojstva na visokim temperaturama.

METALNI KOMPOZITI

21

Nedostaci:

Komplicirana proizvodnja,

vrlo visoka cijena -cijena e padati sa irenjem primjene,

nedovoljno podataka o svojstvima materijala,

jo uvijek nema dovoljno smjernica za konstruiranje s ovom vrstom materijala

loa reciklinost.

METALNI KOMPOZITI

22

METALNI KOMPOZITI

Najvei udio na tritu

Udio ojaanja u matrici i do 70 % - estice, viskeri, kratka vlakna, kontinuirana vlakna ili neto deblje niti.

Znaajno se poveava E do ak 240 GPa, vrstoa, krutost, otpornost na troenje, snizuje se toplinska rastezljivost i do 70 %.

estice: oksidi, karbidi ili boridi - Al2O3, SiC (najee) ili TiB2.

Al-legure

23

Al-legure-niske gustoe i odline vrstoe, ilavosti i otpornosti na korozijuznaajna primjena u zrakoplovstvu.

Primjeri: Al-Cu-Mg ; Al-Zn-Mg-Cu ; Al-Li

Allied-Signal Corporation razvila je seriju Al-Fe-V-Si slitina koristei brzo skruivanje (solidifikaciju)Brzina hlaenja :> 106 K/sVelika brzina hlaenja rezultira u vrlo finim veliinama zrna to daje odlinu kombinaciju svojstava koja se inae ne mogu dobiti konvencionalnim metalurkim postupcima.

METALNI KOMPOZITI

24

Klipnjaa napravljena od Al-legure ojaane s Al2O3 esticama. Ona ima puno bolja mehanika svojstva i otpornost na umor od eline klipnjae, a uz sve to ima i 42 % manju masu

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

Ventili automobilskog motora napravljeni od kompozita s Ti-matricom koja je ojaana SiC esticama

25

Space Shuttle:nosai (cijevi) u prostoru za teret243 cijevi, d = 25-92 mm l = 0,6-2,3 m Al 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 ):Al 6061/C/40f40 % manja masa (u odnosu na Al)

26

Zamanjak napravljen od kompozita s Al-matricom i vlaknastih Al2O3ojaanja

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

Klip od kompozita Al-legura + Saffil vlakna

27

Superlegure se veinom koriste u turbinskim motorima, meutim, kompoziti s matricom od superlegura su meu prvim uzetim u obzir za poboljanu izvedbu turbina u cilju poveanja radne temperature dijelova.

Razvoj zapoeo 60-tim godinama prolog stoljea i traje i danas.

vrstoa pri visokim temp. MMC superlegura postignuta je samo ojaavanjem teko-taljivim metalima (vlakna W, Mo, Ta, i Nb).

Najjaa razvijena vlakna, legure W, imaju vrstou veu od 270MPa pri 10950C to znai 6 puta veu od vrstoe do sada uporabljenih superlegura u glavnom motoru Space Shuttle-a.

METALNI KOMPOZITI

28

METALNI KOMPOZITI

29

METALNI KOMPOZITICu legure

Cu ima potencijalne mogunosti kao materijal matrice za kompozite od kojih se zahtijeva toplinska vodljivost i vrstoa na visokim temp., svojstva koja nadmauju ona od Al kompozita.

Rade se MMC s kontinuiranim i diskontinuiranim ojaalima.

W/Cu kompoziti ojaani kontinuiranim W vlaknima prvi put su proizvedeni 1950 godine.

30

Zbog svoje visoke vrstoe na visokim temp. niim od 9500C, W/Cu-kompoziti smatraju se danas temeljnim materijalima za stijene komora za izgaranje raketnih motora.

C/Cu-kompoziti s kontinuiranim vlaknima (ugljinim), razvijaju se izuzetno brzo jer Cu dobro provodi toplinu, ali ima veliku gustou i loa meh. svojstva pri povienim temp. Razvijena su C-vlakana sa aksijalnom toplinskom vodljivou (boljom od Cu) pri sobnoj temp.

Dodatak ovih vlakna Cu snizuje gustou, poveava krutost i povisuje radnu temp.

METALNI KOMPOZITI

31

Ti je izabran kao metal matrice zbog njegove dobre specifine vrstoe kod sobne i srednjih temp. i izvanredne otpornosti na koroziju. U usporedbi s Al zadrava vrstou na viim temp.

Kao ojaalo najee se koriste SiC vlakna - u jednom smjeru.

Primjena: zrakoplovna industrija (strukturne komponente, ventilatorske i kompresorske lopatice modernih turbinskih motora

METALNI KOMPOZITI

32

Kompoziti s Mg matricom razvijeni su u biti da iskoriste ista svojstva koja ima i Al (visoka krutost, mala teina i

nizak koef. topin. rastezanja).

Izbor izmeu Al i Mg bazira se na teini odnosno

korozijskoj otpornosti. Gustoa Mg iznosi 2/3 gustoe Al,

ali je manje korozijski postojan i ima manju toplinsku

vodljivost.

C/Mg s kontinuiranim vlaknima koristi se za konstrukciju

svemirskih letjelica, Al2O3/Mg s kratkim vlaknima za

dijelove u automobilskoj industriji i SiC ili B4C/Mg s

diskontinuiranim vlaknima za dijelove motora i

niskonaponskoj elektronici.

METALNI KOMPOZITI

33

Umeci mjenjake kutije koji slue za lokalno ojaanje, a napravljeni su od Mg-legure ojaane ugljinim vlaknima

METALNI KOMPOZITI

34

Gojko Mari

POLIMERI I KOMPOZITI

II dio

35

KERAMIKI KOMPOZITI(CMC Ceramic Matrix Composites)

Prednosti:

stabilnost na ekstremno visokim temperaturama,

otpornost na toplinski ok,

iznimna otpornost na koroziju,

velika tvrdoa,

mala masa.

36

Nedostatak:

sklonost krhkom lomu.

Rjeenje: keramika matrica + keramika ojaanja.

37

Istezanje , mm

mm

Naprezanje

, 2mm

N

Monolitna-lijevana keramika

Keramika matrica ojaana keramikim vlaknima

38

Svojstva CMC:

- visokotemperaturna postojanost- otpornost na velike promjene temperature

(termo-okove)- velika tvrdoa- otpornost na koroziju- mala gustoa

39

Keramike matrice:

OKSIDNE: NEOKSIDNE:

- Al2O3 - SiC

- SiO2 - Si3N4

- Mulit 3Al2O3 2SiO2 - B4C

- Ba-, Li- i Ca-aluminosilikat - AlN

40

Kompoziti s staklenom matricom:

- U usporedbi s ostalim CMC vjerojatno imaju najvei komercijalni potencijal!!!

Zato?- Mogua je kontrola kemijske interakcije izmeu vlakna i matrice.

41

Ojaala:

Diskontinuirana (viskeri, ploice, estice)

- Si3N4, SiC, AlN, TiB2, B4C, BN

- SiC najzastupljeniji zbog stabilnosti u nizu oksidnih i neoksidnih keramikih matrica - rezni alati

Kontinuirana vlakna

- staklo, mulit, Al2O3, C, SiC

- SiC vlakna najvie se koriste zbog visoke vrstoe, tvrdoe i toplinske stabilnosti

42

CMC sa SiC matricom ojaanog s kontinuiranim

SiC vlaknima

Gustoa, kg/m3 2100

Tlana vrstoa, MPa 450

Vlana vrstoa, MPa 262

Smina vrstoa, MPa 34

Modul elastinosti, GPa 96

Toplinska vodljivost, 10-6/K 2,7

Toplinska rastezljivost, W/mK 1,32

43

Al2O3 matricom

Al2O3 ojaanjima

Al2O3 matrica

C vlakna +ni sloj

Al2O3 matrica

SiC (3m)

44

Rezni alati napravljeni od kompozita s Al2O3 matricom i SiC viskerima

Glave izmjenjivaa topline napravljene od kompozita s Al2O3 matricom koji je ojaan kontinuiranim vlaknima

Koni diskovi Porsche-a 911 Turbo napravljeni od kompozita sa SiC matricom koji je ojaan ugljinim vlaknima

45

Ugljik-ugljik kompoziti

Jedan od najnaprednijih i materijal koji u inenjerstvu ima najbolje perspektive je ugljik ojaan ugljinim vlaknima ili kako se to esto naziva ugljik-ugljik kompozit.

Radi se o kompozitu kojemu je matrica i ojaalo od ugljika.

Zbog visoke cijene ovi novi materijali nemaju primjenu u svakodnevnoj primjeni.

46


Njihova izrazita svojstva su prvenstveno:

visoki vlani modul elastinosti

visoka vlana vrstoa

koji se ne mijenjaju niti na temperaturama iznad 2000OC, te

otpornost na puzanje

visoka lomna ilavost

malu toplinsku rastezljivost

visoku toplinsku vodljivost

47


Glavni nedostatak ovih kompozita je uz ve spomenutu visoku cijenu, sklonost oksidaciji pri visokim temperaturama.

48


Primjena:

Lopatice turbo punjaa motora

49


Primjena:

Mjenja + spojka F1

50


Primjena:

Mlaznica raketnog motora

51

Hibridni kompoziti

Relativno novija vrsta vlaknima ojaanih kompozita.

Dobivaju se uporabom vie vrsta vlakana u jedinstvenoj matrici, ime se dobivaju znatno bolja svojstva.

Postoje brojne kombinacije vlakana i matrice, ali se najee koriste:

52

Hibridni kompoziti

Ugljik AramidDobra ilavost + vlana vrstoa od aramida

Tlana i vlana vrstoa od ugljinih vlakana

Niska gustoa, ali relativno visoka cijena.

53

Hibridni kompoziti

Aramid StakloMala gustoa + ilavost + vlana vrstoa od aramida

Tlana + vlana vrstoa + cijena od stakla

Niska cijena

54

Hibridni kompoziti

Ugljik StakloTlana + vlana vrstoa + krutost + gustoa od ugljika

Dobra svojstva + cijena od stakla

Niska cijena

55

Bio-based composites

Kompoziti od obnovljivih resursa????

Bio kompoziti???

56

Prije 30 ili vie godina kada je moja generacija pohaala osnovnu kolu, uili su nas da je Zemlja bogata puna minerala, ruda, nafte i plina.

Glavni zadatak izazov bio je kako poveati proizvodnju nemarei pri tome o zagaivanju ili koliini prirodnih resursa..

57

Mislili smo da e Priroda sama rijeiti sve

probleme koje smo napravili!

Da li je stvarno tako?

61

I to sada?

Zaustaviti razvoj?

Vratiti se nain ivota iz prolosti?

Ili pronai nove materijale i manje zagaujue procese proizvodnje?

62

Da li to moe biti sutra?

Ne, to je dugotrajan proces kojeg mi moramo zapoeti!

63

Osiromaeni resursi ruda i nafte zajedno s pojaanim propisima o zatiti okolia sinergiki daju poticaj za razvoj i primjenu novih materijala i proizvoda kompatiblnih s okoliem, a uz to su potpuno neovisni o fosilnim gorivima.

64

Biokompozit: Kompozit u kojem su barem jedan segment,

matrica ili ojaalo, od obnovljivog materijala.

Zeleni kompozit:

Kompozit u potpunosti nainjen od obnovljivih prirodnih materijala - i matrica i ojaalo.

65

Kompozitni materijali, posebno zeleni kompoziti,dobro se uklapaju u ovaj novi trend.

Jednostavno reeno, biobased materijali nastaju, od obnovljivih poljoprivrednih i umarskih produkata, ukljuujui i drvo, poljoprivredni otpad, travu i prirodna biljna vlakna koje se sastoje od ugljikohidrata, kao to su eeri i krob, lignina i celuloze, kao i biljna ulja i proteine.

66

Za poetak zamijeniti vlakna (u poetku korisiti uobiajene polimerne matrice nastale obradom fosilnih goriva).

Kako poeti?

Zamijeniti sintetika vlakna, posebno staklena

Dati priliku zemljama u razvoju da proizvode sirovine za kompozite.

67

Energija potrebna za proizvodnju vlakana:

Ligno-celulozna vlakna: 4-15 MJ/kg

Prirodna vlakna Mat: 9.7 MJ/kg

Staklena vlakna: 30-50 MJ/kg

Staklena vlakna Mat: 55 MJ/kg

Ugljina vlakna: 130 MJ/kg

Source: Aart van Vuure, I-SUP2008, Natural Fibre Composites

68

Prirodna vlakna


69

Natural Fibres, properties


70

Dijelovi automobila izraeni od kompozita ojaanog prirodnim vlaknima

Bicikl napravljen od vlakana lana i ugljika

71

Naa iskustva:

Proizveli smo i ispitali PMC sa ojaalima od prirodnih-

obnovljivih materijala :

konoplja

konjska dlaka

bambus

drveno brano

lan

72

to spremamo:

Izrada sendvi panela s jezgrom od:

slame,

ovje vune,

pluta

Uporaba brnistre za izradu ojaala

Izrada manjeg amca-broda s prirodnim ojaalima

Documents

Polimeri i kompoziti - Marić