kompozitni polimeri
Post on 17-Dec-2015
58 views
DESCRIPTION
skriptaTRANSCRIPT
-
27.5.2013.
1
Gojko Mari
MATERIJALI IIAkademska godina
2012/13
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.
DEFINICIJA
-
27.5.2013.
2
Composite - composed of separate parts; compound
sastoji od odvojenih dijelova, spoj
Te American Heritage Dictionary of the English Language, Fourth
Edition copyright 2000 by Houghton Mifflin Company. Updated in
2009. Published by Houghton Mifflin Company
Collins English Dictionary Complete and Unabridged
HarperCollins Publishers 1991, 1994, 1998, 2000, 2003
Composite - made up of distinct components; compound
sastavljen od razliitih komponenti; spoj.
ZNAENJE
Composite (latinski Compositum) sastavljeno.
PRIJE 10-tak GODINA
Primjena kompozita u industrijiIzvor: H. Chalaye, Composite materials: drive and innovation. Le 4 Pages, des
statistiques industrielles, No. 158 February 2002.
-
27.5.2013.
3
Primjena kompozita u zrakoplovnoj industriji
16.000 kg = 16 t, laki - 20% uteda goriva
DANAS
DANAS
U brodogradnji 1/3 upotrijebljenih materijala su kompoziti!
Mala brodogradnja
Velika brodogradnja
-
27.5.2013.
4
-mogunost izrade vrlo sloenih oblika,-smanjenje trokova naknadne obrade dijelova,-mogunost spajanja dijelova tijekom samog
postupka proizvodnje,-dimenzijska stabilnost pri ekstremnim radnim
uvjetima,-otpornost na koroziju,-dizajniranje svojstva.
Neke od opih prednosti kompozitnih materijala pred konvencionalnim materijalima jesu sljedee:
PREDNOSTI
Kompozitni materijali se sastoje od dva osnovna konstituenta:
Matrice
Ojaala
Zadaa ojaala je da budu nosivi element kompozita, tj da osiguraju:
visoku vrstou,
visoki modul elastinost krutost
otpornost na troenje
-
27.5.2013.
5
Zadae matrica je da:
dri ojaala zajedno, titi ih od vanjskih utjecaja, ima vanu funkciju u prijenosu optereenja
na ojaalo, daje vanjsku formu kompozitu, odreuje njegovo ponaanje u obzirom na
djelovanje atmosfere, itd..
Svojstva kompozita ovisiti e o:
Veliini i raspodijeli konstituenata
Svojstvima konstiutenata tj. matrice i ojaala
Volumnom udjelu konstiutenata
Obliku konstituenata
Prirodi i jakosti veza izmeu konstituenata
-
27.5.2013.
6
ojaalo
Podjela kompozita najea je obzirom na:
Materijal matrice
Oblik ojaala
PODJELA KOMPOZITA
-
27.5.2013.
7
Matrica :
Metalna - MMC
Keramika - CMC
Polimerna - PMC
PODJELA PREMA MATERIJALU MATRICE
Noviji: ugljik-ugljik kompoziti. Mogu podnijeti vrlo visoke temperature - do 1700 C,a kratkotrajno i do 2700 C.
Plus:_ Provode struju i toplinu Dobra vrstoa Dobra ilavost Magnetini su (neki)
Minus : Visoka gustoa Slaba otpornost na puzanje Loa korozijska otpornost
Plus:_ Ne provode struju i toplinu Otporni na troenje i koroziju Visoka vrstoa i krutost Niska gustoa
Minus : Loa/teka strojna obrada Izuzetno niska ilavost
Plus:_ Provode struju i toplinu Dobra vrstoa Dobra ilavost Magnetini su (neki)
Plus:_ Dobra ilavost Dobra obradljivost Izuzetna korozijska otpornost visoki omjer vrstoa/teina
Minus : Niska krutost i vrstoa Loa svojstva na visokim temp.
POLIMERIKERAMIKA
METALI
KOMPOZITI
PODJELA PREMA MATERIJALU MATRICE
-
27.5.2013.
8
PODJELA PREMA MATERIJALU MATRICE
Podjela kompozita s obzirom na materijal matrice i ojaala
PODJELA PREMA MATERIJALU MATRICE
-
27.5.2013.
9
Oblik ojaala:
estice
Vlakna
Strukturni kompoziti:
Slojeviti kompoziti laminati
Sendvi konstrukcije
PODJELA PREMA OBLIKU OJAALA
VRSTE KOMPOZITA
KOMPOZITI, MMC,PMC,CMC
esticama ojaani Vlaknima ojaani Strukturni
Velike estice
Disperzijom ojaani
Viskeri Vlakna ice Laminati Sendvikonstrukcije
-
27.5.2013.
10
KOMPOZITI S ESTICAMA
Obzirom na veliinu estica i nain na koji estice utjeu na svojstva kompozita moemo izvriti podjelu na:
Kompozite s disperzijom
Kompozite s velikim esticama
KOMPOZITI S ESTICAMA
Kompoziti s disperzijom
estice su izuzetno male (promjeri iznose od 10 do
250 nm)
estice spreavaju gibanje dislokacija ojaanje
Koliina disperziranog materijala do 15%
-
27.5.2013.
11
KOMPOZITI S ESTICAMA
Kompoziti s disperzijom
Glavne varijable u odreivanju uinkovitosti disperzije su:
Veliina estica, d < 0,1 m
Volumni udio, Vp < 15%
Razmak izmeu disperziranih estica, Dp
Kompoziti s velikim esticama
KOMPOZITI S ESTICAMA
Veliina estica, d 0,1 mVolumni udio, Vp > 15%
Ovi kompoziti sadre vee udjele velikih estica koje ne djeluju izravno na spreavanje gibanja dislokacija. Ovakvi kompoziti su namjenjeni za proizvode kod kojih se ne trai posebno izraena vrstoa (abrazivne ploe, elek. kontakti)
-
27.5.2013.
12
KOMPOZITI S ESTICAMA
vrsta estica>500 nm
vrste estice
-
27.5.2013.
13
Viskeri su siuni monokristali koji imaju ekstremnoveliki omjer "duljina/promjer. Posljedica malihdimenzija je veliki udio pravilnosti kristalne grae, pagotovo nema mogunosti teenja to vodi do izuzetnovisoke vrstoe; oni su najvri poznati materijali. Poredsvih nabrojenih svojstava ne primjenjuju se zbog visokecijene. Vrlo ih je teko ugraditi u matricu.
Viskeri mogu biti od grafita (ugljika), silicij-karbida, silicij-nitrida i alumij-oksida.
Al18B4O33 viskeri
Vlakna su ili polikristalna ili amorfna te imaju mali promjer. Materijali vlakana mogu biti polimerni ili keramiki (aramid, staklo, ugljik, bor, aluminij-oksid i silicij-karbid).woven
fibers
cross
section
view
0.5mm
0.5mm Legura Ag-Cu ojaana s ugljinim vlaknima
-
27.5.2013.
14
ice su relativno velikog promjera, tipini materijali su elik, Mo i W. Primjenjuju se pri radijalnom elinom ojaavanju (armiranju) automobilskih guma, pri namotavanju ahura/kouljica, te kod icama omotanih visokotlanih tuljaka.
2 - Ispletena tekstilna vlakna
6 - eline ice
7 Mekani sloj-Nylon
Ojaanja automobilske gumeicom ojaana cijev
Kod vlaknima ojaanih kompozita dolazi do izraaja poboljanje vrstoe, ilavosti, krutosti, te poveanja omjera vrstoa/gustoa uslijed ugradnje vrstih, krutih i krhkih vlakana u mekaniju, duktilniju matricu. Materijal matrice prenosi optereenje na vlakna te osigurava duktilnosti ilavost, budui da vlakna nose vei dio optereenja. Upravo zbog te injenice je vrlo vana veza izmeu matrice i vlakana. Dva znaajna svojstva vlakana su visoka toplinska stabilnost i kontrolirana rastezljivost pri povienim temperaturama.
Vlakna se razlikuju prema: vrsti duljini promjeru orijentaciji hibridizaciji.
-
27.5.2013.
15
Istezanje , mm/mmIstezanje , mm/mm
Na
pre
zan
je
, N
/mm
2
Na
pre
zan
je
, N
/mm
2Vlaknima ojaani kompoziti spadaju u skupinu anizotropnih materijala budui da imaju znatno bolja svojstva u smjeru vlakana
Matrica
Matrica
Vlakno Vlakno
Lom
KompozitPodruje
Podruje
Karakteristike kompozita ojaanog vlaknima ovise o :
a. Omjeru duljina/promjer vlakana
b. Volumnom udjelu vlakana
c. Usmjerenosti (rasporedu) vlakana
d. Svojstvima vlakana
e. Svojstvima matrice
-
27.5.2013.
16
Omjer duljina/promjer
Razliiti naini rasporeda vlaknastih ojaavala
a) kontinuirana jednosmjerna vlakna b) sluajno usmjerena diskontinuirana vlakna
c) ortogonalno rasporeena vlakna d) viesmjerno usmjerena vlakna
Kontinuirana vlakna se tee proizvode i ugrauju u matricu, ali osiguravaju najbolja svojstva.
Diskontinuirana vlakna s velikim omjerom duljina/promjer znatno se lake ugrauju u matricu, i tako ine materijal visoke krutosti i vrstoe.
Volumni udio vlakana
Vei volumni udio vlakana dovodi do poveanja vrstoe i krutosti kompozita.
Gornja granica od oko 40% odreena je sposobnou, odnosno mogunou da se vlakna okrue materijalom matrice.
-
27.5.2013.
17
Svojstva vlakana
Vlakna trebaju biti vrsta, kruta, lagana, a takoer trebaju imati visoko talite.
Materijali vlakana morali bi imati visoki specifini modul elastinosti ili vrstoe.
Specifina vrstoa = Specifini modul elastinosti =( )
emRR
E
Svojstva matrice
Uobiajeno je da su materijali matrice ilavi i duktilni tako da prenose optereenja na vlakna te spreavaju da napukline od prekinutih vlakana napreduju kroz cijeli kompozit.
Matrica takoer mora biti vrsta tako da doprinosi sveukupnoj vrstoi kompozita.
Na prikladnost za matricu utjee i talite (poliesterske nezasiene smole imaju maksimalnu temperaturu uporabe 80OC, 315OC poliimidi. Metalne matrice puno vie temperature.
-
27.5.2013.
18
Svojstva vlakana
Prednosti i nedostaci vlakana
-
27.5.2013.
19
Hibridni kompozitiRelativno 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:
Ugljik AramidDobra ilavost + vlana vrstoa od aramidaTlana i vlana vrstoa od ugljinih vlakanaNiska gustoa, ali relativno visoka cijena.
Aramid StakloMala gustoa + ilavost + vlana vrstoa od aramidaTlana + vlana vrstoa od staklaNiska cijena
Ugljik StakloTlana + vlana vrstoa + krutost + gustoa od ugljikaDobra svojstva + cijena od staklaNiska cijena
Slojevite (laminatne) konstrukcije odnosno slojeviti kompoziti sastavljeni su od dvodimenzionalnih slojeva s preferiranim smjerom visoke vrstoe (drvo, ili usmjerenim vlaknima ojaanih polimernih materijala). Slojevi su sloeni i dodatno meusobno vrsto povezani, a svojstva variraju obzirom na orijentaciju vlakana u pojedinim slojevima (zbog toga se slojevi slau razliito usmjereni).
Bimetal
-
27.5.2013.
20
Pelinje saeLjepilo
Povrinski sloj
Povrinski sloj
Ljepilo
Sendvi konstrukcije, sastoje se od tankih vanjskih slojeva i laganog srednjeg dijela koji slui za popunjavanje. Niti materijal za popunjavanje niti vanjski slojevi ne moraju biti vrsti niti kruti, ali e sendvi imati oba svojstva! Primjer: valoviti karton (debeli papir + valoviti karton + debeli papir)
Drugi primjer je struktura u obliku pelinjih saa koja se primjenjuje u zrakoplovstvu.
POLIMERNI KOMPOZITI PMC
Plastomeri: PA, PE, PP, ABS, visokotemperaturni plastomeri (PEEK, PPS, PEI).
Duromeri: poliesterske, epoksidne, vinil esterske, fenolne smole itd.
ee su duromerne matrice.
Materijal matrice:
-
27.5.2013.
21
Materijal ojaala:- Staklena vlakna- Ugljina vlkna- Aramidna vlakna- Ostali vlaknasti materijali (B, SiC, Al2O3)
POLIMERNI KOMPOZITI PMC
METALNI KOMPOZITI (MMC Metal Matrix Composites)
Materijal matrice:superlegure, legure aluminija, magnezija, titana i bakra
Materijal 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)
-
27.5.2013.
22
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
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
-
27.5.2013.
23
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
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)
-
27.5.2013.
24
Zamanjak napravljen od kompozita s Al-matricom i vlaknastih Al2O3 ojaanja
Hondin blok motora napravljen od kompozita s Al-matricom i Saffil kratkih Al2O3 vlakana
Klip od kompozita Al-legura + Saffil vlakna
Umeci mjenjake kutije koji slue za lokalno ojaanje, a napravljeni su od Mg-legure ojaane ugljinim vlaknima
METALNI KOMPOZITI
-
27.5.2013.
25
Materijal matrice:OKSIDNE: NEOKSIDNE:
- Al2O3 - SiC
- SiO2 - Si3N4
- Mulit 3Al2O3 2SiO2 - B4C
- Ba-, Li- i Ca-aluminosilikat - AlN
KERAMIKI KOMPOZITI(CMC Ceramic Matrix Composites)
Materijal 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
KERAMIKI KOMPOZITI(CMC Ceramic Matrix Composites)
-
27.5.2013.
26
KERAMIKI KOMPOZITI(CMC Ceramic Matrix Composites)
Prednosti:
stabilnost na ekstremno visokim temperaturama,
otpornost na toplinski ok,
iznimna otpornost na koroziju,
velika tvrdoa,
mala masa.
Nedostatak:
sklonost krhkom lomu.
Rjeenje: keramika matrica + keramika ojaanja.
-
27.5.2013.
27
Produljenje l, mm
Sila
F,
N
CMC sa SiC matricom ojaanog s kontinuiranim
SiC vlaknima
Gustoa, kg/m3 2100
Tlana vrstoa, MPa 450Vlana vrstoa, MPa 262Smina vrstoa, MPa 34Modul elastinosti, GPa 96Toplinska vodljivost, 10-6/K
2,7
Toplinska rastezljivost, W/mK
1,32
-
27.5.2013.
28
Al2O3 matricom
Al2O3 ojaanjima
Al2O3 matrica
C vlakna +ni sloj
Al2O3 matrica
SiC (3m)
Rezni alati napravljeni od kompozita s Al2O3 matricom i SiC viskerima
Glave izmjenjivaa topline napravljene od kompozita s Al2O3matricom koji je ojaan kontinuiranim vlaknima
Koni diskovi Porsche-a 911 Turbo napravljeni od kompozita sa SiC matricom koji je ojaan ugljinim vlaknima
-
27.5.2013.
29
Bio-based composites
Kompoziti od obnovljivih resursa????
Bio kompoziti???
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..
-
27.5.2013.
30
I to sada?
Zaustaviti razvoj?
Vratiti se nain ivota iz prolosti?
Ili pronai nove materijale i manje zagaujue procese proizvodnje?
-
27.5.2013.
31
Definicija BIOKOMPOZITABiokompoziti su kompozitni materijali nainjeni od:
prirodnih vlakana (biljnog ili ivotinjskog podrijetla) i i bioloki nerazgradljivih polimera nastalih derivacijama nafte (duromera - npr. epoksidna smola, fenolna smola i plastomera: PE, PP, PVC, PS).
sintetikih (umjetnih) vlakana i biopolimera (nastalih preradom biljaka)
od prirodnih vlakana i i biopolimera koje su ujedno najekolokiji kompoziti i esto se nazivaju zeleni kompoziti.
PRIRODNA VLAKNA Biljnog podrijetla:
vlakna (drva, trave, slame itd.) lie sjeme voe
liko
ivotinjskog podrijetla: vuna
dlaka svila
-
27.5.2013.
32
Vrste bio/prirodnih - vlakana
LAN KONOPLJA KENAF
JUTA HENEKEN KOKOS
DRVO KUKURUZ TRAVA
Porast primjene biokompozita u SAD u periodu 2000 2005.
Graevinarstvo Industrija Automobilska Brodogradnjaindustrija
-
27.5.2013.
33
Porast primjene biokompozita u Njemakoj auto industriji u periodu 19992005.
2000 cijela auto industrija Europe potroila je 28000 t prirodnih vlakana
Zato prirodna vlaknaPREDNOSTI:
Obnovljivi izvori Laka dostupnost Niska cijena i mali udio utroka energije tijekom
proizvodnje Mala gustoa (spec. teina) osigurava visoku spec. vrstou i krutost u usporedbi s staklenim vlaknima
Sigurnije za rukovanje i proizvodnju u odnosu prema sintetikim vlaknima
Utede zbog manjeg troenja opreme jer su prirodna vlakna ne abrazivna u odnosu prema sintetikim vlaknima vlaknima
Visoka elektrina nevodljivost Dobra zvuna izolacija Ne nastaje CO2 (biljke stvaraju jedino ugljine spojeve prilikom izgaranja ili kompostiranja)
-
27.5.2013.
34
Zato prirodna vlakna?NEDOSTACI:
Teko rasprljivi u matrici. Prirodna vlakna su higroskopna-upijaju vlagu, to ima za
posljedicu stvaranje pora, slabljenje veza a time i loijih mehanikih svojstava kompozita.
Vlakna poinju degradirati u rasponu do 90 do 200 oC, pa su temperatura obrade i izbor materijala matrice ogranieni.
Osjetljiva su na truljenje / degradacije iz okruenja (mikroorganizmi, gljivice, itd.).
Dimenzije vlakana i mehanika svojstva variraju od biljke do biljke.
Sadnja biljaka za izradu ojaala smanjuje zemljita za sadnju prehrambenih sorti!!!
DL
Materijal vlakna
Gustoa (g/cm3)
Duljina, L (mm) Promjer, D (mm) Vlana vrstoa N/mm2Vlakno Snop Raspon Sr.
vrijed.Raspon Sr.
Vrijed.LAN 1,51 1,2 10-65 32 10-25 18 1,778 357KENAF (list)
- 1,2 1,4-5 2,6 14-23 21 124 406
KENAF (srika)
0,31 - 0,4-1,1 0,6 18-37 30 20 -
KONOPLJA 1,48 1,2 7-5,5 25 13-30 18 1,087 826BOR 0,51 - 2,7-4,6 3,7 32-43 38 97 81,2JELA 0,48 - 2,7-4,6 3,7 32-43 38 97 109,2JASIKA 0,39 - 0,7-1,6 1,2 20-30 25 48 51,8
SVOJSTVA BILjNIH VLAKANA
-
27.5.2013.
35
VrstaVlakna
Gustoa(g/cm3)
Modul elastinosti(GPa)
Specifinimodul
E-staklo 2,55 73 29Konoplja 1,48 70 47Lan 1,4 60-80 43-57Juta 1,46 10-30 7-21Sisal 1,33 38 29Kokos 1,25 6 5Pamuk 1,51 12 8
USPOREDBA MODULA ELASTINOSTI
PRIMJENA BIOKOMPOZITA
Mijeana prirodna vlakna i PP sa UP matricom Juta-kokos hibridni kompozitni paneli
Lanena vlakna
katamaran
Renault Ellypse konceptni autoPrirodna vlakna za priguenje buke
-
27.5.2013.
36
PRIMJENA BIOKOMPOZITA
Lan-ugljina vlakna hibridni kompozitni bicikl - Prepreg postupak
Juta-PP koveg-aktovkaPostupak vakuumsko spajanje
Mijeana prirodna vlakna i PP RTM postupak
Mijeana prirodna vlakna i PP Postupak oblikovanje natrcavanjem