materijali i kompoziti
TRANSCRIPT
MATERIJALI IKOMPOZITI
Industrije koje koriste kompozitne materijale (%)
Automobilska
Aeronautika
Građevinarstvo
Sport i rekreacija
Elektrotehnika i elektronika
Strojarstvo
Brodogradnja
Medicinska oprema
Željeznice
Razno
Što su kompozitni materijali (kompoziti) ?
Kompozitni materijali su višefazni materijalisastavljeni iz dva ili više različitih čvrstihmaterijala (zasebno dobivenih), koji su osmišljenitako da je u njima raspodjela faza kontinuiranakako bi se poboljšalo jedno ili više svojstavaosnovnom materijalu. To su obično svojstvakakva ne posjeduje niti jedan materijal sam zasebe, tj. nova svojstva – to je novi materijal.
Zašto koristiti kompozitne materijale?
za povećanje krutosti, čvrstoće ili dimenzijske stabilnosti za povećanje udarne žilavosti za povećanje otpornosti na toplinu za smanjenje troškova za smanjenje apsorpcije vode za smanjenje toplinske ekspanzije za poboljšanje otpornosti na trošenje za veću korozijsku otpornost za smanjenje mase za poboljšanu konstrukcijsku fleksibilnost
Vlač
na č
vrst
oća
Deformacija
Vlakno
Vlaknom ojačan kompozit
Polimerna smola
Mehanička svojstva vlakna, polimera i vlaknom ojačanog kompozita s polimernom matricom
Ojačala
Metali
Polimeri Keramike
MMC
PMC CMC
Kompozitni materijali – svi sadrže ojačala.
MMC - metal matrix composite (kompoziti s metalnom matricom)
PMC - polymer matrix composite (kompoziti s polimernom matricom)
CMC - ceramic matrix composite (kompoziti s keramičkom matricom)
vlakna (ojačalo) polimer (matrica) kompozit
Nastajanje i sastav kompozitnog materijala
Kompoziti su satavljeni iz najmanje dvije faze:
osnovnog materijala - matrice i ojačala
+
Uloge matrice i ojačala
Karakteristike osnovnog materijala (matrice):
popustljivija od ojačala
čvršća od ojačala
osigurava dobro povezivanje s ojačalom
osigurava zaštitu ojačala od utjecaja okoline
osigurava prijenos opterećenja s jednog na drugi djeličak ojačala
uklanja posmično naprezanje kompozita
Karakteristike ojačala (dispergiran unutar matrice kao sitnečestice ili vlakna):
tvrđi i čvršći nego matrica
osiguravaju kompozitu veliku tvrdoću i čvrstoću
povećavaju kompozitu udarnu žilavost, itd.
KOMPOZITI
S POLIMERNOM MATRICOM, PMC
S KERAMIČKOM MATRICOM, CMC
S METALNOM MATRICOM, MMC
koriste se na različite načine i imaju široku upotrebu:
staklom ojačani polimerni kompoziti (GFRP)
ugljičnim vlaknima ojačani polimerni kompoziti (CFRPC)
aramidnim vlaknima ojačani polimerni kompoziti (AFRP)
ojačala poboljšavajučvrstoću, krutost,otpornost na abraziju,otpornost na puzanje,toplinsku vodljivost
visoke radnetemperature
nezapaljivost
loše: skupi su ivelike gustoće
za upotrebu navisokim temperaturama
(avionske plinsketurbine)
smanjuju masu -(manja potrošnja goriva)
loše: vrlo su krhke
Podjela kompozita s obzirom na matricu
Kompoziti s obzirom na matricu i ojačala
metalno-metalni metalno-keramički metalno-polimerni
keramičko-polimerni keramičko-keramički keramičko-metalni
polimerno-polimerni polimerno-metalni polimerno-keramički
Polimerna matrica Keramička matrica Metalna matrica
Slika 4. Podjela kompozita s obzirom na vrstu matrice i vrstu ojačala
Sve se više upotrebljavaju tzv. ugljik-ugljik kompoziti koji moguizdržati vrlo viske radne temperature do 1700 °C
Svojstva kompozita ovise o:
vrsti matrice i njezinim svojstvima
ojačalu (svojstvima, raspodjeli, veličini i vrsti)
orijentaciji ojačala unutar matrice
volumnom omjeru matrice i ojačala
kvaliteti povezivanja matrice i ojačala
Oblici ojačala u kompozitima
Kontinuirana vlakna Kratka vlakna/ viskeri Čestice
a) b) c)
Način raspodjele ojačala unutar matrice: a) jednosmjerno poredana vlakna, b) jednosmjerna isprekidana vlakna, c) vlakna bez reda
viskere i vlakna
Viskeri – vrlo maleni monokristali koji imaju mnogo manjipromjer u odnosu na duljinu, a mogu biti iz grafita (ugljika) tetvrdih tehničkih keramičkih materijala: silicijevog karbida,silicijevog nitrida i aluminijevog oksida koji se dobivajuposebnim postupcima
Vlakna – najčešće staklena ili polimerna
Ojačala u obliku vlakana se s obzirom na promjer, duljinu i vrstu materijala
dijele na:
Neki primjeri tvornički različito pletenih (tkanih) vlakana ojačala.
Kompozitni materijali su anizotropni – imaju bolja svojstva u smjeru vlakana.
Laminatna struktura kompozita
Lamele s različito orijentirnim vlaknima ojačala slažu se i lijepe međusobno ulaminat uz djelovanje tlaka
lamele
laminat
Različito orijentirana vlakna u kompozitu
Shematski prikaz nastajanja sendvič panela
Ljepilo
Sačasta struktura
Vanjska ploča
Vanjska ploča
Gotov sendvič panel
Ojačala iz staklenih vlakana
lako se dobivaju
kemijski su otporna
GFRP – do temperature od 2000C zbog polimerne matrice
Upotreba:
automobilska industrija,
brodogradnja,
tankovi
a)
b)
Ojačala iz staklenih vlakana: a) namotaj staklene niti, b) pletena “tkanina” iz staklenih niti
Proizvodi iz staklenim vlaknima ojačanih polimeraProšlo je više od 50 godina od upotrebe kompozita – stakloplastika. Danas je
njihova primjena vrlo velika.
Staklom ojačani nezasićeni poliester: a) tank za gorivo iz 1960. godine, b) trup broda
Kawasaki x-4 jet Ski - staklom ojačana plastika
Staklom ojačana plastika – palube broda
Ugljična vlakna kao ojačalo u polimernoj matrici
Ugljična vlakna, CFRP:
visoki specifični modul i specifična čvrstoća čak i na visokim temperaturama
skup postupak dobivanja iz PAN-a
promjer vlakana : 4-10 µm, premazan s epoksidnom smolom za osiguranje lijepljenja s matricom
najveća upotreba CFRP-a:
avionski dijelovi
kućišta raketnih motora
sportski rekviziti, itd.
Namotaj ugljičnih vlakana
Dijelovi automobila označeni zelenom bojom su iz kompozita ojačanog ugljičnim vlaknima
Aramidnim vlaknima ojačan polimer (AFRP)
Aramidna vlakna (Kevlar, Nomex)
plastomerni materijal
visoka vlačna čvrstoća, slaba tlačna
mehanički stabilan od – 200 do 2000C
netporan na jake kiseline i baze
Upotreba:
zaštitna odjeća (pancirke)
sportski rekviziti, itd.
Namotaj aramidnih vlakana
a) b)
Dijelovi helikoptera i aviona iz kompozita: a) iz polimera ojačanog ugljičnim vlaknima, b) iz polimera ojačanih staklenim i ugljičnim vlaknima
Proizvodi iz staklom ojačanih polimernih kompozita
Sportski rekviziti iz staklom ojačanih polimernih kompozita
Most za pješake iz staklom ojačane poliesterske smole. Duljna mosta je 120m a raspon 63m.
Rotorska lopatica 4.5 MW vjetroturbine
Vlak Talent na kojem su bočni zidovi iz vlaknima ojačane plastike
Airbus 380 - je zbog konstrukcija iz polimernih kompozita lakši nego da jepotpuno izgrađen iz ekvivalentnih metalnih konstrukcija i to za približno 15 tona
34
Godine
Kom
pozi
ti (p
osto
tak
u m
asi k
onst
rukc
ije)
Porast upotrebe kompozita u avioindustriji
The Jumeirah Beach Tower Hotel u Dubaiu. U svojoj konstrukciji sadrži 33000 m2
staklom ojačanih sendvič panela
The Jumeirah Beach Tower Hotel u Dubaiu. U svojoj konstrukciji sadrži 33000 m2
staklom ojačanih sendvič panela
Kompoziti s metalnom matricom, MMC
Matrica:
super legure Al, Mg, Cu, Ti
Ojačala:
C, SiC, B, Al2O3 vlakna, Al2O3 čestice
Primjena:
komponente automobilskog motora
konstrukcijski dijelovi svemirskih letjelica, teleskopa - kompoziti iz B i C valkana u Al matrici
turbinski motori (W vlakna u superlegurama)
Vrsta kemijskog spoja
Keramičke čestice Metalna matrica Upotreba
Boridi Titanov boridMolibdenov boridKromov borid
Co / NiCr / Ni
Ni
Najčešće rezni alati
Karbidi Volframov karbidTitanov karbidMolibdenov karbidSilicijev karbid
CoCo ili W
CoCo
Najčešće rezni alati i abrazivi
Oksidi Aluminijev oksidMagnezijev oksidKromov oksid
Co / CrCo / Ni
Cr
Vrhovi alata, dijelovi plinskih turbina
Tablica 1. Primjeri kompozita iz metalne matrice i keramičkih ojačala
Kompoziti s keramičkom matricom, CMC
za upotrebu kod velikih naprezanja i na visokim temperaturama ( turbinski motori aviona)
Prednosti
velika čvrstoća i modul
vrlo visoka radna temperatura
smanjena masa (manja potrošnja goriva)
Dijelovi svemirske letjelice iz keramičkih kompozita