polimeri i kompoziti - marić
DESCRIPTION
Prezentacija s predavanja, kolegij: "Polimeri i kompoziti"; dio: "Kompoziti".TRANSCRIPT
-
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
-
8
-
9Primjena kompozita u zrakoplovnoj industriji
20% uteda goriva i16.000 kg = 16 t, laki
-
10
-
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
Ugljik-ugljik kompoziti
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
Ugljik-ugljik kompoziti
Glavni nedostatak ovih kompozita je uz ve spomenutu visoku cijenu, sklonost oksidaciji pri visokim temperaturama.
-
48
Ugljik-ugljik kompoziti
Primjena:
Lopatice turbo punjaa motora
-
49
Ugljik-ugljik kompoziti
Primjena:
Mjenja + spojka F1
-
50
Ugljik-ugljik kompoziti
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?
-
58
-
59
-
60
-
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
Source: Aart van Vuure, I-SUP2008, Natural Fibre Composites
-
69
Natural Fibres, properties
Source: Aart van Vuure, I-SUP2008, Natural Fibre Composites
-
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