PROPIETATI ALE MATERIALELOR COMPOZITE

1.Proprietatile materialelor compozite ranforsate cu fibre

Materialele compozite cu fibre au structura alcatuita dintr-un material de baza (matrice) in care sunt inglobate fibre individuale (scurte sau lungi, orientate sau neorientate), impletituri de fibre sau straturi de fibre din diferite materiale. Pentru majoritatea materialelor din aceasta categorie matricea este un material organic macromolecular (de obicei, un material duroplast, de tipul rasinilor poliesterice nesaturate sau rasinilor epoxidice), anorganic (ceramica pe baza de Al2O3, ciment sau beton) sau metalice (diverse metale sau aliaje), iar fibrele sunt polimerice (poliamide de tip Kevlar, Nylon sau Aramid), de sticla, ceramice (alumina, oxid de Be, carbura de B, carbura de siliciu, nitrura de siliciu), de carbon (grafit) sau metalice (W, Ta, Cr, Cu, Mo, Ni, Fe etc.), in prezent fiind folosite frecvent fibrele fine (trihite, whiskers) cu structura de monocristale perfecte din alumina, carbura de siliciu, fier sau grafit. [ 2]

Compozitele durificate cu fibre reprezinta o categorie cu materiale plurifazice caracterizate prin faptul ca in ansamblu sunt imbinate calitatile matricei si ale fibrelor dar nu si efectele lor. Astfel de mecanism nu actioneaza de exemplu la compozitele durificate cu particule, caz in care nu se obtin nici rezistenta la oxidare si nici rigiditatea componentei ceramice sub forma de pulbere, dar nici ductilitatea componentei metalice- matricea.

O serie de materiale ceramice (alumina, oxidul de zirconiu, silicatii) poseda proprietati intrinseci deosebite, superioare otelului, aceste calitati sunt exploatate incomplet in cadrul materialelor compozite la care participa, datorita defectelor interne si superficiale care produc fragilitatea excesiva a compozitelor. Acesta este motivul pentru care s-a recurs la prelucrarea fazei de ranforsare sub forma de fibre, reducandu-se astfel numarul si importanta acestor defecte, precum si posibilitatea de aparitie a altora. Si unele materiale metalice pot indeplini in conditii optime rol de fibre durificatoare in compozite, daca ele se afla sub forma de monocristale filiforme perfecte (whiskers), fiind astfel lipsite de defecte ale retelei cristaline si avand rezistenta mecanica deosebit de mare.[2]

Evaluarea comportarii elastice de ansamblu a materialelor compozite armate cu fibre va fi efectuata in unele conditii simplificatoare. Astfel se presupune ca fibrele continue sunt orientate intr-o singura directie, iar intre fibre si matrice exista o adeziune buna. n aceste considerente, daca o sarcina mecanica va fi aplicata paralel cu directia de dispunere a fibrelor, se va putea aprecia valoarea modulului de elasticitate total, cu relatia:

In care E_c E_f E_m reprezinta modulele de elasticitate ale compozitului, fibrelor si respectiv matricei, iar V_f V_m reprezinta fractiile de volum ale fibrelor, respectiv ale matrice. Daca sarcina aplicata este foarte mare, matricea incepe sa se deformeze, iar curba tensiune - deformatie nu va mai avea aspect liniar.

Figura 1. Curba tensiune- deformatie a unui material compozit durificat cu fibre (sarcina este aplicata pe o directie paralela cu cea a fibrelor)

In acesta situatie, matricea va contribui in masura redusa la rigiditatea compozitului, fapt pentru care modulul de elasticitate se va exprima prin relatia [31] :

E_c = V_f E_f

Este posibil ca sarcina mecanica sa fie aplicata perpendicular pe directia fibrelor ; in acest caz fiecare componenta va actiona independent una fata de cealalta conform relatiei :

Rezistenta mecanica a materialelor compozite durificate cu fibre, in conditia existentei unui transfer al sarcinii de la matrice la fibre, va putea fi apreciata prin intermediul a doi parametri importanti: gradul de transfer al sarcinii (E_f/E_m) si gradul de durificare reprezentat prin raportul dintre rezistentele mecanice ale componentelor (σ_f / σ_m); intre acesti doi parametrii se poate stabili relatia de proportionalitate de forma :

de unde rezulta ca fibrele unui compozit vor fi cu atat mai solicitate, cu cat modulul lor de rezistenta este mai mare in raport cu cel al matricei si cu cat fractia in volum a acestora este mai mare.

Cunoscandu-se gradul de durificare si gradul de transfer al sarcinii se poate stabili cu o anumita aproximatie curba tensiune-deformatie a unui material compozit (fig1.21). in principiu, pe aceasta curba se disting patru stadii :

-primul stadiu corespunde deformarii elastice atat a fibrelor, cat si a matricei ;

-al doilea stadiu corespunde deformarii elastice a fibrelor, si inceputurile de deformare plastica pentru matrice ;

-al treilea stadiu, cand atat fibrele cat si matricea se deformeaza plastic ;

-al patrulea stadiu are loc la ruperea compozitului ca urmare a distrugerii initiale a fibrelor si apoi a matricei.

Figura. Curba tensiune-deformatie a fazelor unui material compozit

Aceste stadii vor caracteriza materialele compozite ale caror fibre si matrice au o comportare ductile; daca ambele componente sunt fragile, va fi prezent numai primul stadiu de pe curba σ-ε.[31]

Pentru o lungime « l » si un diametru « d » al fibrelor din compozit tensiunea maxima de intindere σ_f dezvoltata in zona centrala a fibrei poate fi calculata raportand forta tangentiala maxima existenta la interfata fibrelor - matricei F_i = πdlδ_i la sectiunea transversala a fibrei.

Figura.3. Lungimea critica a fibrelor

Se constata ca pentru o matrice cu anumita rezistenta la forfecare, transferul sarcinii mecanice catre fibra (respectiv tensiunea σ_f) va fi cu atat mai mare cu cat raportul (l/d) este mai mare. [31] Acest raport reprezinta raportul de forma sau de aspect al fibrelor. Daca in aceasta relatie se considera l = l_cr, se va putea determina lungimea critica a fibrelor, cu relatia :

l_cr =

Aceasta relatie arata ca, cu cat fibrele sunt mai subtiri, cu atat lungimea lor critica, necesara obtinerii unui transfer eficient al sarcinii de la matrice va fi mai mica.

In aspectele prezentate s-a presupus ca fibrele au orientare uniforma si paralela cu efortul de solicitare al compozitului. Daca aceasta conditie nu este indeplinita rezistenta compozitului va fi diminuata in corespondenta cu valoare unghiului de dezorientare. In acest caz rezistenta compozitului va fi :

in care σ_cα reprezinta rezistenta la rupere a compozitului cu fibre orientate.

Exista o valoare critica a unghiului de dezorientare, cand matricea nu mai poate transfera fibrelor intreaga sarcina iar compozitul se va rupe prin forfecare in interiorul acestuia sau la nivelul interfetei fibra-matrice. In acest mod, rezulta ca materialele compozite sunt puternic anizotrope, iar ele nu-si manifesta calitatile decat daca vor fi solicitate pe directia comuna de orientare a fibrelor.

Compozitele durificate cu fibre sunt destinate aplicatiilor pentru care se cer combinatii speciale de proprietati - rezistenta mecanica, rigiditate mare, densitate mica - necesare realizarii unor piese si subansambluri si in special in domeniul constructiei de avioane si aerospatiala.

Figura.4. Comparatie intre rezistenta la oboseala a unui material compozit si a doua metale frecvent utilizate: 1- compozit grafit, 2- aliaj de titan, 3- aliaj de aluminiu

Proprietatile materialelor compozite ranforsate cu fibre de carbon

Compozitele ranforsate cu aceste fibre au un domeniu larg de aplicatie de la echipamente sportive pana la industria aeronautica si aerospatiala.[7] Fibrele de carbon au rezistenta specifica si duritate extrem de mare, ceea ce le fac atractive pentru domeniile in care reducerea masei produselor este deosebit de importanta. Fibrele de carbon au fost cunoscute incepand de la Thomas Edison care le -a folosit drept filamente pentru o lampa incandescenta. Aceste fibre au fost realizate prin carbonatarea bambusului si a matasei. Cele mai cunoscute marci de fibre de carbon sunt prezentate in tabelul de mai jos [10]

Tabelul 1. Marci de fibre de carbon

Fibrele de carbon sunt produse de o multitudine de firme, fiind disponibile sub forma de manunchi sau tow format din 1000-200000 (1K-200K) de filamente (diametrul de filament fiind de 7μ). Astfel in industria aerospatiala se folosesc manunchiuri de 24K filamente sau chiar mai mult.[11]

Proprietatile fibrelor de carbon pot varia intr-un domeniu destul de larg in functie de conditiile de elaborare. Modulul lui Young este dependent de temperatura tratamentului de grafitare, si anume, creste cu imbunatatirea retelelor de carbon (deci cu cresterea temperaturii). Rezistenta la tractiune a fibrelor depinde nu numai de orientarea retelelor de carbon fata de axa fibrei, dar si de numarul defectelor prezente in volumul fibrei. Defecte cum ar fi : vidul, incluziunile de particule, cristale gresit orientate, microfisurile pot fi limitate prin impregnari cu uleiuri siliconice sau substante organice. Rezistenta la tractiune a fibrelor creste cu descresterea diametrului fibrei, ca rezultat al reducerii numarului critic de defecte prezente intr-un volum mai mic al fibrei.

Tabelul Proprietati ale fibrelor de carbon rezultate prin procesul PAN [11

Tabelul3. Proprietati ale fibrelor de carbon rezultate din reziduuri petroliere

Proprietatile materialelor compozite ranforsate cu fibre de sticla

Sticla este materialul cel mai frecvent utilizat pentru obtinerea fibrelor de ranforsare a compozitelor. Materialul de baza al fibrei de sticla este SiO₂ la care se adauga diferite cantitati de oxizi de Ca, B, Al si Fe. Exista mai multe tipuri de fibre de sticla, in functie de compozitia chimica, cum ar fi [12]:

- fibre de tip A (alcali), obtinute dintr-o sticla sodo-calcica cu un continut apreciabil de oxizi de sodiu, potasiu si un continut limitat de oxizi de bor si oxizi bazici ; utilizate pentru armarea materialelor care lucreaza in medii lipsite de intemperii si umiditate;

-fibre de tip C (chemical), realizate dintr-o sticla cu un continut mic de oxizi bazici. Prezinta o foarte buna rezistenta la actiunea acizilor;

-fibre de tip D (dielectric), prezinta o constanta dielectrica mica;

-fibre de tip E (electrical), obtinute din boro-silicat de calciu si aluminiu, are rezistivitate electrica mare, este utilizata in scopuri de izolare, iar datorita rezistentei mecanice si a rezistentei la apa si umezeala este cel mai des utilizat tip de fibra de sticla pentru structuri;

-fibre de tip S (strength), obtinute dintr-o sticla care contine oxizi de siliciu, aluminiu si magneziu. Aceste fibre sunt folosite in scopuri structurale, avand caracteristici ridicate, apropiate de cele ale metalelor. Acest tip de fibre prezinta rezistenta mecanica buna la temperaturi inalte.

Tabelul 4. Compozitia procentuala a fibrelor de sticla

Tabelul 5. Principalele caracteristici ale unor tipuri de fibre de sticla

Proprietatile generale ale fibrelor de sticla pot fi rezumate in felul urmator [9] :

• Proprietati mecanice ;
• Proprietati chimice: rezistenta la actiunea acizilor ;
• Proprietati termice: nu ard, degradare in timp la 200-250⁰C, temperatura de topire a sticlei de tip E este de 625⁰C;
• Proprietati diverse : fibrele nu putrezesc, sunt insensibile la radiatii ultraviolete

Proprietatile materialelor compozite de tip whiskers

Whiskers-ul ( in traducere : "mustati") este un monocristal alungit cu un raport foarte ridicat intre lungime si diametru (< 1 μm), pe care aproape nu se pot observa defectele structurale cu microscopul, acesta conferindu-i o rezistenta mecanica apropiata de cea teoretica. Rezistenta mecanica a whiskers-ului creste cu descresterea diametrului iar la diametre > 100 μm prezinta proprietati asemanatoare altor fibre si sub 1 μm acestea se aproximeaza ca fiind cele teoretice (ideale). Proprietatile mecanice ale whiskers-ului, aproape ideale, l-au facut atractiv pentru folosirea acestuia ca si constituent in materialele compozite, indeosebi datorita posibilitatilor de realizare sub diverse forme si dimensiuni (lungime, diametru). [2]

In functie de materialul utilizat (oxizi, carburi, nitruri, sau grafit) s-au realizat structuri monocristaline sau whiskers-uri din alumina (Al₂O₃), oxid de beriliu (Be₂ O₃), oxid de magneziu (MgO)carbura de siliciu (SiC α si β), carbura de bor (BC), nitrura de siliciu (Si₃ N₄), nitrura de aluminiu (AIN), grafit etc.

Tabelul 6. Caracteristicile fizico-mecanice ale monocristalelor de tip whiskers

3. Proprietati ale materialelor compozite cu paprticule inglobate.

Materialele compozite cu granule (agregatele compozite) au structura alcatuita dintr-un material matrice in care sunt inglobate granule (particule) din unul sau mai multe materiale. In aceasta categorie sunt incluse: betonul, materialele dure, avand structura alcatuita din particule fine de carburi metalice (WC, TiC, TaC etc.) inglobate, in concentratii volumice de pana la 95 %, intr-o matrice metalica (Co, Ni, Te etc.), cermeturile, avand structura alcatuita dintr-o faza oxidica - ceramica (Al2O3, ZrO2 etc.) inglobata, in concentratii volumice de pana la 80 %, intr-o matrice metalica (Fe, Cr, Ni, Co, Mo etc.) si masele plastice aglomerate, avand structura alcatuita dintr-un material macromolecular de baza - duroplast (rasina fenolica, rasina epoxidica etc.) sau termoplast (polimetacrilat de metil, polipropilena, poliamida, politetrafluoroetilena etc.) - in care sunt inglobate particulele unui material de umplutura (rumegus de lemn, acid salicilic fin dispersat, bile de sticla, pulberi metalice etc.).[2]

Specific pentru aceste compozite este faptul ca particulele durificatoare au dimensiuni cuprinse intre 1..5μm si ele blocheaza efectiv mecanismul de deplasare a dislocatiilor.

In functie de combinatiile posibile dintre materialul particulelor si cel al matricei se pot obtine urmatoarele variante de compozite cu particule inglobate : particule nemetalice-matrice nemetalica; particule metalice-matrice nemetalica ; particule nemetalice-matrice metalica.

Compozitele formate din particule metalice-matrice nemetalica sunt obtinute prin inglobarea unor particule de argint sau cupru intr-o rasina epoxidica. In tehnica aerospatiala este utilizat si compozitul format din poliutretan si particule de aluminiu.

In cazul compozitelor de tip particule metalice-matrice metalica pot exista doua situatii: utilizarea unei matrici dure sau a unei matrici moi. Matricea dura este realizata din aliaje pe baza W, Cr, Mo fiind caracterizata prin stabilitate termica; daca materialul matricei va avea si stabilitate chimica buna atunci, se vor putea obtine compozite rezistente la temperaturi inalte.

Compozitele cu matrice moale utilizeaza aliaje pe baza de plumb in care sunt inglobate particule de fier sau cupru. Aceste materiale au o prelucrabilitate mecanica buna. In grupa compozitelor cu particule nemetalice, matricea metalica, faza durificatoare este reprezentata prin carburi sau oxizi de wolfram, crom sau titan, dispuse in matrici pe baza de aliaje metalice, obtinandu-se in acest mod materialele cunoscute sub denumirea de cermet-uri. De exemplu particulele de WC inglobate intr-o matrice pe baza de cobalt formeaza un compozit cu duritatea foarte mare, utilizat la executarea filierelor. Folosirea particulelor din CrC permite obtinerea unor materiale cu rezistenta buna la uzare si coroziune la temperaturi inalte, cu coeficient de dilatare mic, fiind folosite si la producerea supapelor motoarelor cu ardere interna. Compozitele din aceasta grupa, care contin particule d TiC prezinta stabilitate termica buna, fiind destinate realizarii unor sub ansamble pentru turbine, capabile sa lucreze la temperaturi inalte.

Discurile abrazive pentru polizare sunt realizate din materiale compozite cu particule de Al₂O₃, SiC, BN si diamant dispuse intr-o matrice de sticla sau polimerica care va imbunatati tenacitatea sculei. Materialele folosite la realizarea contactelor intrerupatoare si releelor electrice trebuie sa prezinte o combinatie favorabila intre rrezistenta la uzare si conductibilitatea electrica. In acest scop, au fost realizate materiale compozite, formate din particule d WC, dispuse intr-o matrice de argint, care va permite obtinerea simultana a unor valori superioare pentru cele doua caracteristici mentionate : argintul va asigura conductivitate electrica, iar carbura de wolfram va impune rezistenta la uzare.

4. Proprietati ale materialelor compozite stratificate

Materialele compozite stratificate au structura alcatuita dintr-un material suport dispus in straturi solidarizate cu un material de legatura (liant). In aceasta categorie sunt incluse materialele organice stratificate, avand structura alcatuita din straturi multiple de material organic (hartie, carton, lemn, materiale textile etc.) si liant (rasina fenolica, rasina melaminformaldehidica, rasina ureoaldehidica etc.) si materialele metalice emailate (materialele anorganico - metalice), avand structura alcatuita din unul sau mai multe straturi de material oxido-silicatic depuse pe un suport metalic (de obicei, din otel sau fonta).

Materiale laminate mixte din metal-materiale plastice denumite si tip "sandwich" (simplu sau multistratificat). Aceste laminate se compun dintr-un material plastic cuprins intre doua straturi metalice (otel sau aluminiu), laminarea realizandu-se la cald, sub presiune. Sunt destinate pentru inlocui otelul, fiind in competitie cu aluminiul, pentru ca acestea reprezinta o combinatie intre greutatea redusa a materialului plastic (polipropilena sau polietilena) si rezistenta, rigiditatea ale otelului respectiv a aluminiului. Se poate obtine o reducere a greutatii cu 50%, pentru o majorare a grosimii laminatului cu 10%. Poseda bune proprietati anticorozive si de izolare termica, rezistenta la caldura, la produsele chimice sau petroliere dar si o reducere a pretului de ..3 ori fata de otel.

Analizand implicatiile inlocuirii metalelor cu astfel de materiale trebuie mentionat ca

avantajul nu se rezuma numai la reducerea greutatii, ci de multe ori si la o functionare egala sau superioara. Se preconizeaza astfel ca, exemplu pana in anii 2005-2010 circa 10% din masa automobilului vor fi mase plastice armate. Se estimeaza o reducere a greutatii cu circa 10% pana in anul 2005. Materialele compozite se dovedesc a fi competitive atat sub aspectul pretului cat si al posibilitatilor de inlocuire si/sau completare cu succes a materialelor traditionale (metal, ceramica, sticla). Cercetarile in vederea utilizarii materialelor compozite au ca scop nu numai inlocuirea acestor materiale traditionale dar si aplicatii specifice datorate proprietatilor particulare pe care le prezinta.

In determinarea proprietatilor fizice ale materialelor compozite se utilizeaza legea

amestecurilor, scrisa sub forma generala:

P_c = Σ P_iW_i ,

unde :

P_c = proprietatile materialului compozit;

P_i = proprietati ale componentelor;

W_i = fractia de volum a componentelor.

In cazul proprietatilor mecanice, in aceasta ecuatie trebuie inclusi parametrii care sa

tina seama de dimensiunea particulelor agentului de umplutura, orientarea, geometria de

impachetare, interactiile specifice intre matrice si agentul de umplutura si de efectele de-a

lungul interfetei. Din aceste motive, proprietatile fizice si chimice ale compozitelor nu pot fi descrise printr-o ecuatie unica.

In tabelul de mai jos se pot urmari caracteristicile mecanice ale unor materiale plastice

compozite, precum si cauzele limitarii utilizarii lor in comparatie cu materialele clasice: otel si aluminiu.

Tabelul 7. Caracteristici mecanice pentru compozite, otel, aluminiu

Aluminiu, datorita densitatii sale reduse si a rezistentei mari la oxidare progresiva, este

materialul care a capatat cea mai mare extindere ca matrice a materialelor compozitelor

utilizate in realizarea de repere ce intra in constructia unui autovehicului.

Tabelul.8.Compusi ai aluminiului caracterisitici speciale si utilizarea lor

4.1.Structuri de tip Sandwich

Structurile sandwich sau "structurile cu inima" sunt structuri compozite, nedemontabile avans ca elemente principale un miez si fete (invelis), realizate prin procedee de lipire. Aceste structuri sunt folosite in design-ul structural modern fiind utilizate in cele mai diverse domenii, pornind de la aeronave, vehicule terestre, nave maritime dar si in industria bunurilor de larg consum (mobila, articole sportive etc).[8] In aviatie structurile de tip sandwich se utilizeaza in componenta fuselajului, aripii, placilor functionale (trape, podele) si a suprafetelor aerodinamice ale aeronavelor. Treptat structurile sandwich vor inlocui o parte din structurile conventionale adica cele sudate, nituite etc. datorita avantajelor pe care le prezinta. Metoda de asamblare prin lipire are urmatoarele avantaje fata de metodele clasice, atat din punct de vedere tehnic cat si economic [37]:

castig substantial de greutate

diminuarea numarului de piese primare dintr-un ansamblu, in spiritul proiectarii pentru asamblare (Design for Assembly)

se pot realiza imbinari din materiale diferite

grosimea de asamblat nu conteaza

rezistenta la oboseala este ameliorata prin eliminarea concentratorilor de tensiune. Cresterea rezistentei la oboseala cu 15 % fata de asamblarile nituite.

Castig la timpul de fabricatie, in special se reduce numarul de muncitori

Utilaje simple in comparatie cu cele folosite in procesul de nituire

Starea suprafetelor impecabila (in cazul nituirii se produc deformari locale)

Facilitati de ajustare

Costuri mai scazute

Imbinarile sunt etanse

Avantajele structurilor sandwich fata de structurile metalice clasice constau in rigiditate mai mare, rezistenta mai buna la incovoiere, greutatea redusa precum si o buna izolare termica si fonica.

Figura. 6. Comparatie intre proprietati ale structurilor de tabla si sandwich [4]

Un avantaj major al acestor structuri reprezinta reducerea numarului de elemente componente din ansamblu. De exemplu, invelisul extradaosului aripii unui avion este solicitat la compresiune pe cand aripa este solicitata la incovoiere. Pentru a evita flambajul invelisului extradaosului, se folosesc nervuri.[5] Din cauza rigiditatii mai mari a compozitelor sandwich la incovoiere, se poate admite o distantare mai mare intre nervuri fig .structura devenind mai usoara (Fig.6.)

Elementele componente ale unui compozit sandwich sunt inima, fetele (sau invelisuri) si materialul de lipire (adezivul care le solidarizeaza). Luat separat fiecare component este flexibil, dar impreuna rezulta o structura rigida (figura de mai jos)

Figura 7. Elementele componente ale unui compozit sandwich

Fetele compozitelor sandwich pot fi metalice (aliaje de aluminiu, otel etc) lemn sau din tesaturi (fibre de sticla, fibre de carbon, fibre de aramide etc) impregnate cu diverse rasini (de obicei epoxidice). Cateva exemple de tesaturi preimpregnate cu rasini epoxidice, ar fi tesatura de fibra de sticla Style 7781, tesatura de Kevlar - Style 285 si tesatura de carbon -3K70PW. Rolul fetelor este de a prelua eforturile de incovoiere (identic cu cel al talpii unei grinzi avand profilul I) precum si asigurarea aspectului exterior al structurii (figura de mai jos)[4]:

Figura 8. Fete (sau invelis) al unui compozit sandwich, in profil I

Inima structurii sandwich (miezul) are o densitate mica si preia eforturile de compresiune si eforturile de forfecare, avand in general o rezistenta slaba la incovoiere. Fetele trebuie imbinate corespunzator cu inima, astfel incat tensiunile de forfecare rezultate in urma incovoierii sa se transmita inimii, proiectata special pentru preluarea acestora. Miezul trebuie sa preia si sarcinile de impact care determina strangerea fetei solicitate.[6] De aceea, proprietatile cele mai importante in determinarea tipului de miez folosit sunt: rezistenta la compresiune, rezistenta la forfecare si densitatea materialului.

Materialul de lipire solidarizeaza inima cu invelisurile, preluand eforturile de forfecare orizontale. Acesta poate fi de tip rasina lichida sau sub forma de adeziv.

Materiale de miez

Clasele cele mai importante de structuri inima sunt lemnul (balsa, cedru), structura fagure si spuma expandata. In figura de mai jos sunt prezentate doua tipuri de compozite tip sandwich: cu miez de fagure si cu miez de spuma:

Figura 9. tipuri de compozite tip sandwich: cu miez de fagure si cu miez de spuma:

Inimile din spuma sunt mai ieftine dar in general au proprietati mecanice destul de slabe si stabilitate termica redusa. Comparand doua "inimi" avand aceeasi densitate, una de tip fagure iar cealalta de tip spuma PVC, inima de tip fagure prezinta o rezistenta la forfecare de 2 ori mai mare decat cea de spuma. In figura de mai jos se prezinta comparativ variatia rezistentei la forfecare si compresiune pentru diverse materiale de inima.

Figura10. variatia rezistentei la forfecare si compresiune pentru diverse materiale de inima

In figura 11 sunt comparate din punctul de vedere al pretului, materialele de inima mai utilizate

5. Proprietati ale materialelor compozite cu matrice ceramica

Compozitele cu matrice ceramica sunt materiale compozite destinate in special utilizarii la temperaturi inalte, ele asigurand proprietati chiar la peste 1000⁰C. Comparativ cu metalele si aliajele metalice, acest tip de compozite se bucura de proprietati superioare, datorita: rezistentei ridicate la fluaj, sensibilitatii reduse la ciclul termic, stabilitati structurale ridicate, rezistentei mecanice mari si rezistentei la soc termic.

In alta ordine de idei materialele ceramice prezinta :

Avantaje :

- punct de topire ridicat

- duritate mare

- stabilitate chimica buna

- rezistenta la uzura si la comporesiune foarte buna

- izolant electric sau semiconductor

- lipsa fluajului

- modul de elasticitate ridicat

- densitate mica

- coeficient de dilatare mic

- izolant termic

- nedeformabil plastic

Dezavantaje :

fragilitate

rezistenta mica la tractiune

rezistenta mica la socuri termice si impact

tenacitate slaba

cost ridicat

prelucrabilitate dificila

defectele critice pot provoca fisuri care se propaga mult mai repede decat in cazul metalelor

Pentru a imbunatati proprietatile materialelor ceramice, acestea se ranforseaza cu particule sau fibre, in acest fel rezultand materiale compozite cu matrice ceramica. Ranforsarea matricelor cu particule sau fibre schimba tenacitatea si modul de cedare a acestor componente prin impiedicarea propagarii fisurilor. [1]

6. Materiale compozite polimerice

6.1.Materiale compozite cu matrice de natura polimerica

In compozitele structurale matricea are rolul de a distribui si transfera solicitarile aplicate materialului compozit catre elementele de ranforsare. Astfel de compozite contin matrice de polimer ranforsate cu fibra de sticla, fibre de carbon, fibre de C etc. De asemenea exista si sisteme care urmaresc alte scopuri cum ar fi: stabilitate la actiunea diferitilor agenti, stabilitate la temperaturi inalte si densitate redusa. Polimerul reprezinta cel mai utilizat material pentru matrice datorita costului scazut, densitatii mici, a proprietatilor mecanice acceptabile si a usurintei cu care pot fi obtinuti. In functie de comportamentul termoreologic (adica curgerea si deformatia in timp a corpurilor solide sub actiune termica) matricele de natura polimerica sunt impartite in doua mari categorii : polimeri termoplastici si polimeri termorigizi.

A) polimerii termoplastici sau rasinile termoplastice au o temperatura de topire bine definita si prezinta comportament reversibil la topire (prin incalzire materialul se inmoaie, iar prin racire se intareste, acest proces putandu-se repeta de mai multe ori fara ca materialul sa sufere transformari chimice). Materialele termoplastice se obtin prin procedee clasice cum ar fi turnarea, extrudarea etc.

Polimerii termoplastici clasici precum sunt polietilena, polipropilena, nylon, polistirenul, din cauza fluajului la temperaturi inalte nu pot fi folositi la compozite structurale. Polimerii elaborate mai recent cum ar fi teflonul (PTFE), plexiglasul (PMMA), polieterimidele (PEI), polifenilensulfidele (PPS) si polietereterketonele (PEEK) au o rezistenta buna la temperatura I prezinta rezistenta superioara la impact, ceea ce ii recomanda pentru aplicatiile structurale.

In tabelul de mai jos sunt relevate cateva caracteristici ale polimerilor termoplastici noi

Tabelul 9. Proprietati ale polimerilor termoplastici

Plexiglasul este un material amorf cu foarte bune proprietati optice (permite trecerea luminii in proportie de 92%), rezistenta la conditiile atmosferice etc. Teflonul prezinta o combinatie de proprietati mecanice, electrice, termice, chimice etc care il recomanda pentru a fi utilizat in aplicatii industriale si militare. PEEK este un material care prezinta rezistenta mecanica, rezistenta la oboseala si stabilitate termica. Se utilizeaza in materialele compozite armate cu fibre de sticla si fibre de carbon, avand aplicatii pentru motoarele autovehiculelor, echipamentelor medicale, produse aerospatiale.

B) polimerii termorigizi (termodurificabili) sau rasinile termorigide se prezinta in stare initiala sub forma de monomer iar actiunea caldurii sau unui catalizator rezulta starea finala adica de polimer (prin dezvoltarea de legaturi intre monomeri). Acesti polimeri nu prezinta comportament reversibil la topire. Procesul de obtinere a acestor polimeri se face prin incalzire cu dezvoltarea de reactii ireversibile (dezvoltarea de legaturi incrucisate ale lanturilor de polimeri). La o incalzire ulterioara, peste temperatura de utilizare, polimerul se va descompune inainte de topire si nu mai poate fi utilizat. O proprietate interesanta a acestor polimeri este posibilitatea plasarii lor in stare partial tratata si tinerea in aceasta stare pentru o perioada de timp, inainte de tratarea completa (polimerizare sub influenta temperaturii).

Polimerii termorigizi, se prezinta sub forma de rasini si se pot clasifica astfel:

-rasini poliesterice: pentru compoizitele de larga utlizare, T_{max-utilizare} =60⁰C; acestea se livreaza in general sub trei forme : lichide, amestecuri si preimpregnate. De obicei se utilizeaza ca matrice ranforsata cu fibre de sticla. Domeniul de utilizare a acestui compozit nu include aplicatii structurale, limitandu-se doar la aplicatii din industria casnica (vane, chiuvete), industria chimica (rezervoare), ndustria auto (parti de caroserie)etc.

-rasini epoxidice:pentru compozite structurale, T_{max-utilizare} =6121-177⁰C. termenul de epoxy este un termen general care descrie o familie de polimeri care au la baza in structura moleculara grupari epoxid. O grupare epoxid este o structura oxiran care are atasat la nucleul aromatic un atom de oxygen si doi atomi de carbon. Rasinile epoxidice sunt utilizate pentru preimpregnarea tesaturilor si ca adeziv structural. Temperature de intarire a celor mai folosite rasini epoxidice variaza intre 120-180⁰C. Dintre avantajele acestor materiale se pot aminti: rezistenta si modulul de elasticitate ridicat, nivel scazut de volatilitate, adeziune excelenta, rezistenta chimica buna si usurinta in fabricare. Dezavantajele constau in principal in fragilitate si diminuarea proprietatilor in conditii de umezeala; de asemenea un dezavantaj il consta si costul relativ ridicat comparativ cu poliesterii.

-rasini fenolice : T_{max-utilizare} 70-150⁰C;principalele aplicatii ale materialelor compozite cu matrice din rasini fenolice armate cu fibre continue sunt: ajutajul rachetelor, aripi si ampenaje pentru rachete etc.

-rasini poliutretanice;

-rasini bismaleimide: pentru compozite structurale, T_{max-utilizare} 230-320⁰C. Materialele compozite pe baza de rasini bismaleimide sunt superioare rasinilor epoxidice prin rezistenta mecanica la temperaturi ridicate, precum si prin toleranta la degradare. Materialele compozite pe baza de rasini bismaleimide se preteaza bine pentru aplicatiile din industria aerospatiala cum ar fi: aripa avionului F22Raptor contine cate 320Kg de compozite, majoritatea fiind pe baza de rasini bismaleimide, rezultand materiale compozite de tipul 5250-4/IM-7; grinda de coada a elicopterului Bell 412, contine compozite cu matrice de tipul 5250-4/IM-7; structura reversoarelor de jet ale motoarelor Pratt&Whitney 4168 de pe avionul Airbus A330 este din materiale compozite pe baza de rasini bismaleimide. Spre deosebire de rasinile epoxidice temperatura de "intarire" (polimerizare) a rasinilor bismaleimide este mai crescuta, un ciclu normal fiind de 175⁰C / 6h plus un post tratament 225⁰C / 6h pentru rasina BMI5250-4.

6. Materiale compozite cu fibre de polimer (fibre organice)

Materialele plastice folosite la fabricarea fibrelor de armare a compozitelor por fi de natura poliamidica, poliesterica si polietrafluorelilenica. Cele mai importante fibre de polimer sunt fibrele de Kevlar 29, Kevlar 49, Kevlar 149, Vectran, Spectra 100 si Nomex. Prima fibra de polimer, fibra de Kevlar^TM (poliamida aromatica), a fost fabricate pentru prima data de firma Dupont de Nemours din S.U.A. in anul 1964, prima utilizare comerciala fiind in 1970.

Compozitia chimica a Kevlar-ului si a nomex-ului sunt asemanatoare cu deosebirea cuplarii gruparii aromatice in pozitia par in primul caz, respective pozitia meta, in cel de-al doilea caz.  

Fibrele para-aramide apartin unei clase de materiale cunoscute sub denumirea de polimeri lichizi-cristalini. Deoarece acesti polimeri sunt foarte rigizi, in solutie se pot agrega formand structuri ordonate in siruri paralele. Acestia contrasteaza cu polimerii flexibili conventionali, care se pot ramifica formand structuri spiralate aleatorii in figura este reprezentata orientarea lantului moleculelor polimerilor conventionali si para-aramid Din punct de vedere chimic fibrele de Kevlar (poli-para-fenilen-tereftalamida). Sunt un amestec de carbon, hidrogen, oxigen, si nitrogen. Aceasta fibra este cunoscuta si sub denumirea de PPD-T deoarece este obtinuta prin reactia de condensare a para-fenilendiamina si tereftaloil clorid. Structura aromatica confera stabilitate termica ridicata, iar configuratia para confera rezistenta la tractiune ridicata si modul de elasticitate ridicat. In fabricarea fibrelor de Kevlar, pasul cel mai important a fost elaborarea unei solutii care sa tina lantul moleculelor de polimer intins, fara ca acesta sa se plieze in timpul procesului de tragere in fir.

Astfel se observa ca avem de - a face cu :

polimerizarea-care este procesul in care se leaga intre ele moleculele de acelas tip sau moleculele diferite, iar macromolecula formata, rezultata (denumita polimer) are masa moleculara egala cu suma maselor moleculelor intrate in reactie si aceeasi compozitie procentuala. Polimerul are proprietati fizice si chimice diferite de ale monomerului din care provine.

Policondensarea - se deosebeste de polimerizare prin aceea ca unirea moleculelor initiale (monomerilor) are loc cu eliminarea unor substante cu masa moleculara mica cum ar fi apa, acizi, sau amoniac. Masa moleculara a polimerului obtinut este diferita de suma maselor monomerilor intrati in reactie. Un exemplu in acest sens ar fi : fibrele poliamidice, obtinute prin policondensarea acizilor dicarboxilici cu diaminele. [37]

7. Concluzii :

Tendinta de a realiza materiale cu proprietati superioare a dominat secolul 20. cerinta pe piata este de a obtine produse de cea mai buna calitate, cu eforturi si costuri minime fara a polua. Materialele compozite prezinta un interes stiintific deosebit fiind un inlocuitor perfect al materialelor metalice, permitand rezolvarea unor probleme tehnice care nu pot fi solutionate utilizand materialele clasice.

Astfel materialele compozite datoreaza larga utilizare proprietatilor lor superioare cum ar fi: densitate mica (in cazul fibrelor de sticla 54g/cm³, de carbon 1.8g/cm³, fibre de kevlar 1.45g/cm³ ), au rezistenta foarte buna la coroziune si oxidare, coeficientul de dilatare este mult mai mica decat cel al metalelor, conferind o stabilitate dimensionala, comportare buna la impact, rezistenta la tractiune (mai ales in cazul materialelor compozite armate cu fibre lungi), amortizeaza bine vibratiile, au stabilitate chimica.

Exista insa si dezavantaje, cum ar fi: costul destul de ridicat al materialelor compozite in comparatie cu cel al otelurilor si aliajelor de aluminiu, temperatura pana la care rezista un material compozit depinde de matura matricei acestuia, iar in cazul materialelor compozite polimerice rezistenta la umezeala este destul de scazuta.