Metodičko konstruisanje uređaja za lijepljenje …...2 T e h n i č k i m a t e r i j a l i Prof....

Prof.dr Darko Bajić Mašinski fakultet Podgorica [email protected]

Kompozitni materijali

2

T e h n i č k i m a t e r i j a l i

Prof. dr Darko Bajić

Mnoga tehnička rješenja zahtijevaju primjenu novih materijala od kojih se zahtijevaju svojstva koja ne posjeduje ni jedan metalni materijal ni njihove legure, niti keramički materijali, a ni polimerni materijali. Ovakvi zahtjevi su prisutni u aerokosmonautici, automobilskoj industriji, brodogradnji itd. Primjer: komponente avionskih motora treba da posjeduju malu gustinu, veliku čvrstoću i

krutost, veliku otpornost na abraziju i koroziju. Ova kombinacija je moguća samo primjenom KOMPOZITNIH MATERIJALA.

Kompozitni materijali se sastoje od dva ili više različitih materijala (konstituenata), koji su čvrsto međusobno povezani. Kompozitni materijali poprimaju najbolja svojstva svojih konstituenata (matrica i ojačavač), a ne rijetko i svojstva koja ne posjeduju konstituenti.

Optimalnim izborom komponentnih materijala (procentualni udio) u strukturi novoformiranog kompozitnog materijala, možemo dobiti materijal sa zahtjevanim svojstvima: čvrstoće, tvrdoće, krutosti, otpornosti na koroziju, otpornosti na habanje, termičke i akustične izolacije i male mase. Napomena: jednovremeno dobijanje svih pomenutih prametara je nemoguće, a i najčešće ne postoji zahtjev za tim.

Composite – (latinski Compositum) – sastavljeno

3



Kategorije kompozitnih materijala: ojačani česticama (beton) ojačani vlaknima (stakloplastika – staklena vlakna+polimer) i laminarni kompozitni materijali (laminat – unakrsno lijepljen furnir).

materijal A

materijal B

materijal A

matrica vlakna matrica čestice

Svojstva kompozitnih materijala zavise od: - svojstava konstituenata (matrice i ojačavača), - zapreminskog udjela konstituenata, - intenziteta veze između konstituenata, - oblika konstituenata i njihovog rasporeda.

4



Rafel francuski višenamjenski dvomotorni borbeni avion

Kompoziti, ugljenična vlakna

Titan

Kevlar Aluminijum litijum

5



Komande leta kao što su krilca, vazdušne kočnice (spojleri) napravljeni su od kompozitnih materijala

6



http://composites.usc.edu/assets/002/68771.jpg

7



http://ftp.rta.nato.int/public/PubFullText/RTO/MP/RTO-MP-069-II/MP-069(II)-(SM1)-01.pdf

B-2 bombarder

8



Prednosti primjene kompozitnih materijala: - lake konstrukcije, - mogućnost izrade konstrukcija složene geometrije, - laka obrada i spajanje, - minimalna naknadna obrada, - otpornost na koroziju, - dimenziona stabilnost u ekstremnim radnim uslovima.

Kompozitni materijali: • Česticama ojačani kompozitni materijal - ako su čestice ravnomjerno raspoređene,

kompozitni matrijal imaće izotropna svojstva. • Vlaknasto ojačan kompozitni materijal - anizotropna ili izotropna svojstva. • Strukturni kompoziti - laminarni kompozitni materijali (samo anizotropna svojstva) i

sendvič konstrukcije .

9



Česticama ojačani kompozitni materijali

- Sadrži veću količinu čestica različitog geometrijskog oblika, ali su približno istih dimenzija u svim pravcima.

- Veličina čestica bitno utiče na svojstvo kompozitnih materijala; preporuka je da prečnik čestica budu <1 µm i da su ravnomjerno raspoređene unutar matrice.

- Kompoziti s disperzijom – prečnik čestice <0,1 μm. - Kompoziti s velikim česticama – prečnik čestice >1 μm. - Najčešće korišćene čestice su oskidi, karbiti i nitridi: Al2O3, SiC, WC ... - Sadržaj čestica takođe utiče na svojstva kompozitnog materijala; potrebni sadržaj čestica

kreće se u intervalu 30-40% zapreminskog učešća. - Modul elastičnosti česticama ojačanog kompozitnog materijala se određuje računski i mora

biti u granicama:

E - modul elastičnosti, V - zapreminski udio komponente, Indeksi c, m i č - kompozit, matrica i čestica

𝐸𝐸𝑐𝑐𝑐𝑐 < 𝐸𝐸𝑐𝑐 < 𝐸𝐸𝑐𝑐𝑐𝑐

𝐸𝐸𝑐𝑐𝑐𝑐 = 𝐸𝐸𝑚𝑚 ∙ 𝑉𝑉𝑚𝑚 + 𝐸𝐸č ∙ 𝑉𝑉č

𝐸𝐸𝑐𝑐𝑐𝑐 =𝐸𝐸𝑚𝑚 ∙ 𝐸𝐸č

𝐸𝐸𝑚𝑚 ∙ 𝑉𝑉𝑚𝑚 + 𝐸𝐸č ∙ 𝑉𝑉č

10



Česticama ojačani kompozitni materijali koriste kombinacije sve tri vrste materijala: metal, keramika i polimer.

Kermeti – to su česticama ojačani kompozitni materijali na bazi kombinacije keramičkih materijala i metala. Najviše korišćeni kermet: čestice volfram karbida (WC) ili titan karbida (TiC), raspoređene su u metalnoj matrici kobalta (vezivno sredstvo).

Kompozit na bazi titan karbida se koristi za alate pri rezanju termički obrađenih čelika. Tvrde čestice karbida obezbjeđuju dobra režuća svojstva za vrijeme obrade, i imaju visoku temperaturu topljenja što im obezbjeđuje rad na povišenim temperaturama. Alati za rezanje od čistog volfram karbida izuzetno su krti. U cilju povećanja žilavosti alata, čestice volfram karbida se kombinuju sa kobaltom u prahu, presuju se i žare na temperaturama koje su veće od temperature topljenja kobalta - rastopljeni kobalt obloži svaku česticu volfram karbida. Za grubu obradu rezanjem potrebno je što više kobalta, čime se povećava žilavost alata. Za završnu, finu obradu rezanjem, treba manja količina kobalta, jer tada istupljene čestice volfram karbida lakše ispadaju, a nove čestice oštrih stranica se pojavljuju.

11



Brušenje Kod tocila za brušenje i sječenje, čestice za ojačanje su od tvrdih čestica aluminijum oksida (Al2O3), silicijum karbida (SiC), bor nitrida (BN) ili dijamanta. Žilavost tocila se povećava povezivanjem abrazivnih čestica pomoću matrice koja je polimerni materijal.

Elektrokontakti Električni kontakti kod prekidača i releja proizvode se od materijala koji su otporni na habanje i imati dobru električnu provodljivost. Koriste se česticama ojačani kompoziti koji se sastoje od srebra kao matrice, ojačanog česticama volframa. Kod kompozita srebro-volfram, potrebnu električnu provodnost obezbjeđuje srebro, dok čestice volframa obezbeđuju zahtjevanu otpornost na habanje.

Mnogi polimerni materijali sadrže razne punioce i suštinski predstavljaju česticama ojačani kompozitni materijal.

Osnovna funkcija ovih kompozita je da su: - otporni na havanje i - otporni na visoke temperature.

12



Vlaknasto ojačani kompozitni materijali

Dobijeni su sjedinjavanjem čvrstih, krutih i krtih vlakana (prekidna i disperzna faza) sa mekom i plastičnom matricom (neprekidna faza). Matrica služi da prenosi opterećenja na vlakna i da obezbjedi potrebnu plastičnost i žilavost, kao i sposobnost oblikovanja, štiti vlakna od spoljašnjeg uticaja. Vlakna služe da nose opterećenje. Mogu imati različit raspored i orjentaciju, što ima veliki uticaj na čvrstoću vlaknasto ojačanih kompozitnih materijala.

matrica vlakna

Neprekidna jednosmjerno orjentisana vlakna Proizvoljno orjentisana isprekidana vlakna

Upravo orjentisana neprekidna vlakna Mnogostruko isprevijana proizvoljno orjentisana vlakna

13



napo

n, R

jed. izduženje, ε

vlakno

matrica

kompozit

lom

Područje I

Područje II

Područje III za

tezn

a čv

rsto

ća -

Rm, N

/mm

2

jed. izduženje - ε, %

3000

2000

1000

0,01 0,02 0,03

E-staklo

S-staklo Kevlar 49

Bor

14



U fati izrade vlaknasto ojačanih kompozitnih materijala, u mogućnostio smo da kontrolišemo i utičemo (koristeći pravila mješanja) na izmjenu pojedinih njihovih svojstava.

Gustina Vm - zapreminski udio matrice Vv - zapreminski udio vlakana ρm – gustina matrice ρv – gustina vlakana

𝜌𝜌𝑐𝑐 = 𝑉𝑉𝑚𝑚 ∙ 𝜌𝜌𝑚𝑚 + 𝑉𝑉𝑣𝑣 ∙ 𝜌𝜌𝑣𝑣

Ako su vlakna neprekidna i jednosmjerno orjentisana: Vm - zapreminski udio matrice Vv - zapreminski udio vlakana σm – električna provodnost matrice σv – električna provodnost vlakan km – toplotna provodnost matrice kv – toplotna provodnost vlakana

Električna i toplotna provodnost

𝜎𝜎𝑐𝑐 = 𝑉𝑉𝑚𝑚 ∙ 𝜎𝜎𝑚𝑚 + 𝑉𝑉𝑣𝑣 ∙ 𝜎𝜎𝑣𝑣

𝑘𝑘𝑐𝑐 = 𝑉𝑉𝑚𝑚 ∙ 𝑘𝑘𝑚𝑚 + 𝑉𝑉𝑣𝑣 ∙ 𝑘𝑘𝑣𝑣

15



Modul elastičnosti

Vm - zapreminski udio matrice Vv - zapreminski udio vlakana Em – modul elastičnosti matrice Ev – modul elastičnosti vlakana

Za opterećenja koja djeluju u pravcu neprekidnih i jednosmjerno orjentisanih vlakana:

𝐸𝐸𝑐𝑐 = 𝑉𝑉𝑚𝑚 ∙ 𝐸𝐸𝑚𝑚 + 𝑉𝑉𝑣𝑣 ∙ 𝐸𝐸𝑣𝑣

Povećanjem napona, matrica vlaknasto ojačnog kompozitnog materijala se deformiše, kriva napon - deformacija nije više prava linija, pa je udio matrice u ukupnoj krutosti kompozita značajno smanjena – njen udio se zanemaruje u prethodnom izrazu.

𝐸𝐸𝑐𝑐 = 𝑉𝑉𝑣𝑣 ∙ 𝐸𝐸𝑣𝑣

Za opterećenje koje djeluje upravno na vlakna, svaka komponenta kompozita djeluje nezavisno jedna od druge, pa je:

1𝐸𝐸𝑐𝑐

=𝑉𝑉𝑚𝑚𝐸𝐸𝑚𝑚

+𝑉𝑉𝑣𝑣𝐸𝐸𝑣𝑣

16



Čvrstoća

Čvrstoća vlaknasto ojačanih kompozitnih materijala zavisi od veze vlakna-matrica. Ograničena je deformacijom matrice, pa je stvarna zatezna čvrstoća Rmc skoro uvijek manja nego vrijednost izračunata po pravilu miješanja.

Vm - zapreminski udio matrice Vv - zapreminski udio vlakana Rmm – zatezna čvrstoća matrice Rvmv– zatezna čvrstoća vlakana

𝑅𝑅𝑚𝑚𝑐𝑐 = 𝑉𝑉𝑚𝑚 ∙ 𝑅𝑅𝑚𝑚𝑚𝑚 + 𝑉𝑉𝑣𝑣 ∙ 𝑅𝑅𝑚𝑚𝑣𝑣

Ukupna čvrstoća vlaknasto ojačanih kompozitnih materijala zavisi od: zatezne čvrstoće vlakana, uzajamnog odnosa dužine i prečnika vlakna – vlakna su duga (neprekidna) ili kratka, zapreminskog udjela vlakana u kompozitu, orjentacije vlakana.

Dimenzije vlakana se definišu uzajamnim odnosom dužine i prečnika (l/d). Sa povećanjem odnosa dužine i prečnika, svojstva kompozitnih materijala se poboljšavaju. Upotreba vlakana sa što je moguće manjim prečnikom daje najmanju površinu, pa samim tim i mali broj površinskih grešaka koje mogu biti inicijatori krtog loma. Vlakna sa većom dužinom su bolja jer krajevi vlakana prenose manji deo opterećenja nego ostatak vlakna.

17



Tehnološki je veoma teško proizvesti i ukomponovati u matricu duga (neprekidna) vlakna. Za razliku od dugih, kratka vlakna se veoma lako spajaju sa matricom, ali stvaraju relativno slabo ojačavanje. Kako bi se obezbijedio neophodni nivo ojačanja, a samim tim i povećala krutost vlaknasto ojačanih kompozitnih materijala, neophodno je da upotrebljena vlakna imaju minimalno potrebnu dužinu - kritičnu dužinu (lc).

Rm – zatezna čvrstoća vlakna τc – smičući napon između vlakna i matrice d – prečnik vlakna

Za veći broj vlaknasto ojačanih kompozitnih materijala.

Neprekidna vlakna

Prekinuta (kratka) vlakna

𝑙𝑙𝑐𝑐 =𝑅𝑅𝑚𝑚 ∙ 𝑑𝑑2 ∙ 𝜏𝜏𝑐𝑐

𝑉𝑉𝑣𝑣 ∙ 𝐸𝐸𝑣𝑣

𝑙𝑙𝑐𝑐 = 20 ÷ 150 ∙ 𝑑𝑑

𝑙𝑙 > 15𝑙𝑙𝑐𝑐

𝑙𝑙 < 𝑙𝑙𝑐𝑐

Zapreminski udio vlakana

Sa povećanjem zapreminskog udjela vlakana u vlaknasto ojačanom kompozitnom materijalu raste njihova čvrstoća i krutost. Kao gornjom granicom, do koje vlakna mogu biti potpuno okružena matricom, smatra se oko 80% zapreminskog učešća vlakana.

18



0 70 140 205 275 (350) (690) (1035) (1380)

Zatezna čvrstoća

Modul elastičnosti

275 (1380)

205 (1035)

140 (690)

70 (350)

90°

60°

45°

30° 0°

Modul elastičnosti, N/mm2

Zatezna čvrstoća, N/mm2 M

odul

ela

stič

nost

i, x1

03 N/m

m2

Zate

zna

čvrs

toća

, N/m

m2

Orjentacija vlakana

Postoje dva ekstremna slučaja: proizvoljna orjentacija vlakana jednosmjerno uređena vlakna.

Kompoziti sa proizvoljnom orjentacijom vlakana, a malim odnosom dužine i prečnika (prekinuta vlakna), ponašaju se izotropno, ali se sa njima ne mogu postići optimalna mehanička svojstva. Vlaknasto ojačani kompozitni materijali sa jednosmjernom orjentacijom vlakana, ako opterećenje deluje u pravcu vlakana, postižu optimalne vrijednosti čvrstoće i krutosti. Ukoliko opterećenje djeluje upravno na pravac vlakana, vrijednosti čvrstoće i krutosti su znatno manje.

Vlaknasto ojačani kompozitni materijali sa jednosmjernom orjentacijom vlakana su anizotropni. Međutim, ako ih opteretimo iz više pravaca, nastaje nepovoljno naponsko stanje.

19



Svojstva vlaknasto ojačanih kompozitnih materijala mogu se poboljšati: paralelnim postavljanjem slojeva neprekidnih vlakana ali sa njihovom različitom orjentacijom u svakom sloju ili korišćenjem tkanine sa različitom orjentacijom vlakana u zavisnosti od načina tkanja.

Plain - biaksijalno tkanje vlakana Satin Triaksijalno tkanje vlakana

Basket Leno Twill Trodimenzionalno tkanje vlakana

20



Materijal vlakana treba da ima dobru čvrstoću, krutost i malu masu – polimer, keramika ili visker. Za kompozite koji se koriste na povišenim temperaturama, ojačavajuća vlakna moraju imati visoku temperaturu topljenja. Čvrstoća se izražava kao specifična čvrstoća Rе/ρ Krutost se izražava kao specifična krutost E/ρ Rе [N/mm2] – napon tečenja (za polimerne materijale zatezna čvrstoća) ρ [kg/cm2] – gustina E [N/mm2] - modul elastičnosti

Specifična krutost, m x 104 0 5 10 15 20

Spec

ifičn

a čv

rsto

ća, m

x 1

04

25

20

15

10

5

Kevlar 29 Kevlar 49

S-staklo

Ugljenična vlakna visoke čvrstoće

Ugljenična vlakna visokog modula

Borna vlakna

E-staklo

Čelik

Aluminijum

- Ojačavajuća vlakna mogu biti polikristalna ili amorfna. - Imaju mali prečnik (~ 0,01 mm). - Vlakna imaju visoku vrijednost zatezne čvrstoće:

- molekuli u vlaknima su orjentisani uzdužno - poprečni presjek je mali (mala vjerovatnoća da

postoje greške kristalne rešetke). - Vlakna mogu biti kratka (l/d=20-60) i duga (l/d=200-500). - Ojačavajuća faza može biti i u obliku čestica ili listića. - Materijali koji se najviše koriste za proizvodnju vlakana su:

staklo, ugljenik, bor, aramid, najlon.

21



Vlaknom ojačan

kompozit

Vlakna

Matrica

Orjentacija u jednom pravcu

Orjentacija u dva pravca

Orjentacija u tri pravca

22



Staklena vlakna

Staklena vlakna se izrađuju izvlačenjem rastopljenog stakla kroz male otvore u alatima od platine i to od dvije vrste stakla:

1. E-staklo, borsilikatno staklo 2. S-staklo, magnezijum-aluminijum oksid-silikat staklo.

E-staklo ima relativno dobru zateznu čvrstoću i modul elastičnosti, a najviše se koristi za izradu dugih - neprekidnih vlakana. S-staklo ima veću vrijednost specifične čvrstoće i krutosti od E-stakla, ali je znatno skuplje. Staklena vlakna imaju najnižu cijenu u odnosu na druga vlakna.

Ugljenična vlakna

Izrađuju se procesom hemijskog razlaganja dugih vlakana poliakrilnitrida (PAN) na povišenim temperaturama:

I faza: stabilizacija II faza: karbonizacija III faza: grafitizacija.

23



PAN vlakna I faza stabilizacija

oksidacija 200-300°C (230°C)

II faza Karbonizacija Vlakna visoke vrijednosti zatezne čvrstoće

karbonizacija 1500-2000°C

III faza Grafitizacija visoka vrijednost modula elastičnosti

grafitizacija 2500-3000°C

I faza: PAN vlakna oksidišu na vazduhu temperature od 200-300 °C u zategnutom stanju. II faza: Stabilisana PAN vlakna se zagrijavaju sve dok se ne prevedu u ugljenična vlakna eliminisanjem 0, H i N. Proces se obavlja u inertnoj atmosferi na temperaturi 1500-2000°C. Vlakna postižu visoku vrijednost zatezne čvrstoće. III faza: Ova faza se koristi ako se zahtijeva visoka vrijednost modula elastičnosti uz smanjenje čvrstoće. Ugljenična vlakna sadrže 93-95% C, a grafitna vlakna sadrže 99% C. Ugljenična vlakna imaju malu gustinu i visoke vrijednosti specifične čvrstoće i krutosti, i znatno su skuplja u odnosu na staklena vlakna.

24



Aramidna vlakna

Aramidna vlakna (Kevlar vlakan) su aromatični poliamidni polimer ojačan benzolovim prstenom. Zbog svoje male gustine ova vlakna imaju najveću specifičnu čvrstoću i krutost. Pod dejstvom opterećenja aramidna vlakna se prije kidanja prvo plastično deformišu. Otporna su na zamor. Sa porastom temperature preko 100°C, svojstva aramidnih vlakana se naglo smanjuju.

Borna vlakna

Borna vlakna sastoje se od bora koji se nanosi postupkom naparavanja na vlakna od volframa (d=0,01 mm). Каkо је osnova ovih vlakana volfram, borna vlakna imaju veliku gustinu, visoke vrijednosti zatezne i pritisne čvrstoće, modula elastičnosti i otporna su na visokim temperaturama.

25



Ostala vlakna

Primjenu za izradu vlakana u cilju ojačavanja faza kod vlaknasto ojačanih kompozitnih materijala, ima:

najlon, silicijum karbid, silicijum nitrid, alummijum oksid, volfram, molibden, bor karbid, bor nitrid, tantal karbida i čelik visoke čvrstoće.

26



Viskerom ojačan kompozit

Visker (monokristalno vlakno) je mali izduženi monokristali kod kog je ekstremno velik odnos dužina/prečnik. Čvrstoća viskera u odnosu na čelik iste debljine je 5 - 10 puta veća. Posjeduju izrazito veliku termootpornost – Tt =2000- 4000°C Prečnik od 0,5-30 μm. Dužina do 20 mm. Viskeri mogu biti od grafita, Al2O3 i SiC.

TiB visker

Kao ojačavajuća faza koriste se viskersi - igličasti kristali (d=1-10 µm), koji imaju ekstremno veliki odnos l/d=100-15.000. Zbog malog prečnika, imaju veliki stepen kristalne savršenosti - izuzetno visoka vrijednosti čvrstoće. Viskersi zbog svoje visoke cijene i problema oko formiranja čvrste veze sa većinom materijala matrice, rijetko se koriste. Viskersi se izrađuju od: grafita, aluminijum oksida, silicijum karbida, silicijum nitrida, bor karbida i hroma.

27



I funkcija matrice: Ona međusobno povezuje vlakna i djeluje kao posrednik koji spoljna opterećenja prenosi i raspoređuje na vlakna.

Materijal matrice treba da je ima sposobnost plastične deformacije pošto su opterećenja koja primaju čvrsta i najčešće krta vlakna, znatno veća od onih što prima matrica.

Neophodno je da modul elastičnosti vlakna bude mnogo veći nego kod matrice. II funkcija matrice: Treba da štiti vlakna od mehaničkih oštećenja ili hemijskih uticaja sredine u

kojoj funcioniše. Površinska oštećenja vlakana su izvori formiranja prslina koje mogu prouzrokovati lom i pri manjim vrijednostima zatežućih napona.

III funkcija matrice: Matrica služi kao barijera širenju prslina. Razdvajanjem vlakana i zahvaljujući njenoj plastičnosti sprečava eventualno širenje krtog loma od vlakna do vlakna, što bi dovelo do konačnog loma konstrukcije. Čak i ako neka pojedina vlakna popuste usled širenja prsline, do loma kompozitnog materijala neće doći, osim ako se veliki broj vlakana odjednom ne prekine, a zatim odvoji i izvuče iz matrice.

Čvrstoća veze vlakna-matrice mora da bude dovoljno velika, kako bi se spriječilo izvlačenje vlakana, čime bi se ugrozila čvrstoća kompozitnog materijala. Kao materijal matrice za vlaknasto ojačane kompozitne materijale koriste se metalni i polimerni materijali, koji posjeduju potrebnu plastičnost. Na povišenim temperaturama od oko 300°C i više, koristi se poliamidna matrica sa ugljenim vlaknima.

28



Materijali matrice najčešće su: epoksidi, poliestri, polietarsulfan, poliamidi i silikon. Upotreba epoksidne smole je velika (do 80% od svih polimera), a zatim poliestera koji je jeftiniji od epoksidnih smola. Za vlaknasto ojačane kompozitne materijale za matrice, koje su izložene povišenim temperaturama od oko 300°C i više, koristi se poliamidna matrica sa ugljenim vlaknima.

Materijal matrice može biti: - Metal - aluminijum, aluminijum-litijum, magnezijum i titan, bakar - Keramika – Al2O3, SiC ... - Polimer - veliki broj termoplastičnih i termostabilnih materijala (poliestarske

smole, epoksidne smole,....).

Specifična krutost, m x 104 0 2,5 5 7,5 10

Spec

ifičn

a čv

rsto

ća, m

x 1

04

1

2 Vlakno/polimerna matrica Vlakno/metalna matrica

Metali

Polimeri

E-st

aklo

-epo

ksid

Titan Čelik Aluminijum

Kevlar - epoksi

Bor-epoksid

HS-ugljenik-epoksid Bor-aluminijum

Bor-titan Ugljenik magnezijum

Zavisno od komponenata vlakno-matrica, vlaknasto ojačani kompozitni materijali su grupisani u tri sistema:

1. vlakno-metalna matrica (MMC – Metal Matrix Comopozites),

2. vlakno-keramička matrica (CMC – Ceramic Matrix Comopozites) i

3. vlakno-polimerna matrica (PMC - Polimer Matrix Comopozites).

29



Vlakno-metalna matrica

Kompozitni materijali sa metalnom matricom, u odnosu na kompozite sa polimernom matricom, imaju veću otpornost na povšenim temperaturama, veću plastičnost i žilavost. Ograničenja - veća gustina i teškoće koje se javljaju u tehnologiji izrade dijelova.

Materijal matrice: aluminijum alumimjum-litijum olovo bakar magnezijum i titan.

Materijal vlakana: grafit aluminijum oksid silicijum karbid i bor sa volframom i berilijumom.

30



Vlakno-matrica Primjena

Grafit – aluminijum Za izradu komponenti satelita, raketa i helikoptera.

Grafit – magnezijum Strukture kosmičkih letilica i satelita.

Grafit – olovo Ploče akumulatora.

Grafit – bakar Za električne kontakte.

Bor – aluminijum Za izradu kompresorskih lopatica, i nosećih struktura.

Bor – magnezijum Za noseće strukture antena.

Bor – titan Za izradu lopatica fena mlaznih motora.

Al2O3 – aluminijum Superprovodnički usporivači u nuklearnim reaktorima.

Al2O3 – olovo Ploče akumulatora.

Al2O3 – magnezijum Konstrukcija prenosa kod helikoptera.

SiC – aluminijum, titan Za izradu komponeti izloženih visokim temperaturama.

SiC – super legure Za izradu komponenti motora izloženih visokim temperaturama.

Molibden,volfram – super legure Za izradu komponenti motora izloženih visokim temperaturama

31



Vlakno-keramička matrica

Posjeduju: - veliku čvrstoću, - veliku krutost, - otporni su na visokim temperaturama, - veoma su krti i - imaju malu žilavost loma.

Keramičke matrice od silicijum karbida, silicijum nitrida i aluminijum oksida zadržavaju visoku čvrstoću i do 1700 °C. Kompozit ugljenik-ugljenična matrica zadržava dobra svojstva i do 3.000 °C. Primjena: komponente mlaznih motora i motora sa unutrašnjim sagorijevanjem, dijelovi opreme podmornica, posude pod pritiskom ....

32



Vlakno-polimerna matrica

Kompozitni materijali ove klase sačinjeni su od polimerne matrice koja je ojačana vlaknima visoke čvrstoće od polimera, metala ili keramike. Posjeduju: - izuzetno dobru kombinaciju čvrstoće, krutosti i male mase, - dobru otpornost na zamor i puzanje, - pri relativno niskim temperaturama gube svoju čvrstoću. Ugljenična (zahtev za velikom krutošću i dobrom žilavosti) i aramidna (gdje je veliko opterećenje) vlakna u polimernoj matrici su najviše korišćeni kompozitni materijali. U novije vrijeme polietilenskih vlakna se koriste kod jako opterećenih dijelove, gdje je neophodna dobra žilavost. Za dijelove izložene dejstvu sila iz raznih pravaca, ojačavajuća vlakna se postavljaju unakrsno u matricu, kao što je to slučaj sa tankozidnim posudama pod pritiskom. Primjena: komponente aviona, raketa, helikopterskih rotora, zaštitnih šlemova, cijevi, posuda pod pritiskom, dijelova karoserije automobila, lisnatih opruga, brodskih korita itd.

33



Vlakno-matrica Primjena

Kevlar-epoksi Kevlar-poliester

Vazduhoplovstvo, aerokosmonautika (komponente space shuttle), brodska korita, sportska oprema (teniski reketi, štapovi za golf, štapovi za pecanje), neprobojni prsluci.

Grafit-polimer Aerokosmonautika, komponente automobila, sportska oprema.

Staklo-polimer Vazduhoplovstvo, aerokosmonautika, automobilska industrija, brodogradnja, sportska oprema, komponente otporne na koroziju.

140 m dug pješački most kompozit-čelik Holandija

34



2005 - US $ 9.4 milijardi 2020 - US $935 milijardi

35



Kompozitni materijali koji se sastoje od vrlo tankih prevlaka od različitih materijala koji se nanose na osnovni materijal, debljih zaštitnih površina, bimetala, oslojenih metala, laminata i vlaknasto ojačanih kompozitnih materijala u obliku tankih slojeva, nazivaju se laminarni kompozitni materijali. Prevashodna namjena: povećanje korozione i abrazivne otpornosti osnovnog materijala i povećanj čvrstoće vlaknasto ojačanih kompozitnih materijala u više ravni.

Na osnovu pravila o miješanju, svojstva laminarnih kompozitnih materijala, kao što su gustina, toplotna i električna provodnost i modul elastičnosti, mogu se proračunati sa malom greškom.

gustina

toplotna provodnost

električna provodnost

modul elastičnosti

Strukturni kompoziti

Laminarni kompozitni materijali

𝜌𝜌𝑐𝑐 = �𝑉𝑉𝑖𝑖 ∙ 𝜌𝜌𝑖𝑖

𝜎𝜎𝑐𝑐 = �𝑉𝑉𝑖𝑖 ∙ 𝜎𝜎𝑖𝑖

𝑘𝑘𝑐𝑐 = �𝑉𝑉𝑖𝑖 ∙ 𝑘𝑘𝑖𝑖

𝐸𝐸𝑐𝑐 = �𝑉𝑉𝑖𝑖 ∙ 𝐸𝐸𝑖𝑖

Svojstva upravno na lamele

toplotna provodnost

električna provodnost

modul elastičnosti

1𝜎𝜎𝑐𝑐

= �𝑉𝑉𝑖𝑖𝜎𝜎𝑖𝑖

1𝑘𝑘𝑐𝑐

= �𝑉𝑉𝑖𝑖𝑘𝑘𝑖𝑖

1𝐸𝐸𝑐𝑐

= �𝑉𝑉𝑖𝑖𝐸𝐸𝑖𝑖

36



Šper-ploča je laminat koji je sačinjen od neparnog broja furnira složenih tako da drvena vlakna furnira budu orjentisana pod pravim uglom u odnosu na prethodni sloj. Otpona je na pojavu prslina i vitoperenje. Sigurnosna stakla su laminat kod koga su dva stakla spojena plastičnim ljepilom. Pri lomljenju stakla, ljepilo sprečava da se komadići rasprše po prostoru. Aral je laminat koji se sastoji od naizmjenično postavljenih slojeva aramidnih vlakana i aluminijuma. Veza među slojevima je ljepilo. Koristi se za izradu oplate aviona.

aluminijum

aluminijum

aluminijum

Aramid-polimer

Aramid-polimer

37



Bimetali su kompozitni materijali koji se sastoje iz dva međusobno čvrsto spojena metala, različitih koeficijenata linearnog širenja. Korišćeni metali za izradu bimetala moraju:

• da imaju veliku razliku u koeficijentima linearnog širenja, • visoku vrijednost modula elestičnosti.

Bimetali se koriste za prekidanje strujnog kola kada temperatura u sistemu prekorači kritičnu vrijednosi. Materijal za bimetale: Invar (nikal-železo), monel (nikal-bakar), magnezijum-nikal-bakar, nikal-hrom-železo ili čisti nikal.

38



Sendvič konstrukcije su specifična vrsta kompozitnih materijala koji imaju malu masu, a visoke vrijednosti specifične čvrstoće i specifične krutosti. Sendvič konstrukcije se sastoji iz dva tanka spoljna sloja i jezgra (saće) koji su spojeni ljepilom ili nekom drugom tehnikom spajanja. Ljepilo se takođe može smatrati strukturnom komponentom kompozita.

ploča

ploča

ljepilo

ljepilo

saće

Sendvič konstrukcija

Sendvič konstrukcije

39



Materijal saća (ispuna) i materijal spoljnih ploča nemaju pojedinačno veliku vrijednost čvrstoće i krutosti, ali sendvič konstrukcija-kompozit posjeduje visoke vrijednosti oba svojstva.

Spoljne ploče sendvič konstrukcije služe da prenose najveći dio opterećenja, i napone usled naprezanja na savijanje. Materijal ploča je: legure aluminijuma, titan, nerđajući čelici, legure nikla, vlaknasto ojačani polimeri i šper ploče. Saće sendvič konstrukcija ima dvije funkcije:

• da razdvoji spoljne ploče i pojavu deformacije upravne na ravan ploča • da obezbijedi određen stepen čvrstoće na smicanje duž ravni koje su upravne na ploče.

Materijal za saće je: ekspandirani polimeri, sintetička guma i balza (vrsta lakog drveta). Još jedna dosta rasprostranjena ispuna, koja se koristi kod sendvič konstrukcija ima oblik saća. To je tanka folija oblikovana u zatvorene ćelije heksagonalnog, kvadratnog, pravougaonog i sinusoidnog oblika sa osom orientisanom upravno na spoljne ploče.

Saće sendvič konstrukcije

40



This image cannot currently be displayed.

41



Sendvič panel

42

Prof.dr Darko R.Bajić

43



44



45



46



Materijal se naziva nanokompozitom ako je bar jedna od faza ima jednu ili više dimenzija (visina, širina, dužina) manju od 100 µm.

Materijali budućnosti: karbonske nanocijevi CNT Karbonske nanocijevi su materijali koji imaju izvanredna mehanička, toplotna i električna svojstva. Pretpostavlja se (u toku su ispitivanja) da će postavljanjem nanocijevi u odgovarajuće matrice, nastali kompoziti imati poboljšana svojstva. Izuzetna krutost i specifična zatezna čvrstoća ugljenikovih nanocijevi čini ih pogodnim za upotrebu kao pojačavača polimernih kompozita.

Karbonske nanocijevi su zanemarljivo male, a identifikovane su kao najjači vlaknasti materijali trenutno. Inženjeri sa Massachusetts Institute of Technology (MIT) koriste ugljenikove nanocijevi koje su debele kao milijarditi dijelovi metra kako bi učiniti oplatu aviona i drugih proizvoda oko 10 puta jačim.

Nanokompoziti

47



Ugljenične nanocijevi

Polimena matrica

48



Biokompoziti

- Čine ih prirodna vlakna biljnog i životinjskog porijeka i biološki nerazgradivi polimeri (duromeri i plastomeri)kao matrica.

ili - Sintetička vlakna i biopolimeri (preradom materije biljnog porijekla).

Prirodna vlakna: - Biljnog porijeka:

• slama, trska, trava, riža, lan, juta, bambus ...

• drvo (meko ili tvrdo) • lišće (banna, palma) • sjeme (kokos).

- Životinjskog porijeka: • dlaka • vuna • svila.

49



biokompozit vlakna konoplje-polietilen

Bio matrica od skroba.

50



biokompozit vlakna konoplje-polietilen Companija JELU (Njemačka) - razvila je kompozit - Matrica - termoplastični skrob (TPS) - Vlakno - drvena vlakna (WPC) Zadovoljava Evropski standard za kompostabilnost DIN EN 13432. http://www.plasticsinfomart.com/jelu-new-compostable-biocomposite/

51



Prednosti prirodnih vlakana: - obnovljivi izvori, - niska cijena - bezbjednost (zdravlje) pri proizvodnji - visoka zvučna izolacija, - mala gustina....

Nedostaci prirodnih vlakana: - njihovom proizvodnjom smanjuju se površine za proizvodnju hrane koja je potrebna

čovjeku, - higroskopna su, - podložna uticaju mikroorganizama i gljivica, - negativan uticaj visokih temperatura, - mehanička svojstva slabija u odnosu na sintetička vlakna ....

52



Osnovna literatura Vitomir Đorđević Mašinski materijali - prvi deo Univerzitet u Beogradu, Mašinski fakultet Beograd 2000 Fotografije (dio) - internet

Metodičko konstruisanje uređaja za lijepljenje …...2 T e h n i č k i m a t e r i j a l i Prof....

Documents

Transcript of Metodičko konstruisanje uređaja za lijepljenje …...2 T e h n i č k i m a t e r i j a l i Prof....