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
Top Related