Kompozyty - instrukcja do cw 1 i 2

1
MATERIAŁY POMOCNICZE DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH
Materiałoznawstwo III
Materiały kompozytowe
(opracowanie: dr hab. inż. Krystyna Imielińska)
1. Definicja i klasyfikacja materiałów kompozytowych
Kompozytem nazywa się materiał składający się z dwóch lub większej ilości różnych materiałów: a/
celowo zmieszanych i możliwych do wyodrębnienia metodami mechanicznymi, b/ rozłożonych w
kontrolowany sposób w celu nadania optymalnych własności, c/ posiadających własności wyjątkowe i
lepsze niż indywidualne składniki.
Składnik ciągły kompozytu, który często występuje w większej ilości nazywany jest osnową lub matrycą
(matrix). W osnowie osadzone są włókna lub ziarna (cząstki) nazywane ogólnie napełniaczem (filler)
wzmocnieniem lub zbrojeniem (reinforcement).
Wyróżnia się podstawowe osnowy:
Metaliczne, ceramiczne, polimerowe, co daje podstawę do klasyfikacji kompozytów o osnowie:
 metalicznej (głównie stopy aluminium, magnezu, tytanu, niklu)
 ceramicznej (węglik krzemu, tlenek aluminium, azotek aluminium)
 polimerowej (poliestry, epoksydy - termoutwardzalne, poliamidy, polipropylen- termoplastyczne)
Osnowa w materiale kompozytowym spełnia następującą rolę:
 spaja włókna w elemencie konstrukcji,
 jest odpowiedzialna za przenoszenie obciążeń na włókna,
 chroni włókna przed zniszczeniem na skutek oddziaływania czynników zewnętrznych
Najczęściej stosowane wzmocnienia to włókna szklane, węglowe (grafitowe), aramidowe (Kevlar), boru,
cząstki węglika krzemu SiC, tlenku aluminium Al2O3, tlenku cyrkonu ZrO2.
Faza wzmacniająca może mieć postać (rys. 1) :
 nanocząstek,
 ziaren (wymiary od kilku do kilkuset mikrometrów np. spiekany proszek Al wzmocniony 14%
Al2O3 - części obudowy aparatu fotograficznego),
 ciętych włókien krótkich o długości rzędu milimetra (np. poliamid wzmocniony włóknem szklanymkoła zębate w robocie kuchennym),
 ciętych włókien długich (od kilku do kilkunastu cm)- maty z włókien szklanych w osnowie
poliestrowej do laminowania łodzi,
 włókien ciągłych (jednokierunkowych lub tkanych w dwóch kierunkach, np. zbiornik cysterny z
włókien szklanych w osnowie poliestrowej nawijanych na rdzeniu.
Rys. 1 Rodzaje i geometria fazy wzmacniającej: a/ nanocząstki (nanowłókna), b/ ziarna (cząstki) o
rozmiarach mikrometrycznych, c/ włókna cięte (krótkie lub długie), włókna ciągłe (jednokierunkowe
lub tkane w dwóch kierunkach np.
1
2
Cechy geometryczne elementów wzmacniających dają podstawę do podziału kompozytów na włókniste
i ziarniste (wzmacniane cząstkami).
Kompozyty z rdzeniem (komórkowym, piankowym lub innym) oraz kompozyty warstwowe (laminaty)
nazywamy kompozytami strukturalnymi.
(a)
(c)
(b)
Rys. 2 Przykłady kompozytów strukturalnych: a/ płyta i rura z laminatu, b,c/ konstrukcje przekładkowe z
rdzeniem z pianki (b), plastra miodu (c).
2. Czynniki wpływające na własności materiałów kompozytowych
Własności kompozytu uzależnione są od następujących czynników:
 Własności osnowy, własności fazy wzmacniającej,
 Ilości włókien
 Geometrii fazy wzmacniającej (wielkość cząstek, długość i orientacja włókien).
 Doskonałości powiązania osnowy i fazy wzmacniającej
Własności osnowy i włókien. Własności osnowy determinują odporność cieplną kompozytu, dlatego
0
kompozyty z osnową polimerową można stosować jedynie w temperaturach do ok. 150 C, (np. z
0
osnową epoksydową utwardzane w temperaturze 130-180 C), kompozyty z osnową metalową - z metali
0
0
lekkich Al, Mg do temperatur rzędu 300 C a z Ti rzędu 550 C Jedynie osnowy ze stopów Ni i Co
0
umożliwiają pracę w temperaturach rzędu max. 700-1000 C. Kompozyty z osnową ceramiczną (SiC,
0
Al2O3) wytrzymują temperatury do 1650 C a kompozyty węgiel amorficzny/włókno grafitowe (z ochronną
0
powłoką SiC) - 2700 C (np. dziób wahadłowca kosmicznego).
Własności i ilość fazy wzmacniającej wpływają na
gęstość, rozszerzalność cieplną, moduł
sprężystości według zależności określanej mianem reguły mieszanin. Dla przykładu gęstość kompozytu
c można obliczyć znając gęstości włókien f i osnowy m:
c = fVf + mVm
(1)
przy czym do obliczeń najczęściej stosuje się udziały objętościowe V m, Vf, Vp odpowiednio: osnowy,
włókien, cząstek. Stosuje się indeksy pochodzące z j. angielskiego: c- composite (kompozyt), m - od
słowa matrix (ang. osnowa), f- fibres (włókna), p particles (cząstki), Udział objętościowy włókien V f
wyraża się stosunkiem objętości zajmowanej przez włókna do objętości całego kompozytu.
Wstawiając w równaniu (1) w miejsce gęstości inne wielkości, np. K – przewodnictwo cieplne,
rozszerzalność cieplną można przewidywać jakie będą wybrane własności kompozytu. Moduł Younga E,
jedną z najważniejszych właściwości mechanicznych potrzebnych konstruktorom (od E i grubości
elementu zależy sztywność konstrukcji) można również przewidywać na podstawie reguły mieszanin dla
pojedynczej warstwy kompozytu wzmocnionego jednokierunkowymi włóknami ciągłymi przy obciążaniu
rozciągającym w kierunku długości włókien (1 na rys. 3).
Ec=EmVm+EfVf
( górna granica na rys. 3b)
(2)
W kierunku poprzecznym (2) moduł oblicza się z zależności (3)
Ec 
Em E f
(3)
(dolna granica na rys. 3b)
Vm E f  V f Em
2
3
Obliczenia wskazują na dużą anizotropię własności kompozytów jednokierunkowych, (moduł sprężystości
w kierunku prostopadłym do długości włókien jest zbliżony do modułu czystej osnowy, czyli wielokrotnie
mniejszy niż włókien, stąd konieczność budowy konstrukcji warstwowych (laminatów) w których włókna
są rozłożone pod różnymi kątami (rys. 2a) dając pozorną (quasi) izotropię materiału w płaszczyźnie
płyty.
(a)
(b)
Rys. 3 (a) Układ osi współrzędnych dla pojedynczej warstwy kompozytu z włóknami ciągłymi, (b) wykres
modułu sprężystości w funkcji ilości włókien kompozytu: epoksydowego o wzmocnieniu z ciągłych,
jednokierunkowych włókien szklanych. Eo oznacza moduł sprężystości osnowy, Ew, Vw (tutaj wyjątkowo
zamiast oznaczenia włókien f jest w ) odpowiednio moduł sprężystości i udział objętościowy włókien.
Również w przypadku kompozytów wzmocnionych cząstkami (izotropowych) np. osnowa: miedź
wzmocnienie cząstki wolframu, zależności (2, 3) przedstawiają odpowiednio dolną i górną granicę
wartości modułu sprężystości (rys. 4).
E,GPa
Ec  E m Vm  E p Vp
Ec 
Em E p
Vm E p  V p Em
Rys. 5 Wpływ sposobu rozłożenia włókien na
wytrzymałość na rozciąganie kompozytu.
Rys. 4 Zależność modułu sprężystości kompozytu
Cu/Wp w funkcji ilości cząstek wolframu.
Callister
Jednak w większości przypadków własności kompozytu są skomplikowanymi funkcjami licznych
parametrów, szczególnie geometrii ułożenia wzmocnienia, więc do przewidywania własności
sprężystych stosuje się programy komputerowe pozwalające na wyznaczenie poszukiwanych własności
w oparciu o metody numeryczne.
Wytrzymałość kompozytu jest własnością szczególnie trudną do przewidywania, gdyż uzależniona jest
silnie od siły wiązania pomiędzy osnową i fazą wzmacniającą (ma związek z techniką wytwarzania
kompozytu) i dla takiego samego składu można otrzymać całkowicie różne własności kompozytu. W
przypadku wysokowytrzymałych włókien ciągłych wytrzymałość jest zdominowana przez własności
włókien. Przy założeniu idealnego połączenia włókien i osnowy można określić maksymalną
3
4
wytrzymałość na rozciąganie c* pojedynczej warstwy kompozytu z włóknami ciągłymi
1
jednokierunkowymi w kierunku długości włókien jako iloczyn wytrzymałości na rozerwanie f* i ilości i
włókien.
c* = f*Vf
(4)
Wpływ orientacji wzmocnienia włóknistego w odniesieniu wytrzymałości na rozciąganie kompozytu
zilustrowano na rys. 5 . Przy ułożeniu chaotycznym, typowym dla mat z włókien ciętych, wzrost
wytrzymałości jest bardzo mały w porównaniu do wzmocnienia w postaci tkanin ortogonalnych. Należy
zwrócić jednak uwagę, że jest to głównie wynikiem tego iż w przypadku mat maksymalna ilość włókien
jakie udaje się przesycić wynosi ok.Vf= 30%. Uzyskuje się duże obszary czystej żywicy pomiędzy
włóknami co osłabia materiał. Najbardziej efektywne jest wzmocnienie w postaci włókien ciągłych
jednokierunkowych. Nie tylko ilość wzmocnienia jest optymalna (może dochodzić do Vf=80% w
przypadku jednokierunkowych preimpegnatów wytwarzanych przez wyspecjalizowany przemysł) ale i
ułożenie wszystkich włókien w kierunku działania obciążenia rozciągającego wpływa na ogromny wzrost
wytrzymałości i sztywności.
Warunkiem uzyskania optymalnych właściwości kompozytu jest doskonałe powiązanie osnowy i fazy
wzmacniającej (dobra adhezja włókien i osnowy). Wiąże się to z dobrą zwilżalnością powierzchni
włókien oraz brakiem pęcherzy i pustek (miejsc gdzie nie dociera materiał osnowy- (patrz rys. 6) na
granicy włókno/osnowa. Cechy te są związane z metodą wytwarzania kompozytu. Czasami trzeba
wykonywać specjalne operacje aby poprawić zwilżalność włókien ( np. osnowa aluminiowa słabo zwilża
włókna węglowe trzeba więc na ich powierzchni wytwarzać odpowiednie powłoki). Przy dużych
wymaganiach odnośnie ilości pustek (poniżej 1% w przypadku kompozytów konstrukcyjnych dla
lotnictwa) konieczne jest stosowanie metody próżniowego utwardzania w autoklawie).
(a)
(b)
aramidowe
szklane
żywica
Rys. 6 Mikrostruktury kompozytów włóknistych (a) poliestrowo/ szklanego z widocznymi pęcherzami (b)
kompozytu epoksydowego o wzmocnieniu z włókien aramidowych i szklanych: widoczny duży obszar
czystej żywicy [Imielińska K., Degradation and damage of advanced laminate polymer composites due to
environmental effects and low velocity impact, wyd. PG 2005].
3. Przykłady materiałów kompozytowych i ich zastosowania
Największe zastosowanie w przemyśle znajdują obecnie kompozyty polimerowe (ok. 90%). Typowe
zbrojenie polimerów to włókna szklane, węglowe i aramidowe. Wiele spośród znanych polimerów
termoplastycznych zawiera celowo wprowadzoną fazę zdyspergowaną, co zalicza je do grupy
materiałów kompozytowych. Przykładem mogą być elementy maszyn wzmocnione ciętymi włóknami
szklanymi: np. małe kola zębate z poliamidu (nylonu), panewki łożysk ślizgowych z teflonu, nadproża,
zderzaki karoserii (Porsche, Peugeot) z polipropylenu wzmocnionego włóknami szklanymi ciągłymi
(40%).
Typowe kompozyty konstrukcyjne z polimerów termoutwardzalnych to laminaty (kompozyty warstwowe)
poliestrowe wzmocnione ciągłym lub ciętym włóknem szklanym stosowane do budowy kadłubów łodzi i
małych jednostek pływających jak również małych samolotów, samochodów, cystern wiatraków itd. We
wszystkich tych zastosowaniach w przypadku elementów dużych i silnie obciążonych m.in ster pionowy,
wysokości, oprofilowanie skrzydeł, łopaty wirnika helikoptera, duże (50-80m) kadłuby okrętów,
wzmocnienie szklane zastępowane jest częściowo lub całkowicie przez
włókna węglowe oraz
1
dla najczęstszego przypadku, czyli włókien znacznie wytrzymalszych niż osnowa
4
5
aramidowe w osnowie żywicy epoksydowej. Często jest to kombinacja tych trzech rodzajów włókien
(kompozyt hybrydowy). Przykładem kompozytu o osnowie elastomeru jest poliizopren wzmocniony nanocząstkami (20-30nm) sadzy stosowany do budowy opon samochodowych.
Kompozyty o osnowie metalowej są w większości drogie dlatego ich zakres zastosowań jest wciąż
ograniczony. Najbardziej znane są odlewane lub spiekane elementy z kompozytów o osnowie stopów Al
wzmacniane cząstkami węglika krzemu (SiC) lub Al2O3, takie jak tarcze hamulcowe, tłoki silników
spalinowych, bloki silnikowe, ramy rowerów raz końcówki kijów golfowych i ostrza łyżew hokejowych z
Ti/TiC.
Zaawansowane kompozyty np. o osnowie stopu Ti lub Al i wzmocnieniu z włókien węglowych lub boru
stosuje się głównie w lotnictwie i kosmonautyce. Z włókien węglowych w osnowie Al wytwarza się
podłużnice kadłuba samolotu, ze stopu Ti wzmocnionego włóknami boru formuje się łopatki kompresora
silnika lotniczego a korbowody silnika spalinowego można otrzymać z kompozytu Ti/ciągłe włókna SiC.
Pracujące w ekstremalnie wysokich temperaturach i przy wysokich obciążeniach łopatki turbiny silnika
odrzutowego np. ze stopu niklu mogą być wzmocnione fazą TiC.
Zastosowania
kompozytów o osnowie ceramicznej obejmują
narzędzia skrawające z dużymi
prędkościami np. z Al2O3 wzmocnionego wiskerami SiC, elementy silników spalinowych: zawory wlotowe
(Nissan), pierścienie tłokowe (Isuzu), komora spalania, wirniki, łopatki turbin spalinowych (Toyota) – z
kompozytu SiC/SiC.
0
Kompozyt węgiel/węgiel (z powłoką ochronną SiC) wytrzymuje ekstremalne temperatury do 2600 C, jest
więc wykorzystywany w takich elementach jak dziób wahadłowca kosmicznego, wykładzina komory
spalania i dysza wylotowa gazów silnika odrzutowego, tarcze hamulcowe samochodu Porsche.
(a)
(b)
(c )
(d)
(e)
(f)
Rys. 7. Przykłady zastosowań materiałów kompozytowych: (a) łódź patrolowa z laminatu poliestrowo
szklanego, (b) elementy karoserii samochodu z tłoczywa arkuszowego poliestrowo szklanego, (c) opony
z poliizoprenu wzmocnionego 10% sadzy i 3% ciętych włókien aramidowych, (d), rama roweru górskiego
z kompozytu: stop Ti wzmocniony 10% cząstek Al2O, (e) tłoki silnika spalinowego ( Chevrolet) ze stopu Al
wzmocnionego 25% cząstek SiC (f) budowa włókna aramidowego
5
6
Kompozyty polimerowe warstwowe
Najczęściej stosowanym i najtańszym zbrojeniem w kompozytach polimerowych są włókna szklane,
wytwarzane ze stopionego szkła (mieszanina tlenków SiO2, Al2O3, CaO) przepuszczanego przez filiery i
nawijanego na bębny (rys. 8a). Włókno szklane ma średnicę ok. 10m, jest bardzo wytrzymałe
3
(Rm=1500-2500 MPa) ale niezbyt sztywne (E=70 GPa) i relatywnie ciężkie (= 2,5 MG/m ). Dlatego do
budowy lekkich, odpowiedzialnych konstrukcji stosuje się sztywniejsze, lżejsze i wytrzymalsze ale
znacznie droższe włókna węglowe (Rm=2000-4000 MPa. E= 200-600GPa) i aramidowe (Rm=2800-3600
MPa E=125GPa). Na rys. 8b przedstawiono mikrofotografię włókna węglowego (średnica ok. 5m)
otrzymanego z polimeru PAN.
3
Włókna aramidowe (odmiana nylonu) są lżejsze niż węglowe (1,44 MG/m w porównaniu do 1,7-2,2
3
MG/m dla włókien węglowych) i trudne do przerwania ze względu na strukturę złożoną z nano-fibryl na
które rozdziela się włókno (rys 8c), stąd wyjątkowa odporność udarowa i ścierna laminatów
zawierających te włókna. Włókna aramidowe wprowadza się często w konstrukcjach z włókien
węglowych (kruchych), aby zmniejszyć ryzyko pękania.
(a)
(b)
(c)
Rys. 8. a/ Schemat operacji wytwarzania włókien szklanych, b/ mikrofotografia włókna węglowego
otrzymanego z polimeru PAN, c/ fibrylowa budowa włókna aramidowego
4. Postaci włókien i wpływ orientacji włókien na wytrzymałość kompozytu
Włókna stosowane do wyrobu konstrukcji z włóknistych kompozytów polimerowych mogą mieć postać: a/
rowingu (pasmo kilkuset nieskręconych włókien podobne do „sznura” nawiniętego na bęben) (rys. 9a ),
b/ mat z włókien ciętych (rys. 9b) otrzymywanych przez cięcie rowingu na kilku-, kilkunasto-centymetrowe
odcinki, i sprasowanie do postaci maty zwijanej w bele o różnej szerokości (najczęściej rzędu 2m) c/
tkanin ortogonalnych (rys. 8c), tkanin 3D (tkanych przestrzennie do postaci odwzorowującej dany kształt
elementu i stanowiący gotową preformę włóknistą (rys. 9d). Pasma rowingu zszyte nicią lub sprasowanie
z podłożem (lepiszcze) określane są jako dają tkaniny rowingowe jednokierunkowe. Rowing jest też
stosowany jako materiał przeznaczony do cięcia na kawałeczki w pistolecie służącym do metody
natryskowej (rys. 10b). Z rowingu można wykonywać bezpośrednio elementy o kształcie obłym przez
nawijanie włókien zanurzonych w żywicy na rdzeniu.
6
7
(a)
(c)
(b)
(d)
(e)
Rys. 9. Postacie zbrojenia włóknistego: a/ rowing, b/ mata z włókien ciętych, c/ tkania ortogonalna . d/
preforma z włókien 3D (krawędź natarcia skrzydła samolotu), e/ preimpregnat z włókien ciągłych
jednokierunkowych.
Do wytwarzania odpowiedzialnych elementów kompozytowych stosuje się preimpregnaty czyli włókna w
postaci tkanin wstępnie przesyconych żywicą. Włókna układa sie w postaci pojedynczej warstwy na
ochronnym podłożu z taśmy papierowej lub z tworzywa, przesyca żywicą, przykrywa górna warstwa
ochronną i przewalcowuje powodując usunięcie nadmiaru żywicy. Następnie zwija się uzyskaną taśmę
(szerokość od kilkunastu cm do 2 i wiecej metrow) w bele które są przechowywane w lodówkach przez
okres ok. 6 miesięcy i w tym okresie mogą być użyte do wykonania konstrukcji kompozytowej
(najczęściej utwardzanej metodą autoklawową lub worka próżniowego.
Postać zbrojenia ma istotny wpływ na wytrzymałość kompozytu ze względu na typowe przestrzenne
rozłożenie zbrojenia, (które zostało wymienione jako czynnik decydujący o wytrzymałości konstrukcji
kompozytowej i omowione na rys. 5 dla przypadku pojedynczej warstwy kompozytu).
7