Klasa I GPH

Kompozyty
Klasa I GPH
Zawartość
Rozdział I Ogólnie o kompozytach .......................................................................................................2
Rozdział II Charakterystyka kompozytów.............................................................................................3
Rozdział III Właściwości materiałów kompozytowych..........................................................................4
Rozdział IV Zastosowanie Kompozytów...............................................................................................5
1.
Zastosowanie kompozytów w różnych dziedzinach .....................................................................5
Rozdział V Kompozyty – zastosowanie w materiałach konstrukcyjnych ...............................................6
1.
Elementami konstrukcyjnymi są również włókna szklane, węglowe oraz aramidowe:..................6
2.
Włókna i inne elementy wzmacniające w mat. Kompozytowych:................................................7
3.
Technologia SMC i przykłady jej wykorzystywania .......................................................................7
4.
Przykłady elementów z tradycyjnych kompozytów o osnowie termoplastycznej..........................7
Rozdział VI Inne kompozyty : tworzywa syntetyczne..........................................................................8
Autorzy...............................................................................................................................................9
Bibliografia .........................................................................................................................................9
Rozdział I
Ogólnie o kompozytach
Najpierw zacznijmy od definicji kompozytu – jest to materiał utworzony z co najmniej dwóch
składników o różnych właściwościach. Materiałami w pojęciu technicznym nazywa się ciała
stałe, których właściwości czynią je użytecznymi dla człowieka, gdyż wykonuje się z nich
złożone produkty pracy – przedmioty użytkowe, narzędzia, konstrukcje i budowle, maszyny i
pojazdy, broń, dzieła sztuki itp. Kompozyty mogą być złożone z różnych składników takich jak
metal, plastik, tkanina, drewno i inne.
Kompozyt składa się z osnowy z rozmieszczonego w niej drugiego składnika o znacznie
wyższych właściwościach wytrzymałościowych zwanego zbrojeniem.
Podział kompozytów
2
Rozdział II
Charakterystyka kompozytów
Kompozyty to nowa grupa materiałów, której szybki rozwój obserwuje się od lat
sześćdziesiątych. Zainteresowanie kompozytami wynika z dwóch podstawowych
właściwości:
1. Doskonałe parametry mechaniczne i wytrzymałościowe,
2. Mały ciężar obiektu.
Kompozyt składa się z osnowy i zbrojenia, który służy jako wzmocnienie kompozytu.
Osnowa, to materiał wypełniający przestrzeń pomiędzy elementami wzmacniającymi.
Metale i niemetale mogą wykonywać tą funkcje.
W osnowie rozmieszczany jest drugi składnik, zwany ze względu na dużo lepszą
wytrzymałośc niż osnowy, zbrojeniem.
Kompozyty dzielimy na takie, które posiadają :
 Osnowę metalową
 Osnowe polimerową
 Osnowe ceramiczną
W życiu codziennym najczęściej spotykanymi artykułami wykonanymi z kompozytów są
artykuły sportowe. W wyrobach tego typu wykorzystuje się niski ciężar oraz sztywność.
Praktycznie wszystkie wiosła kajakowe i wioślarskie wykonane są z kompozytów. Z
kompozytów wykonuje się maszty żeglarskie, deski surfingowe, narty ramy i osprzęt
rowerowy, kadłuby łodzi i statków.. Materiały te służą do wytwarzania m.in. płyt, profili, rur,
kół zębatych, osłon i obudów, kabin, kiosków, pokryć dachowych i zbiorników.
3
Rozdział III
Właściwości materiałów kompozytowych
Kompozyty charakteryzują się właściwościami nieosiągalnymi dla pojedynczych materiałów.
Wyróżniają je zwiększone: wytrzymałość, charakterystyki zmęczeniowe, odporność na
zużycie, charakterystyki ślizgowe, wysoka odporność na korozję, zarówno w temperaturze
pokojowej jak i w podwyższonej.
Rodzaje poszczególnych połączeń przekładające się na właściwości
 Wprowadzenie cząsteczek ceramicznych typu tlenków, węglików czy grafitu do
stopów aluminium pozwala wytworzyć kompozyty ślizgowe, odporne na ścieranie i o
podwyższonej wytrzymałości.
 Zbrojenie stopów metali włóknami ceramicznymi (węglowymi, włóknami borowymi)
zapewnia wysoki poziom wytrzymałości doraźnej, wysoką wytrzymałość na pełzanie,
jak i wysoką wytrzymałość w podwyższonej temperaturze. Większość tych
materiałów może pracować przez krótki czas nawet w temperaturze bliskiej
temperaturze topnienia osnowy.
 Kompozyty o osnowie stopów tytanu zbrojone włóknami borowymi czy berylowymi
charakteryzują się doskonałymi wskaźnikami właściwymi (wytrzymałością i
sztywnością).
 Cechą charakterystyczną spiekanego aluminium jest stabilność jego struktury w
podwyższonych temperaturach. Natomiast aluminium zbrojone cząsteczkami Al4C3
charakteryzuje się wysoką żarowytrzymałością.
 Kompozyty polimerowe wykazują przewagę nad najważniejszymi stopami
technicznymi w zakresie wskaźników wytrzymałości właściwej i sztywności właściwej.
 Przy wymaganiach najlepszych właściwości oraz najmniejszym ciężarze, kompozyty
polimerowe z włóknami węglowymi dominują nad kompozytami z włóknami
szklanymi. Dominują one również podczas pracy w środowisku wilgotnym i w
podwyższonej temperaturze. Kompozyty z włóknami szklanymi podczas rozciągania
wykazują większe wartości wydłużenia oraz większą zdolność do pochłaniania energii
przy działaniu sił statycznych i dynamicznych.
4
Rozdział IV
Zastosowanie Kompozytów
Zastosowanie kompozytów ceramicznych, metalowych i z osnową z faz międzymetalicznych w czterech
silnikach bombowca B-2 w połączeniu ze szczególnym systemem chłodzenia, wydobywającego się z dysz
strumienia gazu, pozwala na obniżenie jego temperatury z typowej (ok. 800°C) do zaledwie 400°C, co wręcz
uniemożliwia namierzenie samolotu wykrywaczami podczerwieni (na promieniowanie termiczne
zaprogramowana jest większość rakiet do niszczenia samolotów).
Lotnictwo i przemysł kosmiczny
Pod koniec lat sześćdziesiątych rozpoczęto prace wdrożeniowe nad zastosowaniem zaawansowanych
kompozytów w konstrukcji samolotów. Początkowo były to żywice epoksydowe zbrojone włóknem węglowym,
później stosowano włókna boru i grafitowe.
W latach osiemdziesiątych zakres zastosowania kompozytów uległ znacznemu rozszerzeniu, zarówno w
odniesieniu do poszycia kadłuba, jak i silnika oraz hamulców. Rozpoczęła się era polimerowych kompozytów
wysokotemperaturowych, kompozytów metalowych, nadstopów, i kompozytów na bazie ceramiki, zwłaszcza
kompozytów typu węgiel-węgiel (C-C). W odniesieniu do materiałowych rozwiązań w silnikach samolotowych
oczekiwany jest gwałtowny wzrost udziału metalowych i ceramicznych materiałów kompozytowych.
Kompozyty metalowe, stosowane w lotnictwie i aeronautyce powinny uwzględniać wymóg obniżonej gęstości,
co praktycznie ogranicza zastosowanie jako ich osnów metali lekkich (Al, Mg, Ti i Be). Firma 3M, specjalizująca
się m.in. w wytwarzaniu części z kompozytów tytanowych, stosuje naparowywanie próżniowe (zwłaszcza
naparowanie wiązką elektronów) do nanoszenia stopu TiAl6V4 na włókna ciągłe z SiC, uzyskując znakomite
rozmieszczenie fazy zbrojącej w strukturze. Zbrojone włóknami kompozyty Ti/SiCfl znalazły już zastosowanie w
produkcji części podwozia i turbiny silnika nowej generacji, robotów przemysłowych, podzespołów
elektronicznych, sprzętu rekreacyjnego i medycznego.
1. Zastosowanie kompozytów w różnych dziedzinach
-Budownictwo: stolatka okienna,dzwi.
-Lotnictwo
-Stomatologia
-Motoryzacja przy wytwarzaniu karoserii
-Sprzęt sportowy np. deska snowboardowa
-Siłownie wiatrowe - włókna węglowe umożliwiają konstrukcje odpowiednio duże i
lekkie
 -Transport
 -Eksploatacja ropy i gazu z dna morskiego – elementy platform,eksploatacja na dużych
głębokościach- (ciężar elementów, ok. 10 000 ton stali, zmniejszono o 53% dzięki
włóknom węglowym)
 -Budowa większych okrętów,specjalistycznych statków oraz jachtów np. Włoska
korweta klasy "Visby"






5
Rozdział V
Kompozyty – zastosowanie w materiałach konstrukcyjnych
Kompozyty są stosowane jako materiały konstrukcyjne (budownictwo, technika lotnicza i
astronautyka), do produkcji części maszyn, sprzętu sportowego, implantów.
Laminaty są rodzajem kompozytów, to tworzywa powstające z połączenia materiałów o
różnych właściwościach mechanicznych i technologicznych.
Pierwszym elementem jest materiał mający najczęściej postać cienkich włókien lub nici,
który pełni rolę konstrukcyjną, natomiast drugi element jest spoiwem wiążącym ze sobą
elementarne włókna konstrukcyjne i jednocześnie chroniącym je przed czynnikami
zewnętrznymi (np. korozją, promieniowanie UV).
Podsumowując laminat jest tworzywem kompozytowym w którym włókna konstrukcyjne są
ułożone warstwami, w postaci cienkich mat, tkanin lub innych struktur warstwowych
Laminaty są tworzywem zbudowanym z połączonych ze sobą składników m.in. takich jak:

Żelkot będący powłoką zewnętrzną laminatu, która pozwala na uzyskanie
odpowiedniej faktury wyrobu (np. połysk, struktura, inne) i trwałości.

Żywica która w laminacie pełni rolę spoiwa (lepiszcza). W zależności od przeznaczenia
stosowany jest odpowiedni rodzaj żywicy, która zapewnia pożądane właściwości
palno-dymowe, odporność na wysokie temperatury (HDT) oraz ma wpływ na
parametry mechaniczne i elektryczne produktu.

Materiał nośny/ konstrukcyjny, który odpowiada za właściwości fizyko-mechaniczne
laminatu (udarność, wytrzymałość na rozciąganie, sprężystość, wytrzymałość na
ściskanie, itp.).
1. Elementami konstrukcyjnymi są również włókna szklane, węglowe
oraz aramidowe:



Włókno szklane - powstaje poprzez przeciskanie stopionej masy szklanej przez
otwory o bardzo małej średnicy.
W zależności od średnicy i składu włókno takie ma dwa główne zastosowania:
- Światłowody
- Tkaniny i maty szklane
Włókno węglowe (Carbon) - powstaje w wyniku kontrolowanej pirolizy
poliakrylonitrylu i innych polimerów organicznych, składając się prawie wyłącznie, z
rozciągniętych struktur węglowych podobnych chemicznie do grafitu. Ich wysoce
zorganizowana struktura nadaje im dużą wytrzymałość mechaniczną, a fakt, że
składają się prawie wyłącznie z grafitu, powoduje, że są one nietopliwe i odporne
chemicznie. Włókna te są stosowane jako materiał konstrukcyjny w wielu laminatach,
które wspólnie nazywa się czasami "karbonami".
Włókno aramidowe (Kevlar) - aramidy jest to grupa polimerów, rodzaj poliamidów
włóknotwórczych. Ich cechą charakterystyczną jest występowanie w ich łańcuchach
głównych ugrupowań aromatycznych.
Niektóre aramidy zawierają między wiązaniami amidowymi tylko grupy
aromatyczne.
6
2. Włókna i inne elementy wzmacniające w mat. Kompozytowych:







SZKŁO - Wysoka wytrzymałość, mała sztywność, duża gęstość, najniższe koszty.
Zwykle stosowane są typy E (borokrzemianowe) i S (magnezowoglinokrzemianowe)
WĘGIEL - Dostępny jako cechujący się wysokim modułem sprężystości lub dużą
wytrzymałością. Niski koszt, mniejsza gęstośc od szkła.
BOR - Wysoka wytrzymałość i sztywność, najwyższa gęstość, największy koszt.
Wewnątrz ma włókno wolframowe.
ARAMIDY - Największy stosunek wytrzymałości do masy ze wszystkich włókien;
wysoki koszt.
STAL
WOLFRAM
POLIAMID
3. Technologia SMC i przykłady jej wykorzystywania
Technologia SMC - jest masą w płaskim formacie na bazie nienasyconej żywicy poliestrowej,
wzmacnianej włóknem szklanym, zawierającą wypełniacz mineralny. W razie pożaru produkt
nie topi się i nie spala.
Przykłady wykorzystywania – Wiele razy technologia SMC była używana w samochodach
takich jak :
•
Toyota Tacoma
•
Ford Transit
4. Przykłady elementów z tradycyjnych kompozytów o osnowie
termoplastycznej
Termoplast - tworzywo sztuczne, które w określonej temperaturze i ciśnieniu zaczyna mieć
własności lepkiego płynu. Tworzywa termoplastyczne można kształtować przez tłoczenie i
wtryskiwanie w podwyższonej temperaturze a następnie szybkie schłodzenie do temperatury
użytkowej.
Krótkie włókno szklane.
7
Rozdział VI
Inne kompozyty : tworzywa syntetyczne
Tworzywa otrzymane na drodze syntetycznej, zawierające jako podstawowy składnik
polimer otrzymany na drodze polimeryzacji. Tworzywa syntetyczne dzielimy na:
termoplastyczne (po ogrzaniu miękną), termoutwardzalne (przy pierwszym ogrzewaniu
początkowo miękną - można je formować, następnie twardną), chemoutwardzalne
(twardnieją po dodaniu utwardzaczy).
Do tworzyw syntetycznych zaliczamy m.in.: polialkeny, żywice fenylowe, żywice akrylowe,
fenoplasty, aminoplasty, poliamidy, poliuretany, poliwęglany i inne.
Wysokoefektywne tworzywa sztuczne są materiałami przyszłościowymi o doskonałych
właściwościach ślizgowych i odporności na ścieranie, wysokich temperaturach użytkowych,
dużej wytrzymałości mechanicznej, dobrej odporności chemicznej i stabilności wymiarowej a więc spełniają wszystkie warunki, by skutecznie i ekonomicznie zastąpić konwencjonalne
materiały.
Obrabiane mechanicznie tworzywa sztuczne wykorzystywane są w przemyśle lotniczym i
kosmicznym od ponad 40 lat. Materiały takie jak: poliamid 6.6 i poliacetale są tradycyjnie
stosowane jako powierzchnie narażone na ścieranie. Wykonuje się z nich: listwy ochronne,
wsporniki, przetoki, elementy złączne, wszędzie tam, gdzie środowisko i wykonanie
wymagają właściwości polimeru. Do niektórych z tych zastosowań wykorzystuje się
formowanie wtryskowe, podczas gdy w wielu innych występują kształtki wykonane obróbką
mechaniczną.
8
Autorzy
1) Monika Baścik (mniejsze montowanie wszystkiego)
2) Marek Strugiński (materiały)
3) Marek Kocz (materiały)
4) Rafał Pucek (materiały)
5) Marcin Józefowicz (materiały)
6) Łukasz Czarnik (materiały)
7) Krzysztof Jokel (montowanie wszystkiego, materiały)
8) Igor Margol (materiały)
9) Michał Lasek (materiały)
10) Piotr Tomala (materiały)
Bibliografia
http://lamiart.pl/pl.php?s=33,technologie
http://kompozyty.ptmk.net/pliczki/pliki/semVI_3.pdf
http://www.kim.pollub.pl/student/Teoria25.pdf
9