Materiały kompozytowe

Materiały kompozytowePublikacja współfinansowanaze środków Unii Europejskiejw ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Definicja i klasyfikacja materiałów kompozytowychKompozyt — materiał składający się z dwóch lub większej liczbyróżnych materiałów:a) celowo zmieszanych i możliwych do wyodrębnienia metodamimechanicznymib) rozłożonych w kontrolowany sposób w celu nadania optymalnychwłasnościc) posiadających właściwości wyjątkowe i lepsze niż indywidualneskładniki.Składnik ciągły kompozytu, który często występuje w większej ilościnazywany jest osnową lub matrycą. W osnowie osadzone są włóknalub ziarna (cząstki) nazywane napełniaczem, wzmocnieniem lubzbrojeniem.2

Podstawą klasyfikacji kompozytów jest rodzaj materiału osnowy:• metaliczna (głównie stopy aluminium, magnezu, tytanu, niklu)• ceramiczna (węglik krzemu, tlenek aluminium, azotek aluminium),• polimerowa (poliestry, epoksydy — termoutwardzalne, poliamidy, polipropylentermoplastyczne).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 czynnikówzewnętrznych.3

Najczęściej stosowane wzmocnienia to włókna szklane, węglowe(grafitowe), aramidowe (Kevlar), boru, cząstki węglika krzemu SiC, tlenkualuminium Al 2O 3, tlenku cyrkonu ZrO 2.Faza wzmacniająca może mieć postać:•nanocząstek•ziaren (wymiary od kilku do kilkuset mikrometrów np. SAP: spiekany proszek Alwzmocniony 14% Al 2O 3— części obudowy aparatu fotograficznego)•ciętych włókien krótkich o długości rzędu milimetra (np. poliamid wzmocnionywłóknem szklanym- koła zębate w robocie kuchennym)•ciętych włókien długich (od kilku do kilkunastu cm) — maty z włókien szklanych wosnowie poliestrowej do laminowania łodzi•włókien ciągłych (jednokierunkowych lub tkanych w dwóch kierunkach, np.zbiornik cysterny z włókien szklanych w osnowie poliestrowej nawijanych nardzeniu.4

Kompozyty z rdzeniem (komórkowym, piankowym lub innym) orazkompozyty warstwowe (laminaty) nazywają się kompozytamistrukturalnymi.(a)(b)(c)Przykłady kompozytów strukturalnych:a) płyta i rura z laminatub) i c) konstrukcje przekładkowe z rdzeniem z pianki (b), plastra miodu (c)6

Czynniki wpływające na właściwości kompozytów• Właściwości osnowy, właściwości fazy wzmacniającej• Ilość włókien• Geometria fazy wzmacniającej (wielkość cząstek, długość i orientacjawłókien)• Doskonałość powiązania osnowy i fazy wzmacniającej7

Właściwości osnowyWłaściwości osnowy determinują odporność cieplną kompozytu, dlategokompozyty z osnową polimerową można stosować jedynie wtemperaturach do ok. 150°C, (np. z osnową epoksydową utwardzane wtemperaturze 130-180°C), kompozyty z osnową metalową - z metalilekkich Al, Mg do temperatur rzędu 300°C a z Ti rzędu 550°C Jedynieosnowy ze stopów Ni i Co umożliwiają pracę w temperaturach rzędumax. 700-1000°C. Kompozyty z osnową ceramiczną (SiC, Al 2O 3)wytrzymują temperatury do 1650°C a kompozyty węgielamorficzny/włókno grafitowe (z ochronną powłoką SiC) -2700°C (np.dziób wahadłowca kosmicznego).8

Właściwości i ilość fazy wzmacniającej wpływają na gęstość,rozszerzalność cieplną, moduł sprężystości według zależnościokreślanej mianem reguły mieszanin. Dla przykładu gęstośćkompozytu cmożna obliczyć znając gęstości włókien fi osnowy m: c= fV f+ mV mprzy czym do obliczeń najczęściej stosuje się udziały objętościoweV m, V f, V podpowiednio: osnowy, włókien, cząstek. Stosuje się indeksypochodzące z j. angielskiego: c — composite (kompozyt), m — odsłowa matrix (ang. osnowa), f — fibres (włókna), p — particles(cząstki). Udział objętościowy włókien V fwyraża się stosunkiemobjętości zajmowanej przez włókna do objętości całego kompozytu.Wstawiając w równaniu w miejsce gęstości inne wielkości,np. przewodnictwo cieplne, rozszerzalność cieplną możnaprzewidywać jakie będą wybrane własności kompozytu.9

Moduł Younga E, jedną z najważniejszych właściwościmechanicznych potrzebnych konstruktorom (od E i grubościelementu zależy sztywność konstrukcji) można równieżprzewidywać na podstawie reguły mieszanin. Dla pojedynczejwarstwy kompozytu wzmocnionego jednokierunkowymi włóknamiciągłymi przy obciążaniu rozciągającym w kierunku długościwłókien:E c=E mV m+E fV fW kierunku poprzecznym:EcVmEEfmEfVfEm( górna granica na rysunku)(dolna granica na rysunku)Występuje duża anizotropia właściwości kompozytów jednokierunkowych.Moduł sprężystości w kierunku prostopadłym do długości włókien jestzbliżony do modułu osnowy, czyli wielokrotnie mniejszy niż włókien, stądkonieczność budowy konstrukcji warstwowych (laminatów), w którychwłókna są rozłożone pod różnymi kątami, dając pozorną (quasi) izotropięmateriału w płaszczyźnie płyty.10

a) b)(a) układ osi współrzędnych dla pojedynczej warstwy kompozytu z włóknamiciągłymi(b) wykres modułu sprężystości w funkcji ilości włókien kompozytu:epoksydowego o wzmocnieniu z ciągłych, jednokierunkowych włókienszklanych. E ooznacza moduł sprężystości osnowy, E w, V w(tutaj wyjątkowo)odpowiednio moduł sprężystości i udział objętościowy włókien.11

Również w przypadku kompozytów wzmocnionych cząstkami (izotropowych) np.osnowa miedź, wzmocnienie cząstki wolframu, występuje dolna i górna granicawartości modułu sprężystości.GPaGórna granicaDolna granicaW, % masy12

Jednak w większości przypadków własności kompozytu sąskomplikowanymi funkcjami licznych parametrów, szczególnie geometriiułożenia wzmocnienia, więc do przewidywania własności sprężystychstosuje się programy komputerowe, pozwalające na wyznaczenieposzukiwanych własności w oparciu o metody numeryczne.13

Przy ułożeniu chaotycznym, typowym dla mat z włókien ciętych, wzrostwytrzymałości jest bardzo mały w porównaniu do wzmocnienia w postacitkanin ortogonalnych.Jest to głównie wynikiem tego, iż w przypadku mat maksymalna ilośćwłókien, jakie udaje się przesycić, wynosi ok. V f=30%. Uzyskuje sięduże obszary czystej żywicy pomiędzy włóknami, co osłabia materiał.Najbardziej efektywne jest wzmocnienie w postaci włókien ciągłychjednokierunkowych. Nie tylko ilość wzmocnienia jest optymalna (możedochodzić do V f=80% w przypadku jednokierunkowych preimpregnatówwytwarzanych przez wyspecjalizowany przemysł) ale i ułożeniewszystkich włókien w kierunku działania obciążenia rozciągającegowpływa na ogromny wzrost wytrzymałości i sztywności.14

Warunkiem uzyskania optymalnych właściwości kompozytu jestdoskonałe powiązanie osnowy i fazy wzmacniającej (dobra adhezjawłókien i osnowy). Wiąże się to z dobrą zwilżalnością powierzchniwłókien oraz brakiem pęcherzy i pustek (miejsc, gdzie nie docieramateriał osnowy — na granicy włókno/osnowa). Cechy te są związane zmetodą wytwarzania kompozytu. Czasami trzeba wykonywać specjalneoperacje, aby poprawić zwilżalność włókien (np. osnowa aluminiowasłabo zwilża włókna węglowe, trzeba więc na ich powierzchni wytwarzaćodpowiednie powłoki). Przy dużych wymaganiach odnośnie ilości pustek(poniżej 1% w przypadku kompozytów konstrukcyjnych dla lotnictwa)konieczne jest stosowanie metody próżniowego utwardzania wautoklawie.15

aramidoweszklaneżywicaMikrostruktury laminatów(a) poliestrowo/szklanego z widocznymi pęcherzami i obszarami bogatymi wżywicę(b) hybrydowego laminatu: osnowa epoksydowa: wzmocnienie naprzemiennewarstwy włókien szklanych i aramidowych z widocznym dużym obszaremczystej żywicy [Imielińska K., Degradation and damage of advanced laminate polymercomposites due to environmental effects and low velocity impact, wyd. PG 2005]16

Przykłady materiałów kompozytowych i izastosowanieNajwiększe zastosowanie mają obecnie kompozyty polimerowe (ok.90%). Typowe zbrojenie: włókna szklane, węglowe i aramidowe. Wielepolimerów termoplastycznych zawiera celowo wprowadzoną fazęzdyspergowaną, co zalicza je do grupy materiałów kompozytowych.Przykłady elementów wzmocnionych ciętymi włóknami szklanymi: małekoła zębate z poliamidu (nylonu), panewki łożysk ślizgowych z teflonu,nadproża, zderzaki karoserii (Porsche, Peugeot).Typowe kompozyty konstrukcyjne z termoutwardzalnych polimerów tolaminaty poliestrowe wzmocnione ciągłym lub ciętym włóknem szklanymstosowane do budowy kadłubów łodzi i małych jednostek pływających,małych samolotów, samochodów, cystern wiatraków itd.W przypadku elementów dużych i silnie obciążonych m.in. ster pionowy,wysokości, oprofilowanie skrzydeł, łopaty wirnika helikoptera, duże(50-80 m) kadłuby okrętów, wzmocnienie szklane zastępowane jestczęściowo lub całkowicie przez włókna węglowe oraz aramidowe wosnowie żywicy epoksydowej. Często jest to kombinacja tych trzechrodzajów włókien (kompozyt hybrydowy).Przykład kompozytu o osnowie elastomeru: poliizopren wzmocnionynanocząstkami (20-30nm) sadzy, stosowany na opony samochodowe.17

Kompozyty o osnowie metalowej są w większości drogie, dlatego ichzakres zastosowań jest wciąż ograniczony. Najbardziej znane są odlewanelub spiekane elementy z kompozytów o osnowie stopów Al wzmacnianecząstkami węglika krzemu (SiC) lub Al 2O 3, takie jak tarcze hamulcowe, tłokisilników spalinowych, bloki silnikowe, ramy rowerów, końcówki kijówgolfowych i ostrza łyżew hokejowych z Ti/TiC.Zaawansowane kompozyty np. o osnowie stopu Ti lub Al i wzmocnieniu zwłókien węglowych lub boru, stosuje się głównie w lotnictwiei kosmonautyce. Z włókien węglowych w osnowie Al wytwarza się elementykadłuba samolotu, ze stopu Ti wzmocnionego włóknami boru formuje sięłopatki kompresora silnika lotniczego, a korbowody silnika spalinowegomożna otrzymać z kompozytu Ti/ciągłe włókna SiC.Pracujące w ekstremalnie wysokich temperaturach i przy wysokichobciążeniach łopatki turbiny silnika odrzutowego np. ze stopu niklu mogąbyć wzmocnione fazą TiC.18

Zastosowania kompozytów o osnowie ceramicznej obejmująnarzędzia skrawające z dużymi prędkościami, np. z Al 2O 3wzmocnionego wiskersami SiC, elementy silników spalinowych: zaworywlotowe (Nissan), pierścienie tłokowe (Isuzu), komora spalania, wirniki,łopatki turbin spalinowych (Toyota) — z kompozytu SiC/SiC.Kompozyt węgiel/węgiel (z powłoką ochronną SiC) wytrzymujeekstremalne temperatury do 2600°C, jest więc wykorzystywany w takichelementach jak dziób wahadłowca kosmicznego, wykładzina komoryspalania i dysza wylotowa gazów silnika odrzutowego, tarczehamulcowe samochodu Porsche.19

(a) (b) (c )(d) (e) (f)Przykłady zastosowań kompozytów: (a) łódź patrolowa z laminatu poliestrowoszklanego, (b) elementy karoserii samochodu z tłoczywa arkuszowego poliestrowoszklanego, (c) opony z poliizoprenu wzmocnionego 10% sadzy i 3% ciętych włókienaramidowych, (d) rama roweru górskiego z kompozytu: stop Ti wzmocniony 10%cząstek Al 2O 3,(e) tłoki silnika spalinowego (Chevrolet) ze stopu Al wzmocnionego 25%cząstek SiC, (f) tarcza hamulcowa z kompozytu ceramicznego w samochodziePorsche20