C4- CURS MMDP 1

Materiale compozite

�Materiale de armare

C4- CURS MMDP 2

Materiale de armare� Rolul materialului de armare (ramforsare) este de a

creşte caracteristicile mecanice ale materialului compozit nou creat. Aceste caracteristici sunt superioare caracteristicilor mecanice ale fiecărui element constituent luat separat.

� În general materialele de armare se folosesc sub formă de fibre. Fibrele se pot prezenta sub diferite arhitecturi:� fire, � mat-uri,� ţesături.

� În general fibrele pot fi din: sticlă, carbon, aramidă, bor, carbură de siliciu, fibre textile naturale sau fire metalice.

C4- CURS MMDP 3

� Fibrele de sticlă reprezintă materialul de armare cel mai des folosit (se utilizează într-o proporţie de 80 - 85 % din întreaga producţie de MC) pentru compozitele de largă utilizare.

� Fibra de sticlă este un material anorganic, amorf (SiO2) în compoziţia căruia intră ioni de siliciu şi de oxigen.

� În scopul armării MC sticla are o compoziţie ceva mai complexă fiind de mai multe tipuri (E, S, C, H, D, R, etc.) în funcţie de utilizări (sticla E pentru compozite de largă utilizare, sticla D datorită proprietăţilor ei dielectrice se foloseşte în electronică, sticla R datorită înaltei rezistenţe mecanice se foloseşte în compozite de înaltă performanţă).

C4- CURS MMDP 4

� Fibre continue, sunt caracterizate prin valori l/d mari (>1000) sub forma de fire simple (monofilament d>100 µm) sau rasucite(multifilamente), fiind realizate din bor, carbon, sticle, materialeceramice, oţel inoxidabil.

� Fibrele discontinue, se pot produce ca atare sau prinfragmentarea fibrelor cu lungime mai mare. Se pot împărţi în următoarele categorii:� - fibre discontinue lungi, cu l/d = 300 … l000, iar diametrul d =

3 … 10 µm;

� - fibre discontinue scurte, obtinute prin taierea firelor continue sau discontinue lungi, unde l/d ≅ 100, cu l ≤ 300 µm, iar d ≅ 3 µm;

� - fibre discontinue foarte scurte (whiskers), cu dimensiunireduse (d < 1 µm).

C4- CURS MMDP 5

În literatura de specialitate se întâlnesc o serie de denumiri specifice, referitoare lafibrele de ranforsare a compozitelor, figura 18:

� filament sau fir – reprezintă unitatea materialului fibros având diametrul cel mai mic;� bundle (m ănunchi) – termen generic pentru o colecţie de filamente sau fibre paralele;� strand – semifabricat de tip funie nerăsucită format din sute sau mii de filamente;� tow – fuior de fire nerăsucite;� end – această denumire se referă la terminaţia unui grup de filamente;� roving – este format dintr-un număr de yarns, strands, tows sau ends adunate într-o� legătură uşor răsucită sau nerăsucită;� yarn – termen generic pentru mănunchiuri de fire sau strands răsucite, ce este utilizat� în ţesături.� band – bandă formată din mai multe roving-uri;� mat – este o împâslitură din fibre tocate de 30 - 40 mm lungime având orientări� aleatoare, fixate cu un liant, formând astfel o pătură.

C4- CURS MMDP 6

C4- CURS MMDP 7

� Ţesătura 1D sau ţesătura unidirecţională este realizată în aşa fel, încât să preia forţeledoar pe o singură direcţie, 0º, figura 19. Pentru acest tip de ţesătură se folosesc roving-urile din sticlă, poliesterul cu tenacitate ridicată, aramidele sau carbonul.

C4- CURS MMDP 8

C4- CURS MMDP 9

� Ţesăturile 2D sunt caracterizate din punct de vedere structural prin dispunerea firelordupă două direcţii principale, urzeală şi bătătură, figura 20.

� În funcţie de modul de ţesere se pot distinge mai multe tipuri de ţesături, cum ar fi ţesături tip pânză, tip lână, tip satin, figura 21.

C4- CURS MMDP 10

C4- CURS MMDP 11

� Sistemul de legătură (ţesere) influenţează flexibilitatea şiprelucrabilitatea ţesăturii şi influenţează direcţia valorilor maximeale caracteristicilor mecanice. De aceste elemente trebuie săţinem seama când proiectăm piesa din material compozit, ştiindmărimea şi direcţia încărcării mecanice maxime ale acesteia. Grosimea şi gradul de torsionare a fibrelor ţesăturii influenţeazăflexibilitatea, prelucrabilitatea şi caracteristicile mecanice ale materialului de armare.

� Ţesătura echilibrată (urzeala este egală cu bătătura) se recomandă acolo unde sunt necesare valori egale ale rezistenţeimecanice pe două direcţii perpendiculare. Uneori sticla se maiutilizează, la armarea materialelor compozite, şi sub formă de microsfere de sticlă pline sau goale.

� Pornind de la o structură de armare bidimensională, prinpreimpregnare cu răşină se pot obţine materiale compozite de tip semifabricat, precum sunt preimpregnatele unidirecţionale şiţesăturile preimpregnate, figura 22.

C4- CURS MMDP 12

C4- CURS MMDP 13

� Ţesăturile 3D conferă materialului compozit proprietăţi mecanice anizotrope după cele trei direcţii x, y şi z, (figura 23). Aceste ţesături 3D ortogonale au posibilitatea de ţesere în forme complicate, conservă exact poziţia şi alinierea fibrelor şi au o mare rezistenţă la dezlipire (delaminare). Procesul de fabricaţie este insa mai lent, impregnarea este mai dificilă şi costul echipamentului mai ridicat.

C4- CURS MMDP 14

C4- CURS MMDP 15

� Principalele avantaje a tipurilor de compozite ce utilizează ţesătura 4D sunt: � legătura suplimentară (prin raportul straturilor bidimensionale)� împiedică delaminarea,

� posibilitatea ţeserii în forme complicate, � rezistenţa mecanică este conservată la temperaturi superioare,� rezistenţă mare la forfecare interlaminară, � coeficientul de contracţie rămâne scăzut, � rezistă la şoc termic,� conductivitatea termică la carbon/carbon este ridicată,� realizează un grad mare de armare a compozitului.

� Dezavantajele ţesăturii 4D constau în impregnare dificilă şi lentă, proces textil lent şi cu cost ridicat.

C4- CURS MMDP 16

C4- CURS MMDP 17

C4- CURS MMDP 18

C4- CURS MMDP 19

C4- CURS MMDP 20

� La structuri complexe (fig. 28) se pot proiecta tipuri de ţesături care să satisfacă cerinţele mecanice ale acestora.

� Pentru unele structuri utilizate în industriile aerospaţiale, aeronautice, navale etc. sunt necesare rezistenţe mecanice mari în mai mult de trei direcţii. Pentru aceste aplicaţii se recomandă împletiturile şi ţesăturile 4D. Împletiturile 4D se realizează prin introducerea unui nou set de fibre pe direcţia perpendiculară pe straturile împletiturii 3D.

� La proiectarea pieselor trebuie ţinut cont de tipul de ţesătură folosit, de arhitectura acesteia. Folosirea necorespunzătoare a materialului de armare duce la apariţia defectelor în procesul de elaborare al materialului compozit.

C4- CURS MMDP 21

C4- CURS MMDP 22

� Procedeul de formare a panourilor de tip “sandwich” constă întotdeauna în realizarea unui pachet de mai multe straturi plane, din materiale diferite sau identice, strâns legate prin lipire (rigidizate).

� Structurile sandwich pot juca rolul de izolatori termici sau sonori, pereţii preiau solicitările de încovoiere, dar ele sunt utilizate în special datorită rigidităţii lor, comportându-se ca o grindă capabilă să preia diferite încărcări mecanice.

O structură sandwich este constituită din trei elemente de bază, figura 29:

- Învelişurile,- Miezul,- Materialul de lipire care solidarizează miezul cu învelişurile

panourilor, preluând astfel eforturile de forfecare orizontale.

C4- CURS MMDP 23

C4- CURS MMDP 24

Tipuri de fibre de sticla

Fibrele de sticlă reprezintă materialul de armare cel mai des folosit (se utilizează într-o proporţie de 80 - 85 % din întreaga producţie de MC) pentru compozitele de largă utilizare.

Fibra de sticlă este un material anorganic, amorf (SiO2) în compoziţia căruia intră ioni de siliciu şi de oxigen.

� Sticla de tip A (alcali) este obţinută dintr-o sticlă sodo-calcică cu un conţinut apreciabil de oxizi de sodiu şi potasiu şi un conţinut limitat de oxizi de bor şi oxizi bazici, utilizată la armarea materialelor care lucrează în medii lipsite de umiditate.

� Fibrele de sticl ă C (chemical) sunt realizate dintr-o sticlă cu un conţinut mic de oxizi bazici, prezentând o rezistenţă chimică remarcabilă. Sunt folosite mai ales pentru obţinerea materialelorcompozite, destinate condiţiilor de exploatare în medii agresive.

C4- CURS MMDP 25

� Sticla de tip D (dielectric) are un conţinut mare de oxid de bor şi unul foartemic de oxizi alcalini şi alcalino-pământoşi. Această compoziţie asigură o rezistenţă termică mare şi proprietăţi electrice foarte bune. Are constanta dielectrică foarte mică apropiată de cea a sticlei de cuarţ şi o valoare mică a tangentei unghiului de pierdere.

� Sticla de tip E (electrical) este obţinută din borosilicat de calciu şi siliciu. Are rezistivitate electrică mare, este utilizată în scopuri de izolare, iar datorită rezistenţei mecanice şi a rezistenţei la apă şi umezeală este cel mai des utilizat tip de fibră de sticlă pentru structuri.

� Sticla de tip S (strength) este obţinută dintr-o sticlă care conţine oxizi de siliciu, aluminiu. Aceste fibre sunt folosite în scopuri structurale, avândcaracteristici mecanice ridicate, apropiate de cele ale metalelor.

� Sticla de tip R este obţinută din pulbere. Fibrele au o construcţie deosebită, care le conferă o rezistenţă mecanică şi un modul de elasticitate mai mari decât ale sticlei de tip E, motiv pentru care se utilizează la materialele compozite de înaltă performanţă.

C4- CURS MMDP 26

� Fibrele de sticlă pot fi obţinute fie din bile cu diametrul de 20 mm, fie direct din sticla topită la t = 1250 ºC în cuptor şi tragere printr-o filieră din aliaje de platină.

� Obţinerea fibrelor din bile se realizează cu ajutorul instalaţiei din figura. La temperatura de 1250ºC bilele de sticlă se topesc, iar topitura de sticlă rezultată începe să curgă prin ochiurile unei site, sub efectul gravitaţiei. În funcţie de dimensiunile ochiurilor sitei, diametrul filamentelor de sticlă poate fi de 5....15 µm sau chiar mai mic. În continuare filamentele de sticlă trec prin sistemul de răcire şi sistemul de aplicare a tratamentului de impregnare pe suprafaţa filamentelor, după care intră în dispozitivul de asamblare şi de aici fibrele sunt bobinate.

C4- CURS MMDP 27

C4- CURS MMDP 28

Tratamentul plastic realizat la trecerea filamentelor de sticlă prin dispozitivul de tratare are ca scop evitarea deteriorării, prin abraziune, în timpul frecării unui fir de altul, la prelucrarea textilă. Aici filamentele sunt unite într-o singură şuviţă, cu un material constituit dintr-un ameste care conţine unul sau mai mulţi din următorii componenţi:

� - ancolan ţi - uşurează încorporarea fibrei de sticl ă în matrice; con ţine şi agen ţi antistatici ce diminueaz ă încărcarea electrostatic ă,

� - lian ţi (amidon, r ăşini fenolice, epoxidice sau poliesterice) - se aplică pe suprafa ţa filamentelor pentru a le proteja şi a mări aderen ţa răşinii de baz ă,

� - lubrifian ţi (ex. o amidă a unor acizi graşi) - diminuează riscul zgârierii filamentelor reducând coeficientul de frecare mare al sticlei, faciliteaz ă astfel procesul de ţesere a filamentelor de sticl ă,

� - agen ţi de cuplare (compu şi ai cromului) - asigură o bună “udare” sau “uleiere” a sticlei îmbun ătăţind aderen ţa matricei.

După această fază, fibrele de sticlă sunt supuse unor operaţii tehnologice utilizate în industria textilă (răsucire, ţesere, etc.fig.31).

Semifabricatele sunt sub formă de funie tip "STRAND" formată din sute sau mii de filamente de diametre cuprinse între 5 şi 15 µm şi se obţin pe maşini textile clasice.

Sunt necesare diametre aşa de mici deoarece cu cât diametrul filamentului scade cu atât rezistenţa mecanică creşte.

C4- CURS MMDP 29

C4- CURS MMDP 30

C4- CURS MMDP 31

Fibre de carbon

Primele fibre de carbon au fost obţinute prin piroliza fibrelor celulozicenaturale sau a celor regenerate, încă de la sfârşitul secolului al XVIII-lea de către Thomas Edison care le-a folosit drept filamente pentru o lampă incandescentă. Acestea au fost realizate prin carbonatarea bambusului şi a mătasei.

Compozitele ranforsate cu aceste fibre au un domeniu larg de aplicaţie de la echipamente sportive pană la industria aeronautică şi aerospaţială. Fibrele de carbon au rezistenţă specifică şi duritate extrem de mare, ceea ce le fac atractive pentru domeniile în care reducerea masei produselor este importantă.

Proprietăţile fibrelor de carbon pot varia într-un domeniu destul de larg în funcţie de condiţiile de elaborare: inerţie chimică excelentă, stabilitate la temperaturi ridicate, rezistenţă mare la ablaţiune, densitate mică: ρ = 1,4 - 1,8 g/cm³, conductibilitate electrică mare, rezistenţă foarte bună la şoc termic, coeficient de frecare µ mai mic decât al sticlei, conductibilitate termică mică, caracteristici mecanice ridicate, raportul rezistenţă/greutate foarte bun, rezistenţă la abraziune mai mare decât al sticlei.

C4- CURS MMDP 32

Dacă în matrice se introduc şi agenţi de umplere (grafit sau pulbere de bronz),rezistenţa la uzură poate fi apreciabil mărită. Fibrele de carbon sunt utilizate acolo unde se cere o stabilitate termică bună şi rezistenţă la temperaturi ridicate, densitate mică şi izolaţie termică remarcabilă. Deoarece matricea organică aderă foarte bine la fibrele de carbon ele pot fi utilizate şi netratate cu ancolant. Materialele compozite din fibre de carbon şi-au găsit largi utilizări în industriile aeronautică, aerospaţială, navală, constructoare de maşini, în tehnica sportivă şi militară.

� Fibre de aramid ă

Fibrele aramidă au fost produse pentru prima dată în S.U.A. de firma Du Pont de Nemours, sub numele de Kevlar. Acestea sunt fibre sintetice pe bază de poliamide aromatice.

În prezent fibrele aramidice se împart în două categorii:

� fibrele de modul înalt - Kevlar 49 şi Twaron HM;

� fibrele standard - Kevlar 29, Twaron şi HM.50.

C4- CURS MMDP 33

Primele sunt utilizate pentru realizarea unor materiale compozite, pe cândcelelalte sunt utilizate pentru realizarea corzilor, cordajelor şi a cablurilor din construcţia echipamentelor sportive sau a celor din domeniul aerospaţial.

� Kevlar-ul este o fibră de culoare galben pal, este o poliamidă aromatizată obţinută prin sinteză la - 10 ºC şi apoi filată şi etirată pentru a obţine un modul de elasticitate ridicat.

Rezistenţa şi modulul la tracţiune sunt mult mai ridicate, iar alungireamult mai scăzută în comparaţie cu alte fibre organice. Ele posedă rezistenţă mare la flacără şi la temperaturi ridicate, precum şi la solvenţi organici, carburanţi şi lubrifianţi.

Fibrele aramidice sunt destinate obţinerii unor materiale compozite de înaltă performanţă, utilizate în tehnica aerospaţială, în tehnica militară, în tehnica sportivă, în industria automobilelor, în marină.

C4- CURS MMDP 34

� Fibre de azbest

Azbestul este denumirea generică a unor varietăţi de minereuri existente în natură sub formă fibroasă, cu o compoziţie silicatică variabilă şi complexă.

Fibrele de azbest se folosesc ca atare, împletite în şnururi sau prelucratetextil în mat, hârtie sau ţesături, simple sau preimpregnate cu răşină. Fibrele de azbest îmbunătăţesc modulul de elasticitate, duritatea, rezistenţa la tracţiune, rezistenţa la medii şi temperaturi agresive, rezistenţă foarte bună la foc şi au coeficienţi mari de frecare.

În ultimii 10 ani, consumul de azbest a scăzut, datorită restricţiilor impuse de standardele de calitate pentru aer şi pentru limitarea substanţelor poluante la nivele considerate nedăunătoare.

C4- CURS MMDP 35

� Fibre ceramice

Materialele ceramice cu utilizarea cea mai largă în fabricarea fibrelor ceramice de armare pot fi împărţite în trei clase mari: ceramice oxidice (alumina), ceramice neoxidice (nitrura de siliciu, carbura de siliciu, nitrura de bor, etc.) şiamestecuri omogene de oxizi, nitruri, etc. Fibrele ceramice pentru armarea materialelor compozite se prezintă sub formă de monocristale de tip whiskers şide fibre foarte scurte cu lungimea < 10 … 15 mm şi diametrul 1 … 50 µm. Aceste fibre sunt folosite pentru aplicaţii la temperaturi mari, în special asociatecu matrice ceramice, metalice şi polimerice termorezistente.

Fibrele ceramice se elaborează în general prin două metode, şi anume metodadepunerii chimice în fază de vapori (DCV) pe un filament şi metoda injecţiei ceramicelor în stare păstoasă. Materialele compozite polimerice cu fibre de alumină sunt destinate executării structurilor transparente la radar şi a unorelemente de structură solicitate mecanic şi termic.

C4- CURS MMDP 36

� Fibre de bor

Fibrele de bor reprezintă primul material de ranforsare destinat compozitelor de înaltă performantă, fiind obţinute pentru prima dată în 1959 de firma Texaco (U.S.A.). Borul este un material atractiv pentru fabricarea fibrelor datorită masei atomice mai mici decât al carbonului, a modulului de elasticitate aproape de două ori mai mare decât al oţelului şi a densităţii de 2,6 g/cm3.

Dezavantajul principal al fibrelor de bor este faptul că sunt extrem de fragile, astfel ne putând fi obţine prin tragere din topitură. De aceea, tehnologia clasică a producerii fibrelor de bor constă în depunerea borului din fază gazoasă pe un fir subţire de wolfram incandescent cu diametrul de 12 - 13 µm, care este acoperit cu un strat de bor în fază policristalină, astfel rezultând filamente cu diametrul de 100 … 140 µm. Fibrele de bor prezintă interes datorită unor proprietăţi de excepţie: densitate relativ redusă (2,6 g/cm³), rezistenţă la rupere mare (3500 MPa), modul de elasticitate longitudinal mare (400 GPa), punct înalt de topire.

Fibrele de bor se folosesc în general la ranforsarea matricilor epoxidice şi a matricilor metalice cum ar fi cele de Ti, Al, Mg.

C4- CURS MMDP 37

� Fibre naturale

Materialele compozite există din cele mai vechi timpuri în natură. De exemplu lemnul care este format din fibre lungi celulozice într-o matrice de lignină, pânza de păianjen conţine fibre biopolimerice, părul uman, oasele şi muşchii.

� Muşchii striaţi sunt formaţi din fibre musculare legate în fascicule prinţesut conjuctiv.

� Structura osoas ă conţine o serie de lamele concentrice (material de armare) înconjurate de osteoplaste cu osteocite (matricea).

� Pânza de p ăianjen , este un material natural având în componenţă un polimer amorf (îi conferă elasticitate) şi proteine (îi conferă rezistenţă). Mătasea de păianjen este de cinci ori mai rezistentă decât oţelul şi de două ori mai rezistentă decât kevlarul. În viitor se vor găsi soluţii pentru producerea mătasei de păianjen pe alte căi, datorită proprietăţilor mecanice deosebite pe care le are, precum şi datorită avantajului tuturor materialelor naturale de a fi uşor reciclabile.