1. Introducere
Materialele compozite au fost concepute pentru a înlocui, într-o proporţie tot mai mare, materialele tradiţionale feroase şi neferoase, care sunt caracterizate de unele neajunsuri referitoare la performanţele, procedeele de obţinere şi prelucrare, gabarite, mase, complexităţi geometrice, domenii de utilizare şi costuri importante.
Materialele compozite sunt materiale cu proprietăţi anizotrope, formate din mai multe componente, a căror organizare şi elaborare permit folosirea celor mai bune caracteristici ale componentelor.
Din punct de vedere tehnic, noţiunea de materiale compozite se referă la materialele care posedă următoarele proprietăţi:
Ø sunt create artificial, prin combinarea diferitelor componente;
Ø reprezintă o combinare a cel puţin două materiale deosebite din punct de vedere chimic, între care există o suprafaţă de separaţie distinctă;
Ø prezintă proprietăţi pe care nici un component luat separat nu le poate avea.
Avantajul major, esenţial al compozitelor constă în posibilitatea modulării proprietăţilor şi obţinerea în acest fel a unei game foarte variate de materiale, a căror utilizare se poate extinde în aproape toate domeniile de activitate tehnică.
Practic, materialele compozite sunt formate dintr-o matrice (plastică, ceramică sau metalică) şi elemente de armare (ranforsanţi), care sunt dispuse în matrice în diferite proporţii şi orientări. Armătura conferă materialului compozit o rezistenţă ridicată şi reprezintă elementul principal de preluare a sarcinii, iar matricea are rolul de material de legătură între elementele de armare şi mediul de transfer al sarcinii exterioare spre acestea.
În general, aceste două faze nu reacţionează între ele şi se aleg astfel încât să fie inerte una faţă de cealaltă în condiţiile utilizărilor.
Materialele compozite prezintă o serie de avantaje între care se menţionează:
Ø masă volumică mică în raport cu metalele (de exemplu compozitele din răşini epoxidice armate cu fibre de siliciu, bor şi carbon au masă volumică sub 2 kg/dm3)
Ø rezistenţă mare la tracţiune (compozitul denumit Kevlar, polimer organic cu fibre de aramide, are o rezistenţă la tracţiune de două ori mai mare decât a sticlei);
Ø coeficient de dilatare foarte mic în raport cu metalele;
Ø rezistenţă la şoc ridicată;
Ø durabilitate ridicată
Ø capacitate mare de amortizare a vibraţiilor;
Ø siguranţă mare în funcţionare (ruperea unei fibre dintr-o piesă din material compozit nu constituie amorsă de rupere);
Ø consum energetic scăzut şi instalaţii mai puţin costisitoare în procesul de obţinere, în raport cu metalele;
Ø rezistenţă chimică şi rezistenţă mare la temperaturi ridicate (fibrele de Kevlar, teflon şi hyfil până la 500oC, iar fibrele ceramice de tip SiC, Si3N4, şi Al2O3 între 1400oC şi 2000oC).
În tabelul de mai jos, se prezintă evoluţia şi prognoza consumului de materiale compozite şi domeniile de utilizare ale acestora în ţările vest-europene.
2. Clasificarea materialelor compozite
O clasificare mai generala a materialelor compozite, care le prezintă intr-un mod sintetic, are la baza utilizarea concomitenta a doua criterii si anume: particularităţile geometrice ale materialului complementar si modul de orientare a acestuia in matrice (fig.1).
Fig.1. Clasificarea materialelor compozite
Materialele compozite sunt grupate, in funcţie de alţi autori, nu in 2, ci în trei categorii:
- materiale compozite durificate cu fibre;
- materiale compozite durificate cu particule (disperse);
- materiale compozite obţinute prin laminare(stratificate).
Fig.. Materiale compozite:
a – armate cu fibre
b - disperse
c - stratificate
A) Materiale compozite armate cu fibre
În figura de mai sus sunt prezentate diferite moduri de orientare a acestor fibre în interiorul matricei. Se obţin astfel materiale compozite cu caracteristici foarte bune de rezistenţă, rigiditate şi raport rezistenţă - densitate. Comportamentul mecanic al unui asemenea compozit depinde de:
- proprietăţile fiecărui component;
- proporţia dintre componenţi;
- forma şi orientarea fibrelor în raport cu direcţia de solicitare;
- rezistenţa mecanică a interfeţei matrice - fibră.
B.1.) Materiale compozite durificate prin dispersie
În cazul acestor compozite, particulele de dimensiuni foarte mici (100 … 2500 Å), blochează deplasarea dislocaţiilor. Astfel, deşi sunt necesare cantităţi mici de material dispers, efectul de durificare este foarte mare.
Faza dispersată este, de regulă, un oxid stabil dur (Al2O3, ThO2, ZrO2, BeO etc.). Ea trebuie să aibă anumite dimensiuni, formă, cantitate şi distribuţie pentru obţinerea celor mai bune proprietăţi pentru materialul compozit. Totodată particulele dispersate trebuie să aibă solubilitate scăzută în materialul matricei şi să nu apară reacţii chimice între particule şi matrice.
În tabelul de mai jos sunt prezentate câteva materiale compozite durificate prin dispersie cu oxizii şi domeniilor lor de utilizare.
B.2.) Materiale compozite armate cu macroparticule
Armarea acestor compozite se face cu particule mari, care nu mai au rol de blocare a deplasării dislocaţiilor. În funcţie de proporţia dintre cantităţile de macroparticule şi cea de liant se obţin combinaţii neobişnuite de proprietăţi.
Carburile metalice pot fi privite ca fiind astfel de materiale compozite, carbura de wolfram este înglobată într-o masă de cobalt, sculele aşchietoare rezultate având combinate avantajele date de duritatea şi rezistenţa la creşterea temperaturii de aşchiere a CW şi cele date de rezistenţa bună la impact a cobaltului.
Pietrele abrazive formate din macroparticule de carbură de siliciu (SiC), nitrură de bor sau diamant, înglobate într-o matrice de sticlă sau polimeri, pot fi considerate tot materiale compozite armate cu macroparticule.
Un alt exemplu îl constituie materialul utilizat pentru contactele electrice, care este format din particule de wolfram înglobat într-o matrice de argint. În acest mod se realizează combinaţia dorită de proprietăţi, şi anume conductibilitatea electrică bună (datorită argintului) şi rezistenţă mare la uzură (datorită particulelor de wolfram).
C) Materiale compozite stratificate
Sunt obţinute prin aplicarea, la suprafaţa materialului de bază, a unui strat din alt material. Aplicarea acestui strat din alt material cu proprietăţi diferite de cele ale materialului de bază se realizează cel mai des prin turnare, sudare sau laminare.
Principalul avantaj al acestor materiale este de ordin economic şi de ordin calitativ, deoarece prin utilizarea lor se economisesc importante cantităţi de materiale scumpe sau deficitare, îmbunătăţindu-se, în acelaşi timp, calităţile produselor şi mărindu-se durata lor de funcţionare în condiţiile unor performanţe ridicate.
Material compozit stratificat
Câteva exemple de asemenea materiale compozite sunt:
- duraluminiul, cu rezistenţă ridicată la rupere, placat cu aluminiu pur, cu rezistenţă ridicată la coroziune;
- oţeluri carbon, ieftine, placate cu oţeluri de scule cu duritate ridicată şi rezistenţă la uzare sau cu oţeluri inoxidabile rezistente la coroziune;
- plăcuţele din oxid de aluminiu placate cu nitrură de titan (utilizate pentru părţile active ale sculelor aşchietoare) etc.
În afară de materialele compozite bicomponente, prezentate mai sus, se utilizează şi compozite tricomponente (tip “sandwich”). De exemplu, pentru împiedicarea difuziunii carbonului dintr-un oţel în altul, se poate interpune prin placare un strat de nichel, care nu permite difuziunea prin el a carbonului.
Tot un material tip “sandwich” este prezentat în figura de mai jos. El este alcătuit din două plăci subţiri din metal (de exemplu aluminiu, titan sau oţel), între care se găseşte o structură tip fagure, din material mai dur (duraluminiu sau aliaj de titan), rezultând un material compozit deosebit de rezistent şi rigid.
Material compozit tip sandwish
Materialele compozite se mai pot clasifica astfel:
- materiale compozite plastice;
- materiale compozite metalice;
- materiale compozite ceramice.
A) Materiale compozite plastice (polimerice)
Acestea au matricea formată din polipropilenă, polietilena, raşini epoxidice, raşini fenolice, poliuretani etc., şi componente de structură constituite din armături de fibre (ţesături, reţele, înfăşurări), umpluturi diverse (pulberi, particule, elemente de armare) şi elemente stratificate. După natura lor materialele compozite sunt constituite dintr-o matrice organică (răşină, spumă cu lemn) şi fibre organice (kevlar, poliamidă etc.), fibre minerale (sticlă, carbon etc.) sau fibre metalice (bor, aluminiu etc.).
In general, materialele compozite plastice au densităţi reduse, rezistenţă ridicată la acţiunea agenţilor chimici, proprietăţi mecanice, termice şi electrice mai bune decât cele ale materialelor plastice. Aceste materiale sunt utilizate în industria de automobile, aviaţie, aeronautica, recipienţi pentru industria chimică etc.
B)Materiale compozite ceramice
Sunt materiale compuse, constituite din substanţe anorganice (oxizi, carburi, siliciuri, boruri etc.) consolidate într-un ansamblu cu elemente de armare sub formă de fibre, granule sau agregate. De exemplu, compozitele ceramice pe baza de fibre sunt formate dintr-o matrice din materiale minerale (ceramică) şi fibre de armare (fibre de SiC, A1203, W, Mo, Be, oţel şi fibre de sticlă).
C)Materiale compozite metalice
Aceste materiale sunt formate dintr-o matrice metalică (Al, Mg, Cu, Ti, Pb, superaliaje etc.) şi componenta de armare, care poate fi metalice sau ceramice (oţel inoxidabil, W, Be, Ti, fibre de carbon, fibre de bor, fibre de Al203, fibre de sticlă, particule din materiale ceramice etc.).
3. Tipuri de matrici utilizate
Matricea compozitelor trebuie să fie constituită dintr-un material capabil să înglobeze componenta dispersă, pe care să nu o distrugă prin dizolvare, topire, reacţie chimică sau acţiune mecanică. Rezistenta compozitului la temperatura şi la coroziune sau oxidare este determinată în primul rând de natura matricei. În cele mai multe cazuri, aceasta reprezintă partea deformabilă a materialului, având o rezistenţă mecanică mai scazută decât materialul complementar pe care îl include. Alegerea matricei se face în funcţie de scopul urmărit şi de posibilităţile de producere a compozitului. În tehnologiile actuale se folosesc numeroase tipuri de matrici: metalică, ceramică, sau organică.
Matricea reprezintă aşadar, o parte a materialului compozit care asigură atât transferul solicitărilor exterioare la ranforsant, cât şi protecţia elementelor de ranforsare împotriva distrugerilor mecanice şi prin eroziune.
3.1. Matrici organice
Matricile organice sunt executate din materiale plastice. Se pot folosi fie materiale termoplastice: polietilenă, polistiren, poliester, cetonă, etc., fie materiale termorigide: răşini de poliester, răşini epoxy, răşini fenolice, răşini poliamidice, răşini melamine. Matricile din răşini asigură compozitului proprietăţi mecanice şi chimice crescute, chiar la temperaturi de până la 450oC, în cazul răşinilor fenolice.
Matricile organice au utilizarea cea mai largă în domeniul materialelor compozite. Dintre acestea, materialele polimerice prezintă o serie de avantaje:
- sunt uşoare:
- asigură transparenţă:
- sunt izolatoare electric şi termic:
- sunt impermeabile:
- au rezistenta mare a coroziune;
- asigura autolubrifierea:
- se poate obţine un comportament elastic sau plastic.
Proprietăţile acestor materiale sunt dependente aproape în exclusivitate de temperatură, comportarea lor fiind determinată de mărimea forţelor de legătura dintre atomi, numărul de legături chimice pe unitatea de volum şi rezistenţă la degradare a legăturilor sub acţiunea unor agenţi externi. Deşi matricele de natură organică satisfac cele mai multe dintre cerinţele care se impun pentru a putea fi folosite la producerea materialelor compozite, ele prezintă şi numeroase dezavantaje: rezistenţă mecanică redusa la temperaturi înalte, o durată scurtă de menţinere în stare lichidă după preparare, conductivitate termică redusă, un coeficient mare de dilatare termică şi rezistenţă relativ mică la şoc mecanic.
Principalul neajuns al matricelor organice, şi anume slaba rezistenţă la temperatură, a menţinut în atenţie materialele organice gen sticlă şi pentru matrice. Se pot obţine astfel compozite cu temperaturi de lucru între 500°...1200 °C.
În funcţie de structură, matricile organice pot fi:
- matrici amorfe (sunt transparente):
- matrici neamorfe (pe măsură ce scade gradul de amorfizare scade şi transparenţa).
Material compozit cu matrice organică amorfa
În general, există două familii de matrici organice:
- matrici organice termorigide:
- matrici organice termoplastice.
3.1.1. Matrici termorigide
Acestea au proprietatea că prin încălzire devin suficient de plastice, iar după răcire (solidificare) se întăresc ireversibil (se pot forma o singură dată) datorită transformărilor chimice suferite. Astfel, după polimerizare răşinii, sub acţiunea căldurii, şi în prezenţa unui catalizator, se obţine o structură tridimensională, care nu poate fi distrusă decât la temperaturi ridicate. Se obţin astfel o serie de proprietăţi mecanice şi termomecanice favorabile.
Proprietăţile mecanice ale compozitelor polimerice depind de unităţile moleculare care formează reţeaua şi respectiv de lungimea şi densitatea legăturilor.
Principalele răşini termorigide sunt:
Ø Răşinile poliesterice nesaturate (PEN, UP), prezintă o fixare bună pe fibre, au preţ redus, însă au o contracţie volumică la întărire mare (8 … 10%) şi o comportare dificilă la căldură umedă. Obţinerea răşinilor se realizează în combinaţia: PEN (98,5 … 97,5), accelerator (0,5%) şi catalizator (1 … 2% ). Deoarece catalizatorul este o substanţă explozivă, el se păstrează la rece, împreună cu substanţe inerte, nu se amestecă niciodată catalizatorul cu acceleratorul, se evită sursele de foc (PEN este inflamabil) şi se păstrează în spaţii deschise şi bine ventilate.
Ø Răşini epoxidice (EP), sunt cele mai utilizate în industria aeronautică. Ele prezintă o fixare bună pe fibre, o contracţie redusă la turnare (contracţia este de cca. 0,5%) şi asigură proprietăţi mecanice ridicate.
Ø Răşini fenolice (PF), au proprietăţi mecanice mai reduse decât răşinile epoxidice, ele fiind utilizate numai atunci când se cer exigenţe deosebite privind comportarea la foc (nu produce gaze toxice la ardere). Se construiesc piese cu rezistenţă ridicată la temperatură şi piese cu proprietăti de izolatori electrici.
3.1.2. Matrici termoplastice
Aceste materiale sunt divizate în materiale plastice de mare difuziune şi materiale plastice tehnice (tehnopolimeri), având avantajul că se pot refolosi rebuturile şi deşeurile recuperabile prin reciclare. Prima categorie are o utilizare mai largă din cauza preţului scăzut, al disponibilităţii materiei prime şi al procedeului de prelucrare. Materialele termoplastice au o dezvoltare mai restrânsă comparativ cu materialele termorigide. Principalele materiale termoplastice sunt:
Ø Policlorura de vinil (PVC);
Ø Polietilena cu densitate redusă (PE);
Ø Polietilena cu densitate ridicată (PE);
Ø Polipropilena (PP);
Ø Polistirenul (PS);
Ø Polistiren şoc (PS);
Ø Acrilonitrit-stiren (PS/AN);
Ø Acrilonitrit-butadien-stiren
3.2. Matrici ceramice
Ceramica tehnică este tot mai frecvent utilizată pentru realizarea compozitelor, deoarece această categorie de materiale este caracterizată prin proprietăţi intrinseci deosebite, datorate în principal legăturilor interatomice. Aceste proprietăţi sunt:
Ø rezistenţă mecanică mare la temperaturi înalte;
Ø rezistenţă la rupere foarte mare, uneori mai mare decât a celor mai bune oţeluri;
Ø rezistenţă la oxidare şi la agenţi chimici;
Ø modul de elasticitate mare, superior oţelurilor;
Ø duritate mare şi stabilă la creşterea temperaturii.
Prin armare cu fibre de adaos creşte tenacitatea matricei şi sporeşte rezistenţa lor la şoc termic. Matricele ceramice care îndeplinesc condiţiile de temperatură (minimă sub -100 °C si maxima peste 1000 °C) şi proprietăţi deosebite de duritate, fragilitate, refractaritate, rezistenţă la abraziune şi coroziune, densitate redusă, stabilitate la temperaturi ridicate. Acestea pot fi: oxidice (alumina — A1203, silicea — Si02 şi zirconia — Zr02), neoxidice (carbura de siliciu — SiC, carbura de bor — BC, nitrura de siliciu — Si3N4, borurile — TiB2, ZrB2).
3.3. Matrici metalice
Matricele metalice s-au folosit din necesitatea de-a obţine compozite care să poată fi utilizate la temperaturi relativ înalte, comparativ cu cele de natură organica. Metalele prezintă şi alte proprietăţi care le recomandă în calitate de matrice: proprietăţi mecanice bune, conductivitate termica şi electrică mari, rezistenţă mare la aprindere, stabilitate dimensională, capacitate bună de prelucrare, porozitate scazută. În schimb, densitatea este relativ mare (1,74...7,0 g/cm3), iar fabricarea compozitelor este uneori mai dificilă
Matricile metalice pot îngloba fibrele de armare prin laminare, impregnare în fază lichidă, depunere chimică în fază de vapori sau electroplacare a matricei şi solidificare dirijată. Faţă de matricile din polimeri, prezintă o serie de avantaje legate de ductilitate şi proprietăţi mecanice superioare, rezistenţă la atacul anumitor solvenţi, o gamă mai largă a temperaturilor de utilizare, conductibilitate termică şi electrică mai bună. Dezavantajele lor se referă la: masa volumică mai mare decât a matricilor din polimeri, posibila apariţie a unor compuşi intermetalici fragili la interfaţa dintre matrice şi fibre (compuşi ce determină un transfer greoi de tensiuni, microfisuri şi zone de concentraţie a tensiunilor care duc la ruperea materialelor compozite sub sarcini relativ mici) şi la tehnologia de obţinere mai complicată ducând la un cost mai ridicat al compozitelor cu matrice metalică.
Matricile utilizate trebuie sa aibă anumite caracteristici, şi anume: temperatura necesara de utilizare 200 ... 600 (1000) °C, proprietăţi mecanice ridicate, conductibilitate termică şi electrică, stabilitate dimensională, prelucrabilitate bună, rezistenţă chimică adecvata etc. Alegerea lor se face in funcţie de greutatea specifică şi de proprietăţile mecanice, termice, electrice şi metalurgice. Din categoria aliajelor utilizate ca matrici, avem: Al Si Mg, Al Cu Mg, Al Zn Mg, Ti Al V etc.
În prezent există două categorii de compozite cu caracteristici funcţionale superioare:
cu matricea din aluminiu (armata cu particule de carbură de siliciu, până la 15 % in volum, obţinută prin turnare în amestecuri de formare fluide)
cu matricea din oţel (ranforsată cu carbură de wolfram, elaborată printr-un procedeu original, materialul aflându-se in stare semifluidă).
Pentru materialele destinate produselor care lucrează la temperaturi sub 450°C se poate utiliza ca matrice metalică aluminiul şi aliajele sale datorită costului relativ scăzut, densităţii mici, conductivităţii termice mari, fluidităţii bune şi prelucrării uşoare. În vederea îmbunătăţirii comportării aliajelor de aluminiu la temperaturi, se recomandă utilizarea titanului ca element de aliere. Prezenţa acestuia măreşte stabilitatea termică şi influenţează pozitiv caracteristicile structurii primare. În ultimul timp s-au impus titanul şi aliajele sale, datorită unei bune ductibilităţi şi posibilităţii de a ţine sub control interacţiunea chimică cu materialul complementar. Matricele din titan au densităţi mici şi rezistenţa la rupere bună (în special aliajele aliate cu aluminiu, vanadiu, molibden, crom), fragilitate la rece redusă, iar coeficientul de dilatare liniară este de 1,4 ori mai mic decât cel al fierului si de 2,8 ori mai mic decât cel al aluminiului.
