Tipuri de armături (ranforsanţi)
Materialele complementare, utilizate în scopul ranforsării matricei sau pentru inducerea proprietăţilor de autolubrifiere ale materialului compozit, diferă între ele prin natura chimică şi configuraţie. După configuraţie, materialele complementare se împart în două mari categorii: fibre şi particule, fiecare categorie incluzând numeroase alte tipuri, diferenţiate după mărime, după raportul lungime/diametru şi după compoziţia chimică în secţiunea transversală. Comparativ cu fibrele, particulele sunt mai uşor de realizat şi de înglobat în materialul matricei. În schimb, fibrele sunt de neînlocuit dacă se urmăreşte obţinerea unui compozit cu tenacitate mare.
Armaturile sunt aşadar, elemente componente ale materialelor compozite, care au menirea să îmbunătăţească proprietăţile mecanice ale acestora. Ele se prezintă sub forme şi orientări diferite, în funcţie de care se urmăresc aspectele:
Ø creşterea caracteristicilor mecanice;
Ø îmbunătăţirea rezistentei termice;
Ø compatibilitatea cu matricea compozitului;
Ø adaptare bună la procedeele de prelucrare;
Ø să fie uşoare;
Ø sa aibă un preţ redus.
A. Fibrele sunt folosite ca elemente de ranforsare, având rolul de a prelua o mare parte din solicitările la care este supus materialul matricei. Clasificarea fibrelor în funcţie de configuraţia geometrică este prezentată în figura de mai jos.
Fig.2. Clasificarea fibrelor materialelor compozite în funcţie de configuraţia geometrică
Fibrele de diferite tipuri pot fi aglomerate împreuna cu un liant într-o structură numită Mat, ţesute sau împletite împreună cu produse textile hibride. În general, fibrele se obţin sub formă de mănunchiuri de filamente continue, care pot fi folosite ca atare, tăiate la lungimi standardizate sau prelucrate prin operaţii textile sub formă de materiale neţesute sau sub formă de ţesături şi împletituri bi sau tridimensionale, sau chiar împletituri 4D, neimpregnate sau impregnate.
Materialele neţesute se prezintă sub formă de împâslituri (mat), fiind executate din fibre tocate sau continue, orientate întâmplător şi aglomerate mecanic sau structurate printr-un liant polimeric.
Ţesăturile din fibre sunt executate cu un anumit număr de noduri pe centimetrul pătrat şi cu un anumit model al suprafeţei.
Diferite tipuri de ţesături
Structura unei ţesături
Armarea cu fibre poate fi făcută şi sub formă de împletituri care pot fi realizate prin împletirea a două sau mai multe seturi de fibre. Fibrele pot fi orientate în direcţia forţelor solicitante, iar dacă solicitările sunt după mai multe direcţii se pot realiza împletituri spaţiale.
Fibrele continue sunt caracterizate prin valori mari ale raportului lungime/diametru (peste 1000), având forma unor fire simple (monofilament, cu diametrul peste 100 µm) sau răsucite (multifilamente, cu diametrul de 5...25 µm). Se realizează din bor, carbon, sticlă, materiale ceramice, oţel inoxidabil, răşini şi se folosesc sub diverse forme de aranjare: unidirecţională, tip ţesătură (bidirecţională) sau spaţială (tridirecţională).
Stucturi spaţiale: a- cilindrice şi conice; b- 3D; c-4D
Fibrele discontinue se pot produce ca atare sau rezultă prin fragmentarea fibrelor cu lungime mai mare. Fibrele lungi se caracterizează prin raportul lungime/diametru între 300...1000, lungimea fiind de câţiva milimetri, iar diametrul de 3...10 µm. Fibrele scurte, obţinute prin tăierea fibrelor continue sau discontinue lungi. Fibrele discontinue foarte scurte (whiskers), cu dimensiuni reduse (diametrul sub 1 µm), sunt constituite din monocristale filiforme de natură ceramică sau realizate din bor, carbon. În tabelul următor sunt prezentate caracteristicile diferitelor fibre pentru realizarea materialelor compozite de înaltă performanţă.
Ø Folosirea materialului complementar sub formă de particule a cunoscut o mare extindere, deoarece prezintă unele avantaje importante, cum ar fi:
Ø cost scăzut - în comparaţie cu fibrele, particulele sunt mult mai ieftine;
Ø tehnologii simple de înglobare şi dispersare a particulelor în matrice;
Ø posibilitatea obţinerii unor materiale izotrope.
B.Particulele
Există o mare varietate de particule produse din SiC, grafit, Al2O3, SiO2, nitrura de bor, sticlă, MgO, TiC, Si3N4, alice din oţel sau fontă, ZrO2, TiO2, Pb, Zn, cu dimensiuni variind în limite largi de la mai puţin de un micron (microcristale) până la 500 microni sau chiar mai mari.
Particulele, mari sau mici (microparticule), de forma sferică, plată sau de altă configuraţie, se utilizează în special pentru producerea compozitelor cu rezistenţă mare la uzare, asigurând produsului realizat greutate redusă, stabilitate dimensională remarcabilă şi capacitate mare de amortizare a vibraţiilor. Prezenţa particulelor conduce însă la micşorarea alungirii şi deci a tenacităţii materialului (comparativ cu alungirea şi tenacitatea matricei), care determină limitarea folosirii acestora doar la producerea compozitelor care nu sunt solicitate excesiv la soc mecanic şi termic. Particulele se folosesc, în cele mai multe cazuri, la producerea materialelor compozite cu matrice metalică. Fiind relativ ieftine şi uşor de produs, compozitele metalice cu particule s-au diversificat foarte mult şi reprezintă, în momentul de faţă, o categorie de materiale de care nu se poate face abstracţie.
Pulberile folosite la realizarea materialelor compozite se produc prin diverse procedee chimice sau fizice, fiind preferate metodele care asigură grad mare de fineţe şi puritate ale particulelor. În tabelul de mai jos sunt date câteva materiale sub formă de particule utilizate la producerea compozitelor.
4.1. Fibre de sticlă
Sticla masivă este caracterizata de o sensibilitate ridicată la fisurare, care se produce şi se dezvoltă sub acţiunea unei solicitări la tracţiune. Din contră, la fibrele de sticlă, fisurile sunt mult mai puţine, iar sticla are performanţe superioare.
Fibra de sticlă
Proprietăţile fibrelor de sticlă sunt:
Ø pot fi produse sub diferite forme (fire, ţesături, mat-uri, multistrat etc.);
Ø aderenţă excelentă cu toate răşinile;
Ø rezistenţă bună la temperaturi ridicate;
Ø dilatare termică redusă;
Ø proprietăţi dielectrice superioare;
Ø rezistenţe ridicate la umiditate şi coroziune.
Fibrele de sticlă au fost primele materiale de adaos înglobate în compozite. În tabelul de mai jos sunt prezentate principalele caracteristici chimice, fizice şi mecanice ale fibrelor de sticlă [17]. Fibrele de sticlă cu diametrul de 5-15 mm se înglobează, cel mai adesea, în matrici din polimeri, iar când se cere o rezistenţă mare a materialului compozit în materiale masive, oţeluri speciale, aliaje de titan, etc.
4.2. Fibre de carbon
Fibrele de carbon (vezi şi 7.4.5) au proprietăţi remarcabile, ce rezultă din orientarea preferenţială a cristalelor, paralel cu axa fibrelor, şi se referă la rigiditate şi rezistenţă foarte mare în direcţie longitudinală, asociate cu un coeficient foarte mic de dilatare liniară în aceeaşi direcţie. Conductibilitatea electrică şi termică a compozitului cu fibre de carbon depinde de gradul de grafitizare şi de gradul de anizotropie.
Fibrele de carbon sunt obţinute prin piroliza fibrelor organice. Se disting două grupe de fibre:
- fibre cu tenacitate ridicată (Rm = 2500...3100 Mpa) şi E = 200000Mpa);
- fibre cu modul ridicat (Rm = 2000...2500 Mpa) şi E = 400000Mpa)
Descompunerea termică, în atmosferă neoxidantă, a unei materii organice produce un reziduu de carbon (grafit), care are o structură formată din reţele hexagonale de atomi de carbon dispuşi pe plane paralele, decalate astfel încât un atom de carbon se proiectează în centrul unui hexagon din planul alăturat.
Principalele domenii de utilizare a fibrelor de carbon sunt:
- sunt folosite la obţinerea pieselor care au caracteristici specifice foarte bune, asigurându-se astfel un câştig important de masă pe produs;
- datorită preţului ridicat al fibrelor se limitează utilizarea lor doar la tehnicile de vârf;
- sunt utilizate la armarea răşinilor termoplaste şi mai ales a celor termorigide;
- se pot prelucra prin toate tehnicile de formare;
- au o rigiditate ridicată (alungirea la rupere A ≈1 %), motiv pentru care se iau măsuri de tensionare a fibrelor;
- fibrele sunt disponibile sub forme diferite (stratifir cu 500 până la 100000 de filamente, utilizate la pultruziune sau înfăşurări filamentare sau ţesături în banda, ţesături uni sau multidirecţionale pentru alte procedee de fabricare, toate formele putând fi sau nu impregnate).
- piesele armate cu fibre de carbon se pot prelucra prin polizare sau tăiere cu fierăstrăul cu pânză diamantată.
Compozite carbon - carbon
Comportarea deosebită a fibrelor de carbon nu poate fi obţinută cu matricile din răşini, motiv pentru care se foloseşte o matrice din carbon. Fibrele de carbon sunt disponibile sub formă de ţesături care prefigurează geometria piesei de realizat, iar matricea din policarbonat este dispusă în jurul acestora în mai multe variante:
- depunere chimică, în stare de vapori, a carbonului se face prin descompunerea termică a unei hidrocarburi gazoase (metanul), în anumite condiţii de temperatură şi presiune;
- impregnarea fibrelor de carbon cu răşină sau smoală, a diverse presiuni, urmată de carbonizare şi apoi grafitizare;
- compresiunea unilaterală, Ia temperaturi ridicate (peste 2500 °C), aplicată compozitelor carbon-carbon, realizate in prealabil prin metodele anterioare;
- o metodă mixtă, obţinută prin combinarea mai multor metode simple.
4.3. Fibre de bor şi de carbură de siliciu
Analiza comună a celor două tipuri de fibre este determinată de condiţiile comune de obţinere a acestora, adică depunerea chimică, în stare de vapori, pe un suport metalic filiform. Fibrele obţinute sunt:
- fibre de bor (B);
- fibre de bor şi carbură de bor (B+B4C);
- fibre de carbură de siliciu (SiC);
- fibre de bor şi carbură de siliciu (B+SiC)
Fibrele de bor sunt de sute de ori mai scumpe decât cele de sticlă din cauza tehnologiei complexe de prelucrare. Datorită acestui motiv ele au o utilizare limitată, în special în industrii de vârf (armament, aeronautică etc), ţinându-se însă cont de proprietăţile lor deosebite.
Structura fibrei de bor
1 – filament de wolfram; 2 – zonă de wolfram şi bor; 3 – zona compusă din particule de bor cu dimensiunile de 20 ..
Ele prezintă următoarele avantaje:
- rezistență mecanică foarte bună (Rm,c > 35000 Mpa și E > 400000 Mpa);
- au o comportare termică deosebită (produsele își mențin proprietățile mecanice până la 1000 oC);
- fibrele de bor au legături bune cu rășinile epoxidice;
- au un comportament bun la oboseală şi îmbătrânire.
4.4. Fibrele aramidice
Fibrele aramidice sunt cunoscute sub denumirea comercială de Kevlar (nume dat de Dupont de Nemous din SUA). Aramidele sunt poliamide aromatice ale căror structuri sunt compuse din nuclee benzenice cu legături prin CO şi HN.
Figura 4.5. Structura chimică a fibrelor aramidice
Utilizarea lor este oarecum limitată de rezistenţa redusă la compresiune şi de prelucrabilitatea dificilă a produselor.
Principalele avantaje ale acestor fibre sunt:
- rezistenţă bună la foc (suportă temperaturi până la 350° C);
- dilatare termică nulă;
- absorb bine vibraţiile;
- rezistenţă ridicată la şocuri şi la oboseală;
- rezistenţă chimică bună (cu excepţia acizilor şi bazelor puternice);
- sunt izolatoare din punct de vedere termic şi electric.
În paralel, apar şi o serie de dezavantaje printre care amintim:
- rezistenţă redusă la compresiune;
- aderenţă redusă cu răşinile de impregnare;
- prelucrabilitate dificilă a materialului compozit;
- fibrele sunt sensibile la frecare;
- nu se topesc, dar se descompun la o temperatură de 400 … 480° C;
- absoarbe apa.
4.5. Fibrele sintetice
4.6. Fibre de origine naturală
Fibrele naturale sunt de origine vegetală şi a reprezentat categoria de materiale de armare utilizate la începutul apariţiei materialelor compozite, având în vedere uşurinţa de obţinere şi răspândirea materiei prime. Din mulţimea acestor materiale mai sunt folosite, pentru aplicaţii particulare, lemnul, hârtia şi bumbacul. Utilizare lor se bazează pe avantajele:
- rezistenţă la uzare ridicată;
- foarte bună izolare termică şi electrică;
- densitate redusă;
- sunt maleabile.
4.7. Fibre metalice
4.8. Fibrele ceramice
Fibrele ceramice permit încălziri la temperaturi de peste
