MATERIALE COMPOZITE I

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 500^oC, iar fibrele ceramice de tip SiC, Si₃N₄, şi Al₂O₃ între 1400^oC şi 2000^oC).

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 450^oC, 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.

MATERIALE COMPOZITE II

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.

Fibrele de sticlă sunt fabricate dintr-un amestec care are bază oxidul de siliciu (Si0₂), ce este topit şi trecut printr-o filieră. Fibrele de sticlă sunt foarte ieftine din cauza materiei prime care este abundentă (siliciu, calciu, caolin etc) şi a simplităţii proceselor tehnologice de prelucrare

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 .. 30 A; 4 – strat superficial în care pot să apară microfisuri.

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

Fibrele metalice sunt realizate din aluminiu şi aliajele lui (au densitate redusă şi sunt bune conducătoare de căldură şi electricitate), oţeluri carbon (au rezistenţă şi modul ridicate şi proprietăţi feromagnetice), cuprul şi aliajele lui (au conductibilitate termică şi electrică foarte bună), nichelul şi aliajele acestuia (au o foarte bună rezistenţă termică), oţelurile inoxidabile (au rezistenţă ridicată la coroziune), aliaje refractare (au puncte de fuziune ridicate şi rezistenţă mare la coroziune) etc

4.8. Fibrele ceramice

Fibrele ceramice permit încălziri la temperaturi de peste 1000 °C şi pot arma matrici termoplastice, termorigide sau ceramice. Cele mai utilizate fibre ceramice sunt cele din carbură de siliciu (SiC), nitrură de siliciu (Si₃N₄), nitrură de bor (BN) etc. Pot fi folosite sub formă de fibre scurte, benzi, mat-uri, ţesături etc.