Kompozyty

WPROWADZENIE

Definicja

Materiał kompozytowy (łac. compositus = złożony) - materiał zbudowany z co najmniej dwóch różnych składników, przy czym ich połączenie zachodzi na poziomie makroskopowym. W tym sensie nie są materiałami kompozytowymi np. stopy metali, które w skali mikroskopowej tworzą kompozycję wielu składników, ale w obrazie makroskopowym zachowują się jak typowe materiały jednorodne.

Historia

·        Izraelici (od XIII w. p.n.e.) przy wznoszeniu swoich domów wykorzystywali bloki z mieszanki błotnej wzmocnionej słomą i końską sierścią, a Egipcjanie (od ok. 3600 lat p.n.e.) stosowali sklejkę drewnianą. W średniowieczu wykonywano miecze i tarcze składające się z warstw różnych materiałów, aby zapewnić im jak największą trwałość i wytrzymałość.

·        Powstanie nowoczesnych materiałów kompozytowych wiąże się z rozwojem technologii wytwarzania włókien sztucznych. Początek przypada na okres II wojny światowej (powstają włókna szklane). W latach 50-tych powstają włókna węglowe tzw. niskomodułowe (o niskim module sprężystości podłużnej),a w latach 60-tych wysokomodułowe. Kolejny etap rozwoju kompozytów spowodowało pojawienie się włókien aramidowych, znanych pod nazwą handlową Kevlar.

Walory kompozytów

·        doskonałe parametry mechaniczne i wytrzymałościowe

·        mały ciężar właściwy.

Główne zastosowania

"Kombinacja" powyższych cech występuje w zasadzie tylko w przypadku kompozytów, stąd gwałtownie rosnące w ostatnich latach ich wykorzystanie w konstrukcjach, dla pracy których ma ona pierwszorzędne znaczenie. Są to wszelkiego typu konstrukcje cienkościenne, a przede wszystkim:

·        konstrukcje lotnicze. Samolot eksperymentalny Voyager firmy Hercules (laminat epoksyd/włóknoi węglowe) pokonał trasę dookoła świata bez międzylądowań. Pomijając małe samoloty sportowe (w tym szybowce) jest to jedyna znana konstrukcja o całkowicie kompozytowej budowie. Firmy lotnicze stosują kompozyty do produkcji pojedynczych elementów samolotów np. stateczników, a przy wprowadzaniu do produkcji nowych elementów kierują się daleko posuniętą ostrożnością - pomne kłopotów finansowych firmy Rolls-Royce, spowodowanych projektem produkcyjnym łopatek turbin do silników odrzutowych.

·        konstrukcje samochodowe (nadwozia samochodowe, spoilery itp.).

·        konstrukcje budowlane (np. rury, zbiorniki ciśnieniowe, osadniki, studzienki itp.)

·        sprzęt sportowy (łodzie, narty, rakiety tenisowe, rowery) – ok. 60% wykorzystania kompozytów.

Podstawowe informacje o materiałach kompozytowych

Składniki

·        Fazy ciągłej zwanej osnową (matrycą)

·        Fazę rozproszoną, zwaną także zbrojeniem, otoczona osnową.

Wypadkowe własności kompozytu są zależne od własności faz składowych, ich udziału objętościowego,, sposobu rozmieszczenia fazy rozproszonej w osnowie, a także cech geometrycznych fazy rozproszonej.

W zależności od rodzaju fazy rozproszonej materiały kompozytowe można podzielić na kompozyty:

¨              zbrojone cząstkami

¨              zbrojone dyspersyjnie

¨              zbrojone włóknami.

Kompozyty zbrojone cząstkami i dyspersyjnie

·        Kompozyty zbrojone cząstkami to takie kompozyty, w których obciążenie zewnętrzne przenoszone jest tak przez osnowę, jak i fazę rozproszoną w postaci cząsteczek o sztywności i twardości większej od sztywności i twardości osnowy. Mechanizm wzmocnienia polega na ograniczaniu przez cząstki odkształceń osnowy w obszarze położonym w pobliżu powierzchni każdej cząstki. Wzmocnienie jest efektywne, jeżeli cząstek jest odpowiednio dużo, tzn. powyżej 20% objętości kompozytu (niekiedy nawet 90%), są one w miarę równomiernie rozłożone w kompozycie i mają zbliżone wymiary we wszystkich kierunkach. Przykłady kompozytów tego typu to: beton, wyroby oponiarskie, spieki ceramiczno-metalowe, tzw. cermety (metalowa osnowa wzmocniona cząstkami ceramicznymi). Najczęściej stosowanym spośród nich jest węglik spiekany, o osnowie kobaltowej lub niklowej zbrojonej cząstkami ceramicznymi z węglika wolframu lub tytanu w ilości ok. 90% objętości kompozytu. Cermety służą do produkcji najwyższej jakości narzędzi tnących.

·        Kompozyty zbrojone dyspersyjnie zbudowane są z metalowej matrycy, wzmocnionej bardzo drobnymi cząstkami ceramicznymi lub metalicznymi o średnicy ok. 0.01 - 0.1 mm w ilości do ok. 15% objętości kompozytu. Wzmocnienie zachodzi na poziomie mikroskopowym (atomowym lub molekularnym) i polega na utrudnianiu przez rozproszone cząstki ruchu dyslokacji w matrycy. Obciążenie zewnętrzne przenosi głównie osnowa, zbrojenie dyspersyjne nie poprawia więc znacząco cech mechanicznych i wytrzymałościowych kompozytu w umiarkowanych temperaturach. Wpływ wzmocnienia jest natomiast wyraźny w wysokich temperaturach, sięgających 80% temperatury topnienia. Nawet niewielki udział cząstek dyspersyjnych znacznie poprawia np. odporność kompozytu na pełzanie .

Kompozyty zbrojone włóknami (kompozyty włókniste)

·        Kompozyty zbrojone włóknami to kompozyty, w których fazę wzmacniającą, służącą jako element nośny, stanowią różnego rodzaju włókna. Osnowa stanowi spoiwo łączące włókna, zapewnia rozdział obciążenia zewnętrznego między włókna, oraz chroni je przed czynnikami zewnętrznymi; w niewielkim natomiast stopniu uczestniczy w przenoszeniu obciążeń zewnętrznych.

·        kompozyty włókniste są najbardziej efektywnymi spośród materiałów kompozytowych, tzn. wykazują najlepsze własności mechaniczne i wytrzymałościowe przy najmniejszym ciężarze właściwym. Jedyną ich wadą w porównaniu z kompozytami zbrojonymi cząstkami i dyspersyjnie jest cena, z reguły wyższa.

·        Osnowy w kompozytach włóknistych są metalowe, a częściej z żywic polimerowych.

·        Najczęściej stosowanymi osnowami metalowymi są matryce aluminiowe, miedziane, magnezowe, tytanowe oraz wykonane ze stopów aluminium. Do ich zbrojenia używa się włókien węglowych, boronowych, borsicowych (włókna boronowe w osłonie z węglika krzemu) i metalowych (wolfram). Kompozyty o metalowych osnowach wykazują bardzo dobre własności mechaniczno-wytrzymałościowe w wysokich temperaturach (dużą odpornością na pełzanie i pękanie) i są wykorzystywane są do produkcji turbin silników lotniczych.

·        Podstawowe znaczenie praktyczne mają kompozyty włókniste o osnowach polimerowych (żywice termoplastyczne i termoutwardzalne) zbrojonych włóknami węglowymi, grafitowymi, szklanymi, boronowymi i aramidowymi.

Typy i własności włókien

·        Powód stosowania włókien: duża sztywność i wytrzymałość, wielokrotnie większa od wartości odpowiednich charakterystyk dla materiału w postaci masowej (np. wytrzymałość na rozciąganie typowych stali jest rzędu 0.2-0.7 GPa, zaś wytrzymałość cienkich włókien stalowych wynosi ok. 4 GPa).

·        Podstawowy wskaźnik efektywności włókna: wytrzymałość właściwa i moduł właściwy (wyrażające się w jednostkach długości) tzn. stosunki odpowiednio wytrzymałości na rozciąganie i modułu sprężystości do ciężaru właściwego materiału włókna. Czym wartości tych wskaźników są większe tym włókno jest bardziej efektywne.

·        Najczęściej stosowane włókna: włókna szklane, grafitowe, węglowe i organiczne.

¨       Włókna szklane są najstarszymi, najtańszymi i najczęściej stosowanymi włóknami używanymi do zbrojenia kompozytów. Stosowane są szeroko w przemyśle samochodowym, lotnictwie, elektronice, szkutnictwie, elektrotechnice i in. Istnieją dwa podstawowe typy włókien szklanych - E i S. Pierwszy z nich ma gorsze własności mechaniczne (sprężyste, wytrzymałościowe, zmęczeniowe, udarnościowe, termiczne, reologiczne), ale znacznie niższą cenę niż typ S, stworzony z przeznaczeniem dla zastosowań militarnych. W chwili obecnej nadal znacznie częściej stosuje się włókna typu E.

¨       Włókna grafitowe pojawiły się na rynku w latach 50-tych. Większością parametrów przewyższają włókna szklane, są jednak od nich znacznie droższe. Można wyróżnić trzy grupy tych włókien, a mianowicie włókna wysokowytrzymałe, wysokomodułowe i ultrawysokomodułowe. Najczęściej stosowane włókna grafitowe znane są pod nazwami handlowymi Toray T300 i AS.

¨       Włókna węglowe są również włóknami grafitowymi, ale o mniej uporządkowanej strukturze. Obok obszarów o strukturze właściwej dla krystalicznego grafitu, występują obszary o zaburzonej sieci krystalicznej, a nawet obszary całkowicie jej pozbawione. W porównaniu z włóknami grafitowymi mają one gorsze własności mechaniczne, są natomiast od nich tańsze.

¨       Włókna organiczne, takie jak bawełna, juta i sizal wykorzystywane są do zbrojenia kompozytów od dawna. Zakres ich stosowania był jednak bardzo ograniczony ze względu na bardzo niskie parametry mechaniczne. Dopiero pojawienie się włókien aramidowych spowodowało ich szerokie wykorzystywanie w produkcji lotniczej, samochodowej, a przede wszystkim sprzętu sportowego (narty, łodzie wyczynowe, sprzęt golfowy). Nazwy handlowe tych włókien to Nomex, Kevlar, Kevlar 29 i Kevlar 49. Włókna aramidowe są generalnie rzecz biorąc najlepsze pod względem własności mechanicznych, ale jednocześnie najdroższe.

              TABELA 1. Własności wybranych włókien.