Domenii de utilizare a materialelor compozite

Domenii de utilizare a materialelor compozite

Aparute in 1940, rasinile sintetice armate cu fibre de sticla au fost introduse treptat in industria auto, aviatie si navete spatiale (70% din scutul termic al navetei spatiale Columbia), la realizarea unor recipienti pentru industria chimica si alimentara (rezistente la acizi), imbracaminte de protectie (veste antiglont, casti) etc.

1.In industria aerospatiala.

In domeniul aerospatial, in care s-au aplicat prima data, prezinta o rata de utilizare foarte mare, fie sub forma de fibre de carbon, de bor si de siliciu, ca atare, fie ca materiale de ranforsare in matrice din rasini epoxidice, in general pentru structuri de aeronave si de nave spatiale, fie sub forma de ceramice si metale.

Compozitele cu matrice din aliaje pe baza de Ni si Co ranforsate cu fibre din carburi si oxizi metalici (TaC, NiC, ZrC, Al₂O₃ - figura 1) sunt utilizate pentru componente vitale, care functioneaza in regim termic ridicat, ale motoarelor turboreactoare si rachetelor.

Figura 1 Compozite cu matrice de baza din oxid de aluminiu si titan

Compozitele tip spuma denumite "sintactic" au o densitate foarte mica (0,4 g/cm³). Specialistii au in vedere ca in cercetarea spatiala sa se foloseasca instalatii si echipamente compozite tip spuma.

Ei apreciaza ca o centrala solara, satelit al Terrei, ar putea produce mai mult de 12 KW cu un panou de 130 m² care nu ar cantari mai mult de 250 kg. Aplicatii importante au acestea si in exploatarea mediului marin.

Cu ajutorul lor se prevede o exploatare mult mai eficienta a nodulilor submarini in care Ni si Co sunt de cinci ori, respectiv de 35 ori mai abundente pe fundul oceanului decat pe continente. Folosind compozite-spuma forajele la adancime sunt mai usoare (un tub de foraj de 200 m construit din metale este de 100 t). Deci aeronavele spatiale, subansamblele din compozite-spuma vor fi mai usoare, cu caracteristici pozitive: rezistenta la tractiune, viteze, consumuri mai mici.

Prin calitatile lor, compozitele conduc la simplificarea structurilor aerospatiale, cu consecinte favorabile asupra economicitatii si fiabilitatii aeronavelor in productie si

in exploatare.    Astfel, daca piesele mecanismului de directie al avionului comercial Airbus 340 (figura 2) ar fi executate din materiale traditionale (metale), ar fi necesare 7.015 piese fundamentale si 600 piese secundare. In timp ce daca ar fi executate din materiale compozite cifrele se reduc la 4.800 si respectiv 425.

Figura 2    Avion Airbus 340

Similar, pentru cabina pilotului confectionata din structura tip fagure din foi de rasina epoxidica intarita cu fibre de carbon, numarul componentelor s-ar reduce de la 2.076 la 96. Aceste avantaje conduc la situatia ca in viitor foarte putini polimeri sa mai fie utilizati ca atare, marea majoritate fiind inglobati in materiale compozite.

La avionul european Airbus 340 (figura 3) este incorporata o mare cantitate de compozite (cca. 40% din greutate) sub forma de compozite cu radom in aramida (rasina) sau de compozit hibrid (frane aerodinamice, aripioare, trapele trenului de aterizare, ampenajul orizontal si profundorul, deriva si directia), acesta din urma placat cu cateva straturi de aramida pentru a mari rezistenta la socuri. Multe detalii din interior sunt confectionate din materiale compozite cu fibre de siliciu.

Figura 3. Localizarea compozitelor utilizate la constructia Airbus 340

1.In domeniul militar.

In industria de aparare a S.U.A. (figura 4) si Europei de Vest s-au utilizat pentru armarea unor compozite, fibre de sticla 54%, fibre de carbon 31% si fibre poliamide aromatice (aramidice) 14%.

Figura 4. Avionul F 117 Stealth - bombardier american

Fibrele carbon au o rezistenta la rupere superioara otelului (de ~ 14 ori mai mare) si rezistenta la temperaturi ridicate (3000 ⁰C), fapt ce a determinat utilizarea lor in constructia motoarelor de turboreactoare si rachete.

De data mai recenta sunt fibrele de bor si bor-aluminiu, care fiind mai scumpe, se utilizeaza numai in aeronautica si tehnica aerospatiala.

In etapa actuala, intreaga industrie prezinta "sindromul usurarii" care a generat materiale mai usoare, vehicule mai usoare, consumuri energetice mai mici, confort sporit, poluare redusa, satisfactii depline. Materialele compozite raspund acestor cautari.

In domeniul transportului naval ca materiale compozite se folosesc cu precadere rasini poliesterice, armate cu fibre de sticla, cu fibre de carbon si fibre de aramide, in special pentru ambarcatiuni sportive si nave usoare, avand avantajele ca au greutati reduse si rigiditati marite, ceea ce a permis cresterea vitezei si reducerea consumului de combustibil al navelor. Materialele composite usoare se folosesc, cu precadere, la constructia yachturilor (figura 5) si a vaselor de croaziera si agreement, datorita rezistentei deosebite si a celorlate proprietati exceptionale pe care le poseda.

Fig. 5 Yachturile sunt realizate in proportie de 65 % din materiale compozite

3In industria de film si divertisment.

In industria filmului aparatele speciale de filmat (figura 6) sunt solicitate de regizori la realizarea filmelor de actiune sau S.F. care sa ofere anumite caracteristici tehnice deosebite, si anume:

Usoare si cu capacitate de inchidere ermetica;.

Toleranta foarte mica;

Rezistenta ridicata la loviri, impacturi cu corpuri grele;

Trebuie sa faciliteze filmari in conditii extreme etc.

Figura 6 Carcasa de aparat de filmat

Figura 7    Magazie pentru role de film de 1000 de feet (picioare), din material termoset, vedere interioara si exterioara

3.In industria constructoare de masini.

In domeniul transportului rutier materialele compozite se folosesc in primul rand datorita greutatii lor reduse, rezistentei la oxidare si coroziune, in procente ce reprezinta cresteri anuale 5 - 10%, in locul metalelor. S-a calculat ca reducerea greutatii unui autoturism cu 100 kg echivaleaza cu economisirea unui litru de benzina la fiecare 100 km. In componenta unui autoturism compozitele se folosesc pentru:

-caroserii,

-sistemul de alimentare cu combustibil,

-panoul de comanda etc.

Figura 8.    Cockpit-ul bolidului de formula 1 este integral realizat din materiale compozite

In sistemul de franare al autovehiculelor compozitele din fibre de carbon sunt deosebit de eficiente, intrucat coeficientul de frecare creste cu temperatura.

In domeniul electronicii si electrotehnicii (figura 6.9)sunt solicitate materiale compozite in cantitati tot mai mari de la an la an, cu precadere compozite continand materiale plastice speciale, rasini poliamidice, policarbonati, siliconi, polibutilen tereftalat etc. Se apreciaza ca in prezent acest domeniu absoarbe un sfert din consumul total de materiale compozite cu destinatie industriala, atat pentru componentele electronice active (capsule pentru circuite integrate) cat si pentru componente pasive (suporti pentru imprimante, conductoare, conectoare etc.).

Figura 9    Diverse produse electrotehnice realizate din materiale compozite

In domeniul telecomunicatiilor, in continua dezvoltare, materialele compozite se folosesc la izolatii de cabluri telefonice din polietilena de inalta si joasa presiune, la transmisiile prin sateliti, unde pentru structurile de rezistenta si pentru discurile antenelor sunt utilizate compozite armate cu fibre de sticla.

In domeniul casnic utilizarile se refera la probleme de design, de protectie impotriva poluarii, de consum energetic si de rafinament gastronomic.

Extinderea in viitor a aplicatiilor compozitelor metalice, indeosebi in domeniul constructiilor de autovehicule, implica anumite cerinte care necesita rezolvare:

Pe langa aliajele metal-metal, cunoscute de multa vreme si aliajele mai noi de tip ceramica-ceramica si ceramica-metal, se contureaza utilizarea aliajelor din materiale plastice, polimer-polimer, polimer-metal si polimer-ceramica. Ele au proprietati mecanice superioare si in multe procese de frecare, elimina ungerea.

5.Utilizari in medicina.

S-a creat o revolutie in domeniul biomaterialelor, in care aliajele plastice si polimerii grefati sunt folositi in tehnica medicala pentru realizarea tesuturilor artificiale, utilizate in cazul unor arsuri grave sau care pot inlocui organele corpului omenesc:

-valve cardiace,

-artere artificiale,

-plamani artificiali,

-implanturi de natura osoasa etc.

In domeniul medical se utilizeaza materiale compozite cum sunt: compusi cu polimeri pentru transplanturi, proteze si implanturi cardiace, unele substante pentru coagularea sangelui (poliuretani, cauciucul siliconic, dacron, teflon expandat, polietilena speciala, floropolimeri etc.), in ortopedie, unde trebuie sa raspunda si unor mari necesitati biologice si unde cele mai adecvate s-au dovedit a fi sistemele de compozitie de grafit polisulfuric si sticla - aramid - polipropilene si sticla epoxidica cu bune proprietati de adaptabilitate biologica.

Se poate considera ca cercetarea in acest domeniu, de obtinerea unor materiale noi, cu caracteristici prestabile, a devenit o stiinta a materialelor.

Se considera ca stiinta si tehnologia materialelor va cunoaste dezvoltari si descoperiri de perspectiva in viitorul secol.