Fazele constitutive ale materialelor compozite;

Fazele constitutive ale materialelor compozite;

1. Matricea compozitelor:

Matricea compozitelor trebuie sa fie constituita dintr-un material capabil sa inglobeze componenta dispersa, pe care sa nu o distruga prin dizolvare, topire, reactie chimica sau actiune mecanica. Rezistenta compozitului la temperatura si la coroziune sau oxidare este determinata in primul rand de natura matricei. In cele mai multe cazuri, aceasta reprezinta partea deformabila a materialului, avand o rezistenta mecanica mai scazuta decat materialul complementar pe care il include.

Alegerea matricei se face in functie de scopul urmarit si de posibilitatile de producere a compozitului. In tehnologiile actuale se folosesc numeroase tipuri de matrici: metalica, ceramica, organica.

1.1. Matrici metalice

Matricile metalice s-au folosit din necesitatea de a obtine compozite care sa poata fi utilizate la temperaturi relativ inalte, comparativ cu cele de natura organica.

Metalele prezinta si alte proprietati care le recomanda in calitate de matrice: proprietati mecanice bune, conductivitate termica si electrica mari, rezistenta mare la

aprindere, stabilitate dimensionala, capacitate buna de prelucrare, porozitate scazuta.

In schimb, densitatea este relativ mare (1,74 7,0 g/cm³), iar fabricarea compozitelor este uneori dificila.

Principalele metale si aliaje folosite ca matrice sunt cele pe baza de aluminiu, cupru, magneziu, titan, fier (tabelul 3.1.) si ele intra in procesul de fabricatie in stare solida (pulbere), lichida, pastoasa sau in stare de vapori.

Aluminiu ranforsat discontinuu pentru aplicatii electronice

comanda de putere realizata din aliaj Si C_p /Al    componente Gr_p/Al

(firma Lockheed Martin Corporation-USA) (firma MMCC Inc. USA)   

In prezent exista doua categorii de compozite cu caracteristici functionale superioare: cu matricea din aluminiu (armata cu particule de carbura de siliciu, pana la 15% in volum, obtinuta prin turnare in amestecuri de formare fluide) si cu matricea din otel (ranforsata cu carbura de wolfram, elaborata printr-un procedeu original, materialul aflandu-se in stare semifluida).

Tabelul 1.

In cazul matricilor metalice rezistente la temperaturi inalte, nu se poate folosi un material complementar organic, ci doar unul de natura ceramica sau metalica.

Materialele metalice utilizate in componenta matricelor se remarca prin foarte bune proprietati tribologice (in special uzuri reduse) si o buna rezistenta la impact.

Pentru materialele destinate produselor care lucreaza la temperaturi sub 450 ⁰C se poate utiliza ca matrice metalica, aluminiul si aliajele sale, datorita costului relativ

scazut, densitatii mici, conductivitatii termice mari, fluiditatii bune si prelucrarii usoare.

In vederea imbunatatirii comportarii aliajelor de aluminiu la temperaturi inalte se

recomanda utilizarea titanului ca element de aliere. Prezenta acestuia mareste stabilitatea termica si influenteaza pozitiv caracteristicile structurii primare.

In ultimul timp s-au impus titanul si aliajele sale datorita unei bune ductibilitati si posibilitatii de a tine sub control interactiunea chimica cu materialul complementar. Matricele din titan au densitati mici si rezistenta la rupere buna (in special aliajele aliate cu aluminiu, vanadiu, molibden, crom), fragilitate la rece redusa, iar coeficientul de dilatare liniara este de 1,4 ori mai mic decat cel al fierului si de 2,8 ori mai mic decat al aluminiului, ceea ce inseamna o mai mare stabilitate dimensionala la temperaturi inalte.

1.2. Matrici ceramice

Ceramica tehnica este tot mai frecvent utilizata pentru realizarea compozitelor,

deoarece aceasta categorie de materiale este caracterizata prin proprietati intrinseci

deosebite (tabelul 2.), datorate in principal legaturilor interatomice (legaturi puternice ionice-covalente care limiteaza miscarea electronilor).

Aceste proprietati sunt:

o       rezistenta mecanica mare la temperaturi inalte;

o       rezistenta la rupere foarte mare uneori mai mare decat a celor mai bune oteluri;

o       rezistenta la oxidare si la agenti chimici;

o       modul de elasticitate mare, superior otelurilor;

o       duritate mare si stabila la cresterea temperaturii.

Tabelul 2.

Fragilitatea mare pe care o prezinta aceste materiale, datorita defectelor interne si superficiale, se reduce substantial prin prezenta materialului complementar care blocheaza procesul de propagare a microfisurilor, determinand astfel imbunatatirea tenacitatii.

1.3. Matrici polimerice (organice)

Materialele organice folosite frecvent ca matrice sunt cele termoplastice si cele

termorigide (tabelul 3.), proprietatile acestor materiale sunt dependente aproape in exclusivitate de temperatura, comportarea lor fiind determinata de marimea fortelor de legatura dintre atomi, numarul de legaturi chimice pe unitatea de volum si rezistenta la degradare a legaturilor sub actiunea unor agenti externi.

Desi matricile de natura organica satisfac cele mai multe dintre cerintele care se impun pentru a putea fi folosite la producerea materialelor compozite, ele prezinta si numeroase dezavantaje:

o       rezistenta mecanica redusa la temperaturi inalte;

o       o durata scurta de mentinere in stare lichida dupa preparare;

o       conductivitatea termica redusa;

o       un coeficient mare de dilatare;

o       rezistenta relativ mica la soc mecanic.

Tabelul 3.

Cea mai utilizata clasa de materiale pentru matricea compozitelor sunt rasinile sintetice si in general plasticele.

Se evidentiaza prin procedee tehnologice simple si ieftine de elaborare. Principalul avantaj al compozitelor, anizotropia, ridica probleme in cazul pieselor cu forme complicate si variatii bruste de sectiune.

In contrast cu rasinile termorigide, termoplastele permit aplicarea unor tehnici de fabricatie usor adaptabile la orice forma a piesei, elaborarea unor procese tehnologice flexibile si eficiente, utilizarea unor procedee de formare superplastica.

Principalul neajuns al matricilor organice, si anume slaba rezistenta la temperatura, a mentinut in atentie materialele organice gen sticla si pentru matrice. Se pot obtine astfel compozite cu temperaturi de lucru intre 500 ⁰C 1200 ⁰C.

1.4. Matrici termoplaste (TP):

Ranfortul confera pe langa o mai buna rezistenta mecanica, o buna stabilitate dimensionala si o crestere a rezistentei la temperatura.

Polimerii cei mai adesea folositi in compozite sunt termoplastele (TP tehnice) care in stadiul final poseda urmatoarele calitati esentiale:

Proprietatile fizico-chimice ale matricelor TP

Tabelul 4.

B = bun M = mediu S = slab

Se mai utilizeaza, de asemenea, plastice semitehnice cum ar fi: PP care sunt mai putin scumpe si stabile din punct de vedere termic si mai putin ABS-ul pentru anumite scopuri.

Cele mai utilizate (termoplastice) TP pentru compozite care sa reziste la temperaturi mai ridicate (200 - 250 ⁰C) sunt:

PAI - poliamid-imidele

PEI - polieterimidele

PES - polietersulfonele

PEEK - polieter-eter-cetonele

Compozit termoplastic aratand varietatea fibrelor constitutive

1.5. Matrici termodure (TD).

La alegerea unei rasini termodure concura mai multi parametri dintre care mai importanti sunt:

o       vascozitatea - caracterizeaza posibilitatea cufundarii ranfortului;

o       timpul de gelifiere (de stationare in reactor) - reprezinta timpul care se

masoara intre momentul amestecarii cu catalizatorii si acceleratorii, pana la vascozitatea maxima permisa pentru adaugarea ranfortului.

Aceasta depinde esentialmente de temperatura (variaza intre 1 - 50 ore functie de sistemul ales):

o       durata de polimerizare - care incepe odata cu amestecarea reactantilor (poate fi activat procesul prin incalzire);

o       alungirea la rupere in tractiune a rasinii polimerizate care trebuie sa fie superioara celei corespunzatoare ranfortului;

o       punctul de tranzitie vitroasa - temperatura la care rasina pierde proprietatile mecanice.

Principalele proprietati ale celor mai reprezentative rasini termodure

Tabelul 5.

1.6. Rasini termodure:

1.6.1. Poliesteri nesaturati

Compozitele GD utilizeaza cu precadere acest tip de rasini TD. Ele sunt obtinute prin policondensarea de poliacizi si polialcooli dizolvati intr-un monomer care sa permita reticularea.

Procesul de reticulare poate fi optimizat cu ajutorul unui sistem catalizator accelerator si/sau caldura (cu eliberare de apa sau volatile).

Exista numeroase varietati de poliesteri, dar cele mai utilizate sunt:

- ortoftalice: cele mai curente si rezulta din:

poliacid - anhidrida maleica;

polialcool - propilenglicol;

solvent - stiren.

- izoftalice: confera o buna rezistenta chimica si la umiditate;

- clorurate: autoextinctoare;

- bisfenol: prezinta cele mai bune caracteristici chimice si termice.

1.6.2. Vinilesteri

Aceste rasini sunt produse care au drept componenta de baza acizi acrilici sau metacrilici. Ele prezinta o foarte buna rezistenta la coroziune fiind utilizate pe scara larga in industria chimica.

1.6.3. Rasini siliconice.

Rasinile siliconice se pot arma cu aproape toate materialele de armare recomandate pentru mase plastice (fibre de sticla, de azbest, de carbon etc.).

Tabelul 6.

In tabelul 6. sunt incluse constante care caracterizeaza rezistenta monostratului in directiile naturale, adica tensiunile maxime pe care le poate suporta monostratul fara a se produce deteriorarea lui, sub actiunea unor forte ce se afla in sau perpendicular pe planul sau.

Directiile naturale, in acest caz, sunt: directia fibrelor de armare si directia perpendiculara pe acestea, situate in planul monostratului (laminei).

1.6.4.Rasini fenolice

Prin policondensarea sistemului bicomponent fenol-formol se obtine o gama foarte larga de rasini fenolice.

Acestea au un pret scazut si bune proprietati mecanice si termice.

Se folosesc in obtinerea de compozite necesare unor componente in special in transporturi pe calea ferata sau la arzatoarele rachetelor.

In Romania se fabrica mai multe tipuri de rasini fenolice:

Novolac I si II;

Romfen B I si B II,

Rezol RSA,

Platifen 881 etc.

Proprietatile rasinilor fenolice armate cu tesaturi din fire de cuart si de silice

Tabelul 7.

In tabelul 7. sunt incluse tensiunile maxime pe care le poate suporta monostratul de rasina fenolica armata cu tesaturi din fire de cuart sau de silice, fara a se produce deteriorarea lui.

1.6.5. Poliuretani si poliuree

Poliuretanii se folosesc drept elastomeri in obtinerea de compozite. Vascozitatea redusa le permite o buna amestecare cu ranfortul si o umplere buna a formelor de turnare.

Constituientii sunt livrati in stadiul de prepolimeri lichizi:

polioli si poliizocianati pentru poliuretani;

polieteri si poliamine pentru poliuree.

Prezinta facilitati deosebite in ceea ce priveste procesul de formare al compozitelor prin metoda in-situ si au o rezistenta chimica foarte buna la produsele petroliere, apa de mare.

Rezistenta la abraziune si antistaticitatea produselor le fac utile in industrie, la fabricarea elementelor mobile ale utilajelor tehnologice.

1.6.6. Rasini epoxidice

Aceste rasini sunt in mod esential utilizate pentru realizarea de compozite HP.

Ele provin din reactia epiclorhidrinei si bifenol A, care necesita un agent de reticulare sau un intaritor.

Se disting numeroase clase de rasini de acest tip, specializate a lucra in conditii de temperaturi joase sau ridicate.

Rasinile epoxi au o buna rezistenta la oboseala rezistand pana la temperaturi de 200 ⁰C. Sunt autoextinctibile, au o buna comportare chimica si o excelenta aderenta la fibre de metale.

1.6.7. Poliimide (bismaleimide)

Aceste rasini sunt utilizate in compozite supuse la temperaturi ridicate (peste 250 ⁰C). Exista doua forme sub care sunt livrate:

- rasina lichida de impregnare;

- pudra ranforsata cu fibre.

Prezinta rezistenta mecanica buna, fara fluaj. Sunt practic incombustibile, au o buna comportare fata de agentii chimici oxidanti si un coeficient scazut la frecare.

1.6.8. Polistirilpiridine

Aceste rasini au o rezistenta remarcabila la temperatura inalta (400⁰C), pretul ridicat al acestora le recomanda in mod special pentru compozitele HP folosite in tehnologiile aerospatiale.

2. Materiale de armare (ranforsanti):

2.1. Materialele complementare, utilizate in scopul ranforsarii matricei sau pentru inducerea proprietatilor de autolubrifiere ale materialului compozit, difera intre ele prin natura chimica si configuratie.

Dupa configuratie, materialele complementare se impart in doua categorii: fibre si

particule, categorie incluzand numeroase alte tipuri, diferentiate dupa marime, dupa raportul lungime/diametru si dupa compozitia chimica in sectiunea transversala.

Comparativ cu fibrele, particulele sunt mai usor de realizat si de inglobat in materialul matricei. In schimb, fibrele sunt de neinlocuit daca se urmareste obtinerea unui compozit cu tenacitate mare.

2.2. Fibrele sunt folosite ca elemente de ranforsare, avand rolul de a prelua o mare parte din solicitarile la care este supus materialul matricei.

Clasificarea fibrelor in functie de configuratia geometrica este prezentata in figura 2.2.

Figura nr. 2.2. Clasificarea fibrelor materialelor compozite in functie de configuratia geometrica

2.2.a Fibrele continue sunt caracterizate prin valori mari ale raportului lungime/diametru (peste 1000 mm), avand forma unor fire simple (monofilament, cu diametrul peste 100 mm) sau rasucite (multifilamente, cu diametrul de 5 . 25 mm). Se realizeaza din bor, carbon, sticla, materiale ceramice, otel inoxidabil, rasini si se folosesc sub diverse forme de aranjare: unidirectionala, tip tesatura (bidirectionala) sau spatiala (tridirectionala).

Corp - fibra de carbon

2.2.b Fibrele discontinue se pot produce ca atare sau rezulta prin fragmentarea fibrelor cu lungime mai mare. Fibrele lungi se caracterizeaza prin raportul lungime/diametru intre 300 1000, lungimea fiind de cativa milimetri, iar diametrul de 3 10 mm. Fibrele scurte, obtinute prin taierea fibrelor continue sau discontinue lungi, sunt caracterizate de valori ale raportului 1/d de circa 100, cu lungimea sub 300 mm, iar diametrul de aproximativ 3 mm.

Fibrele discontinue foarte scurte (whiskers), cu dimensiuni reduse (diametrul sub 1mm), sunt constituite din microcristale filiforme de natura ceramica sau realizate din

bor, carbon. In tabelul 3.8. sunt prezentate caracteristicile diferitelor fibre pentru realizarea materialelor compozite de inalta performanta.

Folosirea materialului complementar sub forma de particule a cunoscut o mare extindere, deoarece prezinta unele avantaje importante, cum ar fi:

- cost scazut - in comparatie cu fibrele, particulele sunt mult mai ieftine;

- tehnologii simple de inglobare si dispersare a particulelor in matrice;

- posibilitatea obtinerii unor materiale izotrope.

Tabelul 8.

Exista o mare varietate de particule produse din SiC, grafit, Al₂O₃, mica, SiO₂, nitrura de bor, sticla, MgO, TiC, Si₃N₄, alice din otel sau fonta, ZrO₂, TiO₂, Pb, Zn, cu dimensiuni variind in limite largi de la mai putin de un micron (microcristale) pana la 500 microni sau chiar mai mari.

2.3. Particulele, mari sau mici (microparticulele), de forma sferica, plata sau de alta configuratie, se utilizeaza in special pentru producerea compozitelor cu rezistenta mare la uzare, asigurand produsului realizat greutate redusa, stabilitate dimensionala remarcabila si capacitate mare de amortizare a vibratiilor. Prezenta particulelor conduce insa la micsorarea alungirii si deci a tenacitatii materialului (comparativ cu alungirea si tenacitatea matricei), care determina limitarea folosirii acestora doar la producerea compozitelor care nu sunt solicitate excesiv la soc mecanic si termic. Particulele se folosesc, in cele mai multe cazuri, la producerea materialelor compozite cu matrice metalica. Fiind relativ ieftine si usor de produs, compozitele metalice cu particule s-au diversificat foarte mult si reprezinta, in momentul de fata, o categorie de materiale de care nu se poate face abstractie.

particule de grafit

Pulberile folosite la realizarea materialelor compozite se produc prin diverse procedee chimice sau fizice, fiind preferate metodele care asigura grad mare de finete si puritate ale particulelor. In tabelul 3.9. sunt date cateva materiale sub forma de particule utilizate la producerea compozitelor.

Proprietati ale rasinilor TD

Tabelul 9.

2.4. Ranforturi.

Se utilizeaza ranforturi sub forma filamentara incepand de la particule alungite pana la fibre continue. Fibrele se caracterizeaza prin titlul lor (tex) care corespunde masei in grame a unui km de fir.

In general, in structurile compozite (anizotrope) fibrele lucreaza bine la tractiune, dar in comparatie cu structurile metalice (izotrope), performantele in ceea ce priveste rezistenta la compresiune si taiere sunt foarte scazute. De aici interesul de a se realiza structuri care sa reziste ad-hoc.

In functie de proprietatile cautate se disting trei mari tipuri de ranforsanti (figura nr. 7.1.4.):

fibre unidirectionale (fig. 7.1.4.a);

fibre bidirectionale, tesaturi sD (fig. nr. 7.1.4.b);

fibre scurte si foarte scurte -wiskers-uri (fig. nr. 7.1.4.c)

a) b) c)

unidirectionale bidirectionale multidirectionale

Figura nr. 7.1.4. Tipuri de arhitecturi de ranforturi

2.5. Sarje de ranforsare

Acestea sunt microbile din sticla poroasa (sfere de 10-50 mm in diametru) care au drept scop repartizarea uniforma a eforturilor in compozite.

Prezinta o densitate scazuta 0,1-0,4 au forme sferice regulate cu diametre reglabile din tehnologiile de obtinere.

Realizeaza o crestere a rigiditatii si a rezistentei la compresiune contribuind, prin pretul lor relativ scazut, la realizarea unui pret al compozitului, convenabil.

2.6. Pregatirea ranforturilor.

Aceasta operatie constituie un loc deosebit de important in filiera de obtinere a compozitelor. Ea implica o cunoastere a tuturor factorilor care concura la realizarea unei arhitecturi adecvate a ranforturilor pentru un anumit tip de reper.

Se utilizeaza, de regula, in compozite patru texturi de baza:

unidirectionala (fir);

netesute (mata);

tesute;

trese.

Primele doua se realizeaza in procesul de fabricatie a fibrelor iar celelalte doua in tesaturi specializate in acest sens.

Tesatura se realizeaza prin dispunerea perpendiculara a fibrelor cu urzeala si se caracterizeaza prin:

armura: modul de intrepatrundere a firelor cu urzeala;

contul: numarul de fire pe centimetru in fire si urzeala;

natura firelor;

greutatea specifica (g/m²).

2.7. Caracterizarea ranforturilor:

Armarea materialelor plastice are drept scop imbunatatirea proprietatilor fizico-mecanice ale acestora. Influenta materialului de armare asupra materialului plastic difera in functie de materialul ales, de modul de dispunere al acestuia, de proportia in care este folosit si de masura in care se realizeaza o buna aderenta polimer-armatura.

Alegerea materialului de armare corespunzator scopului propus impune cunoasterea conditiilor pe care acesta trebuie sa le indeplineasca:

-rezistenta la tractiune, la incovoiere si la soc, sensibil mai mari decat cele ale matricei pe care o armeaza;

-modul de elasticitate mai mare decat cel al matricei;

-rezistenta chimica fata de matrice;

-forma corespunzatoare necesitatilor;

-suprafata la care matricea sa adere cat mai bine.

In multe cazuri, pentru indeplinirea acestei ultime conditii se folosesc procedee speciale de crestere a aderentei fibra-matrice.

Cele mai utilizate elemente de armare sunt fibrele de: sticla, azbest, silice, cuart, grafit, carbon, bor, beriliu si tungsten.

2.7.a Fibrele de sticla, obtinute prin filare, se caracterizeaza prin valori ridicate ale rezistentelor de rupere la tractiune, soc si compresiune. Ele au o foarte buna stabilitate dimensionala si o ridicata rezistenta la coroziune. Nu sunt higroscopice, nu putrezesc si nu ard. La 370 ⁰C isi pastreaza aproximativ 50% din valorile caracteristicilor fizico-mecanice pe care le au la temperatura obisnuita. Au caracteristici de buni izolatori.

Proprietatile deosebite ale fibrelor de sticla corelate cu densitatea redusa, asigura materialelor plastice armate cel mai bun raport rezistenta-greutate. De asemenea, pretul redus, in corelatie cu a altor fibre (carbon, cuart, bor, wolfram), precum si multitudinea formelor de prezentare (rowing, mat, tesaturi) explica de ce 85% din fibrele de sticla produse in lume servesc la armarea materialelor elastice.

Rezistenta la tractiune a fibrelor de sticla este mai mare la diametre mici (figura 10.).

Proprietatile fibrelor de sticla depind si de compozitia chimica a sticlei. Ele pot fi modificate, in functie de necesitati, prin introducerea anumitor oxizi metalici in compozitie. In tabelul 10. sunt indicate cateva caracteristici fizico-mecanice ale unor tipuri de sticla, folosite la armarea materialelor plastice.

Caracteristici fizico-mecanice ale fibrelor de sticla de tip E, S, D, C

folosite la armarea materialelor plastice

Tabelul 10

Sticla E, sticla nealcalina, folosita la inceput in electrotehnica, este un borosilicat de calciu si aluminiu, care are larga utilizare in diferitele ramuri ale industriei.

Sticla S, are cele mai bune caracteristici mecanice si de rezistenta la temperaturi ridicate. Astfel, in timp ce la 760 ⁰C sticla E isi pierde rezistenta mecanica, sticla S si-o pastreaza in proportie de 70%. In componenta sticlei S sunt cuprinsi urmatorii oxizi:

SiO₂ (65% din greutate),

Al₂O₃ (25% din greutate);

MgO (10%) din greutate.

Sticla D, cu un continut foarte mare de bioxid de siliciu, densitate redusa si constanta dielectrica apropiata de cea a silicei, este folosita in industria electronica.

Sticla C, sau sticla chimica se foloseste in cazul in care este necesara o foarte buna rezistenta la acizi, adica in industria fibrelor cu rezistenta chimica si in realizarea barierelor chimice la produse din materiale plastice armate.

La tragerea fibrelor prin filiera se obtine firul de baza, numit strand . Acesta este un semifabricat din care se realizeaza o serie de produse ca rowing, mat, fibre textile, tesaturi etc. Firul de baza, produs in tara noastra din bile de sticla tip E (v. tabelul 1.5.) este prelucrat in produse destinate armarii maselor plastice.

Un ansamblu de filamente paralele avand grosimi de ordinul milimetrilor, produse simultan si usor legate impreuna, fara o rasucire intentionata, formeaza un strand - fir de baza.

Fibrele de sticla sunt constituite din filamente (50 sau mai multe sute) care au fost tratate special si au fost rasucite in scopul protejarii fibrei la abraziune si pentru facilitarea operatiilor de tesere sau impletire.

2.7.b Rowingul.

Rowingul este un ansamblu de fibre de baza paralele, sau de filamente paralele si nerasucite. In functie de tehnicile de prelucrare, se produc mai multe tipuri de rowing: pentru tocare, pentru infasurare, pentru tesere si pentru impregnare continua.

Prin macinarea fibrelor de baza (strand), in mori cu ciocane, se obtin fibre scurte de 0,4 pana la 6 mm, care ulterior sunt tratate pentru a li se asigura compatibilitatea cu rasinile poliesterice sau epoxidice.

Masele plastice armate cu fibre de sticla macinate au caracteristici electrice si mecanice superioare matricei. Acest tip de armatura limiteaza aparitia tensiunilor interne si a fisurilor.

2.7.c Matul din fibra de sticla, este un produs din fibre de baza, tocate sau continue, distribuite la intamplare, fara o orientare intentionata si fixate cu un liant.

2.7.d Matul de suprafata este o pasla foarte subtire din filamente de sticla avand grosimea de (0,3 0,4 mm), masa pe unitatea de suprafata in jurul valorii de 50g/m² si o mare putere de absorbtie a rasinii poliesterice nesaturate.

Armarea materialelor plastice cu fibra de sticla cere o buna aderenta a rasinii la aceste fibre. Altfel, tensiunile aparute in astfel de structuri nu mai sunt preluate efectiv de fibre si operatia de armare nu-si atinge scopul. Pentru imbunatatirea acestei aderente, precum si a proprietatilor fizico-mecanice ale stratificatelor, se practica tratarea superficiala a fibrelor, chiar la obtinere, cu diverse amestecuri de incleiere (ancolanti).

2.7.e Fibrele de azbest sunt folosite frecvent la armarea maselor plastice termorigide datorita calitatii lor: rezistenta la temperatura si umiditate, rezistenta chimica, rezistenta la foc, constanta a proprietatilor in timp.

2.7.f Azbestul de tip crisotil (silicat de magneziu hidratat) reprezinta aproximativ 95% din productia mondiala de azbest. Pentru armare el se prezinta sub forma de fibre de diferite lunigimi, fire, pasle, tesaturi etc. Fibrele au rezistenta de rupere la tractiune de (500 700) N/mm², punctul de topire la (1500 1520) ⁰C, fiind fiabile la temperaturi ridicate si avand rezistenta slaba la actiunea acizilor.

Rasinile - fenolice, siliconice, epoxidice, poliesterice - pot fi armate cu azbest. Adeziunea fibrelor de azbest la rasinile de armare este suficient de mare, nefiind necesara o tratare speciala a lor in acest scop. Rezistenta mecanica a fibrelor de azbest este ceva mai mica decat a fibrelor de sticla, iar modulul de elasticitate este mai mare.

Pretul azbestului este insa mult mai mic decat al fibrelor de sticla. Adesea, fibrele de azbest si fibrele de sticla sunt folosite impreuna la armarea rasinilor termorigide, completandu-se reciproc.

2.7.g Fibrele de silice si fibrele de cuart raspund cerintelor din industria aviatica si aerospatiala a ultimelor decenii, pastrandu-si caracteristicile fizico-mecanice pana la 1050 ⁰C.

Fibrele de cuart se obtin prin topirea cristalelor de cuart de inalta puritate (99,95 % SiO₂) si tragerea lor printr-o filiera, iar fibrele de silice se produc prin tratarea fibrelor de sticla E (65% SiO₂) cu un acid anorganic, care la o anumita temperatura dizolva toate impuritatile fibrei de sticla.

2.7.h Fibrele de grafit se obtin din grafit natural sau prin oxidarea sau prin piroliza controlata a unor fibre anorganice. Au un continut ridicat de carbon (98,8 99,9) % si constituie forme unice de grafit prin structura lor - orientare preferentiala paralela a straturilor de grafit fata de axa filamentului.

2.7.i Fibrele de carbon, obtinute prin piroliza controlata, la (1000 1700) ⁰C, in atmosfera inerta, a unor fibre organice, contin (80 90) % carbon. Prin piroliza controlata a fibrei de P.A.N. (poliacrilonitril) s-au obtinut fibre cu un modul de elasticitate de 4,5 x 10⁵ N/mm².

Materiale de armare foarte flexibile, tesaturile din fibre de carbon si de grafit, au

rezistente mecanice remarcabile, densitate redusa si o deosebita rezistenta la temperaturi ridicate, pana la 2300 ⁰C.

Rezistenta la forfecare a laminatelor cu fibre de carbon si de grafit se mareste considerabil prin tratarea termica a fibrelor.

Prin depunerea cristalelor de carbura de siliciu pe fibrele de grafit si de carbon se asigura o buna aderare a rasinilor epoxidice la fibrele de armare, realizandu-se materiale rezistente la forfecare.

Caracteristicile fibrelor de carbon si de grafit

Tabel 11.

2.7.j Filamentele de bor.

Filamentele de bor produse industrial prin depunerea borului pe un suport de wolfram, au o structura deosebita. Astfel, functie de parametrii de lucru (timp-temperatura), miezul poate contine wolfram sau boruri de wolfram (WB, WB₄, W₂B₅) formate prin difuziunea borului in wolfram. Filamentul de wolfram folosit are diametrul de 0,013 mm, cu depunerea de bor atingand 0,1 mm.

Proprietatile mecanice deosebite ale filamentelor de bor raspund excelent exigentelor unor industrii cu caracter special (aviatie, astronautica).

Rezistenta lor de rupere la tractiune este in functie de temperatura la care se obtin (tabelul 12.)

Rezistenta de rupere la tractiune a filamentelor de bor in functie de

temperatura de obtinere a lor

Tabelul 12.

Temperatura optima de obtinere este situata in jurul valorii de 1250 ⁰C, de aceasta depinzand structura monocristalina a filamentului de bor. Acestea prezinta un interes deosebit datorita rezistentei lor remarcabile si a densitatii reduse.

Obtinerea presupune procedee asemanatoare fibrelor de SiC in sensul depunerii de bor pe un substrat de wolfram sau carbon:

2 BX₃ + 3 H₂ = 2 B + 6 HX

sau

t oC

B_xH_{y --------} xB+H₂

2.7.k Filamentele de carbura de siliciu si cele de diborura de titan se pot realiza prin metoda de obtinere a filamentului de bor - depunere chimica vapori pe un suport incandescent (placare chimica).

Fibrele de SiC sunt compuse din plane tetraedice de tip SiC₄ sau CSi₄ ceea ce confera acestora proprietati remarcabile.

Se obtin prin doua procedee:

primul consta in depunerea SiC pe un substrat fin de wolfram sau carbon (3-5 μm) din faza gazoasa SiCl₄+CH₄=SiC+4 HCl;

al doilea procedeu consta in piroliza unui carbosilan cand transformarea este incompleta si de aici si deosebirile in ceea ce priveste proprietatile celor doua tipuri de fibre.

Se utilizeaza in tehnica aerospatiala.

2.7.l Fibrele de tip whiskers reprezinta o noua clasa de materiale de armare, sub forma de filamente cu diametre foarte mici, de (1 50) mm, practic constituite din

monocristale. Rezistentele lor mecanice sunt deosebite pentru ca sunt alcatuite din cristale perfecte. Diametrele lor fiind foarte mici, se elimina posibilitatea aparitiei defectelor structurale. Ele se obtin prin diferite procedee de crestere, cu viteze determinate, a cristalelor, la temperatura controlata.

Proprietatile materialelor de armare obtinute prin placare chimica

Tabelul 13.

La armarea rasinilor epoxidice cu fibre de tip whiskers au fost obtinute rezultate remarcabile. Astfel, o rasina epoxidica cu un continut de 30% fibre de tip whiskers are o rezistenta de rupere de circa 2100 N/mm² si un modul de elasticitate de peste 2 x 10⁵ N/mm².

Fibrele de tip whiskers se folosesc si pentru armarea suplimentara a unor compozite armate cu fibra de sticla, filamente de bor sau fibre de carbon, adaosul fiind de (1 5) % fibre de tip whiskers.

Performantele atinse depind de tipul si cantitatea de fibre, dar mai ales de tehnicile de prelucrare folosite. Pretul ridicat al fibrelor de acest tip este principalul obstacol in folosirea lor pe scara larga.

Caracteristicile fizico-mecanice ale unor fibre de tip whiskers

Tabel 14.

2.7.m Fibrele de aramide

Fibrele de aramide sunt adesea denumite KEVLAR dupa marca de origine a firmei DUPONT DE NEMOURS - USA care a fost primul producator (dar astazi au aparut pe piata diverse marci).

Aramida

Drept materii prime se pleaca de la monomeri aromatici care formeaza legaturi amidice similare poliamidelor curente tip PA 6-6 "nylon' de unde si numele de aramide.

Fibra de aramida se sintetizeaza chimic la temperaturi joase (-10 C) si se comporta in solutie ca cristalele lichide (au proprietati liotrope) ceea ce creeaza molecule autoorientate deci o buna rezistenta mecanica. Se produc doua tipuri de fibre: de modul scazut si de modul inalt (HM), acesta din urma este utilizat in compozite.

Aramidele au cunoscut o dezvoltare spectaculoasa in fabricarea compozitelor deoarece se recomanda prin proprietati remarcabile:

rezistenta specifica la tractiune buna;

densitate scazuta (1,45);

dilatatie termica nula;

absoarbe vibratiile, deci amortizeaza socurile;

excelenta rezistenta la soc si la oboseala

buna rezistenta chimica fata de carburanti.

2.7.n Fibrele de alumina si de alumina-silice

Acestea au la baza de regula α-Al₂O₃ care prezinta refractaritate mare. Se obtin din geluri de Al(OH)₃ si AlOH prin descompunerea acestora. In cazul fibrelor alumino-silice rezulta:

3 Al₂O₃ + 2 SiO₂ = 3 Al₂O₃ 2 SiO₂,

tratandu-se fibrele de alumina cu pulberi de silice care realizeaza o crestere a rezistentei la rupere.

2.7.o Alte tipuri de fibre.

Exista o multitudine de fibre care se dezvolta in scopul obtinerii de compozite cu proprietati noi. Acestea sunt de natura metalica sau nemetalica avand locul lor de aplicare. Fibrele metalice de wolfram, crom, nichel sau fibrele scurte si monocristaline au o aplicabilitate mare in compozitele metalice sau ceramice.

Principalele proprietati ale diferitelor tipuri de ranforturi sub forma de fibre sunt prezentate in tabelul 15.

Caracteristicile generale ale principalelor tipuri de ranforturi

Tabel

2.8. Procedee de tesere

Pentru a putea fi tesute firele trebuiesc "spalate" in sensul inlaturarii aditivilor adaugati in procesele de obtinere a acestora.

Ele sunt transformate pe razboaie cu:

naveta - 250 lovituri/minut;

lansa - 500-600 lovituri/minut;

jet de apa - 600-1000 lovituri/minut.

Dupa tesere se trateaza cu aditivi specifici care sa permita o mai buna

impregnare a rasinilor (figura nr. 2.8.1 si figura nr. 2.8.2). Pentru structuri foarte solicitate (compozite HP), se realizeaza tesaturi si/sau tridimensionale.

Figura nr. 2.8.1 Principalele armuri de tesaturi unidirectionale

Figura nr. 2.8.2 Tesaturi bi si tridimensionale

Armarea materialelor plastice are drept scop imbunatatirea proprietatilor fizico-mecanice ale acestora. Influenta materialului de armare asupra materialului plastic difera in functie de materialul ales, de modul de dispunere al acestuia, de proportia in care este folosit si de masura in care se realizeaza o buna aderenta polimer-armatura.

Alegerea materialului de armare corespunzator scopului propus impune cunoasterea conditiilor pe care acesta trebuie sa le indeplineasca:

-rezistenta la tractiune, la incovoiere si la soc, sensibil mai mari decat cele ale matricei pe care o armeaza;

-modul de elasticitate mai mare decat cel al matricei;

-rezistenta chimica fata de matrice;

-forma corespunzatoare necesitatilor;

-suprafata la care matricea sa adere cat mai bine.

In multe cazuri, pentru indeplinirea acestei ultime conditii se folosesc procedee speciale de crestere a aderentei fibra-matrice.

Cele mai utilizate elemente de armare sunt fibrele de: sticla, azbest, silice, cuart, grafit, carbon, bor, beriliu si tungsten.

2.9. Materiale compozite stratificate.

Materialele compozite stratificate laminate constau in straturi de cel putin 2 materiale lipite (legate impreuna). Se pot combina astfel cele mai bune proprietati ale materialelor componente, obtinandu-se un material superior ca rezistenta, rigiditate, densitate, estetica, rezistenta la coroziune si umiditate, izolare termica, acustica etc.

Din aceasta clasa fac parte: bimetalele, metalele de protectie, sticla laminata, materialele stratificate, materialele fibroase stratificate.

Bimetalele: sunt materiale compozite stratificate, obtinute din doua metale diferite, cu coeficienti de dilatare termica semnificativ diferiti. La schimbarea temperaturii, bimetalul se deformeaza tipic si poate fi folosit ca mijloc de masurare a temperaturii;

Metalele de protectie: realizeaza acoperirea unor metale cu altele, obtinandu-se materiale compozite cu unele proprietati imbunatatite fata de metalele de baza;

Sticla laminata (securitul sau sticla de securitate): este un material compus dintr-un strat de polivinil-butirol, asezat intre doua straturi de sticla. Sticla protejeaza plasticul de zgaraieturi si ii confera rigiditate, in timp ce plasticul o face mai putin casanta;

Materialele stratificate: se obtin din materiale care pot fi saturate cu diverse substante plastice si apoi tratate in mod corespunzator.

Straturi de sticla sau de azbest pot fi impregnate cu silicon pentru a se obtine materialele compozite rezistente la temperaturi inalte. Sticla sau o structura poliamida 6, poate fi stratificata cu diverse rasini, rezultand un material compozit cu o rezistenta ridicata la soc;

Materialele compozite fibroase stratificate: constituie o clasa hibrida a materialelor compozite, implicand materiale fibroase si o tehnica a asezarii lor in straturi. Numele obisnuit este acela de materiale compozite stratificate laminate, armate cu fibre. Straturile de material armat cu fibre sunt realizate astfel incat fibrele unui strat sa fie paralele si fiecare strat sa fie orientat in mod corespunzator, pentru a obtine o cat mai buna rezistenta si rigiditate pe anumite directii.

Materialele compozite fibroase sunt obtinute prin inglobarea in materialele de baza - numite matrice - a unor fibre de forme diferite, in configuratii si prin procedee prezentate in figura nr.7.2.9.

Figura nr. 7.2.9. Obtinerea materialelor compozite fibroase.

Materialele compozite utilizate sub forma de placi sunt constituite din lamine (folii armate unidirectional), fiecare cu o orientare precizata a fibrelor in structura placilor multistrat.

Straturile suprapuse sunt supuse unui proces tehnologic care are ca efect realizarea unor legaturi structurale intre matricele straturilor invecinate (presare in matrite inchise, la temperatura inalta, cu eliminarea gazelor si a surplusului de material).

Teoria laminatelor (placile multistrat) are la baza urmatoarele premise:

Laminatul este considerat quasi-omogen si izotrop;

Fiecare strat este ortotrop, cu izotropie transversala;

Toate substraturile au proprietatile de material identice (cu exceptia compozitelor hibride);

Laminatul si straturile sale sunt considerate in stare plana de tensiune;

Deplasarile variaza liniar pe grosimea laminatului si sunt continue peste tot.

In raport cu secventa de asezare a straturilor, compozitele multistrat pot fi clasificate astfel:

laminate unidirectionale: la care orientarea fibrelor tuturor straturilor respecta aceeasi directie (de ex. θ=0⁰ pentru toate straturile);

laminate cu straturi incrucisate: la care orientarea fibrelor alterneaza de la un strat la altul, adica secventa de suprapunere se prezinta in formularea /θ/-θ/θ/-θ/, cu θ⁰ 0⁰ sau 90⁰;

laminate cu fibrele incrucisate: la care secventa de suprapunere a straturilor este: /0⁰/90⁰/0⁰/90⁰/;

laminate simetrice: la care straturile prezinta o simetrie a secventei de suprapunere in raport cu planul median: orice strat are un corespondent cu aceeasi orientare si la aceeasi distanta fata de planul median, adica:

unde

z = distanta a stratului fata de planul median.

In acest caz, codul secventei de suprapunere se scrie pentru o singura jumatate si se insoteste de indicativul s (de la simetric): de exemplu [0/+45/90/90/+45/0] este echivalent cu [0/+45/90]_s.

laminate antisimetrice: in corelatie cu laminatele simetrice, aceste compozite sunt caracterizate prin relatia:

laminate nesimetrice;

laminate quasi-isotrope: daca total al straturilor este n si unghiul de orientare de la un strat la altul variaza cu π/n, proprietatile laminatului in planul (x,y) se apropie de proprietatile materialelor izotrope. Materialele quasi-isotrope mai des folosite sunt cele cu secventa de suprapunere [0/45/90]_s.

2.10. Materiale compozite cu particule.

Aceste materiale sunt alcatuite dintr-un material de baza (matrice) in care sunt inglobate particule, din unul sau mai multe materiale.

Particulele pot fi metalice sau nemetalice, asa cum poate fi si matricea / metalica sau nemetalica:

Particule metalice in matrice nemetalice un astfel de material compozit este carburantul solid pentru rachete, alcatuit din pudra de aluminiu si oxizi, intr-o legatura organica flexibila, ca aceea de poliuretan sau cauciuc polisulfid. Un alt exemplu este cel al materialului obtinut dintr-o pudra metalica aflata in suspensie intr-o rasina termoreactiva. Materialul compozit rezultat este rezistent, dur, bun conducator de caldura si electricitate. Se foloseste la lipiri la rece;

Particule nemetalice cu matrice nemetalice un exemplu din aceasta categorie este materialul alcatuit din particule de nisip si roca intr-un amestec de ciment cu apa, care reactioneaza chimic si se intareste (betonul). Particule de materiale nemetalice pot fi si cele de mica sau de sticla, care formeaza un material compozit atunci cand se afla gaz intr-o matrice de sticla sau din material plastic;

Particule metalice in matrice metalice: deosebit de un aliaj, materialul compozit se obtine din particule metalice aflate intr-o matrice metalica, fara a se "dizolva". Particulele de plumb sunt in mod curent folosite in aliaje de cupru si otel. Unele metale sunt fragile la temperatura obisnuita; particule din aceste metale, cum ar fi: tungstenul (wolframul), cromul, molibdenul, pot fi incluse intr-o matrice ductila. Materialul compozit rezulta ductil ca matricea si rezistent la temperatura ridicata, cum este constituientul lor fragil;

Particule nemetalice in matrice metalice particule nemetalice, cum ar fi cele din ceramica, pot fi inglobate intr-o matrice metalica. Materialul compozit rezultat este numit - cermet.

Sunt cunoscute doua clase de cermeti:

compozite pe baza de oxizi:

compozite pe baza de carburi.

Cermetii pe baza de oxizi sunt obtinuti dintr-o matrice metalica in care au fost inglobate particule de oxizi sau sunt obtinuti dintr-o matrice de oxizi in care au fost incluse particule de metal.

Cermetii oxidici au rezistenta mare la uzura si la temperaturi inalte.

Compozit cermet bazat pe materiale reciclate

Cermetii pe baza de carburi sunt obtinuti din particule de carburi de tungsten, crom sau titan, incluse in matrice metalice. Materialul rezultat din particule de carbura de tungsten inglobate intr-o matrice de cobalt este caracterizat prin densitate mare. Particulele de carbura de crom intr-o matrice de cobalt conduc la obtinerea unui compozit cu mare rezistenta la uzura si coroziune.

2.11. Variatia rezistentei la rupere functie de conditiile de ranforsare si de conditiile de temperatura.

Caracteristicile materialelor compozite rezulta din asocierea ranfort matrice si sunt in functie de: proportia ranfort-matrice, conditiile de ranforsare si procesul de fabricatie. Un exemplu in acest sens il reprezinta modul in care variaza efortul la rupere pentru compozite fibre de sticla-rasina avand proportii diferite de ranfort si conditii tehnologice diferite:

Fig. nr. 45. Variatia rezistentei la rupere functie de conditiile de ranforsare pentru un compozit fibra de sticla-rasina

Materialele compozite polimerice prezinta pe langa remarcabile proprietati mecanice si o rezistenta deosebita la coroziune si agenti chimici dar ca un impediment, o reprezinta temperatura de lucru limitata de rasina utilizata drept matrice.

Acest handicap este insa rezolvat in mod cu totul si cu totul stralucit de un alt tip de materiale compozite cu matrice de tip anorganic (carbon, SiC, B₄C₃ etc).

T[⁰C]