Materiale de tip compozit

Materiale de tip compozit.

1. Notiuni generale.

1.1. Componentele materialelor de tip compozit.

Materialele compozite fac parte din categoria materialelor compuse speciale. In cadrul generatiei de materiale noi care inlocuiesc metalele, avand in vedere caracteristicile si perspectivele lor de viitor, o atentie deosebita se cuvine a fi acordata compozitelor, denumite, pana nu demult, materiale plastice consolidate.

Materialele compozite sunt primele materiale a caror dispunere structurala interna o concepe omul, nu numai in inlantuirea lor moleculara, ci conferindu-le rezistente favorabile in directii preferentiale.

Ca o definitie generala, materialele compozite sunt sisteme de doua sau mai multe componente, ale caror proprietati se completeaza reciproc, rezultand un material cu proprietati superioare celor specifice fiecarui component in parte. Astfel, aceste componente vor coopera, deficientele unora fiind suplinite de calitatile altora, conferind ansamblului, proprietati pe care nici un component nu le poate avea singur.

Termenul de material compozit se refera la un material care in principiu difera de materialele care sunt omogene la scara macroscopica.

In mod obisnuit unii autori considera drept materiale compozite, aranjamente de fibre continue sau discontinue, realizate dintr-un material existent, ranfortul, care este cufundat intr-o matrice a carei rezistenta mecanica este mult mai scazuta.

Din punct de vedere tehnic, notiunea de materiale compozite se refera la materialele care poseda urmatoarele proprietati:

sunt create artificial, prin combinarea diferitelor componente (sunt excluse compozitele naturale sau cele aparute fara intentia de a crea un compozit, cum ar fi lemnul, fonta cenusie etc.);

reprezinta o combinare a cel putin doua materiale deosebite din punct de vedere chimic, cu proprietati anizotrope intre care exista o suprafata de separatie distincta, interfata;

prezinta proprietati pe care nici un component luat separat, nu le poate avea

Unii autori considera o zona numita interfaza, responsabila de eventualele deteriorari ale sistemului compozit.

Modificarile induse sunt rezultatul interactiunii la nivelul interfetei in timpul formarii materialului compozit.

Problemele care au aparut in incercarea de a defini cat mai exact, materialele

compozite sunt o dovada a domeniului extrem de larg pe care il ocupa acest tip de materiale, domeniu aflat intr-o continua si rapida extindere.

In mod elocvent se observa ca in timp ce la materialele plastice, care poseda proprietati izotrope, sunt folosite tehnici de proiectare si executie a pieselor atat de apropiate celor utilizate pentru metale, la materialele compozite trebuie construita structura care se cere.

Rezultatul il reprezinta un sistem care include:

natura ranfortului,

textura ranfortului

forma ranfortului;

- concentratia ranfortului;

- natura rasinii si a sarjelor sau aditivilor;

- calitatea interfetei ranfort-matrice;

- geometria piesei de analizat;

- procedeul de punere in lucru utilizat etc.

In particular, cuplul constituienti-procedeu este indisociabil, deoarece proprietatile structurii de realizat depind direct, iar acestea nu vor fi identificate decat in stadiul de produs finit elaborat.

Avantajul major, esential al compozitelor consta in posibilitatea modularii proprietatilor si obtinerea in acest fel a unei game foarte variate de materiale, a caror utilizare se poate extinde in aproape toate domeniile de activitate tehnica.

In cele mai multe cazuri, compozitul cuprinde un material de baza, matricea, in care se afla dispersat un material complementar sub forma de fibre sau particule, iar principalele proprietati care se urmaresc sa se obtina, sub o forma imbunatatita sunt:

o       rezistenta la rupere;

o       rezistenta la uzare,

o       densitatea,

o       rezistenta la temperaturi inalte,

o       duritatea superficiala,

o       stabilitatea dimensionala,

o       capacitatea de amortizare a vibratiilor etc.

O clasificare mai generala a materialelor compozite, care le prezinta intr-un mod sintetic, are la baza utilizarea concomitenta a doua criterii si anume: particularitatile geometrice ale materialului complementar si modul de orientare a acestuia in matrice (figura 7.1.1).

Figura 7.1.1. Schema clasificarii materialelor compozite

2. Clasificarea materialelor de tip compozit reprezinta o gama foarte mare de produse, de aceea este necesar a se lua in considerare mai multe criterii: astfel, compozitele pot fi clasificate in categoriile prezentate in continuare:

2.1. dupa starea de agregare a matricei si a materialului dispersat:

compozite de tip lichid-solid (suspensii, barbotine);

compozite de tip lichid-lichid (emulsii);

compozite de tip gaz-solid (structuri "fagure", aerodispersii);

compozite solid-solid (metal-carbon, metal-fibre, carbon-carbon, polimer-fibre etc.);

2.2. dupa natura matricei:

compozite cu matrice metalica (Al,Cu, Ni, Mg, aliaje);

compozite cu matrice organica (polimeri);

compozite cu matrice din carbon;

compozite cu matrice ceramica (SiC, B₄N₃, Al₂O₃ etc.)

2.3. dupa configuratia geometrica a materialului complementar:

compozite cu fibre discontinue (fibre scurte, mono sau multi-functionale);

compozite cu fibre continue;

compozite cu particule mari (grafit, oxizi, nitruri, carbon, aliaje) acestea avand dimensiuni mai mari de 1 mm si diferite forme: sferica, plata, elipsoidala, neregulata;

compozite cu microparticule (la care materialul dispersat in matrice reprezinta 1-15 %, iar diametrul mediu al particulelor nu depaseste de regula 0,1 mm);

compozite lamelare stratificate.

2.4. dupa modul de distributie a materialului complementar:

compozite izotrope, care contin elemente disperse de tip particule, granule metalice sau fibre scurte, uniform repartizate;

compozite anizotrope cu proprietati variabile cu directia, la care materialul complementar este sub forma de fibre continue (insertii, impletituri), orientate unidirectional, in plan sau in spatiu sau fibre scurte repartizate liniar;

compozite stratificate, in cazul carora elementele componente sunt bidimensionale;

compozite cu o distributie dirijata a materialului dispersat, obtinute prin solidificarea unidirectionala sau deformarea plastica la rece.

2.5. dupa modul de realizare a suprafetei de contact:

compozite integrate chimic, la care interactiunile din suprafata de contact sunt de natura chimica (vitroceramul gama silicioasa, masele refractare fosfatice, cermetii);

compozite obtinute prin agregare, la care predomina fortele de adeziune si coeziune intre componenti;

compozite cu armura dispersa, care constau dintr-o matrice rigida (ceramica) sau deformabila (metale, aliaje, polimeri), in care se inglobeaza materialul complementar, constituit din fibre sau particule, fortele de legatura fiind de natura fizica si/sau chimica.

2.6. dupa marimea materialului complementar:

microcompozite la care materialul dispers este la scara microscopica sub forma de:

fibre continue (aliniate sau impletite);

fibre scurte (aliniate sau nealiniate);

particule (sferice, plate, elipsoidale, alte configuratii);

microparticule;

structuri lamelare;

retele spatiale;

componente multiple.

macrocompozite, categorie in care se incadreaza:

compozitele stratificate macroscopic;

materiale acoperite;

materiale cu elemente de armare la scara macro.

3.Componentele materialelor compozite cu matrice polimera.

Notiuni de baza.

Pentru materialele compozite cu matrice polimera se au in vedere urmatorii constituienti (Figura nr. 7.1.3.)

o       ranfortul, care constituie armatura sau scheletul asigurand rezistenta mecanica (este de natura filamentara: fibre minerale sau organice);

o       matricea, leaga ranfortul, repartizand eforturile si asigurand protectia chimica, totodata da si forma piesei (este prin definitie un polimer sau o rasina organica);

o       interfata, asigura compatibilitatea ranfort-matrice, asigurand transmiterea eforturilor de la unul la celalalt fara o deplasare relativa (prezinta o buna aderenta in strat subtire: de ordinul micronilor.

Fig. Nr. 7.1.3. Materiale compozite polimerice - componente de baza

o       sarjele, asigura proprietati particulare sau complementare, sau inca permit o scadere a costurilor si se prezinta sub forma de particule;

o       aditivii sunt de regula catalizatori, acceleratori de polimerizare, agenti tixotropici etc.

Fig. nr. 7.1.4. Modul de realizare a interfetei si interfazei matrice - ramfort.

3.2. Materiale compozite polimerice armate (MCPA

Materialele compozite polimerice sunt solide, cu structura eterogena, obtinute prin asocierea, intr-o ordine dirijata, a unor componenti dintre care cel de baza este de natura polimerica si care sunt caracterizate prin proprietati fizico-chimice diferentiate.

Posibilitatea de a folosi, in cadrul unor combinatii foarte variate, materii prime componente foarte diverse se concretizeaza in obtinerea unei game largi de compozite polimerice.

Materialele compozite polimerice armate, MCPA detin ponderea cantitativa a utilizarilor actuale, peste 80% si de perspectiva. Aceasta se explica prin prisma proprietatilor specifice remarcabile, net superioare materialelor traditionale si materialelor compozite cu matrice metalica si ceramica:

greutate specifica redusa;

rezistenta superioara la agenti chimici;

proprietati mecanice superioare (rezistenta specifica si modul specific inalt);

proprietati termice si electrice imbunatatite, comparativ cu a materialelor plastice;

proprietati dirijat diferentiate.

Impunerea materialelor compozite polimerice in domeniile de varf ale tehnicii, dar si in alte domenii industriale:

in constructii,

sectorul bunurilor de larg consum etc.,

se datoreaza si caracteristicilor tehnologice ale acestora: prelucrabilitate usoara, cu posibilitatea obtinerii de piese finite printr-o singura operatie sau prin operatii nu

deosebit de dificile, operatii in multe cazuri posibil de mecanizat si automatizat, ceea

ce determina situarea costurilor la niveluri relativ scazute, competitive.

In tabelul 2.1 voi oferi o prezentare generala a materialelor compozite polimerice in raport cu materialul traditional inlocuit.

Tipuri de materiale compozite polimerice, armaturi si materiale inlocuite

tabelul 2.1.

Componentele de baza ale compozitelor polimerice sunt, in general, diferiti polimeri:

poliamide,

polipropilena,

polietilena,

policarbonati,

rasini epoxidice,

rasini fenolice,

poliuretani,

polietilentereftalat,

acrilonitrilbutadienstiren,

polifenilenoxid etc.

Dupa modelul de imbinare a componentelor (structura), compozitele polimerice se clasifica in urmatoarele tipuri principale:

Tabelul 2. prezinta rapoartele preturilor unitare pentru cateva materiale compozite, in comparatie cu materialele traditionale de constructie.    

Raportul preturilor unitare pentru unele metale si materiale compozite

Tabelul 2.

Competitivitatea compozitelor cu matrici polimerice este determinata si de consumurile relativ reduse de energie in procesul de obtinere a matricei polimerice (tabel 3.) si a compozitului polimeric, de costurile tehnologiilor moderne de formare mai reduse si de costul de fabricare pe unitatea de structura.

Aceste avantaje sunt un parametru economic important care conduc la reducerea costurilor directe de confectionare a unor repere, elemente de structura, sau elemente de constructie.

Consumuri energetice comparative

Tabelul 3.

Trebuie luate in considerare si valorile inalte ale rezistentelor mecanice specifice, a modulului de elasticitate specific, cat si integritatea pe termen lung a materialului compozit, a constructiilor si a pieselor realizate din aceste materiale, in conditiile de mediu caracteristice domeniului de exploatare.

Tehnologiile de fabricatie foarte diverse ale acestor materiale implica utilaje si

procese pentru: obtinerea matricei polimerice, pregatirea componentelor de armare,

impregnarea sau tratarea fibrelor, taierea fibrelor, realizarea armaturii (sub forma de

retea, tesatura, impletitura etc.), realizarea compozitiei propriu-zise prin injectie, extrudare, presare - matritare, alte procedee.

In principiu, pentru fiecare tip de material compozit polimeric si pentru fiecare reper, este necesara o tehnologie distincta, cu operatii si utilaje sau dispozitive si scule specifice.

3.2.1. Materialele compozite polimerice se clasifica in urmatoarele categorii:

Compozite macroscopice, care includ urmatoarele tipuri:

3.2.2. Sisteme poroase impregnate, de tipul:

3.2.3. Polimeri ranforsati, de tip:

3.2.4. Materiale compozite cu doi polimeri (doua unitati monomerice):

3.2.5. Materiale compozite hibride.

3.2.6. Componentele de baza ale materialelor compozite polimerice sunt:

3.2.6. a Matricea, care poate fi realizata din urmatoarele materiale:

3.2.6. b Materialul de armare, care la compozitele polimerice moderne sunt in special fibre de sticla, fibre de carbon si fibre aramidice si intr-o masura mai mica fibre polietilenice sau fibre celulozice. Recent, s-a inceput ranforsarea cu fibre ceramice, in special a rasinilor epoxidice modificate, a siliconilor si a altor polimeri cu rezistenta termica mare.

Datorita costului mult mai mare comparativ cu celelalte tipuri de fibre, cele de bor, desi au performante mecanice superioare la solicitari de intindere, comprimare, lovire si o rezistenta mare la oboseala, nu sunt folosite decat in acele domenii si aplicatii care sa justifice utilizarea economica a acestora, cum ar fi: constructii aeronautice si aerospatiale si tehnica militara.

Caracteristicile mecanice ale MCPA depind nu numai de proprietatile componentelor, dar si de taria legaturii interfaciale fibra - matrice. Pentru imbunatatirea adeziunii interfaciale, fibrele de sticla si fibrele de carbon cu aderenta mica la matrici polimerice sunt supuse unor tratamente speciale termice, chimice si de finisare cu pelicule de polimeri peliculogeni.

Aliajele din materiale plastice reprezinta un domeniu nou; acestea rezulta din amestecul de polimer - polimer, inclusiv polimeri grefati, polimer - metal si polimer - ceramica, pe langa aliajele metal - metal, proiectate de multa vreme si aliajele ceramica - ceramica, ceramica - metal.

Aliajele din materiale plastice sunt preferate in multe cazuri aliajelor metalice, datorita proprietatilor mecanice superioare in procesele de frecare, elimina in multe cazuri ungerea.

4. Materialele compozite metalice (MCM).

Materialele compozite cu matrice metalica "metal matrix composites" sunt materiale compuse, care prezinta rezistenta mecanica mare si care rezista la temperaturi mari, pana la aproximativ 1.500 K.

Aceste materiale sunt constituite dintr-o baza (matrice) metalica (metale sau aliaje metalice) si componente de insertie (armare) metalice, fibra de carbon sau fibre ceramice, ultimele sub forma de fire sau fibre (lungi, scurte sau whiskers) si in unele cazuri in forma de benzi, solzi sau pulbere.

Materialele compozite metalice se refera la urmatoarele categorii de materiale:

Materialele compozite metalice se prezinta sub diferite forme: semifabricate (placi, table, sarme, profile); piese de configuratii prestabilite (piese finite); ansambluri cu functionalitate precizata (de exemplu, radiatoare).

In calitate de componente ale MCM, se utilizeaza: matrice metalica din metalele sau aliajele acestora (aluminiu, magneziu, cupru, titan, plumb, superaliaje etc.); componente de armare (sarme metalice sau benzi) din oteluri inoxidabile, wolfram, beriliu, titan, fibre de bor (depuse pe filamente de wolfram, acoperite cu SiC sau BC); fibre de carbon (lungi sau scurte); fibre ceramice oxidice sau neoxidice, cum sunt fibrele lungi de Al₂O₃, SiC, de cuart, sau fibrele scurte si whiskers din SiC, carbura de bor etc., particule (pulberi sau solzi) din materiale ceramice sau metalice.

Diversitatea de materiale compozite metalice cunoscute sau posibil de realizat este determinata de numarul de combinatii posibile matrice - elemente de armare, de natura acestora, cat si de modul de distributie si fractia volumica a constituentilor.

Metodele si tehnologiile de fabricatie ale MCM sunt foarte diverse, implicand conditii speciale dificile ale operatiilor determinate de prelucrari la temperaturi ridicate

si depinzand de natura materialelor metalice (metale sau aliaje greu fuzibile sau cu o mare reactivitate fata de diferite gaze sau de atmosfera).

Pentru realizarea MCM, metodele principale utilizate, in raport cu starea matricei, sunt metode in faza solida, metode in faza lichida, metode de depunere chimica etc.

Metodele in faza solida de obtinere a MCM sunt:

presarea la cald;

laminarea la cald;

sinterizarea (dupa presare, tehnica metalurgiei pulberilor);

tragerea la cald.

Metodele in faza lichida pentru obtinerea MCM sunt:

infiltrarea sub presiune sau in vid;

turnarea cu forjare;

turnarea in matrita;

omogenizarea in stare lichida.

Diferitele faze tehnologice se realizeaza prin procese fizice (pulverizare cu plasma, placare cu ioni, depunere din stare de vapori), chimice sau fizico-chimice (depuneri chimice, electrolitice, depuneri chimice din stare de vapori) si mecanice.

5. Materiale compozite ceramice (MCC).

Materiale compozite ceramice sunt materialele compuse, cu matrice ceramica (oxizi, carburi, nitruri, boruri, siliciuri, oxicarburi etc.) ranforsate cu fibre ceramice sau cu fibre de carbon, lungi sau scurte. Ele se caracterizeaza prin rezistenta mecanica relativ mare si sunt stabile la temperaturi inalte.

In ceea ce priveste comportarea termomecanica pana la 1.200 ⁰C sau chiar la temperaturi mai mari, oboseala la clivaj termic, fluajul sub sarcina, inertie chimica, materialele compozite ceramice sunt superioare tuturor celorlalte materiale.

Fragilitatea mare a matricei ceramice, tenacitatea insuficienta in raport cu otelurile refractare pentru aplicatiile in structuri care functioneaza la temperaturi mari constituie inca un dezavantaj al acestor materiale.

In calitate de matrice, se folosesc: compusi oxidici (Al₂O₃, SiO₂, Al₂O₃ cu adaos de TiO₂ sau de Zr₂O₃) si compusi neoxidici (SiC, Si₃N₄, AlB etc.). Pentru ranforsarea matricei, se folosesc fibre de carbon si mai ales fibre ceramice continue, discontinue si mai recent, whiskers ceramic.

Metodele principale de fabricatie a materialelor compozite ceramice sunt:

o       formarea plastica din pulberi fine si un lichid purtator;

o       prin turnare intr-un model si apoi arderea la temperatura ridicata;

o       presare la rece si sinterizare (din pulberi fine si un liant;

o       prin compactare la rece, la presiune mare si apoi arderea la temperaturi ridicate);

o       sinterizare in stare vitroasa ca in cazul anterior, cu includerea unei faze sticloase care micsoreaza vascozitatea, in functie de temperatura;

o       presare la cald (pulbere fina, cu aplicare simultana a presiunii si temperaturii) si depunere in faza de vapori.

6. Materialele compozite de mare difuziune (GD - grand difusion) si de inalta performanta (HP - haute performance)

Compozitele de "mare difuziune" (GD), mai cunoscute, provin cel mai adesea din cuplul de sticla E/rasina poliester sau sticla/tehnopolimeri, cu un procent de ranforsare aproape de 30%.

Compozitele de "inalta performanta" (HP), inca putin utilizate, provin din asocierea fibrelor lungi de sticla R, carbon sau aramide cu rasini epoxidice avand un procent de ranforsare de peste 50%.

Proprietatile lor mecanice cum ar fi rezistenta si modulul specific (R/d si E/d) sunt net superioare materialelor conventionale, depinzand numai de costurile care se mentin inca ridicate.

Material compozit de mare difuziune (GD)