KOMPOZITNI MATERIJALI

Mnoge savremene tehnologije zahtevaju materijale sa kombinacijom svojstava koju nemaju ni legure, ni keramički materijali, ni polimeri. Kao primer mogu da se navedu komponente avionskih konstrukcija, gde se od materijala zahteva mala gustina, velika čvrstoća i velika krutost. Ovakva svojstva imaju kompozitni materijali (kompoziti), koji predstavljaju kombinaciju dva ili više materijala sa različitim svojstvima u mikro i/ili makroskopskoj razmeri.

Kompoziti mogu biti: ojačani česticama, ojačani vlaknima i laminatni. Kompozit ojačan česticama je beton, koji predstavlja mešavinu cementa i šljunka- peska; stakloplastika je kompozit ojačan vlaknima, jer je sačinjena od staklenih vlakana ubačenih u matricu od polimera; šperploča je laminatni kompozit koji se sastoji od unakrsno lepljenih furnira drveta.

Ako su čestice raspoređene ravnomerno, kompoziti ojačani česticama su izotropni. Kompoziti ojačani vlaknima su po pravilu anizotropni, dok su laminatni kompoziti uvek anizotropni.

Gustina kompozita ojačanih vlaknima ρ, određuje se primenom pravila mešanja:

ρc=Vmρm + Vvρv

gde je: Vm– zapreminski udeo matrice, Vv– zapreminski udeo vlakana, ρm– gustina matrice, ρv– gustina vlakana.

Određivanje čvrstoće i modula elastičnosti je komplikovanije, jer zavisi i od dodatnih faktora, a ne samo od zapreminskog udela i svojstava komponenata. Na primer, kod kompozita ojačanih vlaknima modul elastičnosti zavisi od orijentacije vlakana u odnosu na opterećenje, pa izraz

Ec=VmEm + VvEv

važi samo za kompozit čija su vlakna u pravcu opterećenja. Kada je opterećenje upravno na pravac vlakna, modul elastičnosti se određuje kao

2 001.1jpg

Pri tome su Ec, Em i Ev moduli elastičnosti kompozita, matrice i vlakna.

Čvrstoća kompozita ojačanih vlaknima zavisi od veze između vlakana i matrice i ograničena je deformacijom matrice, pa je stvarna zatezna čvrstoća Rmc skoro uvek manja od vrednosti koja se dobija po pravilu mešanja:

Rmc = VmRmm + VvRmv

 

KOMPOZITI OJAČANI ČESTICAMA

Kompoziti ojačani česticama sastoje se od matrice u koju su smeštene čestice različitog oblika, ali približno istih dimenzija u svim pravcima. Veličina i zapreminski udeo čestica znatno utiču na svojstva ovih kompozita. Da bi se postiglo neophodno ojačavanje, čestice treba da budu manje od 1μm u prečniku i ravnomerno raspoređene u matrici. Zapreminski udeo čestica najčešće iznosi 30-40%. Najpoznatiji kompoziti iz ove grupe su kermeti.

Kermeti predstavljaju kombinaciju keramičkih materijala i metala. Najviše korišćeni kermeti sastoje se od tvrdih čestica keramike, volframkarbida (WC) ili titankarbida (TiC), koji su raspoređeni u metalnoj matrici, kao što je kobalt. Ovaj kompozit se koristi za izradu alata za rezanje kaljenih čelika. Tvrde čestice karbida obezbeđuju dobra režuća svojstva i na povišenim temperaturama koje se javljaju pri velikim brzinama rezanja. Međutim, alati za rezanje napravljeni samo od WC su izuzetno krti. Da bi se povećala žilavost, čestice WC se zajedno sa kobaltom u prahu presuju i žare na temperaturama iznad temperature topljenja kobalta, tako da rastopljeni kobalt obloži svaku česticu volframkarbida.

2 001.2jpg

KOMPOZITI OJAČANI VLAKNIMA

Kompoziti ojačani vlaknima se dobijaju ubacivanjem vlakana u meku matricu. Matrica prenosi silu sa vlakna na vlakno, obezbeđuje plastičnost i žilavost i sposobnost oblikovanja, dok vlakna prenose opterećenje. Vlakna mogu da budu različite dužine i rasporeda, što bitno utiče na svojstva kompozita.

Čvrstoća kompozita ojačanih vlaknima zavisi od čvrstoće vlakana i njihove orijentacije, zapreminskog udela vlakana u kompozitu, kao i od odnosa dužine i prečnika vlakna.

Orijentacija vlakana. Kompoziti sa proizvoljnom orijentacijom vlakana ponašaju se izotropno, ali je efekt ojačavanja mali. Kompoziti sa vlaknima u jednom pravcu imaju optimalne vrednosti čvrstoće i krutosti ako opterećenje deluje u pravcu vlakana, ali su navedena svojstva loša ako je opterećenje upravno na pravac vlakana. Da bi se postigla dobra svojstva u više pravaca, koriste se slojevi sa različitom orijentacijom (tkanjem) vlakana.

3 001.1jpg

Zapreminski udeo vlakana. Sa povećanjem zapreminskog udela vlakana u kompozitu rastu njegova čvrstoća i krutost. Gornja granica zapreminskog udela vlakana je oko 80%.

Odnos dužine i prečnika vlakna. Dimenzije vlakna se definišu odnosom dužine l i prečnika d. Sa povećanjem odnosa l/d svojstva kompozitnih materijala se poboljšavaju. Vlakna sa većom dužinom (l/d = 200-500) bolja su zato što krajevi svakog vlakna prenose manji deo opterećenja nego ostatak vlakna. Duga vlakna je teško proizvesti i ukomponovati u matricu, dok se kratka vlakna (l/d = 20-50) veoma lako spajaju sa matricom, ali daju relativno slabo ojačavanje.

 

VLAKNA

Od vlakana se zahteva visoka vrednost specifične čvrstoće (količnik čvrstoće i gustine) i specifične krutosti (količnik modula elastičnosti i gustine).

Vlakna u vlaknima ojačanim kompozitnim materijalima mogu da budu polikristalna i amorfna, u obliku: rovinga (blago uvijene niti), užeta (upletene niti), tkanine (atlas tkanje, satensko ili neka druga vrsta tkanja) i mata. Za proizvodnju vlakana se koriste: staklo, ugljenik, bor i aramid.

Staklena vlakna se prave izvlačenjem rastopljenog stakla kroz male otvore u alatu od platine, i to od dve vrste stakla: E- stakla (52-56%SiO2, 12-16% Al2O3, 16-25% CaO, 8-13%B2O3) i S- stakla (65%SiO2, 25% Al2O3, 10% MgO). E-staklo ima dobru zateznu čvrstoću i modul elastičnosti, a najviše se koristi za izradu drugih vlakana. S-staklo ima veću vrednost specifične čvrstoće i krutosti od E-stakla, ali je znatno skuplje. Staklena vlakna su jeftinija od drugih vlakana.

Ugljena vlakna se dobijaju hemijskim razlaganjem dugih vlakana poliakrilnitrida (PAN) na povišenim temperaturama. Proces dobijanja se odvija kroz dve ili tri faze: fazu stabilizacije, fazu karbonizacije i fazu grafitizacije. Faza grafitizacije koristi se samo ako se zahteva visoka vrednost modula elastičnosti. Ugljena vlakna sadrže oko 93-95%C, a grafitna vlakna 99%C.

Aramidna vlakna se dobijaju od aromatičnih poliamidnih polimera, ojačanih benzolovim prstenom (komercijalni naziv „Kevlar“). Zbog male gustine, ova vlakna imaju najveću specifičnu čvrstoću i krutost, ali se njihova svojstva na temperaturi višoj od 1000°C znatno smanjuju.

Borna vlakna se dobijaju naparavanjem bora na vlakna volframa, prečnika 0,01mm. S obzirom na to da je osnova ovih vlakana volfram, ona imaju veliku čvrstoću i krutost, otporna su prema visokim temperaturama, ali im je gustina veća od drugih vlakana.

 

MATRICA

Za izradu matrica koriste se metali (Al, Mg, Ti, Cu), polimeri (epoksidi, poliestri, polietarsulfan, poliamidi i silikoni) i keramika (SiC i Al2O3). Najviše se koriste epoksidne smole, a zatim poliester koji je znatno jeftiniji od epoksidnih smola.

Kompoziti ojačani vlaknima najviše se primenjuju za izradu komponenata aviona, raketa i helikoptera, zaštitnih šlemova, delova karoserije automobila, lisnatih opruga, cevi, posuda pod pritiskom, brodskih korita i sportske opreme.

 

LAMINATNI KOMPOZITI

Kompoziti koji se sastoje od tankih prevlaka, debljih zaštitnih površina, bimetala, oslojenih metala, laminata i kompozita ojačanih vlaknima u obliku tankih slojeva zovu se laminatni kompoziti.

Laminati su slojevi materijala slagani i međusobno povezani organskim lepkom. Lepljeni laminati imaju malu masu, dobru udarnu žilavost, korozionu otpornost i izolaciona svojstva. Šperploča je laminat sačinjen od neparnog broja furnira složenih tako da drvena vlakna furnira budu orijentisana pod međusobno pravim uglom.

Sigurnosna stakla su takođe laminati kod kojih su dva stakla spojena plastičnim lepkom (polivinilbituril). Plastični lepak između dva stakla sprečava da se prilikom razbijanja razlete delovi razbijenog stakla.

Ovaj unos je objavljen pod Masinski materijali. Zabeležite stalnu vezu.

Ostavite odgovor

Popunite detalje ispod ili pritisnite na ikonicu da biste se prijavili:

WordPress.com logo

Komentarišet koristeći svoj WordPress.com nalog. Odjavite se /  Promeni )

Google photo

Komentarišet koristeći svoj Google nalog. Odjavite se /  Promeni )

Slika na Tviteru

Komentarišet koristeći svoj Twitter nalog. Odjavite se /  Promeni )

Fejsbukova fotografija

Komentarišet koristeći svoj Facebook nalog. Odjavite se /  Promeni )

Povezivanje sa %s