Transcript Kompozyt - Wrzuta.pl

Nowe technologie
wytwarzania SP
Zagadnienie 1. Wyroby
kompozytowe.
Co to jest kompozyt ?
• Kompozyt - jest to materiał utworzony z co
najmniej dwóch składników (kompozycja) o
różnych właściwościach mający właściwości
lepsze, lub nowe (dodatkowe) w
porównaniu ze składnikami użytymi osobno
lub wynikającymi z prostego sumowania
tych właściwości.
Kompozyt jest materiałem zewnętrznie
monolitycznym, jednakże z widocznymi
granicami między składnikami.
Klasyfikacji kompozytów można dokonać według rozmaitych
kryteriów, lecz najczęściej stosowaną klasyfikacją jest ich podział
według rodzaju osnowy.
Kompozyty
Kompozyty
o
osnowie
polimerowej
Kompozyty
o
osnowie
ceramicznej
Kompozyty
o
osnowie
metalicznej
Składniki strukturalne kompozytów.
 Włókna wzmacniające /wypełniacze/ – najczęściej włókna
szklane w postaci rovingu lub cięte, a także tkaniny lub maty
oraz innego rodzaju włókna węglowe i organiczne
Roving – to pasmo włókien składające się z kilkuset do
kilkudziesięciu tysięcy pojedynczych nie skręconych włókien
biegnących równolegle
 Polimery /osnowa/ – zarówno duroplasty jak i termoplasty,
rzadziej elastomery stanowiące osnowę kompozytów
Oprócz składników strukturalnych w skład kompozytów
polimerowych wchodzą różne inne substancje nazywane środkami
pomocniczymi i modyfikującymi.
Są dodawane w ilościach od ułamka do kilkudziesięciu procent masy w
stosunku do masy polimeru.
Wytrzymałość na rozciąganie kompozytów szklanoepoksydowych w zależności od postaci zbrojenia i kierunku
obciążenia
Środki pomocnicze
 Utwardzacze – substancje stosowane jako substraty
do otrzymywania polimerów epoksydowych.
 Środki antyadhezyjne – zapobiegają przywieranie
kompozytu do formy.
 Zagęszczacze chemiczne – stosowane w celu
zwiększenia lepkości mieszanki.
 Środki upłynniające i smarujące – zmniejszające
tarcie wew. polimerów i ich przyczepność do
powierzchni kanałów przepływowych w urządzeniach
przetwórczych.
Rodzaje włókien stosowanych w polimerach




•
•
•
•
Najczęściej używane włókna
Włókna węglowe
Włókna szklane
Włókna borowe
Włókna aramidowe (kevlarowe)
Jednym z najważniejszych użytkowych kryteriów wyboru
rodzaju włókna może być temp. pracy:
do 100°C – włókna szklane, węglowe, boru, organiczne,
ceramiczne
od 100°C do 400°C – węglowe, boru, metaliczne, ceramiczne
od 400°C do 700°C – węglowe, metaliczne, ceramiczne
powyżej 700°C – węglowe, ceramiczne
Kevlar
handlowa nazwa włókien aramidowych otrzymywanych z polimeru
o nazwie parafenylenotetraftalamid
Kevlar jest wykorzystywany min. w celu zapewnienia odporności
na złamanie i rozciąganie w kablu światłowodowym.
Charakteryzuje się wysoką wytrzymałością na rozciąganie i małą
gęstością oraz odpornością na temperaturę do ok. 300 C. Przy tej
samej masie jest 5-krotnie bardziej wytrzymały niż stal. Jest także
niepalny, odporny na zużycie i nie przewodzi prądu.
Swoją wytrzymałość zawdzięcza głównie sposobowi przędzenia
włókien. Włókna te wyciąga się ze stopionego kevlaru, który
generuje w stopie fazę ciekłokrystaliczną. Dzięki temu, wyciągane
włókno wykazuje bardzo wysoki stopień organizacji cząsteczek,
nieosiągalny w przypadku przędzenia włókien ze zwykłego
poliamidu.
Zalety kompozytów polimerowych
 Integralność konstrukcji – możliwość łączenia detali za pomocą
klejenia tworzy konstrukcję monolityczną co zmniejsza liczbę
elementów łączących (nity, sworznie)
 Odwzorowanie geometrii powierzchni – kompozyty polimerowe
zbrojone włóknami charakteryzuje podatność technologiczna
umożliwiająca stosunkowo łatwe kształtowanie z nich części o
skomplikowanych kształtach
 Gładkość powierzchni – cecha ta ma znaczenie szczególnie w
procesie wytwarzania płaszczyzn nośnych /skrzydła,
usterzenie/, gdzie nawet najmniejsze chropowatości zwiększają
opór szkodliwy /Cx/
 Odporność na korozję
 Szczelność konstrukcji – niepotrzebne są dodatkowe procesy
uszczelniające
 Wysokie wskaźniki wytrzymałościowo-masowe – wytrzymałość
zbrojenia przy małej gęstości kompozytu
 Dostępność surowców wyjściowych do produkcji składników
kompozytu
Wady kompozytów polimerowych
 Mała odporność erozyjna-powierzchniowe ścieranie materiału
przez przepływające ciecze lub gazy
 Niedostateczna sztywność (kompozyty z włóknami szklanymi)
 Kruchość i wrażliwość na działanie karbu (kompozyty z
włóknami węglowymi) – siły działające dynamicznie mogą
powodować wewnętrzne uszkodzenia trudne do wykrycia w
procesie eksploatacji
 Kosztowna i skomplikowana technologia wytwarzania
składników kompozytu – średnica włókna o przekroju rurkowym
nie przekracza zwykle 15um
 Wpływ czynnika ludzkiego na proces – czynnik ten jest
ograniczony ze względu na postępującą mechanizacje procesu
 Brak technologii złomowania
Zastosowanie kompozytów polimerowych w
konstrukcjach lotniczych
Atrakcyjność wymienionych zalet kompozytów polimerowych przesadziło o
wykorzystaniu ich w silnie obciążonych, a zarazem lekkich konstrukcjach (szybowce,
samoloty czy zespoły konstrukcyjne samolotów i rakiet).
Wiele części śmigłowca wykonywane jest z tych materiałów (np. łopaty wirników),
jak i elementy konstrukcji dużych samolotów pasażerskich.
W całości z kompozytów wytwarzane są struktury płatowców samolotów lekkich, oraz
szybowców.
W wykorzystaniu kompozytów polimerowych przoduje lotnictwo wojskowe.
25% masy konstrukcji płatowca brytyjskiego myśliwca pionowego startu Harrier MK II
stanowią kompozyty polimerowe.
Podobny udział tych materiałów jest w najnowszym wielozadaniowym F-22 Raptor.
Wykorzystanie właściwości kompozytów zbrojonych włóknami umożliwia
projektowanie bezpiecznych foteli w śmigłowcach. Fotel taki przy zderzeniu śmigłowca
z przeszkodą zmniejsza przeciążenie działające na pilota z 48 do 14.
Zdolność przepuszczania fal radiowych pozwala wykonywać z nich pełne,
zamknięte obudowy radarów.
Kompozyty zbrojone włóknami kevlarowymi są odporne na przebicia.
Wykonuje się z nich płyty pancerne w samolotach i śmigłowcach, oraz zewnętrzne
osłony wentylatorów i osłon silników w strefie turbin mogące wychwycić łopatki w
przypadku ich urwania.
Kompozyty metaliczne
Obecnie na świecie produkuje się bardzo
dużo różnych kompozytów na osnowie
metalicznej.
Można stwierdzić, iż na kompozyty
pracujące w temperaturze otoczenia
najczęściej stosowana jest osnowa aluminiowa,
a w temperaturze wyższej - osnowa tytanowa;
natomiast włóknami zbrojącymi są przede
wszystkim włókna węglowe lub borowe.
Kompozyty o osnowie aluminiowej
Kompozyty Al/włókno węglowe mają bardzo korzystne
wskaźniki wytrzymałości właściwej i sztywności.
Są one aktualnie stosowane w budowie samolotów, pocisków
rakietowych i innych elementów uzbrojenia. Podstawową
technologią tych kompozytów jest ciągła infiltracja ciekłym
metalem w celu otrzymywania „drutów" lub taśmy włókno
węglowe - Al (lub stop Al), a następnie prasowanie na gorąco lub
modyfikowane prasowanie wypływowe. W efekcie uzyskuje się
dobre powiązanie włókna z osnową.
Kompozyty tego typu mają Rm ok. 700 MPa, przy gęstości ok.
2,35-2,80 g/cm^3, w zależności od udziału włókien węglowych.
Wyższe własności mają kompozyty Al/B, otrzymywane
podobną technologią. Wytrzymałość Rm takich kompozytów
wzdłuż włókien wynosi ok. 1450 MPa przy gęstości 2,7 g/cm^3
Kompozyty o osnowie aluminiowej
. Struktura kompozytu silumin
AK11 - włókna węglowe w
przekroju poprzecznym
W ostatnich latach szersze zastosowania znalazły
kompozyty na osnowie aluminiowej zbrojone włóknami
polikrystalicznymi α-Al203. Przy 60% udziale Al203
kompozyty takie osiągają Rm - 655 MPa, moduł
sprężystości 260 GPa, przy gęstości 3,45 g/cm-3 .
Kompozyty o osnowie tytanowej
Kompozyty o osnowie tytanowej znalazły
zastosowanie w budowie samolotów.
Jako zbrojenie stosowane są głównie włókna boru
lub węglika krzemu.
Kompozyty takie mogą być wykorzystywane w
znacznie wyższych temperaturach niż kompozyty na
osnowie aluminium.
Kompozyty o osnowie niklu
Dla kompozytów pracujących w
zdecydowanie wysokich temperaturach do
1100-1200°C jako osnowę stosuje się
najczęściej nikiel lub jego stopy. Na przykład
kompozyt o osnowie stopu: nikiel 78% chrom 29% - żelazo 2%, zbrojony drutami
wolframowymi (udział 35%), ma wytrzymałość
na rozciąganie /w temperaturze 1100°C/ Rm
250-290 MPa.
Kompozyty tego typu są najczęściej
wykonywane drogą metalurgii proszków, przy
czym prasowanie przeprowadzone jest na
gorąco.
Zagadnienie nr 2.
Napylanie plazmowe
Napylanie plazmowe
- stosuje się do pokrywania elementów silnika
metalami i stopami wieloskładnikowymi oraz
materiałami ceramicznymi.
Wytworzone tą metodą powłoki ochronne mają
grubość 0,02-0,5mm i charakteryzują się dobrą
odpornością na ścieranie, korozję i wysoką
temperaturę.
Zagadnienie nr 3.
Materiał z pamięcią „nitinol"
Nitinol jest stop niklowo-tytanowy,(49 % niklu, 51% tytanu)
który „zapamiętuje" swój kształt w temperaturze 100-150°C.
W innej temperaturze można go dowolnie odkształcać, jeżeli
jednak dostarczy się mu energii cieplnej podgrzewając go
ponownie do odpowiedniej temperatury /lub energii
elektrycznej/, wraca do poprzedniego kształtu.
Stop ten jest używany min. do wykonywania nitów, służących
do łączenia konstrukcji, w których dostęp do nitu istnieje tylko z
jednej strony, a zatem mechaniczne rozklepanie główki nie jest
możliwe. Nity z nitinolu mają najpierw dwie główki, a przy
nitowaniu nit z rozwalcowaną jedną główką wkłada się w otwór
łączonych części i podgrzewa.
Ponieważ nit „pamiętał", że miał drugą główkę, zanituje się
sam w czasie schładzania materiału.