Transcript Преузми

KOMPOZITNI MATERIJALI
Kompozitni materijali predstavljaju makromehaničku mešavinu dva
ili više materijala različitih fizičko-hemijskih i mehaničkih svojstava, međusobno nerastvorljivih.
Kompozitni materijali se sastoje iz:

diskontinualne faze, tj. armature (čestice, kuglice, vlakna), i

kontinualne faze, tj. matrice.
Slika X-1. Odnos nosivosti kompozita i njegovih sastavnih elemenata
Kao materijal za armaturu kompozita najčešće se koriste:
 staklena, ugljenična, organska vlakna (aramid i dr.), vlakna
bora, metalna vlakna (Č, Al) i dr.
Matrice za izradu kompozitnih materijala dele se na:
polimerene, metalne, keramičke, ugljenične i polimatrične.
SVOJSTVA KOMPOZITA
Kompozitni materijali spadaju u grupu anizotropnih materijala, pa
njihova mehanička svojstva veoma mnogo zavise od ugla merenja pojedinih karakteristika.
Za razliku od metala kompozitni materijali ne podležu plastičnoj deformaciji, tj. pod dejstvom spoljnih sila dolazi samo do elastičnih deformacija.
Dok metali otkazuju pri zamoru samo na jedan način (stvaranjem
prskotina), kompoziti otkaziju na razne načine (odvajanjem vlakana od
osnove, raslojavanjem, kidanjem vlakana, stvaranjem prskotina u osnovi
i sl.).
Velika prednost kompozitnih materijala u odnosu na klasične materijale je visoka vrednost specifične čvrstoće (Rm/) i specifičnog modula
(E/), što omogućava izradu delova znatno manje mase pri potpunom
zadovoljenju kriterijuma nosivosti, što je veoma važno tamo gde je masa
delova od vitalnog značaja.
UPOREDNA SVOJSTVA KOMPOZITA
Slika X-1. Uporedna svojstava kompozita i nekih konstrukcionih
materijala
ARMATURNA VLAKNA
Najčešće korišćena armaturna vlakna za konstrukcione kompozite
su: staklena, ugljenična, organska vlakna (kevlar - aramid i dr.) i vlakna
bora.
STAKLENA VLAKNA
Staklena vlakna predstavljaju neorganska vlakna, dobijena iz rastopljenog stakla.
Odlikuju se dosta visokom čvrstoćom, velikom otpornošću na udar,
odličnom hemijskom i toplotnom otpornošću, lakom obradivošću, niskom
cenom izrade i dr. Nedostatak im je mali modul elastičnosti.
UGLJENIČNA VLAKNA
Ugljenična (grafitna) vlakna proizvode se kao:
 visokočvrsta ugljenična vlakna (velike zatezne čvrstoće); i
 visokomodulna ugljenična vlakna (velikog modula elastičnosti).
Imaju čvrstoću na zatezanje od 3000-4500MPa i malu gustinu 1,71,9g/cm3. Srednji prečnik vlakna je 7m.
Ugljenična vlakna poseduju veliku čvrstoću, veliki modul elastičnosti, malu gustinu, odličnu obradivost, postojanost na visokim temperaturama, nizak koeficijent temperaturnog širenja, inertnost prema većini
reagenasa i dr.
ORGANSKA-ARAMIDNA VLAKNA
Organska vlakna su po hemijskom sastavu aromatski poliamidi.
Najpoznatije ogransko vlakno je “kevlar”, poznatije kao aramidno
vlakno.
Aramid (aromatizovani poliamid) je sintetički materijal koji spada u
grupu visoko aromatizovanih poliamida sa sređenom unutrašnjom strukturom.
Aramidna vlakna imaju vrlo visoku zateznu čvrstoću, malu gustinu,
poseduju izvanrednu otpornost na udar, imaju odlična izolaciona i toplotna svojstva, postojana su u širokom temperaturnom opsegu od -1960C
do 2600C, ne tope se i ne skupljaju, lako se oblikuju, izrađuju se i u obliku
tkanja. Nedostatak im je niska pritisna čvrstoća, nešto manji modul
elastičnosti, otežano dobijanje vlakana, visoka proizvodna cena.
VLAKNA BORA
Vlakna bora odlikuju se velikom pritisnom čvrstoćom i otpornošću
na torziju. Imaju pozitivan koeficijent linearnog širenja (sličan titanu). Nedostaci su im otežana obradivost i oblikovanje zbog visoke tvrdoće, kao i
visoka cena izrade.
DIJAGRAM SAVIJANJA ARMATURNIH VLAKANA
Slika X-1. Dijagram savijanja za neke vrste armaturnih vlakana
FIZIČKO-MEHANIČKA SVOJSTVA
ARMATURNIH VLAKANA
Fizičko-mehanička svojstva najčešće korišćenih armaturnih vlakana za konstrukcione kompozite, data su u tabeli (X-1).
Tabela X-1. Fizičko-mehanička svojstva armaturnih vlakana
Gustina
Vlakna
staklena
borna
ugljenična
aramidna

3
kg/m 
2400-2500
2600
1700-2000
1440
Zatezna
čvrstoća
Rm
MPa
2100-4600
2800
2800-4500
2800
Modul
elastičnosti
E
3
x10 MPa
72-86
385-430
260-385
135
Specifična
čvrstoća
Rm/
6
x10 m
0,83-1,85
1,18
1,1-1,91
1,87
Specifični
modul
E/
9
x10 m
28,5-34,5
148
126-205
77
MATRICE ZA IZRADU KOMPOZITA
Matrice za izradu kompozita mogu biti: polimerne, metalne, keramičke, ugljenične i polimatrične. Za izradu konstrukcionih kompozita najčešće su u primeni:
 matrice na osnovu epoksidnih smola; Kondezaciojom fenola, acetona, epihlorhidrina
 matrice na osnovu fenolnih smola; Kondezacijom fenola i formaldehida
stirola, vinilacetata,metilmetakrilata
 matrice na osnovu poliesterskih smola;Polimerizacijom
Iz alkohola (glikola,poliglikola)
 matrice sa metalnom osnovom. Metalnih prahova (Al, Mn, Ti, Ni, teškotopljivih metala)
Tabela X-1. Fizičko-mehanička svojstva materijala matrice
Gustina
Zatezna
Modul
Smola
čvrstoća
elastičnosti
3
3
[kg/m ]
[Mpa]
[x10 Mpa]
fenolna
1300
41,31-62,05
3100
poliesterska
1100-1300
43,31-68,95
3300
epoksidna
1150
82,74
4300
POLIMERNI KOPOZITNI MATERIJALI
Postoji više tipova polimernih kompozitnih materijala, ali su za
konstrukcionu primenu najinteresantniji vlaknasti polimerni kompoziti.
Kod polimernih kompozitnih materijala, kao armaturna vlakna koriste se: staklena vlakna, ugljenična vlakna, organska (kevlar) vlakna i
vlakna bora.
KOMPOZITNI MATERIJALI NA BAZI
KEVLAR VLAKANA
Kompozitni materijali na bazi kevlar vlakana poseduju izvanrednu otpornost na udar (žilavi su i neprobojni), imaju odlična izolaciona i
toplotna svojstva, lako se oblikuju, izrađuju se i u obliku tkanja. Nedostaci
su im mala otpornost na pritisak, otežano dobijanje vlakana, nešto manji
modul elastičnosti koji je i pored toga 2-3 puta veći nego modul
elastičnosti kompozita sa staklenim vlaknima tipa E.
Zahvaljujući neprobojnosti pletenih vlakana (tkanja) široko se
koriste za izradu neprobojnih-pancir odela, šlemova, zaštitnih pregradnih
ploča i dr. U rudarstvu se koriste za izradu jezgara transportnih traka.
MEHANIČKE KARAKTERISTIKE
KOMPOZITNIH MATERIJALA
Tabela X-1. Mehaničke karakteristike nekih kompozitnih materijala
Materijal
staklo-poliamid
staklo-polipropilen
ugljenik-poliamid
aramid-poliester
aramid-epoksi
staklo-poliester
Udeo
ojačanja
%
27
40
35
35
35
65
Zatezna
čvrstoća
MPa
107,56
82,7-96,5
142,03
197-228
310
176,5
Modul
elastičnosti
3
x10 MPa
6,41
7,0
16,98
21-31
30,3
7,0
Savojna
čvrstoća
MPa
131
117
200,6
186-207
305
206-343
Modul
savijanja
[MPa
72,39
537,8
16892,16
83-117
138
206-245
SENDVIČ PANELI
Sendvič-paneli su proizvod novih tehnologija projektovanja kompozita.
Slika X-1. Sendvič - panel:
1)spoljne lamine;
2)vlaknasta tkanina; 3)ispuna
Sendvič konstrukcije našle su široku primenu svuda tamo gde se
zahteva mala masa, a velika čvrstoća konstrukcije.
Koriste se kod transportnih vozila građevinske i rudarske mehanizacije za izradu: podova karoserija, unutrašnjih delova vozila, kao i drugih nestrukturnih elemenata.
POSTUPCI ZA IZRADU ELEMENATA OD
KOMPOZITA
U praksi postoji više postupaka za izradu elemenata od kompozitnih materijala, od kojih se najčešće primenjuju:
 ručno postavljanje;
 mehanizovano brizganje vlakana;
 presovanje niskim pritiskom;
 presovanje visokim pritiskom;
 postupak prevlačenja;
 postupak centrifugiranja;
 postupak namotavanja.
NAMOTAVANJE VLAKANA
Slika X-1. Namotavanje vlakana: a)namotavanje pod uglom;
b)zavojno namotavanje
PRIMENA KOMPOZITA U RUDARSTVU
U rudarstvu kompoziti su našli primenu za izradu pojedinih delova
rudarske opreme, kao što su: izvozna užad, vođice u oknima, podgradni
stupci, hidro i termo izolacione pregradne ploče i dr.
Nova generacija transportnih traka u rudarstvu radi se sa jezgrom
od organskih poliamidnih vlakana tipa "kevlar“, poznatijih kao aramidna
vlakna.
Rešetkaste konstrukcije dizalica i tornjeva za rudarstvo i građevinarstvo sve češće se prave od kompozitnih materijala
PRIMENA KOMPOZITA U NAFTNOJ
INDUSTRIJI
U naftnoj industriji kompoziti su našli široku primenu za izradu
teških i komplikovanih konstrukcija namenjenih eksploataciji nafte i gasa,
kao npr. složenih gabarita platformi za eksploataciju nafte ispod mora.
Kompoziti se koriste i za izradu mnogih drugih elemenata namenjenih naftnoj i drugim industrijama, kao npr. sudova pod pritiskom, rezervoara, delova hidraulične opreme, spojnica za spajanje bušaćih cevi itd.
Slika X-1. Spojnice za spajanje bušaćih cevi kod bušenja nafte