Material compozit - Composite material

O fibră de carbon negru (utilizată ca componentă de întărire) în comparație cu părul uman
Compozitele sunt formate prin combinarea materialelor împreună pentru a forma o structură generală cu proprietăți care diferă de cea a componentelor individuale

Un material compozit (denumit și material compozițional sau scurtat în compozit , care este denumirea comună) este un material care este produs din două sau mai multe materiale constitutive. Aceste materiale constitutive au proprietăți chimice sau fizice deosebit de diferite și sunt îmbinate pentru a crea un material cu proprietăți diferite de elementele individuale. În cadrul structurii finite, elementele individuale rămân separate și distincte, distingând compozitele de amestecuri și soluții solide .

Tipice din ingineria materiale compozite includ:

Există diverse motive pentru care materialul nou poate fi favorizat. Exemplele tipice includ materiale care sunt mai puțin costisitoare, mai ușoare, mai puternice sau mai durabile în comparație cu materialele obișnuite.

Mai recent, cercetătorii au început, de asemenea, să includă activ detectarea, acționarea, calculul și comunicarea în compozite, cunoscute sub numele de materiale robotizate .

Materialele compozite sunt utilizate în general pentru clădiri , poduri și structuri, cum ar fi carenele pentru bărci , panourile pentru piscine , caroseriile mașinilor de curse , cabine de duș , căzi , rezervoare de depozitare , imitație de granit și chiuvete și blaturi din marmură cultivată . De asemenea, acestea sunt utilizate din ce în ce mai mult în aplicații generale pentru automobile.

Cele mai avansate exemple funcționează în mod obișnuit pe nave spațiale și aeronave în medii solicitante.

Istorie

Cele mai vechi materiale compozite au fost realizate din paie și noroi combinate pentru a forma cărămizi pentru construcția clădirilor . Fabricarea de cărămizi antice a fost documentată de picturile mormintelor egiptene .

Wattle and daub este unul dintre cele mai vechi materiale compozite, cu o vechime de peste 6000 de ani. Betonul este, de asemenea, un material compozit și este utilizat mai mult decât orice alt material sintetic din lume. Începând cu 2006, în fiecare an se produc aproximativ 7,5 miliarde de metri cubi de beton - mai mult de un metru cub pentru fiecare persoană de pe Pământ.

  • Plantele lemnoase , atât lemnul adevărat din copaci, cât și plantele precum palmele și bambusul , produc compozite naturale care au fost utilizate preistoric de omenire și sunt încă utilizate pe scară largă în construcții și schele.
  • Placaj , 3400 î.Hr., de către Mesopotamienii antici; lipirea lemnului sub diferite unghiuri oferă proprietăți mai bune decât lemnul natural.
  • Cartonajul , straturile de in sau papirus îmbibate în tencuială datează din prima perioadă intermediară a Egiptului c. 2181–2055 î.Hr. și a fost folosit pentru măștile de moarte .
  • Cocean cărămizi noroi sau pereți de noroi, (folosind noroi (argilă) cu paie sau pietriș ca liant) , au fost folosite de mii de ani.
  • Beton a fost descris de Vitruvius , scriind în jurul valorii de 25 î.Hr. în sale zece cărți despre arhitectură , tipuri diferențiate de agregate adecvate pentru prepararea mortarelor de var . Pentru mortarele structurale , el a recomandat pozzolana , care erau nisipuri vulcanice din paturile de nisip de la Pozzuoli de culoare maroniu-galben-gri lângă Napoli și maro-roșcat la Roma . Vitruvius specifică un raport de 1 parte de var la 3 părți de pozzolana pentru cimenturile utilizate în clădiri și un raport de 1: 2 de var la pulvis Puteolanus pentru lucrările subacvatice, în esență același raport amestecat astăzi pentru betonul folosit pe mare. Pietrele de ciment naturale , după ardere, au produs cimenturi utilizate în betoane din epoca post-romană până în secolul al XX-lea, cu unele proprietăți superioare cimentului Portland fabricat .
  • Papier-mâché , un compozit de hârtie și lipici, a fost folosit de sute de ani.
  • Primul material plastic armat cu fibre artificiale a fost o combinație de fibră de sticlă și bakelită , realizată în 1935 de Al Simison și Arthur D Little în Owens Corning Company
  • Unul dintre compozițiile cele mai comune și familiare este fibra de sticlă , în care fibrele de sticlă mici sunt încorporate într-un material polimeric (în mod normal un epoxidic sau poliester). Fibra de sticlă este relativ puternică și rigidă (dar și fragilă), în timp ce polimerul este ductil (dar și slab și flexibil). Astfel fibra de sticlă rezultată este relativ rigidă, puternică, flexibilă și ductilă.

Exemple

Materiale compozite

Betonul este un amestec de ciment și agregat, oferind un material robust, puternic, care este foarte utilizat.
Placajul este utilizat pe scară largă în construcții
Panou de structură sandwich compozit folosit pentru testarea la NASA

Betonul este cel mai frecvent material compozit artificial dintre toate și constă de obicei din pietre libere (agregate) ținute cu o matrice de ciment . Betonul este un material ieftin și nu se poate comprima sau sfărâma chiar și sub o forță de compresie destul de mare. Cu toate acestea, betonul nu poate supraviețui încărcării cu întindere (adică, dacă este întins, se va rupe rapid). Prin urmare, pentru a oferi betonului capacitatea de a rezista la întindere, barele de oțel, care pot rezista forțelor mari de întindere (de întindere), sunt adesea adăugate betonului pentru a forma beton armat .

Polimerii întăriți cu fibre includ polimeri întăriți cu fibră de carbon și plastic întărit cu sticlă . Dacă clasificată de matrice atunci sunt compozite termoplastice , termoplaste cu fibre scurte , termoplaste cu fibre lungi sau termoplaste lungi armate cu fibre. Există numeroase compozite termorezistente , inclusiv panouri compozite din hârtie . Multe sisteme avansate de matrice polimerică termorezistentă încorporează de obicei fibre de aramidă și fibre de carbon într-o matrice de rășină epoxidică .

Compozitele polimerice cu memorie de formă sunt compozite de înaltă performanță, formulate utilizând armături din fibră sau țesături și rășină polimerică cu memorie de formă ca matrice. Deoarece o rășină polimerică cu memorie de formă este utilizată ca matrice, aceste compozite au capacitatea de a fi ușor manipulate în diferite configurații atunci când sunt încălzite peste temperaturile lor de activare și vor prezenta o rezistență ridicată și rigiditate la temperaturi mai scăzute. De asemenea, pot fi reîncălzite și remodelate în mod repetat, fără a-și pierde proprietățile materiale. Aceste compozite sunt ideale pentru aplicații cum ar fi structuri ușoare, rigide, care pot fi instalate; fabricație rapidă; și întărire dinamică.

Compozitele cu presiune ridicată sunt un alt tip de compozite de înaltă performanță, care sunt proiectate să funcționeze într-un cadru de deformare ridicată și sunt adesea utilizate în sisteme implementabile în care flexiunea structurală este avantajoasă. Deși compozitele cu tulpină înaltă prezintă multe asemănări cu polimerii cu memorie de formă, performanța lor este în general dependentă de aspectul fibrelor, spre deosebire de conținutul de rășină al matricei.

Compozitele pot folosi, de asemenea, fibre metalice care întăresc alte metale, ca în compozite cu matrice metalică (MMC) sau compozite cu matrice ceramică (CMC), care include os ( hidroxiapatită armată cu fibre de colagen ), cermet (ceramică și metal) și beton . Compozitele cu matrice ceramică sunt construite în primul rând pentru rezistența la rupere , nu pentru rezistență. O altă clasă de materiale compozite implică țesături compozite compuse din fire dantelate longitudinale și transversale. Compozitele din țesături sunt flexibile, deoarece sunt sub formă de țesătură.

Matrice organică / compozite ceramice agregate includ beton si asfalt , beton polimer , asfalt turnat , hibrid cu role de mastic , compozit dentare , spumă sintactică și sidef . Armura Chobham este un tip special de armură compozită folosită în aplicații militare.

În plus, materialele compozite termoplastice pot fi formulate cu pulberi metalice specifice, rezultând materiale cu un domeniu de densitate de la 2 g / cm 3 la 11 g / cm 3 (aceeași densitate ca plumbul). Cea mai comună denumire pentru acest tip de material este „compus cu greutate ridicată” (HGC), deși se utilizează și „înlocuirea plumbului”. Aceste materiale pot fi folosite în locul materialelor tradiționale precum aluminiu, oțel inoxidabil, alamă, bronz, cupru, plumb și chiar tungsten la cântărire, echilibrare (de exemplu, modificarea centrului de greutate al unei rachete de tenis ), amortizarea vibrațiilor, și aplicații de protecție împotriva radiațiilor. Compozitele de înaltă densitate sunt o opțiune viabilă din punct de vedere economic atunci când anumite materiale sunt considerate periculoase și sunt interzise (cum ar fi plumbul) sau când costurile operațiunilor secundare (cum ar fi prelucrarea, finisarea sau acoperirea) sunt un factor.

Au existat mai multe studii care indică faptul că intercalarea laminatelor din polimer armat cu fibră de carbon rigidă și fragilă pe bază de epoxid cu laminate termoplastice flexibile poate ajuta la obținerea unor compozite foarte întărite care prezintă o rezistență îmbunătățită la impact. Un alt aspect interesant al acestor compozite intercalați este că acestea sunt capabile de a avea un comportament de memorie a formei , fără a avea nevoie de memorie a formei polimeri sau memoria formei aliaje ex balsa pliurilor intercalată cu lipici fierbinte, aluminiu plies intercalează cu polimeri acrilici sau PVC si fibra de carbon armat polimerice laminate intercalat cu polistiren .

Un compozit structurat în tip sandwich este o clasă specială de material compozit care este fabricat prin atașarea a două piei subțiri, dar rigide, la un miez ușor, dar gros. Materialul de bază este în mod normal un material cu rezistență redusă, dar grosimea sa mai mare asigură compozitului sandwich o rigiditate ridicată la îndoire cu o densitate generală scăzută .

Lemnul este un compozit natural care cuprinde fibre de celuloză într-o matrice de lignină și hemiceluloză . Lemnul prelucrat include o mare varietate de produse diferite, cum ar fi scândurile din fibră de lemn, placaj , scândurile orientate , compozite din lemn plastic (fibre de lemn reciclate în matrice de polietilenă), Pykrete (rumeguș în matricea de gheață), hârtie sau textile impregnate sau laminate cu plastic , Arborit , Formica (plastic) și Micarta . Alte materiale compozite laminate proiectate, cum ar fi Mallite , utilizează un miez central din lemn de balsa cu granulație finală , legat de piei de suprafață din aliaj ușor sau GRP. Acestea generează materiale cu greutate redusă și rigiditate ridicată.

Compozitele de particule au particule ca material de umplutură dispersate în matrice, care pot fi nemetalice, cum ar fi sticla, epoxidica. Anvelopele pentru automobile sunt un exemplu de compozit sub formă de particule.

S-au raportat compozite polimerice avansate acoperite cu carbon de tip diamant (DLC) în cazul în care acoperirea crește hidrofobia suprafeței, duritatea și rezistența la uzură.

Compozite feromagnetice, inclusiv cele cu o matrice de polimeri constând, de exemplu, din umplutură nanocristalină de pulberi pe bază de Fe și matrice de polimeri. Se pot utiliza pulberi amorfe și nanocristaline obținute, de exemplu, din pahare metalice. Utilizarea lor face posibilă obținerea de nanocompozite feromagnetice cu proprietăți magnetice controlate.

Produse

Materialele compozite întărite cu fibre au câștigat popularitate (în ciuda costului lor general ridicat) în produsele de înaltă performanță care trebuie să fie ușoare, dar suficient de puternice pentru a suporta condiții dure de încărcare, cum ar fi componentele aerospațiale ( cozi , aripi , fuzelaje , elice ), barca și Scull carene, biciclete cadre și mașină de curse corpuri. Alte utilizări includ tije de pescuit , rezervoare de depozitare , panouri de piscină și lilieci de baseball . Structurile Boeing 787 și Airbus A350 , inclusiv aripile și fuselajul, sunt compuse în mare parte din compozite. Materialele compozite devin, de asemenea, din ce în ce mai frecvente în domeniul chirurgiei ortopedice și este cel mai comun material de băț de hochei.

Compozitul de carbon este un material cheie în vehiculele de lansare de astăzi și scuturile termice pentru faza de reintrare a navei spațiale . Este utilizat pe scară largă în substraturile panourilor solare, reflectoare de antenă și juguri de nave spațiale. Este, de asemenea, utilizat în adaptoare de sarcină utilă, structuri interetape și scuturi termice ale vehiculelor de lansare . Mai mult, sistemele de frânare cu disc ale avioanelor și mașinilor de curse utilizează material carbon / carbon , iar materialul compozit cu fibre de carbon și matrice de carbură de siliciu a fost introdus în vehiculele de lux și mașinile sport .

În 2006, a fost introdus un panou compozit armat cu fibre pentru piscine interioare, rezidențiale și comerciale, ca alternativă necorozivă la oțelul galvanizat.

În 2007, un Humvee militar complet compus a fost introdus de TPI Composites Inc și Armor Holdings Inc, primul vehicul militar complet compozit . Prin utilizarea compozitelor, vehiculul este mai ușor, permițând sarcini utile mai mari. În 2008, fibra de carbon și DuPont Kevlar (de cinci ori mai puternice decât oțelul) au fost combinate cu rășini termorezistente îmbunătățite pentru a face carcase de tranzit militar de către compozite ECS, creând carcase mai ușoare cu 30%, cu rezistență ridicată.

Țevile și armăturile pentru diverse scopuri, cum ar fi transportul apei potabile, stingerea incendiilor, irigarea, apa de mare, apa desalinizată, deșeurile chimice și industriale și canalizarea sunt acum fabricate din materiale plastice armate cu sticlă.

Materialele compozite utilizate în structurile de întindere pentru aplicarea fațadelor oferă avantajul de a fi translucide. Pânza de bază țesută combinată cu stratul adecvat permite o mai bună transmitere a luminii. Aceasta oferă un nivel de iluminare foarte confortabil în comparație cu luminozitatea maximă a exteriorului.

Aripile turbinelor eoliene, în dimensiuni de creștere de aproximativ 50 m lungime, sunt fabricate în compozite de câțiva ani.

Amputatele cu două picioare inferioare rulează pe picioare artificiale asemănătoare arcului compuse din carbon la fel de repede ca sportivii care nu sunt amputați.

În prezent, buteliile de gaz de înaltă presiune de aproximativ 7-9 litri volum x 300 bar presiune pentru pompieri sunt construite din compozit de carbon. Cilindrii de tip 4 includ metal doar ca șurub care transportă firul pentru a înșuruba supapa.

La 5 septembrie 2019, HMD Global a dezvăluit Nokia 6.2 și Nokia 7.2 despre care se pretinde că folosesc compozit polimeric pentru cadre.

Prezentare generală

Componentă din fibră de carbon.

Materialele compozite sunt create din materiale individuale. Aceste materiale individuale sunt cunoscute ca materiale constitutive și există două categorii principale ale acestuia. Una este matricea ( liant ), iar cealaltă armare . O porțiune de fiecare fel este necesară cel puțin. Armătura primește sprijin din matrice pe măsură ce matricea înconjoară armătura și își menține pozițiile relative. Proprietățile matricei sunt îmbunătățite pe măsură ce armăturile conferă proprietățile lor fizice și mecanice excepționale. Proprietățile mecanice devin indisponibile din materialele constitutive individuale prin sinergism. În același timp, proiectantul produsului sau structurii primește opțiuni pentru a alege o combinație optimă din varietatea de matrice și materiale de întărire.

Pentru a modela compozitele proiectate, acesta trebuie format. Armătura este plasată pe suprafața matriței sau în cavitatea matriței . Înainte sau după aceasta, matricea poate fi introdusă în armătură. Matricea suferă un eveniment de fuziune care stabilește în mod necesar forma piesei. Acest eveniment de topire se poate întâmpla în mai multe moduri, în funcție de natura matricei, cum ar fi solidificarea din starea topită pentru un compozit cu matrice de polimeri termoplastici sau polimerizare chimică pentru o matrice de polimeri termorezistenți .

Conform cerințelor de proiectare a articolului final, pot fi utilizate diferite metode de turnare. Natura matricei alese și întărirea sunt factorii cheie care influențează metodologia. Cantitatea brută de material care trebuie realizată este un alt factor principal. Pentru a sprijini investiții de capital ridicate pentru tehnologia de fabricație rapidă și automată, pot fi utilizate cantități mari. Investițiile de capital mai ieftine, dar cheltuielile mai mari cu forța de muncă și instrumentele, la o rată corespunzător mai lentă, ajută la cantitățile mici de producție.

Multe compozite produse comercial folosesc un material matricial de polimeri numit adesea o soluție de rășină. Există mulți polimeri diferiți, în funcție de materiile prime inițiale. Există mai multe categorii largi, fiecare cu numeroase variații. Cele mai frecvente sunt cunoscute sub denumirea de poliester , ester de vinil , epoxi , fenol , polimidă , poliamidă , polipropilenă , PEEK și altele. Materialele de armare sunt deseori fibre, dar și minerale în mod obișnuit măcinate. Diferitele metode descrise mai jos au fost dezvoltate pentru a reduce conținutul de rășină al produsului final sau conținutul de fibre este crescut. Ca regulă generală, stratul rezultă într-un produs care conține 60% rășină și 40% fibre, în timp ce infuzia în vid oferă un produs final cu 40% rășină și 60% conținut de fibre. Rezistența produsului depinde în mare măsură de acest raport.

Martin Hubbe și Lucian A Lucia consideră că lemnul este un compozit natural din fibre de celuloză într-o matrice de lignină .

Nucleurile din compozite

Mai multe modele de compoziție a compoziției implică, de asemenea, o co-întărire sau post-întărire a preimpregnatului cu multe alte medii, cum ar fi spuma sau fagure de miere. În general, aceasta este cunoscută sub numele de structură sandwich . Aceasta este o structură mai generală pentru producția de carcase, uși, radome sau piese nestructurale.

Spumele structurate cu celule deschise și închise, cum ar fi clorura de polivinil , poliuretan , spume de polietilenă sau polistiren , lemn de balsa , spume sintactice și faguri sunt în general materiale de bază utilizate. Spuma metalică cu celule deschise și închise poate fi de asemenea utilizată ca materiale de bază. Recent, structurile de grafen 3D (numite și spumă de grafen) au fost folosite și ca structuri de bază. O recenzie recentă a lui Khurram și Xu și colab., Au furnizat rezumatul tehnicilor de ultimă generație pentru fabricarea structurii 3D a grafenului și exemplele de utilizare a acestor structuri asemănătoare spumei ca nucleu pentru compozite polimerice respective.

Polimeri semi-cristalini

Deși cele două faze sunt echivalente din punct de vedere chimic, polimerii semi-cristalini pot fi descriși atât cantitativ, cât și calitativ ca materiale compozite. Porțiunea cristalină are un modul elastic mai mare și oferă întărire pentru faza mai puțin rigidă, amorfă. Materialele polimerice pot varia de la 0% până la 100% cristalinitate sau fracție de volum, în funcție de structura moleculară și istoricul termic. Diferite tehnici de procesare pot fi utilizate pentru a varia procentul de cristalinitate din aceste materiale și astfel proprietățile mecanice ale acestor materiale, așa cum este descris în secțiunea proprietăți fizice. Acest efect este văzut într-o varietate de locuri, de la materiale plastice industriale, cum ar fi pungi de cumpărături din polietilenă până la păianjeni care pot produce mătăsuri cu proprietăți mecanice diferite. În multe cazuri, aceste materiale acționează ca niște compozite de particule cu cristale dispersate aleatoriu, cunoscute sub numele de sferulite. Cu toate acestea, ele pot fi, de asemenea, proiectate pentru a fi anizotrope și pentru a acționa mai mult ca compozite întărite cu fibre. În cazul mătăsii de păianjen, proprietățile materialului pot fi chiar dependente de mărimea cristalelor, independent de fracția de volum. În mod ironic, materialele polimerice cu un singur component sunt unele dintre cele mai ușor de reglat materiale compozite cunoscute.

Metode de fabricație

În mod normal, fabricarea compozitului include umectarea, amestecarea sau saturarea armăturii cu matricea. Matricea este apoi indusă să se lege împreună (cu căldură sau o reacție chimică) într-o structură rigidă. De obicei, operația se face într-o matriță de formare deschisă sau închisă. Cu toate acestea, ordinea și modalitățile de introducere a elementelor constitutive se modifică considerabil. Fabricarea compozitelor se realizează printr-o mare varietate de metode, incluzând plasarea avansată a fibrelor ( plasarea automată a fibrelor), procesul de depunere prin pulverizare din fibră de sticlă , înfășurarea filamentelor , procesul lanxidului , plasarea pe bază de fibre , smocurile și fixarea z .

Prezentare generală a mucegaiului

Materialele de armare și matrice sunt îmbinate, compactate și întărite (prelucrate) într-o matriță pentru a suferi un eveniment de topire. Forma piesei este setată fundamental după evenimentul de topire. Cu toate acestea, în anumite condiții de proces, se poate deforma. Evenimentul de topire Pentru o matrice polimerică termorezistentă este o reacție de întărire cauzată de posibilitatea unei călduri suplimentare sau a unei reactivități chimice, cum ar fi un peroxid organic. Evenimentul de topire pentru un material matricial polimeric termoplastic este o solidificare din starea topită. Evenimentul de topire pentru un material cu matrice metalică, cum ar fi folia de titan, este o fuziune la presiune ridicată și o temperatură aproape de punctul de topire.

Este potrivit pentru multe metode de turnare să se refere la o piesă de matriță ca matriță „inferioară” și la o altă piesă de matriță ca matriță „superioară”. Partea inferioară și superioară nu se referă la configurația matriței în spațiu, ci la diferitele fețe ale panoului turnat. Există întotdeauna o matriță inferioară și, uneori, o matriță superioară în această convenție. Construcția piesei începe prin aplicarea materialelor pe matrița inferioară. Matrița inferioară și matrița superioară sunt descriptori mai generalizați decât termeni mai comuni și specifici, cum ar fi partea masculină, partea feminină, partea a, partea b, partea sculei, castronul, pălăria, mandrina etc. Fabricația continuă utilizează o nomenclatură diferită.

De obicei, produsul turnat este denumit panou. Poate fi denumită turnare pentru anumite geometrii și combinații de materiale. Poate fi denumit un profil pentru anumite procese continue. Unele dintre procedeele sunt turnare prin autoclavă , vid sac de laminat , turnare sub presiune sac , transfer de rășină de turnare și lumină turnare prin transfer de rășină .

Alte metode de fabricare

Alte tipuri de fabricație includ turnarea , turnarea centrifugă, împletirea (pe un fost ), turnarea continuă , înfășurarea filamentului , turnarea prin presare, turnarea prin transfer , turnarea prin pultruziune și formarea prin alunecare . Există, de asemenea, capacități de formare, inclusiv înfășurarea filamentului CNC , infuzie sub vid, așezare umedă, turnare prin compresie și turnare termoplastică , pentru a numi câteva. Practica de vindecare a cuptoarelor și a cabinelor de vopsire este, de asemenea, necesară pentru unele proiecte.

Metode de finisare

Finisarea pieselor compozite este, de asemenea, crucială în proiectarea finală. Multe dintre aceste finisaje vor implica acoperiri cu efect de ploaie sau acoperiri din poliuretan.

Scule

Matrița și inserțiile de matriță sunt denumite „scule”. Matrița / sculele pot fi construite din diferite materiale. Materialele de scule includ aluminiu , fibră de carbon , invar , nichel , cauciuc siliconic armat și oțel. Selecția materialului de scule se bazează în mod normal, dar nu se limitează la, coeficientul de expansiune termică , numărul preconizat de cicluri, toleranța articolului final, starea de suprafață dorită sau așteptată, metoda de întărire, temperatura de tranziție a sticlei a materialului care este turnat, metoda de turnare, matrice, cost și alte considerente diverse.

Proprietăți fizice

Diagrama rezistenței globale a unui material compozit în funcție de fracțiunea volumului fibrelor limitată de condițiile limită superioară (izostrain) și limită inferioară (isostress).

De obicei, proprietățile fizice ale compozitului nu sunt izotrope (independente de direcția forței aplicate) în natură. Dar ele sunt de obicei anizotrope (diferite în funcție de direcția forței sau a sarcinii aplicate). De exemplu, rigiditatea panoului compozit va depinde de obicei de orientarea forțelor și / sau momentelor aplicate. Rezistența compozitului este delimitată de două condiții de încărcare, așa cum se arată în graficul din dreapta.

Regula izostrain a amestecurilor

Dacă atât fibrele cât și matricea sunt aliniate paralel cu direcția de încărcare, deformarea ambelor faze va fi aceeași (presupunând că nu există delaminare la interfața fibră-matrice). Această condiție izostrain asigură limita superioară pentru rezistența compozitului și este determinată de regula amestecurilor :

Figura a) prezintă starea izostresă în care materialele compozite sunt perpendiculare pe forța aplicată și b) este starea izostrain care are straturile paralele cu forța.

unde E C este modulul compozit efectiv al lui Young , iar V i și E i sunt fracția de volum și, respectiv, modulele lui Young ale fazelor compozite.

De exemplu, un material compozit format din faze α și β așa cum se arată în figura din dreapta sub izostrain, modulul lui Young ar fi după cum urmează:

unde V α și V β sunt fracțiile de volum respective ale fiecărei faze. Acest lucru poate fi derivat considerând că, în cazul izostrain,
Presupunând că compozitul are o secțiune transversală uniformă, stresul pe compozit este o medie ponderată între cele două faze,
Stresele din fazele individuale sunt date de Legea lui Hooke,
Combinând aceste ecuații, se constată că stresul general din compozit este
Atunci se poate arăta că

Regula izostresă a amestecurilor

Limita inferioară este dictată de condiția izostresă, în care fibrele și matricea sunt orientate perpendicular pe direcția de încărcare:

iar acum tulpinile devin o medie ponderată
Rescrierea legii lui Hooke pentru fazele individuale
Asta duce la
Din definiția Legii lui Hooke
și în general

Urmând exemplul de mai sus, dacă s-ar avea un material compozit format din faze α și β în condiții de izostres, așa cum se arată în figura din dreapta, modulul Young al compoziției ar fi:

Starea izostrain implică faptul că, sub o sarcină aplicată, ambele faze experimentează aceeași tulpină, dar vor simți stres diferit. Comparativ, în condiții de izostres ambele faze vor resimți același stres, dar tulpinile vor diferi între fiecare fază. O ecuație generalizată pentru orice condiție de încărcare între izostrain și isostress poate fi scrisă ca:

unde X este o proprietate materială, cum ar fi modulul sau tensiunea, c, m și r reprezintă proprietățile materialelor compozite, matricei și, respectiv, de armare, iar n este o valoare între 1 și -1.

Ecuația de mai sus poate fi generalizată în continuare dincolo de un compozit în două faze la un sistem de componente m:

Deși rigiditatea compozitului este maximizată atunci când fibrele sunt aliniate cu direcția de încărcare, la fel este și posibilitatea fracturii de tracțiune a fibrelor, presupunând că rezistența la tracțiune o depășește pe cea a matricei. Când o fibră are un unghi de dezorientare θ, sunt posibile mai multe moduri de fractură. Pentru valori mici de θ, tensiunea necesară pentru a iniția fractura este crescută cu un factor de (cos θ) -2 datorită ariei secțiunii transversale crescute ( A cos θ) a fibrei și a forței reduse ( F / cos θ) experimentate de fibra, conducând la o rezistență la tracțiune compusă de σ paralel / cos 2 θ unde σ paralel este rezistența la tracțiune a compozitului cu fibre aliniate paralel cu forța aplicată.

Unghiurile intermediare de dezorientare θ conduc la defectarea matriței. Din nou zona secțiunii transversale este modificată, dar, deoarece tensiunea de forfecare este acum forța motrice pentru eșec, zona matricei paralele cu fibrele este de interes, crescând cu un factor de 1 / sin θ. În mod similar, forța paralelă cu această zonă scade din nou ( F / cos θ) ducând la o rezistență totală la întindere de τ my / sin θ cos θ unde τ my este rezistența la forfecare a matricei.

În cele din urmă, pentru valorile mari de θ (aproape de π / 2) este cel mai probabil să apară defectarea matricei transversale, deoarece fibrele nu mai transportă majoritatea sarcinii. Cu toate acestea, rezistența la tracțiune va fi mai mare decât pentru orientarea pur perpendiculară, deoarece forța perpendiculară pe fibre va scădea cu un factor de 1 / sin θ și aria scade cu un factor de 1 / sin θ producând o rezistență la tracțiune σ perp / sin 2 θ unde σ perp este rezistența la tracțiune a compozitului cu fibre aliniate perpendicular pe forța aplicată.

Graficul prezintă cele trei moduri de fractură pe care le poate experimenta un material compozit în funcție de unghiul de dezorientare în raport cu alinierea fibrelor paralele cu solicitarea aplicată.

Majoritatea compozitelor comerciale sunt formate cu dispersie aleatorie și orientarea fibrelor de întărire, caz în care modulul compozit Young va cădea între limitele izostrain și isostress. Cu toate acestea, în aplicațiile în care raportul rezistență / greutate este conceput pentru a fi cât mai mare posibil (cum ar fi în industria aerospațială), alinierea fibrelor poate fi controlată strict.

Rigiditatea panoului depinde și de designul panoului. De exemplu, armătura și matricea de fibre utilizate, metoda de construire a panoului, termorezistentă față de termoplastic și tipul de țesătură.

Spre deosebire de compozite, materialele izotrope (de exemplu, aluminiu sau oțel), în forme forjate standard, posedă aceeași rigiditate de obicei în ciuda orientării direcționale a forțelor și / sau momentelor aplicate. Relația dintre forțe / momente și tulpini / curburi pentru un material izotrop poate fi descrisă cu următoarele proprietăți materiale: modulul lui Young, modulul de forfecare și raportul lui Poisson , în relații matematice relativ simple. Pentru materialul anizotrop, are nevoie de matematica unui tensor de ordinul doi și de până la 21 de constante de proprietate a materialului. Pentru cazul special al izotropiei ortogonale, există trei constante de proprietate materială distincte pentru fiecare dintre modulul lui Young, modulul de forfecare și raportul lui Poisson - un total de 9 constante pentru a exprima relația dintre forțe / momente și tulpini / curburi.

Tehnicile care profită de proprietățile anizotrope ale materialelor implică îmbinări mortase și tenon (în compozite naturale precum lemnul) și articulații Pi în compozite sintetice.

Proprietățile mecanice ale compozitelor

Armarea particulelor

În general, consolidarea particulelor este întărirea compozitelor mai puțin decât fibra de armare. Este folosit pentru a spori rigiditatea compozitelor, crescând în același timp rezistența și rezistența . Datorită proprietăților lor mecanice , acestea sunt utilizate în aplicații în care este necesară rezistență la uzură . De exemplu, duritatea cimentului poate fi crescută prin consolidarea drastică a particulelor de pietriș. Armarea particulelor este o metodă extrem de avantajoasă de reglare a proprietăților mecanice ale materialelor, deoarece este foarte ușor de implementat în timp ce este cost redus.

Modulul de elasticitate al compozitelor armate cu particule pot fi exprimate ca,

unde E este modulul elastic , V este fracția de volum . Indiciile c, p și m indică compozitul, particula și respectiv matricea. este o constantă care poate fi găsită empiric.

În mod similar, rezistența la tracțiune a compozitelor armate cu particule poate fi exprimată ca,

unde TS este rezistența la tracțiune și este o constantă (care nu este egală cu ) care poate fi găsită empiric.

Armare continuă a fibrelor

În general, armarea continuă a fibrelor este implementată prin încorporarea unei fibre ca fază puternică într-o fază slabă, matrice. Motivul popularității utilizării fibrelor este că materialele cu o rezistență extraordinară pot fi obținute sub formă de fibre. Fibrele nemetalice prezintă de obicei un raport de rezistență foarte mare la densitate în comparație cu fibrele metalice datorită naturii covalente a legăturilor lor . Cel mai faimos exemplu în acest sens sunt fibrele de carbon care au multe aplicații care se extind de la echipamente sportive la echipamente de protecție până la industriile spațiale .

Stresul asupra compozitului poate fi exprimat în termeni de fracțiunea de volum a fibrei și a matricei.

unde este stresul, V este fracția de volum . Indicele c, f și m indică compozitul, fibra și, respectiv, matricea.

Deși comportamentul stres-deformare al compozitelor din fibre poate fi determinat numai prin testare, există o tendință așteptată, trei etape ale curbei tensiune-tensiune . Prima etapă este regiunea curbei tensiune-deformare în care atât fibra, cât și matricea sunt deformate elastic . Această regiune elastică liniar poate fi exprimată în următoarea formă.

unde este tensiunea, este tensiunea, E este modulul elastic și V este fracția de volum . Indice c, f și m indică compozite, fibre și, respectiv, matrice.

După trecerea regiunii elastice atât pentru fibre cât și pentru matrice, se poate observa a doua regiune a curbei tensiune-deformare]. În a doua regiune, fibra este încă deformată elastic, în timp ce matricea este deformată plastic, deoarece matricea este faza slabă. Modulul instantaneu poate fi determinat folosind panta curbei tensiune-deformare din a doua regiune. Relația dintre stres și tensiune poate fi exprimată ca,

unde este tensiunea, este tensiunea, E este modulul elastic și V este fracția de volum . Indice c, f și m indică compozite, fibre și, respectiv, matrice. Pentru a găsi modulul în a doua regiune derivată a acestei ecuații poate fi utilizată, deoarece panta curbei este egală cu modulul.

În majoritatea cazurilor se poate presupune că al doilea termen este mult mai mic decât primul.

În realitate, derivatul stresului în ceea ce privește tensiunea nu returnează întotdeauna modulul datorită interacțiunii de legare dintre fibră și matrice. Puterea interacțiunii dintre aceste două faze poate duce la modificări ale proprietăților mecanice ale compozitului. Compatibilitatea fibrei și a matricei este o măsură a stresului intern .

Cele legate covalent fibre cu rezistență ridicată ( de exemplu , fibre de carbon ) experiență în mare parte deformare elastică înainte de fractură , deoarece deformarea plastică se poate întâmpla din cauza mișcării dislocare . În timp ce fibrele metalice au mai mult spațiu pentru deformarea plastică, astfel încât compozitele lor prezintă o a treia etapă în care atât fibra, cât și matricea se deformează plastic. Fibrele metalice au multe aplicații pentru a lucra la temperaturi criogenice, care este unul dintre avantajele compozitelor cu fibre metalice față de nemetalice. Stresul din această regiune a curbei tensiune-deformare poate fi exprimat ca,

unde este tensiunea, este tensiunea, E este modulul elastic și V este fracția de volum . Indice c, f și m indică compozite, fibre și, respectiv, matrice. și sunt pentru solicitări de curgere a fibrelor și respectiv a matricei. Imediat după cea de-a treia regiune, compozitul prezintă o lovitură . Tulpina de colare a compozitului se întâmplă între tensiunea de colare a fibrei și matricea la fel ca alte proprietăți mecanice ale compozitelor. Tensiunea de gât a fazei slabe este întârziată de faza puternică. Cantitatea de întârziere depinde de fracțiunea de volum a fazei puternice.

Astfel, rezistența la tracțiune a compozitului poate fi exprimată în termeni de fracție de volum .

unde TS este rezistența la tracțiune , este tensiunea, este tensiunea, E este modulul elastic și V este fracția de volum . Indice c, f și m indică compozite, fibre și, respectiv, matrice. Rezistența la tracțiune compusă poate fi exprimată ca

pentru este mai mic sau egal cu (valoarea critică arbitrară a fracției de volum)

căci este mai mare sau egal cu

Valoarea critică a fracției de volum poate fi exprimată ca,

Evident, rezistența la tracțiune poate fi mai mare decât matricea dacă este mai mare de .

Astfel, fracția de volum minim a fibrei poate fi exprimată ca,

Deși această valoare minimă este foarte mică în practică, este foarte important de știut, deoarece motivul încorporării fibrelor continue este îmbunătățirea proprietăților mecanice ale materialelor / compozitelor, iar această valoare a fracției de volum este pragul acestei îmbunătățiri.

Efectul orientării fibrelor

Modificarea orientării fibrelor poate afecta proprietățile mecanice ale compozitelor armate cu fibre, în special rezistența la tracțiune.

Rezistența la tracțiune compozită poate fi prezisă în funcție de (unghiurile de la 0 ° la 10 °), unghiul dintre cerere și orientarea fibrelor.

unde TS este rezistența la tracțiune , este tensiunea paralelă.

Datorită dezorientării, matricea compozitului experimentează o forță de forfecare. Rezistența la tracțiune a compozitelor (unghiuri de 10 ° - 60 °) datorită defectării la forfecare a matricei poate fi exprimată ca,

unde TS este rezistența la tracțiune , este tensiunea de forfecare.

Dacă unghiul este chiar mai mare de (unghiuri de 60 ° - 90 °), un alt mod de avarie, modul transversal, devine efectiv. Rezistența la fractură transversală compusă poate fi exprimată ca,

unde TS este rezistența la tracțiune , este tensiunea perpendiculară.

Astfel, unghiul la care tranziția la modul de fractură poate fi exprimat ca,

unde este unghiul critic, este tensiunea paralelă și este tensiunea de forfecare.

Acest unghi critic este important pentru proiectarea materialelor compozite pentru anumite aplicații.

Tipuri de fibre și proprietățile lor mecanice

Cele mai frecvente tipuri de fibre utilizate în industrie sunt fibrele de sticlă , fibrele de carbon și kevlar datorită ușurinței lor de producție și disponibilitate. Proprietățile lor mecanice sunt foarte importante de cunoscut, prin urmare tabelul proprietăților lor mecanice este dat mai jos pentru a le compara cu oțelul S97 . Unghiul de orientare a fibrelor este foarte important din cauza anizotropiei compozitelor din fibre (vă rugăm să consultați secțiunea "Proprietăți fizice" pentru o explicație mai detaliată). Proprietățile mecanice ale compozitelor pot fi testate folosind metode standard de testare mecanică prin poziționarea probelor la diferite unghiuri (unghiurile standard sunt 0 °, 45 ° și 90 °) în raport cu orientarea fibrelor din compozite. În general, alinierea axială 0 ° face compozitele rezistente la îndoire longitudinală și tensiune / compresie axială, alinierea cercului la 90 ° este utilizată pentru a obține rezistență la presiunea internă / externă și ± 45 ° este alegerea ideală pentru a obține rezistență împotriva torsiunii pure.

Proprietățile mecanice ale materialelor compozite din fibre

Fibre @ 0 ° (UD), 0/90 ° (țesătură) până la axa de încărcare, uscat, temperatura camerei, V f = 60% (UD), 50% (țesătură) Fibra / rășină epoxidică (întărită la 120 ° C)
Simbol Unități Standard

Fibra de carbon

Țesătură

Modul ridicat

Fibra de carbon

Țesătură

E-Glass

Țesătură din fibră de sticlă

Kevlar

Țesătură

Standard

Unidirecțional

Fibra de carbon

Țesătură

Modul ridicat

Unidirecțional

Fibra de carbon

Țesătură

E-Glass

Unidirecțional

Țesătură din fibră de sticlă

Kevlar

Țesătură unidirecțională

Oţel

S97

Modulul lui Young 0 ° E1 GPa 70 85 25 30 135 175 40 75 207
Young's Modulus 90 ° E2 GPa 70 85 25 30 10 8 8 6 207
Modul de forfecare în plan G12 GPa 5 5 4 5 5 5 4 2 80
Raportul maiorului Poisson v12 0,10 0,10 0,20 0,20 0,30 0,30 0,25 0,34 -
Ult. Rezistența la tracțiune 0 ° Xt MPa 600 350 440 480 1500 1000 1000 1300 990
Ult. Comp. Rezistență 0 ° Xc MPa 570 150 425 190 1200 850 600 280 -
Ult. Rezistența la tracțiune 90 ° YT MPa 600 350 440 480 50 40 30 30 -
Ult. Comp. Rezistență 90 ° Y c MPa 570 150 425 190 250 200 110 140 -
Ult. În plan Shear Stren. S MPa 90 35 40 50 70 60 40 60 -
Ult. Tulpina de tracțiune 0 ° ext % 0,85 0,40 1,75 1,60 1,05 0,55 2,50 1,70 -
Ult. Comp. Se strecoară 0 ° exc % 0,80 0,15 1,70 0,60 0,85 0,45 1,50 0,35 -
Ult. Tulpina de tracțiune 90 ° eyt % 0,85 0,40 1,75 1,60 0,50 0,50 0,35 0,50 -
Ult. Comp. Se strecoară la 90 ° eyc % 0,80 0,15 1,70 0,60 2,50 2,50 1,35 2.30 -
Ult. Tensiune de forfecare în plan es % 1,80 0,70 1,00 1,00 1,40 1.20 1,00 3.00 -
Densitate g / cc 1,60 1,60 1,90 1,40 1,60 1,60 1,90 1,40 -


Fibre @ ± 45 Deg. până la axa de încărcare, uscat, temperatura camerei, Vf = 60% (UD), 50% (țesătură)
Simbol Unități Standard

Fibra de carbon

Modul ridicat

Fibra de carbon

E-Glass

Fibra de sticla

Standard

Fibre de carbon

Țesătură

E-Glass

Țesătură din fibră de sticlă

Oţel Al
Modul longitudinal E1 GPa 17 17 12.3 19.1 12.2 207 72
Modul transversal E2 GPa 17 17 12.3 19.1 12.2 207 72
În modul de forfecare plan G12 GPa 33 47 11 30 8 80 25
Coeficientul lui Poisson v12 .77 .83 .53 .74 .53
Rezistență la tracțiune Xt MPa 110 110 90 120 120 990 460
Rezistenta la compresiune Xc MPa 110 110 90 120 120 990 460
În rezistență la forfecare plană S MPa 260 210 100 310 150
Co-ef de expansiune termică Alpha1 Tulpina / K 2.15 E-6 0,9 E-6 12 E-6 4.9 E-6 10 E-6 11 E-6 23 E-6
Co-ef de umiditate Beta1 Tulpina / K 3.22 E-4 2.49 E-4 6.9 E-4

Proprietățile mecanice ale compozitelor din fibră de carbon de calitate aerospațială și comercială, compozite din fibră de sticlă și aliaj de aluminiu și oțel

Acest tabel demonstrează una dintre cele mai importante caracteristici și avantaje ale compozitelor de fibre față de metal, adică rezistența specifică și rigiditatea specifică. Deși oțelul și aliajul de aluminiu au rezistență și rigiditate comparabile cu compozitele din fibre, rezistența specifică și rigiditatea compozitelor sunt mai mari decât oțelul și aliajul de aluminiu .

Comparația dintre cost, rezistența specifică și rigiditatea specifică
Compozit din fibra de carbon (clasa aerospațială) Compozit din fibră de carbon (grad comercial) Compozit din fibră de sticlă Aluminiu 6061 T-6 Oţel,

Blând

Cost $ / LB 20 $ - 250 $ + 5 $ - 20 $ 1,50 USD - 3,00 USD 3 USD 0,30 USD
Forța (psi) 90.000 - 200.000 50.000 - 90.000 20.000 - 35.000 35.000 60.000
Rigiditate (psi) 10 x 10 6 - 50 x 10 6 8 x 10 6 - 10 x 10 6 1 x 10 6 - 1,5 x 10 6 10 x 10 6 30 x 10 6
Densitate (lb / in3) 0,050 0,050 0,055 0,10 0,30
Forța specifică 1,8 x 10 6 - 4 x 10 6 1 x 10 6 - 1,8 x 363.640–636.360 350.000 200.000
Rigiditate specifică 200 x 10 6 - 1.000 x 10 6 160 x 10 6 -200 x 10 6 18 x 10 6 -27 x 10 6 100 x 10 6 100 x 10 6

Eșec

Șocul, impactul sau solicitările ciclice repetate pot provoca separarea laminatului la interfața dintre două straturi, o condiție cunoscută sub numele de delaminare . Fibrele individuale se pot separa de matrice, de exemplu, extragerea fibrelor .

Compozitele pot eșua la scară macroscopică sau microscopică . Eșecurile de compresie pot apărea atât la scară macro, fie la fiecare fibră de armare individuală în flambarea prin compresie. Eșecurile de tensiune pot fi eșecuri ale secțiunii nete ale părții sau degradarea compozitului la o scară microscopică în care unul sau mai multe dintre straturile din compozit eșuează în tensiunea matricei sau eșecul legăturii dintre matrice și fibre.

Unele compozite sunt fragile și au rezistență redusă dincolo de debutul inițial al eșecului, în timp ce altele pot avea deformări mari și au capacitate de absorbție a energiei de rezervă după apariția daunelor. Distincțiile disponibile în fibre și matrice și amestecurile care pot fi realizate cu amestecuri lasă o gamă foarte largă de proprietăți care pot fi proiectate într-o structură compozită. Cel mai faimos eșec al unui compozit cu matrice ceramică fragilă s-a produs atunci când plăcile compozite carbon-carbon de pe marginea anterioară a aripii Navetei Spațiale Columbia s-au fracturat atunci când au fost lovite în timpul decolării. Acesta s-a îndreptat spre ruperea catastrofală a vehiculului când a intrat din nou în atmosfera Pământului la 1 februarie 2003.

Compozitele au o rezistență relativ redusă a lagărului în comparație cu metalele.

Testarea

Compozitele sunt testate înainte și după construcție pentru a ajuta la prezicerea și prevenirea defecțiunilor. Testarea înainte de construcție poate adopta analiza elementelor finite (FEA) pentru analiza strat cu strat a suprafețelor curbate și prezicerea încrețirii, sertizării și gropii compozitelor. Materialele pot fi testate în timpul fabricației și după construcție prin diferite metode nedistructive, inclusiv ultrasunete, termografie, shearografie și radiografie cu raze X și inspecție cu legătură laser pentru NDT cu o integritate relativă a rezistenței la legătură într-o zonă localizată.

Vezi si

Referințe

Lecturi suplimentare

  • Robert M. Jones (1999). Mecanica materialelor compozite (ediția a II-a). Taylor & Francis. ISBN 9781560327127.
  • Cederbaum G., Elishakoff I., Aboudi J., Librescu L. (1992). Vibrația aleatorie și fiabilitatea structurilor compozite . Tehnomică. Bibcode : 1992tech.book ..... C .CS1 maint: mai multe nume: lista autorilor ( link )
  • Librescu L., Song O. (2006). Grinzi compozite cu pereți subțiri: teorie și aplicație . Springer.
  • Polimeri și compozite polimerice: o serie de referință . Springer. 1999.
  • Autar K. Kaw (2005). Mecanica materialelor compozite (ediția a II-a). CRC. ISBN 978-0-8493-1343-1.
  • Manualul compozitelor polimerice pentru ingineri de Leonard Hollaway Publicat în 1994 Woodhead Publishing
  • Madbouly, Samy, Chaoqun Zhang și Michael R. Kessler. Polimeri și compozite de uleiuri vegetale pe bază de bio. William Andrew, 2015.
  • Matthews, FL; Rawlings, RD (1999). Materiale compozite: inginerie și știință . Boca Raton: CRC Press. ISBN 978-0-8493-0621-1.

linkuri externe