KYP0040 MATERJALITEADUSE ÜLDALUSED - tud.ttu.ee

10.3 Kiududega tugevdatud komposiidid
Kõige tähtsamad on just kiududega tugevdatud komposiidid. Nende efektiivsuse iseloomustamiseks
kasutatakse eritugevuse ja erimooduli mõistet, mis on vastavalt tõmbetugevuse suhe tihedusse ja
elastsusmooduli suhe tihedusse.
10.3.1 Kiudude pikkuse, orientatsiooni ja kontsentratsiooni mõju
Kiududega tugevdatud komposiitide mehaanilised omadused sõltuvad mitte ainult kiudude
omadustest, vaid ka rakendatud jõu keskkonnalt kiududele ülekandumise astmest. See omakorda
sõltub sideme tugevusest keskkonna ja kiudude vahel, aga ka kiudude pikkusest. Nagu näha joonisel
10-2 toodud maatriksi deformatsiooni pildist tõmbejõu rakendamisel, ei kandu jõud maatriksilt kiule
üle kiu otstes.
Kiudude pikkuse iseloomustamiseks kasutatakse nn kriitilise pikkuse l kr mõistet, mis sõltub kiudude
diameetrist d, kiudude tõmbetugevusest σ t ja kiu ning keskkonna vahelise sideme tugevusest τ:
σ ⋅d
l = t
kr 2 τ
Tavaliselt l kr = 20 – 150 d. Kui l >> l kr , nimetatakse kiudusid pikaks (pidevaks), vastasel juhul
lühikeseks (katkendlikuks).
Kiud suurendavad tugevust oluliselt siis, kui nad on pikad. Pikad kiud on tavaliselt orienteeritud
paralleelselt. Sellisel juhul on komposiidi omadused piki kiudu tunduvalt erinevad (paremad) kui
risti kiudu. Tõmbetugevus ja elastsusmoodul piki kiudu avalduvad valemitega:
σ Σ = σkkVkk
+ σkiudVkiud
; E Σ = EkkVkk
+ EkiudVkiud
kus V on antud komponendi ruumala osa.
Pinge – deformatsiooni graafik sellisele komposiidile, kui tõmbejõud on suunatud piki kiudu, on
esitatud joonisel 10-4. Teatud komposiitide korral võib tõmbetugevus piki kiudu olla kümneid kordi
suurem kui risti kiudu.
Lühikeste kiudude korral võib orientatsioon olla samuti paralleelne, aga ka juhuslik. Joonisel 10-3
on esitatud pikkade paralleelsete kiududega komposiidi ehitus (a), lühikeste paralleelsete kiududega
(b) ja juhusliku kiudude jaotusega (c) komposiidi ehitus. Kui tahetakse valmistada homogeenset
komposiiti, mille omadused erinevates suundades on ühesugused, kasutatakse lühikeste kiudude
juhuslikku jaotust.
10.3.2 Kiudude materjalid
Kiudude valmistamiseks kasutatakse suure tugevusega materjale. Väga tähtis on kiu läbimõõt. Mida
väiksem see on, seda suurem on komposiidi tugevus. Teiselt poolt on väga peenikesi kiude raskem
valmistada ja nad on kallimad.
Jämeduse alusel jaotatakse kiud järgmiselt: udemed, kiud ja traat.
Udemed on väga peenikesed monokristallid. Kuna nad on väikesed, siis on nad praktiliselt ilma
dislokatsioonideta ja seetõttu väga tugevad – kõige tugevamad tuntud materjalidest. Siiski ei
kasutata udemeid komposiitides väga laialdaselt, kuna nad on väga kallid ja nende sisseviimine
maatriksisse on keeruline. Peamised udemete valmistamise materjalid on grafiit, SiC ja Al 2 O 3 . Neist
suurim eritugevus on grafiitudemetel – 9,1 GPa.
51