Kompozyty polimerowe
Kompozyty polimerowe
Kompozyty polimerowe
You also want an ePaper? Increase the reach of your titles
YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.
Wytwarzanie i przetwórstwo<br />
polimerów<br />
<strong>Kompozyty</strong> <strong>polimerowe</strong><br />
– otrzymywanie i właściwości<br />
dr inż. Michał Strankowski<br />
Katedra Technologii Polimerów<br />
Wydział Chemiczny<br />
Publikacja współfinansowana<br />
ze środków Unii Europejskiej<br />
w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
Co to jest kompozyt<br />
• Materiał kompozytowy jest kombinacją dwóch lub<br />
więcej materiałów różniących się rodzajem lub składem<br />
chemicznym w skali makroskopowej.<br />
• Składniki materiałów kompozytowych zachowują swoją<br />
tożsamość, ponieważ całkowicie nie rozpuszczają się<br />
w sobie, jak również nie łączą się<br />
w inne elementy, natomiast oddziałują wspólnie.<br />
• Jest materiałem zewnętrznie jednolitym, jednakże<br />
z widocznymi granicami pomiędzy składnikami.
Dlaczego właśnie kompozyty<br />
• Zmniejszenie masy<br />
• Zwiększenie sztywności i/lub wytrzymałości<br />
• Podniesienie odporności korozyjnej<br />
• Zwiększenie odporności na pękanie<br />
• Zwiększenie stabilności rozmiarów<br />
• Łatwość wprowadzania zmian konstrukcyjnych<br />
• Duża swoboda projektowania<br />
• Obniżenie kosztów produkcji krótkich serii
Ogólna klasyfikacja materiałów kompozytowych
Trochę historii …<br />
• W Mezopotamii i Babilonie już<br />
ok. 800 r. p.n.e. wytwarzano cegły<br />
gliniane wzmacniane słomą<br />
• 1931 – pierwszy patent na<br />
otrzymywanie włókien szklanych<br />
• 1942 – połączono żywicę z włóknem<br />
szklanym<br />
• 1943 – pierwsze próby zastosowania<br />
kompozytów dla celów wojskowych<br />
• 1961 – otrzymanie włókien<br />
węglowych<br />
• 1972 – otrzymanie włókien<br />
aramidowych
Skład kompozytu<br />
• Składa się z osnowy i rozmieszczonego w niej<br />
drugiego składnika – zwanego wzmocnieniem<br />
- o znacznie wyższych właściwościach<br />
wytrzymałościowych, lub większej twardości
Jak powstaje kompozyt <br />
+<br />
=<br />
MATRYCA<br />
WZMOCNIENIE<br />
KOMPOZYT
OSNOWA KOMPOZYTU<br />
• najczęściej polimer (poliepoksyd, poliester)<br />
• może być to metal (Ti, Ni, Fe, Al, Cu)<br />
• lub ich stopy<br />
• bądź ceramika<br />
• (np.Al 2 O 3 ,SiO 2 , SiC, TiO 2 )<br />
• Zlepia wzmocnienie<br />
• Nadaje żądany kształt<br />
• Silnie wiąże się ze wzmocnieniem<br />
• Naprężenia są przenoszone na włókna<br />
• Nadaje właściwości chemiczne i cieplne
Typy i charakterystyka ogólna materiałów<br />
osnowy i elementów wzmacniających<br />
w materiałach kompozytowych
Włókna wzmacniające materiały kompozytowe<br />
• Materiały kompozytowe wzmacniane włóknami<br />
najczęściej są stosowane w celu zapewnienia<br />
zwiększonej wytrzymałości statycznej i<br />
zmęczeniowej oraz sztywności.<br />
• uzyskuje się to przez wprowadzenie włókien<br />
wytrzymałych, sztywnych lecz zwykle kruchych do<br />
miękkiej lecz ciągliwej osnowy.<br />
• Osnowa przekazuje jedynie przyłożone<br />
obciążenie do włókien, które w większości je<br />
przenoszą.<br />
• Materiały kompozytowe tej grupy mogą przy tym<br />
wykazywać wysokie własności wytrzymałościowe<br />
zarówno w temperaturze pokojowej jak i<br />
podwyższonej.
Wielkości i kształt przekroju poprzecznego<br />
różnych faz wzmacniających kompozyty
Wytrzymałość włókien inaczej<br />
• W bardzo poglądowy sposób wytrzymałość różnego rodzaju włókien<br />
ilustruje rysunek zamieszczony poniżej. Z lewej strony podano<br />
długość w km, przy której lina z określonego materiału zrywa się pod<br />
własnym ciężarem; z prawej - wytrzymałość i średnice lin z tych<br />
materiałów mających jednakowy tex równy 160.000.
Włókna wzmacniające mogą tworzyć wiązki połączne<br />
w:<br />
• Przędzę (yarn), utworzone z ponad 10000<br />
razem skręconych włókien;<br />
• Kabel (tow), zawierających kilkaset do<br />
ponad 100000 nieskręconych włókien;<br />
• Niedoprzęd (roving) zawierający<br />
nieskręcone wiązki włókien, przędzy lub<br />
kabli;<br />
• Mogą być także cięte (staples), a ich<br />
długość nie przekracza 10 mm.
• Cena włókien jest zróżnicowana nawet o 50000 razy;<br />
• Włókna szklane są stosowane bardzo powszechnie,<br />
przy wystarczającym wzmocnieniu materiałów<br />
kompozytowych, zwłaszcza o osnowie <strong>polimerowe</strong>j;<br />
• Włókna aramidowe, węglowe, ceramiczne tlenkowe<br />
i beztlenkowe – dobre właściwości użytkowe – wysoka<br />
cena decyduje o ich ograniczonym użyciu.
Wytwarzanie włókien szklanych
Schemat procesu formowania włókien<br />
szklanych
POLIAMIDY AROMATYCZNE<br />
• polimery zawierające w łańcuchu grupę –CONH-, połączona<br />
z obydwu stron fragmentami aromatycznymi: fenylowymi,<br />
naftalowymi, heterocyklicznymi.<br />
• Mogą one zawierać również inne grupy. które nie są<br />
bezpośrednio związane z grupą amidową<br />
• Zastąpienie ugrupowań metylenowych –CH 2 - w polimerach<br />
alifatycznych segmentami aromatycznymi powoduje znaczne<br />
zwiększenie wytrzymałości mechanicznej i odporności cieplnej<br />
polimeru<br />
• Odznaczają się większą udarnością i odpornością na ścieranie<br />
oraz dużą zdolnością do tłumienia drgań<br />
• Bardzo dobra jest także ich odporność na czynniki<br />
atmosferyczne i chemiczne<br />
• Mogą być użytkowane w zakresie temp.: -196-180 o C
Te „najmocniejsze włókna świata” otrzymywane<br />
są:<br />
• w wyniku reakcji polikondensacji chlorowodorków<br />
kwasów dikarboksylowych z aminami aromatycznymi.
KEVLAR<br />
Otrzymywanie:<br />
- Włókna rozciąga się, stosując roztwór polimeru w<br />
100% H 2 SO 4<br />
- Powstaje półciekła faza krystaliczna<br />
- Włókna uzyskują optymalne wzajemne położenie
• Struktura:<br />
KEVLAR
KEVLAR<br />
• producent: DuPont, jednakże jest wytwarzane przez<br />
różnych wytwórców pod innymi nazwami<br />
• aramidy są aromatycznymi poliamidami i z tego też<br />
względu są spokrewnione z nylonami,<br />
• Kevlar to żółte włókno o budowie linearnej i z tego też<br />
względu jest niezmiernie wytrzymałe<br />
• Konstrukcje z tworzyw wzmocnionych Kevlarem są 10-30%<br />
lżejsze aniżeli analogiczne elementy zbrojone włóknem<br />
szklanym lub węglowym<br />
• Przy zetknięciu z ogniem Kevlar nie topi się, ale ulega<br />
rozkładowi w temp. ok. 500[ o C] bez wydzielania substancji<br />
toksycznych, nie podtrzymuje palenia i nie jest<br />
samogasnący
KEVLAR<br />
Struktura:<br />
• w przypadku przyłożenia sił prostopadłych<br />
następuje zmiana konformacji z trans na cis<br />
•Po ustaniu działania sił układ powraca do<br />
pierwotnego stanu
KEVLAR<br />
Struktura wpływa na właściwości materiału:<br />
• Sztywny<br />
•Odporny na rozrywanie<br />
•Odporny na wysokie temperatury<br />
•Materiał „inteligentny” – dostosowuje się do bodźca<br />
zewnętrznego<br />
•Lekki<br />
•Słaba rozszerzalność termiczna<br />
•Temperatura stosowania: -200÷200 [ o C]
NOMEX<br />
• Włókna z kwasu izoftalowego i m-fenylenodiaminy<br />
• nie jest to tak wytrzymałe mechanicznie włókno jak Kevlar<br />
• jest jednakże odporne na wysokie temperatury i można je<br />
stosować w temperaturach powyżej 200 [ 0 C]<br />
• znalazło zastosowanie w niektórych ubiorach strażackich i<br />
kierowców samochodów wyścigowych (tkaniny termo- i<br />
ogniotrwałe)<br />
• powyżej temperatury rozkładu przekształca się w grafit,<br />
zachowując pierwotne właściwości ochronne
POLIAMIDY AROMATYCZNE
Ogólna charakterystyka materiałów polimerowych stosowanych<br />
na osnowę materiałów kompozytowych
Preimpregnaty i ich wytwarzanie<br />
• Długie i ciągłe włókna stosowane w materiałach<br />
kompozytowych o osnowie <strong>polimerowe</strong>j mogą być użyte<br />
do wytwarzania preimpregnatów, wstępnie<br />
impregnowanych niecałkowicie spolimeryzowanych<br />
żywicami polimerowymi, w postaci:<br />
• Mat zawierających nietkane i przypadkowo zorientowane<br />
włókna luźno połączone;<br />
• Tkanin dwu-lub trójwymiarowych;<br />
• Oplotów dwu- lub trójwymiarowych;<br />
• Dzianin dwu-lub trójwymiarowych.
Rodzaje splotów włókien w tkaninach (a-d)<br />
i oplotach (e) stosowanych do wzmacniania<br />
materiałów kompozytowych<br />
płócienny pięcionicielnicowy jednokierunkowy<br />
Trójosiowy oplot<br />
płócienny<br />
z krajką
Przykłady układu włókien w trójwymiarowych<br />
impregnatach<br />
biegunowym<br />
ortogonalnym<br />
krawędziowym<br />
wytworzonym<br />
z walcowego<br />
taśmowym<br />
quasi-izotropowym
Schemat procesu wytwarzania taśmy preimpregnowanej materiału<br />
kompozytowego o osnowie z polimerów termoutwardzalnych
• Taśmy lub arkusze mogą być produkowane w procesie<br />
formowania tłoczywa arkuszowego (według PN-ISO 8604:1994)<br />
SMC (sheet molding compounds), głównie stosowanym do<br />
materiałów kompozytowych o osnowie z żywic poliestrowych<br />
wzmacnianych włóknami szklanymi.<br />
Schemat procesu technologicznego SMC formowania tłoczywa arkuszowego
Schemat procesu technologicznego wytwarzania poszycia<br />
błotnika samochodowego z taśmy SMC
Znane są liczne odmiany procesu SMC:<br />
• . SMC-R materiał kompozytowy wzmacniany jest włóknem ciętym,<br />
zorientowanym przypadkowo (random);<br />
• SMC-C materiał kompozytowy jest wzmacniany włóknami ciągłymi<br />
(continuous) o wzdłużnej jednokierunkowej orientacji;<br />
• SMC-C/R materiał kompozytowy jest wzmacniany<br />
w sposób kombinowany włóknami ciągłymi o wzdłużnej orientacji<br />
i ciętymi włóknami o przypadkowej orientacji;<br />
• SMC-D materiał kompozytowy jest wzmacniany włóknami ciętymi lecz<br />
o orientacji ukierunkowanej (directional);<br />
• XMC materiał kompozytowy w stanie płynnym podczas ściskania<br />
może mieć regulowaną objętość przez zastosowanie kierunkowo<br />
zorientowanych ciągłych włókien szklanych skrzyżowanych tak,<br />
że tworzą wzór X.
Oznaczenie preimpregnatów i tłoczyw<br />
wg PN-ISO 8604:1994
• Tłoczywo arkuszowe SMC lub XMC, a także<br />
tłoczywo BMC poddawane są dalszemu<br />
przetwórstwu w procesach prasowania<br />
przetłocznego.<br />
• W niskociśnieniowym procesie, w którym<br />
stosowane są zamknięte matryce, tłoczywo<br />
arkuszowe lub sypkie jest przetwarzane<br />
w produkty kompleksowe o złożonych kształtach<br />
i postaci o zróżnicowanej wielkości.
Schemat procesów prasowania tłoczywa arkuszowego<br />
SMC i sypkiego BMC
Zastosowanie taśm SMC do wytwarzania<br />
elementów samochodów<br />
a) Chevrolet Camaro (temp. 150 o C, przy naprężeniu 6,9 MPa przez<br />
60-90s<br />
Ford Mustang
Wykonanie nawet pełnej karoserii samochodu<br />
sportowego jest możliwe dzięki procesowi HSRTM<br />
(high-speed resin transfer moulding)
Najprostsze ręczne metody wytwarzania<br />
materiałów kompozytowych<br />
Natryskiwanie<br />
Formowanie kontaktowe
Prasowanie ciągłe – zautomatyzowany proces<br />
wytwarzanie materiałów kompozytowych w postaci<br />
ciągłych kształtowników o stałych przekrojach<br />
poprzecznych
Materiały kompozytowe warstwowe<br />
• Łączenie adhezyjne stosowane do materiałów<br />
o osnowie <strong>polimerowe</strong>j:<br />
- cienka warstwa niespolimeryzowanego materiału<br />
<strong>polimerowe</strong>go jest nakładana pomiędzy poszczególne<br />
warstwy lub preimpregnaty;<br />
- stos jest prasowany na gorąco;<br />
- po zakończeniu polimeryzacji wszystkie warstwy<br />
są połączone w jeden kompozytowy materiał.
Schemat nowoczesnej dachówki z materiału kompozytowego<br />
Wytrzymałość –<br />
rdzeń z blachy<br />
stalowej<br />
powlekanej<br />
antykorozyjnie<br />
ogniwo<br />
stopem cynku zaw.<br />
41,5% Al i 15% Si<br />
Efekt estetyczny,<br />
kolorystyka –<br />
warstwa naturalnego<br />
kruszywa skalnego
Laminaty z materiałów polimerowych
Porównanie żywic polimerowych stosowanych<br />
w laminatach
Porównanie własności materiałów polimerowych<br />
termoplastycznych i termoutwardzalnych<br />
w zastosowaniu na laminaty
Skład kompozytów<br />
• Wyraża się podając procenty wagowe lub<br />
objętościowe składników tworzących fazę<br />
rozproszoną lub matrycę<br />
• ułamek wagowy w:<br />
• ułamek objętościowy :<br />
gdzie:<br />
w R – ułamek wagowy fazy rozproszonej;<br />
m R , m - masa, odpowiednio: fazy rozproszonej i mieszaniny;<br />
R – ułamek objętościowy fazy rozproszonej;<br />
v R , v - objętość, odpowiednio: fazy rozproszonej i mieszaniny.
Skład kompozytów<br />
• <strong>Kompozyty</strong> stanowią najczęściej<br />
mieszaniny dwuskładnikowe, stąd:<br />
gdzie:<br />
w M – ułamek wagowy matrycy;<br />
M – ułamek objętościowy matrycy<br />
• Niektóre właściwości kompozytów są<br />
addytywne i można je wyliczyć uwzględniając<br />
ich udziały<br />
Gęstość kompozytu wylicza się w oparciu o zależność:<br />
R , M – gęstości składników kompozytu – odpowiednio fazy rozproszonej i włókien
• Wytrzymałość na rozciąganie kompozytu <br />
włóknistego<br />
zależy od wytrzymałości włókien R i granicy plastyczności matrycy M :<br />
• Moduł elastyczności kompozytu E wzdłuż<br />
włókien określa równanie:<br />
w którym:<br />
E R , E M – oznaczają moduły elastyczności fazy rozproszonej i kompozytu.
KSZTAŁTOWANIE WŁAŚCIWOŚCI<br />
KOMPOZYTÓW<br />
• Dobór składników<br />
(rodzaj osnowy i zbrojenia)<br />
• Postać składników<br />
(proszek, włókna ciągłe lub cięte)<br />
• Ilość i sposób rozmieszczenia zbrojenia<br />
• Metody wytwarzania<br />
pożądane<br />
właściwości<br />
zastosowane<br />
materiały<br />
Proces wytwarzania
PRZEWIDYWANIE WŁAŚCIWOŚCI<br />
KOMPOZYTÓW<br />
Dane dla kompozytów sa zawarte m.in. w:<br />
Engineering Guide to Composite Materials (ASM)
Zastosowanie kompozytów 1<br />
Sprzęt gospodarstwa domowego<br />
odporność temperaturowa<br />
stabilność wymiarów<br />
izolacyjność
Zastosowanie kompozytów 2<br />
Budownictwo<br />
mała masa<br />
łatwość w montażu<br />
odporność korozyjna<br />
nie wymaganie konserwacji<br />
łatwość w utrzymaniu
Zastosowanie kompozytów 3<br />
Lotnictwo<br />
wytrzymałość mechaniczna<br />
mała masa<br />
sztywność
Polymer Matrix Composites<br />
• Shown here is a diagram of<br />
a military transport jet, the<br />
Air Force C-17, illustrating<br />
part locations which have<br />
been manufactured from<br />
polymer matrix composites.<br />
The parts have been<br />
replaced where corrosion<br />
protection and weight<br />
reduction is possible and<br />
cost effective. The<br />
composites used here are<br />
various mixes of carbon,<br />
aramid, glass, and DuPont<br />
Nomex fibers.
Zastosowanie kompozytów 4<br />
Motoryzacja<br />
zmniejszenie masy<br />
łatwość zmian konstrukcyjnych<br />
swoboda projektowania<br />
odporność na korozję<br />
stabilność wymiarów<br />
sztywność i wysoka udarność<br />
powtórne przetwórstwo<br />
obniżenie kosztów produkcji<br />
prototypów i krótkich serii
Zastosowanie kompozytów 5<br />
Transport<br />
zmniejszenie masy<br />
stabilność wymiarów<br />
sztywność, wytrzymałość<br />
odporność na korozję
Zastosowanie kompozytów 6<br />
Sport<br />
wytrzymałość mechaniczna<br />
nieduża masa
Materiały balistyczne<br />
• Do produkcji hełmu użyto wysokiej jakości tkanin paraaramidowych<br />
ostatniej generacji KEVLAR® HT oraz<br />
TWARON® CT. Zastosowanie włókien T 963 3300 tex do<br />
produkcji tkaniny kevlarowej zapewnia uzyskanie wysokich<br />
paramentrów bezpieczeństwa<br />
• We współczesnych kamizelkach kuloodpornych stosowane są miękkie wkłady balistyczne<br />
z tkanin kewlarowych oraz sztywne wkłady kompozytowe, ceramiczno-aramidowe lub<br />
stalowe podnoszące stopień ochrony balistycznej i chroniące określone fragmenty ciała,<br />
np. serce, wątrobę, krocze.<br />
• W zależności od konstrukcji i powierzchni chronionej wyróżniamy kamizelki wewnętrzne o<br />
powierzchni chronionej około 0,3 - 0,35 m 2 , kamizelki zewnętrzne o powierzchni<br />
chronionej około 0,5 m 2 oraz ciężkie kamizelki taktyczne o powierzchni chronionej około<br />
0,75 m 2 .
Przykłady kompozytów:<br />
HONKER<br />
• zapewnia ochronę niewielkim oddziałom, które muszą dokonać<br />
szybkiego przemieszczenia.<br />
• Jako elementy opancerzenia zastosowano materiały kompozytowe:<br />
- elementy zabezpieczające załogę przed przeciwpancernymi pociskami<br />
małokalibrowymi oraz odłamkami min przeciwpiechotnych i granatów<br />
• Podstawową zaletą opancerzenia z kompozytów jest poprawa warunków<br />
bezpieczeństwa<br />
przy zachowaniu właściwiej wagi<br />
pojazdu, co gwarantuje zachowanie<br />
dotychczasowej jego szybkości<br />
i zwrotności.
Przykłady kompozytów:<br />
NOTEBOOKI IBM<br />
• Nowe serie notebooków IBM<br />
wykorzystujące tytanowe kompozyty<br />
• Stanowią one część wzmocnionej<br />
włóknami węglowymi obudowy, dzięki<br />
czemu ThinkPad’y należą<br />
do najcieńszych i najlżejszych<br />
rozwiązań<br />
Tytanowe kompozyty –<br />
charakteryzują się wysoką<br />
wytrzymałość i małą wagę, a także<br />
naturalnym efektem tłumienia drgań i<br />
wstrząsów.
Drewno jako materiał kompozytowy<br />
• Należy do najstarszych materiałów stosowanych przez<br />
człowieka;<br />
• Drewno może być traktowane jako kompleksowy<br />
materiał kompozytowy wzmacniany włóknami, złożony<br />
z długich, jednoosiowo zorientowanych komórek<br />
w osnowie <strong>polimerowe</strong>j;<br />
• Pory są wypełnione powietrzem i wodą w udziale<br />
zmieniającym się w zależności od warunków<br />
otoczenia.
Struktura drewna<br />
Przekrój pnia<br />
Słój roczny<br />
Struktura<br />
ścianki<br />
komórki<br />
drewna<br />
Schemat<br />
mikrofibryli
Główne składniki drewna
Dziękuję!!!
Change language