Materiale Compozite

  Efortul oamenilor de știința se orientează către materialele noi, și implicit asupra tehnicilor de prelucrare și proiectare analitică a elementelor active necesare prelucrării acestora. Studiul unor tehnologii au scos la iveală că acestea ar putea fi aplicate la scară industrială pentru avantajele economice, performanța și simplitatea proiectării.

   Materialele compozite au fost concepute pentru a înlocui, într-o proporție tot mai mare, materialele tradiționale feroase și neferoase, care sunt caracterizate de unele neajunsuri referitoare la performanțele, procedeele de obținere și prelucrare, gabarite, mase, complexități geometrice, domenii de utilizare și costuri importante.

Această lucrare se adresează tuturor celor interesați de informații referitoare la materialele de generație nouă utilizate în diverse domenii.

Cuvinte cheie: compozit, matrice, armătură.

***

1. Introducere

Știința materialelor compozite a apărut din necesitatea unor studii multidisciplinare pornind de la faptul că elaborarea acestora este complexă, condițiile de operare în care aceste materiale trebuie să funcționeze sunt severe, proprietățile fizice, chimice, magnetice, electrice și mecanice sunt influențate de compatibilitatea și modul de dispunere a elementelor componente.

Materialele clasice, folosite în starea lor naturală, nu pot îndeplini simultan și la un nivel mulțumitor astfel de cerințe complexe, fapt ce a dus la realizarea unor combinații ale lor, denumite generic materiale compozite. Acestea permit optimizarea proiectării diverselor structuri tehnice, în primul rând pe baza diversității foarte mari, practic inepuizabile, de combinații care pot fi puse în practică.

Se poate afirma, pe baza scrierilor celor mai vechi ale istoriei, că materialele compozite au fost folosite dintotdeauna, fiind prezente în mediul nostru ambiant mult mai frecvent decât s-ar putea crede. Familia lor este foarte cuprinzătoare și include grinzile din beton armat, dar și chirpicii, anvelopele cu cordaj, dar și oasele (compozite naturale, formate din cristale de apatită reunite printr-un liant de colagen), săbiile legendarilor samurai (obținute prin solidarizarea unor straturi metalice de naturi diferite), dar și elemente constructive sofisticate din tehnica militară sau astronautică.

2. Evoluția materialelor compozite

Discutând la modul general, se poate considera că orice material face parte dintr-un lanț de fabricare și de utilizare, în care trebuie să se integreze prin îndeplinirea, într-o măsură mai mare sau mai mică, a unor cerințe specifice. Acestea se referă, în principiu, la următoarele aspecte: ușurința de obținere a materialului, durabilitatea lui (modul cum își păstrează proprietățile în timp), posibilitatea de distrugere a deșeurilor (reducând la minimum poluarea mediului), menținerea în exploatare cu costuri cât mai mici de întreținere, capacitatea de adaptare la exigențele utilizatorilor.

Pe această bază se poate aprecia, mai întâi, că proiectarea și fabricarea unor materiale satisfăcătoare pentru condițiile tehnice actuale nu se mai pot gândi și realiza de specialiști dintr-un singur domeniu de cercetare, mai mult sau mai puțin îngust. Este strict necesară colaborarea inter-disciplinară, ale cărei rezultate se pot observa la tot pasul în lumea de azi.

În privința începuturilor materialelor compuse probabil că folosirea, în secolul al XIX-lea, a unor bare de fier ca întăritoare pentru zidărie a reprezentat prima utilizare pe scară largă a unor compozite, în accepțiunea modernă a noțiunii. Treapta superioară în dezvoltarea acestor tehnici a fost fabricarea betoanelor armate cu fire de oțel, astăzi prezente pe orice șantier de construcții (1).

Secolul al XX-lea a cunoscut o adevărată explozie în privința fabricării de materiale compozite, iar începutul s-a făcut la finele deceniului patru, odată cu intrarea în producție industrială a fibrelor de sticlă și cu folosirea lor la armarea materialelor plastice. În această variantă au fost utilizate, de exemplu, în construcția unor ambarcațiuni, în industria de componente electrice, precum și în domeniul construcțiilor de avioane. De altfel, cerințele dezvoltării impetuoase a aeronauticii, precum și extinderea aplicațiilor în industriile care deservesc armata și cercetarea aerospațială, au influențat direct și decisiv ritmul incredibil în care au progresat proiectarea și producția de materiale compozite în secolul trecut.

De aceste aplicații a fost legată și fabricarea industrială – începând din 1960 – a plasticelor armate cu fibre de carbon și de bor, iar după încă un deceniu – a primelor compozite moderne cu matrice metalică (fibre de bor în matrice din aliaj de aluminiu).

Un alt moment important în această evoluție l-a reprezentat, în anul 1973, producerea de către

firma americană Du Pont a fibrelor aramidice denumite Kevlar (marcă înregistrată a acestei firme), pentru care s-au găsit apoi aplicații spectaculoase (cea mai cunoscută este fabricarea materialelor pentru vestele antiglonț), în domenii dintre cele mai diverse .

Se poate aprecia că după 1970 s-a trecut la aplicarea pe scară largă a materialelor plastice armate, cu precădere în construcția avioanelor, a automobilelor și a echipamentelor sportive și de agrement, precum și în industria biomedicală.

Pentru anii '80 a fost caracteristică extinderea fabricării și utilizării fibrelor de modul înalt, iar în deceniul următor progresele tehnologice au permis fabricarea industrială a compozitelor de tip carbon-carbon și a celor cu matrice metalică sau ceramică, destinate pieselor care funcționează la temperaturi înalte.

În general, se poate spune că materialele compozite care se fabrică în prezent, pe scară industrială, deschid calea unor soluții inginerești spectaculoase. Din acest motiv, ele sunt utilizate în toate aplicațiile care necesită combinații de performanțe mecanice înalte, rezistență la condiții severe de lucru și greutate specifică mică.

3. Definiție și clasificări. Materialele compozite sunt materiale cu proprietăți anizotrope, formate din mai multe componente, a căror organizare și elaborare permit folosirea celor mai bune caracteristici ale componentelor.

Datorită diversității lor foarte mari, clasificarea acestor materiale se poate face după criterii numeroase și variate, iar cele mai importante stabilesc următoarele grupări de composite (2):

l. După structura materialului:

• cu fibre lungi, plasate în matrice într-un anumit aranjament, care poate fi uni-, bi- sau tri-dimensional, încât noul material este denumit unidirecțional, laminat (stratificat), respectiv spațial;

• cu fibre scurte, dispuse de obicei aleator;

• cu "whiskere" (termen acceptat și în literatura publicată în alte limbi decât engleza, inclusiv în limba română), adică monocristale filiforme, metalice sau ceramice;

• stratificată, adică formată din straturi suprapuse, solidarizate prin adeziune (cum sunt bimetalele sau materialele placate);

• cu elemente de armare disperse, denumite global particule și care pot avea inclusiv forme de fulgi, solzi sau foițe;

• spumate, constituite din structuri ("scheletice") de matrice, umplute cu material secundar.

2. După procedeul de obținere:

• produse macromoleculare modificate prin co-polimerizare în bloc;

• produse armate cu fibre sau cu elemente disperse, introduse în matricea aflată în stare topită;

• materiale metalice întărite prin placare;

• sisteme oxid-metal;

•structuri obținute prin solidificare dirijată.

3. După materialul de bază (matricea ), care poate fi: polimeric, mineral (ciment, ipsos), metalic, ceramic.

4. După materialul de armare (ranforsantul) (compatibil cu matricea, dar insolubil în ea);

sticlă, azbest, lemn, polimeri, metale, carbon, materiale ceramice, monocristale filiforme (wiskere).

5. După forma și dimensiunile elementelor de armare: particule aproximativ sferice, elemente aproximativ plate (fulgi), monocristale filamentare (cu lungimi mai mici decât 20 mm), fibre scurte tocate sau (cu lungimi cuprinse între 20 și 150 mm), fibre continue (cu lungimi de peste 150 mm), armături ramificate.

6. După generația de apariție :

• generația întâi – compozite tradiționale (de genul chirpicilor), puțin asemănătoare celor actuale;

• generația a doua – compozite complexe, apărute odată cu extinderea aplicațiilor tehnologice ale chimiei și fizicii (betonul armat dispers, plastice armate cu fibre de sticlă, metale întărite cu fibre sau cu particule);

• generația a treia – materiale obținute prin combinarea unor copozite din generația de mijloc

folosite în calitate de matrice sau ranfonsat.

4.Fazele constituente ale materialului compozit.

Materialul compozit, este alcătuit din: faza discontinuă, cunoscută sub denumirea de

armătură sau ranforsant (fibre, foițe, solzi, particule); faza continuă, cunoscută sub denumirea de matrice sau masă de bază și adaosurile tehnologice.

Proprietățile compozitelor sunt puternic influențate de: caracteristicile componentelor, distribuția acestora șiinteracțiunea dintre ele.

Parametrii care influențează proprietățile compozitului sunt: proprietățile fibrei, structura fibrelor, proprietățile matricei, adeziunea chimică și fizică, interacțiunea fibră-matrice, compatibilitatea fizică și chimică.

4.1 Matricea

Matricea este masa de bază, identificată ca un “continuu” al compozitului. Funcție de natura materialului folosit, matricea poate fi:ceramic, metalică, polimerică, mineral.

Matricea îndeplinește în compozit următoarele funcțiuni (3):

stabilește forma definitivă a produsului realizat din materialul compozit;

învelește fibrele astfel încât să le protejeze atât în fazele de formare ale produsului cât și pe durata de serviciu;

păstrează armăturile la distanțe corespunzătoare transmiterii eforturilor între faze prin adeziune, frecare sau alte mecanisme de conlucrare;

împiedică flambajul fibrelor, deoarece fără mediul de susținere armătura nu este capabilă să preia eforturi de compresiune;

matricea constituie mediul de transmitere a eforturilor prin compozit astfel că, la ruperea unei fibre, reîncărcarea celorlalte fibre se poate realiza prin contactul de la interfață;

asigură contribuția principală la stabilirea rezistenței și rigidității în direcția normală pe fibre;

permite redistribuirea concentrărilor de tensiuni și deformații evitând propagarea rapidă a fisurilor prin compozit;

stabilește continuitatea transversală dintre lamelele ansamblului stratificat;

asigură compatibilitatea termică și chimică în raport cu armătura.

4.2. Armătura

Armătura este faza discontinuă constituită din elemente insolubile în masa matricei și dispuse mai mult sau mai puțin uniform în matrice. Principalele aspecte care trebuie reținute în legătură cu folosirea fibrelor și rolul lor în armarea compozitelor sunt (3):

armătura (datorită naturii unidimensionale a fibrelor) contribuie la creșterea rigidității și rezistenței compozitului în principal după direcția fibrelor, deși nu sunt excluse unele contribuții "laterale";

creșterea rigidității și a rezistenței compozitului este proporțională cu fracțiunea volumetrică de fibră dispusă paralel cu direcția efortului aplicat, atâta vreme cât matricea polimerică asigură învelirea corectă a fibrelor și transferul eforturilor între componente;

în cazul unor anumite fracțiuni volumetrice de fibră și dispuneri geometrice ale armăturii,

rezistența și rigiditatea la tracțiune a compozitului cresc prin sporirea rigidității relative a

armăturii față de matrice;

fibrelor li se cere să aibă variații reduse ale rezistențelor individuale, caracteristici geometrice uniforme și stabilitatea proprietăților în timpul operațiunilor de manipulare.

Concluzii:

După cum rezultă din paragrafele anterioare, perioada actuală se caracterizează printr-o adevărată explozie în domeniul fabricării și utilizării de materiale compozite, ceea ce a condus la o diversificare a lor care nu a avut precedent în istorie.

S-au făcut progrese importante în legătură cu obținerea materialelor inițiale, în procedeele de prelucrare a lor, precum și în privința metodelor de elaborare a structurii compozitelor și de optimizare a acesteia, fiind scopul apropierii de proprietățile care se cer a fi realizate.

Astfel s-a ajuns ca în prezent să se fabrice în mod curent, cel puțin în țările puternic dezvoltate industrial, compozite cu masa volumică redusă în raport cu metalele, la proprietăți comparabile, dar și altele cu caracteristici deosebite în ce privește rezistența la șoc și la abraziune, capacitatea de amortizare a vibrațiilor, coeficientul (mic) de dilatare termică, rezistența la agenți atmosferici și chimici sau la temperatură.

Pe de altă parte, materialele compuse sunt avantajoase și se impun în fața celor clasice și prin alte aspecte care le sunt specifice, precum ușurința finisării (deci aspectul exterior plăcut) și (după cerințele aplicației) proprietățile de izolare termică, acustică sau împotriva radiațiilor.

Nu este de neglijat nici caracterul lor neomogen și anizotrop, care face să crească numărul și diversitatea variantelor de lucru în configurarea optimă a materialului final.

În plus, este de remarcat despre compozite faptul că pot fi, de obicei, obținute cu un consum mai mic de energie și în instalații mai puțin costisitoare față de cele corespunzătoare materialelor pe care le înlocuiesc.

Bibliografie:

Crăciunescu, L., Gheorghe, M. (1990)-Materiale și lucrări de constructii, partea I Materiale de construcții, ICB;

Ispas, St., Materiale composite, EdituraTehnică, București,1987;

Ștefănescu,F., Neagu, G., (1996) -Materialele viitorului se fabrică azi. Materiale Compozite, Editura Didactică și Pedagogică, București;