Materiale de Generatie Noua. Compozitie. Utilizari
Materiale de generatie noua. Compozitie. Utilizari
INTRODUCERE
Într-o societate în continuă schimbare și dominată de tehnologie, din dorința de a proteja mediul înconjurător, societatea umană a fost, este și va fi, tot mai preocupată de obținerea unor bunuri de consum cu un grad mai mare de complexitate. Această etapă de dezvoltare atrage după sine investiții tot mai mari pentru studii, cercetări și experimentări.
Pentru obținerea de bunuri utilizate în toate ramurile industriei, se folosesc materiale din ce în ce mai diversificate din punct de vedere sortimental și calitativ. Necesitatea elaborării unor materiale noi și a unor tehnologii neconvenționale a fost determinată, nu numai din motive economice și sociale, ci și din cauza faptului că în condițiile dezvoltării exponențiale a producției, a apărut o criză foarte puternică de surse de materii prime și energetice, odată cu creșterea agresiunii oamenilor față de mediul înconjurător.
Aceste materiale cu proprietăți programabile superioare materialelor tradiționale, numite materiale compozite, au pătruns în domeniile tehnicii de vârf, cum ar fi: tehnologiile aerospațiale, tehnica nucleară, tehnica de construcție medicală a implanturilor, dar și în industria de automobile, de nave, industria chimică, în construcții, în industria materialelor sportive etc.
Indispensabilitatea materialelor compozite și aplicabilitatea lor în toate ramurile industriei datorită avantajelor economice, a performanței și nu în ultimul rând, a simplității în proiectare este și motivul elaborării acestei lucrări.
Știința materialelor compozite a apărut din necesitatea unor studii multidisciplinare, pornind de la faptul că elaborarea lor este complexă, condițiile de operare în care acestea trebuie să funcționeze sunt severe iar proprietățile fizice, chimice, magnetice, electrice și mecanice sunt influențate de compatibilitatea și modul de dispunere a elementelor componente. Efortul oamenilor de știința se orientează către materialele noi, și implicit asupra tehnicilor de prelucrare și proiectare analitică a elementelor active necesare prelucrării acestora [34,45].
Lucrarea de față este structurată în cinci capitole, concluzii și bibliografie. În primele trei, sunt sintetizate informațiile culese din documentarea efectuată pe parcursul realizarii lucrării, urmând ca în următoarele două sa se realizeze un calcul teoretic, tehnico-economic, pe baza informațiilor acumulate.
Capitolul 1 „Materiale de generație nouă (compozite)”, prezintă lumea acestor materiale și este structurat în patru subcapitole, fiecare având o deosebită importanță în înțelegerea necesității folosirii compozitelor.
Subcapitolul 1.1. „Materiale compozite-generalități”, cuprinde o scurtă descriere a materialelor compozite, avantajele pe care acestea le au în comparație cu materialele tradiționale și trecerea în revistă a problemelor ce au rămas încă nerezolvate cu privire la acest domeniu. Următorul, după cum spune și numele „Materiale compozite-scurt istoric” conține evoluția acestora de-a lungul timpului, chiar înainte de a fi denumite „materiale ale viitorului”. Subcapitolele, 1.3. „Materiale compozite-definiție” și 1.4. „Materiale compozite-clasificare”, conțin informații acumulate din mai multe surse, diferite moduri de a defini materialele compozite, precum și caracterizări în funcție de anumite criterii, realizate de diferiți cercetători.
Capitolul 2 „Domenii de utilizare a materialelor compozite” este alcătuit din 14 subcapitole și prezintă evoluția tuturor ramurilor industriei pe fondul utilizării materialelor de ultimă generație, precum și contribuția acestora la progresul tehnologic.
Capitolul 3 „Tehnici și tehnologii de prelucrare a materialelor compozite” evidențiază cele mai importante procedee și tehnologii de prelucrare a materialelor compozite. Este structurat în 3 subcapitole: 3.1. „Noțiuni generale privind tehnologia materialelor compozite”; 3.2. „Procedee și tehnologii primare de prelucrare a materialelor compozite cu matrice organică (polimerică); și 3.3. „Procedee primare de prelucrare a materialelor compozite stratificate ( de tip sandwich)”.
Capitolul 4 „Stabilirea expresiei suprafeței neutre a laminei și a unui compozit stratificat” cuprinde un calcul teoretic pentru aflarea suprefeței unde solicitarile la încovoiere, forfecare transversală , întindere sau compresiune sunt nule. Acesta este format din două subcapitole, și anume: 4.1. „Expresia suprafeței neutre a laminei” și 4.2. „Expresia suprafeței neutre a unui compozit stratificat”.
Capitolul 5
CAPITOLUL 1
Materiale de generație nouă (compozite)
Materiale compozite – generalități
Materialele compozite au fost folosite cu mult timp în urmă ( piatra, lemnul, iar cu câteva sute de ani mai târziu, betonul și betonul armat). Acestea au apărut din imposibilitatea materialelor tradiționale de a îndeplini anumite condiții, cum ar fi : rezistențe mecanice deosebite într-un interval larg de valori ale temperaturii ambientale, vibrații, rezistență la oboseală, rigiditate, greutate minimă și fiabilitate maximă.
Performanțele tot mai înalte cerute structurilor de rezistență în general, dar mai ales celor destinate aeronauticii și aplicațiilor militare, impun materialelor condiții foarte severe în timpul funcționării. Ca urmare, apar tot mai frecvent situații în care materialele tradiționale nu pot satisface în totalitate multitudinea restricțiilor menționate, iar cum configurația geometrică a structurilor este în general impusă, singurul domeniu unde se poate acționa, rămâne utilizarea de materiale noi, cu calități deosebite. Acestea sunt create astfel încât să corespundă unor exigențe deosebite în ceea ce privește [40,83]:
– rezistența mecanică și rigiditatea;
– rezistența la coroziune;
– greutatea scăzută;
– stabilitatea dimensională;
– rezistența la solicitări variabile, la șoc și la uzură;
– proprietățile izolatoare și estetica.
Aceste caracteristici nu numai că au asigurat utilizarea pe scară din ce în ce mai largă a materialelor compozite, dar au și stimulat cercetările pentru descoperirea unor noi tipuri de materiale cu proprietăți îmbunătățite.
Ca urmare a dorinței de a continua procesul de dezvoltare tehnologică prin utilizarea unor materiale calitativ superioare și posibil de realizat prin tehnologii și procedee eficiente nepoluante, au apărut preocupări majore și realizări de materiale compozite în toate țările dezvoltate, aceste materiale constituind o soluție tot mai des adoptată în realizarea structurilor performante, cu aplicabilitate în toate ramurile industriale.
Principalele avantaje ale folosirii acestor materiale compozite sunt [28,83] :
-masa volumică mică în raport cu metalele (compozitele cu rășini epoxidice armate cu fibre de Si, B, C au masă volumică sub 2 g/cm3);
-rezistența la tracțiune sporită Rm (compozitul Kevlar are Rm de două ori mai mare decât al sticlei);
-coeficient de dilatare mic în raport cu metalele;
-rezistența la șoc ridicată;
-durabilitate mare în funcționare (în aceleași condiții de funcționare, 1kg de Kevlar înlocuiește 5 kg de oțel, la o durată egală de funcționare);
-capacitate mare de amortizare a vibrațiilor;
-siguranță mare în funcționare (ruperea unei fibre dintr-o piesă din compozit nu produce o amorsă de rupere a piesei, ca în cazul materialelor clasice);
-consum energetic scăzut la elaborare, în comparație cu metalele (pentru obținerea polietilenei se consumă 96,232 kJ/cm3, iar pentru oțel 661,072 kJ/cm3;
-rezistență la coroziune;
-stabilitate termică și rezistență mare la temperatură ridicată (fibrele de Kevlar, teflon, Hyfil sunt stabile până la 500oC, iar fibrele ceramice tip SiC, Si3Ni4, Al2O3 sunt stabile până la 1400oC – 2000oC.
Implementarea acestor materiale compozite în diverse domenii, ca alternative mult mai benefice ale materialelor clasice, sau pentru obținerea de noi aplicații, ridică însă și o serie de probleme cu privire la structura deosebit de complexă a acestora și a posibilităților de obținere, precum și a comportamentului lor la diverse solicitări care momentan este foarte puțin cunoscut.
În toate țările industrializate, în procesul de inovare tehnologică, materialele compozite reprezintă un domeniu prioritar.
Apariția acestor materiale și utilizarea lor în realizarea unor structuri de rezistență a impus atât determinarea caracteristicilor elastice și de rezistență ale compozitelor, cât și efectuarea unor calcule de rezistență, diferite (ca mod de realizare) de la un material la altul.
Un interes aparte este acordat, printre altele, stabilirii deteriorărilor ce pot să apară sub sarcină, a efectului lor asupra capacității portante a structurilor, precum și analizei comportării compozitelor în condiții dificile de lucru (variații de temperatură și umiditate, vibrații, acțiunea agenților chimici etc). Acestea reprezintă numai o parte din aspectele abordate în ultimul timp de către cercetătorii în domeniu, multitudinea lucrărilor apărute demonstrând că problemele sunt departe de a fi rezolvate [40].
Materiale compozite – scurt istoric
Prezentate ca o noutate în domeniul industrial, prin integrarea lor în diverse produse finite sau semifabricate și aportul pe care îl aduc la îmbunătățirea anumitor proprietăți, materialele compozite sunt departe de a fi numite o nouă invenție. Dimpotrivă, putem spune că avem de-a face cu cele mai vechi materiale descoperite de om.
Materialele compozite au fost folosite cu mult timp în urmă, chiar înainte de a fi definite. Omul primitiv a folosit toate resursele pământului pentru a se descurca, cum ar fi piatra sau lemnul. În funcție de nevoile pe care acesta le-a întâmpinat de-a lungul timpului, folosirea pietrei pentru lovirea inamicului sau pentru procurarea mâncării a devenit o necesitate. Odată cu trecerea timpului, omul a observat că legând o bucată de lemn de piatră, eficiența acesteia crește [39].
Unele compozite au luat naștere în urma unor impulsuri artistice de moment, omul primitiv folosind materiale de natură organică ( lemn, semințe, coji, liane de copac, oase etc.) deși majoritatea au dispărut odată cu trecerea timpului din cauza caracterului lor biodegradabil. Totuși, câteva statuiete de lemn au reușit să supraviețuiască trecerii timpului și sunt expuse și acum într-un muzeu din Cairo [39].
Un alt exemplu de material compozit folosit în antichitate este cărămida de argilă întărită cu paie, în Egiptul Antic. La Muzeul Britanic din Londra este expus un vas de depozitare din perioada merovingienilor (anul 900 d.H.) de pe teritoriul Scoției, realizat dintr-un material din fibră de sticlă întărit cu o rașină (vezi figura 1.1), material ce corespunde astăzi unui compozit de tip rașină epoxidică întărită cu fibră de sticlă [34,45].
Fig.1.1. Vase de depozitare din perioada merovingienilor[58,59]
Pe măsură ce a evoluat, omul a început să lipească pietre pe pieile de animale, pe diferite bucăți de lemn, pe marmură și, mai târziu, pe metale prețioase.
Un alt material compozit folosit până nu demult la construirea caselor este chirpiciul, un amestec de lut cu paie, uscat apoi la soare. Cu trecerea timpului, oamenii au adăugat și fecalele unor animale. Cercetătorii au ajuns la concluzia că locuințele confecționate din aceste cărămizi de chirpici (vezi figura 1.2) sunt cele mai rezistente la cutremur. Chirpiciul este un bun termoizolator, el primește căldură cu dificultate și o cedează foarte lent. Din acest motiv, casele sunt răcoroase vara și călduroase iarna.
Normele cu privire la durata de viață a locuințelor din chirpici susțin ca aceste case au o durabilitate de 20 de ani, însă practica ne arată că ele pot rezista până la 70 de ani, dacă sunt bine întreținute. Astăzi, chirpiciul este înlocuit cu cărămida din argilă.
Fig.1.2. Cărămizi confecționate din chirpici [60,61]
Din nevoia de a își ușura munca și de a găsi soluții pentru rezolvarea problemelor cu care se confruntau, fie pentru construcția caselor, a armelor sau pentru a își procura mâncarea și a se deplasa, oamenii au folosit materii prime sub diverse combinații pentru obținerea unui rezultat cât mai bun.
În anul 800 î.e.n evreii utilizau cărămizi dintr-un amestec de paie și argilă, egiptenii asamblau plăci de lemn cu clei din organe de animale (1600 î.e.n) iar mongolezii foloseau arcuri fabricate pe bază de corn de antilopă, lemn (vezi figura 1.3), mătase și tendoane de vită, care puteau trimite săgețile până la distanțe de circa 800 m [13].
Fig.1.3. Arcuri fabricate din lemn [54,55]
Existența arcului cu săgeți este datată la aproximativ 25 de secole înaintea epocii moderne. Arcurile erau confecționate din lemn flexibil iar săgețile tot din lemn, foarte bine ascuțit la vârf. În Egiptul Antic, arcul a devenit principala armă de război în jurul anului 3500 î.e.n.
Aici, arcurile erau mult mai înalte, cam de dimensiunea arcașilor și erau confecționate din bronz și piele pentru a asigura o mai bună precizie în timpul acționării.
Pentru deplasare, inițial pe mici ape curgătoare, oamenii au scobit bușteni și i-au folosit pe post de bărci (vezi figura 1.4). Acestea arătau ca niște canoe rudimentare.
Fig.1.4. Bușteni scobiți folosiți pe post de bărci [63]
Odată cu trecerea timpului, aceștia au simțit nevoia unei stabilități mult mai mari și au creat pluta. Aceasta era construită prin alipirea mai multor trunchiuri de copac, legate cu liane (vezi figura 1.5). Acolo unde lipsea copacul, se foloseau mănunchiuri de trestie [62].
Fig.1.5. Plută confecționată prin alipirea a mai multe trunchiuri de copac,
legate cu liane[64,65]
Printre misterele construcțiilor din antichitate se află și Piramidele de la Gizeh și Sfinxul, ce au fost construite între anii 2450 și 2600 î.e.n. ( vezi figura 1.6).
Fig.1.6. Piramidele de la Gizeh și Sfinxul [56]
Modul prin care egiptenii au reușit să lipească între ele blocurile de piatră ce cântăreau circa 2,5 tone fiecare reprezintă și astăzi o enigmă. Veșnica întrebare la care încă nu s-a găsit un răspuns clar nici până în zilele noastre rămâne aceeași: „Ce compozit au utilizat egiptenii pentru construcția acestor giganți ce dăinuie de mii de ani?”[27].
Făcând un salt prin istorie, ajungem mai aproape de zilele noastre, mai exact în secolul XIX, unde vergelele de fier erau folosite pentru zidărie, punându-se bazele materialelor armate pentru construcții.
Puțin mai târziu, a fost realizată prima ambarcațiune din fibră de sticlă în 1942 și de asemenea, la acel timp, acel material a fost utilizat în aeronautică și pentru componentele electrice. Primele fibre de bor și de carbon, cu rezistență mare la rupere, au apărut la sfârșitul anului 1960 fiind aplicate în materialele avansate folosite la componente de avion, prin 1968.
Materialele compozite cu matrice metalică au fost introduse în 1970. Dupont a realizat fibrele de Kevlar (sau aramid) în 1973. La sfârșitul anilor ’70 materialele compozite s-au extins în aeronautică, la automobile, articole sportive și în medicină [35].
Sfârșitul anilor 1980 a marcat o creștere semnificativă în utilizarea materialelor cu fibre având modul de elasticitate ridicat; astfel, s-au dezvoltat materiale care să răspundă cerințelor funcționării, deci s-a introdus conceptul de proiectare a materialului plecând de la cerințele tehnice ale produsului [28].
1.3. Materiale compozite – definiție
În mod general, compozitul reprezintă un ansamblu de două sau mai multe materiale distincte, conceput și realizat astfel încât să posede niște caracteristici superioare față de materialele constituente în parte.
Spre deosebire de materialele clasice, tradiționale, compozitele sunt realizate astfel încât să se adapteze unor cerințe de funcționare mai puțin prietenoase, proiectarea acestora făcându-se pe baza caracteristicilor materialelor componente.
În legătură cu materialele compozite este potrivită folosirea noțiunii de sinergie, care desemnează rezultatul unitar produs prin asocierea și dozarea convenabilă a caracteristicilor unor componente.
O altă definiție a materialelor compozite este dată de P.Mallick. Conform acestuia „un material compozit este o combinație între două sau mai multe materiale diferite din punct de vedere chimic, cu o interfață între ele. Materialele constituente își mențin identitatea separată (cel puțin la nivel macroscopic) în compozit, totuși combinarea lor generează ansamblului proprietăți și caracteristici diferite de cele ale materialelor componente în parte. Unul dintre materiale se numește matrice și este definit ca formând faza continuă. Celălalt element principal poartă numele de ranforsare (armătură) și se adaugă matricei pentru a-i îmbunătăți sau modifica proprietățile. Ranforsarea reprezintă faza discontinuă, distribuită uniform în volumul matricei.”[28].
Materialele compozite sunt alcătuite în principal din [32]:
I.3.A. Matricea (masa de bază);
I.3.B. Materialul de ranforsare (armătura);
I.3.C. Adaosuri tehnologice.
I.3.A. Matricea
Matricea este un material cu o densitate și o rezistență mai mică decât a materialului compozit [2,21]. Aceasta trebuie să ia forma piesei proiectate, să protejeze elementele de armare și, în același timp, să asigure un suport pentru acestea, contribuind la conlucrarea constituienților compozitului pe toate suprafețele de contact [4,6].
Matricea (masa de bază), alcătuită din unul sau mai multe componente, are rolul de liant și de protecție a materialului de armare, dând forma finală a elementului.
Se folosesc:
a).matrici organice;
b).matrici anorganice (rezistente la temperaturi înalte);
c).matrici metalice: aliaje de aluminiu;
d).matrici ceramice.
a). Matricea organică este un polimer, deci un compus macromolecular obținut prin repetarea în lanț a unui monomer, molecula de bază legându-se de ea însăși de zeci sau sute de milioane de ori. Astfel, etilena va conduce în acest mod la poliadiție la polietilenă [32]:
În esență, polimerii sunt compuși organici formați din carbon și hidrogen, care pot fi obținuți fiecare din natură sau prin sinteză de molecule organice în laboratoare.
Un polimer se definește ca fiind un lanț lung de molecule având una sau mai multe unități de molecule (monomeri) care se repetă, legate împreună prin puternice legături covalente.
Un material plastic sau polimeric este o colecție formată dintr-un mare număr de molecule polimer cu structură chimică similară, dar nu neapărat de aceeași lungime. Termenul de polimerizare se referă la o reacție chimică sau de întărire, care conduce la formarea unui compozit în prezența fibrelor.
Polimerul poate fi în stare solidă sau lichidă, dar matricea este polimerul întărit.
Un alt procedeu este policondensarea, reacție chimică complexă care conduce de asemenea la formarea de macromolecule. Astfel se produc poliamidele și fenoplastele (bachelita).
Materialele polimerice prezintă o serie de avantaje, cum ar fi următoarele:
+ sunt ușoare;
+ asigură transparență;
+ sunt izolatoare electric și termic;
+ sunt impermeabile;
+ au rezistență mare la coroziune;
+ asigură autolubrifierea;
+ pot prezenta comportament plastic sau elastic.
Aceste matrice se recomandă a fi folosite pentru temperaturi de lucru mai mici de 200oC [35], respectiv sub 400 oC [46].
Există două mari familii de polimeri, diferite una de cealaltă atât prin modul de comportare cât și prin procedeele de prelucrare :
a.1). rășinile termoplaste;
a.2). rășinile termorigide: poliesterice, fenolice, siliconice, poliuretanice, epoxidice etc.
a.1).Rășinile termoplaste obținute prin poliadiție (polietilena) sau prin policondensare (poliamidele), au aceeași proprietate ca metalele de a se înmuia la temperatură ridicată și de a se solidifica la temperatură scăzută. Profitând de această capacitate de modificare a stării de agregare, rășinile termoplaste vor fi puse în operă sau mulate la temperaturi ridicate, urmând ca prin solidificare să capete geometria dorită [32].
Numărul rășinilor termoplaste este destul de mare. Printre cele care prezintă caracteristicile cele mai ridicate, dar și prețurile cele mai mari se numără: polipropilena (PP), polioximetilena (POM), poliesterii saturați (PETP; PBTP), policarbonații (PC), poliamidele (PA), polietersulfații (PES), polieteretercetonă (PEEK), polieterimidele (PEI), poliamide-imide (PAI), polimeri cristale lichide (PCL) etc. (vezi tabelul 2) [32].
Tabel nr.2
Proprietățile generale ale matricelor termoplaste nearmate [32]
Scară: 1-foarte scăzut;2-scăzut;3-mediu;4-ridicat;5-foarte ridicat.
Armătura care însoțește termoplastele este mai ales cea din fire de sticlă, îmbunătățind rezistența la încovoiere și ameliorarea comportării la temperaturi ridicate, pe termen scurt și lung.
a.2). Rășinile termorigide, în general lichide la temperatura mediului ambiant, se solidifică la prelucrare sub influența căldurii sau a unui aditiv special. Ele sunt astfel transformate în urma unui proces chimic care constă în realizarea unei legături foarte puternice între moleculele situate după cele trei direcții. Această structură reticulară conferă o mare rigiditate materialului care devine din lichid solid. Procesul este ireversibil iar materialul devine insolubil în majoritatea solvenților obișnuiți: alcool, cetone, hidrocarburi etc. [32].
Rășinile termorigide cele mai folosite sunt cele poliesterice (UP), epoxidice (EP), fenolice (PF), poliimidice (PI), poliuretanice (PUR), siliconice (SI), polieterimidice (PEI).
Tabelul nr. 3
Proprietățile generale ale matricelor termoductile nearmate [32]
Scară: 1-foarte scăzut, 2-scăzut, 3-mediu, 4-ridicat, 5-foarte ridicat
Notă: Productivitate*: durata ciclului de fabricație
Polivalență*: aptitudine a unui compozit de a fi prelucrat prin metode diferite
Funcțiile îndeplinite de matrice [47]:
stabilirea formei definitive a materialului compozit;
împiedicarea flambajului firelor;
prevenirea efectelor coroziunii și reducerea efectelor abraziunii;
păstrarea firelor la o distanță necesară asigurării capacității portante a elementului;
asigurarea redistribuirii concentrărilor de tensiuni și deformații;
stabilirea continuității transversale dintre straturile compozitului;
masa de bază constituie mediul de transmitere a eforturilor în compozit; când o armătură se rupe, reîncărcarea se produce prin contactul de interfață cu armătura.
b).Matricele anorganice sunt constituite din ciment, în care se pot îngloba fibre polimerice compuse din copolimer propilenă/polietilenă, homopolimer polipropilenă sau aramid. Reprezentative în acest sens sunt mortarele specifice industriei construcțiilor civile, utilizate chiar la temperaturi ridicate ( până la 850 grade Celsius) [7]. Există cazuri de implementare a fibrelor de oțel în matrice de ciment [25].
c).Matricele metalice s-au folosit din necesitatea de a obține compozite care să poată fi utilizate la temperaturi relativ înalte [50] ( sub 600 grade Celsius [33], respectiv 800 grade Celsius[46]), comparativ cu cele de natură organică. Materialele prezintă și alte proprietăți care le recomandă în calitate de matrice: proprietăți mecanice bune, conductivitate termică și electrică mari, rezistență mare la prindere, stabilitate dimensională, capacitate bună de prelucrare, porozitate scăzută [19]. În schimb, densitatea este relativ mare (1740…7000 kg/ m3), iar fabricarea compozitelor este uneori mai dificilă [21].
d).Matricele din ceramică tehnică sunt tot mai frecvent utilizate pentru realizarea compozitelor, deoarece această categorie de matrice este caracterizată prin caracteristici intrinseci deosebite, datorate legăturilor inter-atomice. Aceste proprietăți sunt: rezistență mecanică mare la temperaturi înalte, rezistență foarte mare la rupere, uneori mai mare decât cea a oțelurilor, rezistență la oxidare și la agenți termici; modul de elasticitate mare, superior oțelurilor; duritate mare și stabilitate la creșterea temperaturii [2,21,24]. Astfel de matrice se recomandă a fi utilizate pentru temperaturi de lucru mai mari de 1000 grade Celsius [46] până la 1150 [22], respectiv 2500 grade Celsius [33].
În timpul obținerii materialului compozit se ține seama de efectul sinergic care apare la îmbinarea celor două faze ( matrice-armatura) datorită interacțiunilor chimice și fizice dintre ele [2].
De exemplu, din două materiale diferite se poate realiza un material nou, cu proprietăți mecanice mai bune decât ale celor două materiale componente în parte; dacă cele două materiale sunt ușoare, poate rezulta un material cu rezistență foarte bună la șoc, rezistență la tracțiune, cu modul mare de elasticitate. Acesta caracteristici sunt apropiate oțelului, însă un material compozit are o masă de 2-3 ori mai mică decât a acestuia [9,50].
I.3.B. Materialul de ranforsare (armătura)
Materialul de ranforsare, sub formă de particule (microparticule cu =100-2500A, sau macroparticule) sau fibre (discontinue sau continue, de tip organic sau anorganic) dispersate omogen în matrice, induce în principal rezistență mecanică, și uneori și termostabilitate, fiind constituit din unul sau mai mulți componenți insolubili în masa de bază, realizați din [4,14,17,18,19,32]:
-Sticlă: cea mai folosită este sticla E, în proporție de 99%, care prezintă proprietăți electrice însemnate; prin modificarea compoziției, se obține sticla C care are proprietăți termice importante, sticla R, cu performanțe mecanice deosebite sau sticla S, cu înalte proprietăți mecanice.
Inconvenientul sticlei este sensibilitatea la apă. Cea care se comportă bine este sticla neutră B, care este un borosilicat de aluminiu. Sticlele alcaline au rezistență mecanică mică și se filează greu [30].
Fibrele de striclă sunt formate de obicei din 204 de filamente de lungime infinită. Rezistența la tracțiune a fibrelor de sticlă este de 0,0035MPa, iar modulul de elasticitate de 73000 MPa. Din cauza manipulării, rezistența acesteia scade la jumătate [30].
Din fire de sticlă se execută și țesături roving ( mănunchiuri de 20,30 sau 60 fire paralele cu două fire în urzeală și unul în bătătură). Lungimea firelor are importanță mare, influențând rezistența materialului; pentru o lungime de 55mm, rezistența este maximă, iar pentru 10 mm, rezistența este minimă [30].
-Aramidă: este o armătură de natură organică realizată dintr-un material termoplast de tip poliamidă aromatică. Materialul de bază este turnat, filat, suferă o etirare mecanică și un tratament termic. În final, filamentele sunt grupate în meșe. Denumirea comercială a aramidei este: Kevlar [83].
Notă: ETIRÁRE, etirări, s.f. (Tehn.)= 1.Operație de tragere a metalelor în fire; trefilare. 2. Operație de întindere a fibrelor sintetice în scopul orientării macromoleculelor și al creșterii rezistenței lor.
-Carbon: fibrele sunt obținute prin descompunere termică neoxidantă a unui fir de materie organică, denumit precursor, care în general este de natură acrilică.
-Bor: este un filament gros format dintr-o inimă de tungsten (wolfram) sau de carbon învelit cu bor într-un strat de 40 microni. Învelitoarea din bor este protejată cu carbură de bor de 4 microni.
-Azbest;
-Carbură de siliciu;
-Materiale ceramice.
Materialele de armare sunt utilizate în general sub formă de fire sau fibre (sute sau mii de filamente cu diametre cuprinse între 5 și 15 microni) dar pot fi și sub formă de bile, lamele, solzi sau pudre.
Rolul acestor materiale este de întărire (ranforsare) sau armare. Acest material de rigidizare este materialul care preia sarcina exterioară, motiv pentru care trebuie să fie un material cu rezistență mecanică mare și modulul relativ de elasticitate ridicat, calculat ca raport între modulul de elasticitate și densitate [32].
Materialele de ranforsare sub formă de particule mari sau mici, de formă sferică, plată sau altă configurație, cu dimensiuni variind în limite largi (1-500), prezintă avantajul unui cost relativ scăzut comparativ cu fibrele, tehnologii simple de înglobare și dispersare în matrice, cât și posibilitatea obținerii unor materiale izotrope. Pot fi constituite din sticlă, carbon, rășini epoxidice sau fenolice reticulate, materiale ceramice (ceramici tehnice) sau metalice. Ultimele se utilizează în general în compozite cu matrice metalică, în timp ce primele sunt specifice celor cu matrice polimeră [42].
Materialele de ranforsare sub formă de particule asigură produsului realizat o masă volumică redusă, stabilitate dimensională remarcabilă și capacitate mare de amortizare a vibrațiilor. Deficiențele constă în micșorarea lungirii, a tenacității materialului, particularitate ce determină folosirea lor doar la producerea de compozite care nu sunt solicitate excesiv la șoc mecanic și termic.
Astfel, microparticulele sferice ameliorează rezistența la flexiune și compresie, rezistența la uzură, duritatea superficială și diminuează tenacitatea și densitatea materialului. Valori ridicate ale concentrației determină scăderea bruscă a rezistenței la șoc mecanic și termic [42].
Compozitele metalice cu particule se recomandă în special pentru aplicații în care se cer proprietăți tribologice deosebite.
Fibrele, sunt materiale de tip filamentar. Acestea reprezintă 20 – 80% din masa compozitului.
Au rolul de a prelua o mare parte din solicitările la care este supus materialul matricei. Pentru a îndeplini această funcție trebuie să prezinte o serie de caracteristici (vezi tabelul 1), precum: densitate mică, coeficient de dilatare termică redus, proprietăți mecanice bune (rigiditate, duritate mare, valoare ridicată a rezistenței specifice la rupere), rezistență termică, flexibilitate (proprietate importantă la realizarea împletiturilor), adaptabilitate la procedeele de prelucrare specifice compozitelor.
Din punct de vedere chimic materialul fibrilar trebuie să asigure aderența matricei la suprafața sa fără să apară procese importante de coroziune [32].
Tabelul 1
Caracteristici generale ale fibrelor [32]
În funcție de nivelul acestor caracteristici, materialele filamentare utilizate pentru ranforsare se împart în :
– fibre de uz general,
– fibre de înaltă performanță (cu valori ridicate ale indicilor mecanici și termici)
– fibre cu utilizare specială (cu aplicații specifice – izolatori electrici, elemente decorative etc.).
În funcție de natura matricei și de domeniul de utilizare, fibrele pot fi de natură organică, metalică, minerală, sau pot rezulta din asocierea acestor materiale. Fibrele de natură organică pot fi constituite din polimeri naturali (fibre celulozice) sau sintetici (poliamide, poliesteri, polimeri termostabili, polimeri cu proprietăți de cristal lichid) [32].
După structură pot fi monocristaline, policristaline sau amorfe. Particularitățile structurii cristaline (gradul de cristalinitate și dimensiunea cristalilor) și porozitatea influențează rigiditatea și densitatea materialului de ranforsare și implicit a compozitului.
Din punct de vedere al formei de prezentare, această categorie de materiale de ranforsare se caracterizează printr-o mare diversitate a materialelor filamentare incluse: filamente elementare continue cu diametrul de câțiva microni, fire de bază (ansamblu de filamente elementare), fire simple, fire răsucite, fire cablate, nețesute, țesături etc. În funcție de caracteristicile acestora s-au impus mai multe criterii de clasificare. Un criteriu important îl reprezintă raportul dintre lungime și diametru (l/d).
Se disting astfel două mari categorii [32]:
– fibre continue – cu valori l/d mari (>1000), constituite din bor, carbon, sticlă, materiale ceramice, oțel inoxidabil, rășini;
– fibre discontinue, care se împart în fibre discontinue lungi (l/d=300-1000, l=15-50 mm, d3 -10m), fibre discontinue scurte (l/d=100, l 300m, d3m) și fibre discontinue foarte scurte (whiskers), constituite din monocristale filiforme de natură ceramică, din bor, carbon, materiale polimere speciale etc.
Armătura pe bază de fire poate fi [32]:
a).unidirecțională (ansambluri liniare): fibre orientate după aceeași direcție în spațiu (vezi figura 1.7.a);
b).multidirecțională (cu direcții privilegiate): țesături bi- sau tridimensionale (vezi figura 1.7.b și 1.7.c)
a. b. c.
Fig.1.7. Armătură pe bază de fibre ( după direcția fibrelor)[42]
a).Armătura liniară cuprinde:
– fire de bază (ansamblu de filamente elementare);
– fire simple (ansamblu de fire de bază unitare continue);
– roving (stratifil) – ansamblu de filamente lungi, paralele, menținute împreună, netorsionate;
– fire răsucite (yarn -de filamente reunite prin răsucire, simplu sau buclat);
– fire cablate (ansamblu de fire răsucite și fire simple supuse unei noi operații de răsucire).
b).Armătura multidirecțională cuprinde:
-ansambluri de suprafață, de ex. materiale nețesute, constituite din filamente de fibre discontinue sau fire tăiate împâslite, dispuse aleator și aglomerate mecanic sau într-un liant polimeric;
-ansambluri multidirecționale orientate selectiv, care includ țesături bi- (tip pânză, tafta, satin, serge) sau tridirecționale ( împletituri de volum: panglici, trese), cu structură unitară sau hibridă.
Principalele criterii de selecție a materialului de ranforsare se referă la natura materialului de ranforsare, caracteristicile acestuia și concentrația în sistem [42].
Compozitele armate cu țesături-bi sau tridimensionale prezintă o serie de avantaje, dintre care [32]:
– îmbunătățirea proprietăților fizice și mecanice;
– reducerea zonei de degradare în caz de impact;
– limitarea propagării fisurilor.
Alura armăturii țesute
Armătura țesută este realizată din fire dirijate după două direcții: direcția urzelii și direcția bătăturii. Firele sunt legate prin țesere, deci prin trecerea firelor de urzeală deasupra sau dedesubtul firelor de bătătură, urmând pași prestabiliți. Astfel, în figura 1.8.b, firele de urzeală acoperă 4 fire de bătătură înainte de a trece pe sub al cincilea. Țesătura se numește “satin 5” [32].
Fig.1.8.Tipuri de armături țesute după direcția firelor [32]
I.3.C. Adaosurile tehnologice sunt necesare în compozite pentru realizarea:
condițiilor tehnologice;
protecției materialelor componente ale compozitului;
funcției de catalizator;
funcției de accelerator;
protecției împotriva razelor ultraviolete;
funcției de ignifugare.
1.4. Materiale compozite – clasificare
Robert Millard Jones clasifică materialele compozite astfel [15]:
– materiale compozite fibroase, obținute din materiale sub formă de fibre, introduse într-un material de bază numit matrice;
– materiale compozite laminate, rezultând din straturi suprapuse din diferite materiale;
– materiale compozite speciale, alcătuite din particule introduse în matrice.
N. Cristescu prezintă o altă clasificare a materialelor compozite [6]:
– materiale compozite armate cu fibre (fibroase) – fibre lungi plasate într-un aranjament prestabilit sau fibre scurte plasate aleatoriu;
– materiale compozite hibride, alcătuite din mai multe fibre;
– materiale compozite stratificate, realizate din mai multe straturi, lipite între ele;
– materiale compozite armate cu particule.
Materiale compozite fibroase [47]
Aceste materiale sunt obținute din fibre de diverse forme și dimensiuni înglobate într-o matrice, fiind utilizate într-o largă varietate [1], [10]:
a) fibre naturale (iută și sisal), utilizate cu ani în urmă și înlocuite în prezent cu fibre sintetice.
b) fibre sintetice organice termoplastice (polipropilenă, nylon, poliester) și termorigide (aramide) având densitate și rigiditate scăzute, dar rezistență ridicată.
c) fibre sintetice anorganice (sticlă, bor, carbon etc.), fibrele de sticlă fiind cele mai utilizate datorită prețului scăzut.
Fibrele sunt în general mult mai rezistente la întindere decât același material aflat în formă masivă, datorită structurii interne a fibrei cât și datorită purității materialului ei. Spre exemplu, sticla, care în forma sa obișnuită nu rezistă decât la tensiuni de ordinul a câtorva zeci de MPa, sub formă de fibre rezistă la tensiuni de ordinul a 104 MPa. Uneori, în locul fibrelor lungi, sunt utilizate fibre scurte "whiskers", în care raportul lungime/diametru este relativ mic, fibrele fiind fără defecte și deci foarte rezistente la întindere.
Curba caracteristică σ-ε la solicitarea de întindere pentru aceste fibre este liniară, excepție făcând poliesterul. Această dependență între tensiuni și deformații nu va mai exista în cazul unui material compozit armat cu astfel de fibre, datorită răspunsului neliniar al materialului din care este alcătuită matricea.
Matricea reprezintă al doilea element de bază al materialelor compozite. Aceasta unește fibrele într-un corp continuu, include fibrele, le protejează, transferă tensiunea, redistribuie eforturile când unele fibre se rup. Matricea are în general densitate mai mică și rezistență mult mai mică decât fibrele.
Matricele organice au densități și rezistențe relativ scăzute iar relația dintre tensiuni și deformații este neliniară. Sunt cele mai utilizate matrice, întrucât au avantajul că pot fi fabricate mai ușor și pot încorpora un număr mai mare de fibre decât cele metalice sau ceramice.
Materiale compozite stratificate (tip „sandwich”) [47]
Materialele compozite stratificate (laminate) sunt constituite din straturi din cel puțin două materiale lipite împreună printr-un adeziv. Din această categorie fac parte [1], [6]:
a) Materialele stratificate, obținute din materiale care pot fi saturate cu diverse substanțe plastice și apoi tratate în mod corespunzător.
b) Materialele compozite fibroase și stratificate, cunoscute și sub denumirea de materiale compozite stratificate și armate cu fibre (stratificate), realizate dintr-o succesiune de straturi (lamine) suprapuse astfel încât fibrele unui strat să fie paralele și fiecare strat să fie orientat în mod corespunzător, pentru a obține o cât mai bună rezistență și rigiditate.
c) Bimetalele, obținute din două metale diferite, cu coeficienți de dilatare termică semnificativ diferiți. La schimbarea temperaturii bimetalul se deformează și poate fi folosit ca mijloc de măsurare a temperaturii.
d) Metalele de protecție, rezultate în urma acoperirii unui metal cu un alt metal, obținându-se astfel un material compozit cu anumite proprietăți îmbunătățite față de materialul de bază.
e) Sticla laminată (securitul), material compozit care se obține prin lipirea unui strat de polivinil între două straturi de sticlă.
O structură de tip sandwich constă din trei elemente principale (vezi figura 1.9):
-o pereche de fețe subțiri, rezistente, metalice sau din compozite plomerice, cu rolul de a prelua eforturile axiale și cele de forfecare.
-un miez gros, cu greutate redusă, care separă cele două fețe și asigură transmiterea eforturilor de la o față la alta. Uzual, acest miez poate fi de tip fagure ( de aluminiu, hârtie, materiale plastice), de tip spumă (ploiuretanică, polistirenică) sau profile (metalice, plastice).
-un material cu proprietăți adezive care transmite eforturi axiale sau de forfecare la sau de la miezul structurii. În cazul fețelor din materiale compozite polimerice, matricea polimerică poate avea și rolul de adeziv.
Fig.1.9.Stuctură de tip sandwich [46]
Pot exista compozite structurale de tip "sandwich" cu miez simplu, cu miez dublu (multiplu) sau cu miez dublu (multiplu) hibrid, format din mai multe structuri fagure, spumă rigidă și profilesuprapuse și separate de straturi interioare (vezi figura 1.10).
Fig.1.10.Compozite tip "sandwich" cu miez simplu (1), cu miez dublu (2), cu miez triplu hibrid (3) (a-structuri fagure, b-spumă rigidă, c-profile)[46]
Structurile tip "sandwich" cu fețe din materiale compozite polimerice și miez de fagure de aluminiu (sau hârtie) sunt cele mai performante materiale sandwich existente în ceea ce privește proprietãțile mecanice specifice, gradul de izolare termică, fonică și durata de viață (80-110 ani). De asemenea, ele pot fi ignifugate, nu mai trebuie vopsite, au rezistență deosebită la radiațiile ultraviolete, variații de temperatură, nu sunt higroscopice, nu putrezesc, nu se oxidează. Toate aceste proprietăți remarcabile recomandã utilizarea lor în diverse domenii cum ar fi: aviația (aprox. 80% din aeronavă: aripi, derivă, direcție, stabilizatoare, zone fuselaj, dușumele, uși acces), construcția de mașini (carosare remorci, rulote, izoterme auto, rame de metrou, vagoane CFR), construcții navale, articole de sport, construcții etc.
Panourile cu fețe din tablă metalică (sau compozite polimerice) și miez din spumă poliuretanică sau polistiren expandat se utilizează în principal în construcții industriale și civile, acestea prezentând o bună izolare termică și fonică. Panourile cu miezul din spumă poliuretanică au un mare dezavantaj: eliminarea din porii spumei a unor gaze reziduale toxice (cianați), efect mai pronunțat în primii 2 ani de la fabricare. Acest aspect duce și la micșorarea în timp a gradului de izolare termică și la o instabilitate dimensională. De asemenea, un alt dezavantaj este dat de folosirea în procesul de expandare a freonului sau a altor produși similari care distrug stratul de ozon. Structurile sandwich pot avea aplicații în domenii obișnuite precum industria ambalajelor (cartonul ondulat), dar și în domenii de vârf reprezentate prin industriile aeronautică și aerospațială unde se folosesc piese de tipul susținătorului rotativ al elicopterului (vezi figura 1.11), realizat dintr-un ansamblu complex de materiale compozite [47].
Fig.1.11. Structura complexă a susținătorului rotativ al elicopterului [47]
Materiale compozite armate cu particule [47]
Această categorie de materiale compozite constă din înglobarea într-o matrice a unuia sau maimultor materiale. Particulele și matricea pot fi metalice sau nemetalice în următoarele variante :
a) Particule nemetalice în matrice nemetalică. Un exemplu din această categorie de materiale îl constituie cel rezultat din particule de nisip și rocă într-un amestec de ciment și apă, care reacționează chimic și se întărește. Alt exemplu îl constituie și particulele de mică sau de sticlă, înglobate într-o matrice de material plastic.
b) Particule metalice în matrice nemetalică. Un astfel de material compozit îl reprezintă carburantul pentru rachete, alcătuit din pudrăde aluminiu și anumiți oxizi încorporați într-o legătură organică flexibilă (poliuretan sau cauciuc polisulfid).
c) Particule metalice în matrice metalică. În această categorie putem include materialul compozit rezultat din înglobarea unor particule de plumb într-o matrice realizată dintr-un aliaj de cupru sau oțel. Pentru realizarea unor materiale ductile și rezistente la temperaturi ridicate se recomandă armarea unei matrice metalicecu particule de tungsten, crom sau molibden.
d) Particule nemetalice în matrice metalică.
Particulele nemetalice (particule ceramice) înglobate într-o matrice metalică dau naștere unui material compozit numit cermet.
Atunci când în matrice se introduc particule de oxizi se obțin cermeți pe bază de oxizi, ce au rezistență mare la uzură și temperaturi înalte.
În urma înglobării în matrice metalice a unor particule de carburi de tungstem, crom sautitan se obțin cermeți pe bază de carburi. Când matricea este din cobalt se obține un material caracterizat printr-o duritate ridicată și prin rezistență mare la uzură și coroziune.
Alte criterii de clasificare a materialelor compozite sunt:
După starea de agregare a matricei și a materialului dispersat [28,35,50]:
-compozite de tip lichid-solid (suspensii, barbotine);
-compozite de tip lichid-lichid (emulsii);
-compozite de tip gaz-solid (structuri „fagure”, aerodispersii);
-compozite solid-solid (metal-carbon, metal-fibre etc.).
b) După configurația geometrică a materialului complementar[16,35,38,41,47]:
-compozite cu fibre discontinue (fibre scurte, mono sau multifuncționale)
-compozite cu fibre continue
-compozite cu particule mari (grafit, oxizi, carbon, aliaje)
-compozite cu microparticule (la care materialul dispersat în marice reprezintă 1-15%, iar diametrul mediu al particulei nu depășește de regulă 0,1 mm)
-compozite cu lamelare stratificate/ sandwich.
c) După modul de distribuire a materialuui complemenatar [9,28,35]:
-compozite izotrope, care conțin elemente disperse, de tip particule, granule metalice sau fibre scurte, uniform repartizate;
-compozite anizotrope ( cu proprietăți variabile cu direcția, la care materialul complemetar este sub formă de fibre continue, împletituri orientate unidirectional în plan sau în spațiu sau fibre scurte repartizate liniar);
-compozite stratificate, în cazul cărora elementele componente sunt bidimensionale;
-compozite cu o distribuție dirijată a materialului dispersat, obținute prin solidificarea unidirecțională sau deformare plastică la rece.
d) După modelul de realizare a suprafeței de contact [9,28,35]:
-compozite integrate chimic, la care interacțiunile din suprafață de contact sunt de natură chimică;
-compozite obținute prin agregare, la care predomină forțele de adeziune și coeziune între componenți;
-compozite cu armătură dispersă, care constau dintr-o matrice rigidă (ceramică) sau deformabilă (metale, aliaje polimeri), în care se înglobează materialul complementar, constituit din fibre sau particule, forțele de legătură fiind de natură fizică și/sau chimică.
e) După mărimea materialului complementar [28,35]:
-microcompozite, la care materialul dispers este la scară microscopică sub formă de fibre continue (aliniate sau împletite), fibre scurte (aliniate sau nealiniate, sferice, plate, elipsoidale, microparticule, structuri lamelare, rețele spațiale etc.);
-macrocompozite, categorie în care se încadrează compozitele stratificate macroscopic.
f) După numărul materialelor de armare [26,28]:
-compozite monotip, numite și materiale compozite cu armatură simplă; sunt cele mai frecvente materiale compozite și se caracterizează prin faptul că au armătura dintr-un singur material, sub o singură formă (particule, fibre etc.);
-compozite hibrid, care au armătura fie dintr-un singur material, dar sub mai multe forme, fie din două sau mai multe materiale, cu una sau mai multe forme.
CAPITOLUL 2
Domenii de utilizare a compozitelor
În condițiile dezvoltării tehnologice actuale, criza de materii prime și energie la nivel mondial, precum și diminuarea factorilor ce amenință mediul înconjurător, au condus la crearea unor tehnologii neconvenționale și a unor materiale noi.
Industria aeronautică în general, precum și majoritatea mijloacelor de transport exercită un impact negativ asupra naturii, generând poluare fonică și emisii de gaze, efectele acestuia trebuind minimizate.
Domenii de vârf, cum ar fi: domeniul nuclear, militar, aerospațial, precum și domeniul medical, au încurajat activitatea de cercetare, proiectare și producție, la un nivel din ce în ce mai înalt, datorită competitivității extrem de crescute dintre aceste domenii.
Diversitatea proceselor de fabricație, reducerea poluării, precum și aplicațiile cu totul inedite, constituie factori ce fac din materialele compozite un domeniu de vârf al știintei și tehnicii actuale; acestea fiind folosite în toate ramurile industriei.
2.1. Industria aeronautică
Utilizarea materialelor compozite în industria aeronautică a apărut din necesitatea folosirii unor materiale ușoare, dar rezistente, care să facă față diferitelor solicitări apărute în timpul zborului. Aplicarea acestora a apărut prima oară în 1938, când avionul Morane 406 (Franța) utiliza panourile sandwich cu miez de lemn acoperit cu plăci de aliaj ușor. Mai târziu, în 1943 s-au folosit la Spitfire (Marea Britanie), compozite cu matrice fenolică ranforsate cu fibre de cânepă pentru lonjeron și alte piese componente ale fuselajului [20].
Compozitul sticlă-rășină se folosește și el începând din anul 1950, acesta permițând realizarea unor carenaje complexe. Alte piese cu structura de carbon-epoxy au fost folosite începând din 1970 [20].
În zilele noastre, industria aeronautică a Statelor Unite ale Americii, folosește cu preponderență ca materiale de bază, compozite armate cu fibre de carbon. Acestea sunt prezentate sub forma unor benzi impregnate, ce poartă denumirea de „pregpreg”, fiind folosite în special de firmele Boeing, McDonnell Douglas, General Dynamics și Northrop (vezi figura 2.1).
Fig.2.1. Avionul F-18[20]
Materialele compozite armate cu fibre de carbon reprezintă 10,3% din greutatea avionului F-18 și mai mult de 50% din suprafața sa. Sunt folosite aceste materiale de generație nouă pentru învelișul aripilor, pentru suprafețele de comandă de pe aripă și ampenaje, pentru frâna aerodinamică, cât și pentru prelungirea bordului de atac. Învelișurile aripilor acestui avion sunt realizate din plăci stratificate a căror grosime variază de la bază spre vârf având grosimea minimă de 2 mm.
Majoritatea aplicațiilor care folosesc materiale compozite sunt destinate programelor militare, acestea reprezentând un procent mai mare de 40% din industria totală a aviației [40].
În anul 1985, concernul McDonnell Douglas a utilizat pentru avionele de luptă F-18 și AV-8B, 181500 kg de materiale compozite. Din greutatea structurii totale a avionului AV-8B, materialele compozite reprezintă aproximativ 26%. Folosirea acestor materiale la proiectarea avionului AV-8B a redus greutatea acestuia cu circa 225 kg. Alte componente ce sunt realizate din materiale compozite sunt: chesonul aripii, fuselajul din față, stabilizatorul orizontal, profundorul, flettnerul, carenajul și alte suprafețe de control. Învelișurile aripilor sunt alcătuite din mai multe plăci stratificate puse cap la cap și îmbinate într-o structură tip multilonjeron [40]. Un alt model de avion proiectat în mare parte din materiale compozite este și bombardierul B-18. În figura 2.2 sunt prezentate câteva componente realizate din aceste materiale de generație nouă, cum ar fi: lonjeroanele din spate, ușa gondolei armamentului și flapsurile.
Fig.2.2. Avionul B-18[67]
Toate aceste materiale folosite, inclusiv adezivii, sunt tratate la o temperatură de 175C. Aceste componente includ stratificatele, structuri în fagure precum și structuri sandwich (plăci compozite cu miez de aluminiu). Ușile gondolelor armamentului sunt realizate din materiale sandwich la care miezul este alcătuit din structură de tip fagure de aluminiu iar învelișul din foi de carbon-epoxy. Datorită faptului că ușile sunt așezate într-o poziție vulnerabilă, putând fi supuse la deteriorări, acestea sunt prevăzute cu straturi exterioare alcătuite din rășini fenolice armate cu fibre aramide, realizându-se astfel o rezistență la penetrare foarte ridicată. Pentru fiecare avion se folosesc 3040 kg. materiale compozite, rezultând o scădere a greutății de circa 1360 kg.
Firma Gruman Aerospace a realizat, plecând de la un compozit armat cu fibre de bor, stabilizatoare orizontale pentru avionul de luptă F-14A.
Firma General Dynamics utilizează un compozit armat cu fibre de carbon pentru stabilizatorul orizontal și vertical.
Aripile avionului de atac A-6 sunt realizate în prezent din materiale compozite foarte ușoare, cu proprietăți mecanice îmbunătățite și cu o mai bună rezistență la coroziune.
Un alt model de avion, realizat și el din materiale compozite, este avionul Boeing 777, destinat transportului de pasageri ( vezi figura 2.3).
Fig.2.3. Componente ale avionului Boeing 777[66]
Tot aici se încadrează și avionul Boeing 787 (vezi figura 2.4). Conform companiei producătoare, aproximativ 50% din structura primară de rezistență a aeronavei este construită din materiale compozite ușoare, în loc de aluminiu, de unde și eficiența cu până la 20% mai mare comparativ cu alte avioane de aceeași dimensiune [81].
Fig.2.4. Componentele avionului Boeing 787 [70]
Prin calitațile lor, compozitele conduc la simplificarea structurilor aeronautice, cu consecințe favorabile asupra economicității și fiabilității aeronavelor în producție și în exploatare. Astfel, dacă piesele mecanismului de direcție al avionului comercial Airbus 340 ar fi executate din materiale tradiționale (metale), ar fi necesare 7015 piese fundamentale și 600 piese secundare. În timp ce, executate din materiale composite, cifrele se reduc la 4800, respectiv 425. Similar, pentru cabina pilotului confecționată din structura tip fagure din foi de rașina epoxidică întarita cu fibre de carbon, numarul componentelor s-ar reduce de la 2076 la 96. Aceste avantaje conduc la situația ca în viitor foarte puțini polimeri sa mai fie utilizați ca atare, marea majoritate fiind înglobați în materiale compozite. La avionul european Airbus 340 ( vezi figura 2.5) este încorporata o mare cantitate de compozite (cca. 40% din greutate) sub forma de compozite cu radom în aramida (rașină) sau de compozit hibrid (frâne aerodinamice, aripioare, trapele trenului de aterizare, ampenajul orizontal și profundorul, deriva si direcția), acesta din urma placat cu câteva straturi de aramidă pentru a mări rezistența la șocuri. Multe componente de interior sunt confecționate din materiale compozite cu fibre de siliciu.
Fig.2.5. Avionul Airbus 340 [70]
Elicopterele constituie o categorie mai puțin dezvoltată decât avioanele, dar ținând cont de specificul acestor aparate, cadența de implementare a materialelor compozite este mai ridicată și ocupă procentaje mai importante decât în cazul avioanelor.
În figura 2.6 sunt prezentate câteva dintre componentele elicopterului Aerospatiale, realizate din materiale compozite.
Fig.2.6. Componente ale elicopterului Aerospatiale [40,83]
Elicopterul V-22 are și el fuselajul realizat din compozite, aceste materiale contribuind la o reducere a greutății cu aproximativ 50%.
Tendințele actuale indică foarte clar că, materialele compozite vor fi utilizate din ce în ce mai mult, atât în industria comercială cât și în tehnica militară.
2.2. Industria aerospațială
În industria construcțiilor aerospațiale, de exemplu, 70% din sectorul termic al navetei spațiale Columbia a fost realizat cu plăcuțe de rășini epoxidice armate cu fibră de sticlă, iar la naveta Discovery (vezi figura 2.7) 87% din masa totală a fost realizată din materiale compozite [31].
Fig.2.7. Naveta spațială Discovery [71]
Greutatea scăzută, rigiditatea ridicată, coeficientul de dilatare termică scăzut și stabilitatea dimensională în timpul duratei de viață, reprezintă câteva din cerințele uzuale pe care trebuie să le îndeplinească aplicațiile militare. Se cunosc trei mari categorii de asemenea aplicații [3,11]:
– sisteme de proiectile-rachetă tactice;
– sisteme de proiectile-rachetă strategice;
– sisteme de proiectile-rachetă defensive.
Componentele structurale ale primei categorii sunt de obicei ușoare si mici iar în timpul funcționării trebuie să reziste la accelerații foarte mari și la vibrații în condiții de lucru foarte severe (umiditate ridicată, nisip, sare și substanțe chimice). Carcasele motoarelor acestor rachete trebuie să funcționeze la presiuni ridicate și să aibă o rigiditate axială mare. De aceea, majoritatea componentelor rachetelor tactice sunt realizate din metal, materialele compozite fiind doar înlocuitori ai metalelor [40].
Rachetele strategice au în general componentele de dimensiuni foarte mari, nu lucrează la temperaturi ridicate iar carcasa motorului funcționează la presiuni scăzute. Datorită gabaritului lor aceste componente sunt realizate în mod obișnuit din filamente de carbon înfășurate, cu scopul reducerii greutății [40].
Componentele rachetelor defensive trebuie să fie ușoare și rezistente la variații mari de temperatură. În plus, acestea sunt supuse unor accelerații foarte mari la lansare, precum și unor solicitări de șoc, vibrații etc. Una dintre cele mai severe cerințe ale acestor rachete este aceea de a rezista la radiațiile nucleare și de a corespunde din punct de vedere structural și aerodinamic atunci când sunt supuse presiunilor ridicate datorate exploziilor nucleare. Datorită acestor cerințe cea mai mare parte a componentelor rachetelor defensive sunt realizate din materiale compozite [40].
Protecția termică joacă un rol foarte important, cu precădere la intrarea în atmosferă a navelor spațiale. La naveta aerospațială NASA (USA) se utilizează garnituri din compozit carbon–carbon, siliciu–siliciu și piese structurale din bor-aluminiu (vezi figura 2.8). Temperatura de utilizare este de 300 C, dar poate ajunge și la 600 C [40].
Fig.2.8.Componente ale navetei aerospațiale NASA realizate din materiale compozite[40]
Partea centrală este protejată de plăcuțe din compozite ceramice siliciu – siliciu, care constituie un scut termic radiant. Ele sunt separate printr-un perete dintr-un aliaj ușor sau un stratificat bor – aluminiu dar și printr-un sandwich din fetru și naylon neinflamabil (silicon–fagure de albină) [40].
În ceea ce privește fibrele, o largă utilizare în această industrie o au fibrele de sticlă (sticla E și S), fibrele aramide și cele de carbon – grafit.
Sticla E este folosită la izolații iar sticla S la confecționarea carcaselor motoarelor rachetelor.
Fibrele aramide introduse în aplicații pentru prima dată la începutul anilor '70, sunt utilizate la fabricarea carcaselor motoarelor rachetelor strategice și tactice ca și pentru rezervoarele sub presiune ale navetelor spațiale și ale sateliților [40].
Fibrele de carbon, introduse în aplicații curente tot prin anii '70, sunt utilizate pe scară largă în structurile ce necesită o bună stabilitate structurală și rigiditate foarte mare. Aceste fibre sunt folosite sub formă de filamente înfășurate la realizarea structurii de rezistență și a carcasei rachetelor strategice [40].
Rășinile cele mai utilizate în aplicațiile aerospațiale sunt cele epoxidice. Acestea au o bună comportare atât la temperaturi ridicate (120-180C). cât și la temperaturi scăzute (-90C). Rășinile epoxidice răspund bine și altor cerințe cum ar fi: tenacitate și rezistență mare la rupere, propagare foarte lentă a fisurilor.
Alte tipuri de rășini utilizate mai recent în acest domeniu îl reprezintă rășinile poliimidice și termoplastice. Rășinile poliimidice au performanțe foarte bune la temperaturi cuprinse între 200 și 300C și se utilizează cu precădere la realizarea rachetelor tactice, dar au dezavantajul unei tehnologii dificile de prelucrare și un preț de cost mult mai mare decât cel al rășinilor epoxidice [40].
Antena satelitului Intersat IV este realizata integral din rasini epoxidice armate cu fibre de carbon. Extinderea cercetarilor stiintifice si tehnologice în domeniul fibrelor sintetice de ranforsare, metalice sau ceramice si a rasinilor sintetice rezerva o mare perspectiva utilizarii materialelor compozite de aceasta natura. Fibrele carbon sunt larg utilizate în tehnologiile spatiale (rezistenta la rupere a unei bare cu sectiunea de 1 cm2, din fire carbon, este de circa 14,5 ori mai mare decât a otelului). Rezistenta la temperaturi înalte, de 3.000°C, a determinat utilizarea acestora ca materiale pentru realizarea motoarelor de turboreactoare si rachete. Fibrele de bor si de bor-aluminiu, ca fibra matrice, au proprietati chimice si mecanice superioare fata de celelalte fibre de ranforsare, dar, fiind mai scumpe, sunt utilizate doar în industria aerospatiala si aeronautica. Conditiile principale impuse materialelor plastice utilizate in acest domeniu sunt: sa reziste la temperaturi ridicate si scazute, sa nu arda, iar daca ard sa nu produca fum. Astfel hublourile avioanelor se confectioneaza din policarbonat rezistent la foc si care are si o exceptionala rezistenta la soc. Pentru cabinele de pasageri se fosesc laminate din rasina epoxidica sau fenolica ranforsate cu fibre de sticla si acoperite cu un strat metalic subțire pentru o cat mai buna rezistenta la foc. La constructia navelor spatiale se utilizeaza placi cu structura sandwich de grafit-rasina epoxidica-bor-aluminiu care rezista la temperaturi ridicate [31].
2.3. Industria automobilelor
Făcând o analiză a duratei de viață a noilor modele de automobile, observăm că perioada de timp de la lansarea unui automobil până la apariția unui model nou este din ce în ce mai redusă. Dacă acum câteva decenii, apărea un nou model de automobil, al unei companii, la aproximativ 4-5 ani, în ultimul timp această perioadă s-a micșorat. Astfel aproape toate companiile producătoare de automobile au început să scoată pe piață câte un nou model, îmbunătățit, la intervale foarte scurte de timp. Această micșorare a perioadei de viață a noilor modele se datorează vitezei cu care tehnologia avansează, cerințelor de confort și siguranță impuse și concurenței de pe această piață. În afară de îmbunătățirile aduse, noile modele trebuie să se diferențieze de cele precedente atât prin designul exterior cât și interior. Astfel, pentru asigurarea unui număr mare de componente interioare, diferite ca formă și structură de la un model la altul, este nevoie de un volum mare de materii prime și de tehnologii de fabricare flexibile [29].
Cerințele actuale și de viitor în domeniul autovehiculelor vizează reducerea emisiilor nocive, reciclarea materialelor componente, creșterea eficienței motorului etc. Aceste cerințe impun schimbări tehnologice importante, precum și apariția unei noi clase de autovehicule ecologice, eficiente din punct de vedere al vânzării și economice în utilizare [40].
Pe fondul necesitații unei resurse sustenabile de materii prime, precum și a problemelor de mediu cauzate de materialele plastice și cele metalice, greu degradabile, producătorii de automobile sunt mereu în căutarea unor noi materiale, în special cele compozite, cu impact redus asupra mediului, care să utilizeze deșeurile rezultate în urma altor procese de fabricație. Aceste materiale de generație nouă, după încheierea ciclului de viață, trebuie să fie ușor reciclabile și biodegradabile, să asigure aceleași performanțe și să fie produse întru-un mod cât mai posibil ecologic.
În căutarea de soluții la aceste probleme, știința și industria la rândul ei, au luat în considerare fibrele naturale [29]. Astfel, materialele compozite se folosesc in primul rand datorită greutății lor reduse, rezistenței la oxidare și coroziune, în procente ce reprezintă creșteri anuale 5 – 10%, în locul metalelor. S-a calculat că reducerea greutății unui autoturism cu 100 kg echivalează cu economisirea unui litru de benzină la fiecare 100 km [48].
Printre primele aplicații ale materialelor compozite în industria constructoare de autovehicule sunt cele în domeniul caroseriilor auto [53].
În 1953 caroseria autoturismului Chevrolet Corvette ( vezi figura 2.9), este integral din compozit sticlă-epoxid [53].
Fig.2.9.Autoturismului Chevrolet Corvette (caroserie alcatuită din materiale compozite)[68]
În 1968 jantele roților autoturismului Citroen SM, erau din compozite sticlă-epoxid; În 1970 – bara de protecție de la R5 Renault era din sticlă-epoxid [53].
În 1980 – John Barnard, inginer de la echipa de Formula 1 McLaren, a construit primul șasiu din carbon-kevlar și alte materiale compozite [53].
În 1991 Daimler-Benz a propus ideea de a înlocui fibrele de sticlă cu fibre lignocelulozice în industria componentelor auto [29].
În 1995, automobilele Ford Explorer și Ford Ranger aveau carburatorul din material compozit termoplastic [45].
Mercedes a folosit, de asemenea, panouri pentru portiere bazate pe iută la modelele sale E-Class, în 1996 [29].
În septembrie 2000, Daimler Chrysler a început să folosească fibre lignocelulozice pentru producerea componentelor auto. În principal sunt utilizate fibrele liberiene deoarece acestea prezintă rezistența cea mai mare [29].
În 2002 McLaren Mercedes construiește prima caroserie integral din fibră de carbon pentru autoturismul de serie SLR Mclaren Mercedes [53].
În România, ARO Câmpulung – Muscel folosește în construcția caroseriei autovehiculelor de teren, compozitele polimerice [40].
Cele mai multe utilizări ale materialelor compozite polimerice, 56%, îl constituie
construcția elementelor de caroserie ale autovehiculelor: aripi, uși, pavilioane, capote etc.
Elemente din structura șasiului, din sistemul de suspensie, repere ale motorului și ale transmisiei sunt realizate din materiale compozite [85].
În figura 2.10 sunt prezentate o serie de repere ce se realizează din materiale compozite.
Fig.2.10. Repere realizate din materiale compozite[85]
O structură modernă a caroseriei unui autovehicul este constituită dintr-un șasiu de rezistență din aliaje de aluminiu sau din oțel înalt aliat, la care se adaugă panourile de caroserie (interioare și exterioare) realizate din compozite polimerice. Există și varianta folosirii unor panouri exterioare din oțel inoxidabil sau din aliaje de aluminiu, dar care din cauza prețului de cost ridicat se utilizează doar în cazuri speciale [40].
Compozitele polimerice care se utilizează în acest caz au drept elemente de ranforsare structuri din fibră de sticlă, sau mai rar, fibre de carbon și aramide, lungi și scurte.
Ca matrice a compozitului se utilizează materialele termoplastice, care sunt reciclabile și mai rar materialele termorigide [40].
În structura autovehiculelor, pot fi utlizate cu succes și compozite lignocelulozice, pentru realizarea componentelor interioare, din habitaclu, evitându-se astfel eventualele neajunsuri date de caracterul hidrofil al fibrelor lignocelulozice. Componentele principale, ce pot fi realizate din aceste materiale lignocelulozice, după cum se observă și în figura 2.11, sunt următoarele: panourile de portiere, planșa de bord, garniturile celor 6 stâlpi, consola centrală, tableta spate, diferite elemente ale scaunelor etc.
Fig.2.11.Principalele componente interioare ce pot fi realizate din compozite lignocelulozice[29]
Marile societăți constructoare de autovehicule precum FORD, ROVER, RENAULT, CHRYSLER, FIAT, GENERAL MOTORS, MERCEDES etc., folosesc în mod uzual, cu foarte bune rezultate, materialele compozite polimerice în construcția autovehiculelor.
Materialele compozite au fost introduse progresiv în construcția autovehiculelor, volumul actual de utilizare fiind deosebit de mare. Ca exemplu, în figura 2.12, se prezintă aria de utilizare a compozitelor în cazul unui autovehicul construit de firma FORD [40].
Fig.2.12. Componente ale unui autovehicul FORD realizate din materiale compozite [40]
Deși există și factori care pot opri folosirea pe scară largă a materialelor compozite (costuri ridicate, programe de cercetare complicate, lipsa standardelor de testare etc.) totuși, având în vedere avantajele create de utilizarea acestor materiale, se va constata, la nivel mondial, o sporire considerabilă a aplicațiilor realizate din materiale compozite [40].
2.4. Transportul naval
În domeniul transportului naval, ca materiale compozite se folosesc cu precădere rașini
poliesterice, armate cu fibre de sticlă, cu fibre de carbon și fibre de aramide, în special pentru
ambarcațiuni sportive și nave ușoare (vezi figura 2.13), având avantajele ca au greutăți reduse și rigidități mărite, ceea ce a permis creșterea vitezei și reducerea consumului de combustibil al navelor. Materialele compozite ușoare se folosesc, cu precădere, la construcția yacht-urilor și a vaselor de croazieră și agrement, datorită rezistenței deosebite și a celorlate proprietăți excepționale pe care le posedă. Yacht-urile sunt realizate în proporție de 65 % din materiale compozite [56].
Fig.2.13. Componente realizate din compozite la ambarcațiuni ușoare [72]
2.5. Industria chimică
În industia chimică, materialele compozite se folosesc la fabricarea recipientelor sub presiune, a containerelor, a unor elemente pentru placări anticorozive, a exhaustoarelor, a bazinelor, a hotelor, pentru coșuri de fum, pentru turnuri de răcire, pentru aparate care lucrează în medii corozive, pentru conducte etc. [53].
Fig.2.14. Pahar Erlenmeyer și eprubetă, realizate din compozit [73,74]
2.6. Agricultură
În industria agricolă, materialele compozite sunt folosite pentru panouri transparente și termoizolante pentru sere (vezi figura 2.15), silozuri, ambalaje, piese pentru mașini agricole (tablouri de bord, caroserii, blindaje, vane), sisteme de irigație (vezi figura 2.16), rezervoare pentru furaje [53].
Fig.2.15. Panouri pentru sere relizate din materiale compozite [62]
Fig.2.16. Sisteme de irigație realizate din compozite [76]
2.7. Industria alimentară
În industria alimentară, materialele compozite se folosesc pentru camere și vitrine frigorifice (vezi figura 2.17), recipiente de dimensiuni mari, elemente de etanșare rezistente la atacul microorganismelor, rozătoarelor sau insectelor, coșuri, cutii, structuri interioare igienice [53].
Fig.2.17. Vitrină frigorifică realizată din compozite [80]
2.8. Sport
Ambarcațiuni, undițe, mulinete (vezi figura 2.18), schiuri, căști de protecție, pereți, balustrade și filtre pentru piscine (vezi figura 2.19), apărătoare, sănii.
Fig.2.18. Mulienete realizate din compozit [77,79]
Fig.2.19. Filtru pentru piscine realizat din materiale compozite (componente) [78]
2.9. Construcția de aparate optice
Carcase, suporturi pentru prisme, piese pentru aparate foto, proiectoare, epidiascoape, binocluri, butoane, mânere.
2.10. Transporturi și telecomunicații
În domeniul telecomunicațiilor, materialele compozite se folosesc la izolații de cabluri telefonice din polietilena de înalta si joasa presiune, sau la transmisiile prin sateliți, unde pentru structurile de rezistența si pentru discurile antenelor sunt utilizate compozite armate cu fibre de sticla, la antene parabolice (metalizate) si la carcase pentru telefoane
În domeniul transporturilor, materialele compozite se folosesc pentru realizarea cisternelor, pieselor pentru vagoanele de marfă, componentele vagoanelor de călători (rame, pereți, balustrade), elemente de finisare și mobilier pentru trenurile de metrou, piese de izolare termică și electrică, structuri interioare ale navelor pentru transportul pe apă, elemente de placare a pieselor metalice [56].
2.11. Electronică și elecrotehnică
În domeniul electronicii și electrotehnicii sunt solicitate material compozite în cantități tot mai mari de la an la an, cu precădere compozite conținând materiale plastic special, rășini poliamidice, policarbonați, siliconi, polibutilen tereftalat etc.În acest moment, acest domeniu absoarbe un sfert din consumul total de material composite cu destinație industrial, atât pentru component electronice active (capsule pentru circuite integrate) cât și pentru componente passive (support pentru imprimante, conductoare, conectoare etc.) [44].
Materialele compozite mai sunt folosite și pentru suporturi pentru circuite imprimate, întrerupătoare, angrenaje, carcase, izolatoare de înaltă tensiune, comutatoare, platforme, cabine, corpuri de iluminat, cutii pentru aparate de măsură și control, protecții pentru antene.
2.12. Industria mobilei
Materialele compozite sunt folosite în industria mobilei la confecționarea dulapurilor, fotoliilor, scaunelor, paturilor, bibliotecilor, vitrinelor, birourilor și a ornamentelor.
2.13. Construcții
În construcții, sunt folosite compozite polimerice armate cu fibre pentru consolidări cu țesături uni- sau multi-direcționale, pre-impregnate sau impregnate în timpul aplicării, consolidări cu lamele ( cu posibilitate de precomprimare), consolidări cu armături compozite (vezi figura 2.20), armarea și precomprimarea elementelor de beton cu armături compozite, panouri sandwich, profile compozite etc.
Fig.2.20. Consolidări cu armături compozite [69]
2.14. Industria medicală
Materialele compozite sunt din ce în ce mai utilizate în aplicații. Domeniile de utilizare a materialelor compozite s-au înmulțit o data cu îmbunătățirea proprietăților materialelor, cum ar fiabilitatea și adaptarea la mediu, rezistența la uzură, rezistența la umezeală etc. În zilele noastre, materialele compozite se pot folosi și ca biomateriale, datorită fibrelor biocompatibile pe care acestea le conțin. A fost dezvoltat un numar mare de implanturi și dispozitive pentru domeniul ortopedic, iar în cazul stomatologiei s-au dezvoltat numeroase aplicații. Pe langa biocompatibilitate, în cazul aplicațiilor dentare un rol important îl are și aspectul estetic. În domeniul ortopedic, materialele compozite au fost folosite în cazul protezelor de sold (vezi figura 2.21), de genunchi, inlocuirii de oase , pentru lucrări la nivelul coloanei vertebrale etc. În cazul materialelor folosite pentru implanturi, proprietățile mecanice sunt foarte importante, astfel încat materialele să se poata adapta și să reziste în organism.
Fig.2.21. Proteză de șold realizată din material compozit [57]
În orice caz, materialele compozite utilizate pentru aplicații ortopedice trebuie să prezinte o biocompatibilitate mai ridicată decât în cazul materialelor folosite pentru aplicațiile dentare, deoarece aceste materiale sunt implantate în interiorul organismului pacientului și au un contact cu tesutul viu pe termen lung. Activitatea stomatologică modernă vizează trei direcții distincte: preventivă, corectivă și restaurativă, aceasta din urma având o pondere importantă. În stomatologie se folosește o gamă largă de materiale, de tipul: metale (de exemplu: aur), aliaje (amalgamele), polimeri organici (cum sunt rașinile metacrilice), ceramica (de exemplu: porțelan, ceramica zirconică), biocompozite, cum sunt lianții minerali (ciment zinco-fosfatic, silico-fosfatic etc.) [43].
Utilizarea materialelor stomatologice este cunoscută din timpuri străvechi. De exemplu, descoperiri arheologice au dovedit utilizarea materialelor pentru lucrări dentare datând din perioada Egiptului Antic: proteze realizate din fire de aur, os de bou sau lemn.
De asemenea, utilizarea cimenturilor dentare în sfera cavității bucale este foarte veche, dovezi în acest sens fiind unele încrustații de jad, pirite și turcoaze fixate cu diferiți lianți în lăcașuri preparate pe fața vestibulară a incisivilor, descoperite de arheologi în zonele unde a locuit populația Maya (era precolumbiană).
În secolul al XVIII-lea materialele dentare restaurative au cunoscut o „perioadă de renaștere” ca rezultat al necesității restaurării și eventual înlocuirii dinților cariați sau supuși diferitelor traume, a gingiilor bolnave și, nu în ultimul rând, din considerente legate de caracteristici estetice adecvate.
Astfel, ceramicile dentare au calitatea de a imita dinții naturali, aflându-se printre primele materiale dentare utilizate începând încă din 1792, nu doar pentru restaurații cum ar fi aplicarea fațetelor (vezi figura 2.22), ci și pentru obținerea dintelui ca atare [43].
Porțelanul dentar, unul dintre materialele ceramice care a cunoscut o dezvoltare remarcabilă, a început să fie studiat încă din 1774 de către Alexis Duchateau, un farmacist parizian. Astăzi, porțelanul dentar este un material frecvent utilizat în stomatologia restaurativă.
Utilizarea cimenturilor dentare în stomatologie datează din 1832. La începutul secolului al XX-lea (anul 1903) au apărut cimenturile translucide – cimenturi silicatice, fiind folosite la obturarea dinților frontali.
Fig.2.22. Fațete ceramice utlizate în restaurarea dinților [75]
CAPITOLUL 3
Tehnici și tehnologii de prelucrare
a materialelor compozite
3.1. Noțiuni generale privind tehnologia materialelor compozite
Tehnica și procedeul de realizare a produsului din materiale compozite sunt determinate de natura și starea fizică a materialului matricei (feros, neferos sau material plastic în stare solidă, fluidă sau gazoasă), pe de-o parte, și a elementelor de armare, pe de altă parte. În funcție de proprietățile fizico-mecanice ale materialului și ale elementelor de armare a compozitului, tehnologiile de fabricare a diferitelor produse, pot fi primare (procedee și tehnologii după care produsul respectiv trebuie supus unor prelucrări mecanice ulterioare, pentru a obține piese finite) și tehnologii finale, în cadrul cărora produsul rezultat capătă configurația, dimensiunile și calitatea suprafețelor prescrise în desenul de execuție.
3.2. Procedee și tehnologii primare de prelucrare a materialelor compozite cu matrice organică (polimerică)
Materialele compozite din materiale polimerice au în structură o matrice de material termoplastic sau termoreactiv, armată cu fibre din materiale policristaline (fibre și microsfere metalice, de carbon, grafit, carburi de siliciu, bor, oxid de aluminiu etc.), din materiale monocristaline, amorfe (fibre și țesături sau armături, microsfere de sticlă) sau multifazice (fibre de bor). În funcție de tehnologia de obținere a semifabricatelor din materiale compozite sub formă de profiluri cu secțiune plină sau tubulară, folii, plăci, concentrația volumică a materialelor de armare sub formă de fibre scurte sau lungi, microsfere poate varia între 10 și 80%, în raport cu conținutul volumic de material de bază (matrice).
În urma cercetărilor făcute în timp, s-a demonstrat că pe măsură ce proporția volumică de material de armare (în %) crește, caracteristicile mecanice, fizice și termice ale compozitelor cu matrice din materiale termoplaste și termoreactive cresc de 4-5 ori, față de cele ale materialelor plastice clasice nearmate, în timp ce rezistența la șoc scade.
Principalele procedee și tehnologii primare de prelucrare a materialelor compozite cu matrice organică (polimerică) sunt următoarele [8,12,22,23]:
3.2.1. Laminarea continuă (teblele, benzile și covoarele din materiale compozite formate din folii de poliester armate cu fibre de sticlă roving se realizează cu ajutorul unor instalații adecvate).
3.2.2. Formarea manuală
Este cea mai veche tehnologie folosită; se aplică în cazul materialelor compozite constituite din fibre sau paturi de sticlă în proporție volumică de 30%, ori roving de sticlă în proporție de 40% și materiale termoplastice sau termoreactive sub formă soluții în amestec cu ingredienți și acceleratori de reacție chimică. Această tehnologie este folosită pentru realizarea unor piese-prototip-carcase, caroserii de mașină, recipiente, deoarece procedeul permite modificarea dimensiunilor produsului, chiar și pe parcursul executării.
Această tehnologie nu necesită utilaje și scule complicate.
3.2.3. Formarea prin stropire sub presiune
Acest procedeu permite formarea produselor din compozite pe bază de polimeri armați cu tocătură din fibre roving de sticlă, carbon, grafit, carbură de siliciu, bor.
Stropirea se bazează pe depunerea simultană a rășinii și a tocăturii din materialele de armare pe suprafața de formare a matriței sau a modelului.
3.2.4. Formarea prin centrifugare
Acest procedeu este utilizat la obținera produselor de formă cilindrică-conducte, rezervoare cu dimensiuni reduse, recipiente, eplemente de tubulatură din materiale compozite cu matrice de rașini poliesterice, rezistente la agenți chimici, sau epoxidice, armate cu țesături din fibre de bor, sticlă, carbon sau carburi de siliciu și azot.
Schema procesului de formare prin centrifugare este prezentată în figura 3.1.
Fig.3.1. Formarea prin centrifugare [45]
Procedeul permite o repartiție omogenă a rășinii și o calitate foarte bună a suprafețelor interne a tuburilor. Lungimea tronsonului realizat este limitată de celula de formare. Frecvența depinde de diametrul și lungimea pieselor. Tot în această categorie de formare continuă, se poate include și rularea filamentară ( vezi figura 3.2), pentru obținerea tuburilor de lungime mare, cu frecvențe de până la 500 kg de compozit/zi.[45]
Fig.3.2. Rularea filamentară [45]
Pentru piesele de revoluție cu generatoarea variabilă, se utilizează tot un procedeu continuu de rulare a filamentelor de sticlă sau de kevlar (vezi figura 3.3), care se impregnează într-o baie de rășină, apoi piesa este supusă unei polimerizări în etuvă sau autoclavă. Procentul de ranforsare este de aproximativ 85%, ceea ce reprezintă un procent ridicat. Procedeul este aplicat pieselor care trebuie să reziste la presiuni interne ridicate: rezervoare, corpuri de propulsare [45].
Fig.3.3.Formare prin centrifugare [45]
3.2.5. Formarea prin presare la rece și la cald
Această tehnologie de formare a produselor din materiale compozite cu matrice din materiale plastice prin presare la rece permite obținerea unor obiecte cu precizie dimensională și formă geometrică ridicate, finisate pe ambele parți, în condiții tehnico-economice convenabile.
3.2.6. Formarea prin transfer în matriță
Acest procedeu este folosit la obținerea pieselor din materiale termorigide, de dimensiuni mici și configurații relativ simple, realizate cu ajtorul unor mașini de injectare prin transfer, mașini dotate cu matrițe corespunzătoare.
3.2.7. Formarea prin injectare în matriță
Procedeul este utilizat la formarea produselor din amestec de rășină (polistiren, poliamide, policarbonati, teflon) și material de armare ( de obicei sticlă, carbon, kevlar, tocate, cu concentrație volumică de 40-50% sau măcinate, cu concentrație volumică de 10-20%).
3.2.8. Formarea prin extrudare
Prin acest procedeu se pot obține profiluri de diferite forme geometrice, în secțiune transversală, pline sau tubulare. Acesta poate fi utilizat la formarea profilurilor din compozite cu matrice din materiale termoplastice sau termoreactive cu tocăturădin fibre de sticlă cu lunginea de 3 mm și diametrul de 9…110 micrometri sau cu microsfere din sticlă sau metale.
3.2.9. Formarea sub vid sau sub presiune
Formarea sub vid a produselor din compozite, pe bază de polimeri, este asemănătoare cu formarea manuală și se efectuează cu ajutorul unei instalații adecvate (vezi figura 3.4). Acest procedeu este utilizat la obținerea unor produse pentru construcția de aparate electronice și de telecomunicații, de nave, de avioane.
Fig.3.4. Formarea sub vid [45]
Se utilizează matrița deschisă pe care se depun straturi de materiale: matrice și element de întărire (ranforsare). După depunerea straturilor se aplică o folie elastică, iar în interstițiul dintre folie și matrița se creează vid. Are loc compactarea piesei, eliminarea aerului, apoi ansamblul este supus polimerizării în etuva sau în autoclavă cu suprapresiune (7 bar în cazul carbon/epoxy, pentru obținerea celei mai bune rezistențe mecanice). Aplicații la elementele de structură aeronautică, cu frecvența de 2-4 piese pe zi [45].
3.2.10.Formarea prin înfășurare filamentară
Procedeul constituie o altă alternativă de fabricare a unor piese de revoluție cu proprietăți performante. Principial metoda constă în depunerea de fibre continue cu valori ridicate ale caracteristicilor mecanice (fibre din bor, sticlă, carbon, aramide), impregnate în prealabil cu un liant, pe suprafața unei mandrine, care se rotește în jurul axei proprii (vezi figura 3.5). Înfășurarea se realizează sub tensiune, ceea ce implică orientarea fibrelor, după traiectorii ciclice bine determinate. Modul de realizare a înfășurării (circumferențială, elicoidală, polară) conferă produsului finit proprietăți specifice. Materialul utilizat drept matrice, funcție de caracteristicile impuse produsului, poate fi un polimer termoreactiv în stare lichidă (poliester nesaturat, rășină epoxidică) sau un polimer termoplastic adus în apropierea temperaturii de înmuiere prin încălzire pe mandrină (poliamidă). Versatilitatea metodei este apreciabilă, dacă se ia în considerare numărul mare al variantelor posibile. Separarea piesei de mandrină se poate realiza prin extragerea acesteia ( piesă tubulară), prin demontare în componente și recuperarea lor prin orificiile piesei, prin solvire într-un solvent adecvat, etc. ~n unele cazuri mandrina poate rămâne înserată în piesa realizată, ca parte componentă [42].
Fig.3.5.Prelucrare prin înfășurare filamentară [42]
Legendă:
1 – mandrină 2 -înfășurare filamentară
3 – fir de sticlă 4 – baie cu rășină lichidă
3.2.11. Formarea prin turnare
Acestă operație pentru produsele din materiale compozite cu matrice din mase plastice necesită pregătirea mai întâi, a amestecului de turnare, constituit din fibre de sticlă, carbon, bor, rașină poliesterică-epoxidică, catalizatori și acceleratori, precum și alte elemente auxiliare.
3.2.12. Formarea prin injectare prin transfer
Acest procedeu de formare prin injecție sub vid cu matrița închisă permite obținerea unor produse cu configurații diverse, cu pereți netezi, precizie dimensională și de formă geometrică ridicată, structură foarte omogenă.
Procedeul folosește o matriță cu două piese, astfel încât oferă posibilitatea obținerii de produse cu un aspect deosebit, acoperite pe ambele fețe cu gel coat.
Notă: Gelcoat-ul este un material folosit pentru a furniza un finisaj de înaltă calitate pe suprafața vizibilă a unui material compozit armat cu fibre.
Rășina catalizată este injectată sub presiune scăzută sau prin vacuumare în matrița închisă, impregnând progresiv materialul de ranforsare (ansambluri nețesute sau țesături decupate sau preformate) depus anterior în interiorul acesteia. Reticularea poate fi accelerată prin ridicarea temperaturii la 80C. Cele două faze sunt reprezentate schematic în figura 3.6. Procedeul se recomandă pentru producții medii [42].
Fig.3.6. Cele două faze ale formarării prin injectare prin transfer [42]
Legendă:
1- matriță deschisă 4- matriță închisă
2- canal de injecție a rășinii 5- injecția rășinii
material de ranforsare
3.2.13. Formarea prin peltrudere
Termenul pultrudere, reflectă principiul metodei, fiind forma contrasă rezultată din combinarea denumirilor celor două operații principale: pull (a trage) și extrudere.
Este un procedeu caracterizat printr-o mare versatilitate, oferind posibilitatea realizării unui număr mare de profile, de dimensiuni diferite, cu un conținut în material de ranforsare ce poate varia între 30 și 80%. Pentru matrice se utilizează poliesteri sau epoxizi, iar materialele de ranforsare pot fi de tip roving, nețesute, sau țesături diverse [42].
În principial, metoda constă în trecerea forțată a materialului de ranforsare continuu, impregnat în prealabil cu rășină catalizată, printr-o filieră din oțel aliat, încălzită la 120-150C, cu dimensiuni adecvate, astfel încât timpul cât este străbătută de material să asigure formarea și solidificarea. Cu ajutorul unui dispozitiv special montat la ieșirea din filieră se poate realiza pultruderea curbă [42].
Figura 3.7. Schema de principiu a instalației de pultrudere [42]
Legendă:
1 – fibră de sticlă 4 – cuptor
2 – baie de impregnare 5 – tragere
3 – filieră 6 – cuțit
3.3. Procedee primare de prelucrare a materialelor compozite stratificate ( de tip sandwich)
Procedeele de prelucrare a materialelor compozite diferă în funcție de tipul compozitului. Astfel, pentru compozitele de tip sandwich se disting următoarele procese [45]:
3.3.1. Formarea prin contact
Este cea mai veche metodă elaborată pentru fabricarea compozitelor. Se utilizează rășini termoreactive poliesterice și epoxidice asociate cu nețesute sau țesături din fibre de sticlă.
Materialele de ranforsare decupate la dimensiuni adecvate aplicate în prealabil pe suprafața unei matrițe convexe sau concave sunt impregnate manual cu o rășină lichidă ce conține catalizator și accelerator de reticulare. Matrița este confecționată din lemn, ipsos, aluminiu sau rășină epoxidică ranforsată, astfel încât pretul este foarte scăzut în raport cu utilajele care lucrează la temperatură sau presiune ridicată. Aerul inclus este îndepărtat cu un rulou canelat care asigură și pătrunderea materialului de ranforsare în matrice favorizând creșterea omogenității. Reticularea se realizează la rece. Pentru a îmbunătăți estetica produsului pe suprafața matriței se poate aplica inițial, cu un penson sau un pistol, o peliculă poliesterică cu o grosime de 0,3 – 0,4mm (gel coat).
Fig.3.8. Formare prin contact [84]
Legendă:
1-rolă 2-material de ranforsare și rășină 3-matrița deschisă
Acest procedeu este utilizat în special pentru realizarea ambarcațiunilor de dimensiuni mici.
3.3.2. Formarea în matriță
Schema procesului de formare în matriță este prezentată în figura 3.9.
Fig.3.9. Formarea în matriță [45]
Se realizează presarea straturilor de matrice și de elemente de ranforsare între o matriță și o contra-matriță, acesta exercitând o presiune de 1-2 bar. Pentru ca structura să devină compactă, se realizează polimerizarea la cald. Acest procedeu se aplică la serii medii de produse, obținându-se circa 20 de piese pe zi. Procesul de formare în matriță este utilizat la construcția pieselor pentru industria automobilelor și aeronautică.
3.3.3. Formarea prin injecție a rășinii
Schema procesului de formare prin injecție a rășinii este prezentată în figura 3.10.
Fig.3.10. Formarea prin injecție a rășinii [45]
Procesul constă în depunerea pe suprafața deschisă a matriței a elementelor de ranforsare (de tip fibră sau țesătură) și se injectează rășină (rășina poliesterică sau fenolică). Presiunea de formare este scăzută. Procedeul are o frecvență de aproximativ 30 piese pe zi. Se aplică la piese de caroserie auto, iar costul procedeului este ridicat).
3.3.4. Formarea prin injecție completă
Schema procesului de formare prin injecție completă permite automatizarea ciclului de fabricație prin frecvența de fabricare a pieselor de până la 300 piese pe zi. În cele ce urmează este prezentată schema de formare pentru matrice cu rășina termoindependentă (figura 3.11) care se aplică la piesele mecanice ce funcționează la temperaturi ridicate.
Fig.3.11. Formarea prin injecție completă cu matrice termoindependentă [45]
3.3.5. Formarea prin injecție
Schema procesului de formare prin injecție este prezentată în figura 3.12.
Fig.3.12. Formarea prin injecție [45]
Această tehnică permite obținerea pieselor de dimensiuni mari și cu forme complexe din poliuretan ranforsat cu fibre de sticlă. Aceste piese sunt rezistente și stabile dimensional în timp, suprafețele obținute sunt de calitate și au rezistența mecanică și termică satisfăcătoare [45].
3.3.6. Formarea prin centrifugare
Este un procedeu perfect adaptat la producerea de corpuri de revoluție- piese cilindrice sau ușor conice goale în interior- din rășini poliesterice ranforsate cu fibre de sticlă.. Rășina catalizată și materialul de ranforsare (fibră de sticlă tăiată in situ , nețesute sau țesături), dispuse în interiorul unei mandrine ce se rotește cu viteză apreciabilă (2000-5000turații/min), sunt practic proiectate pe suprafața interioară a acesteia sub acțiunea forței centrifuge. Ansamblul este ulterior introdus într-o etuvă, unde sub acțiunea temperaturii are loc reticularea [42].
Fig.3.13. Formare prin centrifugare [42]
Legendă:
1 – mandrină 4 – dispozitiv de tăiere și proiecție a materialului de ranforsare
2 – sistem de rotire 5 – rășină catalizată
3 – fir de sticlă
3.3.7. Formarea plăcilor multistrat
Fig.14. Formarea plăcilor multistrat [45]
Acest procedeu se aplică pentru obținerea plăcilor plane sau ondulate. Plăcile plane sunt semifabricate pentru operații ulterioare, cum ar fi ambutisarea la cald, și îndoirea.
3.3.8. Formarea profilelor
Procedeul care stă la baza acestei tehnici este pultruziunea, acest procedeu permite obținerea profilelor continuu, închise sau deschise.
Proporția de fibre de ranforsare poate fi ridicată, în vederea obținerii unor caracteristici mecanice ridicate.
Fig.3.15. Formarea profilelor din materiale compozite [45]
3.3.9. Formarea prin transferul rășinii
Fig.16. Formarea prin transferul rășinii [45]
Procedeul RTM (Resin Transfer Molding), constă în formarea la cald atât a fibrelor de armare cât și a matricii din rășină. Se obțin foi de compozit, care pot fi ulterior prelucrate prin alte procedee.
CAPITOLUL 4
Stabilirea expresiei suprafeței neutre a laminei
și a unui compozit stratificat
Suprafața neutră reprezintă acea suprafață mediană care este “inextensibilă”, adică în cazul solicitării acesteia la încovoiere, forfecare transversală , întindere sau compresiune, în ea nu se produc deformații. Aceasta se mai numește și suprafața elastică a plăcii.
4.1.Expresia suprafeței neutre a laminei
Pentru determinarea acestei suprafețe, se ține seama de cele două porțiuni ale grosimii globale a laminei, de o parte și de alta a suprafeței neutre a laminei. Se consideră:
Pentru determinarea acestei poziții se pune condiția [469] :
. (1)
Se introduce corelarea:
, (2)
astfel încât (pentru ):
, (3)
respectiv:
. (4)
Notă: În cazul în care modulul de elasticitate longitudinal este independent de temperatură, avem:
, (5)
de unde se deduce:
(6)
4.2. Expresia suprafeței neutre a unui compozit stratificat
Preluând egalitatea (1), dar adaptând-o pentru un compozit cu n straturi, se poate ajunge la următoarele concluzii.
Compozit cu două straturi
Readaptând egalitatea (2), caracteristică unei lamine, pentru un compozit stratificat, se poate scrie:
, (7)
astfel încât expresia pentru evaluarea poziției suprafeței neutre a compozitului se prezintă sub forma:
, (8)
în care:
(9.1)
(9.2)
(10.1)
(10.2)
unde ( conform fig.8.3):
. (11)
Compozit cu trei straturi
Pe baza aceleiași logici a analizei se ajunge la:
la care se adaugă notațiile:
(13.1)
(13.2)
în care:
. (14)
Compozit cu n straturi
Prin generalizare se ajunge la:
cu notațiile generale:
unde reprezintă modulul de elasticitate longitudinal pentru stratul j, j є [ 1, 2,…., n].
Notă: În egalitățile anterioare se are în vedere că : respectiv (grosimea totală a plăcii compozite).
Exemplu de calcul:
Pentru exemplificare, vom analiza unde se află suprafața neutră în cazul unui compozit stratificat.
Se vor alege două plăci cu suprafața de 4 m2, fiecare având câte trei straturi cu contact intim între ele (lipite), realizate din materiale compozite. Cele trei straturi vor avea dimensiuni diferite și vor fi rotite între ele pentru a observa cum oscilează poziția suprafeței neutre.
În acest caz, se neglijează influența temperaturii asupra plăcilor (modulul de elasticitate longitudinal considerându-se independent de temperatură), întrucât acestea sunt analizate la temperatura mediului exterior.
Pentru prima placă, vom folosi următoarele straturi: aluminiu, PVC și polistiren expandat; iar pentru a doua: kevlar, bambus și fibre de carbon din celuloză.
Modulele de elasticitate pentru materialele folosite sunt indicate în tabelul nr.1.
Tabelul nr.1
Valori ale unor module de elasticitate longitudinală pentru matrice și elemente de armare
Valorile alese pentru calcul sunt următoarele:
A). Placa nr. 1
** varianta a (vezi figura 4.2.)
Fig.4.2.Placă din materiale compozite [sursă proprie]
Materiale folosite (în ordine, de la bază spre vârf): Aluminiu, PVC și polistiren expandat.
Module de elasticitate longitudinale:
Grosime straturi:
=3.000 [N/mm]
[N/mm]
[N/mm]
[N/mm]
= 20 + 15 +10 = 45 [mm]
** varianta b (vezi figura 4.3.)
Fig.4.3.Placă din materiale compozite [sursă proprie]
Materiale folosite (în ordine, de la bază spre vârf): polistiren expandat, aluminiu și PVC.
Module de elasticitate longitudinale:
Grosime straturi:
=2.000 [N/mm]
[N/mm]
[N/mm]
[N/mm]
= 45 [mm]
** varianta c (vezi figura )
Fig.4.4.Placă din materiale compozite [sursă proprie]
Materiale folosite (în ordine, de la bază spre vârf): polistiren expandat, aluminiu și PVC.
Module de elasticitate longitudinale:
Grosime straturi:
= [N/mm]
[N/mm]
[N/mm]
[N/mm]
= 45 [mm]
Poziția suprafeței neutre pentru prima placa analizată sunt prezentate în tabelul nr.2.
Tabelul nr.2
Valori calculate pentru suprafața neutră
B). Placa nr. 2
** varianta a
Fig.4.5.Placă din materiale compozite [sursă proprie]
Materiale folosite (în ordine, de la bază spre vârf): Fibre de carbon din celuloză, kevlar, bambus.
Module de elasticitate longitudinale:
Grosime straturi:
=20.000 [N/mm]
[N/mm]
[N/mm]
[N/mm]
= 0,5 + 10 +20 = 30,5 [mm]
** varianta b (vezi figura 4.6.)
Fig.4.6.Placă din materiale compozite [sursă proprie]
Materiale folosite (în ordine, de la bază spre vârf): polistiren expandat, aluminiu și PVC.
Module de elasticitate longitudinale:
Grosime straturi:
= [N/mm]
[N/mm]
[N/mm]
[N/mm]
= 35,5 [mm]
** varianta c (vezi figura 4.7)
Fig.4.7.Placă din materiale compozite [sursă proprie]
Materiale folosite (în ordine, de la bază spre vârf): polistiren expandat, aluminiu și PVC.
Module de elasticitate longitudinale:
Grosime straturi:
= [N/mm]
[N/mm]
[N/mm]
[N/mm]
= 30,5 [mm]
Poziția suprafeței neutre pentru a doua placă analizată sunt prezentate în tabelul nr.3.
Tabelul nr.3
Valori calculate pentru suprafața neutră
CAPITOLUL 5
Aspecte economice privind
utilizarea materialelor compozite
în industria globală
Timp de trei decenii, folosirea materialelor compozite în diverse ramuri ale industriei a cunoscut o ascensiune, datorită dezvoltării economiei generale și a facilitat pătrunderea pe piață a acestora în segmentele-cheie, cum ar fi: energia eoliană, construcții, aeronautică, automobile etc.
La nivel mondial industria materialelor compozite a ajuns la o valoare totală de 17.7 miliarde dolari (USD) în 2010, aproximativ 13 miliarde euro , înregistrând o rată de creștere de 10,3% [88].
Notă: Transformările au fost efectuate la un curs valutar: 1 EUR = 1.3663 USD
Această piață a cunoscut, de asemenea, și o recesiune între anii 2008-2009.
Impactul acestei crize a fost foarte diferit de la un sector la altul. Sectoarele de transport, aeronautică și de construcții au avut de suferit în timp ce sectorul producției de energie eoliană a cunoscut o creștere puternică de 30% pe an între 2007 și 2009, creștere care a fost susținută de recomandări în favoarea energiilor regenerabile.
China a rămas relativ neatinsă de recesiunea din sectorul materialelor compozite. În 2010, producția sa a reprezentat 28% din totalul la nivel mondial, ponderea cea mai mare. În același an, SUA a reprezentat 22% din producția mondială, iar Europa 20%, restul lumii având un procent de cca. 29% din materiale compozite.
Deși efectele crizei financiare globale din 2008 sunt încă prezente, industria compozitelor, în general, este în curs de reglementare. Firma de cercetare de piață Lucintel (Dallas, Texas), conform calculelor, a estimat că valoarea totală a sectorului materialelor compozite la nivel mondial, în 2012 a fost de 7,3 miliarde de dolari (cca. 5,3 miliarde euro), o creștere de 9,5 la sută față de 2011, și a preconizat că valoarea acestuia va crește la 10.9 miliarde dolari (cca. 8 miliarde euro) până în 2018, ceea ce reprezintă o rată anuală de creștere de 7%. Lucintel, de asemenea, a declarat la începutul anului 2013, că piața compozitelor va reveni la nivelul inițial, stabilit înainte de criza economico – financiară [86].
Până în 2016, se preconizează că industria materialelor compozite va ajunge la 27.4 miliarde dolari – dacă se va menține o rată de creștere anuală de 7,8%. În aceeași perioadă, produsele compozite vor totaliza 78 miliarde dolari (aproximativ 57 miliarde euro) [88].
Într-un publicat din octombrie 2013, Grupul Freedonia (Cleveland, Ohio) susținea, în cel mai nou raport dedicat materialelor plastice armate cu fibre, că cererea în SUA pentru compozite va atinge un procent de 4,7% pe an și o sumă de 4,3 miliarde de lb (1,95 milioane tone) în 2017, în valoare de aproape 23 miliarde de dolari ( aprox. 16,8 miliarde euro) [86].
Firma de consultanță de piață, Infiniti Research Ltd. – TechNavio (Rockville, MD) pe de altă parte, a raportat în noiembrie 2013, în studiul Global Composite Market pentru anii 2013-2016, că piața de compozite din întreaga lume ar putea fi evaluată la 28.34 miliarde dolari (20,7 miliarde euro) încă din 2016 [86].
Deși cifrele diferă, există un acord asupra unui singur lucru: industria este în curs de dezvoltare [86].
Pentru a evalua oportunitățile de piață pentru materiale compozite, analizăm în primul rând penetrarea compozitelor în diverse segmente de piață. În transport, compozitele au o pondere de 3,6%, în funcție de valoarea monetară, comparativ cu o pondere de 68% în marină. În construcție, compozitele reprezintă 7% din piață, în industria aerospațială 10% și în domeniul energiei eoliene 38%. Aceste cifre indică faptul că există potențial de creștere mare pentru materialele compozite.
Este adevărat că pe o varietate de segmente de piață, s-au înregistrat fluctuații în ultimii cinci ani, în raport cu produsul intern brut (PIB) și că materialele compozitele au avut rezultate slabe în ultima jumătate de deceniu. Cu toate acestea, creșterea industriei compozitelor a depășit valoarea PIB-ului în 2010, iar datele sugerau, la momentul respectiv, că aceasta va crește mai repede decât PIB-ul în următorii cinci ani [88].
În al doilea rând, ne uităm la potențialul de creștere din punct de vedere geografic. Țările în curs de dezvoltare favorizează o creștere puternică pe piața compozitelor, reprezentând o pondere mai mare în economia mondială. Aceste economii emergente includ Brazilia, Rusia, India și China (așa numitele țări BRIC), care beneficiază de o creștere rapidă, urbanizare și prezintă semne de dezvoltare a claselor economice de mijloc și creșterea producției [88].
Creșterea economică a acestor țări, din punctul meu de vedere va conduce la o mai mare fragmentare a pieței, și doar companiile cu capacitatea de inovare vor prospera.
Deși țările în curs de dezvoltare constituiau o nouă realitate în care acestea intrau în luptă pe piața compozitelor, iar concurența acerbă însemna o schimbare rapidă și complexă a piețelor, la nivel mondial pe piața materialelor compozite s-a atins o creștere de aproximativ 5,9% în 2011 [88].
În America de Nord și Europa, energia eoliană și industria aerospațială rămân cele mai atractive piețe pentru materialele compozite. Creșterea populației, nevoile de infrastructură și energia regenerabilă sunt doar câțiva dintre factorii care vor conduce la creșterea utilizării compozitelor pe noi segmente. În cele din urmă, aceste inovații reduc costul compuzitelor cu 30% și au potențialul de a tripla piață compozitelor [88].
În conformitate cu Grupul Freedonia, compozitele din fibră de sticlă vor domina din nou iar rășini poliesterice vor oferi cele mai multe dintre matrici. Industriile autovehicule și de construcție vor conduce creșterea piețelor, de la 6,1% la 6,8% pe an. Industria automobilelor va consuma 1,38 miliarde lb (625960 tone) și aplicațiile din construcții vor cere aproape 1,24 miliarde lb (562450 tone) [86].
La nivel global, țările BRIC (Brazilia, Rusia, India și China) vor continua să aibă o pondere ridicată în industria compozitelor.
China va continua să fie o forță de conducere, adunând o creștere semnificativă în următorii cinci ani pentru a ajunge la o sumă estimată la 11.5 miliarde dolari (8,4 miliarde euro) în 2018. Asta susținea firma de cercetare Lucintel într-un studiu al evoluției materialelor compozite între anii 2013-2018 pe piața din China. Construcția, transportul, piețele electrice și electronice au cunoscut și ele o creștere bună în 2012. Același raport susține, în mod surprinzător, că cel mai mare consumator de materiale compozite din China a fost sectorul de electrice/electronice, urmat de industria de producere a țevilor și a rezervoarelor. Totodată, se așteaptă ca industria aerospațială și de apărare, industria năvală, precum și segmentele electrice/electronice, să mențină o creștere substanțială în perioada 2014-2018 [86].
Brazilia a stagnat un pic în 2013 în ansamblu, dar industria materialelor compozite a raportat venituri de 365 milioane dolari (267 miliarde euro) pentru al treilea trimestru, o valoare cu 3% mai mare decât valoarea din trimestrul al doilea și cu 8,1% mai mare decât în aceeași perioadă în timpul 2012, raporta atunci ALMACO (Latin American Composite Materials Assn). În total, 118 milioane lb (53600 tone) de materii prime au fost prelucrate din iulie până în septembrie, sumă cu 2,3% mai mare decât volumul de materii prime raportat anterior și cu 4,4% mai mare decât în al treilea trimestru din 2012. Aceste date sunt furnizate de firma de cercetare de piață MaxiQuim (Porto Alegre, Brazilia), o firmă de consultanță angajată de ALMACO [86].
Industria agricolă, de construcții și industria energiei eoliane au fost segmentele responsabile pentru rezultatul pozitiv, susținea la acea vreme Gilmar Lima, presedinte al ALMACO. "Aceste piețe au tendința de a menține același trend în trimestrul următor," observa acesta și preconiza că ascensiunea lor "ar trebui să compenseze chiar declinul cererii de automobile, autobuze și camioane, cauzate de incertitudinile din scenariul economic în ceea ce privește anul 2014” [86].
În conformitate cu MaxiQuim, consumul de materii prime, în al patrulea trimestru al anului 2013, ar putea fi la fel de mare ca 199 milioane lb (54100 tone metrice), evaluat la 371 milioane dolari (271,5 miliarde euro). Pentru anul acela, indicatorii conduceau la concluzia că industria compozitelor din Brazilia ar trebui să raporteze venituri totale de 1,425 miliarde de dolari, aproximativ 1 miliard euro (+8,9 %) și producția totală de materii prime de 462,97 milioane lb (210000 tone), reprezentând o creștere de +1,6% [86].
"Rămânem cu perspectiva unui an ascendent din punct de vedere economic, marcat doar de pierderea competitivității și profitabilității întregului lanț de producție cauzat de devalorizarea monedei braziliene și creșterea costurilor în Brazilia", a raportat Lima la sfârșitul anului 2013 [86].
În special, există un potențial enorm de creștere pe piața mondială. În conformitate cu compania de cercetare de piață Lucintel, industria materialelor compozite încă deține doar mici procente pe patru dintre cele mai mari șase piețe, în comparație cu oțelul și aluminiul. Compozitele au făcut istoric cel mai bine pe piața navală, în ciuda suișurilor și coborâșurilor, cu 68% din total [86].
În domeniul energiei eoliene, unde pătrunderea materialelor compozite pe aceast segment a fost lentă, s-a ajuns la o valoare de 38% pe piața de turbine eoliene [86].
În transport, în domeniul de construcție al țevilor și rezervoarelor, în construcții și în industria articolelor de consum (inclusiv sportive), materiale compozite au înregistrat doar 3, 6, 7, 4 și 14 % [86].
Pe piața materialelor compozite la nivel mondial, rășinile au reprezentat 8.8 miliarde dolari (6,44 miliarde euro) iar fibrele 7.7 miliarde dolari (5,63 miliarde euro) [88].
Valoarea totală a produselor compozite a ajuns la 50.2 miliarde dolari (36,74) [88].
Piețele globale din fibră de carbon și fibră de sticlă sunt prognozate să ajungă la 11.1 miliarde dolari (8,12 miliarde euro) până în 2015, cu aproape 2 miliarde dolari (1,46 miliarde euro) provenite din aplicații și tehnologii emergente. Piața de fibră de carbon este proiectată să se extindă la cca. 2,7 miliarde de dolari (1,97 miliarde euro) în următorii cinci ani, aproximativ de 2,5 ori mai mare decât a fost în 2009 [87].
După cum știm, o creștere pe piața de fibră de carbon va depinde în mare măsură de o mai mare penetrare de compozite avansate în industria aerospațială și a energiei eoliene.
Bazându-ne pe perspectivele industriei materialelor compozite și a prognozelor de piață efectuate de companii specializate în domeniu, fibra de carbon este cel mai bine poziționată pentru a face acest lucru, mai ales în industria aerospațială.
Deși era de așteptat ca companiile aeriene din toată lumea să piardă în jur de 4 miliarde dolari (2,92 miliarde euro) în 2010 (după ce a pierdut mai mult de 7,31 miliarde euro în 2009), producția a depășit așteptările în acea perioada [87].
Listele de ordine au fost în creștere pentru aeronave de înlocuire și odată ce Boeing787, Airbus A380 și A350 au intrat în producție, s-a realizat o creștere inevitabilă a cererii pentru carbon și fibră de sticlă [87].
Tendințe în ceea ce privește investiția în domeniul materialelor compozite
Industria materialelor compozite în toate segmentele pieței are o tendință promițătoare pe viitor. În industria aerospațiala, a energiei eoliene și în cea a automobilelor, câștigurile nu au întârziat să apară și au dovedit că perseverența acestora se plătește conform eforturilor.
Tendințele au continuat, de asemenea și spre automatizare, eficientizarea metodelor de producție și dezvoltarea continuă a unor noi forme de materiale ce ar trebui să facă utilizarea materialelor compozite mai prietenoase, mai competitive din punct de vedere al costurilor de producere. Totodată, aceste tendințe încurajaza utilizarea materialelor compozite în cantități mai mari pe piețele existente pentru a le face chiar mai atractive pentru pătrunderea pe noi piețe de consum [86].
Disponibilitatea mai mare a materialelor-cheie, cum ar fi fibra de carbon și stabilitatea în ceea ce privește prețul, va încuraja producătorii de echipamente originale să realizeze cat mai multe prototipuri din compozite. Susținătorii acestor materiale, precum și tehnologiile care arată valoarea lor reală în analiza costurilor ciclului de viață, au avut întotdeauna un punctul de vedere pe termen lung și au preconizat o ascensiune sigură a acestor materiale pe toate segmentele de piață. Această evoluție este susținută și de consumatorii extrem de mulțumiți de calitatea compozitelor [86].
De pe urma folosirii materialelor compozite în toate sectoarele industriei, beneficiază în special țările dezvoltate din punct de vedere economic din Statele Unite ale Americii, precum și din Europa. În acestea, concurența cu aluminiu, oțel sau polimeri tehnici s-a stabilizat și depinde în mod special de prețul materialelor. Cu toate acestea, în sectorul aeronautic, ele continuă să înlocuiască alte materiale tradiționale în aplicații noi.
Copyright Notice
© Licențiada.org respectă drepturile de proprietate intelectuală și așteaptă ca toți utilizatorii să facă același lucru. Dacă consideri că un conținut de pe site încalcă drepturile tale de autor, te rugăm să trimiți o notificare DMCA.
Acest articol: Materiale de Generatie Noua. Compozitie. Utilizari (ID: 162747)
Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.