Noțiuni introductive despre materialele compozite [309649]

Introducere

În cadrul acestei lucrari de licenta s-a urmărit realizarea unui material compozit cu matrice metalica din pulbere de Aluminiu si armată cu fibre de carbon scurte cu orientare aleatoare.

CUPRINS

Capitolul 1 Materiale Compozite

Noțiuni introductive despre materialele compozite

Clasificarea materialelor compozite

Structura și proprietatățile materialelor compozite

Structura și proprietațiile materialelor compozite ranforsate cu particule

Structura și proprietațiile materialelor compozite ranforsate cu fibre

Obținerea materialelor compozite

Domenii de utilizare

Capitolul 2 Materiale compozite cu matrice metalica (MMC – Metal Matrix Composite)

[anonimizat]-[anonimizat] 3 Elementele componente compozitului studiat

Pulbere de aluminiu

Noțiuni introductive

Proprietățiile ––??????????????/

Obținerea pulberii prin tehnici specifice metalurgiei pulberii

Fibra de carbon

Noțiuni introductive

Proprietățiile fibrei de carbon

Obținere fibrei de carbon

Capitolul 4 Compozite Aluminiu Pulbere + Fibră de Carbon

Noțiuni introductive despre Compozit Al + F.C

Mecanismul transferului de sarcină de la matrice la fibre

Lungimea critică și raportul de formă al fibrelor

Mecanismul durificării cu fibre

Propagarea fisurilor în compozitele durificate cu fibre

Compozite cu matricea metalică ranforsată cu fibre

Domenii de utilizare

Capitolul 5 Analiza experimentală asupra materialelor compozite

Descrierea experimentului

Realizarea materialelor compozite

Incercarea materialelor compozite

Duritate/Microduritate

Compresiune

Concluzii

Materialul compozite armat cu fibre de 1mm

Materialul compozite armat cu fibre de 2mm

Materialul compozit armat cu fibre de 3mm

Concluzii finale

Bibliografie

CAPITOLUL 1

Materiale Compozite

Noțiuni introductive despre materialele compozite

Materialele compozite constituie o clasă avansată de materiale în epoca moderna si o ușă catre viitor. Compozitele sunt alcătuite din două materiale diferite care sunt astfel combinate încăt sa formeze un nou material cu proprietați superioare față de fiecare material separat. Astfel, acestea sunt materiale cu o performanță mai buna in ceea ce priveste raportul dintre proprietăți si greutate.

Materialele compozite sunt alcătuite dintr-o matrice cu (rol de liant) „faza” continuă si elementul de ranforsare (faza dispersă) „faza” dispersa. Sunt materiale multifazice cu o interfață distinctă și bine definită între fazele constitutive care asigură însa un transfer de proprietăti de ale materialelor de pornire.

[anonimizat].

Din categoria „materialelor noi” [anonimizat] a corespunde următoarelor cerințe deosebite:

rezistență mecanică si rigiditatea;

rezistență la coroziune;

rezistență la acțiunea agenților chimici;

greutate scăzută;

stabilitatea dimensională;

[anonimizat];

proprietățile izolatoare si estetica.

S-[anonimizat], printre acestea se numără si fibra de carbon ca material de armare. Fibra de carbon conține cel puțin 90% carbon, prezintă o structură preponderent amorfă care alternează cu zone cu structuri bazale grafitice.

Aceste avantaje nu numai că au asigurat utilizarea pe scară din ce în ce mai largă a materialelor compozite, dar au stimulat cercetările pentru descoperirea unor noi tipuri de materiale compozite cu proprietăți îmbunătățite. Preocupări majore și realizări de materiale compozite performante există în toate țările dezvoltate, ca urmare a dorinței de a continua procesul de dezvoltare tehnologică, prin utilizarea unor materiale calitativ superioare și posibil de realizat prin procedee și tehnologii eficiente și nepoluante. În figura 1.1 se prezintă consumul unor asemenea materiale până în anul 2010, în comparație cu materialele clasice ori cu produsele naturale [2]. Producția de materiale compozite a anului 2002, în Japonia, a atins aproximativ trei miliarde de dolari.

În țările industriale, un domeniu prioritar îl reprezintă materialele compozite, folosite în procesul continuu de inovare tehnologică.

Clasificarea materialelor compozite

Marea majoritate a materialelor pot fi considerate materiale compozite deoarece materialele omogene lipsite de incluziuni sau pori sunt extrem de rare. De aceea pentru a delimita domeniul materialelor compozite de cel al celorlalte materiale se impune specificarea următoarelor conditii:

Conditii:

sunt create în mod artificial prin combinarea voită a materialelor componente

sunt alcătuite din cel putin 2 materiale diferite chimic/structural intre care există o suprafață de separatie distinctă

Observatii:

nu este considerat compozit un material natural precum lemnul;

nu sunt considerate compozite aliaje precum fonta cenusie, aceasta se obține prin solidificarea cu o anumită viteză a unei topituri cu o anumită compoziție chimică si nu prin combinarea voită a materialului component.

Dupa starea de agregare a materialului component

Compozite solid – lichid (suspensii)

Compozite lichid – lichid(emulsie)

Compozite gaz – solid (structuri tip fagure)

Compozite solid – solid

Dupa natura materialului matricei

Compozite cu matrice metalică: Al, Mg, Ti, etc.

Compozite cu matrice ceramică: SiC, Si3N4

Compozite cu matrice polimerică: PES, PE, Rășini

Dupa configuratia geometrica a materialului complementar

Compozite cu fibre:

Continue; raportul lungime/diametru > 1000

Discontinue; raportul lungime/diametru < 1000

Compozite cu particule

Mari diametru > 1µm

Mici diametru < 0. 1µm

Compozite stratificate

Sunt alcătuite din cel puțin doua straturi din materiale diferite depuse unul deasupra celuilalt prin diverse procedee:

Turnare

Laminare

Sudare

Depunere din stare de vapori

Depunere electrolitica

Lipire

Compozite multistratificate

Strat de rășină

Strat de fibră

Dupa distrubuția materialului complementar în matrice

Compozite izotrope – ranforsate cu particule sau cu fibre discontinue foarte scurte

Compozite anizotrope – ranforsate cu fibre continue cu distribuție unidirectională si biridrectională in volum

Dupa dimensiunea materialului complementar

Macrocompozite (materiale complementare de dimensiuni macroscopice)

Microcompozite (materiale complementare de dimensiuni microscopice)

Nanocompozite (compozite cu materiale complementare de dimensiuni nanometrice)

Nanoport

Nanotuburi

Nanoplaci

Dupa natura interfeței matrice – material complementar

Compozite integrate chimic

Compozite obținute prin agregare

Compozite obținute prin inglobare

Structura și proprietatățile materialelor compozite

Structura si proprietațiile materialelor compozite depind de natura matricei si a de dispersia fazei de ranforsare in interiorul acesteia. De aceea structura si proprietățiile se impun sa se trateze diferit.

1.3.1 Structura și proprietațiile materialelor compozite ranforsate cu particule

Utilizarea particulelor ca material complementar prezinta avantaje majore:

Mai ieftine ca fibrele

Ușurința de înglobare

Obținerea unor materiale izotrope

Compozitele cu particule se pot clasifica dupa urmatoarele aspecte:

Matricea poate fi metalică, ceramică sau carbonică

Particulele pot fi metalice, ceramice sau carbonice

Particulele pot varia de la cațiva Å la milimetri

Particulele compun faza dispersa, acestea împiedică deformarea matricei în proximitatea fiecărei particule, astfel matricea transfera particulei o parte din tensiunea la care este supus materialul compozit.

1.3.2 Structura și proprietațiile materialelor compozite ranforsate cu fibre

Aceasta grupă reprezinta fibre dure, rigide si fragile distribuite intr-o matrice ductila. Matricea preia si transmite tensiuniile catre fibre astfel evitând dezcompunerea compozitului.

Fibra este un filament de material cu diametrul de aproximativ 10 µm , iar raportul lungime/diametru este cuprins intre 100 si inifnit (fibre continui). Fibrele sunt mult mai rezistente decat materialul brut, datorita faptului ca planele de alunecare sunt mult mai largi la materialul brut față de planele de alunecare ale fibrei.

In figura 2 sunt prezentate proprietățile fibrelor ca modulul specific in functie de temperatura si rezistenta.

In functie de orientarea in matrice se pot obține proprietăți omogene a fibrelor si neomogene daca orientarea acestora este aleatoare.

Fibrele prezintă caracteristici deosebite: densitate scazută, rigiditate, coeficient de dilatare termică redus, flexibilitate, rezistenta specifică la rupere mare.

Fibrele discontinui foarte scurte au o rezistenta de rupere foarte mare. Rezistenta la rupere este invers proporțională cu mărimea cristalelor in materialele policristaline. Cele mai bune proprietăți le ofera fibrele de carbon, monofilament de bor si whiskers.

Fibrele nemetalice si ceramice au rezistenta mai mare la rupere decat cele metalice. Fibrele se pot obtine dinȘ metale, sticla, polimeri, bor, oxid de aluminiu, carbon etc. Fibrele trebuie sa dure, usoare, rigide si cu o temperatura ridicata de topire, astfel, se aleg materiale din care se pot obține aceste fibre ce îndeplinesc aceste conditii.

Caracteristicile principalelor fibre sunt prezentate in tabelul 1.3.

Se urmărește a se obține o înaltă rezistență și rigiditate raportate la unitatea de greutate. Modulul specific cel ma ridicat se regasește la materialele cu un numar atomic mic si legaturi covalente, precum grafitul si borul. Lungimea fibrei influentează proprietățile mecanice datorita legăturii interfazică matrice-fibra. Așadar este necesara o lungime critică a lungimii fibrei.

În funcție de raportul lungime/diametru fibrele se pot ămparții în:

fibrei continui, l/d > 1000;

fibre discontinui

fibre discontinui lungi l/d = 300 – 1000;

fibre discontinui scurte l/d = 10;

fibre discontinui foarte scurte ( whiskers);

Orientare fibrelor în materialul compozit se poate face dupa doua variante; alinierea axelor fibrei paralela cu axele matricei sau dispunerea total dezordonată a fibrelor.

Fibrele dispuse aleatoriu in matrice conduc la o anizotropie de proprietății, acestea depind de directia în care sunt măsurate. Rezistența maximă se înregistrează pe direcția axei longitudinale a fibrei.

Ranforsarea cu fibre continue oferă cea mai buna rezistență mecanica, pe când ranforsarea cu particule prezintă un cost mai scazut dar aduce cu acest avantaj o anizotropie de proprietăți. [13]

Obținerea materialelor compozite

Cerintele fundamentale impuse obținerii materialelor compozite:

Conservarea componentului de armare

Asigurarea orientarii componentului de armare

Realizarea legaturii rezistenței intre matrice si elementul de armare

In funcție de starea de agregare a matricei compozitele se pot obține astfel:

Metode in fază lichidă

Metoda in fază gazoasă

Metode in fază solidă

Obținerea materialelor compozite prin metode in fază solida

Variantele tehnologice pentru obținerea in fază solidă sunt:

Presarea urmată de sinterizare, presare la cald etc.

Sudarea prin difuzie sub presiune

Sudare prin explozie

Domenii de utilizare

Materialele compozite au apărut și s-au dezvoltat din necesitatea scaderii greutății pieselor, subansamblelor, în condiții păstrarii unei rezistențe mecanice ridicate. De aceea principalele domenii de utilizare sunt industria aerospațială, aeronautică si industria construcției de autovehicule

Industria aeronautică si aerospatială

Elemente de fuselaj, direcție, cârmă, carcase – materiale compozite cu matrice polimerică

Materiale complementare: carbon, sticlă, kevlar

Sisteme de frânare ale aeronavelor – compozite C-C

Partea centrala a navelor spatiale(scut termic) – compozite C-C

Industria constructiei de autovehicule

Elemente de caroserie, eleroane, scuturi, borduri – compozite cu matrice polimerică cu materiale complementare fibre de sticlă/carbon

Alte domenii

Industria chimica

Reactoare chimice – Pe + Fibra de sticlă

Reactoare de fuziune termonucleara

Primul perete (armura) – compozit C-C

Industria alimentara

Rezervoare, vitrine, etc. – matrice polimerica PES + Fibra sticlă

Industria electrotehnica

PCB (plăci pentru circuite împrimate) – compozite tip sandwich compus din doua folii subțiri din Cu avand la mijloc un compozit din PES și fibră de sticlă

Medicina

Articulatii

UHMWPE (Ultra High Molecular Weight PE) – matrice polietilenă cu densitate mare si HAp ca material complementar

CAPITOLUL 2

Materiale compozite cu matrice metalica

(MMC – Metal Matrix Composite)

Noțiuni introductive despre MMC-uri

Materialele metalice prezinta ca proprietăți generale plasticitate și tenacitate, deoarece în cele maii multe dintre aplicații, materialele compozite li se impun proprietăți de rezistență corelate cu o greutate redusă.

Compozitele cu matrice metalică au un potențial mare de înlocuire a multor materiale utilizate în diverse industrii precum: industria de automobile, industria electronica, industria aerospațială, și în domeniul materialelor sportive, unde, sunt cerute materiale ușoare și cu rezistență mare.

Compozitele cu matrice metalică au ca și componente de armare fibre continue sau discontinue, whiskers sau particule incluse in matricea metalică care poate fii dintr-un metal sau aliaj.

Așa zisele compozite naturale, ca aliajele Al-Si sau fontele cu grafit nodular au procente volumice ale celor două faze, limitate, conform diagramelor de echilibru binare, iar morfologia și aranjamanetul spațial al materialelor de armare nu pot fii variate liber, la fel ca în compozitele produse sintetic. [3]

Matricile metalice sunt selectate in funcție de proprietățile lor, in general metalele cele mai des folosite pentru aceste matrice sunt: Al, Mg, Ni, Ti, Cu, Fe, Pb, Sn, Zn, Ag, dintre acestea cele mai des utilizate sunt Al, Ti și Mg.

Tipuri de matrice folosite pentru ranforsarea cu fibra de carbon. [5 – 11]

Aluminiu

6061

AlSi9Mg

Titan

Ti-15-3

Ti-1100

Magneziu

AM10

AM20

Cupru

Cu-Fe

Cu-Ni

Aluminiu și aliajele de Al au o densitate foarte mică și temperatură de topire joasă, sunt ieftine în comparație cu aliajele de Titan sau de Magneziu.

Matricile pe bază de Al pot fii prelucrate foarte ușor, astfel aceste matrici se pot obține prin turnare sau deformare plastică.

Tipuri uzuale de MMC-uri

Aluminiu și aliaje pe baza de Al

Seria 2000: Al – Cu – Mg (Duraluminiu)

Seria 6000: Al – Cu – Si

Seria 7000: Al – Zn – Mg – (Cu)

Seria 8000: Al – Li

Toate aceste aliaje sunt durificabile prin precipitare ( tratament termic calire pentru punere în soluție urmată de îmbatrânire)

Aliajele din seria 6000 prezintă cea mai bună rezistență lacoroziune, cele din seria 7000 cele mai bune proprietăți de rezistență mecanică, iar cele din seria 8000 caracteristici de densitate redusă si rigiditate ridicată.

Magneziu și aliaje pe baza de Mg

Magneziu si aliajele lui prezintă proprietăți de rezistență mecanică ridicată dar plasticitate scăzută. În general prezintă rezistență scăzută la coroziune dar există aliaje de Mg caracterizate de o excelentă rezistență la coroziune.

Aliaje Mg – Al – Zn

Aliaje Mg – Al – Si

WE 54: 5% Y, 4% Nd, Er, Yb, Gd

EL21 (Elektron 21)

Titan și aliaje de Titan

Ti – 6Al – 4V

Ti – 15V – 3Sn – 3Al – 3Cr

Alte tipuri de matrice

Oțeluri inoxidabile austenitice

316L ( 16% Cr, 10% Ni, 2%Mo, max. 0.03% C)

Superaliaje

Fe – Cr –Al – Y

Ni – Cr – W – Ti – Al

Cu și aliaje pe baza de Cupru

Bronz: Cu – Sn , Cu – Al

Avantajele utilizarii matricelor metalice

În funcție de metalul utilizat întalnim diferite avantaje si proprietăți pentru fiecare matrice metalică:

Aluminiu și aliaje de Al

Proprietăți mecanice de rezistențe relativ bune

Prelucrabilitate bună

Rezistență la coroziune

Densitate scazută

Titan și aliaje de Ti

Rezistență mecanică specifică foarte ridicata

Stabilitate dimensionala foarte bună

Magneziu și aliaje de Magneziu

Proprietăți de rezistență mecanică ridicate

Densitate redusă

Cupru si aliaje de Cu

Proprietăți antifricțiune

Rezistență la uzură

Conductivitate electrică mare

Superaliaje

Refractaritate foarte bună

Oțel inoxidabil austenitic

Rezistență la coroziune

Obținerea MMC-urilor prin tehnici in fază solidă

Prin tehnica metalurgiei pulberilor se pot obține compozite MMC cu o ranforsare discontinua. Matricea este compusă în general din pulbere prealiată. Aceasta tehnică se poate aplica în diverse variante.

Presare și sinterizare împreuna cu forjarea pulberii sau a compozitului.

Extruziune sau forjarea pulberii metalice

Extruziune sau forjarea materialului precursor pulverizat

Acest tip de procedeu prezintă urmatoarele avantaje: temperatură joasă de procesare, interacțiunile dintre matrice si materialul de ranforsare sunt limitate, lipsa defectelor de solidificare, distribuție uniformă a materialul de ranforsare. Cea mai utilizată tehnică este procesarea prin pulberi metalice, totuși, pulberile sunt piroforice, ceea ce inseamna riscul autoaprinderii, iar riscurile de sănătate sunt mari.

Procedeul constă în amestecarea pulberilor pentru matrice împreuna cu materialul de ranforsare urmata de compactizare și sinterizare în stare solida. Este important ca materialul de ranforsare sa fie uniform distribuit în amestec. În cazul fibrelor continue, discontinue sau wiskers-urilor este foarte importantă dimensiunea medie a pulberii metalului, astfel se imbunătătește efectul de impachetare.

Principalele etape ale fluxului tehnologic de obținere a compozitelor cu matrice metalica prin metalurgia pulberilor sunt prezentate in Fig. 2.1, Fig. 2.2, Fig. 2.3.

Amestecarea și lierea pulberilor se realizează în suspensie lichidă sau în stare solidă. Macinarea umedă, ce realizează omogenizarea si marunțirea pulberilor se produce in mori cu bile. Cea mai utilizată metoda de omogenizare si liere constă in utilizarea utilajului numit attritor.

Attritorul este un vas conic, asejat vertical, cu pereti dublii, iar la interior se afla un agitator mecanic alimentat de un motor. În incinta acestuia se afla bare si bile din carburi dure.

După finalizarea procesului de măcinare, amestecul se descarca pe intr-un decantor, iar apoi se introduce într-un uscător aproximativ 2-5 ore.

După alierea mecanica, amestecul se consolidează prin presarea unidirectională, la rece sau la cald prin presare izostatică în vederea obținerii unui comprimat crud.

La presarea izostatica la rece presiunea este aplicată cu ajutorul unui fluid ce actionează pe toata suprafața matricei.

Schema presarii izostatice la rece este prezentată in figura 2.4.

Prin presarea izostatică la rece, materialul fiind compactat din toate directiile rezultă un corp cu forma asemănătoare cu forma matricei dar cu dimensiuni mai mici in funcție de presiunea apicată. Presarea multidirecțională asigura obținerea unor produse cu densitate mare, uniformă și o porozitate redusă.

După presare, comprimatul este supus sinterizarii la cald pentru creșterea densitații și a rezistenței compozitului.

În timpul sinterizaarii au loc procese fizice si chimice precum: formarea fazei lichide, ce îmbunătățește îmbinarea particulelor precum si reducerea oxizilor superficiali, formarea soluțiilor solide, ce crește densitatea și recristalizarea din fază lichidă.

Sinterizarea se desfașoară in cuptoare cu atmosferă controlată sau în cuptoare cu vid.

Schema de infiltrare a metalului lichid in porii comprimatului se regăsește in figura 2.5.

CAPITOLUL 3

Elementele componente compozitului studiat

Pulbere de Aluminiu

Notiuni introductive

Pulberile de Aluminiu au fost utilizate inițial sub formă de foițe. Producția acestora a inceput in Statele Unite în jurul anului 1900.

Obținerea pulberii de Aluminiu prin tehnici specifice metalurgiei pulberii

Pentru obținerea pulberilor de aluminiu prin procedeul pulverizarii topiturilor metalice se folosește ca și agent de pulverizare aerul, anumite hidrocarburi lichide dar și gaze inerte. Prin această metodă de obținere a pulberilor rezultă particule cu morfologii variate de la forme inegale pâna la forme sferice, într-un interval dimensional de la micron la milimetru.

Amestecurile de pulbere de aluminiu cu aerul, în care proporțiile celor două componente sunt mari au un risc de explozie ridicat. Modalitatea de pulverizare a topiturilor metalice în vederea obținerii pulberii metalului (ALCOA) asigură un nivel de siguranță și micșorează riscul de explozie.

Morfologia particulelor obținute prin pulverizarea cu aer se prezintă sub formă neregulata si nodulară. Aerul comprimat reprezintă agentul de pulverizare în majoritatea proceselor de obținere a pulberii de aluminiu.

Pulberile de Aluminiu, care au fost obținute prin pulverizare de hidrocarburi lichide (motorină), au o comportare la presare și sinterizare superioara față de cele obținute prin pulverizarea cu aer. Aceste pulberi sunt caracterizate printr-un conținut scazut de Al2O3.

Pulberile de Aluminiu, care au fost obținute prin macinare folosind diferite tipuri de utilaje de fragmentare, au o morfologie „solzoasă”. Utilajele se află în medii protective pentru a evita pericolul de explozie și absolut necesar în prezență unor proporții de oxigen (3-6%). Ca și materie primă utilizată în producerea pulberilor de Aluminiu prin măcinare, se pot utiliza deșeuri de Aluminiu în special cele care rezulta la realizarea foliilor de Aluminiu după laminarea acestora.

Pulberea de Aluminiu obținuta prin macinare are dimensiuni medii de ordinul 25-45 microni.

Morfologia particulelor obținute prin macinare se modifică apreciabil odata cu creșterea timpului de măcinare.

Variația suprafeței specifice și a diametrului particulelor de pulbere de aluminiu, care au fost obținute prin măcinarea foliilor, in timp inregistrându-se o scadere a vitezei de rectificare a celor două marimi datorită creșterii gradului de ecruisare și totodata a modificării mecanismului fragmentarii.

Aluminiu având o ductilitate ridicată, fragmentarea sa poate fii ușurată prin creearea sau introducerea pe parcursul măcinarii a unor pause, la diferite intervale de timp. Asigurându-se în acest fel o scădere a temperaturii în incinta morii și totodata a incarcăturii, iar prin aceasta, o reducere a comportării ductile a pulberii de aluminiu care se v-a fragmenta și ecruisa mai superficial.

O metodă de mare interes o reprezintă obținerea aluminiului prin condensarea acestuia din stare gazoasă, deoarece pulberea rezultată fiind caracterizată prin dimensiuni relativ medii ale particulelor în domeniul 100 – 2000 Å. Bineințeles, aluminiul folosit trebuie să fie de puritate mare, acesta evaporându-se în gaze inerte la temperaturi în domeniul 1100 – 1500 °C și depresiuni de ordinul 332µPa.

Dimensiunile particulelor de pulbere de aluminiu, sunt dependente de distanța dintre zona de condensare în raport cu zona de evaporare, majorarea acesteia implicând o creștere a dimensiunilor particulelor.

Fibra de carbon

Notiuni introductive

Fibra de carbon conține cel putin 90% carbon și prezintă o structură preponderent amorfă care alternează cu zone cu structură ordonată. Aceasta conține straturi de atomi de carbon similare straturilor bazale grafitice.

Structurile grafitice cu orietări comune se constituie în pachete. În interiorul acestor cristale nu există o ordonare relativă între straturi.

În general, materialele care au un conținut mai mare de 92% carbon și au forma de fibra sunt considerate ca fibra de carbon.[12]

Pentru ca fibra de carbon să fie ușor grafitizabila sunt necesare anumite dimensiuni ale cristalelor precum și o orientare preferențială a acestora.

Datorită numeroaselor avantaje pe care le poseda, amintim: cost scăzut, compatibilitate cu matricele organice, proprietăți mecanice deosebite, etc.

Rezistența fibrei este dependentă de aranjarea straturilor de grafen. Grafenele sunt straturi hexagonale identice cu cele de grafit, constituite din atomi de carbon, dar care nu prezintă o singură orientare în spatiu, acestea pot fi plane dar si ondulate( (fig. 3.6).

Proprietățiile fibrei de carbon

În funcție de proprietățile mecanice, acestea se pot clasifica în:

High Modulus – modul de elasticitate mare

High Strength – rezistență la tracțiune ridicata

Intermediate Modulus

Fibrele de carbon au proprietăți mecanice ridicate și greutate redusa. Caracteristicile fibrei de carbon și grafit se pot regăsii in tabelul 3.7.

Proprietățile fibrei de carbon in comparație cu proprietățile altor fibre sunt prezentate in tabelul 3.8.

Obținere fibrei de carbon

Fibrele de carbon se pot obține din:

Poliacrilonitril (PAN)

Smoală mezofazică

Hidrocarburi (depunere din starea de vapori)

Fibra de carbon se obține dintr-o piroliză controlata a fibrelor de acrylic, acestea transformându-se într-un material cu o structura cristalină asemănătoare cu cea a grafitului natural. Procesul constă în încalzirea la temperatura de 200 – 300 °C timp de o oră a fibrelor de poliacrilonitril, această încalzire produce o oxidare superficială. În următoarea etapă, temperatura se ridica la 1500 – 2000 °C, timp de 30 minute, într-o atmosferă inertă, apoi se produce grafitizarea la 2500 – 3000 °C.

Etapele obținerii fibrei de carbon prin piroliza:

Oxidarea in aer – conduce la suprimarea punctului de fuziune

Carbonizarea – eliminarea azotului, oxigenului, apei astfel încat să rămână doar atomi de carbon. În urma procesului se obține o structura anizotropa cu straturi hexagonale aliniate pe axa fibrei.

Grafitizarea – conduc la orientarea planelor hexagonale și la creșterea modului de elasticitate.

Tratamentul de suprafață – oxidarea fibrelor in acid sulfuric și azotic pentru o mai bună aderență a fibrelor

Dacă în timpul procesului de grafitizare, temperatura crește spre 3000 °C, modulul de elasticitate, densitatea și gradul de orientare a planelor hexagonale se îmbunătățesc conform graficului prezentat în figura 3.10.

CAPITOLUL 4

Compozite Aluminiu Pulbere + Fibră de Carbon

Noțiuni introductive despre Compozit Al + F.C.

Caracteristica principală a materialelor compozite ranforsate cu fibre o constituie rezistența mecanică ridicată si modulul de elasticitate superior, aceste fenomene sunt datorate preluarii sarcinilor de către fibre.

Mecanismul transferului de sarcină de la matrice la fibre

La aplicarea unui efort extern asupra compozitului, fiecare element suferă o deformație independentă funcție de modulul său de elasticitate. Fibra suferă o deformație mica datorită rigidității, iar matricea o deformație puternica datorită ductilității.

Rezultă ca diferența dintre alungirea fibrei si a matricii, este mecanismul de transfer de sarcină de la matrice la fibră.

Lungimea critică și raportul de formă al fibrelor

Pentru studiul influenții lungimii critice și raportului de formă se va considera comportarea fibră – matrice prezentată in figura 4.2.

Având o lungime L și diametrul 2R al fibrei, se poate calcula tensiunea de întindere maxima σf prin raportul forță tangențială maximă la interfața fibră – matrice în secțiune transversală:

Din relația de mai sus se observă că pentru o anumita rezistență a matricei la forfecare, transferul este mai mare cu cât raportul L/R este mai mare. Daca se consideră ca lungimea fibrelor este egală cu lungimea critică obținem următoarea formulă:

Cu cât fibrele sunt mai subțiri cu atăt lungimea critică necesară pentru a efectua transferul de sarcină este mai mic.

Un transfer de sarcină bun de la matrice la fibra se obține numai atunci cand lungimea L este mai mare ca lungimea critica lc. Raportul lc/L trebuie sa fie subnunitar și poartă numele de raport de transfer de sarcină. În cazul în care raportul este supraunitar, transferul de sarcină nu are loc.

Mecanismul durificării cu fibre

În cazul aplicarii unei solicitări, ansamblul de elemente se comportă solidar, existând un transfer de sarcină de la matrice la fibre. Gradul de transfer se poate definii ca Ef/Em, raportul dintre modulul de elasticitate al fibrelor și modulul de elasticitate al matricei. Gradul de durificare se poate definii ca σf/σm, raportul dintre tensiuniile mecanice ale fibrelor și tensiuniile mecanice ale matricei. Proporționalitatea dintre aceste mărimi depinde de volumul fibrelor și volumul matricei, Vf/Vm:

Se observă din relația 1.3 ca fibrele din compozit vor fi mai solicitate odata cu creșterea modulului de elasticitate al lor față de modulul de elasticitate al matricei, și cu cât fracția volumica a fibrelor este mai mare.

Din examinarea figurii 4.3 (diagrama Krock) putem face următoarele observații:

Proporția de fibre trebuie să fie mai mare cu cât gradul de transfer este mai mic

Gradul de durificare subunitar nu asigură durificarea compozitului

Gradul de transfer subunitar nu asigură durificarea eficientă a compozitului

În concluzie, rezultă că numai materialele cu un raport al valorilor proprietăților mecanice care le situează în afara zonelor punctate din diagrama Krock pot forma compozite durificate. [1]

Propagarea fisurilor în compozitele durificate cu fibre

În compozitele cu matrice ductilă, efectul de crestare nu este cumulativ ca în cazul compozitelor cu matrice fragilă, matricea deformându-se plastic,iar curbura fisurii crește. Tensiunea de rupere se poate determina folosind relația Orewon.

γs – energia superficiala

γp – energia necesară propagării fisurii prin deformare plastică

γp are valori cuprinse între 10-2 și 10 J/cm2

γs este de ordinul 10-4

O fisură într-un material compozit este periculoasă doar dacă are lungimea de 500 până la 1000 mm. Astfel de cazuri nu se întalnesc in aplicațiile obișnuite.

Compozite cu matricea metalică ranforsată cu fibre

Compozitele cu matrice metalică armate cu fibre au o greutate specifică redusă, rezistență mecanice buna, rigiditate extrem de ridicată si stabilitate la temperaturi înalte.

Un aspect important al materialelor compozite cu matrice metalică este ca prin ranforsarea acestora cu diverse fibre sau particule, apar schimbări microstructurale ce conduc la îmbunatățirea proprietăților mecanice.

Compozitele cu matrice metalică au următoarele avantaje:

Stabilitate la temperaturi înalte

Rigiditatea și ductilitatea matricei metalica

Creșterea rigidității cu creșterea modululi de elasticitate

Conductibilitate electrică și termică

Coeficient de dilatare termică mic

Stabilitate față de mediu

Aceste avantaje sunt date de fracția volumică dintre matrice și armatură. În figura 4.6 se poate observa dependența valorii de întindere față de fracția volumică a fibrelor pentru aluminiu ranforsat unidrecțional cu fibre de carbon.

Creșterea proprietăților se datorează și orientării fibrelor în matrice. Orientarea fibrelor determina o anizotropie de proprietăți în întregul compozit (fig. 4.7).

Metalele ranforsate cu fibre prezintă o rezistență la uzura ridicată. În figura 4.8 este prezentată scăderea coeficientului de uzură față de alte aliaje convenționale.

Rezistența la temperaturi inalte a materialelor compozitelor ranforsate cu fibre este prezentată in figura 4.9.

Domenii de utilizare

În cazul aluminiului neranforsat, odată cu creșterea temperaturii se constată o scădere a rezistenței la întindere. În cazul aluminiului ranforsat cu fibre, aceasta scădere nu are loc. Obținerea compozitelor cu coeficienți de dilatare reduși a permis utilizarea lor in domeniile aerospațiale. Astfel de compozite sunt cele din aluminiu, ranforsate cu fibre de carbon, sau, cele din magneziu, ranforsate cu fibre de carbură de siliciu.

CAPITOLUL 5

Analiza experimentală asupra materialelor compozite

Descrierea experimentului

Un studiu extins s-a efectuat pentru a ivestiga potențialul compozitelor cu matrice metalică armate cu fibră de carbon. Obiectivul principal constă in obținerea unui material cu următoarele caracteristici:

Rezistență mare, greutate mică

Rezistență termica îmbunătățită, reducerea coeficientului de dilatare termică și creșterea conductivității termice

Îmbunatățirea proprietăților mecanice

Rezistența la oboseală

Proprietăți tribologice mai mari

Diverse studii s-au efectuat pentru a investiga utilizarea proprietăților mecanice superioare și proprietățile termice ale fibrei de carbon in compozite. [14-21]

S-a dorit studierea rezistenței la compresiune a unui compozit cu matrice metalica de Al ranforsat cu diverse proporții masice de fibra de carbon.

Realizarea materialelor compozite

Pentru realizarea probelor, am avut nevoie de următoarele materiale:

Pulbere de aluminiu (obținuta prin procesul de atomizare)

Fibră de carbon

Analiza pulberii de aluminiu:

Densitate aparentă:

Diametrul orificiului: 5mm

Diametrul cilindrului: 2.814 cm

Înăltimea cilindrului: 3.766 cm

Volumul cilindrului: 23.43 cm3

Masa 1: 24.84 g

Masa 2: 24.83 g

Masa 3: 24.84 g

Densitatea: 1.01 g/cm3

Densitatea în stare tasată:

Proba 1:

Volum: 4.6 cm3

Masa: 5.30 g

Densiteate: 1.16 g/cm3

Proba 2:

Volum: 4.4 cm3

Masa: 5.19 g

Densiteate: 1.17 g/cm3

Proba 3:

Volum: 5 cm3

Masa: 6.14 g

Densiteate: 1.22 g/cm3

Unghiul de taluz:

Diametrul cilindrului: 3.13 cm

Înalțimea cilindrului: 3.07 cm

Volumul cilindrului: 23.14 cm3

Unghiul: 32.7 grade

Fibra de carbon:

Taiăa la dimensiuni cuprinse între 1 și 5mm.

Probele:

Înalțime: 10mm

Diametrul: 10mm

Volum: 7.85 cm3

3 Probe Al sinterizat:

M = 7.92g (Densitate 1.01 g/cm3)

3Probe Al + 2.5 g F.C. fiecare probă :

3Probe Al + 5g F.C. fiecare probă:

3Probe Al + 7.5g F.C. fiecare probă:

Introducerea amestecului de pulbere cu fibra de carbon în matrice.

Presarea la 3tf – aluminiu pulbere simplu

Presare la 6N/m – aluminiu pulbere + fibra de carbon

Sinterizarea probelor la 600°C timp de 4 ore. (oxidarea Al in Al2O3)

Incalzire la 600 °C timp de 120 minute, menținere 4h la 600 °C

Analiza probelor la compresiune

Randul 1: al simplu

Rand 2: al fc 2.5g

Rand 3: al fc 5g

Rand 4: al fc 7.5g

Rand 5: al fc aleatoriu

Incercarea materialelor compozite

Duritate/Microduritate

Compresiune

Concluzii

Materialul compozite armat cu fibre de 1mm

Materialul compozite armat cu fibre de 2mm

Materialul compozit armat cu fibre de 3mm

Concluzii finale

[1]

Bibliografie

Carcea, I. , Materiale Compozite, POLITEHNIUM, 2008

Pavel, R., Contribuții privind implementarea materialelor compozite în construcția de mașini, Teză de doctorat, București, 1999

Moldovan P., Compozite cu matrice metalica, Printech, ISBN 978-606-521-091-2

Cojocaru M., Pulberi Metalice Producere & Procesare, Stiinta si Ingineria Materialelor (Vol. 10), Fair Partners , ISBN 978-973-1877-30-3

Bhav Sigh B, Balasubramanian M., Processing and properties of copper coated carbon fibre reinforced aluminium alloy composites. , J. Mater Process Technol 2009

Hufenback W et al., Fabrication technology and material characterization of carbon fiber reinforced magnesium., J Mater Process Technol 2006

Zhu Z et al., Fabrication and properties of carbon fibre reinforced copper composite by controlled three-step electrodeposition., J Mater Sci 1997

Lagiewka Makz., Properties of AlSi9Mg alloy matrix composite reinforced with short carbon fibre after remelting., Arch Foundry Eng 2015

Lerch BA, Hall DR, Leonhardt TA, As-received microstructure of a SiC/Ti-15-3 composite. National Aeronautics and Space Administration; 1998

Gundel DBaFEW. The influence of defects on the response of titanium/SiC fiber composites to thermal exposure. Compos Eng 1994

Korb G., Korab J., Groboth G., Thermal expansion behaviour of unidirectional carbon-fibre-reinforced copper-matrix composites. Compos A Appl Sci Manuf 1998

Morgan P. Carbon Fibers and their composites. CRC Press 2005

Tjong SC. Recent progress in the development and properties of novel metal matrix nanocomposites reinforced with carbon nanotubes and graphene nanosheets. Mater Sci Eng R: Reo 2013

Bushby R et al. Manufacture and evaluation of carbon fibre reinforced aluminium alloy. Proceedings of the… Woodhead Publishing; 1995

Hall I, Manrique F. Surface treatment of carbon fibers for aluminium alloy matrix composites. Scr Metall Mater 1995

Girot FA, Quenisset J, Naslain R. Discontinuously-reinforced aluminium matrix composites. Compos Sci Technol 1987

Blankenburgs G. Effect of carbide formation on the mechanical behaviour of carbon-aluminium composites. J Australian Inst Metals 1969

Baker A, Shipman MC, Jackson P. The short-term compatibility of carbon fibres with aluminium. Fibre Sci Technol 1972

Galasson F, Pinto J. Oxidation of carbon and metal coated carbon fibers. Fibre Sci Technol 1970

Baker A et al. Oxidation of aluminium-coated carbon fibres and carbon-aluminium composites. Fibre Sci Technol 1972

Trumper R, Scott V. Cast fibre reinforced aluminium alloy microstructures Developments in the science and technology of composites materials. Springer; 1989