Utilizarea fibrelor ca material de ramforsare la [619944]

Utilizarea fibrelor ca material de ramforsare la
obtinerea compozitelor
– Materiale textile compozite –

Indrumator: Sef lucr.dr.ing. Taraboanta I.
Liciu Vlad Costin
Grupa: 10508
EFT

2 | P a g e
Introducere
Materialele compozite reprezintă cea mai a vansată clasă de materiale inventate și produse
de om in epoca modernă, precum și o provocare pentru vitor in domeniul performantei știntifice
și tehnologice. Ele sunt constituite din cel putin doua faze de natură diferită care sunt astfel
combinate incât să formeze un material nou cu o combinatie superioară de proprietäti. in general,
sunt materiale cu performante neobișnuite in privinta raportului dintre proprietäti și greutatea
specifică.
Compozitele sunt materiale multifazice cu o interfata distinctă ș i bine definita intre fazele
constitutive care asigură insă un transfer de proprietati ce poate să conducă la obtinerea unui
produs cu performante exceptionale fatä de ale materialelor de pormire. Deoarece materialele
omogene sunt greu de intälnit in natur ă și sunt procesate cu dificultate de catre om, s -a convenit
că materiale compozite sintetice sunt numai acelea care se obtin printr -un efort special de
influentare a fenomenelor de la interfată. Astfel, multe alaje deși au in structură faze cu proprităti
foarte diferite, nu sunt materiale copozite, deoarece acestea apar fa solidificare färă o interventie
speciala din partea omului. Fontele și otelurile, aliajele neferoase eutectice sau peritectice,
indiferent de forma grafitului a lamelelor de cementità a lamelelor de soluti solide sau de
compuși chimici, nu sunt incluse in categoria materialelor compozite
In majoritatea cazunlor faza compozitului care se gåsește intr -o proportie mai mare și
care servește ca mediu de legătură intre elementele geometrice al e celorlalte faze,este denumita
matrice. Functie de proprietätile impuse și posiblitätle tehrico -materiale existente se pot utiliza:
– matrice organice – ráșini epoxidice, poliesteri alchidici, esteri vinilici etc
– matrice ceramice – oxizi, carburi. nitrur i etc.
– matrice carbonice -carbon, grafit
– matrice metalice – metale si aliaje
Faza dispersata inglobata in matricea metalica, reprezinta faza durificatoare si va fi
denumita in continuare, faza de ranforsare sau ranfort. Aceasta se poate prezenta sub fo rma de

3 | P a g e
granule, whiskers, fibre scurte, fibre lungi sau structure. Din punct de vedere geometric in afara
de forma si marime deosebit de importante este distributia si orientarea fifrelor si structurilor.
Clasificarea structurilor texile utilizate ca mater iale de ranforsare la
obținerea compozitelor polimere
Structurile textile utilizate ca agenți de ranforsare pentru compozite sunt sub formă de
fibre și fire, țesături, împletituri, tricoturi și nețesute, iar cele mai folosite matrici pentru
consolidarea ac estora sunt cele polimere.
O caracteristică importantă a compozitelor ranforsate cu fibre textile o constituie faptul că
ele pot prezenta proprietăți anizotropice (de exemplu rezistența, rigiditatea, proprietățile termice
și reținerea de umiditate pot vari a în raport de 1 până la 10 după diverse direcții).
Proprietățile structurii compozite sunt influențate de natura fibrei și proprietățile matricei,
respectiv de legăturile care se formează între cele două componente de bază ale compozitului.
Clasificarea s tructurilor textile de ranforsare se face ținând cont de mai multe variabile :
direcții de ranforsare, lungimea fibrelor (continue sau discontinue), orientare (necontrolat, liniar,
planar, tridimensional), metoda de obținere (țesătură, tricot, împletitură, nețesut).
Fibre și fire
Fibrele reprezintă principalul constituent al materialelor compozite. Ele ocupă cel mai
mare volum din compozit și suportă cea mai mare parte a forței ce acționează asupra structurii
compozitului. Selectarea tipului, cantității și orientarea fibrelor sunt foarte importante, deoarece
influențează următoarele caracteristici : densitatea, rezistența și modulul de elasticitate,
conductivitatea electrică și termică și costul compozitului. Principalele tipuri de fibre
comercializate, adec vate pentru compozite sunt prezentate în tabelul de mai jos:

4 | P a g e
Fibra Diametru
(m) Densitate
(g/cm3) Modul
de
elasticita
te
(GPa) Rezistență
la rupere
(GPa) Alungire
la rupere
(%) Coeficient
de
dilatare
termică
(10-6/0C)
Sticlă
Sticlă E 10 2,54 72,4 3,45 4,8 5
Sticlă S 10 2,49 86,9 4,30 5,0 2,9
Carbon pe bază
de PAN
T – 300 7 1,76 231 3,65 1,4 -o,6
longitudinal
AS – 4 7 1,80 248 4,07 1,65
T – 4o 5,1 1,81 290 5,65 1,8 – 0,75
IM – 7 5 1,78 301 5,31 1,81
GY – 70 8,4 1,96 483 1,52 0,38
Carbon pe bază
de gudron
P – 55 10 2 380 1,90 0,5 -1,3
longitudinal
P – 100 10 2,15 758 2,41 0,32 – 1,45
Aramidice
Kevlar 49 11,9 1,45 131 3,62 2,8 -2
longitudinal
Kevlar 149 1,47 179 3,45 1,9
UHWMPE
Spectra 900 38 0,97 117 2,59 3,5
Spectra 1000 27 0,97 172 3,0 2,7
Bor 140 2,7 393 3,1 0,7 5
SiC
(monofilament) 140 3,08 400 3,44 0,86 1,5

Fabricarea unei structuri compozite începe cu încorporarea unui număr mare de fibre într –
un strat subțire de matrice pentru a realiza o lame lă (o inserție). Grosimea acestei lamele este
cuprinsă între 0,1 -1 mm. Dacă se folosesc fibre lungi continue, ele se pot orienta unidirecțional
sau bidirecțional, de obicei perpendiculare una pe cealaltă .Pentru o lamelă ce conține fibre
continue unidirec ționale, materialul compozit are cel mai mare modul și cea mai mare rezistență
în direcția longitudinală a fibrelor, pe când în cazul compozitelor ce conțin fibre orientate
bidirecțional, rezistența și modulul în direcția transversală sunt foarte scăzute.

5 | P a g e
O lamelă poate fi obținută și din fibre discontinue sau scurte, care pot fi aranjate într -o
orientare unidirecțională sau întâmplătoare.

a b c d
Realizarea compozitelor ramforsate cu fibre
Compozitele ranforsate cu fibre discontinue au rezistență și modul mai mici decât cele cu
fibre continue, dar printr -o orientare întâmplătoare a fibrelor este posibil să se obțină proprietăți
mecanice și fizice apropiate în toate direcțiile din planul laminatului.
Preformatele laminate sunt realizate prin consol idarea a două sau mai multe structuri de
fibre și/sau țesături consolidate împreună. Proprietățile compozitelor laminate depind de orientarea
și compoziția straturilor individuale. Construcția laminatelor poate fi cvasi -izotropă sau anizotropă,
așa cum se observă din figura de mai jos. Straturile de material textil pot fi sau nu cusute împreună
(cele necusute pot fi predispuse mai ușor la delaminare).
Straturile din laminat pot conține fibre orientate toate în aceeași direcție sau în direcții
diferite.

6 | P a g e
Fibre de sticla
Fibrele de sticla sunt cele mai utilizate materiale de ranforsare. Principalul avantaj este
rezistenta la rupere prin alungire, la un pret foarte scazut. Dezavantajul principal este modulul de
elasticitate redus, rezistenta sl aba la abraziune, duritatea mare ceea ce la face dificil de prelucrat.
Exista doua tipuri de fibre de sticla larg utilizate ca ranforsanti: tipul E si tipul S. Exista si
tipul C care are rezistenta mare la coroziune si este utilizata în scopuri chimice. Fibrele de sticla
de tip E sunt cele mai utilizate datorita pretului scazut. Fibrele de sticla S au fost primele utilizate
la fabricare compozitelor pentru industria aeronautica, dar datorita duritatii mari sunt dificil de
prelucrat, si au un pre t mai ridicat.

Compozitia fibrelor de sticla
Fibrele de sticla E au rezistente la rupere de ordinul 3,5 Gpa (500000 psi).
Fibrele de sticla sunt produse ca monofilamente care se utilizeaza ca atare sau ca fibre
discontinue scurte obtinute prin taierea monofilamentelor la lungimi de 3 – 15 mm. Fibrele de
sticla se utilizeaza de aemenea sub forma de netesute sau tesaturi. Tesaturile util izate ca
materiale de ranforsare au structura tesaturii pe doua axe perpendiculare.
Fibre de carbon
Fibrele de carbon sunt comercializate într -o mare varietate de tipuri cu diferite module de
elasticitate (30×106 – 75×106 psi). In general fibrele cu modul de elasticitate mic au greutate
specifica mica, pret scazut, rezistenta la alungire mare, stabilitate dimensionala si coeficient de
dilatare termica mic. Dezavantajul principal este conductivitatea electrica si rezistenta mica la
impact. Tip fibra
de sticla SiO 2
[%] Al2O3
[%] CaO
[%] MgO
[%] B2O3
[%] Na2O
[%]
E 54,5 14,5 17 4,5 8,5 0,5
S 64 26 – 10 – –

7 | P a g e
Structural fibrele de carbon contin un amestec de grafit si carboon amorf. Modulul de
elasticitate mare este dat de grafit care este aranjat în plane paralele formate din cristale
hexagonale.
Fibrele de carbon se obtin prin carbonizarea un ui amestec de turba si fibre
poliacrilonitrilice la 1000°C în atmosfera inerta. Se realizeaza astfel un produs cu duritate mare
si modul de elasticitate mic care se carbonizeaza la 2000°C obtinându -se fibrele de grafit cu
modul de elasticitate mare.
Fibre Kevlar
Dintre materialele fibroase utilizate ca ranforsanti fibrele Kevlar au cea mai mica greutate
specifica. Sunt singurele fibre organice care au gasit o utilizare larga în domeniul compozitelor.
Rezistenta la alungire si modulul de elastici tate a celorlalte fibre organice cum ar fi fibrele
poliesterice si poliamidice (tip nylon) sunt prea mici. Singurul dezavantaj al acestor materiale
este rezistenta mica la compresiune si prelucrarea mai grea.
Ca material de ranforsare au înlocu it fibrele de sticla în industria aeronautica si marina
unde sunt necesare materiale usoare, elastice, cu rezistente la rupere mari si rezistenta la lovire.
Materialul cel mai întâlnit este Kevlar 49, o aramida cu cristalinitate foarte mare
(poliamida aromatica). Unitate structurala prezenta în Kevlar 49 cuprinde o grupare amidica si
un nucleu benzenic. Nucleul benzenic induce materialului duritate, rezistenta chimica si
stabilitate termica, în comparatie cu poliamidele alifatice. Aceste fibre n u se topesc, se
carbonizeaza la 800°C, domeniul de utilizare fiind 50 – 160°C. Filarea se realizeaza din solutie,
dupa filare având loc etirarea care confera o aranjare axiala a materialului. Intre lanturi se
creeaza legaturi foarte puternice de hidrogen.
Alte tipuri de materiale fibroase
-fibre poliesterice
Fibrele poliesterice au la baza polietilentereftalat si sunt utilizate pentru a conferi
materialului compozit rezistenta chimica si la abraziune. In general se utilizeaza sub forma de

8 | P a g e
tesatu ri, acestea conferind si o buna rezistenta la impact. De obicei nu se utilizeaza singure ca
ranforsanti ci în combinatie cu fibre de sticla.
-fibre poliacrilonitrilice
Fibrele poliacrilonitrilice se utilizeaza de asemenea sub forma de tesaturi marind
rezistenta chimica a compozitului, dar nu constituie un ranforsant principal folosindu -se de
obicei în combinatie cu alte fibre.
-fibre poliamidice alifatice (nylon)
Fibrele poliamidice se utilizeaza ca ranforsanti pentru rasinile epoxid ice generând
compozite flexibile cu rezistenta la impact mare, rezistenta chimica si la abraziune. Ele se
utilizeaza rar ca agent principal de ranforsare, în general se folosesc în combinatie cu fibrele de
sticla.
-fibre de PVC sau policlorura de viniliden
Fibrele de PVC sau PVDC se utilizeaza sub forma de netesute cu rol de a conferi
compozitului rezistenta chimica. Se folosesc doar în situatii speciale si foarte rar ca agent de
ranforsare principal.
-bumbac
Bumbacul îsi mai gaseste utilizarea la realizarea compozitelor fenolice. Se utilizeaza
foarte rar la ranforsarea rasinilor epoxidice si poliesterice.
-sisal
Se utilizeaza de asemenea ca ranforsanti pentru rasini fenolice la realizarea de obiecte
formate prin presare, si foarte rar pentru ranforsarea rasinilor epoxidice si poliesterice.
-azbest
Fibrele de azbest se utilizeaza în principal ca ranforsant pentru rasinile fenolice pentru
realizarea de obiecte formate prin presare, cu rolul de a creste duritatea si rezistenta termica a

9 | P a g e
compozitelor. Se utilizeaza ca ranforsanti pentru rasinile poliesterice si epoxidice cu rol de a
mari duritatea, rezistenta chimica si la apa.
-iuta
In principal s -a utilizat în India ca material de ranforsare pentru ras inile poliesterice, sub
forma de monofilamente sau tesaturi.
-fibre de bor
Fibrele de bor au fost utilizate ca ranforsanti pentru rasinile epoxidice generând
compozite cu utilizare în industria aeronautica. Sunt mult mai scumpe decât fibrele de carbon si
mult mai greu de obtinut. Modulul de elasticitate si rezistenta la alungire sunt apropiate de cele
ale fibrelor de carbon.
Cu exceptia fibrelor de bor care se obtin sub forma unui singur filament cu diametru
relativ mare, celelalte fibre se obti n sub forma de manunchiuri de filamente continue si fine, care
pot fi folosite ca atare,taiate la lungimi standardizate sau prelucrate prin operatii textile in
materiale netesute sau in tesaturi si impletituri bi – si tridimensionale, neimpregnate sau
preim pregnate. Manunchiurile de filamente continue au fost denumite dupa terminologia
engleza, conform unor detalii ale procesului de fabricatie, astfel: tow, roving si yarn .
O comparatie in ceea ce priveste rezistentele la tractiune a diferitelor tipuri d e fibre este
prezentata in figura de mai jos:

10 | P a g e
BIBLIOGRAFIE
1. Material textile composite – Sef lucr.dr.ing. Taraboanta I. – Curs
2. Materiale comozite Fenomene la interfata – Ioan Carcea – Editura Politehnium,2008
3. http://www.scritub.com/stiinta/chimie/MATERIALUL -DE-
RANFORSARE531012112.php
4. http://www.scritub.com/tehnica -mecanica/St ructuri -compozite -aplicate -i73163.php