Cursul 5

PROCESAREA MATERIALELOR COMPOZITE

2.1 Generaliti

Materialele compozite sunt materiale cu proprieti anizotrope, formate din mai multe componente, a cror organizare i elaborare permit folosirea celor mai bune caracteristici ale componentelor, astfel nct acestea s aib proprieti finale n general superioare componentelor din care sunt alctuite.

O clasificare general a materialelor compozite cuprinde urmtoarele grupe de produse:

- produse macromoleculare modificate prin copolimerizare n bloc, care reprezint amestec de polimeri;

- produse armate cu whiskersuri (particule monocristaline filiforme de natura ceramic sau metalic) sau cu fibre;

- produse metalice ranforsate cu fibre, prin placare, prin ntreptrundere de gaze etc.Materialele care intr n structura compozitelor sunt:- mase plastice;- fibre sintetice, de sticl, de carbon, de bor, lemnoase, metalice, celulozice etc;- metale ca Ni, Co, Al, Cr, Ti, W, Ta, Zr, Mo etc;- celulozice (hrtie);- lemn sub form de placaje, plci aglomerate etc.Materialele compozite pot fi mprite n urmtoarele categorii:- stratificate, plastice, placate;- cu particule dure, nemetalice sau metalice;- cu fibre, materiale armate;- tip fagure, din material metalic, nemetalic sau mas plastic expandat, cu goluri

sub form de celule hexagonale nscrise ntr-un cerc;- sistem de oxid de metal-metal;- obinute prin solidificare dirijat;- stratificate (bimetale, materiale metalice tip sandwich).Pe baza experimentrilor s-a putut stabili principalele proprieti ale acestor

materiale, folosirea unuia sau altuia, sau combinarea acestora fiind determinant n

stabilirea domeniului de utilizare. Astfel se remarc proprietile: fizice, mecanice, tehnice, chimice, electrice, magnetice, optice, estetice i de prelucrabilitate. n funcie de aceste proprieti, dar i n raport cu domeniul de utilizare, se stabilesc procedeele de extracie i de prelucrare, echipamentele, aparatura de msur i control aferente.

n ultima perioad datorit creterii consumului de astfel de materiale, a mbuntirii proprietilor, s-a trecut la realizarea celei de a II-a generaii, care prezint o serie de avantaje pentru o gam larg de produse. Principalele avantaje sunt:

- mas volumic redus n raport cu metalele;- rezisten la traciune sporit;- durabilitate mare n funcionare;- capacitate ridicat de amortizare a vibraiilor;- siguran mare n funcionare (ruperea unei fibre dintr-o pies de compozit nu

constituie amors de rupere pentru pies);- consum energetic sczut i instalatii mai putin costisitoare n procesul de

obinere, n raport cu metalele;- au o rezisten practic nelimitat la aciunea proceselor determinate de agenii

atmosferici (oxidare, coroziune, mucegai);- stabilitate chimic i rezisten mare la temperaturi ridicate.Materialele compozite au fost utilizate pentru prima dat n domeniul aerospaial

unde i n prezent au o mare rat de utilizare, fie sub form de fibre de carbon, de bor i de siliciu, ca atare, fie ca materiale de ranforsare n matrice din rini epoxidice, n general pentru structuri de aeronave i nave spaiale, fie sub form de ceramice i metale.Compozitele din matrice din aliaje cu baza Ni i Co ranforsate cu fibre din carburi i oxizi metalici (CTa, CNi, CZr, Al2O3) sunt utilizate pentru componente vitale, care funcioneaz n regim termic ridicat, ale motoarelor turboreactoare i rachetelor. Prin calitile lor, compozitele conduc la simplificarea structurilor aerospaiale, cu consecine favorabile asupra economicitii i fiabilitii aeronavelor n procesul de producie i exploatare.

n domeniul naval ca materiale compozite se folosesc cu precdere rini poliesterice, armate cu fibre de sticl, cu fibre de carbon i fibre de aramide, n special pentru ambarcaiuni sportive i nave uoare, avnd avantajele c au greuti reduse i rigiditi mrite, ceea ce a permis creterea vitezei i reducerea consumului de combustibil.

n domeniul transportului rutier materialele compozite se folosesc n primul rnd datorit greutii lor reduse, rezistenei ridicate la oxidare i coroziune, n procente care reprezint creteri de 5-10% anual, n detrimentul metalelor. Reducerea greutii unui autoturism cu 100 kg conduce la o economie de combustibil de un litru la fiecare 100 km. n domeniul auto compozitele se folosesc pentru: caroserii, sistemul de alimentare cu combustibil, panoul de comand etc. n sistemul de frnare compozitele din fibre de carbon sunt deosebit de eficiente, ntruct coeficientul de frecare crete cu temperatura.

n domeniul electronicii sunt solicitate materiale compozite n cantiti tot mai mari, cu precdere compozite coninnd materiale plastice speciale, rini poliamidice, policarbonai, siliconi etc. Se apreciaz c n prezent acest domeniu absoarbe 25% din consumul total de materiale compozite cu destinaie industrial, att pentru componentele electronice active (capsule pentru circuite integrate) ct i pentru componentele pasive (suporturi pentru imprimante, conductoare, conectoare).

n domeniul telecomunicaiilor, materialele compozite se folosesc la izolaii de cabluri telefonice din polietilen de joas i nalt densitate, la transmisiile prin satelii, unde pentru structurile de rezisten i la discurile antenelor sunt utilizate compozite armate cu fibre de sticl.

n domeniul medical se utilizeaz materiale compozite cum sunt: compui cu polimeri pentru transplanturi, proteze i implanturi cardiace, unele substane pentru coagularea sngelui, n ortopedie, unde trebuie s rspund unor mari necesiti biologice i unde cele mai adecvate s-au dovedit a fi sistemele de compozite de grafit polisulfuric i sticl-aramid-polipropilen i sticl epoxidic cu bune propriti de adaptabilitate biologic.

Biotehnologia, simbioza tehnologie-biologie, este de natur s lrgeasc mult gama de materiale i mai ales de procese cu totul noi privind realizarea de materiale cu caracteristici spectaculoase n funcionare, cu consumuri energetice sczute n procesul de obinere, cu durat mare de via, practic indiferent fa de oxizi i microorganisme etc.

2.2 Tehnici i tehnologii pentru realizarea compozitelor

Materialele compozite reprezint un concept nou i au fost realizate ca o soluie pentru creterea performanelor motoarelor turboreactoare. Un metal compozit este format dintr-o matrice metalic realizat dintr-un aliaj pe baz de Ni sau Co, mbuntit prin aliere cu W, Mo, V, Al, Zr, B i fibre de ranforsare, carburi metalice de Ni, Ti, Nb, Ta, solidificarea orientat fiind realizat ntr-un echilibru cvasitermodinamic. ncercrile privind creterea temperaturii de funcionare n motoare i rachete au impus concluzia c dou tipuri de aliaje pot depi dificultile i rezist la temperaturi pn la cca 1500 K:

- aliaje eutectice cu solidificare direcional (orientat), cunoscute sub denumirea generic de DSE;

- aliaje durificate prin dispersie de oxizi, cunoscute sub denumirea generic de ODS.n raport cu aliajele i superaliajele, metalele compozite au proprieti superioare

caracterizate prin:- creterea temperaturii la care pot fi utilizate;- rezisten ridicat la fluaj;- stabilitate redus la ciclajul termic;- stabilitate structural perfect n toate domeniile de ntrebuinare;- rezisten mecanic ridicat;

- rezisten ridicat la oc i la tensiune mecanic.n momentul de fa exist o preocupare intens din partea unor productori din

Frana, Germania, Anglia, Rusia, Japonia, S.U.A. pentru realizarea unor materiale compozite mbuntite a cror performane sunt superioare celor utilizate n prezent. n tabelul 2.1 se prezint comparativ compoziiile superaliajului IN-100 i compozitului Cotac 744.

Tabelul 2.1Compoziia chimic a unui superaliaj i a unui compozit

Materialul Ni Cr Co W Mo Al Nb C V Zr Ta B

IN-100 Baza 10 15 - 3 5,8 - 0,78 1 0,6 4,7 0,014

Cotac 744 Baza 4 10 10 2 6 4,7 0,5 - - - -

Cnd se solidific un lichid de compoziie eutectic CE (vezi fig. 2.1) se obine un solid bifazic avnd o structur lamelar sau fibroas (acicular). n timpul solidificrii unui eutectic cele dou faze cresc simultan i normal la suprafaa de solidificare.

Fig. 2.1 Diagrama de echilibru a unui sistem binar cu componeni parial solubili n stare solid

Pentru a obine un compozit cu structur uniform este suficient ca izoterma de solidificare s fie plan i viteza de solidificare constant.

Pentru a realiza o solidificare cu suprafa plan se utilizeaz o instalaie ca cea prezentat n figura 2.2, cuprinznd o surs cald (nclzitor), situat la partea superioar a montajului, o surs rece (rcitor), situat la partea inferioar i o izolaie termic la nivelul suprafeei de solidificare.

nelegerea mecanismului creterii eutectice a fcut obiectul a numeroase studii n ultimii ani, ajungndu-se la concluzia c izolarea termic permite obinerea unui flux de cldur unidirecional la nivelul suprafeei de solidificare i n consecin a unei izoterme de solidificare plan. Compozitul se obine prin deplasarea piesei turnate de la sursa cald la rece, fibrele sau lamelele crescnd perpendicular pe frontul de solidificare. Procesul se

desfoar respectnd condiia:

G/v > T/D , (2.1)

n care:- G gradientul de temperatur al suprafeei de solidificare;- v viteza de solidificare;

- T intervalul de solidificare;- D coeficientul de difuzie.

Astfel au fost dezvoltate dou compozite COTAC (cobalt i carbur de tantal Co-TaC) i NITAC (nichel i carbur de tantal). Compozitele COTAC (vezi fig. 2.4) au toate aceeai structur i morfologie, fiind constituite dintr-o matrice austenitic cu fibre de monocarburi de Ta i Nb. Fibrele nu ocup mai mult de 6%-8% din volum n funcie de compoziie. Compozitul este policristalin cu gruni columnari de matrice i fibre de carbur. Fibrele au forma unor prisme drepte a cror seciune este un ptrat cu colurile teite (vezi fig. 2.5). Cele dou faze sunt coerente pentru c parametrii lor nu difer mai mult de 25%.

Fig. 2.2 Schema instalaiei de solidificare unidirecional

Fig. 2.4 Structura compozitului COTAC

nclzitor Lichid

Fibrele monocristale perfecte de carbur de Ta sau Nb, funcie de compoziie, au un factor de form L / D mai mare de 10000. n aceste compozite fibrele pot fi deci

considerate continue. De fapt, planele care limiteaz geometric fibrele nu sunt netede ci prezint teituri. Un studiu al structurii interfeelor fibre-matrice, efectuat la microscopul electronic a artat existena unor defecte lineare, a cror analiz a permis demonstrarea faptului c interfaa real de contact dintre fibre i matrice este constituit din plane. Faptul c interfeele sunt plane, permit explicarea ntr-o anumit

msur a puternicei coeziuni dintre fibre i matrice, observat la toate compozitele.

2.3 Proprieti mecanice ale materialelor compozite

ncercarea la traciune permite s se studieze modurile i mecanismele de deformare a corpurilor metalice. Studiul compozitelor a necesitat un volum mare de ncercri care, n principal, trateaz compozitul ca o simpl asociere a dou faze care se supun legii amestecului:

Pc = f Vf + m (1 Vf ) , (2.4)

unde:

- f densitatea fibrelor;- m densitatea matricei;- Vf volumul fibrelor (%);- Pc ponderea compozitului.Aceast relaie simpl are meritul de a fi dat satisfacie ntr-un numr mare de cazuri,

presupunnd ns c nu exist interaciune ntre cele dou faze.

Fig. 2.5 Seciune transversal printr-un compozit n care se observ fibra n matrice

n continuare este prezentat mecanismul care conduce la ruperea fibrelor. La maximum de tensiune de traciune, n stadiul 2 tensiunea suportat de fibre, determinat prin legea amestecului este de ordinul a 10000 MPa, care este net inferioar limitei rezistenei teoretice de rupere ( 25000 MPa). Pentru a explica deci ruperea fibrelor trebuie admis existena, n vecintatea fibrelor, a concentratorilor de tensiune. ntruct fiecrei rupturi a fibrei i este asociat o linie de alunecare a matricei, este normal s se presupun c originea concentrrii de tensiune se afl n aceast alunecare. Unul dintre

mecanismele prin care se poate provoca o concentrare mare de tensiuni n compozit este acumularea dislocaiilor n vecintatea fibrei. n cursul deformrii micoepruvetelor compozitului rezult mai mult de 100 de dislocaii n apropierea fibrelor (vezi fig. 2.7). O analiz cantitativ a dislocaiilor permite, cu ajutorul teoriei dislocaiilor, s se estimeze att tensiunea aplicat microepruvetei ct i tensiunea la captul acumulrii de dislocaii. n cazul acumulrilor de dislocaii sesizabile, tensiunea de forfecarea n captul acumulrii atinge 20000 MPa. Aceast tensiune este de acelai ordin de mrime ca i limita de elasticitate teoretic a carburii de tantal. n prezena tensiunilor locale, de asemenea ridicate, este posibil apariia unor fisuri

n fibra monocristal a carburii; aceast fisur se va propaga pe urm sub simpla aciune a tensiunii aplicate, conducnd la ruperea fibrei. Modul de deformare a compozitelor COTAC la temperatura ambiant este deci urmtorul: n stadiul al II-lea sursele dislocaiilor sunt activate i astfel se formeaz acumulri de dislocaii n apropierea fibrelor; n timpul ncercrii la traciune numrul de dislocaii din acumulare crete cu tensiunea aplicat pn ce tensiunea de la captul acumulrii atinge limita elastic teoretic a carburii. Fibra se rupe i nu mai suport dect o sarcin neglijabil n vecintatea rupturii.

Pentru compozitele pe baz de nichel factorul esenial care condiioneaz comportarea bun la ncercri termice a acestui tip de compozit este deformarea plastic bun a matricei, care poate fi puternic durificat prin precipitarea fazei coerente (Ni3Al). Curbele de fluaj ale compozitelor pe baz de Ni difer sensibil de cele ale compozitelor pe baz de Co. Pn la aproximativ 1000 ... 10200 C prezint o alungire prin fluaj cu mult mai mare (7 ... 10 %) dect cea a compozitelor pe baz de Co (1,5 ... 2 %). Sfritul stadiului 2, care corespunde cu ruperea fibrelor, intervine la o deformaie de ordinul a 1,5 %. Ca

Fig. 2.7 Dislocaii n apropierea fibrelor unui compozit

urmare, ductilitatea mai mare a compozitelor cu baz de Ni provine din durificarea matricei prin precipitarea fazei , durificare care permite matricei s preia din sarcina de rupere a fibrelor.

n practic se vor ns i compozite care s rspund i gamelor de temperaturi medii i tensiuni mari. Unul dintre acestea este compozitul COTAC 744

Materialele compozite folosite curent sunt utilizate i la variaii rapide de mare amplitudine, ale temperaturii (de la 20 la 10700 C) motiv pentru care se poate produce o deteriorare a materialului, ce poate conduce la o scdere brusc a caracteristicilor mecanice. n cazul compozitului COTAC 3, variaia temperaturii de la 20 la 10700 C, de dou ori pe or, determin o reducere a durabilitii la fluajul izoterm. Aceast scdere a caracteristicilor, care poate deveni catastrofal, se datorete unei deteriorri a fibrelor n cursul ciclajului termic. Natura deteriorrii fibrelor este foarte diferit i este funcie de poziia temperaturii maxime de ncercare de 10000 C. Pentru temperaturi mai joase de 10000 C fibrele sunt doar rupte, fr ca forma lor s fie alterat; din contr, la peste 10000 C se modific chiar i forma fibrelor, la captul a cteva sute de cicluri efectuate ntre 200 C i 10000 C. Aceste dou feluri de degradare a fibrelor se datoresc unui efect mecanic la 10000 C i unui efect simultan mecanic i chimic pn la 10700 C.

2.4 Stabilitatea termic a compozitelor

Problema stabilitii termice a materialelor compozite mbrac diferite aspecte datorit regimurilor de temperatur foarte variate la care ele sunt utilizate n mod frecvent i care pot determina modificri structurale importante ale compozitului. n cazul metalelor compozite care rezist pn la temperatur de ordinul 11000 C, adic cu 1000 C mai mult dect cel al superaliajelor, problema stabilitii termice prezint un aspect particular, deoarece deteriorarea fazei de ranforsare se manifest printr-o scdere important a caracteristicilor mecanice.

Procedeele i metodele de fabricare ale materialelor compozite se afl ntr-o continu dezvoltare i diversificare. Fabricarea materialelor compozite este de cele mai multe ori n concordan i cu obinerea unui produs finit. La fabricarea materialelor compozite trebuie s se in cont de reacia reciproc armtur-matrice i pot fi urmtoarele cazuri:

- fabricarea compozitelor cu matrice metalic la temperaturi ct mai joase pentru a diminua efectele negative ale reaciilor matrice-fibre ce formeaz un strat relativ subire, ns nu exagerat de subire;

- fabricarea compozitelor cu matrice metalic bazate pe adeziune prin difuzie a fibrelor sub form de folii sau pulbere la presiune nalt i temperatur mai mic dect temperatura de topire a materialului matricei. n acest caz se introduce un strat protector ca barier chimic pentru reaciile dintre fibre i matrice.

Din punct de vedere al configuraiei armturii sau geometriei armturii, materialele compozite pot cuprinde configuraiile din figura 2.10.

Armtura poate fi din particule sau fibre scurte distribuite n masa matricei sau armtur stratificat rezultat prin suprapunerea mai multor straturi de fibre paralele.

Fabricarea materialelor compozite cu matrice metalic utilizeaz urmtoarele procese:

- metalul matricei este n stare lichid (turnare sub presiune sau prin aspiraie, infiltrare sub vid);

- metalul matricei este n stare semilichid (presare n stare semilichid sau amestecarea n stare semilichid);

- metalul matricei este n stare solid (ncor-porarea prin deformare plastic a matricei sau legarea pin difuzie).

Tehnologia de fabricare a compozitelor cu matrice pe baz de aluminiu sau zinc se utilizeaz n cazul matricei din aliaje de aluminiu armate cu pulberi ceramice de tip abraziv sau fibre scurte din alumin. Fabricarea lor se realizeaz prin infiltrarea armturii cu matrice lichid, n vid sau prin amestecare. n cazul matricei din aliaje de zinc se armeaz cu pulberi din carbur de siliciu de tip abraziv, fibre scurte din aluminiu etc.

Metoda tehnologic de infiltrare sub vid se realizeaz ntr-o instalaie ca cea din figura 2.11, n care aliajul de zinc este topit ntr-un cuptor electric cu creuzet, amplasat ntr-o incint nchis n rapor cu mediul exterior. Armtura, fie sub form de particule, fie preformat din fibre, se introduce ntr-o matri nclzit electric. Cnd n incint se trimite gaz inert sub presiune (100 bari), iar n matri se creeaz vid, aliajul va ajunge prin tubul de legtur n matri, infiltrndu-se n armtur, care l absoarbe spontan.

Fig. 2.10 Configuraii sau geometrii n armtura

materialelor compozite: a-particule; b- fibre foarte

scurte;c- fibre lungi

Metoda amestecrii mecanice urmat de turnarea sub presiune este utilizat cnd

armtura este o pulbere de carbur de siliciu care se introduce n aliajul de zinc aflat n stare lichid. Amestecarea are loc ntr-un cuptor electric cu creuzet, sub aciunea unui agitator mecanic cu elice. Cuptorul este amplasat ntr-o incint n care se introduce sub presiune un gaz inert, caz n care aliajul de zinc lichid se deplaseaz prin tubul de legtur n matri. Schema instalaiei de amestecare i turnare sub presiune este prezentat n figura 2.12.

2.5 Tehnologia de realizare a materialelor compozite cu fibre lungi

Dezvoltarea actual foarte important a compozitelor cu fibre lungi este determinat de necesarul, mereu n cretere, de materiale uoare cu caracteristici ridicate, pentru realizarea de structuri moderne. Dezvoltarea acestor compozite a fost posibil prin:

- mbuntirea considerabil a caracteristicilor materialelor datorit ranforsrilor cu fibre care permit diminuarea defectelor compozitului i apropierea acestuia de performanele lui teoretice;

- progresul tehnico-tiinific este orientat pe: fabricarea fibrelor (dezvoltri importante n producia de fibre lungi de natur divers, la preuri acceptabile); producia

Fig. 2.11 Instalaia de infiltrare sub vid:1- pomp de vid; 2- gaz inert;3- armtur; 4- matri; 5- tub; 6- aliaj; 7- creuzet; 8- cuptor

electric; 9- incint sub presiune; 10- suportul instalaiei

Fig. 2.12 Instalaia de amestecare i turnare sub presiune:1- gaz inert;

2- matri;3- galerie; 4- incint sub presiune; 5- tub; 6- aliaj lichid;

7- cuptor; 8- creuzet ;9- agitator; 10- suportul instalaiei

de structuri esute (utilizarea esturilor din ce n ce mai complexe care impune automatizarea tehnologiilor); matriarea compozitelor.

Primele criterii de apreciere a compozitelor moderne au fost rigiditatea i rezistena mecanic specific. Ulterior a aprut problema realizrii compozitelor rezistente la temperaturi nalte, care trebuie s furnizeze soluii care s satisfac multiple probleme aprute n diverse domenii.

Pn n prezent dezvoltarea compozitelor s-a bazat n special pe ranforsarea materialelor ductile (mase plastice, metale) sau care prezint alungiri mari la rupere cu fibre, avnd caracteristici mecanice (rezisten la rupere i modul de elasticitate ridicate) ridicate. Compozitele cele mai utilizate sunt constituite fie din fibre de sticl sau de carbon ntr-o matrice de polimer, fie din fibre de bor n matrice de Al sau Ti. n aceste tipuri de compozite, tensiunile mecanice, prin intermediul matricei, se transmit fibrelor (n ipoteza unei excelente adeziuni fibr-matrice), pn la ruperea acestora.

Rezistena la rupere (limita de alungire la rupere a fibrei) i modulul de elasticitate ale compozitului pot fi calculate pecnd de la relaiile:

RC = Vf Rf + Em Vm f ,EC = Vf Ef + Vm Em , (2.7)

n care:- RC rezistena la rupere;- V procentul din volumul fibrelor;- E modulul de elasticitate;

- alungirea a rupere;- C, f, m indic materialul compozit , fibra, respectiv matricea.n tabelul 2.2 sunt prezentate mbuntirile aduse materialelor compozite, ct i cele

viitoare ca urmare a progresului tehnic.

Tabelul 2.2Proprieti ale compozitelor i mbuntiri ale acestora

Fibr-matrice de compozit

Material de ranforsare

Proprietile compozitului mbuntiri viitoare

Fibre de sticl-Poliester

Plastic Rezisten mecanic naltRigiditate naltGreutate redus

Dezvoltarea materialelor plastice

Fibre de carbon-

Poliamide

Plastic Termostabilitate mareRigiditate mare i rezisten pn la 2500 C

Ameliorarea materialelor plastice

Fibre de bor- Metalic Rezisten mare la fluaj mbuntirea cunotiin-

Al, Ti Rigiditate mare i rezisten pn la 5500 C

elor metalurgice

Fibre de SiC/Al2O3/C-

Sticl

Ceramic Tenacitate pn la 6000 C Presarea n stare topit

Fibre metalice-

Si3N4

Ceramic Tenacitate pn la 11000 C Presarea izostatic la cald

Carbon-carbon

Ceramic Tenacitate pn la 26000 C Matriarea carbonuluiOrganizarea polidimen-sional a fibrelor

Ranforsarea compozitelor cu fibre de ultim generaie confer acestora proprieti nc neegalate, n special, n domeniul ruperii materialelor. Parametrii importani care influeneaz proprietile mecanice la temperatur nalt ale compozitelor sunt prezentate n figura 2.14.

Fig. 2.14 Parametrii care influeneaz proprietile compozitelor

Acetia influeneaz ndeosebi proprietile componentelor compozitului (mecanice, fizice i chimice), forma i distribuia fibrelor i gradul de interaciune ntre fibre i matrice (adeziune i compatibilitate). Din punct de vedere mecanic, compozitele refractare se caracterizeaz n general, printr-o alungire la rupere a matricei mai mic dect cea a fibrei. Ruperea lor este influenat de alungirea matricei (tot n ipoteza unei excelente adeziuni ntre fibre i matrice). Din relaia 2.7 reiese c cel mai bun compozit va fi obinut cu fibre al cror modul de elasticitate va fi ct mai mare posibil.

Caracteristicile mecanice ale fibrelor actuale sunt prezentate n figura 2.15.

Proprietile mecanice ale fibrei

Structurafibrei

Proprietile mecanice

ale matricei

Proprietilecompozitului

Interaciunea fibr-matrice

Adeziunechimic fizic

Compatibilitatechimic fizic

Fig. 2.15 Caracteristicile unor compozite

Tabelul 2.3Rezistena mecanic a fibrelor de Al2O3 n funcie de

lungimea acestora, la 200 C

FibraLungimea fibrei

L = 6,3 mm L = 12 mm

Al2O3 1370 MPa 650 MPa

Al2O3 cu depunere de SiO2 1870 Mpa 1500 MPa

Fibrele de Al2O3 (vezi tabelul 2.3) au o mare sensibilitate la cresttur, n special n absena oricrei protecii a suprafeei acestora (depunere de siliciu). Rezistena lor la traciune se diminueaz notabil n funcie de lungimea acestora i se explic n parte prin natura policristlin a fibrei.

Fig. 2.16 Forme arhitecturale pentru esturile compozitelor

Proprietile mecanice ale materialelor compozite sunt influenate i de modul de dispunere a fibrelor n acesta, mai precis de orientarea lor care se poate face urmnd 1, 2, 3 sau n direcii (vezi fig. 2.16).

Cuplurile matrice-fibr studiate sau n curs de studiere sunt prezentate n tabelul 2.4.

Tabelul 2.4Cupluri matrice-fibr studiate i n studiu

MatriceFibra

C SiC Al2O3 SiO2 Cr2O3 Si3N4 Sticl

C eventual protejate O O O O

SiC O O O OAl2O3 O O

SiO2 O

O studiate

- n curs de studiu

2.7 Obinerea compozitelor prin injectarea acestora din faz lichid precursoare

O posibiliate de obinere a compozitelor este depunerea chimic din faza de vapori ce poate fi considerat similar cu precipitarea unui produs solid de reacie n interiorul unui fluid suprasaturat. Etapele acestui proces activat termic constau n esen din reacii de piroliz desfurate prin mecanisme complexe (ca la reaciile chimice eterogene gaz-solid) i fenomene de transport prin difuzie.

n suspensie ntr-un lichid cu concentraie puternic acestea prezint toate calitile cerute unui compozit ceramic pentru prelucrarea prin matriare (dimensiune, sinterizare la temperatur joas i fr presiune). n acest sens se pot da ca exemplu compozitele silice-silice i carbon-carbon saturate cu carburi metalice refractare. Substanele ceramice utilizate frecvent i obinute la granulaie extrem de fin, mediile de suspensie precum i caracteristicile acestora sunt prezentate n tabelul 2.5.

Tabelul 2.5Substane ceramice de granulaie fin

Substana Mediul materialelor n suspensie

Temperatura de calcinare sau

reacie oC

Densitatea pulberii

g/cm3Al(OH)3

-Al2O3- Al2O3Al2O3-ZrO2

Zitrit

3Al2O3-2SiO2

MgO- Al2O3Zn. Al2O3CoO. Al2O3

123-1111414114111

125125125900550125300550125550550125550550

150014001500

0,220,190,090,330,300,140,100,100,900,301,000,140,100,390,401,011,50

1- alcool izopropilic; 2 aceton; 3 benzen sau toluen; 4 ap

Tehnologia (reaciile chimice) de obinere a substanelor ceramice din geluri coloidale este prezentat n figura 2.17.

ALUMIN alcoxid de Al(OH)3hidrolizAlO(OH) gelatinizarepirolizaAl2O3 aluminiu 12000 C

SILICE alcoxid de Si(OH)4hidrolizetaxisilanolgelatinizarepirolizSiO2 siliciu 6000 C

OXID DE BOR alcoxid de B(OH)3hidroliz B2O3 bor

STICL amestec alcoxizi hidroliz gelatinizare piroliz sticlMULTI COM- metalici polimerizare

POZITINTRODUCEREA COMPOZITELOR (CI LICHIDE)

Fig. 2.17 Reacii chimice de obinere a substanelor ceramicePrecursori chimici. La tehnica cu precursori chimici se utilizeaz compozite organice

sau organometalice care se caracterizeaz prin:- topire n domeniul lor de termostabilitate;- capacitatea de a se transforma prin reacie pirolitic n substan ceramic, cu un

randament ponderal ct mai ridicat posibil.n figura 2.18 sunt date cteva exemple de precursori utilizai sau aflai n atenie.

PRECURSORI PUNEREA N VALOARE A MATRIAREA FINA- NATURAFOARTE DIVERI PRECURSORILOR L A COMPOZITELOR MATRICEI

MINERALO-ORGANICIORGANO-METALICI

Pulberi foarte fine Depuneri Calcinare Carbonn suspensie pe fibre punerea pe estur n form Polimerizare CarburiSoluie coloidal pirolizProduse solubile nfiltrare Descompunere OxiziProduse fuzibile n substrat dens(gros) chimic Nitruri

Fig. 2.18 Precursori pentru realizarea materialelor compozite

Carbonul este de mult vreme obinut din precursori, prin utilizarea de polimeri termodurificabili, cum ar fi fenolii i furanii. Acest tip de precursor injectat n staturile de baz fibroase nainte de polimerizare va determina formarea prin piroliz de carbon amorf, de grafit. Aceast operaie nu necesit nici o punere sub presiune, datorit caracterului termodurificabil al precursorului.

Cu sau fr

presiune

Rinile acenaftilene (hidrocarburi aromatice grele), produse termoplastice, se prelucreaz, n general, prin injectarea n stare lichid. Ele sunt pe urm carbonizate sub presiune foarte mare, precum a ameliora substanial att randamentul n greutate (80 ... 90 %) ct i randamentul volumic (volumul de materie solid de matrice pe unitatea de volum liber n stratul de baz).

Tehnicile de presiune nalt, sunt n curs de aplicare n vederea elaborrii compozitelor SiC-SiC.

2.8 Materiale compozite noi2.8.1 Compozite pe baz de siliciu

Siliciul (Si), element chimic cu greutate atomic 28,06, numr atomic 14, se prezint sub form de mas dur, cristalizat, cenuie. n natur siliciul se gsete sub form de silice i de silicai de circa 100 ori mai mult dect carbonul, n scoara terestr ocupnd 16 %.

Materialele pe baz de fibre de siliciu se consider adesea c au excelente proprieti termice la temperaturi foarte ridicate, dar nu au o rezisten mecanic corespunztoare. De fapt, numeroase produse dezvoltate au fost obinute prin tratamentul chimic al fibrelor de sticl, care nu conin dect 50 ... 60 % SiO2. Au rezultat fibre de siliciu extrem de poroase coninnd 2 ... 4 % impuriti i ale cror caracteristici mecanice erau mediocre.

Silicea, dioxid de siliciu SiO2, corp solid, dur, alb sau incolor cu temperatur de topire ridicat, se gsete n natur mai ales sub form de cuar. Are trei stri alotropice: cuar, tridimid i cristobalit.

Sticla este un amestec solid, de obicei transparent, silicai, de calciu, de sodiu i alte metale.

Fibrele de siliciu sunt obinute prin tragerea cu mare vitez (100-150 km/h), aproape de 18000 C din siliciu pur topit. Fibrele au aceleai proprieti cu ale sticlei masive, cu excepia proprietilor mecanice care sunt considerabil ameliorate. Rezistena teoretic a acesteia se situeaz ntre 25000 i 30000 MPa, valori care practic nu au fost niciodat atinse.

Compozite-siliciu-rin.Se vor examina trei asemenea tipuri de materiale:- mnunchiuri pentru nfurarea fibrelor;- compozite bi i tridirecionale pentru structuri izolante i rezistente;- compozite pentru protecie termic.Mnunchiuri obinute prin nfurarea fibrelor. Aceste mnunchiuri se realizeaz

mai ales pe firele Roving preimpregnate cu rin fenolic. Rezistena la traciune atinge curent 3000 MPa (rezisten raportat la o singur fibr), ceea ce, n raport cu sticla special conduce la un ctig de rezisten specific de ordinul a 15 %.

Compozite bidirecionale. Aceste compozite au fost studiate pentru fabricarea cu costuri minime a structurilor cilindrice groase, izolante i rezistente. Necesitatea de a rspunde la toate aceste cerine a condus la conceperea unei structuri aa-zis rozet sau n iris, n care esturile din fibre de siliciu preimpregnate cu rin fenolic sunt orientate sub un unghi de 10 pn la 150, n raport cu suprafaa exterioar a cilindrului (vezi fig. 2.19).

Polimerizarea rinii se efectueaz n autoclav, ntr-un singur ciclu, sub o presiune de 15 pn la 30 bar. Procedeul nu permite obinerea de densiti de fibraj mai mari de 50 % n volum.

Rezistena la traciune n sensul axial a compozitelor bidirecionale se apropie de 400 MPa, dar n sens radial nu este dect de 100-150 MPa; modulul de elasticitate este de 21000 MPa; punctul slab rmne forfecarea interstraturi care este de 25 MPa.

Compozite tridirecionale. Pentru a evita forfecarea interstraturi i a ameliora n continuare comportarea

compozitului la solicitri mecanice s-a ajuns, firete, la introducerea fibrelor n direcia perpendicular staturilor; s-a obinut astfel o structur tridirecional (vezi fig. 2.20).

Fig. 2.20 estur tridirecional Fig. 2.21 Celula elementar ortogonal a structurii tridirecionale

Fig. 2.19 estur bidirecional de compozit, n iris

Aceste structuri pot fi obinute prin eserea sau nfurarea fibrelor n jurul unei reele de fibre preexistente sau prin ntreesere ntr-o reea bidirecional. Stratul de baz rezultant trebuie s fie impregnat cu rin sub presiune nalt i polimerizat, lundu-se n acest scop multiple precauii pentru eliminarea apei din soluie i a apei de policondensare a rinilor fenolice (cicluri lungi). Procedeul necesit cel puin dou cicluri de impregnare-polimerizare.

2.8.2 Compozite pe baz de bor

Fibrele sau filamentele de bor sunt materiale recente, a cror folosire ca elemente de ranforsare n materialele compozite destinate industriei aeronautice i aerospaiale, rezult dintr-un ansamblu de proprieti fizico-chimice i mecanice remarcabile i dintr-o foarte mic mas volumic (= 2,6 g/cm3).

Fibrele de bor sunt filamente (= 100 ... 140 m) obinute prin depunere chimic n faza gazoas (DCV), plecnd de la un amestec BCl3- H2, pe un strat de baz constituit n general dintr-un fir de wolfram cu diametrul de 12-13m (vezi fig. 2.22).

Fig. 2.22 Schema instalaiei pentru obinerea firului de bor i pentru aplicarea pe aceasta a bariei de difuzie

Ele sunt constituite din bor n stare amorf, prezentnd un aspect caracteristic, n spic de porumb. Sunt materiale fragile a cror rupere intervine n domeniul deformaiei elastice; ea este iniiat prin prezena defectelor introduse n material n momentul obinerii.

Caracterul fragil al fibrelor de bor i diametrul lor mic impune ca acestea s fie utilizate n mijlocul unei matrice, organic metalic, a crei funcie este s transmit

fibrelor sarcina aplicat, s le menin aliniate i uniform repartizate i n sfrit s le protejeze mpotriva agresivitii mediului ambiant.

Acest factor incit la dezvoltarea utilizrii fibrelor de bor, prin asociere cu alte fibre mai puin performante dar mai ieftine n interiorul compozitelor hibride (vezi tabelul 2.6).

Tabelul 2.6Caracteristicile mecanice ale fibrelor de bor comparate cu ale altor fibre de transformare i cu cele ale materialelor clasice

MaterialulDensitatea

g/cm3

Rezistena la traciune Rm MPa

Modulul de elasticitate E

MPa

Rezistena specific

R/Bor 100 mBor 14 mGrafit HTGrafit HMPRD-49 IIISticl EDuraluminiu Oel

2,622,551,801,951,4

2,552,87,8

2800-35003500-42002100-28001800-2400

25001750-2750

4501800-2900

400000400000

230000-280000350000-410000

1300007400075000210000

1100-13001300-16001170-15501000-1230

1800980-1400

60200-400

Compozite pe baz de fibre de bor i matrice organic. Principalele aplicaii ale fibrelor de bor se situeaz n prezent n domeniul ranforsrii maselor plastice, n particular a rinilor epoxidice. Materialele compozite bor-rin epoxidic posed un ansamblu de proprieti remarcabile (rigiditate i rezisten cel puin echivalente cu cele ale oelului, comportri la compresiune i la oboseal excepionale, pentru o densitate apropiat de 2, deci inferioar aluminiului), care le recomand pentru fabricarea elementelor de structuri pentru aeronautic i n industria aerospaial. n cazul n care matricea

compozitului pe baz de bor este de natur organic (din polimeri), tehnologia de obinere a compozitului este cea prezentat n figura 2.23.

APAC amestec polimer-accelerator APC amestec polimer-catalizator

Fig. 2.23 Tehnologia de formare manual prin topire (stropire):1- armtur (roving);

2- strat de baz; 3- matri deschis; 4- produs; 5- amestec pulverizat; 6- pistol

2.8.3 Compozite pe baz de fibre bor aluminiu

Exist trei tipuri de fibre de bor: bor, borsic i B4C. Prima este obinut n faza solid, iar celelalte dou, unde borul este acoperit cu o barier de difuzie, sunt obinute la temperaturi mult mai ridicate i n particular n faza semilichid. Aliajele de aluminiu sunt utilizate sub form de foie foarte subiri.

n figura 2.26 se prezint tehnologia de obinere a compozitelor cu matrice metalic.

Fig. 2.26 Procesul de realizare a materialelor compozite cu matrice metalic:1-cobinarea fibrelor; 2- proiectarea matricei cu jet de plasm sau clei;3- compactarea straturilor pas cu pas (n trepte); 4- presare la cald

2.8.4 Compozite ceramic ceramic

Materialele compozite, n prezent dezvoltate n special pentru aplicaii aeronautice i aerospaiale, au permis un ctig important n performanele mecanice specifice (raportate la unitate de mas) n raport cu materialele tradiionale. Secretul lor const n folosirea fibrelor ceramice de sticl, carbon, bor, etc. Prin termenul de ceramic se au n vedere materiale anorganice cu caracteristici (duritate, rezisten la temperaturi nalte, refractaritate) ridicate. Forma fibroas permite, de fapt utilizarea mai bun a naltelor performane poteniale ale materialelor.

Metode de obinere a compozitelor ceramicceramic. Tehnologiile dezvoltate recent permit de acum s se asocieze orice matrice ceramic, sau chiar metalic, cu orice

fibr ceramic. O astfel de asociere poate fi obinut n dou moduri:

1) Plecnd de la ceramic sub form de pulbere. Prin introducerea ntr-un liant organic (alcool polivinilic) se poate uor realiza o past. Aceasta se poate realiza prin metodele de punere n lucru a ceramicelor masive; calcinarea la cald, dup nevoie sub presiune; difuzie la temperatur joas etc.

Aceast metod permite, de altfel, folosirea

bobinrii (vezi fig. 2.30). 2) Prin depunerea ceramicii plecnd de la o faz gazoas (DCV). Aceste procese au

fost puse la punct cu ocazia dezvoltrii industriale a compozitelor carbon carbon. Acest al doilea mod de obinere este rapid, n special dac se dorete impregnarea unor straturi de mic grosime (civa centimetri), sau depunerea n prealabil a unei bariere de difuzie pe fibre, n cazul n care acestea nu ar fi compatibile chimic cu matricea propus. n figura 2.31 este prezentat schema unei instalaii de densificare a unui compozit BN-BN (nitrur de bor nitrur de bor).

Fig. 2.30 Instalaia de bobinare a fibrelor n vederea obinerii compozitelor ceramic -ceramic:

1- bobin de alimentare, 2- fibre de grafit, 3- fulii de ghidare, 4- bobin cu fibre impregnate pe film de nylon

i teflon; 5- gel de suspensie coloidal,

Fig. 2.31 Schema instalaiei pentru densificarea unui compozit: 1- manometru de vid; 2- debitmetre; 3- injector coaxial; 4- transformator din grafit; 5- inductor;

6- psl de nitrur de bor; 7- termocuplu; 8- van reglabil; 9- pomp de vid

Acestea din urm sunt esturile tri sau multidimensionale, de o dezvoltare recent. Ele permit, asociate cu tehnica DCV, s se suprime eventual total liantul organic intermediar care, astfel, ar fi indispensabil pentru comportarea favorabil a semifabricatului, nainte de densificarea prin ranforsri uni sau bidirecionale (vezi fig. 2.32).

Fig. 2.32 Modaliti de ranforsare:a) ranforsare unidirecional;b) bidirecional sau straturi unidirecionale; c) bidirecional

tip estur;d) bidirecional, cu ranforsare pe poriuni;e) bidirecional cu ranforsare prin texturi.

a) b) c)

d)e)

De succes se bucur i utilizarea compozitelor care utilizeaz fibre continue ranforsate cu matrice din material termoplast. Pentru aceste compozite sunt utilizate fibrele de sticl ranforsate ntr-o matrice de polipropilen (GF/PP). Aceste materiale sunt utilizate n construcia avioanelor, domeniul militar i aerospaial pentru excelentele proprieti pe care le au (vezi fig. 2.35).

Materiale compozite transparente la unde radar. Aceste materiale au fostrealizate pentru scderea vulnerabilitii avioanelor militare prin reducerea seciunii transversale radar de la 1 / 10 pn la 1 / 100 ca urmare a folosirii unor compozite din carbon ranforsat, cu grafit i matrice din rini epoxidice (Kevlar, Hyfil) ale cror structuri moleculare neregulate absorb undele radar sau le deviaz. Cel mai important asemenea compozit folosit pn acum este o rin sintetic cu structura tip fagure numit filaboy. Constructorii de avioane i de rachete de croazier folosesc asemenea materiale att pentru acoperirea unor pri din fuselaj i arip, ct i pentru construirea structurii exterioare.

Fibre speciale utilizate n industrie. Kevlarul este un polimer organic cu fibr de aramide poliamide aromatice i a fost

conceput pentru realizarea unor elemente nestructurale sau semistructurale de rezisten ridicat.

Calitile lui deosebite, superioare altor materiale utilizate n construciile aerospaiale, au determinat o evoluie rapid a cercetrilor i investigaiilor pentru realizare.

Teflonul este rin fluorocarbonat, teflonul PTFE (politetrafluoretilen) are excelente proprieti dielectrice, rezisten remarcabil la cldur i coeficieni de frecare sczui. Aceste caliti au determinat folosirea acestuia n zonele cele mai critice din punctul de vedere al securitii aeronavelor, motoarelor i echipamentelor acestora.

De asemenea, teflonul se poate folosi n foarte bune condiii n circuitele hidraulice; rezistena sa la atacul, practic al tuturor produselor chimice cunoscute i mai ales al fluidelor sintetice, permite s se asigure tubulaturii i nveliurilor cablurilor n contact cu lichidele hidraulice un timp ndelungat de funcionare normal i sigur. i alte ntrebuinri sunt posibile, cum ar fi, de exemplu, izolaia cablajelor electrice.

Hyfilul este un material plastic armat cu fibre de sticl, densitatea lui fiind aproximativ un sfert din cea a oelului i o treime din cea a titanului, rezistena la traciune egal sau superioar ca a celor mai bune oeluri iar elasticitatea superioar celei a aluminiului i titanului.

2.9 Categorii de materiale utilizate pentru construciile aerospaiale.

Materialele de baz utilizate n construciile aerospaiale sunt: oeluri de nalt i foarte nalt rezisten, oeluri inoxidabile martensitice i austenitice, aliaje uoare pe baz de aluminiu, de titan, super aliaje refractare pe baz de nichel, fier-nichel i cobalt, materiale sinterizate, materiale compozite, polimeri.

ntr-o aeronav modern materialele metalice contribuie cu urmtoarele proporii n greutatea ei: aliaje pe baz de aluminiu, 54 ... 56 %; oeluri, 25 ... 27 %; aliaje pe baz de nichel, 1 ...1,5%; aliaje de magneziu, 1 ... 1,5 %; aliaje de titan, 0,1 ... 0,5 %; cupru, 1,5 ... 2,5%; aliaje de cupru, 0,1 ... 0,4 %. Se observ faptul c materialele cu ponderea cea mai mare n utilizare sunt aliajele de aluminiu i oelurile. Trebuie remarcat c structurile avioanelor de mare vitez (3 Mach) cuprind numai materiale metalice (aliaje de titan, oeluri de foarte nalt rezisten, oeluri inoxidabile).

Materiale refractare i ablative. Pentru realizarea unor construcii aerospaiale corespunztoare din punctul de vedere al fiabilitii, trebuie utilizate materiale capabile s suporte nu numai solicitrile mecanice, ci i temperaturile foarte ridicate rezultate din frecarea corpului aeronavei cu mediul exterior, sau din condiiile funcionale specifice grupurilor propulsoare (vezi tabelul 2.9), impactul repetat cu particule lichide din atmosfer etc.

Materialele ablative au rolul s absoarb o cantitate ct mai mare de cldur, cu minimum de efecte asupra corpului navei astfel protejat. Cantitatea de cldur degajat prin frecare cu pturile superioare ale atmosferei este enorm, energia cinetic transformat n cldur conducnd la temperaturi de circa 200000 C i la fluxuri termice de circa 38000 kcal/kg, deci de circa patru ori cldura obinut prin arderea unei cantiti echivalente de benzin.

Materialele de friciune i antifriciune. Solicitrile termice i mecanice deosebit de severe, caracteristice sistemului de frnare al aeronavelor, a condus la elaborarea unor materiale de friciune cu totul speciale, principalele clase grupndu-se astfel:

- pe baz de rini i azbest;- materiale sinterizate pe baz de cupru;- materiale pe baz de fier;- cermeturi (produse sinterizate cu coninut ridicat de materiale ceramice);- pe baz de materiale refractare din fibre de carbon.