19

Capitolul 2. Particulariti ale unor categorii de materiale compozite

Compozite armate cu fibre

Se poate spune, dup cum s-a artat mai sus, c scopul iniial al realizrii compozitelor a fost creterea competitivitii materialelor clasice, ale cror proprieti de rezisten i de rigiditate nu mai puteau fi mbuntite prin alte mijloace. Din acest punct de vedere se nelege c eficiena maxim a ntririi unui anumit material se obine prin introducerea, n structura lui, a unor elemente de armare sub form de fibre[4, 10, 16, 19, 23].

Reprezentnd cea mai cunoscut categorie i marcnd nceputul folosirii pe scar industrial a noilor materiale, compozitele cu fibre sunt imaginate mai ales sub form de matrici plastice (polimerice) armate cu fibre (lungi) de sticl, care vreme ndelungat (n deceniile de la mijlocul veacului trecut) au fost singurul tip de compozite de larg recunoatere.

Aa se explic faptul c, chiar i n prezent, aceast clas de materiale este adesea identificat n literatur cu nsi noiunea de compozit. Parcurgerea capitolelor urmtoare va arta ns suficient de clar c aceast identificare a devenit cu totul anacronic i c este recomandabil s se acioneze pentru eliminarea ei. Armarea cu monocristale filamentare

Principial, cu ct fibrele de armare au diametre mai mici, cu att proprietile lor mecanice sunt mai bune, deoarece scade probabilitatea de apariie a defectelor n materialul lor, precum i mrimea probabil a acestor defecte. Din acest motiv se poate spune c monocristalele filamentare whiskerele reprezint o categorie cu totul special de fibre, avnd i proprieti foarte bune [1, 3, 10, 12-14].

Obinute prin creterea dirijat a cristalelor, acestea au, n mod tipic, diametre cuprinse ntre 0,2 i 15 m i lungimi de 10300 m. Primele astfel de cristale au fost din oxid de aluminiu, fiind fabricate de firma american General Electric, ncepnd din 1960. Ulterior s-au produs i

20

cristale din alte materiale ceramice (oxid de beriliu, carbur de bor sau de siliciu s.a.), din carbon, dar i din metale precum cupru, nichel, fier etc. Ca orientare, tabelul 2.1 de mai jos, prezint cteva dintre valorile tipice ale proprietilor unor monocristalelor filamentare.

Tab. 2.1. Proprieti fizico-mecanice ale unor fibre monocristaline [12]

Materialul

Densitatea [g/cm3]

Rezistena la traciune

[GPa]

Modulul de elast. [GPa]

Temp. de top. (sublimare)

[K] Grafit 2,2 19,6 680 (3950) Al2O3 4,0 22,3 420 2290 SiC 3,2 21,0 700 3000 BeO 3,0 24,8 133 2800 Fe 7,8 12,6 196 1800 Si 2,3 7,6 163 1680

Se poate observa cu uurin c proprietile mecanice indicate n tabel au valori mult superioare celor ale acelorai materiale, atunci cnd sunt folosite n eantioane macroscopice.

n schimb, este important de subliniat c producerea materialelor sub form de whiskere necesit costuri ridicate i dotri tehnologice performante, nct folosirea acestor elemente de armare este justificat numai pentru domeniile de vrf ale tehnicii. Clasificarea compozitelor cu fibre

Considerate global, principalele categorii de compozite armate cu fibre sunt urmtoarele [3, 9, 15, 17, 19, 22]:

1. Compozite cu matrice polimeric de obicei sunt rini termorigide (epoxidice, poliimide sau poliesterice) sau termoplastice, armate cu fibre de sticl, de carbon, de bor sau aramidice (Kevlar), cu monocristale ceramice sau, mai recent, cu fibre metalice.

Sunt folosite mai ales n aplicaii care implic temperaturi relativ joase de lucru (ajungnd, n mod excepional, pentru termoplastice fabricate prin injecie, la nivelul maxim de 400C).

21

2. Compozite cu matrice metalic cel mai frecvent se bazeaz pe aliaje de aluminiu, magneziu, titan sau cupru, n care se introduc fibre de bor, de carbon (grafit) sau ceramice (de obicei de alumin sau carbur de siliciu).

Temperatura de lucru (uzual de cel mult 800C) a unui astfel de compozit este limitat de nivelul punctului de nmuiere sau de topire care caracterizeaz materialul matricei.

Dac aplicaia avut n vedere implic temperaturi mari, atunci se recomand folosirea ca matrice a unor aliaje pe baz de nichel sau a unor superaliaje. Dezavantajul acestora este c au greuti specifice mari, ducnd la creterea masivitii structurii finale.

3. Compozite cu matrice ceramic au fost dezvoltate n mod special pentru aplicaiile cu temperaturi foarte ridicate de lucru (peste 1000C); cele mai utilizate materiale de baz sunt carbura de siliciu (SiC), alumina (Al2O3) i sticla, iar fibrele de armare uzuale sunt tot de natur ceramic (de obicei sub form de fibre discontinue, foarte scurte).

4. Compozite carbon-carbon cu matrice de carbon sau de grafit i armare cu fibre sau esturi de fibre de grafit; sunt foarte scumpe, dar i incomparabile cu alte materiale prin rezistena la temperaturi nalte (de pn la 3000C), cuplat cu densitatea mic i coeficientul mic de dilatare termic.

Cele mai rspndite sunt compozitele armate cu fibre lungi (de obicei din carbon, bor, sticl, alumin sau carbur de siliciu), care mai sunt numite i unidirecionale. Acestea sunt caracterizate de o puternic anizotropie a proprietilor fizico-mecanice, fiind uor de imaginat c proprietile cele mai bune se realizeaz pe direcia armrii. Compozite armate cu particule

Materialele din aceast categorie au nceput s fie produse i folosite pe scar industrial dup anul 1970. Au cteva avantaje importante, precum: costul sczut (materialele sub form de particule sunt de obicei

mult mai ieftine dect cele prelucrate ca fibre);

22

tehnologiile simple de dispersare a particulelor n matrice (putnd fi utilizate metodele clasice de turnare, sau cele din domeniul metalurgiei pulberilor);

aplicabilitatea unor tehnologii clasice de consolidare a produsului final de exemplu prin procedee de deformare plastic, precum laminarea, forjarea sau extrudarea, imposibil de folosit pentru compozitele cu fibre;

posibilitatea obinerii unor compozite cvasi-omogene i cvasi-izotrope (atunci cnd sunt analizate la o scar mai mare dect aceea a dimensiunilor particulelor).

Clasificarea compozitelor cu particule

Privind la modul general, aceast clasificare are i ea n vedere natura materialului de baz i a elementelor de armare [1, 3, 9], deosebind patru variante de combinaii, astfel:

1. Particule nemetalice dispersate ntr-o matrice tot de natur nemetalic. Ambele tipuri de materiale pot fi anorganice, ca n cazul betonului, sau matricea poate s fie de natur organic, cum se ntmpl la betonul sau mortarul polimeric (cu nisip ca element dispers i matrice de gudron sau smoal), sau la materialele polimerice (fragile) armate cu particule de tip elastomer (dintr-un material similar cauciucului).

Particulele de armare sunt de obicei sferice sau apropiate de aceast form; pot s fie pline sau goale la interior, iar cele mai utilizate materiale sunt sticla, carbonul sau anumii polimeri.

2. Particule metalice dispersate n matrice nemetalic (de obicei polimeric). Aceste compozite sunt caracterizate simultan prin conductibilitate termic (uneori i electric) bun, coeficieni redui de dilatare termic i rezisten ridicat la uzur. Exemple tipice sunt compozitele cu matrice de rin epoxidic i armare cu particule sau solzi din argint ori din cupru, sau cauciucul poliuretanic n care se introduc particule de aluminiu (utilizat n construcia rachetelor).

3. Particule metalice dispersate ntr-o matrice tot metalic avnd dou subgrupe principale: