CAPITOLUL 1 Caracterizarea materialelor compozite 1.1. DEFINIŢII Materialele compozite sunt materiale formate din două sau mai multe faze la scară macroscopică a căror performanţă şi proprietăţi sunt destinate a fi superioare celor ale materialelor constituente, acţionând independent. Una dintre fazele constituente este discontinuă, rigidă, numindu-se de "ranforsare", iar faza continuă, cu rigiditate mai scăzută se numeşte matrice. Uneori, datorită interacţiunilor chimice ale altor efecte de prelucrare, apare o fază suplimentară - interfaza - la interfaţa dintre ranforsare şi matrice. Wiskers** - urile sunt fibre formate din monocristale filamentare, cu diametre cuprinse între 1 şi 5m şi lungimi lf 500m, foarte scurte lf10mm sau scurte cu lf=10-25mm, ori lungi (lf>25mm), obţinute din diferite materiale: sticlă, carbon, carburi de siliciu, bor, safir, alumină, ceramică, metale feroase şi neferoase, textile, azbest, poliamide.

Roving***-ul este o configuraţie a fibrelor de sticlă obţinută prin răsucirea tronsoanelor 1, 2, 3. Fiecare tronson poate fi constituit din 6 până la 204 monofibre lungi de sticlă, cu diametrul între 8 şi 14m, dispuse paralel şi netorsionat, unite între ele cu răşini. Materialele care intră în structura compozitelor sunt: - mase plastice; - fibre sintetice, de sticla, de carbon, de bor, lemnoase, metalice, celulozice

etc. - metale ca Ni, Co, Al, Cr, Ti, W, Ta, Zr, Mo; - celulozice; - lemn sub formă de placaje, plăci aglomerate. * to reinforce (eng.) - a întări, a arma ** whisker (eng.) - contact punctiform, punte *** roving (eng.) - semitor din fibră de sticlă 1.2. CLASIFICAREA MATERIALELOR COMPOZITE

compozite cu matrice metalica Materiale compozite cu matrice metalică

Materiale compozite cu matrice din materiale plastice

compozite armate cu fibră de sticlă

compozite armate cu microsfere din sticlă sau din alte materiale

compozite armate cu fibre de azbest

compozite armate cu fibre metalice

compozite cu fibre de bor şi safir

compozite armate cu fibre Kevlar

compozite armate cu monocristale

compozite armate cu fibre de grafit sau de carbon

Materiale compozite refractare

compozite de tip ceramică-ceramică

compozite de tip vitroceramic

Materiale optoelectronice

Materiale compozite stratificate

Un alt criteriu de clasificare este în funcţie de tipul, geometria şi orientarea fazei de ranforsare, aşa cum este ilustrat în figura următoare:

Compozite particulare

Compozite cu fibre, unidirecţionate,

discontinue

Compozite cu fibre, unidirecţionate,

continue

Compozite cu fibre, discontinue, aranjate

aleator

Compozite cu fibre, continue, ortogonale

Compozite cu fibre, continue,

multidirecţionate Compozite

cvasi-izotrope

Matrice

Întărire particulară Fibre discontinue şi wiskers

Fibre continue

Fig. 2 O altă clasificare a materialelor compozite

1.3. CATEGORII DE MATERIALE COMPOZITE Materialele compozite există sub mai multe forme: - stratificate (bimetale, materiale metalice de tip sandwich), placate etc. - cu particule dure, nemetalice sau metalice; - cu fibre, materiale armate; - tip fagure, din material metalic, nemetalic sau masă plastică expandată, cu goluri sub formă de celule hexagonale înscrise într-un cerc cu =1,5-3,5 mm cu rezistenţa la compresiune Rc=350-400MPa, densitate =0,02-0,13kg/dm3 şi rigiditate de 10 ori mai mare ca a oţelului. 1.4. TIPURI DE MATERIALE COMPOZITE

Tipul matricei

Tipul fibrei Materialul matricei

sticlă E epoxy sticlă S poliamida

POLIMERICĂ carbon (grafit) poliester aramid (Kevlar) termoplastic bor PEEK, polisulfonică bor aluminiu bor magneziu carbon (grafit) titan

METALICA carbură de siliciu cupru alumină carbură de siliciu carbură de siliciu alumină alumină

CERAMICA nitrura de siliciu ceramică-sticlă nitrură de siliciu

CARBONICA carbon carbon

1.5. PROPRIETĂŢILE DE BAZĂ ALE COMPOZITELOR Structura formată dintr-o matrice şi fibre dispuse pe o singură direcţie, se numeşte placă unidirecţionată (UD). Aceasta structură este ortotropă având axele principale dispuse: longitudinal faţă de fibre, normal la fibre, în planul plăcii şi normal la planul plăcii aşa cum este prezentat în fig. 3.

Fig. 3 Axele principale ale plăcii unidirecţionate

Plăcile unidirecţionate pot avea diferite grosimi, şi pot fi din diferite materiale. Deoarece axele principale variază de la un strat la altul, este mai uşor de stabilit un sistem comun de coordonate (xyz), aşa cum este arătat în figura precedentă. Orientarea fiecărui strat este raportată la (xyz) şi este exprimată prin unghiul dintre axa de referinţă x şi axele principale ale fiecărui strat, măsurat în sens trigonometric, în planul x-y. Structura formată din plăci unidirecţionate aşezate împreună după diferite orientări se numeşte placă multistrat (MD), fig. 4.

Fig. 4 Structura unei plăci multistrat 1.6. ANALIZA MATERIALELOR COMPOZITE

Compozitele pot fi analizate la diferite niveluri şi scări, depinzând de caracteristicile şi comportarea în anumite condiţii. Diagrama următoare exprimă diferite puncte de vedere în analiza unor structuri compozite (fig. 5). Analiza macromecanică a unui compozit stratificat se face utilizând teoria laminării şi comportarea materialului ca o funcţie ce depinde de proprietăţile plăcii (stratului) şi ale secvenţei stratificate. La nivelul structurii şi componentelor unei placi, metoda elementului finit împreună cu teoria laminării caracterizează comportarea structurii ca şi starea de tensiuni şi deformaţii din fiecare placă.

Fig. 5 Tipurile de analiză a materialelor compozite 1.7. PROPRIETĂŢILE DE BAZĂ ALE COMPOZITELOR

E1, E2, E3 - modulele lui Young pe cele trei axe principale G12, G23, G13 - modulele de forfecare în planele 1-2, 2-3 şi 1-3 (egale cu G21, G32, G31). 12, 23, 31 - coeficienţii lui Poisson (primul indice este cel al direcţiei de încărcare, al doilea direcţia de deformare, nu sunt simetrici cu 21, 32, 31; F1t, F2t, F3t - forţele de tracţiune de-a lungul direcţiilor principale ale plăcii; F1c, F2c, F3c - forţele de compresiune de-a lungul direcţiilor principale ale plăcii; F12, F23, F13 - forţele de forfecare în planele 1-2, 2-3, 1-3 (acestea sunt egale cu F21, F32, F31); 1, 2, 3 - coeficienţi de dilatare termică; 1, 2, 3 - coeficienţi higroscopici; k1, k2, k3 - coeficienţi de conductivitate termică. 1.8. PROPRIETĂŢI SUPLIMENTARE

Coeficientul volumului de fibră uicompozitulaltotalvolumul

fibradeocupatvolumulVf

Coeficientul greutăţii fibrelor uicompozitulgreutatea

fibrelorgreutateaWf

Coeficientul volumului de matrice uicompozitulaltotalvolumul

matricedeocupatvolumulVm

Coeficientul greutăţii matricei uicompozitulgreutatea

matriceigreutateaW1W fm

Coeficientul volumului de vid

uicompozitulaltotalvolumul

viddeocupatvolumulVV1V mfv