MATERIALE COMPOZITE

5.1 Consideraţii generaleTehnologia materialelor compozite armate cu fibre s-a dezvoltat în ultimii

40 de ani producând structuri pentru un mare număr de aplicaţii aerospaţiale. Aceste materiale compozite, de regulă, constând din fibre de sticlă, kevlar sau grafit (carbon) într-o matrice de răşini, au fost utilizate cu succes în realizarea unor structuri pentru avioane, vehicule spaţiale şi rachete. Producţia tipică de materiale compozite a inclus: fuzelaje, stabilizatori transversali, pale de elicopter, recipiente pentru combustibili, difuzoare conice de elicoptere, conducte de alimentare, inele de etanşare şi carcase pentru motoarele de rachetă cu combustibil solid.

La început carcasele tubulare ale motoarelor pentru rachetele tactice au fost realizate din aliaje metalice de înaltă rezistenţă. Cu timpul, în mare parte, carcasele metalice la rachetele strategice şi la boosterele rachetelor spaţiale. Principalul stimul pentru aplicaţii ale motoarelor rachetelor strategice şi spaţiale au fost câştigul de eficienţă structurală oferit de carcasa compozită, mai uşoară, ca urmare posibilitatea creşterii masei propelantului şi deci a performanţei motorului. În afară, de aceasta, în favoarea ridicată a raportului rezistenţă/densitate şi posibilităţile oferite proiectantului de varia proprietăţile materialului în funcţie de solicitările pe diferite direcţii prin modificarea structurii elementului de armare.

1

Fig. 5.1 Carcasa motorului rachetei PAC-3, piesă de legătură şi carcasa pentru radar din compozit armat cu fibre de carbon

În fig. 5.1 este prezentată o aplicaţie a utilizării unui material compozit armat cu fibre de carbon, la motorul rachetei tactice americane PAC-3.

În momentul de faţă există o practică edificatoare privind utilizarea materialelor compozite la motoarele unor rachete performante. Mai multe tipuri de rachete, incluzând rachetele franceze SUPER 530 D şi VT-1 şi americane (US) ADATS şi PAC-3, au consacrat folosirea materialelor compozite ca sisteme de materiale pentru carcasele motoarelor de rachete tactice. Realizatorii acestor sisteme au explorat în detaliu, flexibilitatea şi optimizarea fabricaţiei, validarea principiilor de proiectare şi modelarea prin vaste testări structurale şi performanţele materialelor în condiţii extreme de mediu, de zbor şi operaţionale.

Materiale compozite sunt materiale noi de construcţie, care posedă o bună rezistenţă la rupere, proprietăţi fizico-mecanice şi alte caracteristici superioare, de nerealizat cu aliaje metalice Folosirea lor a făcut posibilă realizarea unor

2

construcţii care răspund mai bine cerinţelor impuse (chiar mai bine decât cele metalice), dacă ne referim la greutatea specifică mult mai mică, la tehnologiile mai simple şi la utilizarea mai raţională a materialului. În domeniul MRCS, folosirea lor a permis reducerea substanţială a masei acestora şi, deci creşterea performanţelor rachetelor [84].

Compozitele sunt constituite dintr-o matrice de material plastic, metal sau ceramică şi un element de armare (întărire): fibră de sticlă, fibră de carbon (grafit), fibră de bor, carburi de siliciu, safir, alumină, aliaje feroase şi neferoase, textile, asbest, poliamide, poliesteri etc.

Materialele plastice pot fi termoplastice (polietilenă densă, răşini poliesterice, ABS, P.V.C., polistiren, polipropilenă, polisulfone, poliamide etc.) sau termorigide (răşini poliesterice nesaturate, epoxidice, fenolice, melaminice ş.a.). Produsele executate din compozite cu matrice din materiale termoplastice îşi păstrează proprietăţile fizico-mecanice iniţiale până la temperatura de , în timp ce acelea executate din compozite cu matrice din materiale termorigide pot fi utilizate în condiţii bune până la temperaturi mai mari – cca. .

După forma geometrică şi dimensiunile elementelor de armare, compozitele cu matrice din material plastic pot fi armate cu fibre formate din monocristale filamentare (whiskers) cu diametre cuprinse între 1 şi şi

lungimi . După lungimea lor fibrele pot fi: foarte scurte

, scurte ( între 10 şi ) ori lungi , obţinute

din diferite materiale menţionate mai înainte. De asemenea, materialele compozite cu matrice din mase plastice mai pot fi armate şi cu microsfere de

3

sticlă, safir, metale ş.a., pline sau goale, având diametrul cuprins între 5 şi , temperatura de înmuiere de , duritatea , difuzie termică

, conductivitate termică la şi

la . La întărirea cu microsfere cu granulaţie variabilă,

cu diametrul cuprins între 4 şi şi nu uniformă, compozitele obţin caracteristici mecanice mai bune. În funcţie de natura elementelor de armare, modul de obţinere şi livrare a acestora sub formă de particule, whiskers-uri, fibre foarte scurte, scurte sau lungi, produsele din compozite cu matrice din mase plastice pot fi obţinute prin turnare, laminare, presare etc. Tehnologia de obţinere a compozitelor cu matrice din mase plastice armate cu fibre sau întărite cu microsfere este relativ complicată şi constă din elaborarea elementelor sub formă de microsfere, particule filiforme respectiv fibre individuale sau sub formă de roving, ţesături, împletituri etc., pe de-o parte, şi impregnarea acestora în materialul plastic al matricei, pe de altă parte.

Compozitele cu matrice din mase plastice, în funcţie de procedeul de elaborare folosit, pot fi livrate sub formă de produse turnate, presate, laminate, extrudate, formate manual sau mecanic etc.

Materialele compozite cu matrice metalică au cel mai frecvent matricea construită din aliaje de Ni sau Co cu W, V, Mo, Al, Zr, B, Ti etc. şi armată cu monocristale din carburi metalice de Ti, W, Nb etc., sau cu fibre scurte sau lungi de sticlă, grafit, carburi metalice, ceramică, bor, roci minerale etc.

În construcţia navetelor spaţiale sunt utilizate cu precădere materialele compozite de tip ceramică – ceramică având matrice din: carbură de siliciu,

4

nitrură de siliciu, oxid de aluminiu etc., armate cu monocristale filamentare, fibre de ceramică (SiC, , ), fibre din carbon, de bor sau whiskers.

Densitatea compozitelor se poate obţine aplicând, regula structurilor, deci:

(5.1)

unde indicii c, f şi m s-au dat pentru materialul compozit, respectiv fibre şi matrice.

În cazul compozitelor cu fibre continue, proprietăţile mecanice se pot calcula ca o medie ponderată a celor două materiale [70]. Admiţând că cele două materiale sunt culate (la interfaţa fibre-matriţă nu au loc la procese de alunecare) pentru o solicitare a materialului compozit paralelă cu direcţia de orientare a

fibrelor se poate scrie

(5.2)

sau ţinând seama de secţiuni şi secţiuni:

(5.3)

Dacă raportăm la şi notăm şi se poate determina

limita de rupere a compozitului:

(5.4)

unde şi sunt limitele de rupere ale fibrelor şi matricei.

5

Relaţia (5.4) este valabilă numai dacă alungirea longitudinală la rupere a matricei este egală cu cea a fibrelor. Deoarece pentru marea majoritate a compozitelor, alungirea la rupere a matricei este mai mare ca a fibrelor, limita de rupere a materialului se determină cu relaţia:

(5.5)

unde reprezintă efortul suportat de matrice la o deformaţie specifică egală cu alungirea la rupere a fibrelor .

Pentru aceeaşi schemă de solicitare a materialului compozit alungirea componentelor este egală cu cea a compozitului.

(5.6)

Rezultă că relaţia (5.4) se mai poate scrie sub forma:

(5.7)

În aceste condiţii, gradul de ranforsare (raportul. Sarcină fibre/sarcină matrice) este dat de expresia:

(5.8)

în care reprezintă gradul de transfer al sarcinii.Modulul de elasticitate longitudinal al materialului se determină ca o

medie ponderată a proprietăţilor celor două componente:

6

(5.9)

În cazul unei solicitări transversale se poate scrie:

(5.10)

sau pe baza legii lui HOOKE, relaţia (5.10) devine.

(5.11)

si deoarece , se obţine pentru modulul de elasticitate transversal G expresia:

(5.12)

7

5.2 Compozite armate cu fibre de sticlă [17,40]Compozitele de acest tip sunt constituite dintr-o matrice de material

plastic sau termorigid, amestecată cu materiale de umplutură (solvenţi stabilizatori) şi armată cu fibre de sticlă.

Fibrele de sticlă au cea mai mare răspândire în armarea materialelor compozite cu matrice din materiale plastice, deoarece prezintă următoarele calităţi: conferă rezistenţă la şoc, rezistenţă la compresiune şi tracţiune, stabilitate dimensională, rezistenţă la foc, rezistenţă în medii chimice agresive, rezistenţă la atacul microorganismelor, are higroscopicitate redusă, nu putrezesc.

Deşi sticla obişnuită sau tratată (securizata) are o rezistenţă la încovoiere de 27 până la , modulul de elasticitate cuprins între , rezistenţa la compresiune de şi alungirea de numai , dacă este trefilată în fibre cu diametrul de (la temperatura de şi viteza de ), aceasta capătă o rezistenţă la tracţiune de

când diametre fibrei este , când şi respectiv când .

De asemenea, sub formă de fibre, sticla îşi pierde complet fragilitatea şi rezistenţa la încovoiere, iar alungirea la tracţiune creşte până la .

Formele de utilizare a fibrelor de sticlă folosite la realizarea diferitelor produse pot fi (fig. 5.2):

fir cu filamente paralele (a); fir cu filamente răsucite (b); fir cu doua fibre paralele (c);

8

fir cu fibre torsionate (d); fir cu fibre consolidate între ele cu ajutorul unor adezivi de lipire, ungere

şi anticorozivi; roving (e).

Roving-ul care este o altă variantă de configurare a fibrelor se obţine prin răsucirea tronsoanelor 1 şi 2 şi se prezintă sub formă de cabluri, fiecare tronson putând fi constituit din 6 până la 204 monofibre lungi de sticlă, cu diametre cuprinse între 8 şi , dispuse paralel şi netorsionate, unite între ele cu răşini.

Roving-ul standard are 60 sau 204 „capete” legate între ele, uniform tensionate, lipsite de deformări, încovoieri sau răsuciri.

Fig. 5.2 Configuraţii ale fibrelor de sticlă

9

Fibrele de sticlă răsucite şi unite într-un singur fir (fig. 5.2 b, c şi d) sau sub formă de roving (fig. 5.2 e) au o greutate specifică mică, rezistenţă ridicată la: solicitări mecanice, coroziune, uzură şi temperaturi ridicate.

Compozitele mai pot fi armate cu: micropulberi, cu diametrul cuprins între ;

fibre foarte scurte, cu lungimea fibrei şi diametrul

, orientate după direcţii aleatoare;

fibre scurte având lungimea şi orientare unidirecţională; ţesături cu dispunere bidirecţională a fibrelor, având legătură de tip pânză (fig. 5.3), de tip lână, de tip atlas, de tip modul mare, de tip legătură lâna specială şi de tip satin; ţesături multistrat (fig. 5.4).

Fig. 5.3 Structuri de fibre țesute: (a-c) materiale ţesute 2D, (d) material ţesut 3D,(e, f) împletituri, (g, h) ţesături tricotate, (i) ţesătură cu multiple bătături tricotate

10

Compozitele din materiale plastice armate cu pătură din fibre tăiate şi aglomerate cu sau fără orientarea acestora, tensionate sau netensionate, ţesute sau neţesute, sunt uşor prelucrabile prin: formarea manuală, prin stropire, presare la cald şi în matriţa vidată, sau prin centrifugare. Produsele executate din aceasta categorie de materiale pot avea în mod curent un conţinut volumic de

material de armare. Pătura, roving-ul şi ţesăturile preimpregnate cu răşini poliesterice sau epoxidice pot fi folosite la realizarea de compozite sub formă de produse presate sau laminate la cald, folosindu-se în acest scop presiuni de 5 până la , temperaturi de lucru cuprinse între 140 şi şi durate de formare de . Modulul de elasticitate şi caracteristicile electrice ale materialului compozit variază în funcţie de conţinutul de sticlă şi de tipul răşinii utilizate.

Principalele caracteristici fizico-mecanice ale unor compozite cu matrice din materiale plastice armate cu fibre de sticlă sunt date în tabelul 5.1.

Tabelul 5.1 Caracteristicile compozitelor cu matrice din materiale plastice armate cu fibre de sticlă cu orientare uni-, bi- şi tridirecţională [11]

Denumirea caracteristicii fizico-mecanice Modul de orientare al fibrelor de armare

11

Unidirecţional

Bidirecţional

Tridirecţional

Densitatea 1,6 1,6

Conţinutul volumic de fibre

– pe total – pe direcţie axială 100

5025

5522

Gradul de porozitate – 8

Rezistenţa pe direcţie axială 380 300

Modulul de elasticitate 85000 21000 19000

Tensiunea la forfecare interlamelară 25

Caracteristici termice medii între 20 şi :

– capacitatea termică masică

– conductivitatea (radială)

– dilatarea (axială)

1,1

–

–

1,1

0,45

710-6

1,1

0,7

810-7

Compozitele armate cu ţesături din fibră de sticlă sau alte materiale, cu orientare unidirecţională, neţesute sau cu legături în diagonala, ori din roving gros, în urzeală legate cu fibre subţiri etc., sunt utilizate pe scară largă la realizarea de profile, de elemente de legătura între două piese şi diferite structuri, deoarece au o bună comportare la solicitări mecanice pe toate direcţiile şi un raport mare de rezistenţă mecanică/greutate.

12

Compozitele cu fibrajul de armare dispus bidirecţional sunt folosite frecvent în construcţia unor structuri cilindrice (tuburi, cazane, recipiente etc.) cu pereţi groşi, rezistente la solicitări mecanice, termice şi abraziune. Din punct de vedere structural, compozitele cu fibrajul dispus bidirecţional sunt realizate în „iris”, în care ţesăturile de fibre preimpregnate cu răşină fenolică sunt orientate sub un unghi grade, în raport cu suprafaţa exterioară a produsului de forma cilindrică sau profilată. Polimerizarea matricei în structura de armare, în proporţie volumică de până la , are loc sub presiunea de , într-un singur ciclu de fabricaţie în autoclavă.

Rezistenţa la tracţiune pe direcţie axială a produsului executat din compozit bidirecţional se apropie de , iar în sens radial de 100 până la

.Cele trei tipuri de fibre continue: roving, benzi multidirecţionale sau

bidirecţionale sunt disponibile ca prepreguri; dând utilizatorilor multe posibilităţi, din punct de vedere al proiectării şi fabricării structurii compozite. Tehnologia de fabricare a prepregurilor este prezentată în cap. 9.

În general, caracteristicile fizico-mecanice ale compozitelor cu armări bidirecţionale pot atinge valorile [11]:

– densitatea ;

– conţinutul volumic de fibre de maximum pe total şi pe direcţie axială a produsului;

– grad de porozitate ;– rezistenţa la tracţiune pe direcţie axială de ;

13

– modulul de elasticitate ;– rezistenţa la forfecare interlamelară de ;

– capacitatea termică masică de , la temperaturi de ;

– conductivitatea (radială) ;

– dilataţia pe direcţie axială de .

Din compozite cu matrice din materiale plastice şi armare bididrecţională cu fibre de sticlă s-au realizat, cu bune rezultate corpuri cilindrice (carcase) pentru motoare, de rachetă cu combustibil solid (MRCS).

Compozitele cu armatură tridirecţională (fig. 5.4) au structura de ranforsare formata din ţesături complete cu fibre scurte, introduse pe direcţia perpendiculară straturilor de ţesătura şi sunt superioare acelora cu armatură bidirecţionala deoarece nu prezintă pericolul forfecării interstraturi.

Fig. 5.4 Ţesături multistrat (3D): cu legături simple (a), cu legături complexe (c d)

Compozitele cu armatură din ţesătură tridimensională ortogonală se obţin

14

prin impregnarea reţelei de armare cu răşină fenolică şi presiuni înalte de polimerizare, luându-se în acest scop măsuri corespunzătoare de eliminare a apei din soluţie şi a apei de policondensare a răşinilor care formează matricea.

Caracteristicile fizico-mecanice ale unor compozite cu ţesături tridimensionale din fibre pot atinge valorile:

densitatea ;

proporţia volumică a fibrelor de armare pe cele trei direcţii de dispunere a fibrelor de siliciu;

grad de porozitate din volumul total al compozitului; rezistenţa de rupere la tracţiune pe direcţie axială a produsului

; modulul de elasticitate ;

capacitatea termică masică de , la temperaturi cuprinse între

20 şi ;

conductivitatea după direcţie radială de ;

dilataţia axială de .

Compozitele cu structuri tridimensionale de siliciu-răşină sunt mai puţin rezistente la uzură, dar se comportă ca izolatori termici de bună calitate. Dacă însă, compozitul cu structura de armare cu dispunerea fibrelor de armare după trei direcţii are atât armătură din siliciu, cât şi armătură din fibre de sticlă şi azbest, atunci se comportă excelent la solicitările mecanice, la uzare şi solicitări termice.

15

Elementele de armare sub formă de fibre continue: roving, benzi unidirecţionale sau bidirecţionale, ţesături sunt disponibile, de regulă ca prepreguri, dând utilizatorilor multe posibilităţi din punct de vedere al proiectării şi fabricaţiei structurii compozite.

Proporţia de materiale de armare (fibre de sticlă) recomandată pentru elaborarea compozitelor cu matrice din materiale plastice poate lua valorile din tabelul 5.2 [11].

Tabelul 5.2 Proporţia volumică, în %, dintre materialele de armare sub formă de fibre de sticlă şi matricea compozitului din diferite materiale plastice [11]

Denumirea materialului matricei compozitului

Conţinutul volumic al fibrelor de sticlă, în %

ABS 20-40Epoxid 20-70Poliacetoli 20-40Poliamide 6-50Policarbonati 20-40Poliesteri 10-40Polietilena 30-40Polifenilenoxid 20-40Polipropilena 20-40Polisulfone 20-40SAN 20-35Uretonic 20-40

Respectarea proporţiilor volumice din tabelul 5.2 în elaborarea materialelor compozite cu matrice din materiale plastice permite obţinerea unor produse cu caracteristici mecanice şi chimice deosebite.

16

Fibrele de sticlă îşi păstrează proprietăţile fizico-mecanice până la temperaturi de . Încălzirea la , urmată de răcire, scade rezistenţa acestora la jumătate.

Pentru materialele compozite termoprotectoare (de ablaţie), se folosesc fibre de siliciu şi de cuarţ, care îşi menţin proprietăţile până la .

Excelente proprietăţi dielectrice, rezistenţă ridicată la temperaturi înalte şi coeficienţi de frecare scăzuţi se obţin cu matrice din teflon armate cu fibre de sticlă.

Aceste materiale sunt uşor prelucrabile prin presare, injectare, formare, turnare, etc. Sunt folosite ca materiale izolante în construcţia motoarelor, asigurându-le acestora o funcţionare continuă, în deplină siguranţa la temperaturi înalte, au o largă utilizare în circuitele hidraulice sub formă de tuburi, conducte etc. deoarece rezistă atacului oricărui produs chimic, mai ales sintetic.

Datorită proprietăţilor antiaderente, specifice teflonului, compozitele cu matrice din teflon, sunt folosite ca materiale antifricţiune în construcţia lagărelor de alunecare.

17

5.3 Compozite armate cu fibre de azbestArmarea matricei cu fibre de azbest se utilizează atunci când este necesară

îmbunătăţirea caracteristicilor fizico-mecanice în special în domeniile aerospaţial precum şi în construcţia de maşini şi instalaţii.

Materialele compozite din mase plastice armate cu fibre de azbest prezintă un mare interes, deoarece sunt caracterizate prin proprietăţi fizice, mecanice şi chimice superioare celor armate cu fibre sau microsfere de sticlă, mai ales la temperaturi ridicate. Fibrele de azbest folosite la armarea compozitelor din materiale plastice pot avea diametre cuprinse între 0,75 şi , atunci când sunt executate din crizotil, şi pentru cazul când acestea sunt din alte tipuri de azbest (ortofilit, amocit, termolit, actinolit, crocidolit etc.).

Armătura din azbest poate fi sub formă de pulbere, fibre tocate cu lungimea şi ţesătură etc., impregnate sau neimpregnate cu răşini de legătură şi materiale volatile. Dintre toate felurile de fibre de azbest enumerate, cele crizolitice au cea mai largă utilizare (cca. ) în fabricarea compozitelor cu matrice din materiale plastice (fenolice, poliesterice, epoxidice, melaminice, PVC, poliolefine, siliconice, furanice etc.).

Compozitele cu matrice din materiale termorigide (fenolformaldehidice, fenolice, poliesterice, epoxidice etc.), armate cu fibre de azbest şi formate prin turnare, presare, injectare etc., sunt utilizate la executarea diferitelor produse caracterizate prin modul de elasticitate, rezistenţă la solicitări mecanice, termice şi chimice ridicate, duritate etc. Materialele compozite cu matrice din materiale plastice armate cu fibre de azbest pot fi livrate sub formă de semifabricate (în stare polimerizată) prelucrabile prin diferite procedee mecanice sau de

18

amestecuri prelucrabile prin formare la temperaturi de , presiuni de

, şi densităţi de .Materialele compozite cu matrice din materiale termoplastice (P.V.C.,

poliamide, poliolefine) sau termorigide (fenol-formaldehide, poliesterice, epoxidice) armate cu fibre de azbest, sunt utilizate pe scară largă la confecţionarea de recipienţi, rezervoare, conducte, ventilatoare, coşuri de evacuare a unor gaze oxidante sau agresive şi fierbinţi, filtre, panouri pentru placarea pereţilor etc.

19

5.4 Compozite armate cu fibre de borFibrele de bor prezintă un interes deosebit datorită unor proprietăţi de

excepţie:– densitatea ;

– limita de rezistenţă la rupere ;

– modulul de elasticitate ;– duritate superioară corindonului;– temperatura de topire .În schimb sunt extrem de fragile iar tehnologia de obţinere este mai

complicată comparativ cu fibrele de sticlă.Fibrele de bor se prezintă sub forma de filamente cu diametrul

, cu o fragilitate ridicată, ceea ce determină utilizarea lor ca armături sub formă de fibre dispuse paralel, amplasate la 1/2 din grosimea peretelui produsului considerat.

Un interes deosebit îl prezintă rigiditatea relativă a firelor de bor, care depăşesc de 5 ori rigiditatea relativă a celor din sticlă şi mai mult de 6 ori pe cea a oţelului de înaltă rezistenţă, a aliajelor de titan şi de aluminiu.

Cea mai mare răspândire au căpătat-o materialele plastice armate cu fibre din bor şi matrice din răşină epoxidică.

Principalele proprietăţi ale acestora sunt:– limita de rezistenţă la rupere,

– modulul de elasticitate, .

20

Rolul matricei compozitului, în acest caz, constă în transmiterea către fibre a sarcinilor de solicitare, menţinerea acestora în poziţie aliniată şi uniform repartizată şi protejarea lor împotriva agresivităţii mediului înconjurător.

Materialele compozite armate cu fibre de bor au caracteristici mecanice superioare celor armate cu fibre de sticlă, grafit, carbon, azbest şi metale.

Astfel, compozitele cu matrice din răşini epoxidice armate cu fibre de bor se remarcă prin rigiditate şi rezistenţă mecanică, cel puţin egale cu acelea ale oţelului, comportări la compresiune şi oboseală excepţionale, la o densitate de două ori mai mică decât a aluminiului.

Caracteristicile mecanice ale unor compozite armate cu fibre de bor în comparaţie cu diverse calităţi de fibre sunt prezentate în tabelul 5.3.

Tabelul 5.3 Caracteristicile mecanice ale unor compozite armate [17]

Natura fibrei/Natura

matricei

Conţinutul volumic de fibre de

armare,

Rezistenţa la tracţiune

Modulul de elasticitate

longitudinal

Rezistenţa lacompresiune

Modulul transversal de

elasticitate

Bor/epoxi 50 1373/(55,9) 201/(22) 1600/(123,5) 5,4

Bor/poliamidă 49 1042/(11) 221/(14,5) 1090/(62,8) 7,6Grafit/epoxi 45 841/(42) 190/(6,9) 883/(196,6) 6,2

Grafit/poliamidă 45 807/(15,2) 216/(5) 625/(70,4) 4,5Sticla„S”/ epoxi 72 1290/(46,2) 61/(46,2) 821/(162,1) 12

Datorită costului de fabricaţie foarte ridicat al fibrelor de bor, se preconizează ca acestea să fie înlocuite parţial cu fibre de sticlă şi de carbon.

21

Costul de fabricaţie al materialelor compozite cu matrice din materiale plastice armate cu fibre de bor, ridicat în comparaţie cu costurile celorlalte materiale compozite, determină o utilizare limitată a acestora.

22

5.5 Compozite armate cu fibre de carbon [17]Fibrele de carbon se folosesc, de regulă sub formă de semifabricate ca:

fibre tocate, ţesături din fibre, ţesături impregnate şi semitort continuu. Principalele lor caracteristici mecanice ale unor tipuri de fibre de carbon sunt date în tabelul 5.4

Tabelul 5.4 Caracteristicile mecanice ale unor fibre de carbon [?]

Sortimentul de carbon

Modulul de elasticitate

Rezistenţa la tracţiunea

Densitate Modulul de elasticitate

specific

Rezistenţa l tracţiune specifică

Tip standard

200000 2400 1,7 120000 1400

Înaltă rezistenţă

290000 3000 1,7 150000 1800

Modul înalt 500000 2500 2,0 250000 1300Grafitizat 720000 20000 2,2 330000 9000

Materialele compozite armate cu fibre de carbon se impregnează în special cu lianţi epoxidici.

Compozitele cu matrice din materiale termoplastice sau termoreactive armate cu microfilamente având diametrul cuprins între şi lungimea

, cu fibre foarte scurte cu lungimea , cu meşe din

filamente paralele cu lungimea fibrei , cu fibre continue de

23

, sau pâsla, pătură etc. din carbon se evidenţiază prin caracteristici mecanice foarte bune, comportare deosebita în diverse medii oxidante, conductibilitate termică şi electrică ridicată, stabilitate dimensională remarcabilă şi densitate redusă.

În afară de o duritate (rigiditate) superioară, materialele compozite armate cu fibre de carbon, au o rezistenţă la oboseală foarte mare şi proprietăţile de rezistenţă la vibraţii şi de amortizare superioare metalelor. Aceasta se explică printr-o deformaţie mai mică decât, de exemplu, a maselor plastice armate cu fibră de sticlă, la aceeaşi tensiune, ceea ce duce la reducerea fisurării materialului polimer. Conductibilitatea termică superioară a fibrelor de carbon reduce autoîncălzirea materialului, ceea ce conferă masei plastice armate cu fibre de carbon un coeficient de dilataţie termică neînsemnat. De exemplu, pentru masa plastică epoxidică armată cu fibre de carbon, coeficientul de

dilatare termică că de-a lungul direcţiei filmelor reprezintă la ,

în gama de temperaturi ). Proprietăţile enumerate recomandă masele plastice armate cu fibre de carbon pentru fabricarea paletelor active şi directoare ale treptelor de ventilaţie ale compresoarelor de joasă presiune pentru motoarele turboreactive de aviaţie. Materialele plastice armate cu fibre de carbon au perspective de utilizare în construcţiile care necesită stabilitate sub acţiunea suprapresiunii exterioare, momentului de încovoiere şi compresiunii axiale, situaţie întâlnită la corpul unor rachete.

Se elaborează şi compoziţii carbon-carbon, în care, în calitate de liant se utilizează matrice de carbon grafitizat. Aceste materiale au proprietăţi

24

termoprotectoare superioare, cu acţiune chimică inertă, îşi păstrează caracterul de rezistenţă până la temperaturi foarte mari şi proprietăţile:

– densitatea – rezistenţa la rupere, MPa

– la

– la .Compoziţia carbon-carbon prezintă interes pentru fabricarea

divergentului MRCS.Perspective bune, cu avantaje substanţiale faţă de compoziţiile metalice,

pe bază de fibre de bor sunt materialele compozite compuse din fibre de carbon cu lianţi metalici (aluminiu, magneziu, nichel).

Proprietăţile orientative ale compozitului nichel-carbon sunt:– densitatea,

– limita de rezistenţă la rupere, Pa

– limita de rezistenţă la ,

– modulul de elasticitate, Pa Sunt cunoscute căi de îmbunătăţire a tehnologiei de obţinere a fibrelor de

carbon şi de ridicare a proprietăţilor lor mecanice.Compozitele ranforsate cu armaturi din grafit pirolitic se remarcă prin

proprietăţi fizico-mecanice deosebite: rezistenţa la tracţiune de ; rezistenţa la încovoiere de ;

25

densitatea ;

conductibilitatea termică: la ;

modul de elasticitate ; comportare excelentă la şoc; stabilitate termică şi dimensională până la .

Compozitele cu matrice din răşini poliesterice sau epoxidice armate cu ţesătură unidirecţională din fibre de carbon, în proporţie volumică de , răspund unor condiţii de înaltă stabilitate termică, rezistenţă bună la temperaturi ridicate, densitate mică şi izolaţie termică ridicată.

26

5.6 Compozite armate cu fibre de kevlarFibrele de kevlar se obţin plecând de la polimeri organici, de aramide,

poliamide aromatic, etc.Materialele compozite cu matrice din materiale termoplastice armate cu

fibre de kevlar, au o mare utilizare în alcătuirea unor elemente nestructurale sau semistructurale din construcţia aerospaţială şi automobilistică de mare rezistenţă.

Principalele caracteristici ale acestei categorii de materiale, care le-au conferit o largă utilizare, sunt:

– rezistenţă ridicată la solicitări prin şoc şi abraziune;– rezistenţă ridicată la tracţiune (de două ori mai mare decât a

compozitelor armate cu fibră de sticlă şi aproape egală cu cea a celor armate cu fibre de carbon);

– rezistenţă ridicată la temperaturi înalte;– stabilitate mecanică şi dimensională până la ;– capacitate ridicată de amortizare a vibraţiilor;– conductivitate termică mare;– rezistenţă la flacără şi caracteristici de autostingere;– densitate .Datorită densităţii foarte mici, unele compozite armate cu fibre de kevlar

cântăresc cu mai puţin decât aceleaşi materiale compozite armate cu fibre de carbon sau de sticlă.

27

Avantajele utilizării acestor materiale constau în reducerea greutăţii construcţiei cu circa , a consumurilor de fabricaţie cu până la , în condiţiile creşterii durabilităţii componentelor respective de două până la cinci ori.

Datorită calităţilor prezentate mai sus, kevlarul este folosit cu succes în aplicaţii ce necesită rezistenţă la forfecare, la solicitări termie, precum şi pentru echipamente de protecţie anti-glonţ şi anti-schije, benzi şi piese de transmisie prin fricţiune, garnituri de etanşare, cabluri etc. Se execută integral din compozite armate cu fibre de kevlar: structuri de rezistenţă, caroserii auto etc.

28

5.7 Compozite armate cu fibre organiceAvând ca element de armare fibre polimerice de înaltă rezistenţă se

remarcă prin următoarele proprietăţi:– densitatea

– rezistenţă la rupere

– modulul de elasticitate

– alungirea relativă

– rezistenţa specifică

– rigiditatea specifică Stabilitatea la acţiunea substanţelor chimice a fibrelor polimerice este de

asemenea, mai mare cu , decât a fibrelor de sticlă, au de asemenea o bună rezistenţă la deteriorări superficiale, bune proprietăţi electrice şi termoizolante şi nu-şi pierd rezistenţa până la temperatura de . După valoarea rezistenţei specifice fibrele organice concurează de pe acum fibrele de sticlă. Însă, rezistenţa comparativ mică la compresiune şi fluaj, limitează folosirea lor pe scară largă.

În prezent acestea se folosesc în construcţia de avioane şi elicoptere ca izolaţii la voleţi, stabilizatoare, carenaje precum şi la corpurile MRCS.

Prezintă interes materialele compozite fibroase obţinute prin combinarea fibrelor polimerice cu cele carbonice de module superioare. În astfel de compoziţii, ingredienţii polimerici ridică elasticitatea, rezistenţa la şoc şi reduce greutatea iar fibrele de carbon ridică rezistenţa şi rigiditatea.

29

5.8 Compozite armate cu fibre metaliceFibrele metalice, deşi au proprietăţi mecanice bune, sunt utilizate într-o

mai mică măsură datorită densităţii lor mari.Compozitele cu matrice din materiale plastice (fenolice, epoxidice,

poliesterice, melaminice, siliconice, P.V.C., poliolefine, furanice, alilice şi materiale fluorurate) cu armatură metalică sub formă de microsfere pline sau goale, microfilamente, fibre foarte scurte sau scurte şi lungi cu diametrul cuprins între prezintă dezavantajul că, caracteristicile mecanice şi rezistenţa lor la coroziune scad pe măsură ce temperatura de exploatare a produsului creşte.

În ultimii ani s-a recurs la realizarea de compozite cu armatură din fibre metalice de Al, Mg, Mo, W, oţel carbon de calitate, sau aliat cu ,

şi , introdusă într-un un suport de ţesătură din fibre de azbest sau sticlă, pătura de fibră de sticlă etc., dispuse paralel cu o densitate de 4, 8, 12, 16 sau 24 fire/cm. Compozitele astfel realizate au obţinut proprietăţi fizice, mecanice şi chimice mult îmbunătăţite faţă de acelea obţinute prin armare numai cu fibre metalice sau fibre de sticlă.

30

5.9 Compozite armate cu microsfere din sticlă sau din alte materiale

Armătura din microsfere de sticlă sau alte materiale conferă compozitului cu matrice termoplastice sau termoreactive, o bună rezistenţa mecanică, stabilitate dimensională şi o repartiţie uniformă (omogenă) a armăturii în masa matricei, grad ridicat de compactare, înlăturarea uzurii prin abraziune a materialului de armare, inexistenţa unor pori care să absoarbă răşini etc.

Compozitele cu matrice din materiale termoplastice sau termorigide cu microsfere pline sau goale din sticlă sau alte materiale (metale feroase şi nefereroase, kevlar, araldit, grafit), cu diametrul , sunt caracterizate prin densitate volumică mică, faţă de acelea armate cu fibră şi au o bună comportare la solicitări mecanice, termice (până la ) şi corozive.

Caracteristicile materialelor compozite armate cu microsfere din sticlă sau alte materiale sunt influenţate, în mare măsură, de grosimea peretelui microsferei, densitatea acestora, distanţa dintre microsfere, natura şi proporţia volumică dintre materialul plastic al matricei şi acela de armare, precum şi de felul tehnologiei de obţinere al produsului.

Materialele compozite armate cu microsfere din sticlă sau alte materiale conţin, în general, material plastic, sticlă sau alte materiale şi aer. Creşterea procentului de microsfere din sticlă sau alte materiale metalice sau nemetalice conduce la scăderea rezistenţei la compresiune a compozitului cu până la faţă de situaţia în care acesta conţine , în timp ce rezistenţa la acţiunea solvenţilor şi impermeabilitatea faţă de aer creşte.

31

Compozitele cu matrice din materiale termoplastice (polipropilena, polistirenul, ABS, poliamide) armate cu microsfere din sticlă sau alte materiale metalice sau nemetalice, a căror concentraţie volumică poate ajunge până la

material de armare, sunt caracterizate printr-o fluiditate ridicată la formarea prin turnare.

Această categorie de materiale compozite se caracterizează printr-o permeabilitate foarte redusă, ca urmare a bunei acoperiri a microsferelor cu răşină, contracţii tridimensionale egale, care pot fi dinainte stabilite, suprafaţă lisă, fără necesitatea de a se efectua diferite straturi de finisare şi rezistenţă la deformare sub sarcină, la fluaj, la compresiune şi la tracţiune, mai mari decât aceleaşi materiale armate cu fibră de sticlă.

Proprietăţile se îmbunătăţesc proporţional cu procentul de microsfere utilizate. Astfel, în cazul aceloraşi poliamide de tip 6.6, rezistenţa la tracţiune a putut fi mărită pe această cale cu , modulul de încovoiere cu până la

, în timp ce modulul de deformare la temperatura , sub sarcina,

s-a diminuat cu .De asemenea, s-a constatat o diminuare a contracţiei la formare şi

umplerea completă şi uniformă a cavităţii de formare a produselor.Compozite cu matrice din materiale termorigide armate cu microsfere pline

sau goale din sticlă sau alte materiale caracterizate prin caracteristici fizico-mecanice (rezistenţă la încovoiere, tracţiune, modul Young etc.) deosebite, sunt folosite în industria automobilelor (tablouri de bord, şaibe, cuzineţi, pinioane, angrenaje etc.), acolo unde, în afară de avantajele amintite, trebuie să se asigure o

32

armare uniformă, o suprafaţă netedă şi alunecoasă, rigiditate la temperaturi înalte, stabilitate dimensională şi rezistenţă ridicată la uzură şi compresiune.

În cazul materialelor compozite cu matrice termorigide armate cu microsfere din sticlă nu mai este necesar să se folosească diferite tipuri de gelcoat (amprenta vizibilă a materialului de armare dispare), caracteristicile mecanice cresc considerabil, iar preţul de fabricaţie al diferitelor produse scade.

Compozitele cu matrice din materiale plastice armate cu microsfere pline sau goale, microfilamente, whiskersuri sau fibre foarte scurte sunt caracterizate prin rezistenţă la solicitări mecanice, termice şi corozive mai mari decât acelea armate cu fibră metalică ţesută sau sub formă de pătură.

33

5.10 Compozite sandwichPot fi folosite pentru realizarea unor piese sau a unor întregi panouri sau

cadre. Principiul tehnicii sandwich constă în a aplica peste un „miez” (constituit dintr-un material sau dintr-o structură uşoară, având bune caracteristici la compresie) două folii sau straturi (posedând bune caracteristici la tracţiune).

Obiectivul unui asemenea procedeu este de a constitui o structură care să împace caracterul uşor cu cel rigid.

În general, alegerea materialelor este făcută având ca obiectiv iniţial obţinerea unei mase minimale ţinând seama apoi de condiţiile de utilizare (condiţii termice, coroziune, preţ etc.).

Materialele cel mai des utilizate sunt:– pentru miezuri pline (fig. 5.5):

• balsa sau lemnul celular;• diverse spume celulare;• răşini amestecate cu microsfere goale de sticlă numite spume sintactice.

34

Fig. 5.5 Materiale sandwich cu miezuri pline

35

Fig. 5.6 Materiale sandwich cu miezuri goale

– pentru miezuri goale (fig. 5.6) în principal fagure de albină şi profile:• aliaje metalice uşoare;• hârtie kraft (acoperită sau nu cu răşină);• hârtie poliamidă, hârtie Nomex etc.

36

5.11 Eficienţa materialelor compoziteUnul din aspectele de care trebuie avute în vedere de un inginer este să

aleagă materialele convenabile, care să satisfacă cerinţele impuse de proiectul specific, condiţiile de fabricaţie, de exploatare şi pe lângă acestea componentul sau ansamblul respectiv să fie realizat la un cost acceptabil. Există peste o mie de materiale diferite cu proprietăţi foarte variate. Prin urmare alegerea corespunzătoare a unui material care să satisfacă cerinţele de proiect nu este o operaţie care să se efectueze în mod independent. Alegerea unui material trebuie să ia în considerare atât factorii de proiect cât şi de fabricaţie. Există o interdependenţă complexă între trei elemente. Proiect, material şi fabricaţie.

Trebuie avute în vedere mai multe proprietăţi ale materialelor, cele mai multe cuantificabile, care necesită să fie luate în considerare ca parte a procesului de selecţie. Aceştia includ: modulul de elasticitate, tensiunea de curgere şi rupere, duritatea şi rezistenţa la uzură, ductilitatea, fragilitatea la rupere, rezistenţa la oboseală, caracteristicile de fluaj, rezistenţa la oxidare şi coroziune, proprietăţile electrice, proprietăţile magnetice, dilatarea şi conductivitatea termică, densitatea.

În plus, faţă de aceste proprietăţi trebuie considerată formabilitatea pentru prelucrare uşoară şi factorul de cost, ambele pentru material şi fabricare.

În figurile 5.7, 5.8, 5.9, 5.10, 5.11, 5.12 sunt prezentate unele performanţe ale materialelor compozite în raport cu caracteristicile celorlalte materiale: aluminiu, oţel, sticlă, materiale plastice nearmate şi lemn [17].

37

Fig. 5.7 Rezistenţa materialelor compozite comparativ cu alte materiale

38

Fig. 5.8 Modulul de elasticitate al materialelor compozite

39

Fig. 5.9 Densitatea materialelor compozite comparativ cu alte materiale

40

Fig. 5.10 Conductivitatea termicăa materialelor compozite comparativ cu alte materiale

41

Fig. 5.11 Rezistenţa termică a materialelor compozite comparativ cu alte materiale

Se constată că în privinţa caracteristicilor de rezistenţă (fig. 5.7 şi 5.8) depăşesc oţelul la densităţi comparabil mai mici (fig. 5.9), pe care le păstrează la temperaturi relativ ridicate concurând cu oţelurile (fig. 5.11).

Datorită bunelor caracteristici mecanice fizico-chimice şi a costurilor scăzute, ponderea utilizării materialelor compozite (cu matrice termoplastică sau termorigidă) a crescut substanţial începând cu anul 1980.

În figura 5.12 este prezentată clasificarea principalelor materiale compozite cu matrice termoplastică şi termodură în funcţie de costurile de fabricaţie, de unde rezultă oportunitatea înlocuirii materialelor metalice cu materiale compozite mult mai ieftine.

42

Fig. 5.12 Costurile specifice ale unor materiale compozite

43

Pentru corpurile MRCS care funcţionează în timp scurt (fără încălzire îndelungată), cel mai eficient este folosirea maselor plastice organice şi armate cu fibre de sticlă. Când se folosesc răşinile poliamidice, acestea rezistă până la

. În aceste condiţii, răspund bine şi metalele. Pentru camerele cu diametrul sub , folosirea maselor plastice armate cu fibre organice sau fibre de sticlă este mai puţin avantajoasă în comparaţie cu utilizarea metalelor de înaltă rezistenţă, datorită creşterii relative, grosime perete/diametru cameră. În acelaşi timp, la diametre mici şi lungimi relative mari ale corpului, masele plastice armate cu fibre organice sau de sticlă nu sunt recomandate datorită deformaţiilor de flambaj, mult mai mari decât la corpii metalici.

Prin urmare, alegerea materialului se face după calculul stării de tensiune şi deformaţie, executat pentru diferite materiale (se are în vedere că materialele compozite fibroase, la o solicitare pe direcţia fibrelor, sunt liniar elastice până la rupere). Apoi se face o analiză tehnico-economică cu luarea în considere a influenţei ansamblului general (rachetă) asupra corpului studiat. Totodată trebuie să se ţină cont de posibilităţile tehnologice de producţie şi de termenul de asimilare al produsului.

Pentru corpurile MRCS care funcţionează în timp scurt (fără încălzire îndelungată), cel mai eficient este folosirea maselor plastice organice şi armate cu fibre de sticlă. Când se folosesc răşinile poliamidice, acestea rezistă până la

. În aceste condiţii, răspund bine şi metalele. Pentru camerele cu diametrul sub , folosirea maselor plastice armate cu fibre organice sau fibre de sticlă este mai puţin avantajoasă în comparaţie cu utilizarea metalelor de înaltă rezistenţă, datorită creşterii relative, grosime perete/diametru cameră. În

44

acelaşi timp, la diametre mici şi lungimi relative mari ale corpului, masele plastice armate cu fibre organice sau de sticlă nu sunt recomandate datorită deformaţiilor de flambaj, mult mai mari decât la corpurile metalici.

Având în vedere cele de mai sus, putem preciza considerentele care au stat la baza alegerii materialului pentru corpurile MRCS ale rachetei TITAN-3S, MINUTMAN, SPRINT şi FÖNIX (USA).

Corpurile MRCS ale rachetei TITAN-3S au următoarele dimensiuni: lungimea , diametrul şi se fabrică din oţel, probabil din următoarele motive: soluţia constructivă unitară a corpului cu aceste dimensiuni mari; dacă s-ar fi utilizat materialele compozite, ar fi necesitat instalaţii complicate, nejustificate d.p.d.v. economic pentru o producţie de serie mică şi care în plus, ar fi dus la mărirea timpului de asimilare în fabricaţie.

Soluţia din metal (construcţie sudată) a folosit o tehnologie deja existentă, bine pusă la punct. În afară de aceasta, corpurile din masă plastică armată cu fibre de sticlă, după fiecare solicitare la presiune, îşi micşorează capacitate de rezistenţă ori, construite din metal, camerele de ardere ale MRCS pentru TITAN se pot refolosi de mai multe ori, crescând considerabil eficienţa economică. Pentru a refolosi de mai multe ori un corp din masă plastică armată cu fibre de sticlă, este necesară o protecţie termică suplimentară şi un coeficient de siguranţă mai mare, decât la creşterea masei pasive şi a preţului de cost. De asemenea această soluţie ar fi presupus o soluţie constructivă din mai multe bucăţi, cu elementele de îmbinare corespunzătoare, deci complicarea formei constructive, cu toate dezavantajele ce decurg din aceasta.

Motorul treptei a treia a rachetei MINUTMAN şi cel al treptei a doua al rachetei SPRINT, întrebuinţate o singură dată, au diametre comparativ mici şi

45

un timp de funcţionare scurt, în condiţiile în care materialul corpului îşi menţine temperatura sub . De aceea probabil s-a ales ca material masă plastică armată cu fibră de sticlă.

Racheta de aviaţie FÖNIX are corpul MRCS din oţel. Probabil că în momentul conceperii ei nu se cunoşteau masele plastice armate care să reziste la temperaturi mai mari de .

46