MATERIALE COMPOZITE.pdf

MIRCEA CORBAN

COMPOZITE HIBRIDE realizate prin

METALURGIA PULBERILOR

Bucureti, 2008

Editura Ars Academica Str. Hiramului nr. 11, sector 3, Bucureti Telefon: 0314 251 945, fax: 0314 251 652 e-mail: [email protected] www.arsacademica.ro Copyright Editura Ars Academica

CIP Descrierea CIP a Bibliotecii Naionale a Romniei CORBAN, MIRCEA

Compozite hibride realizate prin metalurgia pulberilor/Mircea Corban. - Bucureti: Ars Academica, 2008 Bibliogr. ISBN: 978-973-88932-4-5

62.002.3:669

CUPRINS

INTRODUCERE ............................................................................................................... 1 Cap.1 MATERIALELE COMPOZITE I FENOMENUL DE FRECARE-UZUR .......................................................................................... 2

1.1 Materiale compozite.Definiie ............................................................................. 2 1.2 Componente ale materialelor compozite cu matrice metalic ............................. 2

1.2.1 Matricea metalic........................................................................................ 2 1.2.2 Materiale complementare ............................................................................ 4

1.2.2.1 Tipuri de fibre ................................................................................ 4 1.2.2.1.1 Caracteristici fizice generale ale fibrelor ......................... 5 1.2.2.1.2 Caracteristici chimice generale ale fibrelor ..................... 6 1.2.2.1.3 Fibre de carbon ................................................................. 6

1.2.2.2 Tipuri de particule............................................................................ 9 1.3 Caracterizare general a materialelor de friciune sinterizate............................... 9 1.4 Mecanismele ranforsrii cu fibre i transferul sarcinii de la matrice la fibre. Proprietile materialelor compozite cu matrice metalic armate cu fibre.................................................................... 10

1.4.1 Principii ale ranforsrii cu fibre ................................................................. 10 1.4.2 Mecanismul transferului de sarcin ntre matrice i fibr ......................... 12 1.4.3 Proprieti mecanice ale materialelor compozite cu matrice metalic armate cu fibre orientate multidirecional ................ 15 1.4.4 Proprieti tribologice ale materialelor compozite cu matrice metalic

armate cu fibre .......................................................................................... 17 1.5 Sinterizarea materialelor compozite cu matrice metalic pulverulent armate cu fibre................................................................................................... 18 1.6 Aspecte generale privind fenomenul de frecare-uzare........................................ 20

1.6.1 Frecarea...................................................................................................... 20 1.6.2 Uzarea ........................................................................................................ 25

Cap. 2 COMPOZITE HIBRIDE REALIZATE PRIN METALURGIA PULBERILOR CU APLICAII TRIBOLOGICE ..... 27

2.1 Metoda de obinere ............................................................................................. 27 2.1.1 Pregtirea componentelor .......................................................................... 28 2.1.2 Omogenizarea .......................................................................................... ..29 2.1.3 Presarea...................................................................................................... 30 2.1.4 Sinterizarea ................................................................................................ 31 2.1.5 Finisarea mecanic..................................................................................... 31

2.2 Aparatura utilizat n cercetare........................................................................... 32 2.3 Materiale utilizate n cercetare .......................................................................... 34

Cap.3 CERCETRI EXPERIMENTALE PRIVIND REALIZAREA PRIN METALURGIA PULBERILOR A COMPOZITELOR HIBRIDE CU MATRICE METALIC DIN CUPRU, ARMATE CU PARTICULE DE SiC I FIBRE DE CARBON POLIFILAMENTARE DISCONTINUE DIN PRECURSOR TIP PAN, CU APLICAII TRIBOLOGICE .................... 38 3.1 Rezultatele cercetrilor experimentale. Interpretri,concluzii pariale ............... 41

3.1.1 Parametrii tehnico-funcionali obinui pentru materialele compozite elaborate ..................................................... 42

3.1.1.1 Densitatea....................................................................................... 42 3.1.1.2 Duritatea......................................................................................... 43 3.1.1.3 Rezistena la compresiune.............................................................. 43 3.1.1.4 Coeficientul de frecare i uzura ................................................... 44 3.1.1.5 Stabilitate termic(termostabilitate) ............................................ 48 3.1.1.6 Analiz microstructural .............................................................. 55 3.1.1.7 Interpretri,concluzii pariale ....................................................... 61

Cap.4 MODELE MATEMATICE PENTRU STUDIUL INFLUENEI

PARAMETRILOR TEHNOLOGICI ASUPRA CARACTERISTICILOR TRIBOLOGICE ALE COMPOZITELOR HIBRIDE CU MATRICE METALIC DIN CUPRU ARMATE CU FIBRE DE CARBON POLIFILAMENTARE DISCONTINUE ...................... 63 4.1 Elaborare program de experimentri ................................................................ 63

4.1.1 Model matematic pentru studiul influenei coninutului de fibr de carbon polifilamentar discontinu i a presiunii de comprimare asupra coeficientului de frecare ............................................................... 65 4.1.2 Model matematic pentru studiul influenei coninutului de fibr de carbon polifilamentar discontinu i a presiunii de comprimare asupra uzurii ......... 70 4.1.3 Corelaii ntre coeficientul de frecare i intensitatea de uzur specific .. 75

4.2 Concluzii privind modelarea matematic prin experiment activ pentru determinarea influenei coninutului de fibr de carbon polifilamentar discontinu asupra caracteristicilor tribologice ....................... 75

Cap.5 STUDIU PRIVIND CARACTERISTICILE MECANICE,

TRIBOLOGICE I ELECTRICE ALE UNUI COMPOZIT HIBRID AVANSAT REALIZAT PRIN METALURGIA PULBERILOR .................... 77 5.1 Parametrii tehnico-funcionali obinui pe materialul compozit hibrid, cu matrice metalic din cupru armat cu particule de SiC i fibre de carbon polifilamentare discontinue din precursor tip PAN ........................................... 79 5.2 Morfologia suprafeei de frecare a materialului compozit cu matrice metalic din cupru armat cu fibre de carbon polifilamentare discontinue .............................................................. 87 5.3 Concluzii asupra experimentrilor privind frecarea ......................................... 90 5.4 Aspecte privind conductibilitatea electric a unui compozit hibrid avansat realizat prin metalurgia pulberilor .................................................................... 93 5.5 Concluzii asupra experimentrilor privind conductibilitatea electric ............. 95

Bibliografie ....................................................................................................................... 96

4

COMPOZITE HIBRIDE REALIZATE PRIN METALURGIA PULBERILOR

1

INTRODUCERE

Dezvoltarea fr precedent a societii omeneti contemporane, precum i nivelul de civilizaie al acesteia, concomitent cu necesitatea proteciei mediului ambiant au determinat interese deosebite pe multiple planuri (tehnic, tiintific, economic, social si chiar politic) n creerea unor produse i servicii cu un grad ridicat de complexitate.Acestea din urm la rndul lor au stimulat volume mari de investiii att pentru studii, cercetri i experimentri, ct i pentru producie. n realizarea produselor un rol determinant l au materialele, utilizate n cantiti din ce n ce mai mari i din ce n ce mai diversificate calitativ i sortimental. Industriile de vrf (aeronautic, electronic i energetic) impun utilizarea de materiale elaborate n condiii speciale, datorit proceselor fizico-chimice ce au loc n sistemele tehnice ale acestor domenii. Pe lng cerine i condiii, nu trebuie omis nici procesul de epuizare a resurselor, acesta determinnd modificri fundamentale n domeniul produciei de materiale, modificri dintre care se evideniaz n principal: -folosirea unor nlocuitori ai materialelor cunoscute i crearea de materiale noi; -elaborarea i dezvoltarea unor tehnologii noi, numite tehnologii neconvenionale; -reciclarea i refolosirea materialelor prin procedee mecanice, chimice i biologice. n aceste mprejurri a aparut necesitatea elaborrii unor materiale de o concepie cu totul nou-materialele compozite-aa numitele materiale din generaia a doua. Cu toate c n-au fost numite n acest fel dect la sfritul deceniului apte al secolului al XX-lea, materialele compozite sunt utilizate din cele mai vechi timpuri n construcii realizate att de om ct i de animale sau psri. Astfel omul din antichitate a inventat chirpiciul (crmida nears fcut dintr-un amestec de lut i paie) iar psri precum rndunelele i construiesc din fibre (paie, crengue) i lut cuiburile.Aceste exemple pot fi asimilate prin structura lor cu materialele compozite moderne. Consumul mondial anticipat de materiale compozite n primul deceniu al secolului al XXI-lea este estimat la peste 1,6x109t [3], aceast valoare reprezentnd aproximativ 2/3 din consumul de metale, de aceea se poate spune c practic nu exist domeniu oricare ar fi acesta(industrii de vrf i tradiionale) n care materialele compozite s nu fi ptruns.n prezent toat industria, dar nu numai, este dominat de aa zisul sindrom al reducerii greutii,acesta determinnd cercetarea i producerea de: materiale,aparate, echipamente i vehicule mai uoare.Efectele care apar n acest caz sunt: diminuarea consumului energetic i a polurii. Datorit posibilitilor de dezvoltare precum i avantajelor pe care le prezint materiale compozite, acestea vor sta n atenia cercettorilor i specialitilor nc mult vreme. Lucrarea de fa prezint cteva rezultate ale autorului, n domeniul cercetrii compozitelor hibride (compozit cu matrice metalic neferoas de cupru, armat cu fibre de carbon polifilamentare discontinue si particule de SiC), destinate aplicaiilor tribologice, o noutate n Romnia. Aspectul de noutate rezid n procedeul de obinere al acestor materiale, n acest caz, cel specific metalurgiei pulberilor .


2

CAPITOLUL 1

MATERIALELE COMPOZITE I FENOMENUL DE FRECARE-UZUR

1.1 MATERIALE COMPOZITE. DEFINIIE ,CLASIFICARE Materialele compozite sunt materiale anizotrope, realizate din mai multe componente, a cror structur permite folosirea caracteristicilor acestora, astfel nct n final proprietile compozitelor s fie n general superioare componentelor din care sunt alctuite.Aceste materiale cuprind n cele mai multe cazuri un material de baz, matricea,n care se afl dispersat un material complementar sub form de particule i/sau fibre.Compozitul hibrid reprezint un material n care se regsesc dispersate in matrice dou sau mai multe componente de armare(fibre, particule) nalt performante. O clasificare cu caracter general a materialelor compozite cuprinde umtoarele grupe de produse: produse macromoleculare modificate prin copolimerizare (amestec de polimeri); produse armate cu whiskers(monocristale filiforme perfecte) sau cu fibre; produse metalice armate cu fibre:prin placare,prin metalurgia pulberilor,prin

ntreptundere de gaze etc.; Materialele care intr n structura compozitelor sunt: ! mase plastice; ! fibre(sintetice, de sticl, de carbon, de bor, lemnoase, metalice etc.); ! particule( SiC, Al2O3, SiO2, B4C etc.) ! metale (Al,Cu,Fe,Ni,Co,Cr,Ti,W,Ta,Zr,Mo etc.); ! celulozice(hrtie); ! lemn(placaje,plci aglomerate).

1.2 COMPONENTE ALE MATERIALELOR COMPOZITE CU MATRICE

METALIC

1.2.1 MATRICEA METALIC Utilizarea matricelor metalice a aprut dintr-o necesitate, anume de a obine materiale compozite care s poat fi exploatate n regim termic ridicat, comparativ cu cele cu matrice organic(polimeri). n ceea ce privete matricea metalic, pentru compozitele hibride obinute prin metalurgia pulberilor,aceasta trebuie s fie constituit dintr-un material capabil s nglobeze componentele disperse(fibre i/sau particule), pe care s nu le distrug prin dizolvare, topire, reacie chimic sau aciune mecanic.Matricea metalic reprezint pentru majoritatea cazurilor partea plastic,deformabil a materialelor compozite i care n general are o rezisten termica mai sczut dect materialul complementar pe care l include.


3

Metalele(aliajele) prezint i alte proprieti care le recomand n calitate de matrice:rezisten mecanic sporit(tenacitate),conductibiliti termice i electrice mari, capacitate bun de prelucrare. Principalele metale folosite ca matrice sunt: aluminiul, cuprul, titanul, nichelul, fierul,acestea intrnd n procesul de fabricaie n stare solid(pulbere), lichid, pstoas sau n stare de vapori(cteva proprieti termofizice ale unor materiale utilizate ca matrice metalic sunt prezentate n tabelul 1.1)

n general,matricea de baz a materialelor compozite armate cu fibre obinute prin metalurgia pulberilor poate fi: - neferoas; - feroas. Matricea reprezentnd componenta principal a acestor materiale ndeplinete totodat n cazul aplicaiilor tribologice urmtoarele funcii: ! asigur mpreun cu contrapiesa de frecare nivelul coeficientului de frecare; ! nglobeaz i menine n timpul funcionrii componentele nemetalice(particule i/sau

fibre); ! asigur magazinarea, disiparea i transferul cldurii degajate n timpul frecrii; ! confer rezisten mecanic materialului compozit de frictiune. Selectarea pulberilor care formeaz matricea metalic trebuie s in cont de cteva caracteristici ale acestora i anume : compoziia chimic(puritatea)-apreciat prin coninutul maxim de oxigen,carbon etc.; compoziia granulometric-reprezint corelaia dintre proporiile particulelor de diferite dimensiuni exprimat procentual; densitatea aparent-este o caracteristic tehnologic a pulberilor n stare liber vrsat, iar pentru pulberile metalice ale matricei se alege un domeniu al acesteia de ap=2,22,5g/cm3; viteza de curgere-dependent de densitatea aparent.Se aleg n general pulberile cu densiti mai mari de 2,3g/cm3. Observaie: - ap2,3 g/cm3-pulberile curg liber. Viteza de curgere depinde de coninutul particulelor fine ale pulberi, de aceea se ine seama de faptul c: -pulberile relativ fine au o curgere slab;

TABELUL 1.1 Proprieti termofizice ale unor materiale utilizate ca matrice metalic [4]

Materialul metalic

Cldur specific,

[kJ/(kg K)]

Conductibilitate

termic, [W/(m K)]

Coeficientul de

dilatare, X 10-6 [oC-1]

Cuprul(aliaje Cu) 0,3760,439 189391 16,2018,30 Aluminiu(aliaje

Al) 0,8750,980 130247 22,9023,60

Oel inoxidabil 0,50 16,2 17,2 Titan(aliaje Ti) 0,5400,670 6,6019 99,50


4

-pulberile relativ grosiere curg liber. Pulberea de cupru fabricat prin procedeul de electroliz este folosit frecvent n materiale compozite de friciune, att ca element de baz(matrice) ct i ca element metalic de adaos pentru materialele compozite de friciune sinterizate pe baz de fier n scopul consolidrii matricelor acestora.Experimentele au artat c forma dendritic a particulelor de pulbere de cupru electrolitic asigur o comprimare foarte bun a acesteia,chiar i n combinaie cu alte pulberi metalice ca de ex: fier, zinc, nichel, aluminiu etc. sau nemetalice precum:grafitul,SiC,Al2O3,SiO2 etc. Proprietile pulberii de cupru electrolitic sunt: puritatea-coninutul de cupru depete 99,5%,iar coninutul de oxigen este 0,10,5%; compoziia granulometric-mrimea medie a particulelor de pulbere folosit n aplicaii

tribologice este de 2045m; densitatea aparent: 2,202,50g/cm3; viteza de curgere: 2540 s/50g. Pulberea de fier realizat prin reducerea oxidului de fier este una din cele mai utilizate pulberi din lume.n aplicaiile tribologice poate fi utilizat i pulberea de fier fabricat prin atomizare cu aer, care ulterior este tratat termic n cuptor cu atmosfer de hidrogen la 8001000oC.Acest tratament se aplic pentru a scdea simultan coninutul de oxigen la mai puin de 0,2% i respectiv de carbon la aproximativ 0,01%. Proprietile pulberii de fier obinut prin reducerea oxizilor de fier sunt: puritatea-coninutul maxim de oxigen este de 0,30,5%,iar cel de carbon nu trebuie s

depeasc 0,1%(asigurndu-se n acest fel o structur exclusiv feritic) pentru a nu nrutaii compresibilitatea pulberii;

compoziia granulometric-mrimea medie a particulelor de pulbere folosit n aplicaiile tribologice este de 63100m;

densitatea aparent: 2,302,60g/cm3; viteza de curgere: 3040 s/50g .

1.2.2 MATERIALE COMPLEMENTARE Materialele complementare sunt utilizate n scopul ranforsrii matricei, avnd rolul de a prelua o parte nsemnat din solicitrile la care este supus aceasta.Dup configuraie, materialele complementare se mpart n dou mari categorii: particule i fibre.La rndul lor acestea includ numeroase alte tipuri difereniate dup: mrime,raportul lungime/diametrul,compoziie chimic i structur.

1.2.2.1 TIPURI DE FIBRE Fibrele n general sunt utilizate ca elemente de armare,iar funcie de natura matricei i de scopul urmrit, acestea se realizeaz din substane: organice (aramid, poliamid, acrilai,poliester etc.),anorganice(oel,Ti,W,Mo,B,Al,C,SiC ceramice sau cupluri de astfel de materiale) sau minerale, de forme i mrimi diferite. Dup raportul dintre lungime l i diametru d, fibrele se clasific n: fibre continue; fibre discontinue. Fibrele continue sunt caracterizate prin valori: l/d>1000,avnd forma unor fire simple(monofilament, cu diametrul d>100m) sau rsucite(multifilamente, cu diametrul d=525m).


5

Fibrele discontinue se pot produce ca atare sau rezult prin fragmentarea(tocarea) fibrelor cu lungime mai mare i se mpart n: fibre discontinue lungi, caracterizate prin raportul l/d=3001000(lungimea acestor

fibre este l=0,910mm,iar diametrul d=310m); fibre discontinue scurte,obinute prin tierea fibrelor continue sau discontinue lungi,

fiind caracterizate de valori ale raportului l/d100 (lungimea acestor fibre este l300m,iar diametrul d3m);

fibre discontinue foarte scurte (whiskers) cu dimensiuni reduse(diametrul acestor fibre d1m).

1.2.2.1.1 CARACTERISTICI FIZICE GENERALE ALE FIBRELOR

Literatura de specialitate [4] evideniaz posibilitatea introducerii n matrice ca element de ranforsare, fibrele, ntr-o proporie de: - pn la 30%(volum),n cazul fibrelor discontinue; - pn la 6080%(volum),n cazul fibrelor continue. Principalele caracteristici ale fibrelor care prezint interes sunt: rigiditatea, densitatea (sczut),duritatea(mare),coeficientul de dilatare termic(redus),rezisten specific la rupere(mare),flexibilitatea(proprietate important la realizarea mpletiturilor) i coeficientul de form. Rigiditatea, rezistena specific la rupere i densitatea sunt proprieti ale fibrelor care depind n mare msur de structura lor cristalin i de porozitate.Comparativ cu fibrele din metal, cele din material ceramic prezint un coeficient redus de dilatare termic i duritate mai mare. Flexibilitatea reprezint capacitatea fibrelor de a se ndoi fr s se deterioreze i poate fi exprimat utiliznd relaia matematic:

f 0,67 l2Rm/Ed unde: l - lungimea fibrei; Rm rezistena la rupere la traciune; E modulul de elasticitate; d diametrul fibrei. Valorile coeficienilor de form(raportul l/d=3050 [4]) trebuie s fie suficient de mari, pentru a se evita smulgerea fibrei din matrice sub sarcin(exemplul fibrele cu un diametru de 20m i o lungime a acestora de 1mm, asigur condiii optime transferului de sarcin de la matrice la fibre). n tabelul 1.2 sunt prezentate proprietile fizico-mecanice ale principalelor tipuri de fibre utilizate ca element de armare pentru matricele metalice.


6

1.2.2.1.2 CARACTERISTICI CHIMICE GENERALE ALE FIBRELOR

Ansamblului fibr-matrice i este impus drept cerin, coeziunea ntre componente, matricea trebuind s adere ct mai bine la suprafaa materialului complementar(fibr), fr s apar procese importante de coroziune.Procesele de coroziune pot fi inhibate dac fibrele sunt acoperite cu materiale nereactive, de aceea se aplic acoperiri de suprafa (utiliznd diverse tehnici) pentru tratarea fibrelor de carbon,bor sau carbur de siliciu. n stabilirea cuplului de materiale(fibr-matrice) se ine seama de posibilitatea apariiei unor compui ntre cele dou, astfel n matricele metalice, fibrele de carbon trebuie protejate mpotriva formrii carburilor sau mpotriva coroziunii electrochimice.

1.2.2.1.3 FIBRE DE CABON n deceniul nou al secolului al XIX-lea, Edison i Swan au realizat lmpi cu incandescen, cu o durat de via de peste o sut de ore,utiliznd un fir conductor obinut prin carbonizarea unui material fibros. Mai trziu,ctre 1907 aceste filamente au fost nlocuite progresiv cu filamentele de wolfram pentru a mri durata de via a lmpilor.Exceptnd firele de aur i argint, se poate afirma c firele(fibrele) de carbon constituie primele fibre fabricate de om nainte de a le gsi o aplicaie practic real. Proprietile refractare ale carbonului au determinat din 1950 o cretere a interesului pentru a nlocui sticla i azbocimentul larg utilizate n izolaia termic,totui fibrele de carbon(numite i fibre carbon) s-au impus pe plan mondial la sfritul deceniului apte al secolului XX, datorit urmtoarelor avantaje: proprieti mecanice remarcabile; stabilitate la temperaturi nalte; compatibilitate chimic bun cu matricele de natur organic; posibilitatea utilizrii ca fibr suport pentru diverse metale;

TABELUL 1.2 Proprieti fizico-mecanice ale principalelor tipuri de fibre utilizate ca element de armare [4]

Tipul fibrei Diametrul d[m] Densitatea [g/cm3]

Rezistena de rupere la traciune Rm[MPa]

Modulul de elasticitate longitudinal E[MPa]

Alumin (Al2O3) 320 3,303,90 14002000 300000400000 Carbur de siliciu (SiC/W;SiC/B) 15150 2,553,40 29004000 200000450000

Bor(B/W:B/C) 50200 2,552,70 28004200 400000420000 Carbon(PAN) 510 1,501,96 20003000 200000500000 Grafit(HT; HM) 510 1,801,95 20002600 250000360000

Oel carbon (0,15%C) 50100 7,8 42504000 200000 Oel inoxidabil (18%Cr;8%Ni) 50 7,9 2100 220000

Titan (13%V;11%Cr;3%Al) 150 4,6 2300 119000

Wolfram(99,95%W) 25 19,3 3900 405000 Molibden(99,9%Mo) 150 10,3 2100 343000 Aluminiu 150 2,7 170 70000

MATERIALE COMPOZITE.pdf

Documents

Transcript of MATERIALE COMPOZITE.pdf