Materialele compozite sunt sisteme multifazice obţinute pe cale artificială, prin asocierea a cel puţin două materiale chimic distincte, cu interfaţă de separare clară între componente, iar materialul compus rezultat este creat în scopul obţinerii unor proprietăţi care nu pot fi obţinute de oricare dintre componenţi lucrând individual.

Proprietăţile compozitelor sunt determinate de caracteristicile componentelor, distribuţia acestora şi interacţiunea dintre ele.

Clasificarea materialelor composite

A - După tipul masei de bază

1.materiale compozite cu matrice metalica;

2.materiale compozite cu matrice ceramica;

3.materiale compozite cu matrice polimerica.

B - După forma şi natura armăturii

1.compozite armate cu particule;

2.compozite armate cu fibre: a - compozitele monostrat b - compozitele multistrat

Material omogen este un material caracterizat prin aceea că proprietățile fizice și chimice în oricare punct al său sunt identice.

Opusul materialului omogen este materialul eterogen (neomogen sau inomogen), caracterizat prin dependența proprietăților de punct.

Materiale ortotrope sunt un subgrupa de materiale anizotrope; proprietățile lor depind de direcția în care sunt măsurate. Materiale ortotrope au trei plane/axe de simetrie. Un material izotrop, în schimb, are aceleași proprietăți în toate direcțiile. Materiale izotrope pot avea un număr infinit de planuri de simetrie

Lamela este unitatea de bază în evaluarea proprietăţilor materialului compozit, fiind alcătuită dintr-un eşantion de matrice şi fibre, aranjate în modul în care aceste componente sunt dispuse în ansamblul produsului

Alcătuirea lamelei compozite (cu sisteme diverse de armare):

a. cu fibre continue unidirecţionale;

b. cu fibre discontinue (scurte) aleatorii;

c. cu reţea ortogonală de fibre;

d. cu armare spaţială (tridirecţională.

Lamela compozita - o considerăm omogena şi izotropă/ortotropă (funcţie de modelul de calcul şi ipotezele asumate)

În funcţie de sistemul de axe adoptat, pentru lamelele compozite armate cu fibre, se definesc următoarele caracteristici mecanice necesare în proiectare:

EL = E1 - modulul de elasticitate longitudinal al lamelei (în direcţie paralelă cu fibrele);

ET = E2- modulul de elasticitate transversal al lamelei (în direcţie perpendiculară pe fibre);

GLT = G12 - modulul de elasticitate la forfecare al lamelei în planul(L,T) sau (1,2);

LT = 12 şi TL = 21 - coeficienţii Poisson în planul (L,T) sau (1,2);

RtL - rezistenţa la tracţiune a lamelei în direcţie longitudinală;

RtT- rezistenţa la tracţiune a lamelei în direcţie trasversală;

RcL - rezistenţa la compresiune a lamelei în direcţie longitudinală;

RcT - rezistenţa la compresiune a lamelei direcţie transversală;

Rf(LT)=Rf(12) - rezistenţa la forfecare a lamelei în planul (L,T) sau (1,2);

Micromecanica studiază comportarea materialelor compozite din punct de vedere al interacţiunii materialelor componente.

Macromecanica studiază materialul compozit sub aspect macroscopic, presupunând că acesta este omogen, iar influenţa componenţilor este evaluată numai prin valorile medii aparente ale caracteristicilor mecanice.

Funcţiunile matricei

–Înveleşte fibrele astfel încât să le protejeze atât în fazele de formare ale produsului cât şi pe durata de serviciu.

- Păstrează armăturile la distanţe corespunzătoare transmiterii eforturilor între faze prin adeziune, frecare sau alte mecanisme de conlucrare.

- Împiedică flambajul fibrelor, deoarece fără mediul de susţinere armătura nu este capabil să preia eforturi de compresiune.

- Constituie mediul de transmitere a eforturilor prin compozit astfel că, la ruperea unei fibre, reîncărcarea celorlalte fibre se poate realiza prin contactul de la interfaţă;

- Asigură contribuţia principală la stabilirea rezistenţei şi rigidităţii în direcţia normală pe fibre.

- Permite redistribuirea concentrărilor de tensiuni şi deformaţii evitând propagarea rapidă a fisurilor prin compozit.

- Stabileşte forma definitivă a produsului realizat din materialul compozit. - Stabileşte continuitatea transversală dintre lamelele ansamblului stratificat.

- Previne efectele corozive şi reduce efectele abraziunii fibrelor.

- Asigură compatibilitatea termică şi chimică în raport cu materialul de armare.

Funcţiunile armăturii

Armătura (datorită naturii unidimensionale a fibrelor) contribuie la creşterea rigidităţii şi rezistenţei compozitului în principal după direcţia fibrelor, deşi nu sunt excluse unele contribuţii "laterale”, evidenţiate la calculul modulului de elasticitate transversal.

Creşterea rigidităţii şi rezistenţei compozitului este proporţională cu fracţiunea volumetrică de fibră dispusă paralel cu direcţia efortului aplicat, atâta vreme cât matricea polimerică asigură învelirea corectă a fibrelor şi transferul eforturilor între componente. In cazul unor anumite fracţiuni volumetrice de fibră şi dispuneri geometrice ale armăturii, rezistenţa şi rigiditatea la tracţiune a compozitului creşte prin sporirea rigidităţii relative a armăturii faţă de matrice.

Zona de interfață: asigură conlucrarea dintre component

Materiale pentru armare: Fibre din sticlă

Fibrele din sticlă sunt cele mai cunoscute armături pentru compozitele cu matrice polimerică, având ca principale avantaje costul relativ redus şi rezistenţe mecanice convenabile. Dezavantajele principale constau în valoarea redusă a modulului de elasticitate, rezistenţa nesatisfăcătoare la abraziune care-i reduce potenţialul structural, precum şi aderenţa necorespunzătoare la matricea polimerică în prezenţa apei. Aderenţa redusă necesită folosirea unor agenţi de cuplare care se folosesc pentru tratarea suprafeţei fibrelor.

Fibrele pe bază de carbon se folosesc la armarea compozitelor cu performanţe ridicate. Termenul fibră de grafit se foloseşte pentru a caracteriza fibrele cu un conţinut de carbon ce depăşeşte 99 % în timp ce fibra de carbon provine din material ce are conţinutul în carbon cuprins între 80-95 %. Conţinutul de carbon este determinat de temperatura de tratament termic.

Semifabricate şi produse finite din compozitelor armate

Aplicaţiile materialelor compozite armate cu fibre cuprind aproape toate domeniile de activitate economică. Ca exemple de aplicaţii se menţionează:

-în industria construcţiilor: panouri pentru pereţi, plafoane, acoperişuri, cofraje, obiecte sanitare, tâmplărie, decoraţiuni, mobilier etc.;

-transporturile formează un sector important de aplicaţii atât la transportul aerian, naval, feroviar, cât şi auto, astfel de exemplu: cisterne, vagoane de marfă, rezervoare de apă şi combustibili, vagoane de metrou, containere, ambarcaţiuni, avioane de transport, în industria aerospaţială etc.;

-în industria chimică şi farmaceutică: recipienţi şi conducte, rezervoare de depozitare, coşuri de evacuare a fumului şi gazelor industriale, piese componente de filtre şi uscătoare etc.;

-în industria alimentară: rezervoare, silozuri pentru furaje, instalaţii de răcire, diverse recipiente etc.;

-telecomunicaţii: antene parabolice, elemente de sprijin şi carcase pentru radar, cofrete pentru cabluri

-instalaţii electrice: cofrete, palete de condensatoare, stator de minimotoare, cadrane pentru circuite

Compozitele armate cu fibre oferă o gamă variată de proprietăţi avantajoase cum ar fi:

rezistenţă la coroziune;

modul de elasticitate ridicat;

caracteristici mecanice dirijate în raport cu cerinţele de rezistenţă şi rigiditate;

deformabilitate acceptabilă;

posibilitatea fabricării unor produse adecvate soluţiilor de consolidare.

Caracteristicile ţevilor şi conductelor din compozite polimerice armate cu fibre sunt: rezistenţă la coroziune; rezistenţă mare la impact; greutate redusă; conductivitate termică scăzută; întreţinere redusă; uşor de fabricat; uşor de asamblat; cost redus.

Pentru consolidarea structurilor inginereşti, materiale compozite polimerice se folosesc preponderent sub formă de platbande sau membrane, armate cu fibre dispuse unidirecţional sau bidirecţional. Cele mai uzuale compozite folosite în sistemele de consolidare sunt: platbande cu fibre unidirecţionale sau cu ţesături ne-echilibrate, cu armătura dirijată preponderent pe direcţie longitudinală; ţesături bidirecţionale echilibrate, ne-impregnate; platbande preimpregnate unidirecţionale, în stare neîntărită; fascicule din fibre unidirecţionale, neimpregnate folosite pentru înfăşurarea elementelor din materiale tradiţionale;

Consolidarea cu platbande din materiale compozite prezintă următoarele avantaje faţă de cea cu platbande din oţel: platbandele din compozite sunt mai puţin vulnerabile la acţiunea agresivă a agenţilor chimici, de aceea costul întreţinerii după instalare este mult mai redus; platbandele compozite se pot proiecta şi realiza cu proprietăţi prestabilite pe baza alegerii elementelor sistemului multifazic, fracţiunilor volumetrice de fibră şi matrice, orientării fibrelor şi procedeului de fabricaţie; compozitele cu matrice polimerică sunt izolatoare electrice, nemagnetice şi neconductive termic; platbandele şi membranele din compozite polimerice au greutate proprie redusă şi sunt uşor de

transportat, manipulat şi instalat, adăugând valori mici la greutatea proprie; elementele compozite pentru consolidare se pot produce cu lungimi mari, fiind posibilă livrarea şi în rulouri;

Utilizarea membranelor compozite la consolidarea stâlpilor avariaţi

Utilizarea membranelor compozite la consolidarea grinzilor podurilor

Proporţia relativă a componentelor este factorul decisiv în stabilirea proprietăţilor materialului compozit.

Fracţiunile volumetrice se folosesc la analiza şi proiectarea compozitelor, iar Fracţiunile gravimetrice se folosesc în timpul fabricării.

Lamela compozită armată cu fibre lungi Caracteristici mecanice ale lamelei compozite în sistemul de axe principale 1. Caracteristicile mecanice în direcţie longitudinală Modulul de elasticitate în direcţie longitudinală, EL (E1) Elaborarea modelului materialului compozitului cu armare unidirecţională se bazează pe ipotezele: - fibrele au aceleaşi proprietăţi şi diametre; - armăturile sunt continue şi paralele; - conlucrarea fibră-matrice este perfecta

Teoretic Vf poate corespunde unui procent de armare de 78,5% în reţeaua pătrată şi 90,67% în reţeaua hexagonală de dispunere a fibrelor, dar procentele de armare peste 75% pot afecta negativ proprietăţile compozitului datorită dificultăţii de învelire corectă a fibrelor de către matrice. Astfel conlucrarea dintre faze devine discutabilă, crescând şi volumul de goluri din masa compozitului.

În general deformarea unui compozit se poate produce în patru stadii, după cum urmează: fibrele şi matricea se deformează liniar elastic; fibrele se deformează elastic iar matricea se deformează neliniar sau plastic; fibrele şi matricea se deformează neliniar sau plastic; ruperea fibrelor urmată de ruperea compozitului

Material omogen si: - cvasi-izotrop – distribuție aleatorie a fibrelor scurte in spațiu sau in plan; - ortrotop – distribuție orientata a fibrelor scurte;