Partener: Universitatea Transilvania din Brasov …old.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de...

Investeşte în oameni! Proiect cofinanţat din Fondul Social European prin Programul Operaţional Sectorial pentru Dezvoltarea Resurselor

Umane 2007 – 2013 Axa prioritară: 1 „Educaţia şi formarea profesională în sprijinul creşterii economice şi dezvoltării societăţii bazate pe cunoaştere”

Domeniul major de intervenţie: 1.5 „Programe doctorale şi postdoctorale în sprijinul cercetării” Titlul proiectului: „Parteneriat interuniversitar pentru excelenta in inginerie - PARTING” Cod Contract: POSDRU/159/1.5/S/137516

Beneficiar: Universitatea Tehnică din Cluj-Napoca Partener: Universitatea Transilvania din Brasov

Universitatea Transilvania din Brasov

Scoala Doctorala Interdisciplinara

Departament: Știința Materialelor

Ing. Radu Francisc COTERLICI

Rezumatul tezei de doctorat

Eco-compozite sustenabile cu proprietăți

performante

Summary of the PhD Thesis

Sustainable green composite with performance

properties

Conducător ştiinţific

Prof.dr.ing. Virgil GEAMĂN

BRAȘOV, 2015

MINISTERUL EDUCAŢIEI ȘI CERCETĂRII ȘTIINȚIFICE

Universitatea Transilvania din Brașov

Bd. Eroilor 29, 500036 Brașov, Romania,Tel/Fax: +40 268-410525, +40 268 412088

www.unitbv.ro

D-lui ( D-nei)

...............................................................................................................................

COMPONENŢA

Comisiei de doctorat

Numită prin ordinul Rectorului Universităţii “Transilvaniaˮ din Braşov

Nr.7480 din 07.09.2015

PREȘEDINTE: - Prof. univ. dr. ing. Teodor MACHEDON PISU

DECAN- Facultatea de Știința și Ingineria Materialelor

Universitatea “Transilvania” din Brașov

CONDUCĂTOR - Prof. univ. dr. ing. Virgil GEAMĂN

ȘTIINȚIFIC: Universitatea “Transilvaniaˮ din Brașov

REFERENȚI: - Prof. univ. dr. ing. Doina RĂDUCANU

Universitatea “ Politehnicaˮ din București

- Prof. univ. dr. ing. Liviu NISTOR

Universitatea Tehnică din Cluj - Napoca

- Conf. univ. dr. ing. Dana LUCA MOTOC

Universitatea “Transilvaniaˮ din Brașov

Data, ora şi locul susţinerii publice a tezei de doctorat: 16.10.2015, ora

12:00, sala W III 4.

Eventualele aprecieri sau observaţii asupra conţinutului lucrării vă rugăm

să le transmiteţi în timp util, pe adresa [email protected]

Totodată vă invităm să luaţi parte la şedinţa publică de susţinere a tezei de

doctorat.

Vă mulţumim !

mailto:[email protected]

Eco-compozite sustenabile cu proprietăți performante

CUPRINS

Pag.

teză

Pag.

rezumat

Introducere

1 1

CAPITOLUL 1. Stadiul actual privind materialele eco-compozite pe bază

de fibre naturale

5 5

1.1. Fibrele naturale 5 5

1.2. Compoziția chimică și proprietățile fizico - mecanice ale fibrelor naturale

1.3. Materiale compozite polimerice lignocelulozice

1.4. Procedee de obținere a materialelor eco-compozite pe bază de fibre naturale

1.5. Domenii de utilizare a materialelor eco-compozite

1.6. Micromecanica materialelor eco-compozite

1.7. Concluzii parțiale

8

11

21

23

25

32

6

7

10

10

11

14

CAPITOLUL 2. Motivația temei și obiectivele programului de doctorat

2.1. Motivația temei

2.2.Obiectivele programului de doctorat

33

33

35

15

15

16

CAPITOLUL 3. Metode experientale și tehnici de caracterizare a eco-compozitelor

37 18

3.1. Etapele de procesare a materialelor compozite

3.2. Efectul mediului agresiv asupra materialelor compozite

3.3. Testarea mecanică prin încovoiere în trei puncte

3.4. Analiză morfologică de suprafață (MEB)

3.5. Analiză dilatometrică (DIL)

3.6. Analiză calorimetrică cu scanare diferențială (DSC)

3.7. Analiză termogravimetrică și analiză termică diferențială ( TG/DTA)

3.8. Analiză prin metoda elementelor finite (MEF)

3.9. Testarea la impact a unei structuri din compozit. Studiu de caz

3.9.1. Realizarea și testarea unei căști de protecție

3.9.2. Modelare prin MEF a căștii de protecție

37

38

40

42

43

44

45

46

59

62

63

18

19

21

22

22

23

23

24

26

28

29


CAPITOLUL 4. Caracterizarea proprietăților eco-compozitelor

4.1.Efectul mediului agresiv asupra materialelor eco-compozite

4.2.Caracteristici mecanice la încovoiere în trei puncte

4.3. Morfologia suprafețelor materialelor compozite

4.4. Caracteristici termo-fizice prin analiză dilatometrică (DIL)

4.5. Variația temperaturii de tranziție (Tg) prin analiză calorimetrică (DSC)

4.6. Variația masică și transformările termice prin analiză simultană (TG/DTA)

4.7. Analiza rezultatelor prin MEF

4.8. Analiza rezultatelor experimentale la impact și prin MEF

4.9.Concluzii parțiale

65

65

68

75

77

80

81

88

93

104

31

31

33

38

39

40

41

45

47

50

CAPITOLUL 5. Concluzii finale. Contribuții originale. Direcții viitoare de cercetare.

Diseminarea rezultatelor

5.1. Concluzii finale

5.2. Contribuții originale

5.3. Direcții viitoare de cercetare

5.4. Diseminarea rezultatelor

107

107

109

110

111

52

52

53

54

54

Bibliografie selectivă 114 57

Anexe

Anexa 3. Scurt rezumat al tezei de doctorat

Anexa 4. Curriculum vitae


CONTENTS

Page

thesis

Page

abstract

Introduction

1 1

CHAPTER 1. Present state of green-composite materials based on natural fibers

1.1.

Natural fibers

1.2.

Chemical composition and physico-mechanical properties of natural fibers

1.3.

Lignocellulosic polymer composite materials

1.4.

Manufacture technologies for green - composite materials based on natural fibers

1.5.

Application fields of green - composite materials

1.6.

Micromechanics of green - composite materials

5 5

5 5

8 6

11 7

21 10

23 10

25 11

1.7. Partial conclusions

CHAPTER 2. The subject motivation and objectives of PhD program

2.1. Subject motivațion

2.2. Objectives of PhD program

CHAPTER 3. Experimental procedure and green-composite techniques

characterisation

3.1. Processing steps of green - composite materials

3.2. The effect of an agressive environmental on eco-composite materials

3.3. Mechanical three point bending test

3.4. Surface morphology analysis (SEM)

3.5. Dilatometric analysis ( DIL)

3.6. Differential scanning calorimetry ( DSC)

32

32

33

35

37

37

38

40

42

43

44

14

15

15

16

18

18

19

21

22

22

23


3.7. Thermogravimetry analysis and differential thermal analysis (TG/DTA)

3.8. Finite element method analysis (FEM)

3.9. Shock test of composite structure. Case study.

3.9.1. Execution and protection helmet test

3.9.2. FEM modeling of helmet tested

CHAPTER 4. Characterisation of green-composites properties

45

46

59

62

63

65

23

24

26

28

29

31

4.1. Agressive environmental effect on green-composite materials

4.2. Mechanical characteristics during bending tests

4.3. Eco-composite surface morphology

4.4. Thermo-physical characteristics by dilatometric analysis ( DIL)

4.5. Transition temeprature variation (Tg) by differential scanning calorimetry (DSC)

4.6. The variation of mass and thermal transformations by thermogravimetry analysis

and differențial thermal analysis (TG/DTA)

4.7. Finite element method analysis results (FEM)

4.8. Experimental results analysis of shock test and finite element methods

4.9. Partial conclusions

65

68

75

77

80

81

88

93

104

31

33

38

39

40

41

45

47

50

CHAPTER 5. Final conclusions. Original contributions. Future research directions.

Results dissemination.

107

52

5.1. Final conclusions

5.2. Original contributions

5.3. Future research directions

5.4. Results dissemination

107

109

110

111

52

53

54

54

Selective references 114 57

Appendix

Appendix 3. PhD thesis abstract

Appendix 4. Curriculum vitae


Prezenta lucrare prezintă cercetările realizate în cadrul Universității Transilvania din

Brașov, cofinanțate din Fondul Social European și de Guvernul României prin Programul

Operațional Sectorial pentru Dezvoltarea Resurselor Umane, 2007-2013, Axa prioritară: 1

"Educația și formarea profesională în sprijinul creșterii economice și dezvoltării societății

bazate pe cunoștere", Domeniul major de intervenție: 1.5 "Programe doctorale și

postdoctorale în sprijinul cercetării", Titlul proiectului: "Parteneriat interuniversitar pentru

excelență în inginerie – PARTING", Cod Contract: POSDRU/159/1.5/137515. Beneficiar:

Universitatea tehnică din Cluj-Napoca, Partener: Universitatea Transilvania din Brșov, cu

începerea de la 2 Octombrie 2012. Această lucrare de doctorat a fost elaborată sub

îndrumarea domnului Prof. dr. ing. Virgil Geamăn căruia țin să-i mulțumesc pentru

încrederea acordată, susținerea și contribuția în dezvoltarea acestei cercetări.

Mulțumesc membrilor comisiei, d-nei Prof. dr. ing. Doina Răducanu, d-lui Prof. dr.

Ing. Nistor Liviu, d-nei conf. dr. Ing. Dana Luca Motoc pentru analiza lucrării în vederea

susținerii publice și pentru observațiile indicate în îmbunătățirea acestei lucrări de doctorat.

Mulțumesc colectivului de cadre didactice de la catedra de Știința și Ingineria

Materialelor de la Universitatea Transilvania din Brașov, pentru sfaturile acordate,

susținerea și încurajarea în activitatea de cercetare.

Mulțumesc d-lui Conf. dr. ing. Horațiu Teodorescu-Drăghicescu din cadrul

Departamentului de Inginerie Mecanică, Universitatea Transilvania din Brașov, pentru

timpul acordat efectuării cercetărilor experimentale.

Mulțumesc d-lui S. l. dr. ing. Virgil Tudose din cadrul Departamentului de Rezistența

Materialelor, Universitatea Politehnică din București, pentru ajutorul oferit la efectuarea

cercetării experimentale.

Mulțumesc dr. ing. Andreea Crisbășan, d-lui Conf. dr. ing. Denis Chaumont, Dl. Yvon

Lacroute și Dl. Frederic Herbst de la Universitatea deBourgogne din Dijon, pentru ajutorul

acordat la realizarea analizelor SEM.

Nu în ultimul rând vreau să mulțumesc familiei și în special prietenei mele care m-a

sprijinit și a contribuit la redactarea acestei lucrări de doctorat.


Ing. Radu Francisc Coterlici 1

Introducere

Conceptul de "compozit" nu este o invenție umană și poate fi definit ca fiind un sistem

multifazic, prin combinarea a două sau mai multe materiale diferite în scopul obținerii unor

performanțe superioare în raport cu cele ale componenentelor separate [18].

Se poate spune că, face parte integrantă din viața cotidiană, fiind prezent peste tot în

jurul nostru, sub formă de ţesut muscular, os, dinte, scoică, lemn [51],[85], totodată

reprezentând cheia conservării mediului înconjurător. De-a lungul timpului, omul a combinat

două sau mai mai multe materiale neomogene, fiecare având avantaje structurale unice într-un

singur material neomogen cu caracteristicele ambelor materiale [94].

Un exemplu clasic, egiptenii antici au fost cei care au obţinut cărămizile din paie şi

noroi, aşa numiţii chirpici, primul compozit pe bază de polimer a fost obţinut în jurul anilor

5000 î. Hr. în Orientul Mijlociu, unde smoala a fost folosită ca liant pentru papură în

construirea bărcilor de pescuit [61].

În mod ideal, proprietăţile materialelor ar trebui să fie reproductibile şi cunoscute cu

exactitate, din moment ce exploatarea satisfăcătoare a eco – compozitului depinde de

flexibilitatea de proiectare, care rezultă din proprietăţile unei combinaţii de materiale pentru a

servi unei anumite cerinţe. În prezent, unele dintre cele mai importante proprietăţi pot fi

prezise pe baza unor modele matematice[46].

La nivel global, dependența și consumul ridicat al materialelor sintetice, metalice și

nemetalice greu degradabile în timp, au condus la creșterea contaminării mediului

înconjurător. În ultimii ani, în scopul diminuării acestui fenomen negativ, interesul utilizării

fibrelor naturale în vederea obținerii compozitelor polimerice ranforsate cu diferite fibre

lignocelulozice ca materiale alternative celor neecologice a crescut rapid în numeroase

domenii de aplicații precum industria de automobile, civilă, aeronautică, navală, cât și în

activitățile de cercetare.

Pe lângă beneficiile avantajoase oferite, dezavantajul major al scăderii duratei de viață

al eco – compozitelor pe bază de fibre naturale este oferit de tendința naturii hidrofile a

acestora de a absoarbi umezeala din atmosferă, provocând modificări dimensionale în timp,

rezultând scăderea proprietăților mecanice. În defavoarea avantajelor menționate mai sus,

aspectul și calitatea fibrelor naturale sunt variabile în funcție de vreme, iar prețul acestora

fluctuează în funcție de politica agriculturii. S-a demonstrat (figura 1) că, energia consumată

pentru producerea unor fibre naturale este mai scăzută față de cea a fibrelor sintetice.



Fig.1. Consumul de energie pentru producerea fibrelor utilizate ca ranforsant [114]

Fig.2. Comparație între costul fibrelor naturale și cea sintetică [30]

Energia consumată arată că nu orice fel de ranforsant este ecologic. În diagrama din

figura 2, este prezentat în mod comparativ costul fibrelor naturale și a celei sintetice. Se poate

observa că, valorile indicate confirmă avantajul preț/kg redus în ceea ce privește fabricarea

fibrelor naturale.

O analiză comparativă a datelor statistice înregistrate în ultimii ani, arată că producția

globală de fibre naturale domină cu o proporție semnificativă de 42 %, în cazul fibrelor de

iută, față de cea a fibrelor sintetice, având o valoare procentuală de 17 %, (figura 3).



Fig.3. Producția globală de fibre textile [14]

Pornind de la actualiatatea și noutatea temei abordate în cadrul prezentei teze de

doctorat, intitulată Eco – compozite sustenabile cu proprietăți performante, se propune

conceperea și dezvoltarea unor noi materiale compozite, pe bază de fibre lignocelulozice cu

caracter ecologic în vederea îndeplinirii condițiilor necesare utilizării acestora în sfera

diferitelor ramuri de activitate.

Activitatea de cercetare științifică s-a desfășurat la Institutul de Cercetare Dezvoltare

Inovare Produse High – Tech pentru Dezvoltarea Durabilă, PRO – DD, în laboratorul de

Tehnologii și materiale avansate metalice, ceramice și compozite.

Structura lucrării de cercetare împărțită în cinci capitole, îmbină și oferă o imagine de

ansamblu a cercetării aprofundate, dezvoltând evolutiv tematica subiectului de cercetare

științifică, începând cu introducerea tezei și terminând cu concluziile, contribuțiile și direcțiile

viitoare de cercetare.

Capitolul 1, intitulat Stadiul actual privind materialele compozite pe bază de fibre

naturale prezintă o analiză a cercetărilor studiate până în prezent în literatura de specialitate,

privind domeniul materialelor compozite pe bază de fibre naturale. Sunt sintetizate câteva

aspecte referitoare la principalele metode de obținere și câteva domenii de utilizare a

materialelor compozite. De asemenea sunt prezentate câteva noțiuni de micromecanică ce

abordează studiul modelelor teoretice utilizate pentru analiza diverselor proprietăți ale fazelor

existente și interacțiunea acestora în microstructura materialelor compozite.



Capitolul 2, intitulat Motivația temei și obiectivele programului de doctorat, pune în

evidență beneficiile materialelor eco – compozite sustenabile asupra omenirii și a mediului

înconjurător, precum propunerea unor obiective în vederea desfășurării cercetării științifice cu

căteva etape de lucru.

Capitolul 3, intitulat Metode experimentale și tehnici de caracterizare a eco –

compozitelor, este destinat prezentării detaliate a procesului de obținere a materialelor eco –

compozite cât și descrierii principalelor echipamente și tehnici de caracterizare utilizate în

vederea determinării caracteristicilor structurale și proprietăților termo – fizice și mecanice.

De asemenea, se prezintă un model de calcul numeric cu elemente finite cu ajutorul

softului ANSYS LS – DYNA privind comportarea dinamică a structurii, un procedeu de

obținere a unei structuri de compozit propus ca studiu de caz și solicitată la impact, respectiv

modelare prin MEF.

Capitolul 4, intitulat Caracterizarea proprietăților eco – compozitelor, prezintă în

mod comparativ rezultatele caracteristice a materialelor condiționate de un mediu agresiv,

rezultatele în urma solicitărilor la încovoiere, rezultatele termo-fizice obținute prin analize

DIL, DSC și TG – DTA, rezultatele calcului numeric cu elemente finite, respectiv rezultatele

solicitării la impact experimental și prin MEF.

Capitolul 5, intitulat Concluzii finale. Contribuții originale. Direcții viitoare de

cercetare, cuprinde concluziile generale rezultate în urma cercetării științifice efectuate,

evidențiind contribuțiile proprii ale autorului întreprinse în cadrul tezei de doctorat, precum și

câteva propuneri de cercetări ulterioare.

.



CAPITOLUL 1

Stadiul actual privind materialele compozite pe bază de fibre

naturale

1.1. Fibrele naturale

Fibrele naturale prin definiţie simplă, nu sunt fibre sintetice şi nu sunt făcute de mâna

omului [118]. Acestea pot fi extrase din tulpinele, frunzele şi seminţele diferitelor plante.

Fibrele colectate din tulpină sunt numite fibre liberiene, unde un singur filament poate

avea diametrul aproximativ de 10 µm. Cunoscând faptul că, resursele neregenerabile sunt din

ce în ce mai scăzute, dependenţa noastră a crescut inevitabil. Acest secol ar putea fi numit

secolul celulozic, fiindcă au fost descoperite mai multe resurse de plante regenerabile. În

general s-a afirmat că, fibrele naturale sunt regenerabile şi durabile, dar de fapt nu sunt [30].

Clasificarea principalelor fibre naturale în funcție de origine poate fi observată în

diagrama reprezentată schematic în figura 1.1.

Fig. 1.1. Clasificarea fibrelor naturale în funcție de origine [58]

În trecut, fibrele naturale nu au fost considerate materiale de ranforsare pentru

polimeri, datorită unor probleme asociate cu domeniile de utilizare ale acestora, prezentând o

stabilitate termică scăzută, posibilitatea de degradare la temperaturi cuprinse între 230 oC şi

350 oC, natură hidrofilă a fibrelor și a unor constituenţi ce conduc la o aderență slabă între

fibre şi matrice. Caracterul hidrofil poate determina tumefierea şi macerarea fibrelor. Mai

mult decât atât, umiditatea scade semnificativ proprietăţile mecanice ale fibrelor, fiind



variabile în funcţie de calitatea recoltei, de vârsta, respectiv tulpina plantei din care sunt

extrase fibrele şi tehnicele de extracţie. În general, sunt menţionate câteva avantaje ce fac

atractivă aplicarea acestor fibre şi anume: proprietăţile specifice, reciclabilitatea lor [67],

densitatea relativ scazută, sunt destul de rigide și rezistente, oferind caracteristici mecanice

ridicate ce pot fi comparabile cu cele ale fibrei de sticlă [37].

1.2. Compoziția chimică și proprietățile fizico - mecanice ale fibrelor

naturale

Principalele elemente componente ale tuturor fibrelor naturale sunt celuloza,

hemiceluloza și lignina, în diferite proporții, fiind prezente și altele precum ceara, pectina, și

sărurile anorganice [17]. Celuloza este principalul constituent structural al fibrelor naturale a

căror proprietăți mecanice sunt dependente de acest constituent. Importanța utilizării fibrelor

în funcție de rezistența lor, depinde de alegerea tipului de fibră, lungimea, diametrul, forma,

dimensiunile, orientările şi grosimea pereţilor celulari. Lignina şi pectina sunt polimeri mai

slabi decât celuloza, iar în cazul în care fibrele vor fi folosite ca ranforsanți pentru compozite

trebuie să fie eliminate. Cea mai mare parte de pectină este eliminată când fibrele sunt

separate de tulpină prin înmuiere în apă şi meliţare (bătaie).

Compoziţia chimică a ranforsanților naturali are un rol vital şi un impact inevitabil

asupra proprietăţilor finale ale compozitului. În literatura de specialitate există o

multitudine de lucrări științifice de actualitate publicate de mulți cercetători care au

evidențiat atât proprietățile mecanice ale materialor compozite ranforsate cu fibre naturale

precum și caracterul sustenabil al acestora.

Proprietățile materialelor compozite polimerice ranforsate cu fibre naturale sunt

influențate mult de grosimea, lungimea și de cantitatea de fibră adăugată în matricea

polimerică. Modulul de elasticitate al fibrelor naturale poate fi comparabil sau chiar mai bun

decât al fibrelor de sticlă, (Jawaid, 2011), Ku (2011), [47], [60].

Funcția unei matrice într-un compozit este de a asigura un mediu relativ rigid și de a

transfera efortul către ranforsant. Un material compozit este caracterizat după proprietățile

fizice superioare obținute în urma legăturii chimice dintre constituenți [115].

Studiul microstructurii fibrelor de sisal, banan, in și iută după ruperea lor precum și

proprietățile mecanice după ranforsare în matrice de polipropilenă, a fost raportat în lucrarea

(Oksman et. al., 2009) [83], cu mențiunea că, într-un compozit caracteristicile mecanice pot fi

crescute drastic prin îmbunătățirea aderenței la interfața dintre fibră și matrice.



1.3. Materiale compozite polimerice lignocelulozice

Un material eco – compozit poate fi alcătuit din faza continuă, cunoscute sub

denumirea de matrice și faza discontinuă cunoscută sub denumirea de armătură sau

ranforsant.

Cele mai cunoscute și utilizate matrici în vederea obținerii materialelor eco –

compozite sunt rășinile poliesterice și epoxidice, iar elementele ce pot fi folosite ca materiale

de armare pot fi sub formă de particule, foiţe, solzi sau fibre continue sau discontinue (figura

1.3).

Fig. 1.3. Fazele constituente ale compozitului

După cum este prezentat în figura 1.4, materialele de ranforsare se împart în două mari

categorii: fibre continue și discontinue, unde fiecare categorie clasificându-se în alte tipuri

diferențiate, după raportul de lungime/diametru.

Fig. 1.4. Reprezentarea schematică a fibrelor după forma fazei de ranforsare [56]



Matrici termorigide

Cele mai utilizate matrici termorigide la obținerea materialelor compozite polimerice

ranfosate cu fibre sunt rășinile epoxidice și rășinile poliesterice nesaturate (Edelman și

McMahon, 1979) [33]. Rășinile termorigide formate din precursori cu greutate moleculară

relativ scăzută, prezintă un proces de polimerizare ireversibil.

În tabelul 1.2 sunt prezentate proprietățile mecanice ale rășinilor poliesterice și

epoxidice. În prezent, există o serie de cercetări privind comportamentul rășinilor termorigide

și a materialelor compozite în diferite medii, implicând atât expunerea la umezeală, ce poate fi

sub formă de vapori atmosferici, ploaie cât și expunerea în medii agresive precum mediul

alcalin sau salin.

Tabelul 1.2. Proprietățile rășinilor polimerice termorigide [48], [73], [110]

Proprietăți Rășină

Poliesterică Epoxidică

ρ [g/cm3] 1,2-1,5 1,1-1,4

E [GPa] 2 -4,5 3-6

σt [MPa] 40-90 35-100

Absorbția apei [%] 0,1-0,3 0,1-0,4

CTE [10-6

/ °C] 40-60 50-70

Contracție [%] 4-8 1-2

Influența absorbției apei asupra materialelor compozite

Cu mult timp în urmă s-a analizat absorbția umezelii de către compozitele polimerice

permeabile și impermeabile pe bază de fibre de iută, respectiv fibre de sticlă sub influența

unor factori externi și interni identici, punând în evidență permeabilitatea relativă ale acestor

compozite prin indicele difuzivității. Coeficienții de difuzie a materialelor compozite pe bază

de fibre naturale și fibre sintetice sunt dependenți de temperatură. În cazul fibrelor permeabile

coeficientul de difuzie și starea de echilbru cresc odată cu fracția volumică, situație care în

cazul fibrelor impermeabile de difuzie se realizează în sens invers, (Rao et. al., 1984) [96],

[97]. În ceea ce privește, orientarea fibrelor autorii au menționat că, aceasta constitue un rol

important asupra coeficientului de difuzie al compozitului cu fibră de iută. S-a arătat că,

energia de activare scăzută a difuziei în compozitul pe bază de fibră de iută și energia

exponențială ridicată a umidității relative a indicat apariția unei barierei rezultând o difuzie

slabă. Alte studii au raportat efectul tratamentului cu apă de mare asupra proprietăților

mecanice ale fibrelor palmierului de zahăr ranforsate în matrice polimerică epoxidică, la



impact și la încovoiere, prin imersarea lor timp de 30 de zile în același tip de apă. Un alt

proces de investigare aplicat a fost analiza morfologică de suprafață a fibrelor după

tratamentul cu apa de mare, precum și adeziunea la interfața dintre fibră și matrice, (Ishak et.

al., 2009) [52].

Proprietățile mecanice ale compozitelor

Referitor la proprietățile mecanice ale compozitelor pe bază de iută, s-au obținut

stratificate cu orientarea fibrelor pe diferite direcții (0°), (0°/90°), (0°/±45°/0°),

(0°/90°/90°/0°), cu mențiunea că, atât adaosul de ranforsant de tip țesătură de iută, creșterea

numărului de straturi, cât și aranjarea țesăturii în diferite unghiuri conduc la îmbunătățirea

proprietăților mecanice ale laminatelor, (GiriDev et. al., 2006) [43]. De remarcat este și

cercetarea experimentală realizată asupra comportamentului mecanic, vâscoelastic, termic și

morfologic al compozitelor pe bază de polietilenă cu densitate ridicată (HDPL) și ranforsate

cu fibre de bambus. Rezultatele cercetărilor efectuate au arătat că, acestea oferă proprietăți de

rezistență optime și stabilitate termică ridicată, (Mohanty și Nayak, 2010) [74]. Mai departe,

s-a pus accentul pe stabilitatea termică și proprietățile mecanice ale compozitelor pe bază de

bumbac și albuș de ou. S-a raportat că, fibrele de bumbac pot avea un rol important în

structura compozitului, respectiv performanțelor mecanice ale acestuia. Prin analiza

morfologică s-a constat că adeziunea la interfața dintre fibrele de bumbac și albușul de ou este

foarte ridicată, (Yusliza și Zuraida, 2011) [130].

Proprietățile termo – fizice ale compozitelor

O analiză succintă generalizată a fost publicată în lucrarea (Monteiro et. al., 2012)

[75], privind stabilitatea termică a materialelor compozite polimerice ranforsate atât cu cele

mai comune fibre lignocelulozice, precum iută, sisal, in, cânepă, nucă de cocos, bumbac, lemn

și bambus deja utilizate în producerea componentelor de automobile, dar cât și cu cele mai

puțin cunoscute, precum curaua, henequen, fique, buriti, coji de măsline și kapok. S-a relatat

că, pierderea masică este înregistrată sub 200 °C fiind asociată cu dehidratarea materialului.

S-a precizat că la temperaturile de 422 °C și 463 °C are loc degradarea matricei polimerice.

Prin analiza termogravimetrică s-a arătat că, degradarea fibrelor de porumb s-a realizat în

jurul temperaturii de 200 °C, pe când în cazul fibrelor neprelucrate s-a ajuns la 330 °C.

În cazul materialului compozit polimeric ranforsat cu fibre din tulpină de porumb s-a

evidențiat prezența stabilității termice până în jurul temperaturii de 410 °C, urmată de



degradarea acestuia, (Saravana et. al., 2013) [104].

În cazul compozitelor polimerice pe bază de fibre naturale 60 % din acestea se

descompun între 215 ºC - 310 ºC, (Azwa et. al., 2013) [8].

1.4. Procedee de obținere a materialelor eco – compozite pe bază de

fibre naturale

În vederea obținerii materialelor compozite este cunoscută o gamă diversă de procedee

utilizate, și anume:

Formarea manuală prin contact;

Formarea prin injecție a rășinii sub presiune;

Formarea sub vid în matriță deschisă;

Formarea prin presare la rece;

Formarea prin presare la cald;

Formarea prin pultrudere;

Formarea prin extrudare;

Formarea prin înfășurare.

1.5. Domenii de utilizare a materialelor compozite

În ultimii ani, utilizarea materialelor compozite polimerice a luat amploare în diverse

domenii (figura 1.5), datorită proprietăților specifice și condițiilor de exploatare deosebite.

Fig. 1.5. Domenii de utilizare a materialelor eco-compozite [21], [44], [82], [89]



Industria aeronautică a folosit în mare parte materiale compozite naturale, iar prin anii

'30 materialele naturale au fost înlocuite cu aliaje de aluminiu dominând industria din acel

moment, totuși structurile din lemn persistând până în al doilea război mondial, fiind

construite diferite modele de aeronave cum ar fi: Havilland Mosquito (DH98), construit

dintr-un laminat tip sandviș placaj/balsa/placaj, probabil reprezentând la acel moment cel mai

mare proiect realizat din lemn. În anul 1937 a fost construit un avion de linie numit Albatros

(DH 91) și în 1940 au fost construite fuselaje Spitfire, fiind folosită ca matrice rășina fenolică

și ranforsant fibre de in nerăsucite, (Davies et. al., 2012) [29].

În industria sportului s-au folosit fibre dintr-o variație de materiale biodegradabile

unde este mai puțin probabil să cauzeze accidente grave sau pagube materiale scumpe față de

alte aplicații (Haneef et. al., 2013) [45]. În ciuda acestui fapt, cererile de echipamente sportive

până în prezent au implicat utilizarea compozitelor hibride formate din fibre naturale,

respectiv sintetice și matrice polimerică nedegradabilă ce neagă una din beneficiile principale

și anume biodegradabilitatea. Exemple cunoscute sunt snowboard-urile armate cu fibre de in,

rachete de tenis armate cu fibre de in și fibre de carbon (25:75 %), cadre de bicicletă cu fibre

de in și fibre de carbon (80 – 20 %). Fibrele de in în aceste aplicații au rolul de a absorbii

micro-șocurile pentru un confort superior.

1.6. Micromecanica materialelor eco - compozite

Comportamentul elastic al materialelor compozitele

Literatura de specialitate pune la dispoziție informații care pot prezice proprietățile de

material al acestei categorii de compozite în funcție de procentul volumic de armare și de

configurația fibrelor în masa matricei (figura 1.6), ce poate fi sub formă de rețea triunghiulară,

hexagonală și pătratică, exprimate cu relațiile (1.1), (1.2), (1.3) în funcție de diametrul

fibrelor, d, și de lungimea elementară a distribuțiior a, precum și de densitatea efectivă a

compozitului ce poate fi calculată cu relația (1.4), fiind cunoscute câteva modele teoretice

precum Voigt, Reuss și Reuss modificat, limitele Voigh –Reuss, Hashin – Rosen, Hill,

Silnutzer, Milton – Phan – Thien, Gibiansky – Torquato, Tsai –Hahn, Nielsen, Puck, Chamis,

Hopkins – Chamis și Hopkins – Chamis modificat, modelul cu factorul C, Fu, Ju – Zhang,

Huang, modelul mecanicii materialelor, Cox, Krenchel și modelul Chen, dezvoltate în scopul

determinării limitelor de variație pentru proprietățile elastice (Curtu și Motoc, 2009) [28].



Fig. 1.6. Distribuția fibrelor în masa matriței cu rețea: a. triunghiulară; b. hexagonală; c.

pătratică

- rețea triunghiulară:

- rețea hexagonală:

- rețea pătratică:

unde: ρm și ρf = densitățile masice ale materialului matricei, respectiv fibrelor în Kg/m3;

Vm și Vf = fracțiile volumice ale fazelor.

Proprietățile elastice ale materialelor compozite polimerice ranforsate cu fibre de

sticlă, lemn, cânepă și coajă de orez au fost determinate și comparate cu o serie de modele

matematice printre care și regula amestecurilor (ROM), respectiv regula inversă a

amestecurilor (IROM), (Facca et al., 2006) [35]. Modele Voigt și Reuss cunoscute în

literatura de specialitate ca modelele stării de deformație și a tensiunilor constante, sunt cel

mai utilizate modele matematice pentru predicția modulului de elasticitate longitudinal al

materialelor eco-compozite. Aceste modele pot oferi limitele minime și maxime ale

proprietăților elastice (Cao et al, 2013; Curtu și Motoc, 2009) [12], [28], unde expresiile

matematice poate fi scrise sub forma:

(1.5)



În cazul modelului Voigt (ROM) expresia se scrie

(1.8)

unde:

Ef și Em = modulul de elasticitate longitudinal ale fazelor;

Vf și Em = procentele volumice;

δ = factorul mecanic.

Comportamentul termic al materialelor compozite

În vederea predicției coeficientului de expansiune termic, se aplică același model

matematic ca la predicția modulului de elasticitate, cunoscut sub denumirea de regula

amestecurilor (ROM), prin modificarea expresiei (1.9), exprimată astfel (Tilton, 2011) [119]:

(1.9)

unde:

αc , αf, αm = coeficientul de expansiune termic al materialului de ranforsare și al matricei;

vf = fracția volumică a materialului de ranfosare.

Comportamentul higroscopic al materialelor compozite

Difuzia apei sau a umidității din aer în structura materialelor (absorbția și desorbția)

poate fi descrisă cu a doua lege a lui Fick (starea de neechilibru a difuziei) propusă pentru

prima dată în anul 1855 ( Fick, 1855) [39]. În cercetarea stiințifică elaborată de Wong (2013)

[127], a doua lege a lui Fick precizează că gradientul profilului și cel al concentrației, ce

reprezentă forța motrică a difuziei, se schimbă odată cu timpul.În figura 1.7 este prezentată

curba de difuzie a lui Fick ce evidențiază porțiunea liniară a absorbției.



Fig. 1.7. Curba de difuzie a lui Fick [128]

1.7. Concluzii parțiale

În urma cercetării bibliografice privind domeniul materialelor compozite ranforsate cu

fibre naturale pot concluziona că:

conceptul de ecologic, biodegradabil are un impact foarte ridicat la nivel mondial, ce

implică reducerea consumului de energie prin scăderea majoră a gradului de poluare a

mediului inconjurător;

trendul actual al realizării materialelor eco-compozite a revoluționat industriile din

întreaga lume, datorită ușurinței de fabricare a compozitelor ecologice la un cost redus și

volumului bogat de resurse naturale biodegradabile;

materialele eco-compozite oferă posibilitatea de a înlocui anumite structuri din diferite

domenii de utilizare cum ar fi industria de automobile, industria navală, industria feroviară,

industria aeronautică, oferind o scădere a greutății acestora, implicând automat scăderea

energiei iar degradabilitatea și proprietățile acestor materiale eco-compozite pot oferi

posibilitatea selectări domeniului de aplicare în funcție de durata de viață;

eco - compozitele reprezintă o nouă clasă de materiale care să răspundă exigențelor în

ceea ce privește proprietățile mecanice, greutate scăzută, stabilitate dimensională, estetică și

tot odată factorului economic.



CAPITOLUL 2

Motivația temei și obiectivele programului de doctorat

2.1. Motivația temei

La ora actuală majoritatea domeniilor cunoscute sunt consumatoare de materiale

ecologice. Pe baza legilor economiei de piață, dezvoltarea mondială se concentrează pe

alegerea și utilizarea corectă a materialelor, iar procesele de prelucrare a acestora trebuie să

se facă conform cerințelor științifice pentru a răspunde unor exigențe din ce în ce mai mari.

Conceptul de eco-compozit a atras atenția atât pe plan mondial cât și pe plan

internațional datorită posibilitații de a înlocui unele materiale convenționale și nu în ultimul

rând competitivității și eficienții asupra omenirii. Eco-compozitele "sustenabile" la aceast

moment reprezintă un domeniu prioritar datorită resurselor naturale ce se gesesc din

abundență și a căror nevoi ridică nivelul de trai prin intermediul produselor profitabile fără

efecte adverse asupra mediul înconjurător (figura 2.1).

Fig.2.1. Reprezentarea schematică a sferelor sustenabilități



2.2. Obiectivele programului de dotorat

Obiectivele propuse pe perioada derulării programului de doctorat au fost:

Realizarea unor noi materiale eco-compozite sustenabile;

Analiza comportării materialelor compozite într-un mediu agresiv;

Analiza proprietăților mecanice prin încercări la încovoiere;

Caracterizarea prin microscopie electronică de baleiaj a suprafețelor materialelor;

Determinarea caracteristicilor termo - fizice prin analize (DIL), (DSC) și ( TG/DTA);

Analiza comportării la impact a unei structuri prin MEF;

Studiu de caz - realizarea unei structuri din compozit și testarea la impact experimental și

prin modelare cu MEF.

Pe baza obiectivelor de lucru am propus aplicarea unei strategii de lucru ce cuprinde

câteva etape. În vederea analizei studiului experimental, în figura 2.2 este prezentată schema

cu etapele derulate.

Etapa obținerii materialelor compozite a constat în achziționarea unor țesături

naturale din bumbac și iută precum și o rășină polimerică nesaturată de pe piață iar cu ajutorul

unei metode de formare cunoscută în literatura sub denumirea de Hand – lay up, au fost

obținute plăci de configurații stratificate cu 1, 3, 5 și 7 straturi;

Etapa determinării caracteristicilor materialelor studiate prin diferite metode cum ar

fi:

- prin condiționarea lor într-un mediu agresiv;

- prin încercări mecanice de încovoiere în trei puncte;

- analiză morfologică de suprafață;

- prin analize termice DIL, DSC și TG/ DTA.

Etapa interpretării rezultatelor obținute în urma studiului experimental ce a constat în

procesarea statistică a rezultatelor în urma determinărilor prin construirea de grafice cu

valorile medii și studierea rezultatelor comparativ prin optimizarea acestora, modelare prin

metoda elementelor finite și formarea unei structuri în vederea testării la impact experimental

și prin MEF.



Fig. 2.2. Schema cu etapele de derulare a programului experiment



CAPITOLUL 3

Metode experimentale și tehnici de caracterizare

a eco – compozitelor

3.1. Etapele de procesare a materialelor eco - compozite

Procesul de fabricare după cum este prezentat în figura 3.1 s-a realizat prin câteva

etape principale:

- curățarea și aplicarea unui strat fin de soluție decapantă pe suprafața sticlei pentru

reducerea legăturii strânse dintre materialul compozit și forma plană în momentul îndepărtării

acestuia după procesului de polimerizare;

- aplicarea în prealabil a unui strat de rășina preaccelerată (un mix de 100 g rășină / 2-4

ml de Peroxid MEC), pentru fixarea și impregnarea suprafeței inferioare a țesăturii;

- așezarea materialului de ranforsare pe suprafața pregătită;

- aplicarea stratului de rășină pe suprafața superioară a materialului de ranforsare;

impregnarea s-a făcut prin trecerea rășinii cu ajutorul unei spatule din plastic pe toată

suprafața materialului.

Fig. 3.1. Etapele obținerii materialului eco – compozit

Perioada de fabricare a materialului compozit poate fi estimată din momentul

amestecului rășinii cu acceleratorul pentru întărire, unde gelifierea se produce între 8 – 16

minute. Polimerizarea completă se face la temperatura mediului ambiant, iar caracteristicile



optime pot fi obținute de la 7 zile din momentul fabricării. Pentru obținerea materialelor

compozite au fost achiziționate materiale textile din bumbac și iută cu texturi și grosimi

diferite, pentru ranforsare și rășină poliesterică nesaturată Nestrapol 450 – 66 [123].

S-au fabricat plăci dreptunghiulare având dimensiuni 350 mm x 300 mm din fiecare

tip de material achiziționat (figura 3.2), prin metoda de formare manuală, cunoscută în

literatura de specialitate Hand lay – up method.

a. b. c. d. e.

Fig. 3.2. Plăci obținute prin metoda de formare manuală: a. R; b. CB; c. CBA d. CI; e. CIM

Au fost obținute o serie de plăci din materiale compozite cu 1, 3, 5 și 7 straturi pentru

fiecare tip de ranforsant. În tabelul 3.1 sunt prezentate elementele constituente ale plăcilor din

materiale compozite.

Tabelul 3.1. Elemente constituente ale plăcilor din materiale eco-compozite

Nr.crt. Denumire

placă Rașină/Matrice Inserție/Armătură

Nr. de

straturi h

[mm] 1 3 5 7

1 R Nestrapol - - - - -

2…10

2 CB Nestrapol Țesătură de Bumbac * * * *

3 CBA Nestrapol Țesătură de Bumbac

apretat * * * *

4 CI Nestrapol Țesătură de Iută * * * *

5 CIM Nestrapol Iută (MAT) * - - -

3.2. Efectul mediului agresiv asupra materialelor eco - compozite

Materialele eco - compozite polimerice sub acțiunea unor factori de mediu suferă o

serie de trasformări care pot influența proprietățile mecanice, transformări cunoscute sub

denumirea de îmbătrânire. Aceaste condiționare s-a realizat datorită faptului că o serie de

materiale eco-compozite pot fi utilizate pentru obținerea unor repere folosite la ambarcațiuni,

elemente ornamentale, recipiente, la platformele petroliere etc, care lucrează în mediu coroziv



cum ar fi apa de mare. Din acest motiv am expus epruvetele eco-compozite într-o soluție

apoasă cu 5 % NaCl prin imersare, concentrația fiind exprimată cu relația (3.1):

c (%) = md / ms x 100 (3.1)

unde: c (%) = concentrația procentuală;

md = masa de substanță dizolvată;

ms = masa de soluție în care are loc dizolvarea.

Din plăcile obținute a fost prelevat un prim set de epruvete cu 1, 3, 5 și 7 straturi

conform (SR EN ISO 14125:2000) [135], corespunzătoare clasei II de materiale plastice

armate cu mat-uri continue și țesături, precum și formate mixte. Au fost confecționate câte 5

epruvete pentru fiecare material eco-compozit obținut și scufundate într-un recipient cu

soluție apoasă cu 5 %NaCl (figura 3.3), pentru o perioadă de 90 de zile (2160 h).

Înainte de imersie, epruvetele au fost cântărite cu ajutorul unui cântar electronic de

precizie, după care s-a reluat operațiunea timp de 12 zile la fiecare 24 h pentru a urmări

procentul de soluție apoasă cu 5 %NaCl absorbit.

a. b.

Fig. 3.3. Epruvete scufundate în soluție salină:a. vedere din laterală; b. vedere de sus

Calculul procentului de apă absorbit a fost exprimat cu relația (3.2) conform EN ISO

62 (2008) [136]:

P = (Pw – P0) / P0 * 100 (%) (3.2)

unde: Pw = greutatea probei după imersie;

Po = greutatea probei uscată.



3.3. Testarea mecanică prin încovoiere în trei puncte

Din plăcile obținute a fost prelevat un al doilea set de epruvete prezentate în figura 3.4,

cu valorile dimensionale prezentate în tabelul 3.2.

Tabelul 3.2. Valorile dimensionale ale tipul de epruvete pentru încercarea la încovoiere

Înaintea efectuării unui test de încovoiere, epruveta este măsurată transversal și pe

lățime, ulterior datele sunt introduse în softul mașinii pentru obținerea caracteristicilor

mecanice. Testele mecanice prin încovoiere în trei puncte au fost realizate cu ajutorul

echipamentului de tip LR5K Plus (figura 3.5), fabricat de LLOYD Instruments ce permite

înregistrarea perechilor de valori sub formă de fișiere text având 200 - 500 linii în funcție de

viteza de achiziție iar datele înregistrate au fost prelucrate statistic cu ajutorul software – ului

Nexigen PlusTM

.

Fig.3.5. Mașina de testare prin încovoiere în trei puncte (LR5K Plus)

Prin această metodă pot fi enumerate o serie de caracteristici și anume: modulul de

elasticitate la încovoiere [MPa], rigiditatea la încovoiere [N/m], forța la încărcarea maximă

[kN], tensiunea maximă de încovoiere la încărcarea maximă [MPa], deplasarea la încărcarea

maximă [mm], deformarea maximă la încărcarea maximă [-], forța la rupere [kN], tensiunea

maximă la rupere [MPa], deformația specifică la rupere [-]. Eroarea relativă a rezultatelor

modulelor de elasticiate înregistrate în urma testelor de încovoiere s-a determinat prin

Clasa II: materiale plastice armate cu mat-uri continue,

țesături și formate U.M. [mm] Toleranța

L Lungime 80 -0/+10

L Distanța între reazeme 64 ± 1

B Lățimea 15 ± 0,5

H Grosimea 2…10 ±0,2



calculul procentual dintre valoarile modulelor de elasticitate corespunzătore materialului R

(Ex exp.), respectiv materialului compozit (Ey exp.), pe baza relației (3.3) [14], [122]:

Eroarea = x 100 [%] (3.3)

3.4. Analiză morfologică de suprafață (MEB)

Pentru determinarea analizelor de suprafață a materialelor compozite a fost utilizată

microscopia electronică de baleiaj. Această tehnică de analiză a permis ilustrarea suprafeței

materialului compozit la scară microscopică. Analizele morfologice au fost realizate pe un

microscop de tip JEOL JSM 6400 care lucrează cel mai adesea cu un fascicul de electroni de

20 KeV. În funcție de condițiile experimentale utilizate (tensiunea de accelerație pentru

electroni incidenți de 20 kV și distanța de analiză de 15 mm), volumul analizat este de ordinul

a 1 µm3. Testele de analiză morfologică au fost determinate la Universitatea ''De Bourgogne'',

Institute Carnot de Bourgogne, din Dijon - Franța.

3.5. Analiză dilatometrică (DIL)

Analiza dilatometrică este metoda de analiză termică prin care se determină variația

dimensiunilor probelor prin dilatare sau contracție a unui material în funcție de temperatură

determinand coeficientul de expansiune liniar în timpul încălzirii (CTE), în conformitate cu

ASTM E 831-14 [137]. CTE reprezintă variația relativă a lungimii materialului la o creștere

de temperatură de 1 K. La o anumită temperatură T1, CTE fiind calculat cu relația [66]:

unde: α = coeficientul de dilatare liniar [K-1

];

Δl = variația dimensiunilor liniare [μm];

l0 = lungimea inițială a probei [μm].

Pentru determinarea analizelor dilatometrice au fost obținute epruvete cilindrice

prezentate în figura 3.7, cu lungimea de 10 mm și diametrul de 6 mm. Condițiile de lucru au

fost desfășurate în atmosferă controlată în intervalul 20 οC – 250

οC, cu o viteză de încălzire

de 10 οC/min.



Fig. 3.7. Forma geometrică ale epruvetelor testate

Achiziția și prelucrarea datelor experimentale s-au realizat cu programele WIN - TA și

WIN – DIL, ce permite transpunerea lor într-un grafic în timp real sub formă de curbă

asociată cu dilatarea termică, timpul și temperaturile de încălzire.

3.6. Analiză calorimetrică cu scanare diferențială (DSC)

Calorimetria cu scanare diferențială (DSC), este tehnica aplicată materialelor aflate în

stare solidă sau lichidă prin încălzirea simultană a două probe, una de referință și una inițială,

prin evaluarea fluxului termic în funcție de temperatură.

În studiul de caz analizele calorimetrice au fost efectuate cu un calorimetru diferențial

de tip DSC 200 F3 Maia (figura 3.8), produs de firma Netsch (Germania). Determinarea

temperaturii de tranziție s-a realizat în atmosfera controlată de N2, cu temperatura de lucru

cuprinsă între 15 oC - 200

oC, cu viteza de încălzire/răcire de 10

oC/min, celula folosită fiind

un creuzet din alumină, iar greutatea epruvetelor fiind cuprinsă între 10 - 20 mg.

3.7. Analiză termogravimetrică și analiză termică diferențială

(TG /DTA)

Analiza termică simultană este o tehnică prin care pot fi combinate și caracterizate

diferite măsurători cum ar fi analiza termogravimetrică (TG) ce urmărește variația masei unei

probe la diferite temperaturi și o analiză termică diferențială (DTA) ce studiază transformările

de fază la intervale mici de temperatură prin absorbția sau degajarea unei cantități de caldură

și măsoară diferența de temperatură dintre o probă și un material de referință. Pentru

determinarea pierderilor de masă, analizele termice au fost realizate în intervalul de

temperatură 20 oC – 600

oC, în atmosferă controlată, cu un flux constant de N2 de 20 ml/min

și o viteză de încălzire de 10 oC/min, cu greutatea probelor cuprinsă între 10 - 20 mg.



3.8. Analiză prin metoda elementelor finite (MEF)

Modelarea la impact a unei structuri din compozit cu 5 straturi de

țesătură din bumbac

Pentru a studia comportamentul la impact al materialului cu cinci straturi de țesătură

de bumbac, s-a realizat un model de calcul cu elemente finite, în softul ANSYS, pentru o

epruvetă cu dimensiunile 100 x 100 x 10 (mm) asupra căreia a fost lăsată să cadă o sferă de

masă 0,5 kg. Accelerația acesteia a fost aleasă astfel încât energia de impact să fie de 5 J.

Având în vedere că modelul are două plane de simetrie, calculul s-a realizat doar pe un

sfert din structură (figura 3.13).

a. b.

Fig. 3.13. Geometria modelului: a. în întregime; b. pe sfert

Distanța de la sferă până la placă a fost de 100 mm. Pentru a obține o energie de

impact de 5J trebuie ca sfera să ajungă în momentul impactului la o viteză de 4,47 m/s,

calculată astfel:

(3.14)

Utilizând relațiile de calcul din cinematică, s-au determinat timpul de cădere și

accelerația necesară pentru a atinge această viteză pe distanța de 100 mm:

(3.15)



Caracteristicile elastice introduse pentru materialul sferei au fost cele ale oțelului:

și . Densitatea acestuia s-a introdus ca fiind . În

figura 3.14 este prezentată curba experimentală și în figura 3.15 cea introdusă în programul cu

elemente finite.

Fig. 3.14. Curba tensiune-deformație obținută experimental

Fig. 3.15. Curba introdusă în programul cu elemente finite

Coordonatele celor douăsprezece puncte prin intermediul cărora s-a introdus curba

caracteristică a materialului în softul cu elemente finite sunt prezentate în tabelul 3.3.

Tabelul 3.3. Coordonatele punctelor care definesc curba schematizată

Nr. punct 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Tensiunea

[MPa]

0

2,3

8

8,2

7

14,3

20

25,6

30,4

36,9

41,9

45,1

50,1

55,7

Deformația

[mm/mm]

0

0,0

019

1

0,0

068

0,0

118

0,0

166

0,0

214

0,0

262

0,0

335

0,0

407

0,0

456

0,0

552

0,0

842



Elementele finite utilizate la discretizare au fost SOLID186 pentru placă (hexaedric) și

SOLID187 pentru sferă (tetraedric). Discretizarea modelului este prezentată în figura 3.16.

Condițiile la limită impuse au constat în blocarea tuturor deplasărilor pe cele două

suprafețe laterale ale plăcii și blocarea deplasărilor pe direcție perpendiculară pe suprafețele

definite de planele de simetrie, atât la sferă cât și la placă. Aceste blocaje se pot observa în

figura 3.17.

Fig. 3.16. Discretizarea modelului Fig. 3.17. Blocajele impuse

Încărcarea a constat în aplicarea unei accelerații de pe direcția axei z

(direcția de impact) pentru elementele finite ale sferei. Având în vedere că analiza a fost una

tranzitorie, timpul final a fost ales 0,05 s și pasul de integrare de 0,0004 s (125 de pași).

3.9. Testarea la impact a unei structuri din compozit. Studiu de caz.

Pentru simularea impactului s-a folosit un stand prezentat în figura 3.18, care se află în

dotarea facultații de Inginerie Mecanică, Departamentului de Autovehicole și Transporturi din

cadrul Universității Transilvania Brașov.

Fig. 3.18. Stand de încercare la impact



În figura 3.19 a. și b. sunt prezentate elementele componente ale standului, fiind

prevăzut cu un dispozitiv cu arc și o tijă cu capul impactor de formă sferică, prevăzut cu un

sistem de declanșare cu manetă și un cap de silicon.

a. b.

Fig. 3.19. Elemente componente: a. dispozitivul și schema cu arc [114]; b. model standard

cap din silicon

Cunoscând caracteristicile și săgeata arcului elicoidal cilindric de compresiune cu

secțiunea spirei rotundă, poate fi calculată sarcina cu care capul impactor lovește ținta

stabilită. Dimensiunile și caracteristicile arcului elicoidal sunt prezentate în figura 3.20.

Fig. 3.20. Dimensiunile geometrice ale arcului elicoidal [114]

Calculul pentru săgeata arcului f este dată de relația [114]:

f = (3.16)

unde: F = sarcina aplicată arcului;

R = raza de înfăşurare;

G = modulul de elasticitate transversal al materialului din care este confecţionat arcul;

n = numărul de spire;

d = diametrul secţiunii transversale al sârmei din care este construit arcul.



Caracteristicile şi dimensiunile arcului din dispozitiv pentru aplicarea forţei sunt

prezentate în tabelul 3.4.

Tabelul 3.4. Caracteristicile arcului elicoidal de compresiune

Pentru înregistrarea semnalelor, senzorii au fost conectați la aparatele de semnal și

pozitionați pe capul impactor de formă sferică și în centrul capului de silicon. Pentru captarea

undelor de presiune din capul siliconic senzitivitatea traductorului de accelerație poziționat în

capul siliconic a fost mărită de 10 X.

3.9.1. Realizarea și testarea unei căști de protecție

În figura 3.12 sunt prezentate elementele necesare pentru realizarea unei căști de

protecție, după o cască standard de pompier (anii‘60), (figura 3.21 a.), am obținut un model

din silicon cu rol demulator, (figura 3.21 b.) și o preformă din spumă poliuretanică (figura

3.21 c.), obținînd o cască din materialul compozit CB cu 5 straturi, prezentată în figura 3.21 d.

a. b. c. d.

Fig. 3.21. Elemente necesare: a. cască standard (Textolit); b. cască silicon cu rol demulator;

c. preformă din spumă poliuretanică; d. cască CB cu 5 straturi

În cadrul acestui studiu de caz a fost supusă la impact casca realizată din materialul

compozit CB cu 5 straturi cu o forță rezultată în urma comprimării arcului cu valorea săgeții

arcului de 60 mm corespuzătoare forței de 1056 N. În figura 3.22 a., respectiv b. este

prezentat momentul de dinainte și după impact.

Arc elicoidal cilindric de compresiune

n d [mm] R [mm] G [MPa]

11 8 38 8.1x104



a. b.

Fig. 3.22. Casca CB cu 5 straturi în momentul: a. de dinainte și b. după impact pentru casca

CB cu 5 straturi

Casca testată a fost prevăzută cu un sistem de amortizare din spumă de polistiren

expandat și căptușeală. În figura 3.22 a și b este prezentat momentul de dinainte și după

impact.

3.9.2. Modelarea prin MEF a căștii de protecție

Modelul de calcul numeric la impact pentru cască CB cu caracteristicile materialului

rezultate de la compozitul cu 5 straturi

Calculul numeric, efectuat cu metoda elementelor finite cu ajutorul softului ANSYS

LS-DYNA, a fost simulat impactul cu o cască de protecție a unui corp sferic de masă ,

lăsat să cadă liber de la o înălțime de un metru. Pentru simplificarea modelului numeric s-a

considerat că materialul căștii este izotrop și liniar.

Geometrie și caracteristici

S-a realizat geometria căștii de protecție, prezentată în figura 3.23 a și s-a modelat

corpul impactor ca fiind din oțel și având diametrul . În figura 3.23 b sunt prezentați

parametri dimensionali ai căștii.

a. b.

Fig. 3.23. Cască de protecție cu : a. geometria; b. dimensiunile caștii



În figura 3.24 este redată discretizarea căștii și condițiile la limită impuse (blocarea

deplasării pe direcția impactului).

Fig. 3.24. Discretizarea căștii și blocajele impuse

Elementele finite utilizate au fost SHELL 163, pentru discretizarea căștii, și SOLID

164, pentru corpul impactor. Grosimea elementului SHELL a fost , egală cu grosimea

materialului din care s-a realizat casca. Încărcarea impusă a fost o accelerație de

pentru sferă.



CAPITOLUL 4

Caracterizarea proprietăților eco – compozitelor

4.1. Efectul mediului agresiv asupra materialelor eco-compozite

Pentru trasarea curbelor de absorbție s-a calculat media a 5 epruvete corespunzătoare

fiecărui tip de material cu 1, 3, 5 și 7 straturi. În figura 4.1 este prezentată curba materialului

R, cu evoluția absorbției și punctul de echilibru după 60 de zile având un procent maxim

absorbit de 0,0095 %. În figura 4.2 sunt prezentate curbele caracteristice materialului

compozit CB cu 1 strat, 3, 5 [23], respectiv 7 straturi [24] .

Fig. 4.1. Curba de absorbție a materialului R Fig . 4.2. Curbele de absorbție ale materialul

CBcu 1, 3, 5 și 7 straturi

Fig. 4.3. Curbele de absorbție ale materialul CBA cu 1, 3, 5 și 7 straturi



În figura 4.3 sunt prezentate curbele de absorție corespunzătoare materialului compozit

CBA cu 1, 3, 5 și 7 straturi, unde se poate observa că, absorția crește odată cu timpul de

imersare, ajungând la un echilibru în primele 30 zile. În figura 4.4 sunt prezentate curbele de

absorbție corespunzătoare materialului compozit CI cu 1 strat, 3 straturi [25], respectiv 5 și 7

straturi, unde absorbția crește chiar și după 60 de zile. În figura 4.5 se pune în evidență curba

caracteristică materialului compozit CIM [26].

Fig. 4.4. Curbele de absorbție a Fig. 4.5. Curba de absorbție a

compozitul CI cu 1, 3, 5 și 7 straturi compozitul CIM cu 1 strat

Sinteza comparativă a rezultatelor

În figura 4.6 sunt reprezentate comparativ curbele pentru absorbția medie a

materialelor studiate în funcție de numărul de straturi.

a. b.



c. d.

Fig. 4.6. Curbele de absorbție ale materialelor compozite CB, CBA, CI cu:

a. 1 strat, b. 3straturi, c. 5 straturi, d. 7 straturi

4.2. Caracteristici mecanice la testele de încovoiere

În urma testelor de încovoiere prin metoda celor trei puncte, valorile rezultate au fost

prelucrate statistic cu ajutorul software – ului PROXON. În continuare sunt prezentate

graficele cu rezultatele medii pentru fiecare material compozit necondiționat/condiționat de

mediu agresiv (soluție apoasă cu 5 % NaCl).

Materialul CB cu 1, 3, 5 și 7 straturi

În figura 4.8 sunt prezentate prin comparație variația proprietăților mecanice, pentru

materialul polimeric R și pentru materialul compozit CB cu 1, 3, 5 și 7 straturi necondiționat

și condiționat de mediul agresiv cu rezultatele tensiunii normale maxime (figura 4.7 a.),

deformații specifice (figura 4.7 b.), modulul de elasticitate (figura 4.7 c.) și eroarea relativă

procentuală a modulului de elastictate (figura 4.7 d.).

a. b.



c. d.

Fig. 4.7. Variația comparativă a proprietăților determinate prin încercarea la încovoiere a

materialelor R și compozitului CB cu 1, 3, 5 și 7 straturi necondiționat și condiționat de

mediul agresiv cu: a. tensiunea normală maximă; b. deformația specifică maximă; c. modulul

de elasticitate; d. eroarea relativă procentuală a modulului de elasticitate

Materialul CBA cu 1,3,5 și 7 straturi

În figura 4.9 sunt prezentate în mod comparativ variația proprietăților mecanice,

pentru materialul polimeric R și pentru materialul compozit CBA cu 1, 3, 5 și 7 straturi

necondiționat și condiționat de mediul agresiv cu rezultatele tensiunii normale maxime

(figura 4.8 a.), deformații specifice (figura 4.8 b.), modulul de elasticitate (figura 4.8 c.) și

eroarea relativă procentuală (figura 4.8 d.).

a. b.



c. d.


materialelor R și compozitului CBA cu 1, 3, 5 și 7 straturi necondiționat și condiționat de


de elasticitate; d. eroarea relativă procentuală a modulului de elasticiate

Materialul CI cu 1, 3, 5 și 7 straturi

În figura 4.9 sunt prezentate comparativ proprietățile mecanice, pentru materialul

polimeric R și pentru materialul compozit CI cu 1, 3, 5 și 7 straturi necondiționat și

condiționat de mediul agresiv, cu variații ale rezultatelor tensiunii normale maxime (figura 4.9

a.), deformații specifice (figura 4.9 b.), modulul de elasticitate (figura 4.9 c.) și eroarea

relativă procentuală (figura 4.10 d.).

a. b.



c. d.


materialelor R și compozitului CI cu 1, 3, 5 și 7 straturi necondiționat și condiționat de



Materialul CIM cu 1 strat

În figura 4.10 sunt prezentate comparativ proprietățile mecanice, pentru materialul

polimeric R și pentru materialul compozit CIM cu 1 strat necondiționat și condiționat de

mediul agresiv, cu variații ale rezultatelor tensiunii normale maxime (figura 4.10 a.),

deformații specifice (figura 4.10 b.), modulul de elasticitate (figura 4.10 c.) și eroarea relativă

procentuală (figura 4.10 d.).

a. b.



b. d.


materialelor R și compozitului CIM cu 1, 3, 5 și 7 straturi necondiționat și condiționat de



În tabelul 4.1 și tabelul 4.2 sunt prezentate comparativ rezultatele obținute pentru

valorile medii ale modulelor de elasticitate la încovoiere în trei puncte, respectiv eroarea

relativă procentuală a modulului de elasticitate..

Tabelul 4.1. Comparația rezultatelor experimentale ale modulului de elasticitate

Material E [MPa]

Fără 1 strat 3 straturi 5 straturi 7 straturi

R 1165,3 - - - -

CB - 751 996,98 1204,8 1594,7

CB_5% NaCl - 590,21 1153,6 1303,1 1405,5

CBA - 824,6 1002,1 1773,6 1173,7

CBA_5% NaCl - 790,82 645,31 832,72 748,51

CI - 729,7 1240,3 1212,2 1284,7

CI_5% NaCl - 594,77 716,21 1116,6 962,61

CIM - 619,19 - - -

CIM_5% NaCl - 632,43 - - -

Tabel 4.2. Comparația rezultatelor erorii relative procentuale ale modulului de elasticitate

Material Eroarea relativă procentuală [%]

1 strat 3 straturi 5 straturi 7 straturi

CB -55,16 -16,88 3,27 26,92

CB_5% NaCl -97,4 -1,01 10,57 17,09

CBA -41,31 -16,28 34,29 -0,71

CBA_5% NaCl -47,35 -80,57 -39,98 -55,6

CI -59,69 6,04 3,86 9,29

CI_5% NaCl -79,5 -62,7 -4,36 -21,05

CIM -88,19 - - -

CIM_5% NaCl -84,25 - - -



4.3. Morfologia suprafețelor materialelor compozite

În continuare sunt prezentate micrografiile materialelor compozite necondiționate și

condiționate de mediul agresiv.

a. b.

c. d.

e. f.

Fig. 4.12. Micrografii SEM cu: a. material R condiționat de mediu; b. material CB cu fibre

rupte din matrice; c. material CBA cu aglomerații de fibre la suprafața; d. material CI

condiționat de mediu; e. material CIM cu distribuția fibrelor; f. material R cu defecte pe

suprafață



Figura 4.12 sunt prezentate micrografii SEM cu suprafața compozitelor necondiționate

și condiționate de mediu agresiv. În figura 4.12 a. se poate observa formarea cristalelor de

sare pe suprafața materialului R, după dehidratarea soluției apoase cu 5% NaCl . În figura

4.12 b. este prezentat materialul CB cu fibrele rupte unde se poate observa lipsa spațiilor

dintre fibră și matrice ce relatează faptul că există o legătură intimă la interfața dintre

constituenți. În figura 4.12 d. este prezentată suprafața materialul CI condiționat de mediu

agresiv, relatând îmbătrînirea accelerată, cauzată de efectul imersiei timp de 90 de zile în

soluție apoasă cu 5 % NaCl. În figura 4.6 e. se prezintă materialul CIM cu distribuția fibrelor

după ruperea la încovoiere. Se poate observa apariția smulgeri de fibre ce se datorează

legăturii slabe la interfața matrice/fibră, ce implică un consum mic de energie oferind

materialului o scădere a tenacității. Defectele de suprafață cum sunt prezentate în figura 4.12

f. sub formă de goluri, în timpul imersie absorb o cantitate mare de apă conducând la

degradarea lui în timp.

4.4. Caracteristici termo – fizice prin analiză dilatometrică (DIL)

În figura 4.16 și figura 4.17 sunt prezentate variațiile negative ale coeficienților de

expansiune ale materialelor compozite necondiționate și condiționate de mediul agresiv.

Fig. 4.16. Variația coeficientului de expansiune Fig. 4.17. Variația coeficientului de expansiune

negativ cu temperaturapentru materialele negativ cu temperaturapentru materialele

necondiționate condiționate de mediul agresiv

Curbele corespunzătoare materialelor necondiționate și condiționate de mediul agresiv

pun în evidență neliniaritatea acestora prin apariția unor procese de dilatare – contracție. În

tabelul 4.3 sunt prezentate temperaturile și valorile negative ale coeficientului de expansiune

termică rezultate în timpul proceselor termice.



Tabelul 4.3. Valorile temperaturilor și coeficientul negativ de expansiune termică

Denumire material Necondiționate Condiționate - 5% NaCl

T (°C) α (E-6

/C-1

) T (°C) α (E-6

/C-1

)

R 93,3 -161,6 - -

CB 97,4 -154,7 110,9 -140,1

CBA 83,5 -18,3 102,1 -107,.2

CI 104,9 -36,8 108,2 -80,0

CIM 91,2 -29,6 98,9 -25,5

Prin analiza în mod comparativ a valorilor negative ale coeficientilor de expansiune se

poate observa că materialele compozite necondiționate și condiționate de mediul agresiv au

înregistrat o scădere a valorilor față de materialul R.

4.5. Variația temperaturii de tranziție Tg prin analiză calorimetrică

(DSC)

În tabelul 4.4 și tabelul 4.5 sunt prezentate procesele de tranziție corespunzător

fiecărui material studiat cu Tonset – Punctul de inflexiune –Tend, precum și căldura specifică

consumată la efectuarea procesului.

Tabelul. 4.4. Temperaturile de tranziție Tg ale materialelor necondiționate

Material T onset [0C] Punctul de inflexiune [

0C] T end[

0C] ΔCp[ J/g*C]

R 51,5 56,7 80,1 0,212

CB 45,6 55,2 76,2 0,238

CBA 46,9 62,4 65 0,170

CI 52,7 68,7 86,1 0,817

CIM 57,1 64,6 69,6 0,429

Tabelul 4.5. Temperaturile de tranziție Tg ale materialelor condiționate de mediul agresiv

Material T onset [0C] Punctul de inflexiune [

0C] T end[

0C] ΔCp[ J/g*C]

R 47,1 54,1 71,8 0,228

CB 41,6 48,4 76,2 0,596

CBA 51,5 64,1 69,3 0,490

CI 44,8 66,0 85,9 0,644

CIM 45,6 55,9 69,7 0,343

După cum se poate observa atât din reprezentările grafice, cât și din valorile rezultate

și prezentate tabelar, temperaturile de tranziție sticloasă (Tg) sunt foarte apropiate.



4.6. Variația masică și transformările termice prin analiză simultană

(TG/DTA)

Analiza termică TG/DTA asupra materialului polimeric R

În figura 4.20 este reprezentată analiza termică simultană pentru materialului R

necondiționat și R condiționat de mediul salin cu 5 % NaCl, prin evidențierea etapelor

corespuzătoare degradării termice prin pierderea de masă și temperaturile proceselor

exotermice și endotermice.

Fig. 4.20. Curbele TG/DTA pentru materialul R necondiționat și condiționat de mediul salin

cu 5% NaCl

Analiză termică TG/DTA asupra materialului compozit CB

În figura 4.21 este reprezentată analiza termică simultană pentru materialului CB

necondiționate și CB condiționat de mediul salin 5% NaCl prin evidențierea etapelor





Fig. 4.21. Curbele TG/DTA pentru materialul CB necondiționat și condiționat de mediu cu

5 % NaCl

Analiză termică TG/DTA asupra materialului compozit CBA

În figura 4.22 este reprezentată analiza termică simultană pentru materialului CBA

necondiționat și CBA condiționat de mediul salin cu 5 %NaCl prin evidențierea etapelor

corespuzătoare degradării termice.

Fig. 4.22. Curbele TG/DTA pentru materialul CBA necondiționat și condiționat de mediul

salin cu 5% NaCl



Analiză termică TG/DTA asupra materialului compozit CI

În figura 4.23 este reprezentată analiza termică simultană pentru materialului CI

necondiționat și CI condiționat de mediul salin cu 5 %NaCl prin evidențierea etapelor



Fig. 4.23.Curbele TG/DTA pentru materialul CI necondiționat și condiționat

de mediul salin cu 5 %NaCl

Analiză termică TG/DTA asupra materialului compozit CIM

În figura 4.24 este reprezentată analiza termică simultană pentru materialului CIM

necondiționat și CIM condiționat de mediul salin cu 5 %NaCl prin evidențierea etapelor





Fig. 4.24. Curbele TG/DTA pentru materialul CIM necondiționat și condiționat de mediul

salin cu 5 %NaCl

În tabelul 4.6 sunt prezentate valorile obținute în urma analizelor simultane pentru

materialele compozite neconndiționate și condiționate de mediul salin cu 5 %NaCl.

Tabelul 4.6. Analiza rezultatelor experimentale TG/DTA ale materialelor necondiționate și

condiționate de mediul agresiv

Nr.

crt. Material

Interval de temperatură [°C] Tmax [

°C] Masa

reziduală

[%]

30 - 170 210 -300 350 - 400 600

Pierderea de masă [%]

1. R 3,20 5,27 82,36 100 0

R_5 %NaCl 1,48 11,52 86,08 91,70 8,30

2. CB 2,92 8,51 87,40 99,58 0,42

CB_5 %NaCl 1,41 9,15 72,00 82,09 17,91

3. CBA 3,34 14,09 76,95 99,12 0,88

CBA_5 %NaCl 2,13 5,38 63,37 84,10 15,90

4. CI 2,72 11,10 53,70 79,93 20,07

CI_ 5%NaCl 2,55 10,70 58,56 68,83 31,17

5. CIM 1,08 8,97 74,16 86,66 13,34

CIM_5 %NaCl 2,29 9,64 76,22 89,96 10,14

Valorile rezultatele și prezentate în tabelul 4.6, pun în evidențiază sustenabilitatea

materialelor compozite pe bază de polimeri și fibre naturale, gradul de degradabilitate în timp

și tot odată ciclul de viață cu direcția de aplicabilitate ale acestora.



4.7. Analiza rezultatelor prin MEF

În figurile 4.27 și 4.28 sunt prezentate câmpurile deplasărilor pe direcția de impact

(axa z) și ale tensiunilor echivalente von Mises, la pasul 115 (în momentul în care sfera

ajunge la viteză zero).

Fig. 4.27. Câmpul deplasărilor pe direcția Fig. 4.28. Câmpul tensiunilor von Mises

axei z [m] la pasul 115 [MPa] la pasul 115

În figurile 4.29, 4.30, 4.31 sunt prezentate hărțile de deformații specifice echivalente

totale, elastice și plastice, la pasul 115. Se observă că deformațiile plastice au valori

considerabile în comparație cu cele elastice, ceea ce poate crea probleme în exploatarea

materialului în practică, dacă se ajunge până la acest nivel de solicitare.

Fig. 4.29. Deformația specifică echivalentă Fig. 4.30. Deformația specifică echivalentă

totală [mm/mm] la pasul 115 elastică [mm/mm] la pasul 115

Fig. 4.31. Deformația specifică echivalentă plastică [mm/mm] la pasul 115



Pentru a analiza evoluția în timp a tensiunilor și a unor parametri necesari calculului

energiei de impact absorbită prin deformarea materialului, s-au extras datele corespunzătoare

nodurilor marcate în figura 4.32.

Fig. 4.32. Nodurile pentru care s-au extras date în urma calculului

În tabelul 4.7 sunt prezentate datele utilizate în calculul energiei absorbite prin

deformarea materialului. Înregistrările marcate prin înclinare corespund perioadei impactului.

Tabelul 4.7. Valorile în urma calculului energiei absorbite prin deformarea materialului

Nr. pas Momentul

de timp [s]

Deplasarea

nodului 2539

[m]

Accelerația

sferei

[m/s2]

Viteza

sferei

[m/s]

Forța de

impact [N]

112 4.48E-02 0 -100 -4.4602 -50

113 4.52E-02 -1.04E-03 1732.86 -3.76706 866.43

114 4.56E-02 -2.18E-03 4585.71 -1.93277 2292.855

115 4.59E-02 -2.45E-03 6835.97 0.345882 3417.985

116 4.63E-02 -1.97E-03 6495.94 2.5112 -

117 4.66E-02 -9.07E-04 3847.95 3.79385 -

118 4.69E-02 5.08E-05 1040.97 4.14084 -

119 4.73E-02 -5.24E-05 -17.5338 4.13499 -

120 4.77E-02 -2.94E-04 -168.662 4.06753 -

121 4.81E-02 1.11E-04 -31.4096 4.05496 -

122 4.85E-02 -1.58E-04 -168.508 3.98756 -

123 4.89E-02 -2.14E-04 -31.5847 3.97493 -

În tabelul 4.8 sunt redate rezultatele obținute pentru studiul energiei de impact.

Tabelul 4.8. Rezultatele obținute pe baza modelului de calcul numeric

Viteza

de impact

[m/s]

Energia

de impact

[J]

Decelerația

maximă

[m/s2]

Forța

de contact

[N]

Deplasarea

maximă

[m]

Energia

absorbită

[J]

4,47 5 6835 3418 0,00245 2,218



4.8. Analiza rezultatelor experimentale la testul prin impact și MEF

Rezultate la impact

În figurile 4.37 și 4.38 sunt redate înregistrările obținute de la cele două accelerometre

pentru casca realizată din materialul cu cinci straturi de țesătură dublă de bumbac.

Fig. 4.37. Accelerația corpului impactor

Impactul a avut loc la momentul și s-a desfășurat până la , iar

accelerația corpului impactor pe această perioadă este prezentată în figura 4.37.

Fig. 4.38. Accelerația din macheta capului uman



Fig. 4.39. Accelerația corpului impactor pe durata impactului

Înlocuind numeric, se obține pentru energia de impact:

În tabelul 4.9 sunt prezentați principalii parametri obținuți.

Tabelul 4.9. Rezultatele testului la impact

Viteza

de impact

[m/s]

Energia

de impact

[J]

Decelerația

maximă

[m/s2]

Forța

de contact

[N]

Deplasarea

maximă

[mm]

Energia

absorbită

[J]

16,07 278,9 7266 15695 33,1 204,5

Procentul absorbit prin deformarea materialului (PA) din energia de impact este:

Rezultate calcule numerice

Rezultatele au fost obținute în urma efectuării a 50 de pași de integrare. Pentru a

verifica corectitudinea parametrilor introduși în calculul numeric, s-a urmărit evoluția în timp

a vitezei corpului impactor. În figura 4.44 este reprezentat graficul acestei variații. Se observă

că sfera parcurge în cădere liberă de la o înălțimea de un metru în aproximativ și atinge

o viteză de (-4,32) m/s. După 0.02 s viteză scade la zero (moment în care deformația căștii

este la maxim) și apoi revine din iarăși la 0.02 s cu o viteză de 2.2 m/s. Astfel se produce o

pierdere de energie a impactorului ce ar trebui recuperată în derformația reziduală a căștii



prezentată în continuare.Viteza de impact de 4.32 m/s obținută din analiza numerică poate fi

verificată prin relațiile cinematice (4.13) și (4.14):

; (4.13)

(4.14)

Diferențele foarte mici dintre rezultate arată că parametri au fost introduși corect și pot

fi diminuate considerabil dacă numărul de pași de integrare crește.

Fig.4.44. Evoluția vitezei în timp a corpului impactor

În figura 4.45 este redat câmpul tensiunilor echivalente von Mises la momentul t =

0.46 s, când în structură se înregistrează valoarea maximă a tensiunii. Această valoare a fost

obținută în nodul cu numărul 1393. În figura 4.46, este prezentată evoluția în timp a tensiunii

echivalente von Mises în nodul 1393.

Fig. 4.45 Deformația structurii cu: a. Câmpul tensiunilor von Mises la t = 0.46 ; b. poziția

nodului cu umărul 1393



Pentru a calcula energia de impact și energia de deformație a structurii, s-au extras din

rezultatele obținute în urma analizei cu elemente finite accelerația, viteza și deplasarea

impactorului. Perioada impactului a fost intre și .

a. b.

Fig. 4.47. Structura căștii deformate după momentul impactului:

a. vedere din lateral; b. vedere din față

Ținând seama de masa impactorului ( ) și aplicând relațiile de calcul prezentate în

capitolul 4, s-au determinat parametrii prezentați în tabelul 4.10.

Tabelul 4.10. Rezultatele obținute pe baza modelului de calcul numeric

Viteza

de impact

[m/s]

Energia

de impact

[J]

Decelerația

maximă

[m/s2]

Forța

de contact

[N]

Deplasarea

maximă

[m]

Energia

absorbită

[J]

4,386 48,09 6029,7 30148 0,0451 36,52

Procentul de energie absorbită este următorul:

4.9.Concluzii parțiale

În urma procesului de imersie a materialelor compozite în soluție salină cu 5% NaCl

pentru o perioadă de 90 de zile, în cazul materialului polimeric R s-a înregistrat o valoare a

absorbției de 0,0095 %. În cazul materialelor compozite cu 1 strat s-a înregistrat o valoare a

absorbției cuprinsă între 12,32 % - 17,96 %, în cazul materialelor compozite cu 3 straturi s-a

înregistrat o valoare a absorbției cuprinsă între 14,2 % - 26,4 % și pentru materialele

compozite cu 5 straturi sa înregistrat o valoare a absorbției cuprinsă între 10,46 % - 15,10 %,

respectiv pentru materialele compozite cu 7 straturi s-a înregistrat o valoare a absorbției

cuprinsă între 9,1 % - 11,11 %.

În urma încercărilor la încovoiere în trei puncte, o analiză a rezultatelor materialelor

condiționate de mediul agresiv oferă o scădere a proprietăților mecanice.



Efectuarea analizelor morfologice de suprafață a condus la punerea în evidență în

detaliu a defectelor de suprafață, degradării acestuia, rupturii obținute în urma solicitării la

încovoiere cu evidențierea fisurilor și așezării neuniforme a fibrelor în matrice, precum și

defectele interne din materialul compozit, respectiv legăturile la interfața fibră/matrice;

Analiza termo-fizică comparativă a materialelor compozite studiate a arătat

coeficientul de dilatare termică (CTE) este influențat mult de elementul de ranforsare precum

și de alți factori ce pot contribui la instabilitatea termică.

Prin analiza temperaturilor de tranziție Tg a materialelor compozite necondiționate și

condiționate de mediul agresiv s-a constat că temperaturile de tranziție sunt apropiate în

ambele cazuri.

Analiza comparativă a materialelor necondiționate și condiționate de mediul agresiv a

aratat că degradarea materialelor condiționate până la temperaturi de 200 oC se produce mai

lent față de materialele necondiționate, iar cu creșterea temperaturii degradarea materialelor

condiționate accentuându-se cu creșterea temperaturii.

Analizând rezultatele obținute, se poate spune că energia de impact este absorbită prin

deformarea plăcii într-un procent foarte mic. Comparând rezultatele experimentale cu cele

numerice, care vor trebui refăcute pentru dimensiunile reale ale epruvetelor (altă grosime

decât în această lucrare) se va putea analiza comportamentul în exploatare al materialului cu

un grad de certitudine mult mai ridicat. În cazul cercetărilor la impact s-a obținut pentru

structura analizată un procent de absorbție de 73,3%, ceea ce reprezintă o valoare acceptabilă.

Un alt aspect important este acela că rezultatele au putut fi afectate de rata mică de achiziție a

datelor (o milisecundă) în raport cu durata fenomenului (câteva milisecunde). Astfel, este

posibil ca unele valori să fie trunchiate și să apară erori de integrare. Din punct de vedere al

rezistenței mecanice, materialul propus pentru realizarea unor căști de protecție îndeplinește

condițiile necesare.

Din calculele numerice s-au obținut tensiuni echivalente maxime, la încercarea la

impact a căștii, mult inferioare limitei de rupere a materialului. Tensiunile obținute în urma

calculului sunt mai mari decât cele reale, deoarece, materialul este vâscoelastic. Proprietățile

mecanice obținute pentru materialul prezentat în lucrare reprezintă un argument pentru

utilizarea acestor tipuri de materiale și în alte aplicații industriale. Industria alimentară este un

domeniu în care cercetările privind materialele ecologice și biodegradabile sunt motivate de

normele de sănătate impuse. Ca direcție ulterioară de dezvoltare a cercetărilor rămâne

realizarea unui model de calcul care să țină seama de influența tuturor factorilor importanți

(elementele de amortizare din interiorul căștii, capul uman etc.



CAPITOLUL 5

Concluzii finale. Contribuții originale. Direcții viitoare de

cercetare

5.1. Concluzii finale

Pentru atingerea scopului tezei de doctorat obiectivele propuse au fost îndeplinite în

totalitate ce au dat naștere următoarelor concluzii generale:

s-au obținut noi materiale eco-compozite stratificate, printr-o metodă de formare

manuală cunoscută în literatura de specialitate sub denumirea de metoda Hand lay-up, în

vederea scăderii costurilor și eliminării consumului de energie și s-au obținut epruvete cu 1, 3,

5 și 7 straturi pentru fiecare tip de material eco-compozit studiat;

s-a analizat comportamentul materialelor eco-compozite cu 1, 3, 5 și 7 straturi într-un

mediu agresiv prin imersia acestora într-o soluție apoasă cu o concentrație de 5 % NaCl, care

a condus la monitorizarea și înregistrarea evoluției absorbției, menționând faptul că

responsabilii pentru absorbția soluției sunt caracterul hidrofil al fibrelor naturale, contactul

dintre capilarul fibrei și soluție în urma debitării plăcilor în scopul obținerii epruvetelor,

defectelor de suprafață și a celor din interior apărute în urma obținerii materialelor compozite

și datorită procesului de hidrodilatare;

au fost analizate proprietățile mecanice prin încovoiere în trei puncte a două seturi de

materiale compozite (necondiționate și condiționate de mediul agresiv); s-a constat că oadată

cu creșterea numărului de straturi proprietățile materialelor eco-compozite studiate se

îmbunătățesc; în mod comparativ s-a evidențiat că proprietățile materialelor eco-compozite

condiționate de mediul agresiv au înregistrat valori descrescătoare față de materialele eco-

compozite necondiționate; prin modelul de calcul matematic al erorii relative s-a demonstrat

că odată cu creșterea numărului de straturi de ranforsant proprietățile elastice sunt crescătoare.

s-au efectuat cercetări privind analiza morfologică de suprafață pe eșantioane prelevate

din materialele eco-compozite prin Microscopie Electronică de Baleiaj (SEM), rezultatele

punând în evidență câteva aspecte privind neomogenitatea, distribuția materialului de

ranforsare, adâncituri, degradarea matricei sub efectul mediului agresiv, precum și câteva

aspecte de aderare a matricei la fibră și orientarea fibrelor în urma rupturii prin încovoiere,

prezența defectelor interne în matricea polimerică sub formă de vacuole, incluziuni,

neuniformități;



s-au efectuat cercetări de caracterizare a proprietăților termo-fizice ale materialelor eco

- compozite prin analiză dilatometrică (DIL), analiză calorimetică cu scanare diferențială

(DSC) și analiză simultană (TG/DTA), punând în evidența comportamentul termic al

materialelor eco-compozite prin evidențierea coeficientului de expansiune.

5.2. Contribuții originale

Elementele de originalitatea ale cercetării științifice oferite în cadrul tezei de doctorat

intitulată Eco-compozite cu proprietăți sustenabile au constat în redarea unor contribuții

personale ce au fost structurate pe toată perioada cercetării experimentale, astfel:

aplicarea unui procedeu ce nu implică consum de energie și cost ridicat;

conceperea și realizarea de noi materiale eco-compozite cu țesături naturale din

bumbac, bumbac apretat, iută și fibre de iută (MAT), cu 1, 3, 5 și 7 straturi;

realizarea epruvetelor specifice cercetărilor experimentale;

studiu experimental privind comportamentul materialelor compozite într-un mediu

agresiv și influența acestuia asupra proprietăților mecanice;

studiu experimental cu privire la determinarea proprietăților elastice prin încercăr i

mecanice de încovoiere;

studiu experimental cu privire la analiza morfologică de suprafață a materialelor

compozite;

studiu experimental de investigare a stabilității dimensionale ale materialelor eco-

compozite în timpul încălzirii lor, cu determinarea coeficienților de expansiune termică

(CTE), prin analiză dilatometrică (DIL);

studiu experimental de caracterizare a proprietăților termice, ce a constat în aplicarea

analizei de calorimetrie cu scanare diferențială (DSC), ce a permis identificarea

temperaturilor de tranziție (Tg), a materialelor compozite cu diferite inserții naturale;

studiu experimental de investigare a transformărilor de fază, a degradabilității prin

pierderea de masă, precum și a temperaturilor de lucru, prin analiză simultană,

termogravimetrică (TG) și analiză termică diferențială (DTA);

conceperea unei matrițe în vederea realizării unei căști de protecție din materialele

compozite și determinarea proprietăților de rezistență la impact, prin adaptarea unui stand,

deja existent, la modelul de cercetare, respectiv și analiza comportării căștii de protecție

solicitat dinamic folosind softul LS-DYNA, precum și interpretarea datelor experimentale.



5.3. Direcții viitoare de cercetare

Considerând că lucrarea de față este o scurtă bază de cercetare stiințifică, ce cuprinde o

serie de rezultate cu posibilă satisfacere a nevoilor noastre, prezenta lucrare de doctorat oferă

posibilitatea cercetătorului de a putea propune un studiu aprofundat în urma aceastei teme, cu

următoarele direcții:

realizarea unor noi materiale eco-compozite prin adăugarea unui al doilea element de

ranforsare sub formă de particule, în scopul îmbunătățirii proprietăților mecanice;

propunerea aplicării unor tratamente de suprafață materialelor textile, pentru

îmbunătățirea legăturilor la interfața fibră/matrice și diminuării naturii higroscopice, în

vederea îmbunătățirii proprietăților termo-mecanice;

cercetare privind influența altor factori de mediu agresiv asupra proprietăților

materialelor eco-compozite studiate, precum și comportamentul acestora;

cercetare privind determinarea proprietăților materialelor eco-compozite prin alte

metode de analiză;

cercetare privind mecanismul de degradare al materialelor compozite polimerice în

diferite intervale de temperatură;

5.4. Diseminarea rezultatelor

Rezultatele cercetării realizate pe tot parcursul programului de doctorat au fost

valorificate prin publicarea în reviste recunoscute de CNCSIS și participare la conferințe

internaționale, prezentate astfel:

Articole publicate

Articole ISI

Nr.

Crt. Autor/Titlul Revistă Factor de impact

1

R.F.Coterlici, V.Geamăn,

I.Radomir, M.A.Pop, Green

composites based on Kenaf

fibers

Advanced in Engineeringand

Management, Advanced

EngineeringForum,Trans

Tech Publications,Vol.13,

pag.15,2015, ISSN: 978-3-

03835-501-4

-

2

V.Tudose, R.F.Coterlici, D.I.

Tudose, A. Hadâr, G.A.

Constantin, Study on the use

of a biodegradable material to

manufacture plansifter

suspension system

Materiale Plastice,Vol.52,

Nr.3, pag.376- 380, 2015,

ISSN: 0025-5289

0,463



Articole BDI/B+

Nr. Crt. Autor/Titlul Revistă

1

R.F.Coterlici, V.Geamăn,

M.A.Pop, I.Radomir, Application

of natural fiber composites in

automotive industry

Metalurgia Nr.3, pag.22-25,2014,

ISSN: 0461-9579

2 R.F.Coterlici, V.Geamăn,

Sustainable composites based on

eco-friendly natural fibers

The annals of Dunărea de jos University of

Galați fascicle IX metallurgy and science

Galati University Press,pag. 19-23, 2014,

ISSN: 1453 – 083X.

3

R. F. Coterlici, V. Geamăn, The

effect of salt water treatment on

bending of jute tissue/epoxy

composites

The 5th International Conference on

Advanced Composite Materials

Engineering COMAT 2014 Brașov,

România, Vol. 1 (CD), pag. 46-50, 2014,

ISBN: 978 – 606 – 19 – 0411 – 2

4

R. F. Coterlici, V. Geamăn,

Evaluation of mechanical

properties of friendly

cotton/nestrapol

RECENT, Rezultatele cercetărilor noastre

tehnice, Transilvania University of

Brașov, România, Vol.16, nr.2(45), pag.

85-89,2015,

ISSN: 1582-0246

Articole prezentate la conferințe internaționale

Articole prezentate la conferințe internaționale

Nr. Crt. Conferință Titlul

1

TheVIth edition of International

Conference UgalMat, 2014, Galați,

România, 29.05.2014-30.05.2014

R.F.Coterlici, V.Geamăn, Sustainable

composites based on eco-friendly

natural fibers

2

The 5th International Conference on

Advanced Composite Materials

Engineering – COMAT, Brașov,

România, 16.10.2014-17.10.2014

R. F., Coterlici, V. Geamăn, The

effect of salt water treatment on

bending of jute tissue/epoxy

composites

3

9th International Conference on

Materials Science & Engineering –

BraMat, Brașov, România,

05.03.2015 – 07.03.2015 – Sesiune Poster

R. F., Coterlici, H. Teodorescu-

Drăghicescu, V. Geamăn, Study of

thermal and mechanical properties for

eco-composites based on jute by

applying salinity treatment

4

R. F.Coterlici, H. Teodorescu-

Drăghicescu, V. Geamăn, The

influence of salinity treatment on

thermo-mechanical properties of

sustainable jute tissue/nestrapol 455-

60 composite

5

Al XIII lea Simpozion Național cu

participare Internațională

"Mecatronică și Inginerie Mecanică,

Microtehnologii și Materiale noi" –

MIM-MMN, Valahia, Târgoviște,

România, 26 Iunie, 2015

R. F. Coterlici , V. Geamăn, Study of

mechanical properties after aging in

aqueous solution of natural fiber

/unsaturated polyester resin composite



Articole acceptate spre publicare

Articole ISI în curs de publicare

Nr.

Crt. Autor/Titlul Revistă

Factor

de impact

1

V. Tudose, R.F.Coterlici,

D.Tudose, H. Gheorghe,

Ș.D. Pastrama, Study regarding the

use of a cotton fiber reinforced

composite for obtaining protection

helmets

Industria Textilă

0,853

De asemenea în perioada programului de doctorat a fost publicat un articol ce nu

face parte din tematica lucrării.

Articole ISI

Nr. Crt. Autor/Titlul Revistă

1

R.F.Coterlici, Denis Chaumont,

Marco Socilotti, Ana Vețeleanu, Virgil

Geamăn, Growth of TiO2

nanostructures on copper sheets with

MOCVD technique

Metalurgia Internațional, Vol. 18, nr.5,

pag.33-36, 2013, ISSN:1453-083X



Bibliografie

[8] Azwa, Z. N., Yousif, B. F., Manalo A., C., Karunasena, W., A review on the

degradability of polymeric composites based on natural fibres, Materials & Design, Vol.

47, pag. 424-442, 2013, ISSN: 0261 – 3069.

[12] Cao, Y., Wang, W., Wang, Q., Wang, H., Application of mechanical properties models

to flax fibe / wood fiber / plastic composites, BioResources, Vol. 8, nr. 3, pag. 3276-3288,

ISSN: 1930 - 2126.

[14] Cerbu, C., Modelarea, testarea și optimizarea structurilor din materiale composite

ranforsate cu țesături și fibre naturale, Teză de abilitare, Universitatea Transilvania,

Brașov, 2015.

[17] Cicala, G., Cristaldi, G., Recca, G., Latteri A., Composites Based on Natural Fibre

Fabrics, Woven Fabric Engineering, pag. 317-342, 2010, ISBN: 978–953– 07–194-7.

[18] Champbell, F. C., Structural Composite Materials, Editura ASM International, Ohio,

Statele Unite ale Americii, ISBN – 13: 978 – 1 – 61503 – 037 – 8, 2010.

[19] Comșa, D. S., Metoda Elementelor Finite, Curs introductiv, Ed. U. T. PRES, Cluj-

Napoca, 2007.

[21] Coterlici R. F., Geamăn V., Pop M. A, Radomir I., Application of natural fiber

composites in automotive industry, Metalurgia, nr. 3, pag. 22-25, 2014, ISSN: 0461–

9579.

[22] Coterlici R. F., Geamăn V., The effect of salt water treatment on bending of jute

tissue/epoxy composites, The 5th International Conference on Advanced Composite

Materials Engineering COMAT 2014 Brașov, România, Vol. 1 (CD), pag. 46-50, 2014,

ISBN: 978 – 606 – 19 – 0411 – 2.

[23] Coterlici R. F., Geamăn V., The effect of salt water treatment on bending of jute

tissue/epoxy composites, The 5th International Conference on Advanced Composite

Materials Engineering COMAT 2014 Brașov, România, Vol. 1 (CD), pag. 46-50, 2014,

ISBN: 978 – 606 – 19 – 0411 – 2

[24] Coterlici R. F., Geamăn V., Evaluation of mechanical properties of friendly cotton /

nestrapol 455-60 composites after saline environmental condition, Recent, vol 16, nr.2

(45), pag. 85-89, 2015, ISSN: 1582-0246

[25] R. F. Coterlici , Geamăn V., Study of mechanical properties after aging in aqueous

solution of natural fiber/unsaturated polyester resin composite, Al – XIII – lea

Simpozion Național cu participare Internațională "Mecatronică și Inginerie Mecanică,



Microtehnologii și Materiale noi" – MIM-MMN, Valahia, Târgoviște, România, 26

Iunie, 2015

[26] Coterlici R.F., Teodorescu-Drăghicescu H., Geamăn V., The influence of salinity

treatment on thermo-mechanical properties of sustainable jute tissue/nestrapol 455-60

composite, Al – XIII – lea Simpozion Național cu participare Internațională "Mecatronică

și Inginerie Mecanică, Microtehnologii și Materiale noi" – MIM-MMN, Valahia,

Târgoviște, România, 26 Iunie, 2015

[27] Coterlici R. F., Geamăn V., Radomir I., Pop M. A., Green composites based on kenaf

fibers, Advanced Engineering Forum, Vol, 13, pag, 15-18, 2015, ISSN 978 – 3 – 03835 –

501 – 4;

[28] Curtu, I., Motoc, D., L., Micromecanica materialelor compozite, Modele toretice, Ed.

Universității Transilvania, Brașov, 2009

[30] Dittenber, D. B., GangaRao, H. V. S., Critical review of recent publications on use of

natural composites in infrastructure, Composites Part A: Applied Science and

Manufacturing, Vol. 43, nr. 8, pag. 1419-1429, 2012, ISSN: 1359 – 835X.

[33] Edelman, P., McMahon, E., A New DAP-Polyester Resin for Carbon Fibers, Journal of

Composites Technology & Research, Vol. 1, nr. 2, pag. 7, 1979, ISSN: 0884-6804.

[35] Facca, A. G., Kortschot, M. T., Yang, N., Predicting the elastic modulus of natural fibre

reinforced in thermoplastics, Composites, Part A, Vol. 37, pag. 1660 – 1671, 2006,

ISSN: 1359-835X.

[37] Faruk, O., Bledzki, A. K., Fink, H. P., Mohini, S., Biocomposites reinforced with natural

fibers: 2000–2010, Progress in Polymer Science, Vol. 37, nr. 11, pag. 1552-1596, 2012,

ISSN: 0079 – 6700.

[39] Fick, A., Über diffusion, Annalen der Physik und Chemie, edited by Poggendorff, J., C.,

Vol. 94, pag. 59-86, 1855.

[43] GiriDev, V. R., Dhinesh, K., Baghulan, M. B., Raghunathan, Effect of lay-up angle and

layers on mechanical properties based on rib knit jute inlaid performs, Indian Journal

of Fibre & Textile Research, Vol. 31, pag. 422-425, 2006, ISSN: 0975 – 1025.

[44] Gheorghe, V., Structuri cu rigiditate ridicată din materiale compozite, utilizate în

construcția de autovehicule, Teză de doctorat, Brașov, România, 2013.

[45] Haneef, M., Rahman, J. F., Yunus, M., Zameer, S., Patil, S., Yezdani, T., Hybrid

Polymer Matrix Composites for Biomedical Applications, International Journal of

Modern Engineering Research, Vol. 3, nr. 2, pag. 970-979, 2013, ISSN: 2249 - 6645.



[46] Harris, B., Engineering composites materials, Editura IOM, Londra, United Kingdom,

1999, ISBN: 1861250320.

[47] Ho, M. - po, Wang, H., Lau, K. - lau, Lee, J. - hee, Hui, D., Interfacial bonding and

degumming effects on silk fibre/polymer biocomposites, Composites Part B:

Engineering, Vol.43, nr.7, pag. 2801–2812, 2012, ISSN: 1359 – 8368.

[48] Holbery J., Houston D., Natural-fibre-reinforced polymer composites in automotive

applications, The Journal of The Minerals, Metals & Materials Society, Vol. 58, nr. 11,

pag. 80-86, 2006, ISSN: 1543 – 1851.

[49] Hossain, Md. H., Islam, Md. A., Vuurea, A. V., Verpoest, I., Tensile behavior of

environment friendly jute epoxy laminated composite, Procedia Engineering, Vol. 56,

pag. 782 – 788, 2013, ISSN: 1877 - 7058.

[51] Ichhaporia, P. K., Composites from Natural Fibers, Teză de dizertație, Raleigh,

California de Nord, 2008.

[52] Ishak, M. R., Leman, Z., Sapuan, S. M., Salleh, M. Y., Misri, S., The effect of sea water

treatment on the impact and flexural strength of sugar palm fibre reinforced epoxy

composites, International Journal of Mechanical and Materials Engineering, Vol. 4, nr.3,

pag. 316-320, 2009, ISSN: 1823 – 0334.

[56] Karbhari, V. M., Durability of composites for civil structural applications, Editura

Woodhead, 2007, ISBN: 978 – 1 – 84569 – 035 - 9.

[58] Kozłowskiy, R., Władyka-Przybylak, M, Flammability and fire resistance of composites

reinforced by natural fibers, Polymers for Advanced Technologies, Vol. 19, nr. 6, pag.

446-453, 2008, ISSN: 1099 - 1581.

[60] Ku, H., Wang, H., Pattrachaiyakoop, N., Trada, M., A review on tensile properties of

natural fiber reinforced polymer composites, Composites Part B: Engineering, Vol.42, nr.

4, pag. 856-873, 2011, ISSN: 1359 - 8368.

[61] Kulshreshtha, A. K., Vasile, C., Handbook of Polymers Blends and Composites, Editura

Smithers Rapra Technology, Vol. 1, 2002, ISBN: 978 – 60119 – 666 – 8.

[66] Lichioiu, I., Rolul structurilor de neechilibru în îmbunătățirea proprietăților aliajelor cu

bază de aluminiu, Teză de doctorat, Universitatea Transilvania, Brașov, 2012.

[67] Magniont, C., Contribution à la formulation et à la caractérisation d'un écomatériau de

construction à base d'agroressources, Teză de doctorat, Toulouse, Franța, 2010.

[73] Mohanty, A. K., Misra, M., Drzal, L. T., Natural Fibers, Biopolymers, and

Biocomposites, Editura CRC Press, 2005, ISBN: 978-0-203-50820-6.



[75] Monteiro, S. N., Calado, V., Rodriguez, J . S., Margem, F. M., Thermogravimetric

stability of polymer composites reinforced with less common lignocellulosic fibers – an

overview, Journal of Materials Research and Technology, Vol. 1, nr. 2, pag. 117-126,

2012, ISSN: 2238 - 7854.

[82] Nicolae, O. I., Impactul materialelor compozite utilizate în construcţii asupra mediului,

Teză de doctorat, Brașov, România, 2013.

[83] Oksman, K., Mathew, A. P., Långström, R., Nyström, B., Joseph, K., The influence of

fibre microstructure on fibre breakage and mechanical properties of natural fibre

reinforced polypropylene, Composites Science and Technology, Vol. 69, nr. 11-12, pag.

1847–1853, 2009, ISSN: 0266 - 3538.

[85] Panda, A., A study on thermal conductivity of epoxy/Al2O3, Teză de doctorat, Rourkela,

India, 2013.

[89] Pătrănescu, A. E., Contribuții la determinarea proprietăților mecanice ale compozitului

de tip MAT-Roving, utilizat la recipiente cilindrice, Brașov, România, 2011.

[94] Price, T. L., Dalley, G., McCullough, P. C., Choquette L., Handbook: Manufacturing

advanced composite componenets for airframes, 1997.

[96] Rao, R. M. V. G. K., Balasubramanian, N., Chanda, M., Factors affecting moisture

absortion in polymer composites, Part 1: Influence of internal factors, Journal of

reinforced plastics and composites, Vol. 3, pag. 232–245, 1984, ISSN: 0731-

6844/84/03/0246-08.

[97] Rao, R. M. V. G. K., Chanda, M., Balasubramanian, N., Factors affecting moisture

absortion in polymer composites, Part 1: Influence of external factors, Journal of

reinforced plastics and composites, Vol. 3, pag. 246 -25, 1984, ISSN: 0731-

6844/84/03/0246-08.

[104] Saravana, B., D., Mohan, K., G., C., IAENG, Thermal properties of maize fiber

reinforced unsaturated polyester resin composites, Proceedings of the world congress on

[106] Sbiai, A., Materiaux composites à matrice époxy de chargée par des fibres de palmier

dattier: effet de l’oxydation au tempo sur les fibres, Teză de doctorat, Lyon-Franța-2011

[110] Sinha, P. K., Composite Materials and Structures, Published By: Composite Centre of

Excellence, AR & DB, Departament of Aerospace Engineering, I. I. T. Kharagpur,

2006.

[114] Stanciu, D. M., Terciu, O. M., Curtu, I., Compozite lignocelulozice, Aplicații în

Industria Automobilelor, Editura Universității Transilvania, Brașov, ISBN: 978-606-19-

0518-8, 2014.



[115] Stoian, E. V., Rizescu, C. Z., Pintea, J., Ungureanu, D. N., Fluieraru C. P., Obtaining

and characterization of composite materials with polymeric matrix, International

Journal of Geology, Vol. 3, nr. 3, pag. 70-78, 2009, ISSN: 1998 - 4499.

[118] [119][125][121] Ticoalu, A., Aravinthan, T., Cardona, F., A review of current

development in natural fiber composites for structural and infrastructure applications,

Southern Region Engineering Conference, Toowoomba, Australia, 2010.

[119] Tilton G.J., Finite element of thermal expansion in polymer/ZrW2O8 composites, pag. 1-

76, 2011, Teză de disertație.

[122] Tudose V., R. F., Coterlici, D. I., Tudose, A., Hadâr, G. A., Constantin, Study on the

use of a biodegradable material to manufacture a plansifter suspension system, Materiale

Plastice, Vol. 52, Nr.3, pag.376-380, 2015, ISSN: 0025-5289.

[123] V. Tudose, R.F.Coterlici, D.Tudose, H. Gheorghe, Ș.D. Pastrama, Study regarding the

use of a cotton fiber reinforced composite for obtaining protection helmets, Industria

Textilă, 2015 - Acceptată spre publicare.

[127] Wong, K. J., Moisture absortion characterizațion and effects on mechanical behavior

of carbon/epoxy composite: Application to bonded patch repair of composite structures,

Universitatea de Bourgogne, Dijon, Franța, pag. 1-225, 2013.

[128] Yan, L., Chouw, N., Jayaraman, K., Flax fibre and its composites – A review,

Composites Part B: Engineering, Vol. 56, pag. 296-317, 2014, ISSN: 1359 – 8368.

[130] Yusliza, Y., Zuraida, A.,The effect of fibres content on cotton reinforced albumen

composites,IIUM Engineering Journal,Vol,12,nr.2,pag.131-144,2011,ISSN:2289– 7860.

[135] ***, EN ISO 14125 (2000). Fibre reinforced in plastic composites – Determination of

flexural properties, British Standard, London

[136] ***, EN ISO 62 (2008). Plastics.Determination of water absortion, European

Committee for Standardization Brussels

[137] ***, ASTM E 831-14, Standard Test Method for Linear Thermal Expansion of Solids

Materials by Thermomechanical Analysis. 2014.


Ing. Radu Francisc Coterlici

Anexa 3

Resumat

Scopul cercetarii stiințifice din cadrul tezei de doctorat intitulată Eco compozite

sustenbile cu proprietăți performante, îl reprezintă realizarea unor noi materiale compozite cu

caracter ecologic care să îndeplinească unele condiții necesare utilizării acestora în diferite

domenii. Pe baza aceasta, cercetarea a luat aploare continuând cu analiza a comportamentului

materialelor compozite într-un mediu agresiv prin imersia acestora într-o soluție apoasă cu 5

% NaCl, efectuarea unei analize comparative a proprietăților mecanice rezultate în urma

testelor de încovoiere în trei puncte, precum și a proprietăților termo-fizice rezultate prin

analiză dilatometrică (DIL), analiză calorimetrică cu scanare diferențială (DSC) și analiză

simultană, termogravimetrică cu analiză termică difrențială (TG/DTA). De asemenea s-a

propus un studiu de caz, ce a constat în obținerea unei structuri compozit în formă de cască de

protecție și testarea acestei la impact experimental și prin modelul de calcul cu elemente finite

(MEF) cu ajutorul softului ANSYS LS-DINA.

Appendix 3

Abstract

The aim of scientific research of the doctoral thesis entitled Sustainable green

composite with performance properties, is the development of new environmentally friendly

composite materials that meet certain conditions required to use them in different fields. On

the basis of this research it has gained by continuing with the analysis of the behavior of

composite materials in an aggressive environment by immersing them in an aqueous solution

with 5% NaCl, to carry out a comparative analysis of the mechanical properties resulting from

the three-point bending tests, as well as the thermos-physical properties resulting by

dilatometric analysis (DIL), differential scanning calorimetric analysis (DSC) and

simultaneous analysis by thermo-gravimetric with thermal analysis (TG / DTA). It was also

suggested a case study, which consisted of obtaining a helmet shaped composite structure and

testing of it to experimental impact and by model of computation with finite elements (FEM)

using ANSYS software LS-DINA.


Anexa 4

Informații personale Radu Francisc COTERLICI

Str. Mărășești , bl. 1, ap.4, Jud. Bacău, Mun. Onești, România

0726 722 275

[email protected] Sexul: Masculin| Data naşterii: 13/04/1982 | Naţionalitatea: Română

Experiență profesională

Perioada / Angajator 2000-2002 / S.C. SELTECO S.A.

Funcția / Sector Lăcătuș mecanic / Industrie

Perioada / Angajator 2008-2013 / S.C. ARO-PALACE S.A.

Funcția / Sector Receptioner / Turism

Educație și formare

Perioadă 2012 - 2015

Numele instituției Universitatea Transilvania Brașov, România

de învătământ Facultatea de Știința și Ingineria Materialelor

Poziția ocupată Doctorand / Titlul tezei: Eco-compozite sustenabile cu proprietăți

performante




Master: Ingineria și Managementul Materialelor Avansate,

Metalice, Ceramice și Compozite

Perioadă Ianuarie 2010 – Mai 2010

Numele instituției Stagiu extern de cercetare la Universitatea de Bourogne

de învătământ ICB - NANO (NanoForm) – Dijon, Franța




Licență: Știința Materialelor

Alte calificări

Certificat de absolvire Inspector in domeniul securitații și sănătății in muncă

Competențe antreprenorial

Activitate științifică

Lucrări publicate 2 lucrări ISI Journal, 2 lucrări ISI Proccedings, 3 lucrări BDI,

1 lucrare B+ și 4 participări la conferințe internaționale

Appendix 4



Curriculum Vitae

Personal information Radu Francisc COTERLICI

Street Mărășești , bl. 1, ap.4, Bacău, Onești, România

0726 722 275

[email protected] Sex: Male| Date of birth: 13/04/1982 | Nationality: Romanian

Work experience

Date(from-to) / Employer 2000-2002 / S.C. SELTECO S.A.

Ocupation / Section Mechanic fitter / Industry

Date(from-to) / Employer 2008-2013 / S.C. ARO-PALACE S.A.

Ocupation / Section Receptionist / Tourism

Educațion and training

Date(from-to) 2012 – 2015

Name and type of organization Transilvania University, Brașov, România

providing education and training Faculty of Materials Science and Engineering

Position PhD Student / Thesis title: Sustainable green-composite with

performance properties

Date(from-to) 2010 - 2012



Master degree: Engineering and Management of Advanced

Metallic, Composite and Ceramics Material

Date(from-to) Ianuarie 2010 – Mai 2010

Name and type of organization Research stage at de Bourogne University

providing education and training ICB - NANO (NanoForm) – Dijon, France

Date(from-to) 2006 - 2010



Bachelor: Materials Science

Qualification

Graduation certificates Inspector in the security field and health at work

Entrepreneurial competent

Scientific activity Published papers 2 scientific papers in ISI Journal, 2 scientific papers in ISI Proccedings, 3

papers in BDI, 1 paper B+ and 4 participation at international conferences


Partener: Universitatea Transilvania din Brasov …old.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de...

Documents

Transcript of Partener: Universitatea Transilvania din Brasov …old.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de...