1

Tensiunile si deformatiile generate n materiale compozite de un mediu agresiv

Camelia Cerbu, Ioan Curtu, Marius Boti

Aspecte teoretice privind comportarea structurilor compozite n mediu agresiv De cele mai multe ori piesele care sunt pri componente ale unei structuri, lucreaz n condiii

agresive de mediu. Criteriile care s-au luat n calcul, cnd s-a optat pentru nlocuirea anumitor pri dintr-o structur, executate din materiale tradiionale, cu piese produse din materiale compozite au fost: raport rezisten-greutate ridicat, rezisten la uzur, coroziune, temperatur, proprieti dielectrice, caracterul nemagnetic i nu n ultimul rnd preul de cost sczut.

Obiectivul acestei lucrri este de a analiza stadiul actual al cercetrilor referitoare la strile de tensiune i deformaii n piesele realizate din materiale compozite solicitate n condiii agresive de mediu. n aceast idee, se vor prenzenta principalii factori agresivi de mediu (fig. 1).

FACTORIFIZICI:

- temperatura sicicluri termice;

- umiditate;- uscare, foc;- raze ultraviolete- radiatii de

protoni sielectroni

- tensiuneelectrica;

- camp magnetic.

FACTORIMECANICI:

- incarcari statice- impact;- presiune;- vibrare;- viteza.

FACTORIBIOLOGICI:

- biodegradareprodusa deciuperci

- specii de plante sianimale

FACTORICHIMICI:

- saruri;- acizi;- uleiuri.

Fig. 1. Factorii de mediu agresiv care acioneaz asupra materialelor composite.

Un material compozit este alctuit din matrice i materialul de ranforsare. Prin combinarea la scar macroscopic a acestora, se obin proprieti superioare.

Integritatea structural a materialului compozit este cheia durabilitii sale i a succesului n performane. Atunci cnd se abordeaz tema influenei factorilor de mediu agresiv asupra materialelor compozite, atenia se concentreaz pe aciunea lor asupra componentelor de structur: fibre, matrice i legtura fibr-matrice. Acest lucru se datoreaz faptului c se cunoate deja c, distrugerea i ruperea materialelor compozite se poate ntmpla ntr-o varietate de moduri de rupere incluznd:

ruperea fibrelor - se ntmpl n principal sub aciunea sarcinilor de traciune (acest lucru impune la nivel de tensiuni coborrea la tensiunea admisibil a materialului);

microfisurarea matricei - indic apariia fisurilor microscopice n matricea polimeric (poate fi determinat de ncrcarea mecanic, de tensiunile remanente induse n procesul de tratament termic, de tensiuni termice, absorie de umiditate sau de mbtrnirea materialului matricei);

2

fisurarea matricei - este similar cu microfisurarea dar crpturile sunt mai mari avnd dimensiuni de ordinul mrimii diametrului fibrei sau chiar mai mari;

distrugerea legturii fibr-matrice n urma creia fibrele de armare se desprind de matrice; exfolierea sau desprinderea straturilor unui laminat (delaminarea). Factorii de mediu agresiv, prezentai anterior, pot influena caracteristicile materialului compozit

att la nivel microscopic ct i la nivel macroscopic. Acest lucru se va reflecta n mod evident asupra strii de tensiune i deformaie. Cu toate c mediul agresiv are o influen negativ asupra structurii materialelor compozite (fibr, matrice, legatura fibr-matrice), totui aceste materiale se folosesc la scara mare.

Materialele compozite au o mulime de direcii de utilizare, de la piese pentru nave cosmice pn la obiecte de uz caznic. Materialele compozite cel mai des folosite sunt cele pe baz de rini poliesterice, armate cu fibre de sticl, cu fibre de carbon i cu fibre de aramid, n special pentru ambarcaiuni sportive i nave uoare, avnd avantajele unei greuti reduse i rigiditi mrite.

n contextul acestei lucrri trebuie subliniat faptul c, mediul marin prezint cteva pretenii severe i unice pentru materiale datorit coninutului de sruri, prezenei numeroaselor specii i microorganisme, alturi de umiditate i temperatur. Activitatea microbian i produsele ei, vor conduce la deteriorarea materialelor ce compun compozitul (fibre i matrice). Deasemenea influena ciclurilor termice asupra diverselor piese din structura avioanelor, realizate din materiale compozite a constituit subiectul unor lucrri de specialitate. Deasemenea, au existat preocupri n decursul ultimilor ani i n ceea ce privete influena razelor ultraviolete i a radiaiilor de electroni i protoni asupra materialelor compozite precum i lucrri referitoare la comportarea la foc a acestora.

Fig. 2. Procedura pentru evaluarea efectelor mediului agresiv.

Cnd un compozit cu matrice organic este expus n aer umed sau la un lichid, att coninutul de umiditate ct i temperatura materialului pot varia n timp. Aceste modificri afecteaz proprietile termice i mecanice rezultnd o scdere a performanelor. Astfel, pentru a utiliza ntregul potenial al materialelor compozite, trebuie cunoscut rspunsul structurii din material compozit la factorii de mediu.

De cele mai multe ori o pies executat din material compozit este expus la un mediu n care nivelul de temperatur i umezeal variaz n timp ntr-o manier prescris. Este necesar s se cunoasc urmtorii parametrii:

temperatura din interiorul materialului ca funcie de poziie i timp ; concentraia de umiditate din interiorul materialului ca funcie de poziie i timp ; cantitatea total de umiditate (masa) ca funcie de timp; tensiunile induse de umiditate i temperatur (higrotermice) ca funcie de timp ; modificrile dimensionale ale materialului ca funcie de timp ; modificri n performana materialului ca funcie de timp s.a.

3

Aici cuvantul performan este folosit pentru a indica orice proprietate mecanic, chimic termic sau electric cum sunt rezistena, modulurile de elasticitate, durata de via, temperatura de tranziie sticl, conductivitile termice i electrice.

n general, problema este atacat n trei etape, aa cum ilustreaz figura 2. Prima dat s-au calculat distribuia temperaturii i coninutul de umiditate din interiorul materialului. n a doua etap sunt calculate deformaiile i tensiunile higrotermice cunoscnd distribuiile de temperatur i umiditate. n a treia etap sunt determinate modificrile n performan datorit temperaturii i umiditii.n continuare sunt trecute n revist procedurile utilizate n fiecare din aceste etape.

Studii experimentale privind influena factorilor de mediu agresiv asupra materialelor compozite [15] Datorit acceptrii la scar mare a materialelor compozite n industria aerospaial i cea naval,

testele de mediu au fost modelate pentru a evalua performanele lor cnd sunt supuse efectului radiaiei, luminii ultraviolete, temperaturilor ridicate (excesive), ciclurilor de vreme (schimbrilor climatice) i vaporilor de ap. Cteva cercetri au gsit c absoria de ap determin degradarea proprietilor dominate de matrice cum ar fi rezistenele de forfecare n plan i interlaminar, rezistena la compresiune i rezistena la traciune pe direcie transversal la fibre. Reducerea proprietilor mecanice a fost atribuit plasticizrii matricei de ctre ap, inversrii tensiunilor la interfaa dintre fibr i matrice datorit umflrii matricei produse de ctre umezeal i degradrii legturii la interfaa fibr/matrice.

Unul dintre primele obiective ale unui studiu recent [2] a fost de a investiga experimental absoria de ap i degradarea proprietilor n ncercarea la traciune pe direcie transversal la fibre pentru materiale compozite cu matrice polimeric ce lucreaz n mediu marin. Datorit slbirii intrinsece i tensiunilor locale mari, regiunea de la interfaa fibr / matrice este o prim int pentru atacul mediului agresiv ceea ce conduce la o reducere a rezistenei la traciune pe direcia perpendicular la fibrele de armare.

Au fost examinate materialele compozite descrise n tabelul 2.2. n plus, a fost examinat PPS curat. Nici fibrele de carbon nici fibrele de sticl nu absorb apa, n timp ce toate matricile considerate absorb apa. Panourile testate au avut secvenele de aezare: [0]8, [90]16 i [45]2.

Tabelul 1. Compoziia materialelor testate [2]. Material compozit Fibre Matrice Fracia volumic a fibrei [%]

Carbon / BMI-epoxi G40-800 carbon 5245 C bismaleimide-epoxy 55 Sticla E / epoxi sticla E 5216 Epoxi (termorigida) 55 Sticla E/ polifenilsulfida (PPS) sticla E LG 40-70 Polifenilsulfida (termoplastica) 54

Carbon / epoxi carbon NCT-301-2G150/108 Epoxi (termorigida) 51

A fost efectuat testarea la traciune pe direcie transversal pentru a investiga degradarea performanelor mecanice ale compozitelor. Modulul de elasticitate transversal, E2, nainte (uscat) i dup 4800 ore de imersie este prezentat n figura 3. Nu s-a observat nici o schimbare semnificativ pentru compozitele carbon / epoxi, carbon / epoxi BMI i sticla / epoxi, dup absoria de ap.Valoarea modulul de elasticitate pentru compozitul sticla / PPS scade cu 60 % dup saturaia cu ap. Reducerea lui E2, pentru sticl / PPS, poate fi atribuit moliciunii (fragezimii) matricei datorit absoriei de ap, dar aceast explicaie nu este satisfctoare, datorit cantitilor mici de ap absorbite. Aa cum se va vedea, reducerea dramatic a lui E2 pentru sticl / PPS, este evident rezultatul desprinderii fibr / matrice. S-a observat c apa de mare i cea distilat nu influeneaz n mod diferit modulul de elasticitate transversal.

Rezistenele la traciune pe direcie transversal tX 2 a compozitelor uscate i umede sunt

prezentate n figura 3. Reducerea mare a lui tX 2 datorit absorbiei de ap a fost experimentat pentru toate compozitele. Cel mai puin degradat sistem, carbon / BMI - epoxi, a pierdut aproximativ 30 % din rezistena n stare uscat. Pentru sticl / epoxi i carbon / epoxi, reducerile rezistenelor variaz de la 55 % la 65 %.

4

Fig. 3. Modulul de elasticitate i rezistenta la tractiune in directia transversala la fibre in conditii uscate i umede (4800 ore in apa distilata i in apa de mare) [2].

Sticla / PPS a pierdut 85 % din propria rezisten original dup 4800 ore de imersie, implicnd o degradare mare a interfeei fibr/matrice. n ceea ce privete modulul de elasticitate transversal i rezistena pe direcia transversal la fibre (fig. 3), apa de mare i apa distilata a fost influenat identic.

Un alt studiu experimental [5] se refer la efectele presiunii higroscopice, concentraiei de sare i temperaturii mediului asupra umflrii higroscopice a materialului compozit imersat in ap.

Fig. 4. Variatia deformatiei higrice a compozitului [016] din tesatura de sticla / epoxi functie de timpul de imersie la 25 C, cu concentratia de sare a apei de 0 % i adancimile de imersie: () 5 cm; () 100 cm; () 300 cm; (x) 500 cm; () 700 cm [5].

Fig. 5. Variatia deformatiei higrice a compozitului [016] din tesatura de sticla / epoxi functie de timpul de imersie la adancimea de 5 cm, cu concentratia de sare de 0 % i temperaturile: () - 4C; () 25 C; () 60 C [5].

Deformaiile higroscopice finale ale compozitelor sticl / epoxy imersate n ap sub diferite condiii de mediu au fost msurate i s-au calculat difuziile corespunztoare. Rezultatele au confirmat c presiunea higroscopic, concentraia de sare i temperatura, afecteaz comportarea la aciunea apei a materialelor compozite.

Epruvetele folosite au fost executate din material compozit cu matricea din rin epoxi i armat cu estur de sticl E, avnd structura [016]. Fiecare epruveta a avut dimensiunile 50 x 50 mm2 i de grosime 0,78 mm.

Au fost efectuate trei seturi de experimente. Primul grup a fost s investigheze efectul presiunii higroscopice asupra compozitului laminat. A fost construit un tub PVC de 8 m nlime cu propria

5

Fig. 6. Variatia deformatiei higrice la saturatie i a difuzitatii compozitului [016] din tesatura de sticla / epoxi functie de adancimea de imersie pentru o concentratie de sare a apei de 0 % i la temperatura de 25 C [5].

nclinaie i etanat. A fost umplut cu ap pur. Un sistem cu termostat a meninut temperatura apei din tub la 25 1 C. Epruvetele au fost imersate la adncimea necesar (5 cm, 100 cm, 300 cm, 500 cm i 700 cm) i deformaia a fost citit de pe traductoare.

Al doilea grup a analizat efectul concentraiei srii din ap. Toate probele au fost imersate la o adncime de 5 cm.

Containerul a fost nchis ntr-o camer izoterm i temperatura a fost meninut la 25 1 C. Au fost testate trei concentraii de sare (0 %, 5 % i 10 % NaCl din greutate).

Al treilea set a studiat efectul temperaturii apei. Toate epruvetele au fost imersate la adncimea de 5 cm n ap proaspt. Containerul a fost nchis ntr-o camer termic i temperatura a fost meninut la 4 1 C, 25 1C sau 60 1C.

Structurile compozite servind n mediu marin sunt supuse frecvent condiiilor dificile. n proiectare, trebuie considerat umflarea higroscopic. Aceasta este sensibil la muli factori de mediu, incluznd presiunea higrostatic, concentraia de sare i temperatura mediului.

Rezultatele experimentale au artat c deformaia higroscopic i difuzitatea D sunt sensibile la aceti trei factori. Presiunea fiecrui metru adncime de ap pur, poate crete valorile lui i D cu aproximativ 1,4 10-5 i 2,1 10-6 zi / cm2 (fig. 6). Fiecare procent al concentraiei de sare din ap poate crete valorile lui i D cu aproximativ 2,0 10 -5 i 2,5 10 -6 zi / cm2 (fig. 7); 1C permite creterea valorilor lui i D cu aproximativ 1,7 10 -6 i 2,5 10 -7 zi / cm2 (fig. 8).

Fig. 7. Variatia deformatiei higrice la saturatie i a difuzitatii compozitului [016] din tesatura de sticla / epoxi functie de concentratia de sare din apa pentru temperatura de 25 C la o adancime de imersie de 5 cm [5].

n realitate, presiunea static plus cea dinamic a apei, care acioneaz pe o structur compozit

cum ar fi un vapor sau submarin, ar putea fi cam de cca. 1 MPa. Concentraia srii apei de mare variaz 3 20 %. De asemenea, comportarea higroscopic a materialului compozit poate fi afectat de alte tipuri sruri din apa marin. Temperatura apei n ocean variaz n mod normal ntre 10 C i 30 C.

Materialele compozite carbon/epoxy necesare n structurile pentru aviaie i nave cosmice trebuie s reziste minimum 8000 ore corespunznd la 2000 zboruri. n aceste aplicaii aerospaiale, pri din structur pot fi supuse la ncrcri mecanice ciclice i la variaii de temperatur (ntre 50 C i peste 130 C), depinznd de zbor.

n acest context, pentru cunoaterea performanelor pe termen lung a compozitelor cu matrice organic este esenial includerea simultan a ciclurilor termo-mecanice i a mediului oxidant.

6

Fig. 8. Variatia deformatiei higrice la saturatie i difuzitatii compozitului [016] din tesatura de sticla / epoxi functie de temperatura pentru o concentratie de sare a apei de 0 % i valoarea adancimii de imersie de 5 cm [5].

Teste de cicluri termice au fost efectuate pe compozite cu matrice epoxi i fibre de carbon lungi [3]. Ciclurile termice impuse sunt triunghiulare, temperatura maxim fiind de 180 C i cea minim 50 C cu ratele de rcire i nclzire de 4 C / min.Durata unui singur test (500 cicluri termice) cu un mediu gazos controlat, a fost de circa dou luni.

Testele prezentate s-au desfurat n dou tipuri de medii: de azot uscat i oxidant (aer uscat constituit din 22 % O2 i 78 % N2) pentru a identifica influena oxigenului. Au fost investigate dou tipuri de laminate, diferite n ceea ce privete numrul de straturi i orientarea fibrelor: [(0, 45 - 45, 0, 90)3]s de 4,22 mm grosime i [03 / 903 ]s de 1,68 mm grosime.

Fig. 9. Densitatea fisurilor laminatului [03/903]s n aer i n mediu de azot [3].

Concluzia final a fost c, n ceea ce privete deteriorarea laminatelor carbon / epoxi (deteriorarea matricei i desprinderea fibrei din matrice) supuse variaiilor ciclice de temperatur (-50 C / 180 C), n atmosfer de azot i oxidant (aer), aceasta se datoreaz oxidarii matricei care este foarte activ la peste 120 C. Deteriorarea este mult mai pronunat n aer dect n mediu de azot (fig. 9). Combinarea dintre oxidare, datorit mediului oxidant i tensiunile ciclului termo-mecanic, datorit variaiilor de temperatur, accelereaz procesul de deteriorare.

O serie de materiale compozite sunt asamblate n structuri care sunt expuse luminii solare. Avnd n vedere faptul c razele ultraviolete pot afecta structura materialelor compozite, o serie de articole au ca obiect de studiu efectul razelor solare asupra materialelor compozite i asupra fibrelor care sunt folosite ca material de armare.

Larsson F. [4], ntr-un studiu experimental, a ajuns la concluzia c fibrele de Kevlar49 se degradeaz sub aciunea razelor ultraviolete datorit naturii organice a fibrelor [4]. De exemplu, rezistena mecanic se reduce aproximativ cu 50 % dup cinci sptmni de expunere n lumina soarelui din Florida. Pe msur ce crete grosimea probei expuse, efectul razelor ultraviolete se reduce deoarece fibrele se auto-ecraneaz.

Un studiu experimental n acest domeniu a fost fcut folosind lamine armate unidirectional cu grosimea de 0.13 mm i lungimea de 0.3 m care au fost presate n 1, 2 i 4 straturi de prepreg Ciba-Geigy Fibredux 914K-49-5. Coninutul volumic de fibre pentru laminate a fost n jur de 65%.

Efectul asupra rezistenei la traciune este reprezentat grafic n figura 10. Nu s-a observat un efect semnificativ al nclzirii, indiferent de grosimea laminatului. n plus, pentru probele cu un singur strat

7

(0.13 mm grosime) s-a observat un efect ridicat al razelor ultraviolete, n timp ce pentru celelalte grosimi nu s-a observat nici o influen.

0

200

400

600

800

1000

1200

Uscat nclzit 1000ore

nclzit 2000ore

Ultraviolete2 x 500 ore

Ultraviolete2 x 1000 ore

Rez

iste

nta

la tr

actiu

ne [M

Pa]

0,13 mm

0,25 mm

0,50 mm

Fig. 10. Rezistena la traciune pentru laminate cu matrice epoxi i fibre de Kevlar armate unidirecional sub efectul razelor ultraviolete.

[K]

[K]

Fig. 11. Dependena de temperatur a modulului de elasticitate pe direcia fibrelor, E1, pentru compozitul grafit-epoxi radiat i neiradiat [4]

Fig. 12. Dependenta de temperatura a modulului de elasticitate pe directia perpendiculara la fibre, E2,, pentru compozitul grafit-epoxi radiat i neiradiat [4].

Obiectul unui studiu recent [4] n acest sens, l-a constituit materialul compozit grafit-epoxi

T300/934. Radiaia de expunere a constat ntr-o doz de 1 1010 radiatii de 1 MeV electroni la o rat de 5 107 radiaii / or. Aceast expunere simuleaza expunerea timp de 30 de ani pe orbita geostaionar. Testarea s-a fcut n intervalul de temperatur 250 F (116 K) pn la 250 F (394 K), care reprezint temperaturile extreme ce pot fi nregistrate n mediul spaial. S-a analizat dependena de temperatur a modulului de elasticitate pe direcia fibrelor (fig. 11) i pe direcie perpendicular pe fibre (fig. 12). Rezistena la traciune pe direcie transversal la fibre (fig. 14), pentru laminatele neiradiate i cele iradiate urmeaz aceeai tendin ca i rezistena la traciune pe direcia fibrei (fig. 13). Valorile rezistenei sunt cele mai ridicate la temperatura camerei i scad att la temperaturi sczute ct i la temperaturi ridicate.

8

Concluzia a fost ca temperatura controleaz maniera n care produsele degradrii datorate radiaiei de electroni, influeneaz comportarea mecanic a materialelor iradiate. La temperaturi ridicate, produsele plasticizeaz matricea i modulul de elasticitate i rezistenta limit corespunztoare laminatelor dominate de matrice, scad. Valori mai reduse ale modulului de elasticitate transversal i ale rezistenei la forfecare sunt deasemenea msurate la temperaturi ridicate. Din analiza graficului tensiune-deformaie pentru laminatele dominate de matrice, la temperaturi ridicate, se observ o mare plasticitate. Iradierea crete gradul plasticitii.

[K

[K] Fig. 13. Dependenta rezistentei la tractiune pe directia fibrelor, XT, pentru compozitul grafit-epoxi neiradiat i iradiat [4].

Fig. 14. Dependena rezistenei la traciune pe direcia perpendicular la fibre, YT, pentru compozitul grafit-epoxi neiradiat i iradiat [4].

Concluzii Scopul acestui lucrri a fost prezentarea sintetic a stadiului actual al cercetrilor privind strile

de tensiuni i deformaii n piesele realizate din materiale compozite solicitate n condiii agresive de mediu. Lucrarea de fa prezint rezultatele cercetrilor experimentale pentru diverse structuri de materiale compozite sub aciunea temperaturii, umiditii, mediului salin, al razelor ultraviolete etc. Posibile subiecte de cercetare ar putea fi studierea comparativ a altor structuri de materiale compozite n aceleai condiii de mediu ca cele din studiile prezentate.

Bibliografie 1. Cerbu, C.: Referat I doctorat, Stadiul actual al cercetrilor privind strile de tensiuni i deformaii n

piesele realizate din materiale compozite solicitate n condiii agresive de mediu, Universitatea Transilvania din Braov ,2002

2. Pomis, F., Carlsson, L.A., Gillespie, J. W., Jr : "Marine Environmental Effects on Polymer Matrix Composites", Composite Materials: Fatique and Fracture - Fifth Volume, ASTM STP 1230, R. H. Martin, Ed., American Society for Testing and Materials, Philadelphia, 1995, p. 283 - 303

3. Rouqui, S., Lafarie-Frenot, M., C. : "Comparation of damage in carbon / epoxi laminates subjected to thermal fatique in neutral and oxidative environments"

4. Springer, G., S .: Environmental Effects on Composite Materials, vol. 3, Lancaster, PA : Technomic Publishing Company (1988)

5. Tsai, C., -L., Tsai, Y., -S.: "The effects of hygric pressure, salt concentration and temperature on the hygric expansion of composite materials", Composite Since and Technology, nr. 62, p.799-803