Universitatea Politehnica din Bucuresti Facultatea de Stiinta si Ingineria Materialelor Departamentul Materiale Metalice,Metalurgie Fizica

Proiect Aplicativ Fibra de carbon-Materiale compozite

Student:Spirache Radu-Rares Grupa:1013B

CUPRINS

1.Despre fibra de carbon......................................................................................................2 1.1.Scurt istoric............................................................................................................3 1.2.Ce este, de fapt, fibra de carbon?...........................................................................4 2.Producerea fibrei de carbon..........................................................................................4 3.Clasificarea fibrei de carbon.....................................................................................5 4.Structura fibrei de carbon..........................................................................................6 4.1.Tipuri de tesaturi....................................................................................................7 5.Avantajele si Dezavantajele fibrei de carbon............................................................8 5.1.Avantajele oferite de fibra de carbon.....................................................................9 5.2.Dezavantajele fibrei de carbon...............................................................................9 5.3.Testarea Epruvetelor din fibra de carbon.............................................................10 6.Materiale Compozite...............................................................................................11 7.Bibliografie.............................................................................................................27

1.Despre fibra de carbon

2

1.1.Scurt istoricFibra de carbon a aparut in 1957 cand, pentru a imbunatatii panza de bumbac si de matase care erau singurele disponibile pentru fabricarea ajutajelor pentru rachete, Barneby-Cheney si National Carbon au produs o cantitate mica de fibre. In 1961, A Shindo, de la Japanese Governement Industrial Research Institute, Osaka a produs fibre de carbon din fibre poliacronitrilice (PAN). In 1967, Rolls Royce, in Anglia, a anuntat proiectul utilizatii fibrelor de carbon la componentele motorului cu reactie. Astazi, fibra de carbon este fibra domninata in industria materialelor compozite avansate. In ultimile doua decenii, proprietatile fibrelor de carbon au crescut spectaculos ca rezultat al cererii de materiale cat mai rezistente si cat mai usoare, mai ales din partea industriei aerospatiale. Ca si raport rezistenta/greutate, fibra de carbon reprezinta cel mai bun material ce poate fi produs la scara industriala in acest moment. Capacitatea mondiala de productie inregistreaza o continua crestere de la aparitia materialului pana in prezent, un salt spectaculos fiind inregistrat odata cu demarearea proiectului Boeing 787 Dreamliner.

3

1.2.Ce este, de fapt, fibra de carbon?Potrivit Wikipedia, fibra de carbon este un material format din fibre extrem de subtiri, cu un diametru de aproximativ 0.0050.010 mm, si compus in mare parte din atomi de carbon. Atomii de carbon se aduna si formeaza impreuna cristale microscopice care sunt mai mult sau mai putin aliniate paralel cu axa lunga a fibrei. Cateva mii de fibre de carbon sunt rasucite impreuna pentru a forma un fir, care poate fi utilizat ca atare sau sub forma de tesatura. Mai pe romaneste, ganditi-va la o bucata de material de la fabrica de textile. Ca si in cazul fabricarii acestuia, fire subtiri de carbon in stare aproape pura sunt rasucite impreuna pentru a forma un fir. Evident, nu poti fabrica masini din material textil (decat daca esti BMW, bineinteles vezi conceptul Gina), deci ce faci cu el? Strauri subtiri de astfel de material sunt asezate unul peste altul astfel incat sa aiba o anumita forma, in general manual, folosind un anumit tip de mucegai, iar apoi se aplica un polimer care sa lege tesatura din fibra de carbon. De cele mai multe ori, polimerul este un material epoxidic care se intareste prin incalzire, presare sau prin ambele. Dupa ce piesa este finisata, aceeasta este scoasa din mucegai, fiind gata de folosire.

2.Producerea fibrei de carbonPentru obtinerea fibrei de carbon, se folosesc o varietate mare de materiale, numite precursoare. Acestea sunt filate in filamente subtiri care sunt apoi convertite in fibra de carbon in 4 etape:

stabilizarea (oxidarea) carbonizare grafitizare tratamentul suprafeti

4

Fibrele continue sunt apoi bobinate si comercializate pentru tesere sau pentru alte procedee de obtinere a structurilor din fibra de carbon (filament winding, pultrusion). Astazi, materialul precursor predominant in fabricarea fibrelor de carbon este poliacrilonitrilul (PAN). Fibra de carbon astfel obtinuta are un diametru de 5 -10 m.

3.Clasificarea fibrei de carbonIn functie de proprietatile mecanice ale fibrelor de carbon, acestea pot fi clasificate in:

Fibre de Carbon High Modulus (HM sau Tipul I) fibre cu modul de elasticitate mare Fibre de Carbon High Strength (HS sau Tipul II) fibre cu rezistenta la tractiune ridicata Fibre de Carbon Intermediate Modulus (IM sau tipul III)

5

4.Structura fibrei de carbonFibra de carbon este considerata fibra cu un continut de cel putin 90% carbon. Pentru descrierea fibrei cu un continut mai mare de 99% carbon se foloseste termenul de fibra grafitica. Ca si grafitul, fibra de carbon are la baza o structura atomica plana cu legaturi foarte puternice intre atomii de carbon, covalente. In cazul grafitului, planurile sunt paralele, legaturile dintre ele fiind de tip Van der Walls ce pot fi usor rupte. In locul straturilor

6

plane de atomi din carbon, care se gasesc in grafit, fibra de carbon este formata din panglici de atomi de carbon, spiralate, aliniate paralel cu axa fibrei.

4.1.Tipuri de tesaturiTesatura este una din cele mai raspandite forme in care se pot gasesc materialele compozite textile. Principalele tipuri de tesaturi de carbon sunt: 1. Plane Acest mod de tesere utilizeaza o alternanta simpla. Fiecare fir de urzeala trece alternative peste si pe sub fiecare fir de batatura. Orice tip de fir alcatuit din orice tip de fibra poate fi utilizat pentru o astfel de tesatura. Avantajele acestei tesaturi sunt stabilitatea si porozitatea rezonabila. Ca si dezavantaje se numara draping-ul slab, nivelul inalt de incretire al fibrelor care porvoaca valori relative joase ale proprietatilor mecanice comparative cu alte tesaturi.

2. Twill Unul sau mai multe fire de urzeala se tes alternative peste sip e dedesubtul a doua sau mai multe fibre de batatura, intr-o secventa regulatasi repetata, astfel incat sa se obtina efectul visual al unei linii diagonal drepte sau intrerupte, pe fata sau chiar pe dosul panzei.

7

Avantaje: datorita incretirii reduse, panza are o suprafata plana si proprietati mecanice mai bune. 3. Satin Tesatura satin este in principie o tesatura diagonal modificata pentru a produce cateva intersectari intre urzeala si batatura, pentru a obtine un aspect neted, deoarece punctele de legatura nu sunt aranjate continuu. Ca rezultat al asimetriei, o fata a panzei are mai multe fire de urzeala, in timp ce cealalta are mai multe fibre de batatura. Tesatura crowfoot este o forma de tesatura satin cu diferite zig-zaguri intr-o figura repetata. Avantaje: tesatura satin conduce la producerea de panze cu greutate mare pe unitatea de suprafata, foarte netede, cu un bun draping. Dezavantaje: trebuie avuta grija al asamblarea mai multor straturi ale acestei panze pentru a evita acumularea de tensiuni in produs datorita efectului asimetric.

5.Avantajele si Dezavantajele fibrei de carbon

In ultimul secol masinile si camioanele au fost predominant fabricate dintr-un singur material: otelul. Nu este greu sa iti dai seama si de ce: este un material relativ ieftin, se gaseste din abundenta si este usor de modelat in forme complexe, care sa poate fi reparate si cu cele mai rudimentare unelte.

Recent a fost constatata o crestere a materialelor alternative folosite in industria auto. Cel mai popular dupa otel ar fi aluminiul, care este usor dar totusi suficient de rezistent pentru 8

a fi folosit la fabricarea vehiculelor. Necesita insa prea multa energie pentru a fi prelucrat si nu poate fi manevrat la fel de usor ca si otelul. Deci ce alte alternative mai exista? Fibra de carbon. Ai auzit deigur de materialul-minune, care si-a facut aparitia in forta pe scena automobilelor in ultimii cativa ani. Fibra de carbon este usoara si poate fi modelata in multe forme interesante. In plus arata chiar bine, cool daca vrei. Intra in articol pentru a afla care sunt avantajele dar si dezavantajele utilizarii acestui material in industria auto.

5.1.Avantajele oferite de fibra de carbonComponentele construite din fibra de carbon sunt usoare si rezistente. Ele pot fi folosite cu succes pentru masini si camioane dar si avioane, barci sau chiar biciclete deoarece ofera siguranta si ajuta la obtinerea unui bun coeficient de aerodinamicitate. Dupa cum probabil stiai, un autoturism mai usor necesita un motor mai putin puternic, avand astfel un consum mai scazut.

5.2.Dezavantajele fibrei de carbonDesi masinile care au anumite parti construite din fibra de caron sunt mai usoare si mai performante, fabricarea materialului este mult mai costisitoare si dureaza mult mai mult ca acesta sa fie transformat in componente, comparativ cu otelul sau aluminiul. Mai mult, dupa producerea unui accident otelul si, uneori, chiar si aluminiul pot fi readuse la forma initiala, insa in cazul fibrei de carbon acest lucru nu prea este posibil. Atunci cand sunt avariate, componentele din fibra de corbon se sfarama efectiv, iar bucatile rezultate nu pot fi reasamblate cu usurinta. 9

Un alt dezavantaj ar mai fi acela ca, atunci cand automobilul trebuie inlocuit, componentele din plastic, otel si aluminiu pot fi reciclate. Fibra de carbon insa nu este usor de reciclat pentru a fi inca odatat utilizata la fabricarea de noi componente auto.

5.3.Testarea Epruvetelor din fibra de carbonIn functie de tipul solicitarii, ruptura unei structuri din fibra de carbon poate surveni in diferite moduri:

Ruptura fibrelor (fiber fracture) apare in momentul in care asupra laminatului actioneaza o forta de intindere sau compresiune pe directia principala a laminatului

Ruptura intre fibre (inter-fiber fracture) reprezinta o fisura in matrice sau la interfata dintre fibra si matrice, paralela cu fibrele ce apare in urma unei solicitari de intindere sau compresiune perpendiculare pe directia principala a fibrleor

Delaminarea reprezinta o rupura intre straturi unui laminat ca urmare a unei solicitari de forfecare in plan a unei structuri sau a unei solicitari de intindere perpendiculara pe planul de asezare fibrelor

Pentru a evidentia diferite tipuri de cedari ale unui laminat, se pot realiza diferite tipuri de experimente. Epruvetele pot fi realizate din tesaturi de tip prepreg.

10

Prepregurile reprezinta tesaturi de carbon preimpregnate cu resina, ce va forma dupa polimerizare matricea. Deoarece rasina se poate activa inca de la temperatura camerei, aceste materiale necesita stocarea lor in conditii speciale, in camere frigorifice pana in momentul in care vor fi folosite. Grosimea unui singur strat de prepreg variaza de obicei intre 0.125 su 0.25 mm. Pentru a forma laminatul, se taie fasii de material si se aseaza una peste alta, o atentie deosebita acordandu-se orientarii fibrelor. O deviatie de cateva grade a orientarii fibrelor poate schimba semnificativ rezultatele testelor. Deoarece manipularea unor bucati mici de material poate fi problematica, se prefera fabricarea unui placi din compozit din care sa se decupeze ulterior geometria epruvetelor.

6.Materiale CompoziteMaterialul compozit reprezinta un ansamblu de materiale distincte, care are caracteristici pe care nu le detin materialele constituente in parte. Aceste materiale au fost dezvoltate n industria aerospaial, din necesitatea controlrii i mbuntirii proprietilor materialelor, n conformitate cu cerinele impuse de destinaie.

Un material compozit reprezinta o combinaie ntre dou sau mai multe materiale diferite din punct de vedere chimic, cu o interfa ntre ele. Materialele constituente i menin identitatea separat (cel puin la nivel macroscopic) n compozit, totui combinarea lor genereaz ansamblului proprieti i caracteristici diferite de cele ale materialelor componente n parte. Unul din materiale se numetematrice i este definit ca formnd faza continu. Cellalt element principal poart numele de armatura

11

(ranforsare) i se adaug matricei pentru a-i mbunti sau modifica proprietile. Armatura reprezint faza discontinu, distribuit uniform n ntregul volum al matricei. Fibrele sunt elementul care confer ansamblului caracteristicile de rezisten la solicitri. n comparaie cu matricea, efortul care poate fi preluat este net superior, n timp ce alungirea corespunztoare este redus. Matricea prezint o alungire i o rezilien la rupere mult mai mari, care asigur c fibrele se rup nainte ca matricea s cedeze. Trebuie insa subliniat faptul cmaterialul compozit este un ansamblu unitar, n care cele dou faze acioneaz mpreun, aa cum sugereaz curba efort alungire pentru compozit. Fiecare lamin are asociat un sistem de coordonate local Olt, n care axa Ol este paralel cu direcia fibrelor, iar axa Ot este perpendicular pe direcia fibrelor i coninut n planul laminei. Pentru laminat, sistemul de axe Oxyz are axele Ox i Oy coninute n planul mediu al acestuia i axa Oz perpendicular pe plan.

Fiecare lamin este caracterizat printr-un unghi q pe care direcia fibrelor (axa Ol) l face cu axa Ox. Aezarea laminelor este descris pornind de la faa semifabricatului, situat la cota z = h/2 i se termin la z = h/2, iar pentru un grup de lamine se trece un indice ce arat numrul de lamine din grup. Stratificatul [0/903/0/45] conine ase lamine n care fibrele sunt orientate la 0, 90 i 45 fa de Ox, laminele cu fibre orientate la 90 fiind n numr de trei. 12

Se spune despre un stratificat c posed simetrie tip oglind, dac lamine identice ca tip i orientare a fibrelor se regsesc simetric de o parte i de alta a planului xOy. Un exemplu de astfel de compozit este [90/02/-45/45]S, realizat din 10 lamine dispuse simetric (vezi indicele S) fa de planul median, fibrele fiind orientate fa de Ox sub unghiurile 90 (dou lamine), 0 (patru lamine), -45 (dou lamine) i 45 (dou lamine). Studiul unei structuri avnd o form oarecare, realizat din materiale compozite stratificate i armate cu fibre continue, necesit urmtoarele cinci caracteristici elastice ale unei lamine:

El modulul de elasticitate longitudinal al laminei pe direcia fibrei (direcia axei Ol); Et modulul de elasticitate al laminei pe direcie normal pe cea a fibrei (direcia axei Ot), sau modulul de elasticitate transversal; Glt modulul de forfecare al laminei (n planul Olt); nlt coeficientul lui Poisson n planul Olt; ntz coeficientul lui Poisson n planul Otz.

Dac structura este realizat dintr-un stratificat plan, n calcule sunt necesare numai patru constante elastice ale laminei: El, Et, Glt i nlt. Aceste caracteristici elastice sunt calculate cu ajutorul unor relaii sau sunt determinate experimental.

13

Caracteristicile fizico-elastice i mecanice ale materialului compozit pot fi estimate plecnd de la caracteristicile fiecruia dintre constitueni (regula amestecului). In constructia rachetelor cu combustibil solid cele mai des folosite materiale sunt: metalele de inalta rezistenta si materialele compozite. Metale de inalta rezistenta sunt cele mai raspandite in constructia rachetelor cu combustibil solid. Din categoria metalelor de inalta rezistenta fac parte: aliajele diverselor metale (aluminiu, titan) si otelurile de inalta rezistenta (special aliate). Aliajele pe baza de aluminiu au rezistenta specifica si duritatea superioara otelurilor si mult mai mari decat aliajele cu titan. Datorita si costului relativ redus, aliajele din aluminiu se folosesc pentru constructia unor ajutaje si a corpului motorului racheta cu combustibil solid (MRCS). Aliajele pe baza titan si otelurile de inalta rezistenta sunt larg intrebuintate in productia MRCS. Aceste aliaje sunt tratate termic si necesita tehnologii superioare. Otelurile de inalta rezistenta sunt acele oteluri care au rezistenta la rupere mai mare de 150 kgf/mm2. O asemenea rezistenta la rupere o ating numai otelurile cu continut ridicat de carbon mediu aliate si de oteluri martensitice de imbatranire rezistente la coroziune. Imbinarea proprietatilor superioare de rezistenta cu o plasticitate si tenacitate satisfacatoare se 14

asigura prin alierea otelurilor cu diverse elemente, cum sunt: crom, siliciu, mangan, nichel, wolfram, molibden, titan. In constructia rachetelor cu combustibil solid, au capatat o frecventa intrebuintare materialele compozite indeosebi materialele compozite fibroase de inalta rezistenta. Aceste materiale au imbunatatit considerabil parametrii rachetelor ducand la micsorarea masei pasive a MRCS. Materialele compozite fibroase au caracteristici de rezistenta superioare uneori aliajelor metalice si ele fac posibila realizarea unor structuri de rezistenta care s raspund cel mai bine specificului si conditiilor de functionare in domeniul tehnicii reactive. Cea mai mare raspandire au capatat-o materialele compozite cu matrici polimerice (mase plastice) armate cu fibre din bor, care prezinta urmatoarele caracteristici: rezistenta la rupere 175 kgf/mm2; modulul de elasticitate E=2,2104 MPa. O alta categorie de materiale compozite folosite in constructia structurilor de rezistenta a MRCS sunt materialele compozite cu matrici polimerice armate cu fibre de carbon. Ele se realizeaza, in special, cu folosirea liantilor epoxidici si au urmatoarele proprietati: densitate (1,51,6)x103 kgf/m3; rezistenta la rupere 41-310 kgf/mm2; modulul de elasticitate (1,31,9)x106 MPa. De asemenea, materialele compozite cu matrici polimerice armate cu fibre de carbon poseda o rezistenta la oboseala statica foarte mare si proprietati de amortizare si rezistenta la vibratii mult superioare decat metalele. Conductibilitatea termica superioara a fibrelor de carbon asigura masei plastice un coeficient de dilatatie termica foarte mic de (1,55)x10-6 la 10 C la temperaturi cuprinse intre 20 3000 C. S-au elaborat materiale compozite de tipul carbon carbon pentru construirea structurilor de rezistenta a MRCS, la care in calitate de liant pentru fibrele din carbon se folosesc matrici de carbon grafitizate. Astfel de materiale au proprietati termoprotectoare superioare, cu actiune chimica inerta si care pastreaza caracteristicile de rezistenta la temperaturi foarte mari. Ele au urmatoarele caracteristici principale: densitatea 1,46103 kgf/m3; rezistenta la rupere: la 200 C 2181 kgf/mm2 si la 25000 C 274 kgf/mm2.

15

Compozitele carbon-carbon se folosesc indeosebi, pentru constructia partilor divergente ale aliajelor MRCS. Materialele compozite cu matrice metalica (Al, Mg, Ni) ranforsate cu fibre de carbon reprezinta o alta categorie de materiale compozite utilizate in constructia MRCS. Ele sunt ieftine si prezinta tehnologii simple si eficiente de fabricatie. De exemplu, compozitele cu matrice din nichel ranforsate cu fibre din carbon prezinta urmatoarele proprietati: densitatea 4,7103 kgf/m3; rezistenta la rupere 80 kgf/mm2; modulul de elasticitate 2,66108 MPa. Materialele compozite cu matrice polimerica ranforsata cu fibre de sticla, fac parte din categoria materialelor compozite termoizolante care isi pastreaza proprietatile pana la temperatura de 10000 C, materiale care se folosesc cu succes in construirea diferitelor elemente componente ale MRCS. Pentru aceste materiale, fibrele de sticla se pot inlocui cu fibre de silice si de cuart, care isi pastreaza proprietatile pana la temperaturi de aproximativ 12000 C. Prezinta interes, de asemenea, materialele compozite obtinute prin combinarea matricilor polimerice (mase plastice) cu fibre organice. Fibrele organice sunt fibre polimer de inalta rezistenta care au urmatoarele proprietati: densitatea 1,4510 3 kg/m3; rezistenta la rupere 80 kgf/mm2; modulul de elasticitate 1,3108 MPa. Ele au rezistenta la actiunea substantelor chimice cu 20 30 % mai mare decat fibrele din sticla, rezistenta la deteriorari superficiale, sunt bune conducatoare de electricitate si au calitati termoizolatoare superioare, isi pastreaza rezistenta pana la temperatura de 2900 C. Alegerea materialului necesar obtinerii structurilor de rezistenta ale MRCS trebuie sa fie precedata de calcule privind eforturile si solicitarile la care sunt supuse diversele elemente ale rachetelor, precum si de un calcul tehnico-economic si o analiza a posibilitatilor tehnologice. In tabelul 1 sunt date caracteristicile comparative ale materialelor compozite principalele folosite in constructia structurii de rezistenta a MRCS. Alegerea materialelor pentru constructia elementelor ajutajului (blocului cu ajutaje) este determinata de doua criterii de baza: repartizarea temperaturii de-a lungul ajutajului pe timpul functionarii motorului si actiunea chimica si eroziva a produselor de ardere asupra ajutajului.

16

Materialele pentru ajutajele MRCS trebuie sa indeplineasca urmatoarele proprietati: rezistenta la temperaturi inalte de pana la 3500 K0, rezistenta mare la rupere (tenacitate ridicata), rezistenta la eroziunea gazelor care curg cu viteza supersonica la temperaturi foarte inalte, densitatea scazuta si compatibilitatea privind aderenta cu straturile de acoperire interior si exterior. Ajutajul suficient de usor poate fi obtinut numai prin intrebuintarea in constructia sa a principiului stratificatiei (cand fiecare start separat indeplineste strict o functie determinata, iar tot ansamblul, in intregime, asigura capacitatea de lucru cu performante satisfacatoare. Pentru confectionarea ajutajelor MRCS este larg folosit grafitul si materialele compozite de tipul carbon-carbon. Grafitul se caracterizeaza prin: rezistenta ridicata la solicitari termice, conductibilitate termica foarte mare si o rezistenta superioara la coroziune si eroziune. Exista mai multe tipuri de grafit industrial, din care cel mai raspandit pentru executarea elementelor ajutajelor este grafitul policristalin (dens). Grafitul policristalin are densitatea mare (1,8 2,0)x103 kg/m3 si se caracterizeaza printr-o rezistenta suficient de mare la eroziune. Grafitul cementat cu siliciu are o rezistenta foarte inalta la eroziune, rezistenta mecanica suficienta si un coeficient de dilatatie termica mic. Datorita faptului ca, atat grafitul, cat si siliciu, nu sunt materiale deficitare, tehnologia de prelucrare a lor este relativ simpla si acestea sunt intrebuintate destul de mult la constructia ajutajelor

17

(blocurilor cu ajutaje) ale MRCS. In prezent, se foloseste tot mai mult grafitul pirolitic, care are o densitate aproape identica cu cea a grafitului policristalin si este foarte rezistent la temperaturi inalte (3500K). Caracteristicile principale ale grafitului pirolitic si a celui cementat cu siliciu sunt prezentate in tabelul 2.

(Tabelul 2) Majoritatea pieselor realizate din compozite cu matrice termorigide folosite in industria aerospatiala sunt polimerizate la temperaturi inalte pentru a asigura temperaturi de lucru suficient de mari. De exemplu, un compozit carbon/epoxy polimerizat la 180C timp de 2 ore ar putea avea o temperatura de tranzitie (Tg glass transition temperature) de 200C in atmosfera uscata si de numai 160C in conditii de umezeala. Acest lucru ar permite compozitului sa aiba o temperatura de lucru de maxim 135C. O modalitate de a polimeriza materialul compozit ar putea fi intr-un cuptor, aplicand vid asupra lui. Cele mai bune rezultate insa, se obtin folosind o presiune de compactare mai mare de o atmosfera. Aceasta se obtine de obicei folosind autoclava. Autoclava reprezinta in principiu, un cuptor in interiorul caruia se poate contola atat presiune cat si temperatura,prevazut cu sisteme prin care sa se poata aplica vidul asupra 18

piesei. De obicei o autoclava este controlata printr-un computer, iar presiune se obtine folosind bioxid de carbon sau azot, pentru a reduce riscul producerii de incendii. O instalatie standard pentru fibre de carbon in matrice polimerica (carbon/epoxy) este capabila sa realizere temperaturi de peste 200C si presiune de pana la 7-8 bar. Pentru compozite termoplastice sau termorigide de inalta temperatura se folosesc autoclave capabile sa realizeze temperaturi de 400C si presiuni de 12 bar. Principiu de functionare In mod normal, structura din compozit este vidata in momentul in care asezarea straturilor se finalizeaza, pentru a tine materialul in pozitie si pentru a inlatura aerul dintre straturi. Inainte de inchiderea usilor, piesa vidata se conecteaza la furnurule de vid si la termocuplele din interiorul autoclavei. Presurizarea si incalzirea piesei va incepe imediat dupa acest moment. Dupa ce presiunea in interiorul incintei depaseste o atmosfera, aplicarea vidului se poate opri. Vitaza de crestere a temperaturii si presiunii sunt controlate de durata intregului proces pentru a asigura polimerizarea compozitului in toata masa lui si pentru a reduce posibilitatea aparitiei unor solicitari interne datorate dilatarii materialului. Vascozitatea rasinii scade odata cu cresterea temperaturii pana in momentul in care devine gelatinoasa. Este important ca presiunea maxima sa fie atinsa inaintea acestui moment pentru a permite eliminarea unor eventuale bulede aer dintre straturile de fibre si pentru a se elimina rasina in exces. Ciclu de polimerizare in autoclava In unele cazuri, se poate mentine un palier intermediar de temperatura premergator temperaturii maxime tocmai pentru a se asigura eliminarea aerului dintre straturi si pentru a evita producerea de reactii exoterme (in care se degajeaza caldura), ce pot aparea in special in laminate groase (de peste 50 de straturi). De asemenea, in acest mod se poate asigura o temperatura uniforma in toata masa piesei. Pentru rasini de ultima generatie insa, procesul de polimerizare poate fi realizat fara a folosi un palier intermediar.

19

Matritele folosite in autoclava trebuie sa aiba o masa termica mica, pentru a evita incalzirea sau racirea lenta a compozitului si de asemenea un coeficient de dilatatie termica mic, similar cu cel al laminatului. Teste de tractiune Procedura de testare precum si geometria epruvetelor supuse la intindere este prezentata in standarde precum ASTM 3039 sau ISO 527. Pentru a evidentia ruperea fibrelor dintr-un material compozit, se folosesc epruvete de tipul celor din figura de mai jos, cu orientarea fibrelor in paralele cu directia pe care se realizeaza soliitarea.

a). ASTM 3039 c).ISO 527 Pentru a evidentia cedarea matricei, urmatoarele geometri de epruvete sunt folosite cu fibrele orientate la 90 gr fata de directia solicitarii.

(a) ASTM 3039 (b) ISO 527 Rezultatele testelor de tractiune apar sub forma curbelor rezistenta-deformatie de forma celei de mai jos. 20

Se observa o zona intiala plastica foarte scurta ce poate fi pusa pe seama unei miscari a epruvetei in bacurile de prindere, urmata de curba propriu-zisa din care se poate extrage modulul de elasticitate al materilului. Punctul C corespunde punctului de rupere a primului strat de material sau a matricei. Cedare initiala (C) nu este echivalenta cu cedarea intregii structuri (D), in cazul nostru al epruvetei, celelalte straturi fiind suficient de rezistente pentru a prelua solicitarea. Teste de compresiune Acest tip de test evidentiaza de asemenea o cedare a fibrelor de tipul celor exemplificate in figura urmatoare.

21

Trebuie mentional faptul ca cedarea structurii prin flambaj nu este considerata un test de compresiune valid si trebuie evitat. De aceea se foloseste o instalatie speciala care sa impiedice acest mod ce cedare.

Testele de forfecare Una dintre cele mai utilizate metode de testare a epruvetelor la forfecare este metoda Iosipescu. Aceasta metoda a fost folosita pentru prima data in studiul melalolor si introdusa in standardul ASTM sub numarul 5379 in anul 1993.

22

Aceasta metoda presupuna realizarea unei epruvete tipul celei din figura alaturata.

Cu ajutorul instalatiei de mai jos, forta de compresiune apicata de masina pe o singura componanta a acestea, este transformata in forata taietoare ce actioneaza asupra epruvetei.

Ca si in cazul testelor de intindere rezultatele testelor de forfecare se obtin sub forma unor curbe caracteristice, un exemplu fiind prezentat in graficul urmator.

23

(a) 90 (b) 0 Se poate observa ca epruvete cu fibrele orientate la 90 cedeaza cu mult inaintea celor orientate la 0, deoarece in primul caz matricea este cea care cedeaza si nu fibra, fisura fiind una interlaminara. Delaminarea Modul de cedare interlaminar (delaminarea) este foarte important deoarece se cunoaste ca materialele laminate au o rezistenta scazuta la solicitari perpendiculare pe planul de asezare al fibrelor.

Delaminarea

24

Unul dintre cele mai folosite teste pentru a pune in evidentia delaminarea poarta denumirea de DCB. Epruvetete pentru acest tip de test sunt de tip bara si a fost dezvoltate pentru materiale unidirectionale. Epruvetele sunt realizate asemanator cu cele petru intindere, cu deosebirea ca, la unul din capete in planul de simetrie se introduce o bucata de material care sa faciliteze pornirea unei fisuri in lungul acestui plan. Lungimea lor trebuie sa fie de cel putin 125 mm, latime cuprinsa intre 20 si 25 mm, iar grosimea de 3 pana la 5 mm.

Dupa lipirea taburilor speciale specimenul se prinde in masina de forta. Lunginea initiala a fisurii se masoara de la punctul de aplicare al fortei pana la varful fisurii. Aceasta lungime trebuie sa fie de aproximativ 50 mm.

25

Pentru a ajuta la masurarea vitezei de propagare a fisurii, se traseaza linii subtiri verticale la fiecare milimentru de la varful acesteia.

In urma testelor, se observa o crestere a fortei de tractiune pana in momentul in care fisura incepe sa se propage.

26

7.Bibliografie1. Cristescu, N., Mecanica materialelor compozite, Vol.1, Universitatea Bucureti, 1983 2. Hadr, A., Probleme locale la materiale compozite, Tez de doctorat, U.P.B., 1997 3.http://www.wikipedia.ro

27