1

CURS 14 Cuprins 5. Materiale compozite

5.1. Generaliti 5.2. Tipuri de materiale compozite

5.2.1. Materiale compozite armate cu particule 5.2.2. Materiale compozite armate cu fibre

5.2.2.1. Fibre de ranforsare 5.2.2.2. Matricele

5.2.3. Materiale compozite structurale 5.2.3.1. Materialele compozite stratificate 5.2.3.2. Materialele compozite de tip sandwich

5.2.4. Alte tipuri de materiale compozite 5.2.4.1. Lemnul 5.2.4.2. Betonul

6. Sticle metalice 6.1. Generaliti 6.2. Domenii de aplicaie a sticlelor metalice

6.2.1. Aplicaii ca materiale magnetice moi 6.2.2. Aplicaii ca materiale rezistente chimic i catalizatori 6.2.3. Aplicaii ca materiale de mare rezisten mecanic 6.2.4. Aplicaii pentru aliaje cu structuri speciale

7. Alte materiale utilizate n tehnic 7.1. Materiale magnetice 7.2. Fibre optice

7.3. Materiale supraconductoare 7.4. Materiale semiconductoare 7.5. Materiale inteligente

2

5 MATERIALE COMPOZITE

5.1. Generaliti

Materialul compozit este o mbinare a dou sau mai multor materiale imiscibile, dar care au o capacitate mare de adeziune i care are proprieti superioare materialelor din care provine. Un astfel de material este constituit dintr-o osatur numit ranfort care asigur rezistena mecanic i un material de legtur numit matrice care asigur coeziunea structurii i transmiterea solicitrilor la care sunt supuse piesele. Ele mai conin materiale de umplutur care modific sensibil proprietile mecanice, electrice i termice, amelioreaz aspectul superficial i reduc preul de cost. Materialele astfel obinute sunt eterogene (au proprieti diferite n puncte diferite) i anizotrope (nu au aceleai proprieti n toate direciile).

Primul material compozit utilizat de om a fost lemnul (compozit natural), iar mai trziu chirpiciul (material de construcie sub form de crmid, fcut dintr-un amestec de lut, paie si bligar uscat la soare) i betonul. In 1823, Charles Macintosh a inventat impermeabilul, prin cauciucarea unei esturi de bumbac, iar n 1892, Francois Hennebique a realizat betonul armat.

Materialele compozite prezint urmtoarele avantaje: greutate redus, rezisten bun la traciune, coeficient de dilatare mic, rezisten la oboseal ridicat, rezilien ridicat, capacitate bun de amortizare a vibraiilor, rezisten la umiditate, cldur, coroziune, precum i la aciunea unor produse chimice (uleiuri, solveni, petrol), ciclu de fabricate scurt i pre de cost acceptabil, siguran mare n funcionare.

In acelai timp, ele nu pot nlocui materialele metalice sau ceramice n domenii care reclam proprieti fizico-mecanice sau chimice specifice.

Clasificarea materialelor compozite se face dup criteriile prezentate n figura 5.1.

5.2. Tipuri de materiale compozite

Materialele de armare constituie osatura compozitelor, conferindu-le rezisten la traciune, rigiditate i un modul de elasticitate bun. Dup natura lor, ele pot fi organice sau anorganice, iar dup modul de prezentare, sub form granular, de fibre sau plci.

Matricea leag compozitul ntr-un monolit, transmite eforturile materialelor de ranforsare i mpiedic deplasarea acestora. De asemenea, asigur protecia chimic a osaturii mpotriva agenilor exteriori i d forma dorit produsului finit. Ca matrice, se folosesc materiale plastice (pn la 200 C), metalice (pn la 600 C) sau ceramice (pn la 2000 C).

Materialul compozit obinut mbin proprietile favorabile ale componentelor i nltur proprietile nefavorabile ale acestora. Astzi exist un numr nsemnat de materiale compozite, n cele ce urmeaz prezentndu-se cteva dintre acestea.

3

Fig.5.1. Clasificarea materialelor compozite 5.2.1. Materiale compozite armate cu particule Materialul compozit este alctuit din particulele dure i fragile 1 dispersate aleatoriu n matricea moale i ductil 2 (fig.5.2.). Cu ct aceste particule sunt mai fine i distana dintre ele este mai mic, cu att compozitul este mai dur i mai rezistent.

Fig.5.2. Material compozit armat cu particule.

a) Carburile metalice conin particule ceramice dure (carburi de wolfram, titan i

tantal), cu concentraii volumice de pn la 94%, ncorporate ntr-o matrice de cobalt. Dup presarea amestecului de pulberi, acesta se nclzete peste temperatura de topire a cobaltului. Cobaltul lichid va ncorpora particulele dure, rezultnd astfel plcuele dure cu care se armeaz sculele achietoare.

4

b) Sculele abrazive sunt produse fasonate sub form de discuri sau prisme, alctuite din particule abrazive, ncorporate n masa unui liant. Materialele abrazive sunt materiale cristaline dure sub form de granule, pulberi sau micropulberi care, datorit muchiilor i vrfurilor aleatoare pe care Ie au, detaeaz numeroase achii mrunte de pe suprafaa de prelucrat. Ele pot fi naturale sau artificiale.

Ca materiale abrazive naturale se utilizeaz: mirghelul (40 65% Al2O3 cristalin, cu adaosuri de magnetit, cuar i silicai), cuarul, corindonul i diamantul natural, iar ca materiale abrazive sintetice, electrocorindonul, carbura de siliciu, carbura de bor, azotura cubic de bor i diamantul artificial.

Lianii au rolul de a ngloba particulele abrazive. Ei trebuie s reziste la solicitri termice mari, la solicitri mecanice i la aciunea lichidelor de rcire. Din punct de vedere chimic pot fi anorganici (argil, feldspat, caolin, silicai fluizi, oxiclorura de magneziu, oxid de magneziu) sau organici (lacuri, bachelit, cauciuc natural sau sintetic).

c) Contactele electrice se obin din pulberi de wolfram si argint care se preseaz i se nclzesc pn la topirea argintului. Particulele dure de wolfram vor fi ncorporate ntr-o matrice de argint. Contactele electrice vor avea astfel o rezisten la uzur ridicat i o conductibilitate electric foarte bun.

d) Aliajele antifriciune sunt alctuite din compui intermetalici duri ncorporai ntr-o matrice moale i cu temperatura de topire sczut. Cristalele dure (Sb, SnSb, Cu3Sn) au un coeficient de frecare redus i asigur rezistena mecanic a cuzineilor lagrelor cu alunecare, iar matricea moale (Pb, Sn) confer un coeficient de frecare i mai mic, precum i acomodarea la fusul arborelui, pe msura uzrii.

e) Cermeturile (ceramic + metal) sunt amestecuri de pulberi ceramice dure (A12O3, ZrO2, mullit) pn la o concentraie volumic de 80%, cuprinse ntr-o matrice metalic (Fe, Cr, Ni, Co, Mo). Ele se obin prin tehnologii de metalurgia pulberilor (presare i sinterizare) i se folosesc ca materiale rezistente la temperaturi nalte sau la uzur (cptuirea camerelor de combustie ale reactoarelor).

f) Masele plastice cu materiale de umplutur constau dintr-un material plastic termoreactiv (rini fenolice sau epoxidice) sau termoplast (polimetacrilat de metil, polipropilen, poliamid, teflon), n care sunt nglobate materiale de umplutur de naturi diferite (rumegu de lemn, praf de cuar, pulberi metalice) cu concentraii volumice de pn la 70%. Aceste materiale se remarc prin preuri avantajoase i proprieti fizico-mecanice mbuntite.

Polietilena cu pulberi de plumb se folosete la reactoarele nucleare pentru absorbia radiaiilor, iar cauciucul vulcanizat (nclzit cu sulf pentru mrirea elasticitii i a rezistenei la aciunea solvenilor) n amestec cu negru de fum i mrete rezistenele la rupere, la uzur i la cldur, precum i duritatea.

5.2.2. Materiale compozite armate cu fibre

Compozitele armate cu fibre au caracteristici mecanice foarte bune i densiti mici, fiind utilizate ndeosebi n industria aerospaial. De asemenea, ele sunt singurele materiale care se pot folosi la temperaturi mai mari de 900 C, n condiii de solicitri mecanice mari i n medii oxidante (reactoare nucleare, industriile aerospaial i de armament).

5.2.2.1. Fibre de ranforsare. Dispunerea fibrelor n materialul compozit se poate

realiza n mai multe moduri (fig.5.3): uniaxial (fig.5.3.a.), biaxial (fig.5.3.b.), triaxial (fig.5.3.c.), sub form de estur (fig.5.3.d.) sau sub form toroidal (fig.5.3.e.).

Dup natura lor, fibrele de ranforsare (armare) se clasific conform schemei din figura 5.4.

5

Fig.5.3. Materiale compozite armate cu fibre.

Fig.5.4. Clasificarea fibrelor de ranforsare.

a) Fibrele de sticl au fost primele fibre utilizate la armarea compozitelor i se obin

prin tragere. Sticla este un material nemetalic termoplast, cu structur amorf care se obine prin topirea n comun a mai multor materiale componente: vitrifiani pentru producerea materiei sticloase (SiO2), fondani pentru coborrea temperaturii de topire (Na2O, K2O) i stabilizatori pentru creterea duritii, rezistenei mecanice i stabilitii chimice (MgO, PbO, Al2O3, BaO). Aceste componente se amestec n stare solid i se topesc n creuzete, la 1300 1500 C, timp de 12 15 ore, ncrctura fiind supus unor transformri fizico-chimice complexe.

6

Fibrele de sticl nu trebuie s prezinte zgrieturi care ar constitui zone de concentrare a tensiunilor i ar conduce la scderea rezistenei mecanice. Pentru nlturarea posibilitii deteriorrii superficiale a fibrelor, acestea se protejeaz cu un strat de grund care faciliteaz i adeziunea lor la matrice.

b) Fibrele de carbon conin 80 95% C, sunt uoare, rezistente la aciunea agenilor chimici i a mediului nconjurtor, stabile la temperaturi nalte, bune conductoare de cldur i electricitate, rezistente la traciune i compresiune.

Se obin din materii prime solide (crbune amorf, asfalt de petrol, fibre organice), lichide (gudron, petrol, uleiuri aromatice) sau gazoase (acetilen, hidrocarburi) care se supun unui proces de combustie incomplet (piroliz controlat). Dac arderea are loc la 1000 1500 C se obin fibre de nalt rezisten, iar la 1800 2000 C se obin fibre cu module de elasticitate foarte bune.

Fibrele de carbon se folosesc n construcia avioanelor militare i a vehiculelor de nalt performan (discuri de frn), a articolelor sportive (undie de pescuit, crose de golf, rachete de tenis, schiuri, arcuri de tir, cadre de biciclete), precum i a filtrelor de gaze pentru temperaturi nalte.

c) Fibrele de aramide provin din poliamide aromatice i au fost introduse pe pia n 1973 de ctre firma Du Pont (SUA), sub numele de kevlar. Sunt rezistente la traciune, la oc i la abraziune. De asemenea, sunt rezistente la foc i la cldur (nu se topesc), precum i la aciunea solvenilor organici.

Se folosesc n construcii aeronautice cu aplicaii militare, la fabricarea unor ambarcaiuni uoare sau piese pentru vapoare (crme, catarge, rezervoare i sprgtoare de valuri), la fabricarea vestelor antiglon i a ctilor de protecie.

d) Fibrele de bor au fost obinute n 1959 de firma Texaco (SUA) i utilizate pentru armarea unor compozite folosite de aviaia militar. Ele au un miez de wolfram pe care se depune, prin vaporizare, un strat subire de bor i prezint rezistene la rupere i la compresiune foarte bune, precum i un modul de elasticitate nalt i o rezisten la oboseal excepional.

Utilizarea lor este limitat de preul ridicat, de fragilitatea i duritatea care au valori mari. Duritatea ridicat ngreuneaz prelucrrile mecanice ulterioare care necesit scule armate cu diamant. Pentru nlturarea acestor dezavantaje, fibrele de bor ce combin cu fibre de sticl i de carbon i se folosesc n aviaia militar (lonjeroane, panouri de fuzelaj) sau la fabricarea unor articole sportive de performan (rachete de tenis, undie de pescuit).

e) Fibrele de cuar conin 99,95 99,97 SiO2 i se obin prin tragere din material topit la 1800 C. Sunt foarte rezistente la aciunea agenilor chimici i a mediului nconjurtor i stabile termic pn la 1000 C, dar proprietatea cea mai important a lor este rezistena la ablaiune. Ablaiunea este un fenomen fizic n urma cruia un corp care strbate atmosfera cu mare vitez (meteorit, satelit, navet spaial) pierde din substan datorit nclzirii sale pn la incandescen prin frecare cu aerul. Ca urmare, fibrele de cuar se folosesc la armarea unor materiale din care se construiesc scuturile de ablaiune pentru protecia navelor cosmice.

In afar de fibrele de ranforsare prezentate mai sus, pentru armarea materialelor compozite se mai utilizeaz fibre de alumin, azbest, carbur de siliciu sau chiar vegetale (celuloz, bumbac, iut, in, hrtie).

Fibrele pentru armarea compozitelor sunt supuse nainte de ncorporarea n matrice unei ungeri cu un amestec de substane cleioase i antistatice n urmtoarele scopuri: compatibilizarea fibrelor cu matricea, rigidizarea fibrelor n vederea manipulrii uoare, protecie contra deteriorrii superficiale prin frecare reciproc sau cu piese metalice; mpiedicarea apariiei sarcinilor electrostatice prin frecare.

5.2.2.2. Matricele. Matricea are dou scopuri principale: s transmit solicitrile mecanice fibrelor de ranforsare i s asigure protecia acestora la aciunea mediului

7

nconjurtor. Pentru ndeplinirea acestor scopuri, matricea trebuie s adere la fibre, s fie ductil i s aib o bun rezisten la fluaj.

Dup natura lor, matricele se clasific conform schemei din figura 5.5.

Fig.5.5. Clasificarea matricelor.

A) Matricele plastice au proprieti mecanice mai slabe dect cele metalice sau

ceramice, dar se pot prelucra la temperaturi mai joase i astfel pericolul de distrugere a fibrelor de ranforsare dispare. De asemenea, ele se obin mai uor i cost mai puin dect metalele i ceramicele. Dezavantajul lor major este c nu se pot utiliza la temperaturi mai mari de 200 C. Matricele organice sunt cele mai rspndite, reprezentnd circa 75% din totalul matricelor folosite.

a) Materialele plastice termoreactive au o structur tridimensional i prin nclzire se nmoaie i se fasoneaz n forma dorit, dar nu se mai pot recicla, fiind infuzibile i insolubile, datorit ncheierii polimerizrii n timpul nclzirii i prelucrrii. Aceste materiale ce mai numesc rini, cele mai importante fiind:

- rinile poliesterice; sunt translucide, cu rezisten chimic bun, se prelucreaz uor, rezist pn 150 C i sunt ieftine.Ca dezavantaje se menioneaz: sunt inflamabile, se contract mult (6 15%) i emit stiren. Se armeaz cu fibre de sticl, iar compozitele obinute se utilizeaz la temperaturi obinuite;

- rinile vinilesterice sunt nrudite cu poliesterii, se armeaz cu fibre de sticl, au o bun rezisten la oboseal i o excelent rezisten la coroziune, dar sunt inflamabile. Compozitele din vinilester armat cu fibre de sticl se folosesc la fabricarea evilor de canalizare i a rezervoarelor pentru produse chimice;

- rinile epoxidice au proprieti mecanice, termice i chimice bune, contracie sczut, o excelent aderen la fibre i se prelucreaz uor n produse. In acelai timp, sunt sensibile la umiditate, la razele ultraviolete i la ocuri, mbtrnesc sub aciunea cldurii i au un pre ridicat. Prin ranforsarea rinilor epoxidice cu fibre de sticl, de carbon sau de kevlar se obin compozite utilizate la fabricarea palelor de elicopter, cisternelor i conductelor pentru produse corosive sau a unor materiale sportive;

- rinile fenolice sunt rezistente la cldur (pn la 150 C) i la foc i au stabilitate chimic, dar sunt fragile, sensibile la umiditate i dificil de colorat i de fasonat;

- rinile poliuretanice au stabilitate chimic bun, nu mbtrnesc i sunt uor de fasonat, ns au rezisten mecanic redus, ard i se coloreaz dificil.

8

b) Materialele termoplaste sunt polimeri cu structur liniar, foarte rspndite i ieftine care ncep s fie utilizate ca matrice ale materialelor compozite datorit urmtoarelor avantaje: se pot recicla prin topire sau solubilizare, ciclul de fabricaie este scurt iar fasonarea, uoar, au o durat de folosire nelimitat i nu reclam condiii speciale de stocare. Utilizarea lor este limitat de rezistena termic sczut (sub 150 C) i de aderena mai slab la fibrele de ranforsare.

Principalele matrice termoplaste sunt: - polipropilena (PP); destul de stabil termic (110 C), rezistent chimic i ieftin, dar

nu rezist la ocuri i arde; - polisulfona (PSU); stabilitate chimic foarte bun i rezisten la hidroliz (reacie

chimic cu apa, n prezena unui catalizator), la fluaj i la cldur (pn la 180 C) i caracteristici de izolare electric bune, dar este higroscopic (absoarbe cu uurin apa din atmosfer);

- poliamida (PA); este rezistent la oc, la oboseal i la aciunea hidrocarburilor, dar i puternic higroscopic;

- policarbonatul (PC); are rezisten mecanic ridicat, rigiditate bun, rezisten la oc, la unsori i uleiuri, fiind atacat de benzen i soluiile alcaline;

- poliesterii liniari numii politeraftalat etilenic (PET) i butilenic (PBT) au proprieti mecanice bune, nu absorb apa, nu se dilat termic i sunt buni izolatori electrici, dar nu rezist la ap fierbinte, abur, acetone, solveni halogenici, alcalii tari sau soluii acide.

c) Elastomerii sunt materiale polimerice cu elasticitate ridicat, suportnd deformri de peste 100%, aproape total reversibile. Toi elastomerii sunt organici, cu excepia siliconului care este de natur mineral. Ei conin 50 60% polimeri, restul fiind materiale de umplutur, ageni de vulcanizare, acceleratori, produse pentru ntrzierea mbtrnirii i ali aditivi. Elastomerii sunt incompresibili sau foarte puin compresibili, avnd coeficientul lui Poisson n jur de 0,5, utilizndu-se la fabricarea garniturilor de etanare.

In practic, se utilizeaz ca matrice urmtorii elastomeri: - cauciucul natural (NR) se obine din arborele de cauciuc, sub form unui suc lptos

de culoare alb-glbuie, numit latex care se coaguleaz i se usuc, obinndu-se cauciucul brut. Acesta are proprieti mecanice slabe, se dizolv n solvenii organici i datorit acestor cauze nu se poate utiliza n industrie. Pentru obinerea unor proprieti fizico-mecanice corespunztoare, cauciucul brut se vulcanizeaz, prin amestecare cu 2 12% sulf i nclzire la l20 150 C.

La prepararea cauciucului industrial se mai utilizeaz acceleratori de vulcanizare pentru reducerea duratei i coborrea temperaturii de vulcanizare (ZnO, P2O5), ingrediente active pentru creterea rezistenelor la rupere i uzur (negru de fum, MnCO3), ingrediente pasive pentru reducerea costului (cret, baritin, talc), plastifiani pentru mbuntirea capacitii de prelucrare (acid stearic, parafin, acid oleic), antioxidani pentru mpiedicarea mbtrnirii (amine i diamine aromatice), colorani i cauciuc regenerat. Acesta are rezistenta la oboseal ridicat, elasticitate i rezisten bun la abraziune, absoarbe puin umiditate i se umfl n ulei mineral, unsori i gazolin. Se poate utiliza pn la 80 C;

- cauciucul sintetic (IR) se obine prin polimerizarea unor monomeri nesaturai cu dou duble legturi (izopren, butadien, cloropren, metilpropen) cu sau fr adaosuri de ali derivai nesaturai. Aceti monomeri sunt amestecai n diferite proporii i copolimerizai, n funcie de caracteristicile fizice, mecanice sau chimice pe care trebuie sa le ndeplineasc produsul obinut;

- cauciucul stiren-butadien (SBR) se obine prin copolimerizarea stirenului i butadiene i are rezistenele la abraziune i la mbtrnire mai bune ca ale cauciucului natural, se utilizeaz pn la 100 C, dar este mai puin elastic;

- cauciucul policloroprenic (CR) se obine prin polimerizarea cloroprenului i rezist

9

mai bine la umezeal, la ulei, la unsori i la ozon dect cauciucul natural, dar este mai puin elastic i este atacat de ap fierbinte i de combustibili;

- cauciucul acronitril-butadien (NBR) sau cauciucul nitrilic se obine prin copolimerizarea nitrilului acrilic i butadienei i este rezistent la abraziune i mbtrnire, foarte rezistent la uleiuri i hidrocarburi alifatice, dar este mai puin elastic i nu rezist la temperaturi sczute i la aciunea lichidului de frn;

- cauciucul butilic (IIR) se obine prin copolimerizarea izobutadienei i izoprenului, are o mic permeabilitate la gaze i caracteristici de izolare electric; foarte bune, rezist la vapori fierbini i la ap, rezist la mbtrnire, dar are elasticitate sczut i nu rezist la uleiuri, unsori i combustibili.

B) Matricele metalice reprezint circa 10% din matricele utilizate la fabricarea materialelor compozite i au aprut la nceputul anilor 1960 n SUA i Frana, cu aplicaii n industria aerospaial. In anii 1980, japonezii le-au aplicat la fabricarea automobilelor. Fabricarea compozitelor cu matrice metalice este destul de dificil, avnd n vedere asigurarea coeziunii acestora cu fibrele de ranforsare. Matricea trebuie adus n stare lichid sau semisolid, astfel nct s aib fluiditatea necesar infiltrrii i, n acelai timp, s aib o temperatur care s nu deterioreze fibrele de ranforsare i s nu reacioneze metalurgic cu ele.

Matricele metalice sunt ductile i tenace, rezist la uzur i la temperaturi mari (pn la 600 C) i la aciunea solvenilor, avnd n general proprietile fizico-mecanice i chimice specifice materialelor metalice. In acelai timp, ele sunt mai scumpe i mai grele i prezint pericolul reacionarii cu fibrele de ranforsare prin solubilizare, ceea ce conduce la apariia unor compui intermetalici fragili care antreneaz dezlipirea interfeei. Cele mai rspndite matrice metalice sunt aluminiul, magneziul, titanul i aliajele acestora.

a) Aluminiul este materialul cel mai folosit ca matrice metalic datorit densitii mici i preului accesibil. El se folosete pentru fabricarea compozitelor armate cu fibre de bor i carbon, SiC, B4C, ZrO2 i kevlar, utilizate n industria aerospaial i la motoarele de automobile.

b) Magneziul este cu 55% mai uor dect aluminiul, are stabilitate chimic, precum i un coeficient de dilatare stabil ntr-un interval mare de temperaturi. Se utilizeaz la fabricarea compozitelor armate cu fibre de carbon, bor sau SiC.

c) Titanul este un metal uor, cu temperatur nalt de topire (1668 C), proprieti mecanice foarte bune i stabilitate chimic, dar este scump. Se folosete la fabricarea compozitelor armate cu fibre de bor i SiC.

C) Matricele ceramice reprezint circa 15% din matricele folosite la fabricarea compozitelor i se utilizeaz datorit unor proprieti specifice: rezisten la temperatur (pn la 2000 C), rigiditate, duritate i stabilitate chimic. Fibrele de adaos au ca scopuri mbuntirea tenacitii compozitelor, precum i a rezistenei lor la ocuri termice.

Dezavantajele matricelor ceramice sunt fragilitatea ridicat i prelucrarea dificil. Ele sunt transformate n pulberi foarte fine, cu ajutorul plasmei sau prin depunerea chimic din faza de vapori, iar din micropulberi se obin paste. In acest scop, se utilizeaz o gam larg de oxizi simpli sau compleci, nitruri, carburi, siliciuri sau boruri (Al2O3 SiC, Si3N4, BN, B2O ThO2, ZrO2, TiC).

Materialele compozite cu matrice ceramice sunt scumpe i se utilizeaz n domenii de nalt tehnicitate i la temperaturi ridicate (construcii aerospaiale i nucleare, aplicaii militare, frne ceramice).

5.2.3. Materiale compozite structurale Materialele compozite structurale cuprind compozitele stratificate i compozitele

sandwich, utilizate ndeosebi n construciile aerospaiale care trebuie s fie rezistente i

10

uoare. 5.2.3.1. Materialele compozite stratificate sunt formate din mai multe straturi de

materiale cu proprieti anizotrope care formeaz un tot unitar. Exemplul cel mai la ndemn l constituie vasele emailate. Emailul este format dintr-un amestec de oxizi i silicai care, n prezena unor fondani (sod, borax), se topete i se toarn ntr-un strat sau n mai multe straturi pe vasele din font sau tabl din oel, la 900 C i se ntrete vitros. Legtura email-metal necesit aderen bun i coeficieni de dilatare termic apropiat. Pentru creterea aderenei se adaug oxizi de fixare (CoO i NiO), iar pentru evitarea apariiei tensiunilor de ntindere declanatoare de fisuri, coeficientul de dilatare termic al emailului trebuie s fie puin mai mic dect cel al metalului, ceea ce asigur formarea unor tensiuni de compresiune. Componentele materialului structural preiau funciuni diferite: metalul asigur rezistena mecanic, iar emailul, rezistena la coroziune i aspectul decorativ. Materialul compozit stratificat (fig.5.6.) este alctuit din mai multe plci orientate diferit, ntre care se introduc rini termoreactive i prin nclzire i presare sau laminare se obine produsul dorit. Fibrele unei plci pot fi orientate perpendicular fa de cele ale plcii anterioare sau sub alte unghiuri, astfel c materialul compozit prezint o mare rezisten la aciunea forelor exterioare.

Fig.5.6. Reprezentarea unui compozit stratificat.

5.2.3.2. Materialele compozite de tip sandwich sunt alctuite din dou straturi de

material foarte rezistent, ntre care este intercalat o inim de material cu densitate, rezistent i rigiditate mici. Straturile sau feele exterioare, fabricate din aliaje de aluminiu, rini ranforsate cu fibre, oel sau titan, preiau sarcinile exterioare, iar inima, din materiale polimerice celulare, cauciuc sintetic sau lemn de balsa (lemn foarte uor provenit dintr-un arbore tropical), se opune deformaiilor i forelor de forfecare perpendiculare pe cele dou fee. Rezult astfel un material foarte uor, cu densitatea de circa 100 kg/m3, flexibil i lejer care este i un foarte bun izolator termic i fonic.

S-au realizat, de asemenea, i materiale compozite de tip sandvi cu inim alveolar (fig.5.7). Alveolele 1 sunt construite din hrtie impregnat cu rini, polimeri ranforsai cu

Fig.5.7. Compozit de tip sandvi cu inim alveolar.

11

fibre de sticl sau aliaje de aluminiu. Feele 2 se lipesc de alveole cu straturile de adeziv 3. Alveolele sunt asemntoare fagurilor din stupi, avnd forme hexagonale sau rombice. Se obine astfel produsul 4, utilizat n construcii navale i aeriene (perei interiori, puni i planee), pentru protecia contra razelor X i undelor radio, precum i n aplicaii militare (avioane ,,invizibile" i dragoare de mine care nu pot fi detectate cu radarele).

5.2.4. Alte tipuri de materiale compozite

5.2.4.1. Lemnul este un material compozit natural, cu structur complex, alctuit din 40 50% fibre de celuloz, 20 30% lignin, 15 25% hemiceluloz i din alte substane organice (polizaharide, rini, tanani, colorani, cear, alcaloizi). Fibrele de celuloz constituie materialul de ranforsare, iar lignina este matricea care ncorporeaz fibrele i vasele capilare, fcndu-le impermeabile, inextensibile i rigide. Hemiceluloza este un amestec complex de polizaharide i gume vegetale care reacioneaz cu apa.

Proprietile fizico-mecanice ale lemnului depind de esen, grad de uscare, vrst i locul ocupat n tulpin. El are o rezilien bun, este rezistent la traciune i la compresiune, elastic, uor, bun izolator termic i electric, se prelucreaz uor i are un aspect estetic. In acelai timp, are o structur neomogen, este atacat de ciuperci i de insectele xilofage (cari i termite), are rezistene mici la forfecare i la despicare i se aprinde uor.

Lemnul se poate utiliza att in stare natural, ct i sub form de produse obinute prin diverse procedee. Lemnul brut se folosete pentru foc, n construcii, n minerit, pentru traverse de cale ferat, la fabricarea celulozei i pentru chimizare, sub form de lemn rotund (bile, manele, stlpi, lemn rotund de min, piloi, bulumaci), cherestea (scnduri, dulapi, ipci, rigle, grinzi) i material lemnos pentru pardoseli (duumele, frize, parchet). Ca materiale prelucrate se utilizeaz furnirul, placajul, parchetul stratificat, panelul, plcile aglomerate i plcile fibrolemnoase.

a) Furnirul este o foaie de lemn cu grosimea de 0,2 6 mm care se obine prin tierea plan (fig.5.8.a.) sau prin rotirea unui butuc n faa unui cuit care este paralel cu axa butucului (fig.5.8.b.).

Fig.5.8. Metode de fabricare a furnirului.

Pentru fabricarea furnirelor, butenii sunt supui unor operaii de secionare cu

ferstraie, cojire i tratare termic prin nclzire cu aburi, pentru mrirea elasticitii. De obicei, pentru fabricarea furnirului, se ntrebuineaz esene nobile: lemn de trandafir, nuc, mahon, stejar, frasin, etc. El se utilizeaz la placarea mobilei confecionate din conifere sau plop, formnd desene, imagini sau motive diverse. Pentru lipire se folosesc cleiuri de albumin sau cazein, precum i rini sintetice.

b) Placajul este un semifabricat obinut prin mbinarea unui numr impar de foi de furnir care se suprapun astfel nct direcia fibrelor unei plci s fie perpendicular pe direcia fibrelor plcii urmtoare. Aceast aezare a plcilor confer placajului proprieti deosebite:

12

rezistene foarte bune la ntindere i la despicare, nu se umfl sub aciunea umezelii i nu crap sub aciunea cldurii.

Plcile de furnir din care se confecioneaz placajul au grosimi ntre 0,5 i 2 mm i se ncleiaz cu diveri adezivi (rini fenolformaldehidice, melamin, resorcin), pe maini de nclzit i presat. El se utilizeaz n construcii i pentru amenajri interioare. Pentru destinaii speciale se fabric placaj armat, prin intercalarea ntre foile de furnir a unor esturi textile sau metalice, sau placaj blindat, prin acoperirea acestuia cu plci metalice. Placajul blindat se utilizeaz la fabricarea caroseriilor, ambarcaiunilor i planoarelor.

c) Parchetul stratificat este alctuit din trei plci de lemn, cu grosimea total de 15 20 mm, care se suprapun i se ncleiaz, astfel nct direciile fibrelor lemnoase s alterneze. Plcile inferioare sunt din rinoase, iar cea superioar, din esene nobile (stejar, salcm, nuc, cire, mahon, tec). Parchetul se monteaz uor, printr-o mbinare nut i feder i este finisat cu lac poliacrilic, rezistent la umezeal i la uzur.

d) Panelul este un semifabricat alctuit dintr-un miez de ipci acoperite pe ambele fee, prin ncleiere, cu cte o plac de furnir, aezate cu fibrele perpendiculare pe direcia fibrelor miezului. ipcile pot fi nencleiate pe suprafeele lor de contact, ncleiate parial sau total. Se utilizeaz la confecionarea pereilor interiori ai autovehiculelor, vagoanelor i navelor.

e) Plcile aglomerate din lemn (PAL) au fost obinute ntmpltor, n 1966, n SUA, ca urmare a unui incident tehnic. Ele se obin prin presarea la cald a achiilor de foioase sau rinoase, cu dimensiuni de 5 40 mm, care provin din arbori ce nu se pot valorifica prin alte procedee. Achiile se amestec intim cu adezivi (uree-formol sau melamin-formol), precum i cu substane ignifuge, hidrofuge sau insecticide. Plcile pot fi furniruite, emailate sau melaminate i se utilizeaz pentru amenajri sau decoraiuni interioare, precum i n industria mobilei. Ele sunt mai ieftine dect lemnul natural, au proprieti izotrope (uniforme n toate direciile), un aspect plcut i se livreaz la diverse grosimi.

f) Plcile fibrolemnoase (PFL) sunt materiale obinute prin presarea unor fascicule de fibre vegetale, rezultate prin defibrilarea mecanic sau semichimic a lemnului de esen moale, mpslite i ncleiate cu 5% adezivi. Plcile au aspect omogen, bune proprieti mecanice, de izolare termic i fonic i o sensibilitate mai redus fa de ap. Ele se pot nnobila prin emailare, lcuire sau melaminare.

5.2.4.2. Betonul este un material de construcii compozit, obinut prin amestecarea unor agregate (nisip, pietri, piatr spart) cu liani (ciment, bitum) i cu ap i care, dup ntrire, capt aspect de piatr artificial. Betonul are o densitate mare i este foarte compact, pentru c spaiile dintre particulele mai mari sunt ocupate de particule mai mici, iar cele rmase sunt ocupate de ciment. De obicei, agregatele reprezint 80% din masa betonului, cimentul 20%, iar apa, 25% din greutatea cimentului. Apa este necesar reaciei de hidratare a cimentului, iar n timpul ntririi betonului, ea se evapor, lsnd pori i canale capilare. Dup 7 zile de priz, betonul are 75% din rezistena mecanic final, iar dup 28 de zile, 80%. Viteza de ntrire poate fi accelerat prin ncorporarea unor aditivi (1,5 3% clorur de calciu), prin folosirea unui ciment aluminos sau ridicnd temperatura n timpul ntririi la 50 90 C.

Principala proprietate mecanic a betonului este rezistena la compresiune care variaz ntre 25 50MPa, n cazul betoanelor produse pe antier, i 200 500 MPa, n cazul betoanelor cu nalte performane, fabricate n laborator. Rezistena la traciune este sczut, reprezentnd doar 10 15% din rezistena la compresiune. Modulul de elasticitate este bun (30 50 GPa), coeficientul de dilatare termic este mic, iar conductibilitatea termic, slab. Din punct de vedere chimic, este atacat de apa de mare, de bioxidul de carbon i de unele bacterii anaerobe. Betonul este materialul cel mai folosit n lume.

13

Clasificarea betoanelor se face dup criteriile prezentate n figura 5.9.

Fig.5.9. Clasificarea betoanelor.

a) Betonul simplu se utilizeaz pentru realizarea elementelor de construcii supuse la

compresiune, cum sunt fundaiile sau postamentele pentru maini i instalaii, caracterizndu-se printr-o rezisten mic la ntindere.

b) Betonul armat este un material compozit care mbin rezistena la compresiune a betonului cu rezistena la traciune a oelului. Oelul ader bine la beton, aderena putnd fi mrit prin profilarea suprafeei sale. El este protejat contra coroziunii printr-o ncastrare adecvat n beton.

Betonul armat se utilizeaz n construcii (grinzi, stlpi, planee), la realizarea digurilor, barajele i zidurilor de sprijin, precum i a stlpilor de iluminat i pentru transportul energiei electrice. Se mai folosete la construcia podurilor, silozurilor, rezervoarelor i a altor construcii industriale.

c) Betonul precomprimat este un beton armat cu cabluri, vergele sau corzi, ntinse i ancorate la capetele elementelor care creeaz o stare permanent de compresiune a betonului, superioar solicitrilor ulterioare de ntindere. In felul acesta, eforturile de ntindere sunt anulate sau mult micorate. Ideea a fost pus n practic in 1928 de inginerul francez Eugene Freyssinet i astzi se aplic ndeosebi n construcia podurilor i grinzilor cu deschideri mari.

d) Betonul bituminos este alctuit din pietri mrunt (mrgritar), nisip i filer (praf de calcar i var stins), avnd ca liant bitumul. El se folosete ca strat de uzur pentru asfaltul oselelor i se toarn la 150 C, efectul de priz manifestndu-se cnd temperatura lui scade sub 90 C. Atunci se realizeaz compactizarea cu ajutorul unui cilindru-compresor. Intruct bitumul este atacat de hidrocarburile care constituie combustibilii autovehiculelor, locurile expuse acestora sunt asfaltate cu un beton n care bitumul este nlocuit cu gudron. Betonul cu gudron, numit i tarmacadam, se folosete i pe aeroporturi.

e) Betoanele speciale sunt utilizate n construcii cu condiii speciale de funcionare (temperaturi ridicate, medii acide sau radioactive) sau ca izolatoare termice i fonice. Acestea sunt:

14

- betonul refractar; - betonul antiacid; - betonul de protecie contra radiaiilor; - betonul macroporos; - betonul celular.

6 STICLE METALICE

6.1. Generaliti

Sticlele obinuite sunt materiale silicatice care nu au cristalizat n timpul rcirii din stare lichid pn la temperatura ambiant. Spre deosebire de sticlele anorganice silicatice i oxidice i de sticlele polimerilor organici, care se obin ca materiale solide amorfe n condiii obinuite de rcire, materialele metalice nu au putut fi obinute n stare de sticl dect n ultimele decenii, prin aplicarea unor viteze de rcire a topiturii mai mari de un milion de grade pe secund pentru evitarea cristalizrii. Producerea sticlelor metalice n condiii acceptabile industrial i sub forma unor produse utilizabile tehnic constituie o realizare recent, care a avut ca rezultat apariia unor noi materiale cu proprieti neobinuite. n esen, aceast clas de materiale complet nou sticlele metalice mbin proprietile caracteristice metalelor (maleabilitate, conductivitate electric i termic, magnetizare) cu proprieti caracteristice sticlelor (duritate i rezisten la coroziune).

Spre deosebire de materialele metalice obinuite policristaline, sticlele metalice sunt materiale amorfe, la fel ca i lichidele, cu o distribuie aproape ntmpltoare a atomilor. Din aceast cauz ele nu prezint caracteristicile structurale obinuite pentru metalele i aliajele cristaline ci sunt materiale omogene, att la scar macroscopic, ct i la scar microscopic. Absena cristalinitii n sticlele metalice conduce la o asociere de proprieti mecanice, ductilitate i duritate, nentlnite n materialele metalice cristaline. Astfel, aliajele fierului produse sub form de sticl metalic au rezistena de rupere la traciune de cca. 3500 MPa i duriti Vickers de cca. 1000 daN/mm2, depind cele mai mari valori obinuite n oeluri. n pofida acestei duriti extreme, sticlele metalice sunt materiale tenace i nu fragile, ruperea lor fiind precedat de deformri plastice considerabile; ele se deformeaz plastic manifestnd ductilitate sub eforturi de ndoire, forfecare i compresiune.

Structura omogen a sticlelor metalice le confer rezisten la coroziune comparabil n unele cazuri cu a platinei i rezisten la oboseal nentlnit la aliajele cristaline. Sticlele metalice ce conin metalice magnetice ca Fe, Co, Ni, Gd, sunt materiale feromagnetice, cu uurin de magnetizare comparabil cu a celor mai bune aliaje clasice de tip permalloy. Absena cristalinitii face ca sticlele feromagnetice s fie lipsite de anizotropia magnetocristalin care conduce la pierderi de energie importante la magnetizarea i demagnetizarea materialelor magnetice clasice. Pentru sticlele metalice metal metaloid, duritatea i limita de curgere cresc cu coninutul de metaloid. Natura metaloidului de tranziie influeneaz proprietile mecanice n sensul c n sticlele metalice pe baz de fier duritatea crete cnd fierul este substituit parial prin Cr, V sau Ti i scade cnd substituia se face cu Co, Ni sau Cu.

15

Sticlele metalice pot fi obinute, sub form de fire sau benzi, prin rcire ultrarapid (sau clire din stare lichid) ntr-un mod asemntor, n principiu, cu producerea firelor i a foilor din sticl obinuit, procedee care evit consumul de timp i energie la deformarea plastic.

Datorit absenei simetriei cristaline, sticlele metalice sunt rezistente i dure din punct de vedere mecanic, dar sunt moi din punct de vedere magnetic. Ele sunt formate din metale de tranziie cu adaosuri de metaloizi. Comportarea lor poate fi explicat n termenii unui model rigid al benzilor de energii n care metaloidul furnizeaz electroni pentru banda de energii d incomplet a metalului de tranziie. Absena limitelor de grunte i a particulelor de faz secundar permite limitelor ntre domeniile magnetice s se deplaseze aproape liber, asigurnd sticlelor metalice o mare uurin de magnetizare. Totui, anumite condiii de prelucrare (recoacere n cmp magnetic, tensiuni interne neuniforme aprute n procesul de clire) pot provoca o oarecare anizotropie magnetic asociat cu anizotropii structurale i compoziionale.

Sticlele metalice prezint o rezistivitate electric la temperaturi obinuite, dar devin supraconductoare la temperaturi foarte joase.

Densitatea sticlelor metalice, att a celor formate cu componeni metalici, ct i a celor care conin i componeni nemetalici este cu 1 2 % mai mic dect a aliajelor cristaline. De remarcat c n sistemele metalice modificarea de volum este mic, chiar n procesul de cristalizare a topiturii (cca. 4%) i poate fi redus la cca. 1% la tranziia vitroas (transformarea topiturii n sticl), ca rezultat al unei contracii termice mai accentuate n lichidul subrcit dect n faza cristalin.

6.2. Domenii de aplicaie a sticlelor metalice 6.2.1. Aplicaii ca materiale magnetice moi Sticlele metalice din sistemul Fe-Si-B cu o magnetizare la saturaie de cca. 16 kG sunt

utilizate pentru fabricarea miezurilor transformatoarelor electrice, a elementelor micromotoarelor i a dispozitivelor electronice. Reducerea pierderilor prin histerezis n transformatoarele electrice de putere a fost estimat la 300 milioane USD pe an numai n SUA. Acest efect economic face ca utilizarea sticlelor metalice ca nlocuitori ai oelurilor de transformator s reprezinte cea mai important aplicaie tehnic a acestor noi materiale. Limitarea ariei de nlocuire a oelurilor pentru transformatoare se datoreaz preului ridicat de obinere a sticlelor metalice i faptului c nu se pot obine dect sub form de folii subiri (de cca. 10 ori mai subiri dect tablele silicioase), fenomen ce reduce fracia de mpachetare care poate fi realizat n miezuri bobinate sau stivuite.

Sticlele pe baz de Co, cu magnetostriciune nul posed o permeabilitate magnetic extrem de ridicat, n special la frecvene nalte ( 10 KHz), fiind totodat extrem de dure (cca. 800 HV) i o bun rezisten la coroziune. Ele i gsesc aplicaii ca materiale pentru fabricarea capetelor de nregistrare-redare ale sistemelor audio i video, ca i a discurilor magnetice de memorare. Datorit combinaiei ntre o mare densitate de flux magnetic i o excelent rezisten la uzur, capetele de nregistrare produse din benzi de sticl metalic sunt superioare ca performane globale n raport cu cele realizate din ferite sau permalloy. n general, sticlele metalice pentru capete de nregistrare au compoziii din sistemul Fe-Si-B cu adaosuri de V, Mo, Mn, Ru sau Al care reduc magnetostriciunea fr a altera substanial magnetizarea la saturaie. Compoziii optime sunt cele cu magnetostriciune nul, bogate n Co cu adaosuri de B i Si pentru formarea sticlei. Asemenea benzi magnetice se livreaz n Japonia ca produs comercial cu limea de 15 mm i grosimea de 0,05 mm, fiind perfect netede pe ambele fee.

16

Sticla metalic Ni40Fe40B6 este utilizat ca ecran magnetic, avnd o permeabilitate magnetic la fel de mare ca a aliajului permalloy. n acest scop, benzile nguste de sticl metalic sunt esute sau mpletite ntr-o pnz continu ce poate ajunge la o lime de 2 m. principalul avantaj al pnzei fabricate din sticle metalice l reprezint capacitatea de a se mula n forma dorit fr ca s-i piard capacitatea de ecranare.

Un al treilea tip de aplicaie al sticlelor metalice feromagnetice l constituie filtrele transversale i liniile de ntrziere acustic controlate magnetic. Aceast aplicaie se bazeaz pe valorile foarte mari ale factorului de cuplaj i modificarea E a modulului Young cu cmpul aplicat, efecte manifestate n sticlele metalice Fe80P13C7 i Fe78Si10B12. Factorul de cuplare constituie o msur a energiei elastice generate prin excitare magnetic, iar efectul E reflect schimbarea corespunztoare n viteza de propagare a undelor acustice.

Sticlele metalice se utilizeaz, de asemenea, ca traductoare de tensiuni mecanice. Aceast aplicaie se bazeaz pe o magnetostriciune mare combinat cu un modul de elasticitate ridicat i face uz de marea sensibilitate a proprietilor magnetice la eforturile aplicate. Vibratoarele care utilizeaz miezuri din sticle metalice prezint o bun liniaritate a rspunsului i sensibilitate fr histerezis n regim analogic i o ieire maxim sau nul deasupra, respectiv sub o tensiune aplicat n regim de prag.

6.2.2. Aplicaii ca materiale rezistente chimic i catalizatori Marea rezisten la coroziune a sticlelor metalice care conin Cr i P sugereaz o mare

varietate de aplicaii n domeniul construciilor navale, al echipamentelor pentru industria chimic i al instrumentelor biomedicale. Utilizarea ca filtre magnetice a sticlelor metalice din aceast categorie, care mbin rezistena la coroziune cu o excelent rezisten mecanic i rezisten la uzur i cu proprieti de material magnetic moale, mrete viteza de colectare a particulelor de magnetit i hidroxid feric de trei ori n comparaie cu un filtru din oel feritic clasic. Aceleai proprieti combinate cu o duritate mare justific utilizarea acestor materiale pentru fabricarea bisturielor chirurgicale sau a lamelor de ras cu durat mare de utilizare.

Absena constrngerilor impuse de echilibrele fizice n stare cristalin, permite s se obin sub form de sticle metalice aliaje care, prin tehnologiile clasice, nu pot fi obinute n stare monofazic. Asemenea aliaje pot avea proprieti catalitice deosebit de interesante. De exemplu, sticla metalic Pt-Rh catalizeaz reacia de descompunere a NaCl n NaOH, iar sticlele metalice pe baz de Fe asigur randamente mult mai mari n raport cu pulberile de Fe n cataliza reaciilor de sintez a hidrocarburilor prin hidrogenarea monoxidului de carbon.

6.2.3. Aplicaii ca materiale de mare rezisten mecanic Rezistenele mecanice extrem de ridicate, de ordinul a 4,5 GPa, ale sticlelor metalice

permite utilizarea lor la fabricarea cablurilor de control ultrarezistente, vase de presiune, roi volante pentru stocarea energiei mecanice, materiale de inserie pentru ranforsarea cauciucului, fibre durificatoare n materiale compozite, etc.

6.2.4. Aplicaii pentru aliaje cu structuri speciale Deoarece sticlele metalice sunt de fapt lichide rigidizate printr-o subrcire puternic,

ele pot cristaliza la nclzire n condiii controlabile, cu posibilitatea unei germinri abundente, respectiv cu frecven de germinare mult superioar celei realizabile la cristalizarea din lichid. n acest mod se pot obine aliaje cristaline foarte omogene i cu o

17

granulaie ultrafin. De asemenea se pot obine la cristalizarea sticlelor metalice faze metastabile imposibil de obinut prin tehnologii de solidificare i tratamente termice clasice. Pe acest principiu se pot obine straturi superficiale pe suprafaa pieselor prin producerea unui film de sticl metalic prin topire cu laser, sudare prin explozie sau pulverizare cu plasm. n acest mod sunt realizate unele componente ale turbinelor cu gaze.

7 ALTE MATERIALE UTILIZATE N TEHNIC

7.1. Materiale magnetice Materialele magnetice sunt materiale care se pot magnetiza sau pot fi atrase de magnei. Din punctul de vedere al strii de magnetizare, materialele magnetice se mpart n (v. subcap.1.3.1.4.; cursul 1): diamagnetice (Ag, Au, Be, Zn, Cd, Ga, In, Pb), paramagnetice (Al, Pt, Cr, Mn), feromagnetice (Fe, Ni, Co, Gd i aliajele lor), antiferomagnetice (MnO, FeO, NiO etc.) i ferimagnetice (ferite cu cobalt i nichel).

Dup modul de comportare n cmpul magnetic exist materiale magnetice moi, care se magnetizeaz cu uurin, dar se i demagnetizeaz uor, materiale magnetice dure, care se magnetizeaz greu, dar i menin proprietile magnetice timp ndelungat i materiale magnetice semidure, care se folosesc pentru nregistrarea magnetic a informaiilor.

Materialele magnetice moi trebuie s aib inducie remanent mic, permeabilitate foarte mare, cmp coercitiv mic, inducie la saturaie ct mai ridicat, suprafa mic a ciclului histerezis, pierderi mici prin histerezis i curenii turbionari i conductibilitate electric sczut. Aceste proprieti sunt influenate de compoziia chimic, incluziuni, mrimea grunilor, metodele de elaborare, tratamentele termice aplicate i solicitrile mecanice la care sunt supuse. Ca urmare, materialele magnetice moi trebuie s aib o structur omogen, s nu conin impuriti sau incluziuni, s aib o granulaie mare i s nu prezint tensiuni interne.

Ca materiale magnetice moi se utilizeaz: a) Fierul. In practic se folosesc mai multe tipuri de fier, cele mai rspndite fiind

fierul tehnic pur, fierul electrolitic i fierul carbonil. Fierul tehnic pur (99,50 99,90%) se mai numete fier Armco, fier suedez, fier magnetic sau fier moale i se folosete la fabricarea miezurilor masive ale circuitelor magnetice care funcioneaz n curent continuu. Fierul electrolitic (99,95%) i se folosete la elaborarea aliajelor Al-Ni (Alni) sau Al-Ni-Co (Alnico) sinterizate, utilizate, la rndul lor, la fabricarea magneilor permaneni i a magnetroanelor. Fierul carbonil are o puritate i mai avansat i se utilizeaz ca miezuri n bobinele de nalt frecven.

b) Aliajele Fe-Si sunt folosite ndeosebi n electrotehnic, avnd proprieti magnetice bune i un cost redus. Aceste aliaje sunt utilizate n special sub form de table subiri laminate la cald sau la rece, la fabricarea motoarelor, generatoarelor i transformatoarelor electrice.

c) Aliajele Ni-Fe (permalloy) au o permeabilitate magnetic foarte mare, pierderi magnetice specifice mici i cmp coercitiv mic, fiind cele mai cunoscute materiale magnetice moi. Ele conin 35 80% Ni i n funcie de coninutul de siliciu i de tratamentul termic aplicat pot fi:

- aliaje cu permeabilitate magnetic mare; conin 76 79% Ni, sunt maleabile i ductile i au o permeabilitate de 10 ori mai mare dect cea a fierului pur. Se utilizeaz n

18

construcia transformatoarelor de msur, a aparatelor feromagnetice cu repulsie i a ecranelor magnetice;

- aliaje cu ciclu histerezis dreptunghiular; conin 50...65% Ni i se folosesc n construcia amplificatoarelor magnetice, a dispozitivelor de comutare i a calculatoarelor.

- aliaje cu permeabilitate magnetic constant; conin mai puin nichel i au permeabilitate sczut care rmne constant n cmpuri magnetice slabe. Au pierderi reduse i se folosesc n construcia aparatelor acustice i a transformatoarelor de msur.

d) Aliajele Fe-Co conin 35 50% Co si au o inducie mare la saturaie; se folosesc la fabricarea membranelor telefonice i a miezurilor pentru electromagnei.

e) Feritele moi au pierderi foarte mici prin histerezis magnetic i prin cureni Foucault; sunt utilizate n construcia antenelor de recepie, a transformatoarelor de impuls sau de putere, la fabricarea capetelor de nregistrare magnetic i a memoriilor calculatoarelor, precum i a radarelor.

Dup structur, exist dou tipuri de ferite moi: - spinelii au formula general AB2O4, unde A este un metal din grupa II A, iar B, un

metal din grupa III A. Ei se obin din magnetit (Fe3O4) prin nlocuirea atomilor de fier cu atomii altor elemente (Ni, Mn, Zn, Mg, Li): MgZnFe2O4, MnZnFeO4, NiZnFe2O4, Li0,5Fe2,5O4;

- grenatele au formula general R3Fe5O12, unde R este un lantanid (pmnt rar): grenatul de fier i ytriu - Y3Fe5O12, grenatul de galiu i gadoliniu - Gd3Ga2(GaO4)3.

j) Aliajele termomagnetice sunt soluii solide (Ni-Fe, Ni-Cu, Ni-Fe-Cr, Ni-Si-Fe) cu punctul Curie foarte sczut (sub 100 C), a cror permeabilitate crete puternic cu scderea temperaturii; ele se folosesc la untarea magneilor permaneni, ale cror fluxuri cresc odat cu scderea temperaturii.

g) Aliajele magnetostrictive (piezelectrice); principalele materiale magnetostrictive sunt nichelul, aliajele Ni-Fe, Ni-Co, Co-Fe, Fe-Pt, Fe-Tb. Ele se folosesc n construcia generatoarelor de ultrasunete.

Materialele magnetice dure i pstreaz starea de magnetizare i dup dispariia cmpului magnetizant exterior i au cicluri histerezis cu suprafee mari, cmp coercitiv i inducie remanent mari i se folosesc la fabricarea magneilor permaneni.

Principalele materiale din care se realizeaz magneii permaneni sunt oelurile hipereutectoide, aliajele Alni si Alnico, feritele magnetice dure i pmnturile rare.

a) Oelurile hipereutectoide martensitice conin cantiti mici de Cr, W, Mo i Co, sunt ieftine, dar au un indice de calitate sczut i nu sunt rezistente la ocuri, vibrai i variaii de temperatur.

b) Aliajele Alni i Alnico sunt aliaje cu 6 12% Al, 13 28% Ni, 0 36% Co i restul fier. Aceste materiale se utilizeaz la fabricarea instrumentelor de msur cu stabilitate termic mare i a captoarelor (dispozitive care transform semnalele acustice sau optice n semnale electrice: microfoane, celule fotoelectrice).

c) Feritele dure conin oxizi de fier (Fe2O3)) asociai cu bariu si stroniu, au cmp coercitiv mare, o rezistivitate foarte mare (ceea ce le face utilizabile la frecvene nalte, cu pierderi mici prin cureni turbionari) i un pre redus. In acelai timp, au inducie remanent redus i nu sunt stabile la variaii de temperatur. Se folosesc la fabricarea micromotoarelor electrice i a transductoarelor electromecanice (care funcioneaz pe principiul invers al microfonului, producnd sunete din semnale electrice).

d) Pmnturile rare (lantanidele); se utilizeaz: SmCo5, Sm2Co17, Nd2Fe14B i aliaje Sm-Co-Cu-Fe-Zr. Aceste materiale se folosesc n microelectronic i informatic sau la fabricarea servomotoarelor si cuplajelor electromagnetice.

Materialele magnetice semidure sunt destinate nregistrrii magnetice a informaiilor, fiind materiale la care dependena dintre cmpul magnetic exterior i inducia remanent este

19

cvasiliniar ntr-un anumit domeniu. Ele trebuie s aib un cmp coercitiv i o inducie remanent ct mai mari, pentru a mpiedica efectul de tergere a informaiei prin demagnetizare.

Inregistrarea i stocarea magnetic a informaiilor se realizeaz prin depunerea pe un suport din material plastic sau metalic a unor materiale magnetice sub form de particule fine, amestecate cu rini epoxidice, realizndu-se un strat magnetic de circa 20 m grosime. Calitatea nregistrrii informaiei depinde de natura materialului magnetic, forma i dimensiunile particulelor i uniformitatea distribuiei lor n strat.

Suportul stratului magnetic este confecionat din materiale plastice (policarbonai) sau metalice (aluminiu) i se prezint sub form de benzi sau discuri. Ca materiale magnetice, se utilizeaz pulberi de SiFe2O3 si CrO2, precum si aliaje simple sau complexe: Co-Cr, Ti-Cr, Co-Pt, Co-Pt-Cr, Co-Cr-Ta, Co-Cr-Pt-Ta.

Materialele pentru nregistrarea i stocarea magnetic a informaiilor au numeroase aplicaii: caste audio i video, carduri bancare, dischete, discuri dure, carduri de memorie etc.

7.2. Fibre optice Fibrele optice sunt fibre de sticl sau de plastic care conduc lumina de a lungul lor. Ele

se folosesc pe scar larg n domeniul telecomunicaiilor, permind transmiterea informaiilor pe distane lungi i la limi de band mai mari dect cablurile metalice, faa de care au urmtoarele avantaje:

- viteza de transmitere a datelor este foarte mare, ajungnd la 200000 km/s; - pierderile de semnal sunt foarte sczute, chiar pentru distane mari; - insensibilitate la perturbaiile electromagnetice exterioare; - posibilitatea montrii lor in orice medii (canale, mri i oceane, teren ngheat); - transmiterea datelor se face digital; - rezisten mare la oxidare i coroziune; - nu se nclzesc n timpul funcionrii la frecvene nalte; - greuti reduse; - cheltuieli de ntreinere i exploatare mici. In acelai timp, ele prezint i urmtoarele dezavantaje: - tehnologia de fabricate este pretenioas, materiile prime din care provin - ndeosebi

sticla - trebuind s aib o puritate avansat; - sunt fragile si, ca urmare, razele de record ale cablurilor trebuie sa fie mari; - nu permit transportul de energie; - densitatea de lumin fiind foarte mare, operatorii umani trebuie s-i protejeze ochii

cu ochelari speciali, pentru a nu le fi afectat retina; - convertoarele de energie electric/energie luminoas de la extremiti sunt scumpe,

iar conexiunile fibrelor de pe traseu sunt pretenioase. Pe lng transmiterea datelor, fibrele optice se mai utilizeaz n endoscopie i

spectroscopie sau pot constitui ele nsele senzori de msurare a unor mrimi fizice (tensiune, temperatur, presiune). O fibr optic dopat cu anumite pmnturi rare, cum ar fi erbiul, se poate folosi ca mediu de amplificare pentru lasere.

Fibra optic este un mediu optic transparent care transmite lumina de-a lungul axei sale printr-o reflexie intern total. Fibrele optice sunt ncorporate n cabluri care le asigur protecie mecanic i chimic (fig.7.1.). Miezul fibrei are un indice de refracie (raportul dintre viteza luminii n vid i viteza luminii prin fibra optic) mai mare dect cel al tecii, astfel c raza de lumin va fi permanent reflectat de suprafaa de separaie a celor dou materiale,

20

propagndu-se n zigzag. De obicei, indicele de refracie al miezului este 1,46, iar al tecii 1,48 (indicele de refracie al vidului este 1).

Fig.7.1. Principiul fibrei optice.

Miezul este confecionat din cuar foarte pur, dopat cu germaniu i fosfor (pentru

creterea indicelui de refracie), iar teaca, tot din cuar, dar dopat cu bor i fluor (pentru micorarea indicelui de refracie). Miezul i teaca sunt protejate de un nveli exterior din material plastic. Sute sau chiar mii de astfel de fibre optice sunt aranjate sub forma de snopi, formnd un cablu optic, protejat i el de o mbrcminte rezistent la agenii exteriori.

In funcie de diametrul miezului i de lungimea de und folosit, fibrele optice sunt de dou feluri: multimodale i unimodale.

a) Fibrele multimodale sunt primele aprute pe pia i asigur transportul concomitent al mai multor fascicule luminoase (pn la 680), avnd diametrul miezului mai mare de 10 m. Din cauza atenurii fasciculului de lumin n timpul propagrii, ca urmare a reflexiei la limita de separare miez-teaca, se folosesc numai pentru debite mici i distane scurte.

b) Fibrele unimodale au aprut ulterior, avnd diametrul miezului sub 10 m, astfel c transmiterea semnalului luminos se face liniar, de-a lungul axei miezului. Semnalul luminos este generat de un laser, ceea ce mrete preul reelei, dar acest dezavantaj este nlturat de posibilitatea transmiterii informaiilor pe distane foarte mari, chiar intercontinentale, cu pierderi foarte mici de semnal.

7.3. Materiale supraconductoare

Supraconductibilitatea este un fenomen n care rezistivitatea electric a unui material

tinde spre zero, dac temperatura sa este mai mic dect o anumit valoare specific materialului, numit temperatur critic. Sub aceast temperatur, materialele supraconductoare exclud cmpurile magnetice la care sunt supuse (efectul Meissner), iar rezistena lor electric scade la zero, permind circulaia curentului electric fr nici o pierdere.

In funcie de natura i proprietile lor, acestea pot fi: a) Supraconductoarele de tipul I sunt reprezentate de metalele i metaloizii cu

conductibilitate electric medie i bun, la temperatura mediului ambiant (C, Pb, Sn, Ga, Al, Zr, Ti etc.); acestea au fost descoperite primele i necesit o temperatur foarte sczut pentru a deveni supraconductoare.

21

b) Supraconductoarele de tipul II cuprind compui metalici, aliaje i oxizi ceramici, cu temperaturi mai mari dect ale celor de tipul I; ele se deosebesc de cele de tipul I prin trecerea treptat de la starea de conductibilitate la starea de supraconductibilitate, la cele de tipul I trecerea fcndu-se brusc. De asemenea, ele permit o uoar penetrare a cmpurilor magnetice exterioare n stratul lor superficial, ceea ce genereaz unele fenomene specifice (benzi supraconductoare i fluxuri turbionare). Exista un numr mare de supraconductoare de tipul II, ca de exemplu: HgBa2Ca2Cu3O8, TlB2Ca3Cu4O11, Ga2Sr2CaCu4Y5xO.

c) Supraconductoarele atipice cuprind alte tipuri de materiale n afara celor metalice sau ceramice, cele mai reprezentative fiind:

- Fullerenii sunt molecule de carbon de form sferic, elipsoidal sau de nanotuburi. Prin doparea filllerenilor cu atomi ai metalelor alcaline se obin fulleride care, de asemenea, au proprieti supraconductoare (Na2Rb0,5Cs0,5C60, Cs3C60, K3C60;

- Supraconductoarele organice cuprind sruri moleculare, polimeri i borocarburi. Srurile moleculare sunt substane organice, (TMTSF)2PF6, (TMTSF)2ClO4, numite i srurile lui Bechgaard, care devin supraconductoare la 0,4 12 K. Astzi se cunosc peste 50 de astfel de substane, fr a avea ns aplicaii practice. Borocarburile sunt combinaii ale borului cu carbonul dopate cu atomi de pmnturi rare i nichel (YNi2B2C15,5K, TmNi2B2C11K);

- Fermionii grei sunt compui ai unor pmnturi rare (ceriu sau yterbiu) cu actinide (uraniu) care, la temperaturi joase, capt proprieti de supraconductibilitate (CeCu2Si2, CeCoIn5, Al3Yb0,94, UPd2Al3). Sunt asemntori supraconductoarelor de tip I, dar nu au aplicaii practice;

- Rutenaii sunt oxizi de ruteniu dopai cu atomi ai altor elemente (Sr2RuO4, SrYRuO6, RuSr2GdCu2O8), fiind deocamdat fr aplicaii practice.

In prezent, materialele supraconductoare sunt folosite n: - aplicaii medicale (imagistica prin rezonan magnetic TRM i n rezonana

magnetic nuclear RMN; - stocarea energiei electrice (ntr-o bobin supraconductoare de mari dimensiuni, rcit

cu heliu; - trenul cu levitaie magnetic (trenul Maglev); - cabluri supraconductoare; - generatoare i motoare electrice (cu bobine supraconductoare); - propulsia magnetohidrodinamic. 7.4. Materiale semiconductoare

Materialele semiconductoare sunt materiale a cror conductivitate electric (10-10

103 -1cm-1) se situeaz ntre conductoare (104 106 -1cm-1) i izolatoare (10-12 10-18 -1cm-1) din acest punct de vedere fiind puternic influenat de prezena anumitor impuriti.

Semiconductoarele se deosebesc fundamental de conductori nu numai prin valoarea conductivitii, dar i prin modul n care aceasta variaz cu temperatura (valoarea conductivitii crete cu temperatura n timp ce la conductori aceasta scade).

De asemenea, valoarea conductivitii semiconductoarelor este puternic influenat de defectele existente n structura cristalin a materialului i de factori externi, n timp ce la conductori acestea nu au practic nici o influen.

In anii '50, dup apariia tranzistorului, germaniul (Ge) era principalul material semiconductor, dar era de nefolosit n multe aplicaii datorit curentului rezidual ridicat la temperaturi nu prea mari.. In plus, proprietile modeste ale oxidului de germaniu nu permiteau dezvoltarea unor tehnologii performante.

22

Prin anii '60 siliciul (Si) devine nlocuitorul germaniului datorit curenilor reziduali mai mici i proprietilor remarcabile ale oxidului su (care au permis dezvoltarea tehnologiei planare) i nu n ultimul rnd din considerente economice (costul siliciului monocristalin utilizat pentru realizarea dispozitivelor semiconductoare este cel mai sczut n comparaie cu preul altor materiale).

Cu toate avantajele legate de siliciu, acest material rmne nc modest din punct de vedere al performanelor la frecvene nalte, n domeniul optic etc. In ultimii ani au fost dezvoltate i alte materiale care s poat acoperi aplicaiile n care siliciul a devenit inutilizabil. Acestea sunt, n principal, materiale semiconductoare compuse (compui intermetalici) A III- B V i A II B VI; cu A i B sunt notate materialele (elementare sau compuse) ce aparin grupei a III-a i respectiv a V-a a tabelului periodic. Astfel, n mod uzual, compuii A III B V sunt constituii din: A = In, Ga, Al sau combinaii echivalente (de exemplu GaxAl1-x), iar B = N, Sb, As, P sau combinaii echivalente (de exemplu SbyP1-y). Aceste materiale, n special GaAs sunt folosite n aplicaii optice sau de microunde.

Materialele semiconductoare pot fi clasificate n: - materiale elementare: Ge, Si, Se, As, Te etc.; - materiale compuse: - compui IV IV: SiC, SiGe etc.; - compui III V: - binari: AlSb, GaAs, GaP, InAs, InSb, GaSb etc.; - ternari: GaxIn1-xAs, InPyAs1-y etc.; - cuaternari: GaxIn1-xPyAs1-y, InxAl1-xAsyP1-y etc.; - compui II VI. CdS, CdTe, ZnO, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe etc.;

- compui compleci: - I IV V: CuAsS2, AgBiSe, AgSbTe2 etc.; - II IV V: CdSnAs2, ZnSbAs2, MgGeP2 etc.; - I IV V VI: CuPbAsS3.

7.5. Materiale inteligente

Materialele inteligente sunt sensibile, evolutive i capabile s se adapteze mediului nconjurtor, avnd funciuni de detectare a semnalelor, de stocare a lor i de acionare a unui sistem. Ele sunt capabile s-i modifice spontan unele proprieti fizice, ca rspuns la factorii naturali care acioneaz asupra lor, cum ar fi temperatura, forele exterioare sau cmpurile electrice i magnetice. Funcia de percepie se bazeaz cel mai adesea pe echilibrul dinamic dintre materialul respectiv i mediul nconjurtor. Schimbrile mediului nconjurtor atrag schimbarea strii de echilibru, n care materialul respectiv va avea alte proprieti. O caracteristic important a materialelor inteligente o constituie faptul c o mic modificare a mediului, proprietile lor se modific accentuat, adic mrimea rspunsului nu este proporional ci mult mai mare dect factorul perturbator. Alt caracteristic important este reversibilitatea, adic proprietatea ca dup ncetarea aciunii care a produs modificarea s se restabileasc starea iniial. Materialele inteligente au aprut la nceputul anilor '80 ai secolului trecut, n SUA, n domeniul aerospaial, dezvoltndu-se apoi i n alte domenii: chimie, electronic, robotic, comunicaii, biologie. Dup aspectul lor, materialele inteligente pot fi dure i moi. Materialele inteligente dure cuprind aliajele i materialele nemetalice cu memoria formei.

23

a) Aliajele cu memoria formei sunt materiale metalice care pot memora o anumit form impus, iar dup ce sunt supuse umor deformri mecanice, pot reveni la forma iniial sub aciunea cldurii. Astfel spus, dup ce au fost deformate la frig aceste materiale revin la forma iniial, peste o anumit temperatur ca urmare a unei schimbri de faz. Aceste aliaje sunt realizate pe baz de nichel i titan, cu adaosuri de cupru, fier, crom i aluminiu. Cel mai cunoscut aliaj cu memoria formei este aliajul numit nitinol. Aplicaiile aliajelor cu memoria formei sunt numeroase, n figura 7.2. fiind prezentate domeniile de utilizare a acestora.

Fig.7.2. Domenii de utilizare a aliajelor cu memoria formei.

b) Materialele nemetalice cu memoria formei cuprind materiale ceramice, plastice i compozite. Din grupa materialelor ceramice cu memoria formei fac parte materialele vscoelastice (X2Y4-6Z8(OH,F)4, n care X = K, Na, Ca), martensitice (bioxidul de zirconiu ZrO2 stabilizat cu oxid de ytriu Y2O3 sau bioxid de ceriu CeO2) i feroelastice (BaTiO3, SrTiO3, CaTiO3). Aceste materiale au o vitez de reacie foarte mare i un consum redus de energie, dar i o deformabilitate mult mai mic dect a aliajelor metalice, precum i o fragilitate ridicat. Polimerii cu memoria formei au urmtoarele avantaje: sunt uori, supli, insensibili la aciunea cmpurilor magnetice, au consumuri sczute de energie i nu sunt fragili. In acelai timp, nu se pot folosi la temperaturi mai mari de 120 C i au viteze de reacie mici. Ei au

24

proprietatea de a reveni dintr-o stare deformat (temporar), indus de o nclzire sau un alt stimul exterior (cmp magnetic, lumin), la starea iniial (permanent). Din aceast categorie fac parte polimerii termoplastici, elastomerii i polimerii ionici. Polimerii cu memoria formei au att aplicaii industriale, ct i aplicaii medicale.

Compozitele cu memoria formei se obin prin laminarea ntr-o matrice polimeric a unor benzi, lamele sau srme metalice cu memoria formei. Structurile obinute pot fi pliate, rulate sau mpachetate n orice mod. Revenirea la forma iniial se realizeaz, n general, cu ajutorul cldurii, fr ca materialul compozit s-i piard performanele. O astfel de structur prezint urmtoarele avantaje: rezisten mare n raport cu greutatea, reducerea gabaritului prin mpachetare, rezisten la oboseal i rezilien ridicate. Aplicaiile acestor materiale includ structuri uoare i rigide, care constituie o alternativ avantajoas la structurile gonflabile utilizate pn acum.

Materialele inteligente moi cuprind fluidele electroreologice i magnetoreologice, cristalele lichide i muchii artificiali.

a) Fluidele electroreologice sunt suspensii de particule conductoare ntr-un lichid dielectric. Mrimea particulelor este de 1 100 m, cu o fracie volumic (raportul dintre volumul particulelor i volumul total) de 30 40 %. Aceste fluide, sub aciunea unui cmp electric, trec foarte rapid (< 10 ms) din stare lichid n stare solid; transformarea este reversibil, fiind suficient nlturarea cmpului electric. De obicei , suspensia este format din pulberi de bariu i titan i ulei siliconic sau uree.

Consistena fluidelor electroreologice se poate modifica n limite largi cu ajutorul cmpului electric, ncepnd de la un lichid cu vscozitate mic, pn la starea de gel care se apropie de corpurile solide. Aceste fluide sunt utilizate n industria auto (ambreiaje, amortizoare, controlul activ al vibraiilor), la supape pentru controlul debitului i al pierderilor de presiune fr piese n micare, la sisteme de transfer i recuperare a cldurii (bazate pe modificarea conductibilitii termice prin schimbarea vscozitii fluidului), la servovalve hidraulice pentru robotic.

b) fluidele magnetoreologice sunt suspensii stabile de particule feromagnetice ultrafine ntr-un lichid dielectric care, la aplicarea unui cmp magnetic, i mresc brusc vscozitatea, devenind solide. Particulele magnetice, cu dimensiuni de 0,05 1 m, n circumstane normale, sunt repartizate aleatoriu, n masa lichidului dielectric. Prin aplicarea unui cmp magnetic, particulele microscopice, se aliniaz dup liniile cmpului, formnd lanuri care modific proprietile reologice ale lichidului (elasticitate, plasticitate, vscozitate), precum i alte proprieti (magnetice, electrice, termice, acustice). Prin ndeprtarea cmpului magnetic, particulele revin la starea iniial dezordonat. Particulele feromagnetice ocup 20 40% din volumul total al materialului, n mod curent folosindu-se carbonil de fier (FeCO) sau un aliaj Fe-Co; lichidul dielectric poate fi glicol, ulei siliconic sau kerosen.

Fa de fluidele electroreologice, cele magnetoreologice au unele avantaje: nltur efectele produse de cmpul electric (nclzire prin efect Joule-Lenz, ecranarea cmpului, degradare electrochimic etc.), performane mecanice mai bune li rezisten mai mare la impuriti i elemente de contaminare Ca aplicaii practice pentru aceste fluide se pot meniona: amortizoare i sisteme de fnare pentru autovehicule grele, protecia protezelor membrelor inferioare (moale la mers i dur la coborrea scrilor, amortizoare pentru protecia cldirilor la cutremure, membre ale roboilor etc.

c) Cristalele lichide sunt substane care combin proprietile materialelor solide cristaline, ale cror atomi sunt distribuii n spaiu dup o regul bine organizat, cu proprietile lichidelor convenionale, ale cror atomi nu respect o astfel de regul (fig.7.3.). In stare solid, moleculele sunt foarte orientate, avnd puin libertate de micare, iar sarea lichid este caracterizat de o orientare dezordonat a acestora. Orientarea moleculelor cristalelor lichide este cuprins ntre cele dou stri.

25

Fig.7.3. Orientarea moleculelor n materiale.

Ceea ce difereniaz un lichid cristalizat (cristalul lichid poate fi denumit i astfel) de un lichid convenional, este forma moleculelor; acestea sunt subiri i alungite i chiar dac poziia moleculelor este aleatorie, orientarea lor este aproape ordonat. Majoritatea cristalelor lichide sunt constituite din combinaii chimice de natur organic aflate n stare lichid. Sub aciunea unui cmp electric, ele i ordoneaz moleculele bipolare dup direcia cmpului; aceeai influen o are i cmpul magnetic. Cristalele lichide se prezint sub trei faze: nematic, colesteric i smectic (v. subcap.1.1.). Cristalele lichide folosite n LCD-uri sunt structurate nematic. Fiecare celul dintr-un LCD este alctuit dintr-un strat de molecule perpendiculare aranjate ntre dou plci de sticl i doi polarizatori (fig.7.4.). Fr un cristal lichid ntre filtrele de polarizare, lumina care trece printr-un filtru ar fi blocat de electrozi.

Fig.7.4. Celul cu cristale lichide.

Cnd V = 0 (fig.7.4.a.), cristalele dintre plcile de sticl i schimb progresiv, direcia, formnd o elice care se rotete cu 90; astfel, lumina care traverseaz prima plac de sticl, se va roti i ea cu 90, trecnd prin al doilea polarizator, ortogonal fa de primul, deci celula este transparent. Prin aplicarea unui cmp electric celulei (V > Vs), cristalele lichide se orienteaz dup direcia cmpului (fig.7.4.b.) i numai formeaz o elice; lumina nu se mai rotete, fiind blocat de al doilea polarizator, iar celula devine opac.

Aplicaia cea mai cunoscut a cristalelor lichide este ecranul cu cristale lichide (LCD), ns ele sunt folosite i pentru unele aplicaii industriale (mti de sudur) sau medicale (aparate pentru detectarea tumorilor precoce).

Lichid Cristale lichide Solid

26

d) Muchii artificiali sunt materiale sintetice care se comport asemntor cu muchii biologici; aceste materiale se dilat sau se contract sub aciunea unor stimuli chimici sau electrici. Astfel, fascicule de fibre fabricate din geluri de polimeri se contract prin introducerea ntr-o soluie acid, datorit ionilor negativi ai polimerului care sunt atrai de ionii pozitivi ai soluiei acide care impregneaz gelul. Prin introducerea gelului ntr-o soluie bazic, ionii negativi ai gelului sunt respini de ionii negativi ai soluiei, provocnd dilatarea gelului. Efectul mecanic este similar cu aciunea esutului muscular natural.

Polimerii electroactivi se dilat sau se contract n prezena unui cmp electric. Aceti polimeri pot fi dielectrici sau feroelectrici. Ca polimeri electrici se folosesc polimerii electrostrictivi i elastomerii, iar ca polimer feroelectric, polifluorura de viniliden (PVDF). Acuitatea acestor polimeri crete prin introducerea n compoziia lor a unor fluide electroreologice.

Ca aplicaii practice pentru muchii artificiali se pot meniona: sisteme microelectromecanice pentru acionri inteligente, minipompe pentru administrarea medicamentelor fluide, proteze umane sau roboi cu aspect uman.

Bibliografie

1. Bncescu, N., Dulucheanu, C., Materiale i tehnologii, vol.I, Editura Didactic i Pedagogic, R.A., Bucureti, 2004. 2. Bolundu, I.L. tiina i ingineria materialelor, Editura Tehnic Info, Chiinu, 2010.

3. Bolundu, I.L. Materiale i tehnologii neconvenionale, Editura Tehnic Info, Chiinu, 2012.

4. Bujoreanu, Gh., Materiale inteligente, Editura Junimea, Iai, 2002. 5. Ciucescu, D., tiina i ingineria materialelor, Editura Didactic i Pedagogic,

R.A., Bucureti, 2006. 6. Codrean, C., erban, V.A., Materiale amorfe i nanocristaline, Editura Politehnica,

Timioara, 2007. 7. Constantinescu, D., s.a., tiina materialelor, Editura Matrix Rom, Bucureti, 2004.

8. Gdea, S., Petrescu, M., Metalurgie fizic i studiul metalelor, vol.II, Editura Didactic i Pedagogic, Bucureti, 1981.

9. Gdea, S., s.a., Aliaje amorfe solidificate ultrarapid. Sticle metalice, vol.I, Editura tiinific i Enciclopedic, Bucureti, 1988. 10. Mrscu-Klein, V., Materiale industriale, vol.1., Editura Universitii Transilvania, Braov, 2000. 11. Munteanu, C., Metale amorfe, Universitatea Tehnic Gh. Asachi Iai, 1995. 12. Nicu, M., s.a., tiina i ingineria materialelor, Universitatea Tehnic Gh. Asachi, Iai, 2002. 13. Petrescu, S., s.a., tiina materialelor, Editura Gh. Asachi, Iai, 1995. 14. Popescu, N., .a., tiina materialelor pentru ingineria mecanic, vol. 2, Editura Fair Partners, Bucureti, 1999.

15. Suciu, V., Suciu, M.V., Studiul materialelor, Edidura Fair Partners, Bucureti, 2008. 16. erban, V.A., Rdu, A., tiina i ingineria materialelor, Editura Politehnica, Timioara, 2012. 17. enculescu, D., enculescu, L., Fibre de sticl, Editura Tehnic, Bucureti, 1994. 18. * * *, Tratat de tiina i ingineria materialelor metalice, vol.3. Metale. Aliaje. Materiale speciale. Materiale compozite, AGIR, Bucureti, 2009.