MATERIALE COMPOZITE

1. Generalitati

Materialele compozite sunt materiale diferite de materialele macroscopice omogene si care se obtin prin inglobarea - continua sau nu - a unui material rezistent (armatura) intr-un alt material numit matrice si ale carui caracteristici mecanice sunt mult inferioare primului. Matricea conserva dispunerea geometrica a armaturii careia ii transmite solicitarile la care este supusa piesa.

Ele nu reprezinta o noutate fiind cunoscute inca din antichitate. Iata cateva exemple :

1.      Arcul mongol - partea comprimata era din corn, iar cea intinsa din lemn;

2.      Sabiile arabe sau japoneze erau confectionate din otel si fier moale. Zona din otel era stratificata ca un foietaj, orientand retasurile si impuritatile in lungime, dupa care fibra se indoia in forma de U. In interiorul U - ului se afla fier moale. Sabia rezista atunci la flexiuni si socuri.

Astazi , in aeronautica se obtin piese cu 10% pana la 50% mai usoare si la un pret inferior de 10% pana la 20%. Micsorarea masei unui avion A310 cu 1Kg ii mareste raza de actiune cu o mila.

F18 - SUA 10,3% din masa corespunzator unei suprafete de 50% a aparatului este din materiale compozite. Caroseria F1 - Ferrari.

Calculul structurilor compozite este diferit de cel al materialelor omogene, dar metodologia de calcul a acestora este pusa la punct.

1.1. Armatura si matricea

Legatura intre armatura si matrice se creaza in timpul fazei de elaborare a materialului compozit. Ea are o influenta determinanta asupra proprietatilor mecanice ale materialului compozit.

Armatura este formata din mai multe sute sau mii de filamente cu diametre cuprinse intre 5 si 15 mm , permitand prelucrarea lor aidoma fibrelor textile. Diametrele acestor fibre trebuie sa fie mici caci odata cu cresterea diametrului scade rezistenta la rupere.

Diametrele mici ale fibrelor permit raze de curbura de 0,5 mm. Exceptie face borul (F= 0,100 mm) care precipita in jurul unui filament de tungsten (F= 12mm). Raza de curbura a lor este de 4mm.

Fibrele se comercializeaza sub forma de :

A.    Fibre scurte : au o lungime de la zecimi de mm, la zeci de mm.

B.     Fibre lungi : taiate in momentul fabricarii, folosite ca atare sau tesite.

Dupa natura fibrelor, ele pot fi :

n       sticla;

n       ceramice (kevlar);

n       carbon;

n       carbura de siliciu;

Armatura poate fi :

n       unidimensionala : constituita din fibre;

n       unidimensionale ( cu F foarte mic), orientate dupa o anumita directie in spatiu;

n       bidimensionale : suprafete ca de exemplu tesaturile;

n       tridimensionale : fibre orientate dupa mai multe directii sau bile;

Inainte de constituirea armaturii fibrele suporta un tratament de suprafata in scopul micsorarii rugozitatii suprafetelor si de a favoriza adeziunea lor la matrice.

2 Tehnologia de obtinere a fibrelor

Fibrele pot fi de sticla , kevlar , carbon, bor , carbura de siliciu si altele.

Sticla : filamentele se obtin prin tragerea sticlei prin filiere din aliaj de platina.

Kevlar : fibra ceramica de culoare galbena, produs de Du Pont de Nemours (SUA). Compozitia exacta nu e dezvaluita.

Carbon : filamente acrilice sunt oxidate la cald (300 C) si apoi incalzite la 1 500 C in atmosfera de azot. Nu raman decat lanturile hexagonale de atomi de carbon. Modulul de elasticitate ridicat se obtine prin tragere la cald.

Bor : filamentele de tungsten (F= 12mm) servesc de catalizator reactiei dintre clorura de bor si hidrogen la 1200 C. Se obtin fibre de bor de F= 100mm (viteza de creste de 1mm / secunda).

Carbura de siliciu : principiul de obtinere este asemanator cu cel al borului.

Redam pe scurt anumite proprietati fizico-mecanice ale fibrelor ( a se vedea tabelul anexa).

3. Matricile

Cele mai importante matrice sunt :

1.      Matricele rasinoase : rasini termoplastice.

2.      Matrici minerale : carbura de siliciu si bor (permit atingerea unor temperaturi inalte).

3.      Matrici metalice : aliaje din aluminiu.

3 Domenii de utilizare

1.      Electric, electronic : suporturi de circuite imprimate, antene, cofrete, eoliene, varfuri de turnuri TV.

2.      Constructii : cofraje, piscine, placaje de fatade, mobilier, articole sanitare, cosuri de uzine.

3.      Transport rutier : caroserii auto, suspensii, butelii de gaz, suspensii blocuri motoare, cisterne, camioane izoterme.

4.      Transport maritim : vapoare maritime, veliere de competitie, ambarcatiuni de salvare.

5.      Transport aerian : avioane de turism , voleti, derive, pale de elicoptere.

6.      Aerospatiale : scut de protectie termica intrare in atmosfera, rezervoare.

7.      Constructii de masini : cuzineti, angrenaje, cilindri, brate de robotti, rezervoare sub presiune, tubulatura pentru platforme de foraj marin.

8.      Sport : rachete de tenis, schiuri, planse cu vele, arcuri si sageti, casti de protectie, cadre de bicicleta, etc.

Materialele compozite au o foarte buna rezistenta la coroziune si la oboseala.

Iata cateva exemple de utilizare a materialelor compozite prin comparatie cu solutiile clasice (se tine cont de masa produsului si pretul de cost).

Alte proprietati remarcabile ale materialelor compozite :

n       imbatranesc sub actiunea umiditatii si a caldurii;

n       nu se deformeaza plastic      s_e s_r

n       insensibile la atac chimic cu produse petroliere;

n       comportament mai slab la socuri;

n       rezistente la foc(cu observatia ca, fumul emis de anumite matrici poate fi toxic);

4 Tehnologia fabricarii produselor din materiale compozite

Amestecul armatura - rasina nu capata proprietatile materialelor compozite decat in ultima faza de fabricare : durificarea matricei. Dupa durificare proprietatile materialelor compozite nu se mai pot modifica ulterior ca in cazul aliajelor metalice prin tratamente termice. In cazul materialelor compozite cu matrice rasinoasa acesta polimerizeaza ( exemplu rasina poliesterica).

Ea trece din stare lichida in stare solida prin copolimerizare cu un monomer. Acest fenomen conduce la durificare si se poate activa folosind un accelerator chimic sau caldura. Prelucrarea ( formarea ) se poate face manual , prin turnare ., prin matritare, prin injectie, prin laminare, etc.

Redam mai jos principalele metode de formare ale materialelor compozite.

4.1. Formarea manuala

Se aplica in cazul materialelor compozite constituite din fibre sau paturi de sticla in proportie volumica de 30 % si materiale termoplastice sau termoreactive sub forma de de solutii in amestec cu ingredienti si acceleratori chimici. Tehnologia se utilizeaza pentru realizarea unicatelor sau a loturilor , ca si pentru reparatii. Formarea manuala prin contact se realizeaza in urmatoarele etape :

aplicarea decofrantului 1 , pe modelul 2 si uscarea acestuia ;

Gelificarea si aplicarea unui strat de armare de fibre , patura , tesatura , etc. si tasarea stratului cu ajutorul rolei 3;

Imbinarea stratului de armare aplicat cu o rasina poliester sau epoxid cu ajutorul pensulei 4 ;

Gelificarea si aplicarea unui nou strat de armare.

Formarea manuala prin contact poate fi facuta pe modele pozitive sau negative , executate din lemn , metal sau alte materiale.

Desavarsirea polimerizarii se poate face prin incalzirea 60.80^o C.

Fig. 1. Schema formarii manuale.

4.2. Formarea manuala prin turnare

Formarea prin turnare a produselor din materiale compozite cu matrice din mase plastice necesita pregatirea amestecului de formare din fibre de sticla sau alta armatura. Amestecul este turnat in forme inchise sau deschise , incalzite la 60.80^o C pentru a grabi procesul de intarire.

Modelele sau matritele se formare se pot confectiona din lemn , sticla , aliaje metalice , etc.

a = forma inchisa

b = forma deschisa

1 = rasina

2 = catalizator

3 = accelerator

4 = fibre

5 = alti componenti

Fig. 2. Schema formarii prin turnare

Se mai poate presa lichidul in curs de solidificare , ca in schema de mai jos.

1 = suport metalic

2 = cavitate

3 = fibre de armare

4 = strat de aliaj

5 = autoclav

6 = autoclav

Fig. 3. Schema de formare cu presare la cald.

4.3 Formarea prin presare

Formarea prin presare se poate executa la cald sau la rece.

Etapele acestui procedeu sunt :

1.      Pregatirea armaturii si a matritei.

2.      Amestecarea acestora.

3.      Introducerea amestecului in forma.

4.      Compactarea prin presare.

5.      Polimerizarea.

6.      Demularea.

7.      Finisarea.

In functie de seria de fabricatie si de pretul de productie impus, matritele se pot confectiona din : lemn, metal, rasini, etc. .

Matrita poate fi deschisa ca in cazul de mai sus, compactarea in vederea eliminarii aerului facandu-se manual. Se pot obtine astfel piese de dimensiuni mari.

Precizie mai buna se obtine folosind matritele cu poanson. Productivitatea este mai mare, dar metoda se recomanda pentru piese de dimensiuni mici.

Amestecul  matrice-armatura se introduce in matrita. Poansonul se preseaza mecanic la 1-2 bari. Polimerizarea se poate face la cald sau la rece. Se foloseste in industria automobilelor si in aeronautica.

1 = placa de baza

2 = cavitate formare

3 = poanson

6 = piesa

Fig.4. Formarea prin presare la rece

4.4. Formarea sub vid

Acest procedeu foloseste o matrita deschisa in care se introduce amestecul de matrice si armatura.

Peste aceasta se aplica o folie supla de plastic si se realizeaza etansarea perimetrului piesei, se cupleaza matrita la o pompa de vid si se realizeaza compactarea, eliminandu-se aerul.

Excedentul de matrice este absorbit de pompa de vid. Ansamblul este apoi supus polimerizarii in etuva sau in autoclave la 7 bar. Isi gaseste aplicabilitate in aeronautica.

1 = masa

2 = pompa vid

3 = cavitate matrita

4 = membrana

5 = rama

6 = jug

7 = surub

Fig.5. Schema formarii prin vidare

Matricea si armatura se introduc sub membrana 4 , dupa care se face legatura cu pompa de vid.

4.4. Formarea prin injectie

Armatura se introduce intre matrita si poanson si se injecteaza matricea. Presiunea de injectie este mica.

1 = cilindru

2 = surub-melc

3 = piston

4 = tija

5 = piston

6 = cilindru

7 , 8 = rezistente

9 = amestec

10 = material plastic

14 = buncar

13 = fibra

17 = duza

18 = cavitate formare

19,20 = placi matrita

21,22 = pistoane

23,24 = cilindrii

Fig.6. Schema formarii prin injectie

Amestecul format din fibra si material plastic este injectat in cavitatea matritei care este mentinuta inchisa de catre cilindrii 23 si 24. Ciclul de injectie este identic cu cel al injectiei materialelor plastice.

5. Caracteristici ale amestecului armatura-matrice

Putem intalni armaturi unidimensionale, bidimensionale sau tridimensionale sau

n       armatura unidimensionala + matrice;

n       tesatura + matrice;

n       corpuri + matrice;

Caracteristicile materialului compozit rezultat ( inclusiv cele mecanice ) depind de raportul dintre volumele si masele de armatura si matrice. Redam mai jos valorile acestor rapoarte pentru materiale compozite obtinute prin anumite procedee tehnologice