TEHNOLOGIA MATERIALELOR/METODE SI PROCEDEE TEHNOLOGICE

TEHNOLOGIA MATERIALELOR/METODE SI PROCEDEE TEHNOLOGICE
CONF. DR. ING. DANIELA POPESCU

TEHNOLOGIA DE FABRICARE A MATERIALELOR COMPOZITE Partea I
LECTIA 9 TEHNOLOGIA DE FABRICARE A MATERIALELOR COMPOZITE Partea I

CUPRINS Notiuni generale privind materialele compozite
Tehnologia de fabricare a fibrelor Fabricarea fibrelor metalice Fabricarea fibrelor de sticla Fabricarea fibrelor optice Fabricarea fibrelor de carbon Fabricarea fibrelor de bor Fabricarea fibrelor ceramice Fabricarea fibrelor din materiale plastice

Notiuni generale privind materialele compozite
Din punct de vedere tehnic, noţiunea de materiale compozite se referă la materialele care posedă următoarele proprietăţi: sunt create artificial, prin combinarea diferitelor componente; reprezintă o combinare a cel puţin două materiale deosebite din punct de vedere chimic, între care există o suprafaţă de separaţie distinctă; prezintă proprietăţi pe care nici un component luat separat nu le poate avea. Avantajul major, esenţial al compozitelor constă în posibilitatea modulării proprietăţilor şi obţinerea în acest fel a unei game foarte variate de materiale, a căror utilizare se poate extinde în aproape toate domeniile de activitate tehnică.

DEFINITIE Practic, materialele compozite sunt formate dintr-o matrice (plastică, ceramică sau metalică) şi elemente de armare (ranforsanţi), care sunt dispuse în matrice în diferite proporţii şi orientări. Armătura conferă materialului compozit o rezistenţă ridicată şi reprezintă elementul principal de preluare a sarcinii, iar matricea are rolul de material de legătură între elementele de armare şi mediul de transfer al sarcinii exterioare spre acestea. În general, aceste două faze nu reacţionează între ele şi se aleg astfel încât să fie inerte una faţă de cealaltă în condiţiile utilizărilor. .

AVANTAJE masă volumică mică în raport cu metalele (de exemplu compozitele din răşini epoxidice armate cu fibre de siliciu, bor şi carbon au masă volumică sub 2 kg/dm3) rezistenţă mare la tracţiune (compozitul denumit Kevlar, polimer organic cu fibre de aramide, are o rezistenţă la tracţiune de două ori mai mare decât a sticlei); coeficient de dilatare foarte mic în raport cu metalele; rezistenţă la şoc ridicată; durabilitate ridicată capacitate mare de amortizare a vibraţiilor; siguranţă mare în funcţionare (ruperea unei fibre dintr-o piesă din material compozit nu constituie amorsă de rupere); consum energetic scăzut şi instalaţii mai puţin costisitoare în procesul de obţinere, în raport cu metalele; rezistenţă chimică şi rezistenţă mare la temperaturi ridicate (fibrele de Kevlar, teflon şi hyfil până la 500oC, iar fibrele ceramice de tip SiC, Si3N4, şi Al2O3între 1400oC şi 2000oC).

CLASIFICARE Clasificarea materialelor compozite se poate face in functie de mai multe criterii: A) materialul matricei; B) particularităţile geometrice ale armaturii si modul de orientare a acesteia in matrice.

A)Clasificare dupa materialul matricei 1. Compozite cu matrice polimerică – de obicei sunt rășini termorigide (epoxidice, poliimide sau poliesterice) sau termoplastice, armate cu fibre de sticlă, de carbon, de bor sau aramidice (Kevlar), cu monocristale ceramice sau, mai recent, cu fibre metalice. Sunt folosite mai ales în aplicații care implică temperaturi relativ joase de lucru (ajungând, în mod excepțional, pentru termoplastice fabricate prin injecție, la nivelul maxim de 400 °C). 2. Compozite cu matrice metalică – cel mai frecvent se bazează pe aliaje de aluminiu, magneziu, titan sau cupru, în care se introduc fibre de bor, de carbon (grafit) sau ceramice (de obicei de alumină sau carbură de siliciu). Temperatura de lucru (uzual de cel mult 800 °C) a unui astfel de compozit este limitată de nivelul punctului de înmuiere sau de topire care caracterizează materialul matricei. Dacă aplicația avută în vedere implică temperaturi mari, atunci se recomandă folosirea ca matrice a unor aliaje pe bază de nichel sau a unor superaliaje. Dezavantajul acestora este că au greutăți specifice mari, ducând la creșterea masivității structurii finale.

A)Clasificare dupa materialul matricei 3. Compozite cu matrice ceramică – au fost dezvoltate în mod special pentru aplicațiile cu temperaturi foarte ridicate de lucru (peste 1000 °C); cele mai utilizate materiale de bază sunt carbura de siliciu (SiC), alumina (Al2O3) și sticla, iar fibrele de armare uzuale sunt tot de natură ceramică (de obicei sub formă de fibre discontinue, foarte scurte). 4. Compozite “carbon-carbon” – cu matrice de carbon sau de grafit și armare cu fibre sau țesături de fibre de grafit; sunt foarte scumpe, dar și incomparabile cu alte materiale prin rezistența la temperaturi înalte (de până la 3000 °C), cuplată cu densitatea mică și coeficient mic de dilatere termica. Cele mai răspândite sunt compozitele armate cu fibre sunt fibra de carbon, fibra de sticla si Kevlar-ul.

Notiuni generale privind materialele compozite b) clasificare dupa armatura

Clasificarea B se face uneori, nu in 2, ci în trei categorii: - materiale compozite durificate cu fibre; - materiale compozite durificate cu particule (disperse); - materiale compozite obţinute prin laminare(stratificate).

Materiale compozite armate cu fibre În figura sunt prezentate diferite moduri de orientare a fibrelor în interiorul matricei. Se obţin astfel materiale compozite cu caracteristici foarte bune de rezistenţă, rigiditate şi raport rezistenţă - densitate. Comportamentul mecanic al unui asemenea compozit depinde de: - proprietăţile fiecărui component; - proporţia dintre componenţi; - forma şi orientarea fibrelor în raport cu direcţia de solicitare; - rezistenţa mecanică a interfeţei matrice - fibră.

Materiale compozite armate cu macroparticule Armarea acestor compozite se face cu particule mari, care nu mai au rol de blocare a deplasării dislocaţiilor. În funcţie de proporţia dintre cantităţile de macroparticule şi cea de liant se obţin combinaţii neobişnuite de proprietăţi. Carburile metalice pot fi privite ca fiind astfel de materiale compozite, carbura de wolfram este înglobată într-o masă de cobalt, sculele aşchietoare rezultate având combinate avantajele date de duritatea şi rezistenţa la creşterea temperaturii de aşchiere a CW şi cele date de rezistenţa bună la impact a cobaltului. Pietrele abrazive formate din macroparticule de carbură de siliciu (SiC), nitrură de borsau diamant, înglobate într-o matrice de sticlă sau polimeri, pot fi considerate tot materiale compozite armate cu macroparticule. Un alt exemplu îl constituie materialul utilizat pentru contactele electrice, care este format din particule de wolfram înglobat într-o matrice de argint. În acest mod se realizează combinaţia dorită de proprietăţi, şi anume conductibilitatea electrică bună (datorită argintului) şi rezistenţă mare la uzură (datorită particulelor de wolfram).

Materiale compozite stratificate Sunt obţinute prin aplicarea, la suprafaţa materialului de bază, a unui strat din alt material. Aplicarea acestui strat din alt material cu proprietăţi diferite de cele ale materialului de bază se realizează cel mai des prin turnare, sudare sau laminare. Principalul avantaj al acestor materiale este de ordin economic şi de ordin calitativ, deoarece prin utilizarea lor se economisesc importante cantităţi de materiale scumpe sau deficitare, îmbunătăţindu-se, în acelaşi timp, calităţile produselor şi mărindu-se durata lor de funcţionare în condiţiile unor performanţe ridicate.

Fabricarea fibrelor metalice
Materialele folosite pentru fabricarea fibrelor metalice sunt: aluminiul, magneziul, molibdenul, wolframul si tungstenul. Producerea de fibre metalice se poate realiza prin trei tipuri de tehnologii si anume: Formarea din faza solida- utilizata pentru obtinerea sarmelor subtiri si consta in tragerea prin filiere dure din metal sau diamant. Formarea din faza lichida- se utilizeaza pentru obtinerea de microsarme din metale fragile sau greu deformabile. Metode electrochimice- sunt utilizate pentru obtinerea sarmelor subtiri din materiale fragile; eficienta economica a acestei metode este foarte scazuta deoarece pierderile de material la depunerea electrochimica sunt foarte mari.

Fabricarea fibrelor metalice
Formarea din faza lichida

FABRICAREA FIBRELOR DE STICLA
Fibra de sticla este o sticla care se prezinta sub forma de fibre fine, care se realizeaza din sticla in stare topita. Fibra de sticla constituie una dintre cele mai importante materiale compozite rezistente la actiuni a variatiilor de temperatura, actiunile unor substante chimice agresive. Fibra de sticla in amestec cu alte substante plastice mareste elasticitatea, rezistenta mecanica a acestor materiale.

Fibrele de sticlă au fost produse de sticlarii veneţieni, care foloseau filamentele de sticlă colorată la includerea lor într-o masă de sticlă incoloră, pentru a obţine efecte decorative speciale. În secolul al 18-lea, filamentele de sticlă erau folosite pentru diverse broderii şi pentru fabricarea perucilor. În 1893, la Expoziţia din Columbia, E.D. Libbey e xpunea articole realizate din amestecuri de filamente de sticlă cu mătase naturală. Producerea acestor filamente era limitată, datorită mai ales rezistenţei lor slabe la îndoiri repetate, motiv pentru care se foloseau în scopuri tehnice, ca material de izolare şi filtre pentru industria chimică.

Principii de obţinere a fibrelor de sticlă Procesul tehnologic de obţinere a fibrelor de sticlă cuprinde două faze principale: obţinerea sticlei şi filarea fibrei. Materia prima pentru fabricarea fibrelor de sticlă o constituie produsele anorganice fuzibile, pe bază de silicaţi, extrase din nisipurile silicoase. În funcţie de compoziţia chimică a materiei prime, se poate obţine o gamă extinsă de fibre, cu proprietăţi foarte diferite între ele: fibre din sticlă tip E (cu rezistenţă electrică mare), tip C (cu rezistenţă chimică), tip S (cu rezistenţă mecanică mare), tip L (absorbantă de radiaţii), tip A (alcalină) ş.a.

Procesul tehnologic de obţinere a fibrelor de sticlă comportă două etape şi anume: – topirea minereului silicos la 1200÷1600°C în cuptoare speciale. Din topitura de sticlă se confecţionează baghete sau bile (sfere), care sunt sortate, pentru eliminarea acelora care conţin părţi netopite sau alte defecte; – filarea se realizează din topirea bilelor sortate la temperatura de topire specifică tipului de minereu folosit şi trecerea acestei mase vâscoase prin orificiile filierelor. Filamentele la ieşirea din filieră, în contact cu un curent de aer, se răcesc şi se solidifică, apoi se înfăşoară cu o viteză mare pe formate speciale, realizându-se astfel o puternică etirare, cu subţierea corespunzătoare a filamentelor.

Din rasini poliesterice armate cu fibra de sticla se obţin o serie intreaga de bunuri: piscine, cazi, butoaie, chiuvete, cadiţe de dus, blaturi de bucatarie, glafuri de fereastra, barci si catarge pentru barci, hidrobiciclete, elemente de caroserie si rezervoare de carburant pentru autovehicule, fuselaje de planoare, antene parabolice, tobogane de joaca pentru copii. Alte utilizari in constructii pentru fibra de sticla: vata de sticla (ca izolator termic) plasa cu fibra de sticla (ca element de fixare a izolatiilor termice exterioare din polistiren expandat), tapet din tesatura de fibra de sticla (pentru hoteluri si spitale, unde legea impune spalarea frecventa a peretilor).

Fabricarea fibrelor optice
Fibra optică este o fibra de sticla sau plastic care transportă lumina de-a lungul său. Fibrele optice sunt folosite pe scară largă în domeniul telecomunicațiilor, unde permit transmisii pe distanțe mai mari și la largimi de banda mai mari decât alte medii de comunicație. Fibrele sunt utilizate în locul cablurilor de metal deoarece semnalul este transmis cu pierderi mai mici, și deoarece sunt imune la interfete electromagnetice. Fibrele optice sunt utilizate și pentru iluminat și transportă imagine, permițând astfel vizualizarea în zone înguste. Unele fibre optice proiectate special sunt utilizate în diverse alte aplicații, inclusiv senzori și laseri.

Principiul de funcționare O fibră optică este un ghid de unda dielectric cilindric ce transmite lumina de-a lungul axei sale, prin procesul de reflexie interna totala. Fibra contine un miez înconjurat de un strat de substanță (teacă). Pentru a păstra semnalul optic în miez, indicele de refractie al miezului trebuie să fie mai mare decât cel al tecii. Limita dintre miez și teacă poate fi fie abruptă, în fibra cu salt de indice, fie gradat, în fibra cu indice gradat.

Structura unei fibre optice monomodale tipice: Miez: 8 µm diametru, Teacă: 125 µm diametru, Tampon: 250 µm diametru, Înveliș: 400 µm diametru.

Fabricarea fibrelor de carbon
Fibra de carbon este considerată fibra cu un conținut de cel puṭin 90% carbon. Pentru descrierea fibrei cu un conținut mai mare de 99% carbon se folosește termenul de fibră grafitica. Această fibră a apărut în 1957, Barneby-Cheney și National Carbon fiind primii producători de fibre în cantități mici însă. În 1961, au fost produse pentru prima dată fibre de carbon din fibre poliacrilonitrilice (PAN). În 1967, Rolls Royce a anunțat proiectul utilizării fibrelor de carbon la componentele unui motor cu reactie.

Ca și grafitul, fibra de carbon are la bază o stuctura atomica plană cu legături foarte puternice între atomii de carbon, covalente. În cazul grafitului, planurile sunt paralele, legăturile dintre ele fiind de tip Van der Waals ce pot fi ușor rupte. În locul straturilor plane de atomi din carbon, care se găsesc în grafit, fibra de carbon este formată din panglici de atomi de carbon, spiralate, aliniate paralel cu axa fibrei. Pentru obținerea fibrei de carbon, se folosesc o varietate mare de materiale, numite precursoare. Acestea sunt filate în filamente subțiri care sunt apoi convertite în fibră de carbon în 4 etape: stabilizarea (oxidare); carbonizare; grafitizare; tratamentul suprafeței Fibrele continue sunt apoi bobinate și comercializate pentru țesere sau pentru alte procedee de obținere a structurilor din fibră de carbon (filament winding, pultrusion). Astăzi, materialul precursor predominant în fabricarea fibrelor de carbon este poliacrilonitrilul (PAN). Fibra de carbon astfel obținută are un diametru de μm.

Aplicații Astăzi, fibra de carbon este fibra cu cea mai mare răspândire în industria aerospatiala. În ultimele două decenii, proprietățile fibrelor de carbon au crescut spectaculos ca rezultat al cererii de materiale cât mai rezistente și cât mai ușoare. Ca și raport rezistenta/greutate, fibra de carbon reprezintă cel mai bun material ce poate fi produs la scară industrială în acest moment. Capacitatea mondială de producție înregistrează o continuă creștere de la apariția materialului până în prezent, un salt spectaculos fiind înregistrat odată cu demararea proiectului Boeing 787 Dreamliner.

Fabricarea fibrelor de bor
Fibrele de bor sunt filamente cu diametrul de μm, obtinute prin depunere chimica, in faza gazoasa, pe un fir de magneziu, aluminiu sau titan, cu grosimea de 12-13μm, a unui strat de bor, fie prin descompunerea termica a unor halogenuri sau hidruri de bor. HCl este evacuat in atmosfera odata cu H2 care este in exces Numai 2% din BCl3 se transforma in B, restul trebuie recirculat Depunerea Borului se face pe un substrat de Wolfram incalzit electric, cu un diametru de 12,5 µ. Diametrul final al substratului va fi de 100, 140 sau 200 µ

1- rola cu filamente de carbon 2- bloc de depunere a unui strat fin de grafit pe substratul de carbon 3- reactor de depunere a borului pe substrat de carbon 4- rola cu filamente B-C 1- rola cu filamente de W 2- bloc de curatire a substratului de W 3- reactor de depunere a borului pe substrat de wolfram 4- rola cu filamente B-W

Aplicatii ale fibrelor de bor Materiale compozite de tip B-Al sau B-epoxi pentru avioane militare si civile Materiale compozite de tip B-Al pentru biciclete cu greutate redusa (40% !) Materiale compozite de tip B-epoxi pentru fabricarea unditelor

Fabricarea fibrelor ceramice
Materialele ceramice cu cea mai larga utilizare in fabricarea fibrelor ceramice sunt nitrura de siliciu, carbura de siliciu si nitrura de bor. Fabricarea fibrelor de lemn se poate face prin doua metode: A) depunerea chimica in faza gazoasa, adica prin reactii de piroliza si fenomene de transport prin difuzie, la presiuni si temperaturi ridicate; B)injectia ceramicilor in stare pastoasa. Datorita fragilitatii si duritatii ridicate, fibrele ceramice folosite in armarea compozitelor sunt, in general fibre scurte (10-15mm). Dupa impregnarea cu rasini epoxidice, aceste fibre pot fi dispuse si sub forma de patura (pasla) sau banda.

Tub tesatura fibra ceramica intarita cu CrNi Izolarea conductelor, tevilor si incalzitorilor din sectoarele calde in industrie Temperatura clasificare: 800 ℃ Densitatea: 1.5 ± 15% Grosimi: 6x6 ÷ 90x90 mm Snur fibra ceramica grafitat patrat Domenii de aplicare: Etansare instalatii cu temperaturi mari si presiune medie Temperatura clasificare: 800 ℃ Densitatea: 1.5 ± 15% Grosimi: 6x6 ÷ 90x90 mm

Snur, Banda si Tesatura Fibra Ceramica Domenii de aplicare: etansare usi de cuptoare industriale , protectie de cablu, protectie tuburi de combustibil in toate aplicatiile industriale. Caracteristici generale: stabilitate excelenta la temperaturi ridicate, bun izolator termic si electric, conductivitate termica mica, rezistenta la diferiti agenti chimici, flexibilitate deosebita la diverse aplicatii.

Hartie Fibra Ceramica Domenii de aplicare: realizarea sistemelor de etansare si izolatii usoare in majoritatea aplicatiilor industriale, inlocuitor de azbest si fibra de sticla. Caracteristici generale: rezistenta foarte buna la temperaturi ridicate , conductivitate si acumulare termica mica, flexibilitate de aplicare mare, etc. Temperatura de clasificare: °C, °C

Fabricarea fibrelor din materiale plastice
Materialele plastice folosite la fabricarea fibrelor de acest tip sunt de natura poliamidica, poliesterica si politetrafluoruretilenica. Datorita prelucrabilitatii foarte bune prin injectie, tragere si trefilare ele se prezinta sub forma de filamente lungi, continue care pot fi prelucrate textil.

Fabricarea fibrelor din materiale plastice
Tehnologia de fabricare comporta urmatoarele faze: -Amestecarea materialului plastic cu un material solubil si cu acceleratori de reactie - Policondensare - Neutralizare si uscare - Tratament de durificare Acest tip de fibre sunt folosite in constructia aeronavelor, navetelor spatiale, utilajelor chimice si energetice, deoarece au o rezistenta foarte mare la solicitari mecanice, chimice, termice socuri si radiatii.

TEHNOLOGIA MATERIALELOR/METODE SI PROCEDEE TEHNOLOGICE

Prezentări similare

Prezentarea pe tema: "TEHNOLOGIA MATERIALELOR/METODE SI PROCEDEE TEHNOLOGICE"— Transcriere de prezentare:

Prezentări similare

Despre proiect

Feedback-ul

Log In

Autorizarea prin rețeaua socială:

TEHNOLOGIA MATERIALELOR/METODE SI PROCEDEE TEHNOLOGICE

Prezentări similare

Prezentarea pe tema: "TEHNOLOGIA MATERIALELOR/METODE SI PROCEDEE TEHNOLOGICE"— Transcriere de prezentare:

Prezentări similare

Despre proiect

Feedback-ul