c_cg.03_materiale si compozite anorganice

CHIMIE*C* CG. COMPUI CHIMICI DE IMPORTAN TEHNIC

1

Capitolul CG.03. Materiale i compozite anorganice

Cuvinte-cheie materiale ceramice, materiale compozite, sticl

CG.03.1. Introducere

Materialele compozite se obin prin combinarea a dou sau mai multe materiale cel mai adesea materiale cu proprieti foarte diferite. Cele dou materiale conlucreaz pentru a furniza compozitului proprieti unice. Se poate diferenia ntre materialele ce intr n alctuirea compozitului, deoarece ele nu se dizolv unul n cellalt.

Multe dintre tehnologiile moderne necesit materiale cu combinaii neatepate de proprieti, ce nu pot fi satisfcute de materialele metalice, ceramice i polimerice convenionale. Acesta este valabil, n special, n cazul materialelor pentru aplicaii aerospaiale, la submarine i n transporturi. De exemplu, inginerii din domeniul aeronautic sunt interesai de identificarea unor materiale structurale caracterizate de densiti sczute, care sunt rezistente, compacte i nu se corodeaz uor.

Prin dezvoltarea materialelor compozite au fost extinse combinaiile de proprieti i domeniul caracteristic acestora. Conform principiului sinergiei, prin combinarea judicioas a dou sau mai multe materiale distincte pot fi obinute proprieti mbuntite.

Materiale compozite se ntlnesc i n natur, att n regnul animal, ct i n cel vegetal, constituind o surs de inspiraie pentru compozitele sintetice. Lemnul este un compozit alctuit din fibre lungi de celuloz (un polimer), meninute laolalt de o substan mult mai fragil numit lignin. Celuloza se mai gsete n coton, ns, n absena ligninei, este mult mai fragil. Cele dou substane lignina i celuloza formeaz mpreun un material mai rezistent.

esutul osos din organismul uman este, de asemenea, un compozit. El este alctuit dintr-un material dur dar sfrmicios numit hidroxiapatit (care este, n principal, fosfat de calciu) i un material moale i flexibil numit colagen (o protein). Colagenul se mai ntlnete n pr i unghii. Colagenul nu ar putea conferi sistemului osos rezistena de care are nevoie pentru a ndeplini rolul de suport al organismului, ns n combinaie cu hidroxiapatita acest lucru devine posibil.

Oamenii au realizat compozite din cele mai vechi timpuri. Un exemplu de la nceputuri este reprezentat de crmida de pmnt. Nmolul poate fi uscat ntr-o form pentru a obine un material de construcie. El are o bun rezistena la compresie, dar se sfrm uor la arcuire (are rezisten sczut la traciune). Paiele rezist la ntindere, ns se zdrobesc uor. Prin amestecarea nmolului cu paie se pot realiza crmizi rezistente att la compresie, ct i la ntindere.

Un alt material compozit cunoscut din vechime este betonul. Acesta reprezint un amestec de pietri, nisip i ciment. Are o rezistena bun la compresie. Ulterior s-a descoperit faptul c,


2

adugnd bare de metal n beton se poate mri rezistena la ndoire. Betonul ce conine bare sau fire metalice poart numele de beton armat.

n proiectarea materialelor compozite, oamenii de tiin i inginerii au combinat n mod ingenios diverse metale, materiale ceramice i polimeri cu scopul de a obine o nou generaie de materiale cu proprieti superioare.

CG.03.2. Clasificarea materialelor compozite

Cele mai multe materiale compozite sunt alctuite din dou faze: o faz numit matrice, care este continu i nconjoar cea de-a doua faz, numit faz dispers. Proprietile compozitelor depind de proprietile fazelor componente, de cantitile n care sunt prezente fiecare dintre acestea, precum i de geometria fazei disperse (forma i dimensiunile particulelor, distribuia dimensiunilor i orientarea particulelor) [].

n Fig. CG.03.1 este prezentat o clasificare a materialelor compozite utiliznd drept criteriu geometria fazei disperse.

Figura CG.03.1. Clasificarea materialelor compozite dup geometria fazei disperse [].

Compozitele consolidate cu particule se clasific la rndul lor n dou categorii, n funcie de dimensiunile acestora (care determin natura interaciilor fazei disperse cu matricea). n cazul particulelor mari, interaciunea lor cu faza dispers nu are loc la nivel molecular sau atomic. Particulele sunt, n acest caz, mai dure i mai compacte dect matricea. n cazul particulelor disperse, acestea au diametre din domeniul 10-100 nm. Interacia particul dispersat matrice are loc la nivel atomic sau molecular. Betonul constituie un exemplu de material compozit consolidat cu particule mari. n cea de-a doua categorie intr aliajele metalice.

n ceea ce privete materialele consolidate cu fibre, trebuie menionat faptul c dimensiunile, orientarea i concentraia fibrelor au un rol important n definirea caracteristicilor materialelor compozite. Fibrele utilizate curent la realizarea compozitelor sunt: grafit, carbur de siliciu, oxid de aluminiu, oel, molibden, tungsten.

Compozitele structurale sunt combinaii de compozite i materiale omogene.


3

Dup componenii matricei, materialele compozite se clasific n: compozite cu matrice organic, compozite cu matrice ceramic i compozite cu matrice metalic (Fig. CG.03.2).

Figura CG.03.2. Clasificarea compozitelor dup tipul matricei.

Matricea compozitelor poate fi reprezentat de un material organic (polimer), metal sau ceramic. Cele mai utilizate sunt metalele i polimerii, deoarece acestea sunt i ductile (pot fi trase n fire sau n foi). n compozitele cu matrice ceramic, componentul de ranforsare este adugat pentru a mbunti rezistena la rupere.

Matricea ndeplinete cteva roluri. Mai nti, constituie un liant pentru particulele fazei disperse, acionnd totodat ca un mediu de transmitere i distribuie a tensiunii aplicate materialului ctre particulele dispersate. Pe de alt parte, matricea protejeaz suprafaa particulelor dispersate fa de aciunea mediului nconjurtor (reacii chimice sau procese de abraziune mecanic). Astfel de interacii pot introduce defecte de suprafa capabile s determine apariia fisurilor. Propagarea acestora este mpiedicat de matrice (datorit plasticitii sale).

n alegerea matricei, un rol important l joac forele de legtur dintre particule i matrice.

CG.03.3. Compozitele cu matrice polimeric

Compozitele cu matrice polimeric au ca matrice o rin polimeric. Aceste materiale au cea mai mare diversitate de aplicaii. Pentru consolidare se utilizeaz, de obicei, fibre de sticl, carbon i aramid. Fibrele continue, ordonate, ofer cea mai eficient consolidare (ranforsare). Dezvoltarea fibrelor cu proprieti noi, mbuntite, este responsabil pentru revoluionarea proprietilor compozitelor.

Materiale polimerice pentru matrice

Exist dou mari clase de polimeri utilizate ca materiale de matrice: termorigizi i termoplastici. Polimerii termorigizi sunt materiale care sufer procesul de ntrire pe parcursul fabricrii pieselor, dup care acetia devin rigizi i nu mai pot fi repui n form. Polimerii termoplastici se nmoaie la nclzire, i pot fi repui n form. Polimerii termoplastici se clasific n: polimeri amorfi, polimeri cristalini i cristale lichide. Polimerii termorigizi au tendina de a fi mai rezisteni la solveni i medii corozive dect materialele termoplastice; exist ns i excepii de la aceast regul.

Materialele polimerice de matrice sunt vscoelastice i au rigiditate sczut. Rezistena i rigiditatea compozitelor cu matrice polimeric sunt furnizate de materialele de ranforsare (n special fibre). n selectarea matricei, un rol important l are temperatura maxim de lucru, tiut fiind faptul c proprietile polimerilor sunt afectate de creterea temperaturii. Pentru a compara diveri polimeri se utilizeaz temperatura de tranziie vitroas (Tg). Aceasta reprezint temperatura la care polimerul


4

i pierde rigiditatea (energia cinetic egaleaz energia potenial). Cercetrile din acest domeniu vizeaz dezvoltarea de noi polimeri caracterizai de temperaturi de tranziie vitroas tot mai mari care s nlocuiasc metalele n aplicaiile acestora. De exemplu, poliimidele ranforsate cu fibre de carbon au nlocuit titanul n unele componente ale motoarelor avioanelor.

Un alt aspect important n selectarea matricei polimerice este sensibilitatea acesteia la umezeal. Rinile tind s adsoarb ap, ceea ce conduce la modificri dimensionale i la diminuarea rezistenei i rigiditii la temperaturi ridicate.

Rinile termorigide sunt reprezentate de: rini epoxidice, bismalein-imidele, poliimide termorigide, poliesteri termorigizi, esteri vinilici i rini fenolice.

Rinile epoxidice sunt oligomeri ce conin grupri etilenoxid, care se ntresc prin reacia gruprilor epoxidice cu un agent de ntrire adecvat. Rinile epoxidice sunt o clas de materiale termorigide utilizate pe scar larg la obinerea compozitelor structurale i cu aplicaii speciale, deoarece ele ofer o combinaie unic de proprieti. Sunt disponibile ntr-o mare varietate de forme, de la lichide cu vscozitate mic, la solide ce se topesc la temperaturi ridicate, putnd fi utilizate n numeroase aplicaii. Epoxizii confer rezisten mare, contracie sczut, o bun adeziune la diverse substraturi, izolaie electric excelent, rezisten chimic ridicat, cost redus i toxicitate sczut. Rinile epoxidice se ntresc uor, fr a elibera produi secundari sau substane volatile, prin utilizarea unei mari diversiti de specii chimice.

Rinile epoxidice se utilizeaz frecvent ca adezivi, acoperiri, mase izolante de turnare, liani. Cele mai interesante aplicaii ale acestora vizeaz industriile aerospaial i recreaional, fiind utilizate la obinerea unor structuri compozite complexe. Ele furnizeaz un echilibru unic ntre proprietile mecanice i chimice, fiind totodat extrem de versatile n procesare.

Cele trei elemente de baz care intr n componene unei rini epoxidice sunt: rina, agentul de ntrire i modificatorul. La elaborarea unei rini epoxidice pentru o anumit aplicaie este necesar cunoaterea contribuia fiecrei componente la performanele mecanice i fizice ale piesei pe parcursul fabricaiei i dup. Prin selecia judicioas a agentului de ntrire i a modificatorului, pot fi elaborate rini epoxidice care s rspund cerinelor unei game largi de aplicaii.

Din punct de vedere structural, prezena ciclului de trei atomi 2 atomi de carbon i un atom de oxigen definete molecula ca epoxid, n timp ce scheletul pe care este ataat aceasta poate avea o structur variabil, ducnd la diverse clase de rini epoxidice. Succesul comercial de care se bucur epoxizii este datorat, n parte, marii diversiti de structuri moleculare ce pot fi obinute prin procese chimice similare.

Rinile epoxidice se obin din molecule ce conin legturi carbon-carbon nesaturate pe dou ci:

(i) Dehidrohalogenarea unei halohidrine intermediare; (ii) Epoxidarea direct cu peracizi.

Prima cale este utilizat mai frecvent, materia prim fiind adesea epiclorhidrina (Fig. CG.03.3).


5

Figura CG.03.3. Structura moleculei de epiclorhidrin.

Cl

O

Exist dou categorii de rini epoxidice utilizate la obinerea compozitelor: rini pentru aplicaii de temperatur nalt i rini pentru aplicaii de temperatur joas.

Rinile pentru aplicaii de temperatur nalt posed structuri moleculare inflexibile. Rigiditatea poate fi obinut prin: ncorporarea unor grupri aromatice; creterea numrului de centri reactivi (grupri epoxidice)/ molecul; reducerea distanei dintre centri reactivi.

Principalele clase de epoxizi utilizai la obinerea compozitelor sunt: eteri glicidil-fenolici; glicidil amine aromatice; compui cicloalifatici.

Eterii glicidil-fenolici se obin prin reacii de condensare dintre epiclorhidrin i o grupare fenolic. Prima rin epoxidic din aceast clas, utilizat pe scar larg i n prezent, este bisfenol A diglicidil eter (Fig. CG.03.4).

Figura CG.03.4. Structura bisfenol A diglicidil eter [].

Exist diverse categorii de bisfenol A diglicidil eter cu diveri furnizori; acestea se difereniaz prin vscozitate, care variaz de la 5 la 14 Pas la 25C. Prin modificarea raportului epiclorhidrin/bisfenol A n procesul de sintez, se pot obine rini cu mase moleculare mari. Creterea masei moleculare duce la creterea vscozitii, rezultnd rini solide la temperatura camerei. Analogii cu mas molecular mai mare sunt sunt utilizai pentru a ajusta vscozitatea rinii pe seama scderii temperaturii de tranziie vitroas.


6

O variaie o reprezint rinile epoxidice pe baz de bisfenol A hidrogenat. ntr-o prim etap se obine rina epoxidic din epiclorhidrin i bisfenol A. n etapa ulterioar, inelul benzenic aromatic este convertit la ciclohexanil, rezultnd un material cicloalifatic caracterizat de vscozitatea sczut, cu reactivitate moderat.

O alt varietate de rini epoxidice sunt cele obinute din tetrabromo bisfenol A. Aceste rini bromurate sunt utilizate pentru a conferi produsului final capacitatea de a opri propagarea flcrilor, fiind utilizate de obicei pentru aplicaii electrice. Sunt disponibile comercial numeroase forme, cu un coninut variat de brom i cu mase moleculare diferite.

Rinile epoxidice pe baz de novolac sunt glicidil-eteri aromatici ai rinilor fenolice de tip Novolac (Fig. CG.03.5, CG.03.6). Fenolii corespunztori (fenol sau cresol) n exces reacioneaz cu formaldehida, n prezena unui catalizator acid, rezultnd rina fenolic Novolac. ntr-o etap ulterioar, aceasta reacioneaz cu epiclorhidrina (n prezena hidroxidului de sodiu), obinndu-se rina epoxidic de tip Novolac.

Figura CG.03.5. Structura chimic a rinii epoxidice pe baz de novolac fenolic [].

Figura CG.03.6. Structura chimic a rinii epoxidice pe baz de novolac cresolic [].

Numrul de grupri epoxidice din molecul depinde de numrul de grupri hidroxil fenolice din rina fenolic de tip novolac i de msura n care acestea reacioneaz.


7

Rinile epoxidice pe baz de glicidil amine se obin n urma reaciei dintre epiclorhidrin i o amin. Rinile obinute din amine aromatice sunt folosite pentru aplicaii de nalt temperatur. Cea mai important rin din aceast clas este tetraglicidil metilen amina (Fig. CG.03.7).

Figura CG.03.7. Structura tetraglicidil metilen aminei [].

Aceast rin este utilizat n special pentru aplicaii aerospaiale, datorit proprietilor sale excelente la temperatur nalt. Preul su este mai ridicat dect cel al rinilor pe baz de bisfenol sau novolac. Avantajele tetraglicidil metilen aminei sunt reprezentate de proprietile sale mecanice excelente i temperatura ridicat de tranziie vitroas.

La temperatura camerei, glicidil aminele sunt lichide vscoase sau semisolide. Exist numeroase categorii de rini glicidil-aminice, n funcie de puritate, mas molecular i dimensiunea particulelor.

Rinile cicloalifatice se disting de celelalte rini epoxidice prin aceea c gruparea epoxidic aparine unei structuri ciclice (Fig. CG.03.8).

Figura CG.03.8. Structura caracteristic rinilor epoxidice cicloalifatice [].


8

Aceast clas de rini epoxidice este caracterizat de vscozitate foarte sczut, performane termo-mecanice relativ ridicate i temperatur de tranziie vitroas mare.

Rinile epoxidice reacioneaz cu numeroase specii chimice numite ntritori. Cei mai utilizai sunt aminele, derivaii acestora i anhidridele. La selectarea combinaiei rin ntritor se are n vedere aplicaia final. Timpul de ntrire poate varia n limite foarte largi, de la secunde la zile; sistemele activate de cldur rmn n stare latent la temperatura camerei luni sau chiar ani. Rina nentrit poate fi solid, de consistena cauciucului sau lichid, vscoas sau uscat; ea se poate ntri la temperaturi din domeniul 5 260C. Produsul ntrit poate fi moale i maleabil sau rigid i fragil, avnd temperaturi de tranziie vitroas ce variaz de la temperatura camerei la 260C i alungiri la ntindere de la 1% la peste 100%.

Agenii de ntrire ce acioneaz la temperatura camerei includ amine alifatice, poliamide i amide. Aminele alifatice sunt cei mai utilizai ageni de ntrire pentru rinile epoxidice. Reacia rinii epoxidice cu aminele primare i secundare este o reacie de adiie ntre gruparea N-H i gruparea epoxi []:

Cele mai utilizate amine primare sunt:

dietilen triamina

H2N

HN

NH

NH2

trietilen tetraamina

H2N

HN

NH

HN

NH2

tetraetilen pentaamina

N

HN

NH2

N-aminoetil piperazina


9

Reactivitatea unor amine primare permite ntrirea n condiii adverse (temperaturi sczute i umiditate ridicat). Bazicitatea aminelor trebuie controlat n cazul aplicaiilor n care personalul vine n contact cu materialul nentrit.

Spre deosebire de amine i amide, complecii de BF3 i imidazolii pot realiza ntrirea att la temperatura camerei, ct i la temperaturi nalte. Complecii trifluorur de bor-amin ntresc rinile epoxidice printr-un mecansim de polimerizare cationic catalitic. Trifluorura de bor pur reacioneaz cu rina epoxidic bis A standard n cteva secunde; stabilizarea la temperatura camerei se realizeaz prin complexarea BF3 cu amine. Prin ajustarea compoziiei agentului de ntrire, sistemele rin-ntritor pot fi stabile la temperatura camerei, acestea necesitnd temperaturi mari pentru ntrire.

Imidazolii substituii sunt utilizai drept ageni de ntrire n compozitele utilizate n electronic, ca adezivi, la automobile i n industria aerospaioal. Ei sunt utilizai, n general, drept acceleratori pentru reacia dintre epoxizi i ali ageni de ntrire, dar pot fi folosii i ca ageni de ntrire. Sunt unele dintre cele mai eficiente baze Lewis, ce iniiaz homopolimerizarea anionic a rinii epoxidice la ncrcri foarte sczute (sub 8 pri per 100 pri rin). Reactivitatea ntritorilor imidazolici poate fi ajustat prin substituia cu grupri organice la ciclu, blocarea chimic a hidrogenului aminic din ciclu i prin formarea de sruri cu azotul din ciclu. ntritorii pe baz de imidazol sunt caracterizai de temperaturi de tranziie vitroas ridicate (care depesc adesea temperatura de ntrire), laten la temperatura camerei ce variaz de la cteva ore la 6 luni i ntrire rapid la temperaturi mai mari dect temperatura de activare.

ntritorii care sunt activi la temperaturi ridicate includ aminele aromatice i anhidridele. Aminele aromatice sunt, n general, pulberi fine care se amestec cu rina epoxidic. Deoarece aminele aromatice sunt mai scumpe dect cele alifatice, sunt disponibile comercial ntr-o varietate mai limitat. Aminele aromatice sunt utilizate n compozitele de nalt performan. Una dintre primele amine aromatice utilizate n industrie este 4, 4-diaminodifenil metan (Fig. CG.03.9).

Figura CG.03.9. Structura 4, 4-diaminodifenil metanului. Majoritatea anhidridelor utilizate ca ageni de ntrire n compozitele cu rini epoxidice sunt lichide cu vscozitate sczut. Anhidridele reprezentative sunt:

Anhidrida metil tetrahidroftalic O

O

O

CH3


10

Anhidrida metil hexahidroftalic

O

O

O

CH3

Modificatorii reprezint cea de-a treia categorie de constitueni ai rinilor epoxidice, fiind utilizai pentru a le furniza anumite performane fizice i mecanice. Astfel, cauciucurile sunt utilizate pentru creterea flexibilitii, a rezistenei la oboseal i la fisurare; un exemplu este reprezentat de copolimerii butadien-acrilonitril cu grupri carboxil terminale. De asemenea, aditivi termoplastici sunt utilizai pentru creterea rezistenei la rupere a rinilor epoxidice; sunt folosii n cantiti foarte mici deoarece cresc vscozitatea rinii; exemple: polivinilbutiral, polietersulfona, poliimida, nylonul. Rinile epoxidice sunt utilizate ca solveni n compozitele epoxidice; n majoritatea lor, acetia sunt epoxizi monofuncionali reactivi, cu vscozitate foarte sczut; exemple: butil glicidil eter, fenil glicidil eter, cresil glicidil eter etc. Compuii de ignifugare sunt adugai n rina epoxidic drept umplutur sau pot fi ncorporai n matrice.

Rinile termoplastice se clasific n 3 categorii importante: amorfe, cristaline i cristale lichide.

n categoria rinilor termoplastice amorfe intr policarbonatul, acrilonitril-butadien-stirenul (ABS), polistirenul, polisulfona i polieterimida. n categoria materialelor termoplastice cristaline intr nylonul, polietilena, polifenilen sulfura, polipropilena, polietersulfona, polieter etercetona. Materialele termoplastice amorfe au o rezisten sczut la aciunea solvenilor, n timp ce termoplasticele cristaline au un comportament superior. Materialele termoplastice relativ ieftine, precum nylonul, sunt utilizate pe scar larg la obinerea compozitelor ranforsate cu fibre de sticl. Aceastea sunt folosite la confecionarea pieselor turnate prin injecie.

Materiale de consolidare

Fibra de sticl este un compozit ce const din fibre de sticl cu diametrul de 3-20 m, continue sau discontinue, coninute ntr-o matrice polimeric. Sticla este materialul de consolidare cel mai popular deoarece: Se trage uor n fibre rezistente din topitur; Se poate prelucra uor, utiliznd o mare diversitate de tehnici de fabricare a compozitelor; La ncorporarea n matrice polimeric rezult un compozit cu rezisten specific mare; Prin ncorporarea n anumite materiale plastice se obin materiale inerte chimic, ce pot fi utilizate n aplicaii n medii corozive.

Procesul de formare a fibrelor

Topitura de sticl conine, pe lng dioxid de siliciu, i ali oxizi necesari compoziiei date. Aceasta este rcit rapid pentru a preveni cristalizarea i pus n form. Majoritatea fibrelor de sticl continue se obin prin procesul de trefilare i sunt puse n form prin extrudarea topiturii printr-un lagr din aliaj de platin cu cteva mii de orificii cu diametrul 0,793-3,175 mm. Fibrele astfel


11

obinute, cu vscozitate mare, sunt trase rapid n filamente cu diametru mai mic (3-20 m), care se solidific apoi. Filamentele individuale sunt adunate n mnunchiuri. Filamentele de sticl sunt foarte abrazive. De aceea, naintea adunrii lor n mnunchiuri, pe suprafaa filamentelor se aplic liani sau cleiuri cu scopul de a minimiza degradarea prin abraziune.

Exist dou categorii de fibre de sticl: fibre de uz general, mai ieftine, i fibre pentru aplicaii speciale, mai scumpe. Peste 90% din producia de fibre de sticl este reprezentat de cele de uz general. Acestea sunt denumite sticle E (pentru uz electric posed conductivitate electric sczut). Sticlele de uz special sunt: sticle S (caracterizate de rezisten mare), sticle C (cu rezisten chimic mare), sticle M (foarte rigide), sticle A (puternic alcaline), sticle D (cu constant dielectric mic), sticle ECR (cu rezisten la coroziune mare).

Exist trei variante comerciale de sticle E: Sticle cu un coninut de 5-10%(m) oxid de bor, certificate pentru plcile cu circuite imprimate i aplicaii aerospaiale; Sticle cu 0-10%(m) B2O3, certificate pentru aplicaii generale; Sticle fr oxid de bor dezvoltate ca urmare a preocuprilor legate de poluarea mediului nconjurtor datorit eliminrii borului; sunt derivate din sistemul cuaternar SiO2-Al2O3-CaO-MgO.

Tabelul CG.03.1. Compoziia fibralor de sticl de tip E comerciale [].

Fibra de sticl E

SiO2, %(m)

B2O3, %(m)

Al2O3, %(m)

CaO, %(m)

MgO, %(m)

TiO2, %(m)

Na2O, %(m)

Fe2O3, %(m)

F2, %(m)

Cu bor 52-56 4-6 12-15 21-23 0,4-4 0,2-0,5 0-1 0,2-0,4

0,2-0,7

Fr bor

59 - 12-13 22 3 0,5-1,5 0,5-0,9 0,2 0-0,1

Rezistena la coroziune n acid sulfuric 10% a fibrelor de sticl de tip E fr bor este de apte ori mai mare dect cea corespunztoare fibrelor cu bor. Fibrele de tip E fr bor au un indice de refracie, un coeficient de dilatare liniar i o constant dielectric mai mari dect cele ale fibrelor cu bor.

Rezistena la coroziune a fibrelor de sticl depinde de structura lor chimic. Fibrele de tip ECR se obin prin adaosul de 2% ZnO i 2% TiO2 sistemului cuaternar SiO2-Al2O3-CaO-MgO.

Fibrele de tip S, cu rezisten mecanic mare, sunt derivai ai sistemului ternar SiO2-Al2O3-CaO.

Fibrele de tip D au un nivel ridicat de oxid de bor (20-26%), ceea ce le confer constante dielectrice mai mici dect fibrele de tip E.

Fibrele de silice ultrapur sau cuar (99,99% SiO2) sunt, de asemenea, amorfe. Ele combin rezistena superioar la temperaturi nalte cu transparena superioar la radiaia din domeniul UV


12

sau cu lungimi de und mai mari. Sunt utilizate la confecionarea radomului compozit de la avioane, avnd rolul de a proteja echipamentul radar de obiecte zburtoare, fulgere i descrcri statice.

Exist ns cteva limitri ale acestui tip de materiale. Majoritatea fibrelor de sticl pot fi utilizate la temperaturi mai mici de 200C. La temperaturi mai mari, cei mai muli polimeri ncep s curg sau se deterioreaz. Temperatura de funcionare poate fi extins pn la aproximativ 300C prin utilizarea cuarului de nalt puritate la confecionarea fibrelor i a polimerilor de nalt temperatur, precum rinile poliimidice.

Aplicaiile fibrei de sticl sunt foarte cunoscute: industria automobilelor i naval, evi din plastic, containere de depozitare. Industria transporturilor utilizeaz cantiti tot mai mari de fibr de sticl cu scopul de a scdea masa vehiculului i de a mbunti eficiena combustibilului.

Fibrele de carbon cu diametrul din domeniul 4-10 m sunt un alt material utilizat pentru consolidarea matricei polimerice. Compozitele polimerice consolidate cu carbon sunt utilizate n prezent pe scar larg la confecionarea echipamentelor sportive (undie, crose de golf, rachete de tenis etc.), vaselor de presiune, componentelor structurale ale aeronavelor comerciale i militare etc.

Fibrele de carbon reprezint filamente unidimensionale de carbon caracterizate de un raport lungime/diametru > 100. Fibrele de carbon au devenit importante din punct de vedere comercial la sfritul anilor 1950, ca urmare a cerinelor impuse de tehnologia aerospaial privind materiale compozite rezistente i cu mas specific mic. Rezistena specific (rezisten/mas) i modulul de rigiditate corespunztoare materialelor plastice ramforsate cu fibre de carbon prezint valori mari, datorate performanelor fibrelor de carbon constituente.

Datorit temperaturii i presiunii foarte mari necesare pentru a obine fibre de carbon din topitur, acest procedeu nu este utilizat la scar industrial. Industrial, fibrele de carbon se obin din precursori organici, printr-un proces n trei etape: stabilizarea, carbonizarea (piroliza) i grafitizarea. Fibrele obinute dup piroliza n atmosfer inert sunt cunoscute sub numele de fibre de carbon, n timp ce grafitizarea acestora prin tratare la temperaturi mai mari de 2500C n atmosfer inert duce la obinerea fibrelor de grafit. Exist trei tipuri de fibre de carbon:

(i) Fibre pe baz de poliacrilonitril (PAN; etapele procesului de obinere a acestui tip de fibre sunt prezentate n Fig. CG.03-10 iar reaciile corespunztoare acestora se pot consulta la http://en.wikipedia.org/wiki/File:PAN_stabilization.PNG. Fibrele de carbon obinute din precursor PAN constau din uniti structurale mici de carbon aliniate preferenial, cu segmente hexagonale de carbon orientate paralel cu axa fibrei. (ii) Fibre pe baz de smoal mezofazic constau din straturi grafitice aliniate aproape paralel cu axa fibrei; acest grad nalt de cristalinitate este responsabil pentru modulul de rigiditate ridicat caracteristic acestora. (iii) Fibre de carbon obinute din faz de vapori constau din straturi cilindrice coaxiale de grafene, asemntoare nanotuburilor de carbon cu perei multipli. Sunt obinute direct din hidrocarburi n faz gazoas (benzen sau metan), utiliznd un proces de cretere catalitic (Fig. CG.03-12). Particulele ultrafine de fier (cu diametrul < 10 nm) sunt dispersate pe un substrat ceramic, iar hidrocarbura gazoas diluat cu hidrogen este trecut peste acesta la o temperatur de aprox. 1100C. Pe suprafaa particulelor de catalizator are loc descompunerea hidrocarburii (numit i condensare aromatic), proces ce determin afluxul continuu de carbon la particula catalitic i


13

producia continu de ctre particul a filamentelor tubulare bine organizate. Mai nti se formeaz o fibr primar (cu diametrul de civa nm), al crei diametru crete apoi prin depuneri chimice succesive din faz de vapori. Prin controlul procesului de depunere chimic din faz de vapori (timpul de reziden al fibrei n zona de reacie, presiunea hidrocarburii), diametrul fibrelor poate fi variat de la civa nm (domeniul nanotuburilor de carbon) pn la cteva zeci de m (domeniul uzual al fibrelor decarbon comerciale).

Figura CG.03.10. Etapele procesului de obinere a fibrelor de carbon din poliacrilonitril (PAN).

Morfologia fibrelor de carbon pe baz de PAN i smoal mezofazic este prezentat n Fig. CG.03.11.

(a) (b)

Figura CG.03.11. Imaginile SEM ale fibrelor de carbon pe baz de PAN (a) i pe baz de smoal (b) [].


14

Figura CG.03.12. Schema procesului de cretere a fibrelor de carbon [].

Cele trei structuri diferite au proprieti fizice diferite, dei fiecare tip de fibr posed o reea hexagonal de carbon, caracterizat de cale mai puternice legturi covalente din natur. Aceste legturi interatomice puternice determin performanele mecanice ridicate ale fibrelor de carbon.

Utilizarea fibrelor de carbon este datorat rezistenei lor mecanice mari, n timp ce fibrele de grafit posed un modul de rigiditate mare.

Fibrele de bor sunt utilizate n principal pentru ranforsarea polimerilor i metalelor. Fibrele de bor sub form de monofilamente se obin prin depunerea chimic din faz de vapori a borului pe un fir de tungsten sau pe un filament de carbon, primul dintre acestea fiind cel mai des utilizat. Fibrele de bor astfel obinute au diametre din domeniul 100-140 m. Proprietile fibrelor de bor sunt influenate de raportul dintre diametrul total al fibrei i diametrul miezului de tungsten. Compozitele ranforsate cu fibre de bor sunt atractive datorit combinaiei dintre rezistena lor superioar la traciune, la compresie i la ndoire, modulul de rigiditate mare i densitatea mic.

Fibrele pe baz de carbur de siliciu sunt utilizate de obicei pentru ranforsarea metalelor i materialelor ceramice. Fibrele de tip monofilament sunt produse prin depunere chimic in faz de vapori a carburii de siliciu de puritate nalt pe un miez reprezentat de un monofilament de carbon. Fibrele de tip multifilament pe baz de carbur de siliciu se obin prin piroliza polimerilor. Acestea conin diverse cantiti de siliciu, carbon, dar i oxigen, titan, azot, zirconiu i hidrogen.

Fibrele pe baz de alumin constituie materiale de ranforsare pentru metale i materiale ceramice i au o compoziie variat. Pe lng alumin, n compoziia acestor fibre mai intr oxid de bor, oxid de siliciu i oxid de zirconiu.

Fibrele de aramid sau fibrele de poliamid aromatic (n care cel puin 85% dintre gruprile amidice sunt ataate la inelele aromatice) sunt caracterizate de un modul de rigiditate mare, fiind utilizate la ranforsarea polimerilor, pentru protecie balistic (la vestele antiglon), dar i ca nlocuitor pentru asbest.


15

DuPont produce i comercializeaz dou tipuri de fibre de aramid: Nomex (meta-aramid) i Kevlar (para-aramid) (Fig. CG.03.13) []. Kevlar - poli(parafenilen tereftalamid) a fost utilizat iniial la confecionarea pneurilor. n prezent, acest material este folosit la obinerea adezivilor, materialelor de etanare, n balistic i aprare, pentru connfecionarea curelelor i furtunelor, a compozitelor, cablurilor electro-mecanice, produselor de friciune i garniturilor, echipamentelor de protecie, a frnghiilor i cablurilor, dar i a echipamentelor sportive (trambuline, rachete de tenis).

Fibrele de Kevlar sunt mult mai rezistente dect fibrele de sticl i oelul. Lanurile din structura Kevlarului sunt orientate paralel; cea mai important caracteristic structural este orientarea radial a inelelor benzenice care confer moleculei o structur simetric i foarte ordonat. Rezult astfel structuri fibroase, cu un schelet repetitiv simplu, extrem de rezistent, cu foarte puine defecte (puncte slabe). Se obine prin reacia dintre para-fenilendiamin i topitura diclorurii acidului tereflatic, utiliznd ca solvent N-metilpirolidona.

Caracteristicile principale ale Kevlarului sunt: rezisten la traciune mare, alungire la rupere sczut, rigiditate structural mare, conductivitate electric joas, rezisten chimic mare, contracia termic sczut, stabilitate dimensional foarte bun. Materialul are o bun rezisten la flacr, fiind caracterizat de autoextincie.

Figura CG.03.13. Structura cristalin a fibrei de aramid [].

Nomex - poli(m-fenilen izoftalamid) a fost dezvoltat de DuPont pentru fabricarea produselor care necesit o bun stabilitate dimensional i o rezisten mare la nclzire. Nomex nu curge, nu se topete i nu se degradeaz sau carbonizeaz pn la 370C. Compozitul cu 95% Nomex i 5% Kevlar este utilizat pentru confecionarea echipamentului de protecie al pompierilor i a tapieriei scaunelor din avioane.


16

Din punct de vedere structural, Nomex se difereniaz de Kevlar prin localizarea gruprii amidice la inelul aromatic, care i confer acestuia o rezisten la traciune mai mic, o elongaie mai mare i o solubilitate mai mare n solveni organici comparativ cu Kevlarul. Nomexul se obine prin reacia dintre m-fenilendiamin i diclorura acidului izoftalic.

Adeseori matricea determin temperatura maxim la care funcioneaz compozitul, deoarece, n general, aceasta se nmoaie, se topete sau se degradeaz la temperaturi mult mai mici dect ranforsarea.

Aplicaii

Compozitele cu matrice polimeric sunt materialele structurale de baz n industria de aprare i aerospaial. Datorit costului ridicat al acestor materiale, ptrunderea lor n economia civil este un proces ce evolueaz de sus n jos, de la aplicaii cu valoare adugat mare (precum industria aeronautic i cea a automobilelor) la aplicaii cu nivel tehnologic sczut, precum construciile. Aproximativ 50% din producia de materiale compozite este utilizat n industria aerospaial. Principalele avantaje ale materialelor compozite cu matrice metalic fa de materialele metalice sunt rezistena specific i rigiditatea lor ridicate, precum i rezistena crescut la oboseal i coroziune i a proprietilor de amortizare a vibraiilor.

Principala motivaie a introducerii compozitelor cu matrice polimeric n industria automobilelor este diminuarea costurilor. Cel mai mare volum de materiale compozite este utilizat pentru confecionarea pieselor nestructurale, precum panourile exterioare. Dintre componentele structurale, arborele conductor i arcurile n foi sunt confecionate din materiale compozite avansate. Materialele compozite cu matrice polimeric vor permite designerilor s diminueze numrul de piese necesare pentru asamblarea autovehiculului. n plus, compozitele avansate mbuntesc substanial proprietile mecanice specifice, diminund masa i crescnd simultan rezistena, rigiditatea i rezistena la coroziune. Principala barier tehnologic n calea utilizrii compozitelor cu matrice polimeric n industria automobilelor este lipsa tehnologiilor de fabricaie adaptate la viteza de producie.

Compozitele cu matrice polimeric sunt utilizate la confecionarea rotoarelor centrifugilor, utilajelor de esut i braelor roboilor. n aplicaiile din domeniul roboticii, mbuntirile vizeaz creterea att viteza ct i acurateea punctului final. Rigiditatea acestor compozite este proprietatea mecanic responsabil pentru limitarea acurateei punctului final. n cazul utilizrii materialelor metalice, rigiditatea este obinut prin creterea masei, ceea ce limiteaz timpul de rspuns al robotului. Datorit rigiditii lor superioare raportate la unitatea de mas, compozitele avansate reprezint o alternativ la metale pentru confecionarea braelor roboilor.

Compozitele cu matrice polimeric sunt utilizate n prezent pentru confecionarea protezelor i implanturilor medicale.

CG.03.4. Compozite cu matrice metalic

n compozitele cu matrice metalic, matricea este reprezentat de un metal ductil. Aceste materiale sunt utilizate la temperaturi de funcionare mai mari dect cele ale metalului de baz. Posibilitatea de a combina diverse materiale (metal, ceramic, nemetal) ofer oportuniti practic nelimitate.


17

Proprietile acestor noi materiale sunt determinate de proprietile componentelor sistemului compozit.

Spre deosebire de compozitele cu matrice polimeric, cele cu matrice metalic funcioneaz la temperaturi mai mari, sunt neinflamabile i au o rezisten mai mare la degradarea cu fluide organice. Sunt ns i mult mai scumpe, ceea ce limiteaz aplicaiile lor la domenii speciale. n prezent, materialele compozite cu matrice metalic se afl doar la nceputul evoluiei lor.

Ranforsrile utilizate n compozitele cu matrice metalic trebuie s ndeplineasc urmtoarele condiii generale: densitate joas; compatibilitate mecanic (coeficient de dilatare termic compatibil cu cel al matricei); compatibilitate chimic; stabilitate termic; compresibilitate i rezisten la ntindere ridicate; procesabilitate bun; eficien economic. Aceste condiii pot fi ndeplinite numai de ctre ranforsrile nemetalice. n cazul matricei metalice, ranforsrile utilizate cel mai adesea sunt particulele ceramice i fibrele de carbon. Alegerea materialelor de ranforsare depinde de materialul matricei i de aplicaia vizat.

Exist numeroase tehnici de obinere a materialelor compozite cu matrice metalic. n selectarea tehnicii adecvate se ine cont de tipul, cantitatea i distribuia componentelor de ranforsare (particule sau fibre), de aliajul utilizat ca matrice i de aplicaie. Prin modificarea metodei de fabricare, de procesare i de finisare se pot obine materiale cu proprieti diferite pentru aceeai compoziie.

Procesele primare utilizate la scar industrial pentru obinerea compozitelor cu matrice metalic pot fi clasificate n dou mari grupe: procese n stare solid; procese n stare lichid.

Procesele n stare solid sunt: amestecarea pulberilor, urmat de consolidare, legarea prin difuzie i tehnicile de depunere din faz de vapori. n categoria proceselor n stare lichid intr: turnarea, infiltrarea i procesarea in situ (reactiv). Alegerea cii de procesare depinde de numeroi factori; dintre acetia menionm tipul i ncrcarea cu material de ranforsare, precum i gradul de integritate microstructural dorit.

Dei prin metalurgia pulberilor se obin compozite cu matrice metalic cu proprieti mecanice mai bune, procesare n stare lichid prezint unele avantaje, asigurnd: o mai bun legtur ntre matrice i particulele de ranforsare; un control mai bun al structurii matricei; este o metod simpl; cost sczut pentru procesare; o baz larg de selecie a materialelor [].


18

Caracteristicile compozitelor cu matrice metalic sunt determinate de microstructura lor i de interfeele interne. Acestea, la rndul lor, depind de procesul de preparare i de istoricul termo-mecanic al materialelor. n ceea ce privete microstructura, aceasta este influenat de structura matricei i a fazei de ranforsare. Astfel, prezint importan compoziia chimic, dimensiunea particulelor, textura, comportamentul la precipitare i defectele de reea ale matricei, precum i procentul de volum, tipul, dimensiunea, distribuia i orientarea ranforsantului. O influena semnificativ asupra microstructurii compozitului o au i variaiile locale ale tensiunii interne datorate diferenei ntre coeficienii de dilatare termic ai componentelor (matrice i ranforsant).

Cunoscnd caracteristicile componentelor, a cantitii, precum i a distribuiei i orientrii acestora este posibil modelarea n vederea estimrii caracteristicilor compozitelor metalice. n procesul de modelare se utilizeaz aproximaii ce pornesc de la condiii ideale: formarea optim a suprafee de separaelor de separaie, distribuie ideal - cu un numr mic de contacte ntre particulele sau fibrele de ranforsare -, absena influenelor ranforsrii asupra matricei. n realitate, ntre componentele compozitului se manifest interacii puternice; de aceea, modelele arat numai o tendin n ceea ce privete caracteristicile compozitului.

Interaciunile chimice i reaciile care au loc ntre matrice i componentul de ranforsare determin adeziunea de la interfa, modific proprietile componentelor compozitului i influeneaz semnificativ caracteristicile sale mecanice.

n cazul aplicaiilor de nalt temperatur ale compozitelor cu matrice metalic, microstructura acestora trebuie s rmn stabil pe perioade de funcionare lungi. Modificrile microstructurii i ale interfeelor influeneaz stabilitatea termic, ducnd la deteriorarea compozitului.

Cele mai utilizate matrici metalice sunt bazate pe aluminiu i titan. Ambele metale posed mase specifice mici i sunt disponibile ntr-o mare diversitate de forme aliate. Dei magneziul este mai uor dect Al i Ti, afinitatea sa crescut pentru oxigen promoteaz coroziunea atmosferic, fcndu-l impropriu pentru numeroase aplicaii. Beriliul - cel mai uor metal structural - este friabil, neputnd fi utilizat ca material pentru matrice. Aliajele nichelului i cobaltului prezint dezavantajul c elementele lor de aliere tind s accentueze procesul de oxidare a fibrelor la temperaturi ridicate.

Aluminiul i aliajele sale s-au bucurat de cea mai mare atenie ca materiale de matrice pentru MMC. Proprietile compozitelor cu matrice de Al pot fi ajustate prin varierea naturii i fraciei de volum a componenilor. Avantajele majore ale acestui tip de materiale, comparativ cu materialele neranforsate, sunt []: rezisten superioar; rigiditate mbuntit; densitate sczut; proprieti mbuntite n domeniul temperaturilor nalte; controlul coeficientului de dilatare termic; management termic; performan electric crescut i ajustabil; abraziune i rezisten la uzur mbuntite.

Dezavantajul major al compozitelor cu matrice metalic este reprezentat de costul ridicat de fabricaie i al materialelor de ranforsare. De aceea, pentru extinderea aplicaiilor lor trebuie


19

eficientizat procesul de producie. Creterea cererii de materiale uoare cu performane ridicate a condus la dezvoltarea compozitelor cu matrice de aluminiu.

Turnarea metalelor n stare semisolid este utilizat la prelucrarea metalelor neferoase, precum Al, Cu, Mg. Aceasta se realizeaz la o temperatur cuprins ntre cea corespunztoare solidului i lichidului, proporia de solid din compoziia metalului fiind cuprins ntre 30 i 65%. n aceast stare metalul are o vscozitate sczut. n cazul aliajelor de aluminiu, domeniul de temperatur utilizabil este de 5-10C, pe cnd pentru aliajele cuprului acesta este mult mai ngust (de numai cteva zecimi de grad). Regimul termic caracteristic procesului de preparare a materialelor compozite cu matrice pe baz de Al prin turnare sub presiune este prezentat n Fig. CG.03.14.

Figura CG.03.14. Regimul termic al procesului de turnare sub presiune din stare semi-solid pentru obinerea compozitelor cu matrice pe baz de Al.

SiC este cel mai utilizat material de ranforsare pentru matricea pe baz de Al. n general, pentru sinteza materialului compozit trebuie surmontate problemele asociate incompatibilitii ceramic/metal (n special legate de capacitatea de umectare a Al fa de SiC). n plus, trebuie evitat ncorporarea aerului pe parcursul imersiei i dispersiei particulelor de ranforsant. Capacitatea de umectare a Al pentru SiC este afectat de reacia dintre acestea, cu formare de Al4C3 la interfa, printr-un mecanism de dizolvare-precipitare. Formarea carburii de aluminiu poate fi controlat prin utilizarea unor temperaturi mai sczute (sub 700C), dar i prin minimizarea timpului de amestecare i turnare. Un alt inconvenient este reprezentat de oxidarea aluminiului, proces ce inhib umectarea particulelor sau fibrelor ranforsantului. mbuntirea umectrii cu Al a SiC se poate realiza prin includerea unor elemente reactive (de ex. Li, Mg) n matrice sau prin acoperirea elementelor structurale ale ranforsantului cu un film metalic (Ni sau Cu).

ntr-un studiu recent, Veeresh Kumar i colab. [15] au artat efectul ranforsrii cu SiC a aliajului Al6061 asupra proprietilor sale mecanice. Aliajul Al6061 are n compoziie, pe lng Al, 0,62% Si, 0,23% Fe, 0,22% Cu, 0,03% Mn, 0,84% Mg, 0,22% Cr, 0,10% Zn, 0,1% Ti (procente de mas). Ranforsarea s-a realizat cu particule de SiC cu diametrul de 20 m. S-au preparat compozite n care coninutul de ranforsant a fost variat (2, 4, 6%). S-a observat o cretere a densitii, microduritii


20

Vickers i rezistenei la traciune corespunztoare compozitelor odat cu creterea coninutului de SiC. Prin urmare, SiC mbuntete proprietile mecanice ale aliajlor de aluminiu.

Aplicaii industriale

Compozitele cu matrice metalic (CMM) constituie o alternativ la materialele tradiionale datorit duritii, rezistenei specifice i rezistenei la deformare. Dei interesul acordat CMM este ridicat, acest tip de compozite vizeaz aplicaii de ni ca urmare a costurilor mari. CMM sunt utilizate n special n domeniul aerospaial i aeronautic, acolo unde costurile materialelor nu sunt limitate, urmrindu-se numai mbuntirea continu a performanelor acestora. n ultimul timp, CMM i-au gsit aplicaii i n industria automobilelor (la fabricarea motoarelor i sistemelor de frnare).

Toyota Motor utilizeaz CMM la fabricarea pistoanelor n motoarele diesel nc din 1983. Pistonul este expus unor condiii mecanice i termice dinamice severe. El trebuie s reziste la sarcini mecanice ciclice, cu o frecven de aprox. 100 Hz, necesitnd un rspuns la oboseal foarte bun. De asemenea, este necesar s posede o rezisten la uzur foarte bun, iar coeficientul de dilatare termic trebuie s fie compatibil cu cel al cilindrului. Deoarece acesta este expus unor temperaturi ridicate (pn la 300C), sunt importante proprietile pistonului n acest domeniu de temperatur. n plus, acesta este expus unui gradient termic; prin urmare este necesar ca materialul pistonului s posede o conductivitate termic ridicat, diminundu-se astfel tensiunile termice. Pistonul ranforsat selectiv ofer o rezisten la oboseal superioar. Coeficientul de dilatare termic sczut a permis reproiectarea pistonului, ducnd la o etanare mai bun, presiuni mai mari i proprieti mai bune de transfer termic. nainte de 1983, partea superioar a pistoanelor i zona canalelor erau confecionate din font. Performanele superioare ale pistoanelor confecionate din CMM justific ns diferena de pre dintre cele dou tipuri de materiale.

Utilizarea blocurilor motoare de aluminiu a condus la necesitatea dezvoltrii manoanelor protectoare pentru cilindri din motivele menionate anterior n cazul pistoanelor. Manoanele cilindrilor confecionate din CMM pe baz de aluminiu au fost utilizate n producia de mas din 1990 la motoarele Honda Prelude cu capacitatea de 2,3 L. Rezistena la uzur a CMM din aluminiu este mai mare comparativ cu cea a fontei. Prin nlocuirea fontei cu CMM pe baz de Al s-a obinut o diminuare a masei totale a blocului motor cu 20%. n plus, CMM pe baz de Al au o conductivitate termic superioar, ceea ce duce la scderea temperaturii de funcionare i, implicit, la extinderea duratei de via a motorului [].

Supapele de admisie i evacuare coordoneaz transportul amestecului aer/combustibil i al gazelor de eapament din motoarele automobilelor. Ambele tipuri de supape fiind supuse unei sarcini mecanice ciclice la frecvene de 50 Hz, o importan deosebit au proprietile de oboseal. Mai mult, gazele care vin n contact cu supapa de evacuare pot atinge temperaturi de pn la 900C; de aceea, materialul din care este confecionat aceasta trebuie s posede o rezisten bun la fluaj. Compoziia gazelor de eapament variaz i ea cu acceleraia; n medie, atmosfera care nconjoar supapa de evacuare este oxidant, materialul din care este confecionat trebuind s aib o rezisten la oxidare ridicat. n general, supapele sunt confecionate din oel austenitic. Din 1998, au nceput s fie utilizate supape fabricate din CMM pe baz de titan ranforsat discontinuu (pentru prima dat la Toyota Altezza cu motor de 2.0 L-4). Matricea supapelor de admisie este aliajul Ti-6Al-4V, n timp ce cea a valvelor de evacuare este aliajul Ti-6.5Al-4.6Sn-4.6Zr-1Nb-1Mo-0.3Si, ranforsarea fiind realizat cu monoborur de titan (TiB).


21

CMM pe baz de aluminiu sunt utilizate i la realizarea sistemelor de frnare, nlocuind cu succes fonta. Datorit rezistenei la oboseal i conductivitii termice ridicate, CMM cu Al sunt folosite la confecionarea rotoarelor frnelor cu discuri i tambururilor frnelor, obinndu-se totodat o diminuare a masei cu 50-60%. Rotoarele din CMM asigur o accelerare crescut i reducerea distanei de frnare. Pentru matrice se folosesc aliaje aluminiu-magneziu i aluminiu-siliciu, iar drept ranforsani particule de SiC i Al2O3, n proporie de cel puin 20 % (vol.).

CG.03.5. Compozite cu matrice ceramic

Dezvoltarea compozitelor cu matrice ceramic (CMC) a avut ca scop surmontarea problemelor legate de fisurarea materialelor ceramice convenionale (alumin, oxid de zirconiu, nitrur de aluminiu etc.) sub aciunea unor solicitri mecanice sau termo-mecanice, ca urmare a fisurilor iniiate de unele mici defecte. Cu toate acestea, dezvotarea CMC a rmas n urma dezvoltrii celorlalte tipuri de compozite deoarece cile lor de procesare implic temperaturi ridicate. Prin urmare, materialele utilizate pentru ranforsare trebuie s reziste la aceste condiii. n plus, diferenele existente ntre coeficienii de dilatare termic ai matricei i materialului de ranforsare genereaz tensiuni la rcirea compozitului de la temperatura de procesare. n compozitele cu matrice metalic, tensiunea termic acumulat este eliberat prin deformarea plastic a matricei; acest fenomen nu are loc n cazul CMC, ducnd la apariia fisurilor. Natura acestora depinde de contractilitatea ranforsrii comparativ cu cea a matricei. Astfel, dac ranforsarea se contract mai mult dect matricea, se genereaz o tensiune termic local de ntindere; n caz contrar apare o tensiune termic local de compresie.

Pentru ranforsrile cu macroparticule, dac coeficientul de dilatare termic al ranforsrii (R) este mai mare dect cel corespunztor matricei (M), la nivelul matricei apar fisuri circulare; dac

, atunci n matrice apar fisuri radiale.

n cazul n care ranforsarea este realizat cu fibre, cnd , tensiunea axial indus n fibre produce o tensiune rezidual de compresie net n matrice; la rcire, cnd fibrele se contract, exist tendina ca acestea s fie extrase din matrice. Cnd , tensiunea axial poate determina apariia fisurilor n matrice.

n concluzie, pentru limitarea acestor probleme, coeficienii de dilatare termic ai matricei i ranforsrii trebuie s aib valori apropiate.

Metodele de procesare a CMC pot fi clasificate n dou mari categorii: metode bazate pe consolidarea pulberilor; metode chimice.

CMC combin densitatea sczut cu modulul elastic i rezistena ridicate, spre deosebire de ceramicile monolit. n plus, rezistena CMC se pstreaz la temperaturi ridicate.

Fibrele ceramice (ca de exemplu SiC i Si3N4) se obin din polisilani. CMC n care matricile ceramice sau de sticl sunt ranforsate cu fibre continue, fibre scurte sau macroparticule reprezint o nou clas de materiale structurale avansate. Aplicaiile lor sunt limitate la cele de nalt temperatur, existnd totodat un mare potenial pentru o gam mai larg de utilizri n domeniile


22

militar, aerospaial i aplicaii comerciale (sisteme cu eficien energetic ridicat i transporturi). Numeroase CMC au caracteristici de coroziune i eroziune adecvate utilizrii n aplicaii de nalt temperatur. CMC au fost utilizate la avioanele de vntoare cu reacie. n industrie, CMC sunt folosite ca materiale pentru cuptoare, pentru sisteme de conversie a energiei, turbine cu gaz i motoare termice.

SiC i Si3N4 ranforsate cu fibre posed rezisten ridicat la rupere, i pstreaz rezistena la temperaturi mari, au o bun conductivitate termic i densitate sczut. n general, compozitele cu matrice de SiC i Si3N4 conin o faz secundar uor oxidabil (ca de exemplu carbon sau nitrur de bor).

Carbura de siliciu ranforsat cu fibre de carbon se numr printre cele mai utilizate compozite cu matrice ceramic. Fibrele de carbon sunt relativ ieftine i stabile n atmosfer inert, inclusiv la temperaturi ridicate. Oxidarea acestor fibre reprezint ns o problem. La temperaturi joase, procesul de oxidare este controlat de reacia chimic dintre oxigen i carbon, iar la temperaturi intermediare de difuzia prin fisuri este etapa determinant de vitez. La temperaturi mari, matricea se sigileaz cu silice.

Exist cteva metode de sintez a compozitelor C/SiC, fiecare avnd att avantaje, ct i dezavantaje. Infiltrarea chimic cu vapori (n care matricea se obine prin infiltrarea precursorilor gazoi n semifabricate) este o metod costisitoare. n Fig. CG.03.15 este prezentat schematic acest procedeu de sintez. SiC s-a obinut prin descompunerea metiltriclorosilanului (CH3SiCl3) gazos la temperatura de 1000C.

Figura CG.03.15. Schema procesului de infiltrare chimic cu vapori [].

Metoda impregnrii cu polimer urmat de piroliz se bazeaz pe utilizarea unor precursori organo-metalici; sunt necesare numeroase cicluri impregnare/piroliz pentru a obine un material relativ


23

dens, ceea ce o face costisitoare i consumatoare de timp. n Fig. CG.03.16 sunt prezentate etapele acestui proces.

Figura CG.03.16. Prezentarea schematic a procesului de infiltrare cu polimer urmat de piroliz [].

n procedeul infiltrrii siliciului lichid, carbura de siliciu se obine prin reacia siliciului lichid i carbonul solid, reacie ce are loc la temperaturi situate peste temperatura de topire a siliciului (aprox. 1410C). Un corp poros de carbon este infiltrat cu siliciu lichid, matricea de carbon fiind convertit n SiC (Fig. CG.03.17). Principalul dezavantaj al acestui procedeu este atacul siliciului asupra fibrelor de carbon.

CSi(l) + C SiC

SiC

Figura CG.03.17. Etapele procesului de infiltrare cu siliciu [].

Aplicaii

Materialele compozite cu matrice ceramic sunt utilizate n special n industria aerospaial, deoarece posed o rezisten la rupere superioar, fiind capabile s surmonteze defectele fatale ale materialelor ceramice de tip monolit. Astfel, compozitele cu matrice ceramic sunt utilizate pentru confecionarea scutului termic al navetelor spaiale. La intrarea n atmosfera terestr, acesta trebuie s reziste la temperaturi care depesc 1500C timp de cteva minute. De asemenea, sunt utilizate la confecionarea componentelor turbinelor cu gaz ce funcioneaz n condiii severe, dar i pentru


24

realizarea implanturilor medicale. Compozitele C/SiC sunt folosite la confecionarea discurilor de frn ale mainilor de curse i avioanelor.

c_cg.03_materiale si compozite anorganice

Documents