cursuri sim

Download cursuri sim

Post on 14-Sep-2015

236 views

Category:

Documents

2 download

Embed Size (px)

DESCRIPTION

stiinta si ingineria materialelor

TRANSCRIPT

  • 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