Universitatea Dunărea de Jos din Galaţi,Facultatea de Mecanică,Specializare: Inginerie Mecanică ,ANUL IV

PROIECT STRUCTURI COMPOZITE

Indrumator: Dr. Ing Elena Beznea Student: Jalba Silviu

2009-2010

1

CUPRINS

1 Alegerea structurii.2 Alegerea compozitului: fibra+matrice.3 Generalitati, caracteristicile celor doua

componente.4 Pe baza legilor micromecanice se va calcula

pentru compozit: Ex, Ey, µ, G.5 Exemple , fibra, matrice si compozit.6 Domeniul de utilizare.7 AUTOCAD geometria modelului.8 Modelare COSMOS.9 Poze.10 Bibliografie.

2

ALEGEREA STRUCTURII

Structura numita “statie de autobuz “ alcatuita din bare ,cu diametrul de 0.05 m, si placi ,cu grosimea de 0.03 m. Are urmatoarele dimensiuni:

- lungimea de 3m;- latimea de 1m;- inaltimea de 2m.

3

ALEGEREA COMPOZITULUI: fibra+matrice:

Fibra de carbon + rasina epoxidica Vf=0.5 Vm=0.5

1. Generalitati, caracteristici acestor doua componente

Caracteristici Epoxi: - modul lui Young pe directia fibrei Exm = 3,4 GPa ;- modul lui Young transversal Eym = 3,4 Gpa ;- coeficientul lui Poisson µm= 0,3 ;- Modul de forfecare G12 = 1,3 Gpa ;- Fractia volumica Vm = 0,5

Caracteristici fibra de carbon: - modul lui Young pe directia fibrei Exf = 230 GPa ;- modul lui Young transversal Eyf = 22Gpa ;- coeficientul lui Poisson µf = 0,3 ;- Modul de forfecare G12 = 22 Gpa ;- Fractia volumica Vf = 0,5.

4

2. Evaluarea constantelor elastice pentru compozitul Epoxi – fibra

de carbon: 1. Modul lui Young pe directia fibrei – Ex:

2. Modul lui Young transversal – Ey:

3. Coeficientul lui Poisson – µ :

4. Modulul de forfecare – G12 :

5

1.Generalitati.Incercarile de obtinere a unor noi materiale superperformante au condus la dezvoltarea unei clase de produsi cunoscuti sub denumirea de materiale compozite. Materialele compozite ,impreuna cu ceramicile tehnice, polimerii tehnici ca si noile materiale metalice fac parte din categoria “noilor materiale” constituind un domeniu prioritar , si dezvoltate industrial.Este un domeniu considerat proces continuu de inovare tehnologica ,interdisciplinar, intre metalurgie, chimia polimerilor, metalurgia pulberilor , ceramicaetc.Acest lucru explica si cresterea consumului unor astfel de materiale , din [1] inregistranduse evolutia din fig.1 :

Fig.1-Evolutia consumului de materiale intre 1950-2000.

Materialele compozite sunt considerate a fi “materiale din generatia a 2-a “.Ele s-audezvoltat pentru obtinerea unor materiale cu proprietati mecanice, tehnice, electrice, chimice,fizice, optice si de prelucrabilitate superioare materialelor traditionale, ca inlocuitor pentru metale sau unele mase plastice.Materialele compozite sunt neomogene si anizotrope , neavand aceleasi proprietati mecanice in toate punctele si in toate directiile, raspunzand cerintelor actuale impuse industriei de a realiza produse cu un consum minim de metal, prin premisa “sindromului usurarii”, motiv pentru care ele au aplicatii mai ales in tehnicile de varf. Inindustria electrotehnica se folosesc compozite cotinand materiale plastice speciale, rasinipoliamidice, siliconi, policarbonati, polibutilenite pentru izolatii si piese de legatura.In

6

domeniul telecomunicatiilor se folosesc materiale compozite la izolatii de cabluri telefonice din polietilena , respectiv poliamide.Studiul sistematic al noilor materiale electroizolante utilizate in retelele electrice, a dus laelaborarea unor materiale cu caracteristici mult imbunatatite dupa cum urmeaza :a)Rezistenta sporita la imbatranirea tehnica a materialelor izolante prin reticularea structurii moleculare.Cu ajutorul legaturilor chimice suplimentare ale polimerilor , proprietatile fizice ale materialelor izolante se pot imbunatatii astfel incat se obtine o durata de viata de 30-40 de ani.b)Rezistenta sporita la radiatii UV, datorita cerintelor de stabilitate a curentului de inaltatensiune.In cazul polimerilor nu este permisa utilizarea pulberilor de absorbant de radiatii UV.c)Capacitatea de “memorie elastica” a formei.In cazul materialelor termocontractabile ,“memoria” formei inseamna ca acestea se pot prefabrica in asa fel incat in timpul montajului sa ia o anumita grosime de perete prestabilita.d) Invulnerabilitate la agresiuni mecanice si rezistenta la propagarea focului (cu autostingere) obtinute la materialele izolatoare polimerice

2) Fibra carmonica

Fibra de carbon este un material care reuseste sa atraga. Stim cu totii ca fibra de carbon este usoara si ca ea este utilizata la fabricarea unor parti ale masinilor de performanta, ale avioanelor si ale navelor spatiale. Insa materialul inventat acum mai putin de patru decenii are o multime de secrete.

Fibra de carbon a fost inventata in anii '70, in incercarea de a crea materiale brute alternative. Aceasta este realizata din fibre derivate din procesarea petrolului si contine 85% carbon. Fibra de carbon este realizata din filamente de carbon impletite. Atunci cand a fost inventata fibra de carbon, un singur filament de carbon al acesteia avea un diametru intre 7-8 micrometri. Acum, diametrul fibrei de carbon moderne este de aproximativ cinci micrometri

.

7

Inventatorul fibrei de carbon este Doctorul Roger Bacon. Fizicianul britanic considera ca el nu a descoperit nanotuburile fibrei de carbon, ci doar materialul rezultat in urma prelucrarii acestora.

Rolls-Royce a fost foarte aproape de a fi singura companie care produce fibra de carbon la nivel mondial. Patentul a fost vandut catre trei companii, iar Rolls-Royce a incercat sa obtina monopolul de fabricare al acestui produs. Din nefericire pentru britanici, planurile Rolls-Royce de a construi pale de elice pentru motoarele avioanelor s-a dovedit a fi lipsit de succes. Palele fabricate din prima generatie de fibra de carbon erau extrem de vulnerabile la loviturile cu pasarile zburatoare.

Astazi, trei companii japoneze aduna nu mai putin de 70% din productia totala de fibra de carbon la nivel global: Toray Industries Inc., Teijin Ltd. si Mitsubishi Rayon Co. In total, doar 11 companii produc fibra de carbon in intreaga lume. Doar 1% din productia totala de fibra de carbon este utilizata in industria auto.. Cel mai mare procent ii apartine industriei aerospatiale. Totusi, ponderea domeniului aerospatial in industria fibrei de carbon a scazut cu 10% in patru ani, in timp ce piata fibrei de carbon a crescut cu 25% in timpul acestei perioade.

In primii ani dupa descoperirea materialului, un kilogram de fibra de carbon costa 20 milioane de dolari. Astazi, desi pretul sau a scazut enorm, fibra de carbon costa de 30 de ori mai mult decat otelul. In momentul in care fibra de carbon ar ajunge la un pret care ii va facilita intrarea in modele de serie, masa acestora ar scadea cu cel putin 50%. Fibrele de carbon sunt materiale paradoxale: au proprietati similare cu ale azbestului, insa structura lor atomica este similara cu cea a grafitului. Pentru a realiza un element din fibra de carbon, tesatura de fibra (asemanatoare ca aspect cu o tesatura apretata din in) este impletita in diferite moduri si apoi se aplica o rasina pe aceasta. Materialul obtinut este pus in matrite si este dus intr-o autoclava pentru a fi incalzit. Temperatura din autoclava urca treptat de la 200-300 grade Celsius, pana la 1300 grade Celsius – in ultima faza. Acest proces elimina azot si hidrogen. Elementele simple din fibra de carbon – cele care nu au forme complexe - pot fi fabricate cu ajutorul unui utilaj cu vacuum. Bineinteles, rasina epoxidica si matritele sunt inca folosite, iar temperatura si umiditatea din acest utilaj sunt controlate pentru a obtine un produs corespunzator. Exista fibra de carbon facuta cu materiale de calitate inferioara. Pentru a fabrica elemente din fibra de carbon, tesatura de carbon trebuie sa fie imbibata cu o rasina. Cea mai ieftina optiune este rasina din poliester, pe cand varianta optima este rasina epoxidica. Piesele fabricate din fibra de carbon cu rasina din poliester vor avea o reflexie albastruie si pot sa sufere crapaturi ulterioare. De obicei, rasina din poliester este utilizata la fabricarea pieselor contrafacute din fibra de carbon.

Rezistenta materialului este obtinuta prin numarul de straturi de fibra de carbon folosite. Marea majoritate a producatorilor de elemente low-cost din fibra de carbon folosesc unu sau doua straturi de fibra de carbon, care sunt aplicate unui element din fibra de sticla. Companiile premium care fabrica produse din fibra de carbon folosesc doua sau trei straturi de fibra de carbon la produsele lor. Marginile si colturile sunt sigilate cu ajutorul unui element denumit Avio-fiber, acesta fiind la randul sau o fibra, insa provenita din

8

matase. O janta din fibra de carbon cu diametrul de 17 inch cantareste aproximativ 2.8 kilograme si are un pret de circa 3000 de euro. Pe langa aspectul inedit si masa redusa, aceste jante nu pot fi distruse cu usurinta si au o rezistenta structurala deosebita, care permite folosirea unor dimensiuni neobisnuite.

Spre deosebire de metale, fibra de carbon nu poate fi descompusa termic in aer liber. Fibra de carbon poate fi descompusa prin metode termice doar intr-un mediu lipsit de oxigen.

Fibra de carbon are o durata de viata comparabila cu cea a aliajelor din aluminiu si nu are o limita de anduranta in materie de reciclare. Mai exact, fibra de carbon poate fi reciclata de nenumarate ori.

Fibra de carbon poate fi reciclata prin tocare, dar acest proces scurteaza fibrele din interiorul materialului si totodata micsoreaza durata de viata si rezistenta pieselor. Reciclarea fibrei de carbon prin tocare este comparabila cu reciclarea hartiei prin aceeasi metoda. Desi este mai slaba decat a plecat prima data din fabrica, fibra de carbon reciclata prin tocare poate fi folosita pentru elemente de consum cum ar fi laptop-urile si ochelarii, deoarece acestea nu necesita o rezistenta materiala extrema.

In anul 2009 s-a produs de trei ori mai multa fibra de carbon decat in anul 2004. Desi este similara cu azbestul in unele privinte, fibra de carbon in starea prezenta in comert nu este daunatoare pentru sanatatea omului. Nici macar pudra de fibra de carbon inhalata in cantitati mici nu provoaca afectiuni. In schimb, expunerea indelungata la filamente de carbon fara protectia corespunzatoare poate provoca anumite afectiuni pulmonare. Efectele negative ale fabricarii manuale de fibra de carbon sunt similare cu cele ale fabricarii fibrei de sticla, deoarece sunt folosite rasini epoxidice, acestea daunand sanatatii.

Obiectele de uz personal la productia carora este utilizata fibra de carbon sunt rare si sunt considerate high-end, pretul lor fiind pe masura. Dintre acestea enumeram: crosele de golf, scaunele cu rotile, unditele, rachetele de tenis, caiacele, canoele si vaslele sportive, arcurile si sagetile sportive, echipamentele foto sau palele morilor de vant. Printre utilizarile mai putin obisnuite ale fibrei de carbon se numara inelele, piesele de table si sah, pixurile, pantofii sport, bolurile pentru caini si bricegele.

Viitoarele masini electrice de la BMW vor avea componente din fibra de carbon

BMW a semnat un contract cu cei de la SGL Group pentru constructia de elemente de caroserie usoare, fabricate din fibra de carbon. Acestea vor fi utilizate pe noile sale modele electrice, incluse in proiectul Megacity. Desi acestea vor fi orientate catre segmentul premium, divizia BMW responsabila de proiectul Megacity va tinti catre rivalii de la Daimler – Smart.

Pentru prima data, doua fabrici din America de Nord si Germania vor forma un consortiu urias pentru productia de elemente de fibra de carbon la scara larga, care

9

vor fi utilizate pe vehicule de serie. Utilizarea elementelor din fibra de carbon va reduce semnificativ masa vehiculelor electrice de la BMW. Cele doua companii vor investi in jur de 230 de milioane de euro in noul proiect pentru fabricarea de elemente de caroserie din fibra de carbon

3) Rasina Epoxidica Rasina epoxidica face parte din grupa compozitelor cu matrice organica , cu armare dispersa, care consta dintr-o matrice deformabila (polimeri) in care se inglobeaza materialul complementar, constituit din fibre sau particule, fortele fiind de natura fizica si/sau chimica.Se foloseste pentru umplerea mansoanelor de medie tensiune.Materialul organic folosit ca matrice este termorigid(sufera in timpul formarii o reactie chimica , ireversibila, de polimerizare). Rasinile epoxidice nu pretind conditii de caldura si presiune pentru a reticula, conduc la materiale cu rezistente mecanice sau chimice mari, au o contractie mica si o aderenta deosebita.Sunt excelente materiale izolatoare , avand o rezistenta dielectrica ridicata ,rezistenta la arc electric , caracterizandu-se printr-o buna stabilitate termica(peste 260°C) si printr-o foarte mica absorbtie de apa . Limitele intre care variaza principalele proprietati ale rasinilor epoxidice sunt prezentate in tabelul urmator :

Proprietatile mecanice ale rasinilor epoxidice depind de natura agentului de ranforsare. Prin ranforsare cu fibre de sticla aramidice sau de carbon se obtin materiale compozite cu rezistente mecanice deosebite.Proprietatile termice ale rasinilor epoxidice

10

depind de structura lor chimica si de modul de intarire.In general rezistenta termica a rasinilor epoxidice este cuprinsa in intervalul 150...180°C (pentru functionare continua), dar pentru intervale scurte de timp ele suporta temperaturi de pana la 200°C.Compozitele cu matrice epoxidica Acest tip de compozite au pretul mai mare decât cele poliesterice, dar se bucura de proprietati superioare care le recomanda pentru utilizarea în produse din domeniile de vârf. Rezistenta la forfecare interlaminara este ridicata si se datoreaza faptului ca matricele epoxidice asigura cea mai buna legatura cu fibrele. Chiar si în acest caz se utilizeaza agenti de cuplare care sa reduca în special efectele mediului de lucru asupra rezistentei la rupere.

MODELAREA COSMOS a structurii „Statie de autobuz”

Asupra structurii actioneaza o forta din vant pe directia 0x p= 1545 N si o incărcare cu valoarea de p = 5000 N ,pe direcţia (oy), considerându-se ca această valoare o are greutatea unui m3 de zăpada .

11

REZULTATELE ANALIZEI

Tensiunea efectivaPENTRU OTEL

PENTRU COMPOZIT

12

TENSIUNEA σxPENTU OTEL

PENTRU COMPOZIT

13

DEPLASAREA EFECTIVA PENTU OTEL:

14

PENTRU COMPOZIT:

DEPLASAREA PE XPENTRU OTEL:

15

PENTRU COMPOZIT:

BIBLIOGRAFIE: -www.automarket.ro/.../20-de-lucruri-pe-care-nu-le-stiai-despre-fibra-de-carbon-21060.html –

16

-TRASATURI GENERALE ALE MATERIALELOR COMPOZITE SI NANOCOMPOZITE ÎN CADRUL STIINTEI CARBONULUwww.icpeca.ro/.../G.A.%20RIMBU_ Trasaturi %20 generale %20ale%20 materiale lor%20carbonice... - MATERIALE ELECTROIZOLANTE PERFORMANTEFOLOSITE IN EXPLOATAREA RETELELOR ELECTRICEDrd.ing.Antonescu Catalin E.D.F.E.E.Craiova www.utgjiu.ro/conf/8th/S4/03.pdf

17