Materiale compozite

MATERIALE  COMPOZITE

Prin definitie, conceptul de "compozit' este atribuit unui sistem complex alcatuit din mai multe materiale de natura diferita. in aceasta categorie intra o clasa foarte vasta de produsi. Materialele compozite au fost realizate de om din cele mai vechi timpuri. Astfel, chirpiciul si betonul armat reprezinta cele mai simple exemple de materiale compozite. Rezulta ca, prin asocierea materialelor componente, se obtin noi materiale cu proprietati deosebite, total diferite de ale componentelor individuale.

Este cunoscut faptul ca aliajele metalice prezinta proprietati superioare fata de cele ale componentelor constituente. Acelasi lucru se poate spune si despre materialele compozite ceramice sau polimerice.

Tinand cont de aceste aspecte o prima clasificare a materialelor compozite se face dupa provenienta acestora: lemn, oase, naturale bambus.

Actualmente materiale compozite polimerice prezinta un interes stiintific si tehnic deosebit, fapt ce justifica atat dezvoltarea cercetarilor in acest domeniu cat si a productiei de astfel de materiale.

Compozitele polimerice sunt materiale alcatuite, in principiu, dintr-un compus macromolecular si un agent de ranforsare sau de umplutura. Compusul macromolccular utilizat in acest scop poate fi un polimer termoplastic sau termoreactiv si este denumit matrice polimerica. Agentul de ranforsare sau de umplutura este dispersat omogen in matricea polimerica dar nu se dizolva in aceasta

Tehnologiile de obtinere a materialelor compozite sunt mult diferite de cele aplicate in cazul materialelor clasice. Forma si dimensiunile piesei influenteaza de cele mai multe ori alegerea tehnologiei de fabricatie a materialului compozit Exista procedee de obtinere care conduc numai la forme simple, altele dimpotriva se preteaza la obtinerea celor mai complicate forme.

Numarul pieselor ce trebuie fabricate intr-o serie de fabricatie determina, in mod decisiv, costul pregatirii de fabricatie ce cuprinde:

costuri aferente prototipului;

costuri aferente realizarii S.D.V.- isticii de serie;

costuri aferente materialelor directe si indirecte;

costuri aferente manoperei.

Natura matricei polimerice determina alegerea procedeului de obtinere.

In principiu se utilizeaza trei tipuri de sisteme polimerice:

rasini termorigide cu intarire la rece;

rasini termorigide cu intarire la cald;

polimeri termoplastici.

Calitatea pieselor din materiale compozite se apreciaza dupa urmatoarele criterii:

- reproductibilitatea raportului volumetric dintre matricea polimerica si agentul de ranforsare;

- omogenitatea materialului polimeric apreciata prin lipsa incluziunilor gazoase;

- starea suprafetei;

- stabilitatea si precizia dimensionala;

- rezistenta mecanica a materialului;

Ca in multe alte domenii productive, si in cazul materialelor compozite, elementele ce compun costul reperului se pot grupa intr-un criteriu de cea mai mare importanta privind alegerea tehnologiei de fabricatie.

Procedeele de obtinere a pieselor din materiale compozite pot fi impartite in:

tehnologii nepretentioase - ce conduc la executarea unor piese relativ scumpe, dar de calitate buna;

tehnologii pretentioase - ce conduc la executarea unor piese ieftine, dar de calitate modesta;

tehnologii sofisticate - ce conduc la obtinerea unor piese foarte scumpe, dar de o calitate ireprosabila.

Procedee de obtinere a materialelor compozite

1. Formarea prin turnare - este un procedeu devenit clasic in tehnologiile de obtinere a materialelor compozite. Se folosesc sisteme polimerice termorigide bicomponente, sarjate

cu pulberi anorganice de tipul rasinilor epoxilice, poliesterice nesaturate, vinii- esterice.

2. Formarea prin contact - este procedeul cel mai comun de obtinere a pieselor din materiale compozite. In calitate de S.D. V.-uri se utilizeaza forme deschise.

3. Formarea prin pulverizare simultana - reprezinta o varianta semiautomatizata a formarii prin contact.

4. Formarea in sac - constituie o imbunatatire substantiala a metodei formarii prin contact. Se poate aplica in trei variante tehnologice:

- formarea in vid;

- formarea sub presiune;

- formarea sub actiunea combinata vid-presiune;

5. Formarea prin injectie sub vid (RRLM)- aplicarea acestui procedeu presupune folosirea unei matrite metalice perfect calibrate. inainte de fixarea celor doua semimatrite se aseaza materialul de ranforsare. Apoi, ansamblul este vidat si astfel este introdusa fortat rasina.

6. Formarea prin presare la rece - reprezinta o varianta imbunatatita a procedeului pulverizarii simultane. Pe una din matrite se depune prin pulverizare simultana agentul de ranforsare si matricea polimerica apoi se aseaza contrarnatrita si intreg amestecul este mentinut sub presiune pana la intarirea sistemului reactiv.

7. Formarea prin presare la cald - este unul din procedeele cele mai performante de obtinere a pieselor din materiale compozite. In calitate de semifabricate in aceasta metoda se utilizeaza frecvent tesaturile preimpregnate.

8. Formarea premixurilor.

Premixurile reprezinta sisteme eterogene, cu matrice polimerica, continind materiale de umplutura sub forma de pulberi, fibre scurte, bile. Formarea premixurilor se face prin turnare, transfer, injectare sau presare.

9. Formarea prin stratificare continua - este una dintre metodele de obtinere continua a unor semifabricate din materialele compozite cum ar fi: profile plane, panouri ondulate, etc.

Pe o banda de celofan fara sfarsit se depun continuu un sistem catalizat si agent de ranforsare din fibra de sticla. Dupa depunere, materialul este acoperit cu o banda de celofan superioara, fiind apoi introdus intr-un cuptor, unde, in paralel cu intarirea are loc si profilarea. in final, cu ajutorul unui sistem automat se debiteaza materialul compozit.

10. Formarea prin pultruziune - este un procedeu continuu prin care se obtin profile de tip U, T, tuburi, etc. Tesaturile sau fibrele de ranforsare sunt impregnate cu un sistem reactiv, intr-o baie, intrand apoi intr-o filiera incalzita, in care are loc atat profilarea cat si reticularea matricei polimerice.

11. Formarea corpurilor de revolutie prin rasucire filamentara - in acest procedeu semicontinuu se folosesc in exclusivitate, in calitate de agent de ranforsare fibrele lungi.Acestea sunt impregnate intr-o baie cu un sistem reactiv si apoi sunt rasucite sub tensiune constanta pe o mandrina.

12. Formarea corpurilor de revolutie prin centrifugare - materialul de ranforsare este mulat pe peretii unei matrite circulare rotative. La viteze de 3.000 - 4.000 rot/minut se introduce sistemul reactiv, care impregneaza agentul de ranforsare sub actiunea unei forte centrifuge. Polimerizarea matricei polimerice se realizeaza prin incalzirea matricei.

13. Formarea materialelor termoplastice - in multe din aplicatiile materialelor compozite sunt folosite ca matrice polimerica materialele termoplastice clasice sau performante. Polimerul termoplastic este amestecat cu fibre scurte. Acest material se granuleaza si poate fi prelucrat prin procedee caracteristice materialelor plastice.Proprietati mecanice ale materialelor compozite

In cazul general al unui material oarecare trebuie sa ne asiguram ca materialul nu se va rupe si ca nu se va deforma excesiv sub o anumita forta de incarcare. Se considera ca incarcarile mecanice care actioneaza asupra unei structuri sau asupra unui component sunt de doua feluri: forte si cupluri. Fortele pot fi impartite in forte de intindere, de compresiune si de forfecare, iar cuplurile in momente de incovoiere si momente de torsiune. Toate acestea pot actiona izolat sau in mod combinat. De obicei se calculeaza valorile eforturilor directe (ca rapoarte intre fortele de intindere sau de compresiune si aria sectiunii transversale) si ale eforturilor de forfecare (ca rapoarte intre forta de forfecare si aria sectiunii). Un moment de incovoiere singur va da nastere la un efort direct, care va varia linear in adancimea componentului, de la un efort de intindere pe o suprafata la un efort de compresiune pe cealalta suprafata; o forta transversala va cauza atat eforturi de forfecare cat si eforturi directe. Un moment de torsiune va da nastere la eforturi de forfecare.

Dupa calcularea acestor eforturi se compara cu eforturile admisibile corespunzatoare si se poate afla daca materialul se va degrada sau nu in timpul exploatarii. Pentru definirea degradarii mecanice exista mai multe posibilitati.

Cea mai evidenta o reprezinta cazul separarii complete sau al ruperii, cand componentul nu mai poate suporta incarcarile aplicate.

O definitie mai generala arata ca, in momentul ruperii componentul respectiv nu mai poate indeplini functia pentru care a fost proiectat

Datorita proprietatilor pe care le au, materialele compozite au inceput sa patrunda in cele mai variate domenii ale tehnicii. Materialele compozite au devenit indispensabile pentru dezvoltarea unor domenii de varf: microelectronica, tehnica medicala, constructii aerospatiale.