Structura si proprietatile compozitelor durificate cu fibre

Structura si proprietatile compozitelor durificate cu fibre

Tema prezinta o categorie moderna de materiale - compozitele durificate cu fibre, cu proprietati si domenii de utilizare speciale.

Se trateaza principalele probleme lreferitoare la:

- natura fibrelor durificatoare;

- mecanismul durificari cu fibre;

- tehnologii de obtinere si structuri rezultate.

Timp de studiu - 1 ora.

Compozitele durificate cu fibre reprezinta o categorie moderna de materiale de interes deosebit pentru industria aerospatiala si energetica, in special pentru energetica nucleara. Aceste materiale, cu performante deosebite in privinta raportului ridicat intre rezistenta mecanica si greutate specifica (rezistenta specifica) si in mentinerea valorilor mari ale rezistentei mecanice la temperaturi inalte, sunt constituite dintr-o faza rezistenta si rigida dispersata sub forma de fibre aliniate intr-o matrice ductila. In conditiile existentei unei legaturi fibre - matrice si a unei corecte alegeri a materialului fibrelor si al matricei, are loc un transfer al solicitarilor mecanice de la matrice la fibre; compozitul manifesta o rezistenta mecanica apropiata de a fibrelor fara a prezenta insa fragilitatea acestora.

Pe acest principiu au fost realizate materiale compozite cu performante exceptionale, care isi gasesc utilizari industriale in pofida pretului lor uneori foarte ridicat, datorat tehnologiilor costisitoare de obtinere: compozite cu fibre de sticla si fibre de carbon incorporate in rasini sintetice (utilizate in constructia submersibilelor, caroseriilor auto, a compresoarelor avioanelor cu reactie); compozite cu fibre de bor sau de carbura de siliciu in matrice de aluminiu (paletele elicopterelor, elemente de structura ale avioanelor etc.). Cele mai importante utilizari ale compozitelor sunt insa de asteptat in urma cercetarilor de incorporare a fibrelor ceramice intr-o matrice metalica rezistenta la oxidare la temperaturi inalte. De la aceste materiale se asteapta depasirea actualului zid termic care limiteaza la circa 900 ^OC utilizarea materialelor metalice in conditii de solicitari mecanice mari in mediu oxidant. Asa cu rezulta din figura 1, in prezent aceasta limita de 900 ^OC este atinsa doar de superaliajele pe baza de Co si Ni; otelurile aliate se situeaza la o limita joasa de circa 600 ^OC, iar aliajele de titan si cele de aluminiu la 350 ^OC, respectiv 150^OC, ceea ce reprezinta doar 1/6 din temperatura absoluta de topire a metalului de baza.

1 Natura fibrelor durificatoare

Asa cum s-a aratat caracteristica principala a compozitelor durificate cu fibre consta in faptul ca proprietatile celor doua componente ale ansamblului (fibre - F si matrice - M) sunt complementare, producand un efect sinergetic, de cooperare. In acest mod proprietatile ansamblului sunt superioare proprietatilor componentelor individuale, compozitul imbinand calitatile dar nu si defectele materialelor fibrelor, respectiv ale matricei, datorita unui mecanism special de transfer al sarcinii mecanice de la matrice la fibre. Un asemenea mecanism nu actioneaza, spre exemplu in materialele de tip cermeturi, care mentin intr-o anumita masura defectele componentelor, fiind, de exemplu vulnerabile la oxidare ca si metalele si la fel de fragile ca materialele ceramice.

Materialele ceramice (alumina, oxidul de zirconiu, silicea, silicatii etc.) care constituie fibrele compozitelor in majoritatea materialelor de acest tip produse pana in prezent, poseda proprietati intrinseci exceptionale datorate, in principal legaturii interatomice covalente : rezistenta perfecta la oxidare, greutate specifica de doua - trei ori mai mica decat a otelurilor asociata cu valori ale modulului de elasticitate si ale rezistentei la rupere de circa trei ori mai mari decat a celor mai bune oteluri, si nu in ultimul rind pastrarea rezistentei mecanice la temperaruri ridicate. Aceste calitati sunt insa neutilizabile in totalitate datorita defectelor interne si superficiale care favorizeaza fragilitatea materialelor ceramice. Cand aceste materiale sunt prelucrate sub forma de fibre subtiri, numarul si importanta defectelor interne si superficiale scade iar cand aceste fibre sunt incorporate intr-o matrice tenace ele sunt protejate de aparitia unor noi defecte. In compozitul durificat cu fibre daca anumite fibre defecte se rup, ruperea nu se propaga fiind oprita de plasticitatea matricei, iar sarcina mecanica este transmisa de matrice celorlalte fibre.

Fig.1 Rezistenta mecanica a diferitelor materiale metalice functie de temperatura

Tabelul 10.1

Proprietatile mecanice ale principalelor tipuri de fibre

Materialele metalice pot indeplini in conditii optime rolul de fibre durificatoare in compozite in cazul in care se afla sub forma de monocristale filiforme perfecte (whiskers). Fiind lipsite de defecte ale retelei cristaline aceste monocristale filiforme ating rezistente mecanice apropiate de valoarea teoretica, care este considerabil mai mare decat rezistenta materialelor tehnice obisnuite.

In tabelul 10.1 sunt prezentate proprietatile mecanice ale principalelor tipuri de fibre folosite la producerea compozitelor durificate cu fibre.

14.2 Mecanismul durificarii cu fibre

Performantele exceptionale de rezistenta mecanica ale compozitelor se datoresc suportarii sarcini de catre fibre, carora le-a fost transmisa solicitarea de la matrice.

In figura 14.2 a, se presupune o fibra incorporata in matrice dar fara o legatura la interfata fibra-matrice. La aplicarea unui efort asupra ansamblului, fiecare componenta se deformeaza independent conform modulului sau de elasticitate .

Presupunand insa ca la interfata fibra-matrice exista o buna legatura chimica, cele doua componente ale ansamblului devin solidare si (asa cum s-a considerat in figura 2 a, fibra cu modul deelasticitate mai mare decat al matricei) deformarea mtricei este micsorata de prezenta fibrei (v. fig. 2 b) . La interfata deformarea matricei este mai mica fiind egala cu a fibrei, dar pe masura cresterii distantei fata de fibra, deformarea matricei creste, ajungand ca la distanta d_m influenta fibrei sa nu se mai exercite si matricea sa se deformeze liber; distanta d_m reprezinta diametrul de actiune al fibrei.

Din examinarea figurilor 2 a si b rezulta ca diferenta de alungire intre fibre si matrice, rezultata din diferenta dintre modulele de elasticitate ale celor doua componente reprezinta "pargia" prin care se transfera sarcina de la matrice la fibre in compozitul durificat.

Fig. 2 Mecanismul transferului de sarcina de la matrice la fibra

a - fibra nu este solidara cu matricea;

b - fibra este solidara cu matricea

Comportarea solidara sub efort a ansamblului fibre - matrice, impusa de legatura existenta la interfata lor, da nastere unor tensiuni atat in materialul fibrelor cat si in materialul matricei: matricea care are tendinta de a se deforma mai mult induce in fibre tensiuni de intindere, care prin reactiune provoaca in matrice tensiuni de forfecare in planele paralele cu axa fibrei; aceste tensiuni diminiueaza in intensitate pe masura indepartarii de fibra, iar la distanta d_m devin nule.

Valoarea acestor tensiuni din matrice depinde de lungimea fibrelor. Acest lucru justifica constatarea ca in cermeturi mecanismul de transfer al sarcinii nu actioneaza. Justificarea acestei dependente este data tot de analiza prenentata in figura 2 . Se constata ca daca presupunem lungimea compozitului divizata in segmente egale, la mijlocul fibrei diferenta intre deformatia fibrei si a matricei este nula . Aceasta diferenta creste (matricea se deformeaza din ce in ce mai mult) pe masura ce lungimea considarata a fibrei creste. Rezulta deci ca o data cu cresterea lungimii fibrelor mecanismul de transfer al sarcinii de la matrice la fibra este mai eficient . Se poate demonstra, ca marirea lungimii fibrelor peste o valoare critica nu mai are efect. Acest lucru se atinge in cazul in care tensiunile in matrice depasesc limita de curgere.

Se defineste gradul de transfer al sarcinii ca raportul dintre modulele de elasticitate ale fibrei si matricei, iar gradul de durificare al compozitului raportul dintre rezistenta la rupere a fibrei si a matricei. Intre aceste doua marimi exista o relatie de proportionalitate, raportul de proportionalitate fiind raportul volumelor de fibra si de material al matricei care formeaza compozitul:

Aceasta relatie poate fi interpreata ca exprimand faptul ca fibrele din compozit vor fi cu atat mai solicitate cu cat modulul lor de elasticitate este mai ridicat in raport cu al matricei si cu cat fractia in volum a fibrelor in compozit este mai mare. Relatia se reprezinta grafic sub forma diagramei Krock prezentata in figura 3. Examinarea acestei diagrame indica urmatoarele:

- pentru realizarea unui grad de durificare propus, proportia necesara de fibre in compozit trebuie sa fie cu atat mai mare cu cat gradul de transfer al sarcinii este mai mic;

-imbinarea de materiale cu un grad de durificare s_f s_m subunitar nu formeaza un compozit durificat;

- imbinarea de materiale cu un grad de transfer al sarcinii E_f / E_m subunitar, de asemenea nu formeaza un compozit durificat.

In concluzie numai materialele cu raport al valorilor proprietatilor mecanice care le situeaza in afara zonelor punctate din diagrama Krock pot forma compozite durificate. Materialele situate in zona A pot forma compozite durificate, dar pretind o proportie mare de fibre in compozit; materialele din zona B pot realiza acelasi grad de durificare si utilizand proportii mai mici de fibre in compozit.

Analiza rezentata a avut in vedere ipoteza ca fibrele compozitului au lungimea egala cu a materialului considerat (compozit cu fibre continui) . Aceasta conditie nu este strict necesara, fiind posibila durificarea si cu fibre discontinui, a caror lungime este mai mica decat lungimea materialului. Fenomenul important in comportarea compozitului nu este aparitia fisurilor ci modul lor de propagare. Din acest punct de vedere trebuie facuta distinctia intre compozitele cu matrice fragila si compozitele cu matrice tenace.

In cazul compozitelor cu matrice fragila fisura se propaga in aceasta pana intalneste o fibra, cand propagarea fisurii va fi oprita, sau reflectata de fibre. Acest lucru face ca in acest caz sa fie preferate fibrele sub forma de foi aliniate in loc de fibre cilindrice, deoarece fisurile nu vor traversa fibrele, ci vor fi intotdeauna reflectate.

Considerand propagarea fisurilor intr-un compozit cu matrice metalica si fibre ceramice (compozitele care prezinta cel mai mare interes pentru utilizari la temperaturi inalte), spargerea unei fibre nu are efecte mari deoarece sarcina va fi preluata de celelate fibre iar propagarea fisurii va fi oprita prin deformarea plastica locala a matricei. Fragmentele rezultate ale fibrelor sparte preiau si ele o parte a sarcinii; totodata se poate considera ca fragmentele fibrelor sparte vor fi acum lipsite de defecte, putand rezista acum la sarcini mai mari decat fibra intrega, dar cu defecte de suprafata.

O proprietate importanta a compozitelor este energia de smulgere a fibrelor. In conditiile existentei unei legaturi puternice la interfata fibre-matrice, efortul de intindere aplicat compozitului in directie longitudinala (adica pe lungimea fibrelor) are tendinta sa smulga fibrele discontinui. Acest lucru nu este posibil pentru ca matricea, solidara cu fibrele, se deformeaza plastic prin forfecare in toate planele paralele cu fibra; in acest mod smulgerea fibrei necesita un lucru mecanic denumit energia de smulgere a fibrelor. Aceasta reprezinta o caracteristica noua a ansamblului compozit pe care nici matricea nici fibrele considerate separat nu o aveau.

3 Tehnologii de obtinere si structuri rezultate in compozitele durificate cu fibre

Prima problema care se pune la fabricarea compozitelor durificate cu fibre este alegerea materialelor componentelor in functie de conditiile de utilizare. Spre exemplu, pentru utilizari la temperaturi inalte fibrele trebuie sa prezinte rezistenta mecanica la cald, iar matricea rezistenta la uzare. Este foarte important faptul ca intr-un compozit solicitarile mecanice sunt suportate de fibre matricea avand rolul de a proteja fibrele contra oxidarii, coroziunii, a lovirilor si frecarilor. Este evident faptul ca procedeele de fabricatie trebuie sa asigure exercitarea acestui rol inca din momentul formarii compozitului.

A doua problema este incorporarea fibrelor in matrice, operatie care trebuie sa raspunda la trei exigente fundamentale : distributia uniforma a fibrelor, alinierea acestora intr-o directie comuna si realizarea unei legaturi intre fibre si matrice.

Alinierea perfecta si distributia uniforma se obtin in majoritatea cazurilor prin operatii manuale. Se utilizeaza alte metode ca: pe tabla metalica ce va reprezenta matricea se corodeaza (printr-un procedeu fotorezistiv analog celui aplicat la fabricarea circuitelor integrate) pozitia fibrelor individuale, obtinandu-se siruri paralele de adancituri in care se plaseaza fibrele, care se asambleaza apoi in pachete tip sandvis. O alta metoda consta in utilizarea matricei sub forma de tabla ondulata in ale carei adancituri se plaseaza fibrele. Acestea se asambleaza fie in spirala, figura 4 a, fie in pachet (v. fig. 4 b) si sunt apoi supuse extruziunii la cald, opratie executata astfel incat pozitia fibrelor sa nu fie modificata.

Realizarea unei legaturi fibre - matrice este o problema dificila la utilizarea fibrelor de carbon sau a unor fibre ceramice intr-o matrice metalica. Dificultatea consta in a asigura udarea fibrelor de catre matrice fara a se forma la interfata straturi de difuzie care sa altereze caracteristicile fibrelor. Aceasta problema este rezolvata prin "imbracarea" fibrelor intr-un invelis metalic de Ti, Mo sau W sau prin utilizarea unor matrice cu tensiune superficiala mica in raport cu materialul fibrelor, ca de exemplu aliaje Ni - Ti cu continut ridicat de titan.

3.1 Metode de incorporare indirecta a fibrelor

Fibrele sunt preparate separat, dupa aliniere si distribuire uniforma sunt incorporate in matrice prin una din metodele :

A. Simpla lipire. Este cazul matricelor din rasini sintetice aplicate in straturi altermnante cu straturi de fibre. Metoda se utilizeaza la scara industriala pentru fabricarea compozitelor cu fibre de sticla sau cu fibre de carbon.

B. Infiltrarea. Fibrele sunt aliniate intr-o forma corespunzatoare piesei si printre ele se infiltreaza (sub vid sau sub presiunea unui gaz inert) materialul matricei in stare lichida. Metoda nu da intotdeauna rezultate deoarece matricea metalica lichida ataca fibrele (cu exceptia fibrelor ceramice). Rezultate convenabile s-au obtinut prin infiltrarea argintului lichid intre whiskers de safir.

Fig.4 Obtinerea compozitelor durificate cu fibre prin utilizarea

matricei sub forma de tabla ondulata asamblata

a- in spirala; b - in pachet

C. Metalurgia pulberilor. Fibrele sunt dispersate in pulberea metalica ce va constitui matricea, care se consolideaza prin sinterizare.

D. Depunerea electrolitica a matricei in jurul fibrelor. Este o metoda avantajoasa intrucat se realizeaza la temperaturi scazute si se evita astfel atacul fibrelor de catre matrice. Poate fi aplicata numai la fractii mici in volum de fibre, deoarece la proportii mari matricea nu se mai obtine compacta. O compactizare ulterioara se poate realiza prin presare la cald, asa cum se procedeaza pentru compozitul cu fibre de carbon in matrice de nichel prezentat in figura 5 a.

a    b

Fig. 5

a. Obtinerea compozitelor durificate cu fibre prin depunere electrolitica

b. Obtinerea compozitelor durificate cu fibre prin solidificarea unidirectionala a eutecticelor

E. Depunerea chimica in bai de saruri sau in mediu gazos. Prin a doua metoda s-a obtinut depunerea unei matrici de titan pe monocristale filiforme perfecte de oxid de aluminiu, sau a unei matrici de molibden pe fibre de carbura de siliciu.

F. Incorporarea prin deformare plastica a matricei. Presarea la cald a unui sandvis constituit din straturi alternante de fibre respectiv de matrice in folie, se aplica la scara industriala pentru obtinerea compozitelor cu fibre de bor in matrice de aluminiu. Fibrele de bor au un miez fin de wolfram care serveste la prepararea lor si un strat superficial subtire de SiC care amelioreaza aderenta fibrelor la matricea de aluminiu. Procedeul de deformare plastica utilizat este extrudarea care prezinta avantajul ca permite realizarea unei curgeri paralele a matricei care creaza la interfata cu fibrele o suprafata proaspata si curata asigurand o legatura perfecta cu fibrele.

3.2 Metode directe de incorporare a fibrelor

Aceste procedee au la baza principiul formarii fibrelor si a cresterii matricei prin procese simultane, ceea ce evita problemele dificile de manipulare si aliniere a fibrelor.

In aceasta categorie se incadreaza urmatoarele doua procedee:

A. Solidificarea unidirectionala a eutecticelor. Aliajele de compozitie eutectica, avand o compozitie plurifazica, ofera posibilitatea de a orienta fazele in momentul solidificarii prin racire dirijata. Solidificarea unidirectionala (eliminarea caldurii prin extremitatea lingoului) produce un front de cristalizare plan si perpendicular pe directia de solidificare. La ecutecticele cu microstructura regulata faza minoritara a eutecticului creste, in acet caz , sub forma de fibre in directia gradientului de temperatura; lichidul dintre fibre depune cealalta faza care incorporeaza automat fibrele Se obtine astfel un compozit ideal, cu fibre nealterate la interfata fibra-matrice. Un astfel de exemplu este prezentat in figura 5 b, care reda micrografia electronica a compozitului cu fibre de wolfram in matrice de solutie solida de Ni-W obtinut prin solidificarea unidirectionala a eutecticului care se formeaza in acest sistem de aliaje.

Cu toate avantajele incontestabile metoda prezinta posibilitati limitate de aplicare din urmatoarele motive :

- nu poate fi reglata compozitia si proprietatile fazei durificatoare;

- nu poate fi modificat raportul dintre volumul de fibre si matrice;

O aplicare interesanta a procedeului o constituie utilizarea eutecticelor pseudobinare din sistemele de aliaje ternare si polinare ca de exemplu compozitul cu fibre de TaC in matrice de solutie solida Co-Ta-C, compozitul cu fibre de crom in matrice de solutie solida de Ni - Al sau compozitul cu fibre de compus Nb₈Fe₇Cr₂ in solutie solida Fe-Cr-Nb.

Fig. 6 Formarea fibrelor prin deformare plastica

B. Formarea "in situ" a fibrelor prin deformare palstica. O structura bifazica, deliberat aleasa, prin prelucrare prin deformare plastica la rece, cu grade mari de deformare se poate transforma intr-un compozit durificat cu fibre. Un astfel de exemplu este prezentat in figura 6. Structura initiala formata din granule de W intr-o masa metalica de solutie solida Ni-Cr se obtine prin infiltrarea aliajului Ni-Cr in pulbere de wolfram. Un asemenea compozit cu 70 % W in matrice de Ni 40 % Cr prezinta dupa prelucrarea prin deformare plastica la rece cu un grad de deformare de 90 %, o rezistenta la rupere in conditii de exploatare la temperatura de 870 ^OC de 45 daN/mm² , in timp ce matricea fara fibre prezinta la aceeasi temperatura o rezistenta de numai 5 daN/mm^2..

Addenda

rezistenta specifica;

materiale compozite;

fibre durificatoare;

matrice (ductila);

Whiskers;

transfer de sarcina (de la fibra la matrice);

gradul de transfer;

gradul de durificare;

energia de smulgere;

metode de incorporare indirecta a fibrelor;

metode directe de incorporare a fibrelor;

Teme de casa

1. Definiti, explicati si dezvoltati termenii si notiunile prezentate in Addenda.