MATERIALE COMPOZITE
Introducere
Materialele compozite au fost concepute pentru a înlocui, într-o proporţie tot mai mare, materialele tradiţionale feroase şi neferoase, care sunt caracterizate de unele neajunsuri referitoare la performanţele, procedeele de obţinere şi prelucrare, gabarite, mase, complexităţi geometrice, domenii de utilizare şi costuri importante. Materialele compozite sunt materiale cu proprietăţi anizotrope, formate din mai multe componente, a căror organizare şi elaborare permit folosirea celor mai bune caracteristici ale componentelor. Din punct de vedere tehnic, noţiunea de materiale compozite se referă la materialele care posedă următoarele proprietăţi:
- sunt create artificial, prin combinarea diferitelor componente;
- reprezintă o combinare a cel puţin două materiale deosebite din punct de vedere chimic, între care există o suprafaţă de separaţie distinctă;
- prezintă proprietăţi pe care nici un component luat separat nu le poate avea.
Avantajul major, esenţial al compozitelor constă în posibilitatea modulării proprietăţilor şi obţinerea în acest fel a unei game foarte variate de materiale, a căror utilizare se poate extinde în aproape toate domeniile de activitate tehnică. Practic, materialele compozite sunt formate dintr-o matrice (plastică, ceramică sau metalică) şi elemente de armare (ranforsanţi), care sunt dispuse în matrice în diferite proporţii şi orientări. Armătura conferă materialului compozit o rezistenţă ridicată şi reprezintă elementul principal de preluare a sarcinii, iar matricea are rolul de material de legătură între elementele de armare şi mediul de transfer al sarcinii exterioare spre acestea.
În general, aceste două faze nu reacţionează între ele şi se aleg astfel încât să fie inerte una faţă de cealaltă în condiţiile utilizărilor.
Materialele compozite prezintă o serie de avantaje între care se menţionează:
- masă volumică mică în raport cu metalele (de exemplu compozitele din răşini epoxidice armate cu fibre de siliciu, bor şi carbon au masă volumică sub 2 kg/dm3)
- rezistenţă mare la tracţiune (compozitul denumit Kevlar, polimer organic cu fibre de aramide, are o rezistenţă la tracţiune de două ori mai mare decât a sticlei);
- coeficient de dilatare foarte mic în raport cu metalele;
- rezistenţă la şoc ridicată;
- durabilitate ridicată
- capacitate mare de amortizare a vibraţiilor;
- siguranţă mare în funcţionare (ruperea unei fibre dintr-o piesă din material compozit nu constituie amorsă de rupere);
- consum energetic scăzut şi instalaţii mai puţin costisitoare în procesul de obţinere, în raport cu metalele;
- rezistenţă chimică şi rezistenţă mare la temperaturi ridicate (fibrele de Kevlar, teflon şi hyfil până la 500oC, iar fibrele ceramice de tip SIC, Si3N4, şi Al2O3 între 1400oC şi 2000oC).
Clasificarea materialelor compozite
O clasificare mai generală a materialelor compozite, care le prezintă într-un mod sintetic, are la baza utilizarea concomitentă a două criterii şi anume: particularităţile geometrice ale materialului complementar şi modul de orientare a acestuia în matrice (fig.1).
Materialele compozite sunt grupate, în funcţie de alţi autori, nu în 2, ci în trei categorii:
- materiale compozite durificate cu fibre;
- materiale compozite durificate cu particule (disperse);
- materiale compozite obţinute prin laminare(stratificate).
a – armate cu fibre
b – disperse
c – stratificate
Materiale compozite armate cu fibre
În figura de mai sus sunt prezentate diferite moduri de orientare a acestor fibre în interiorul matricei. Se obţin astfel materiale compozite cu caracteristici foarte bune de rezistenţă, rigiditate şi raport rezistenţă – densitate. Comportamentul mecanic al unui asemenea compozit depinde de:
- proprietăţile fiecărui component;
- proporţia dintre componenţi;
- forma şi orientarea fibrelor în raport cu direcţia de solicitare;
- rezistenţa mecanică a interfeţei matrice – fibră.
Materiale compozite durificate prin dispersie
În cazul acestor compozite, particulele de dimensiuni foarte mici (100 … 2500 Å), blochează deplasarea dislocaţiilor. Astfel, deşi sunt necesare cantităţi mici de material dispers, efectul de durificare este foarte mare. Faza dispersată este, de regulă, un oxid stabil dur (Al2O3, ThO2, ZrO2, BeO etc.). Ea trebuie să aibă anumite dimensiuni, formă, cantitate şi distribuţie pentru obţinerea celor mai bune proprietăţi pentru materialul compozit. Totodată particulele dispersate trebuie să aibă solubilitate scăzută în materialul matricei şi să nu apară reacţii chimice între particule şi matrice.
