Π Τ Υ Χ ΙΑ Κ Η Ε Ρ Γ Α Σ ΙΑ Θέμα : ΙΝΩΔΗ ΣΥΝΘ ΕΤΑ ΥΛΙΚΑ

Transcript

1 Τ Ε Ι Κ Α Β Α Λ Α Σ Σ Χ Ο Λ Η Τ Ε Χ Ν Ο Λ Ο Γ ΙΚ Ω Ν Ε Φ Α Ρ Μ Ο Γ Ω Ν ΤΜΗΜΑ Μ ΗΧΑΝΟΛΟΓΙΑΣ Π Τ Υ Χ ΙΑ Κ Η Ε Ρ Γ Α Σ ΙΑ Θέμα : ΙΝΩΔΗ ΣΥΝΘ ΕΤΑ ΥΛΙΚΑ Ο νοματεπώ νυμο : Μ Ο Υ Σ Τ Α Φ Α Τ Α ΙΦ Ο Υ Ν Εισηγητης : Τ Σ Α Κ Α Τ Α Ρ Α Σ Γ. Κ α βάλα 25/10/2003

2 :<Ινώδη Σύνθετα Υλικά» ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 1. Σύνθετα Υλικά 1.1 Εισαγωγή 1.2 Ταξινόμηση σύνθετων υλικών 1.3 Στρωματικά σύνθετα υλικά (laminar composites) Τα επιστρωμένα σύνθετα υλικά (coated materials) 1.3ΛΛ Aντιδιαβρωτικά επιστρώματα Λντιτριβικά επιστρώματα Λεπτά επιστρώματα Αιμεταλλικά σύνθετα υλικά (bimetallics) Πολυστρωματικά και sandwich υλικά 1.4 Σύνθετα υλικά με ενίσχυση σωματιδίων Μηχανικές ιδιότητες Μορφοποίηση σύνθετων υλικών με ενίσχυση σωματιδίων 2 Ινώδη σύνθετα υλικά 2.1 Εισαγωγή 2.2 Ταξινόμηση ινώδων σύνθετων υλικών 2.3 Συστατικά μέρη ινώδων σύνθετων υλικών Ενισχυτικές ίνες (reinforced fibers) Ίνες άνθρακα (carbon fibers) Ίνες γυαλιού (glass fibers) Ίνες πολυμερούς (polymer fibers) Ενισχύσεις φυσικών ορυκτών Μεταλλικές ίνες (metallic fibers) Κεραμικές ίνες (ceramic fibers) Τρίχιτες (whiskers) Μήτρες (matrix) Μήτρες πολυμερούς (οργανικές) Κεραμικές μήτρες Μεταλλικές μήτρες Η ενδιάμεση φάση (interphase) 2.4 Επιλογή τνών ενίσχυσης και μήτρας Γεωμετρία των ινών (μήκος) Ποσοστό ινών Προσανατολισμός ινών Ιδιότητες ινών Συνάφεια ίνας-μήτρους Επιλογή υλικών 2.5 Μορφοποιήσεις σύνθετων υλικών με ενίσχυση ινών Μοριροτιοίηση σύνθετου οργανικής μήτρας Μορφοποίηση σύνθετου μεταλλικής μήτρας Μορφοποίηση σύνθετου κεραμικής μήτρας

3 :<Ινώδη Σύνθετα Υλικά» 3 Κατανομή τάσεων στα ινώδη σύνθετα υλικά 3.1 Εισαγωγή 3.2 Μηχανική συμτιεριφορά σύνθετων υλικών με ενίσχυση ινών Συμπεριφορά σε εφελκυσμό Συνεχείς μονοδιευθυντικές ίνες Ασυνεχείς μονοδιευθυντικές ίνες Συμπεριφορά σε θλίψη Αυσθραυστότητα σύνθετων υλικών με ενίσχυση ινών Αντοχή των συνθετών υλικών σε κόπωση Συμπεριφορά σύνθετων υλικών σε τριβή Η μέθοδος των πεπερασμένων στοιχείων 4.1 Πρόλογος 4.2 Ιστορική αναδρομή 4.3 Βασικές αρχές της μεθόδου των πεπερασμένων στοιχείων 4.4 Το πρόγραμμα των πεπερασμένων στοιχείων ABAQUS ΤτΓΠΐιΛπΓΓτήΓ ΜηιΐΓΤτπίη/^ Taim-

4 1. Σ ύνθετα υλικά 1.1. Εισαγωγή Έχουμε συνηθίσει να κατατάσσουμε τα υλικά σε μεταλλικά, κεραμικά και οργανικά. Η διάκριση μεταξύ των τριών αυτών κατηγοριών ομοιογενών υλικών, με βάση την χημική σύσταση, την δομή και τις ιδιότητες, φυσικές και μηχανικές, είναι σαφής. Ωστόσο, από αρχαιοτάτων χρόνων γίνεται χρήση υλικών, των οποίων η κατάταξη σε μία από τις τρεις «κλασσικές» κατηγορίες δεν είναι δυνατή. Θα ήταν άραγε ορθή η εξέταση του οπλισμένου σκυροδέματος, που χρησιμοποιείται ευρέως στην οικοδομική, ως κεραμικού υλικού; Η δομή και οι μηχανικές ιδιότητες του ξύλου περιγράφονται ικανοποιητικά, αν αυτό εξεταστεί ως οργανικό υλικό; Εξετάζοντας τα οστά του ανθρώπινου σώματος, σε ποια από τις τρεις κατηγορίες θα μπορούσαμε να τα κατατάξουμε. Αν θεωρήσουμε ότι οι τρεις κλασσικές κατηγορίες υλικών καταλαμβάνουν τις κορυφές του τριπόλου εξέλιξης υλικών (σχ. ί.1 ), ο συνδυασμός ανά δύο των υλικών αυτών οδηγεί σε οικογένειες νέων υλικών. Παρά την πολύχρονη χρήση τέτοιων υλικών, για τα οποία έχει υιοθετηθεί ο όρος σύνθετα υλικά (composite matehais), η εξέταση τους από την επιστήμη της Τεχνολογίας των υλικών, ως ξεχωριστού κεφαλαίου είναι υπόθεση των τελευταίων χρόνων. Ως σ ύνθετο υλικό, λοιπόν, ορίζεται το υλικό εκείνο που αποτελείται από δύο ή περισσότερα φυσικά συνδεόμενα υλικά, έτσι ώστε να προκόψει ένα πολυφασικό σύστημα με διαφορετικές φυσικές και μηχανικές ιδιότητες απ αυτές των αρχικών υλικών, τα οποία όμως διατηρούν την ταυτότητα τους. Σπουδαστής: Μουσταφά Ταϊς>ούν

5 (Σχήμα 1.1) Τρίττολο εξέλιξης υλικών Τα σύνθετα υλικά χαρακτηρίζονται από την συνύπαρξη δύο τουλάχιστον μακροσκοπικά διακρινόμενων συστατικών, από τα οποία το ένα, χαρακτηριζόμενο ως σ υσ τατικό ενίσ χ υσ η ς προσδίδει στο σύνθετο βελτιωμένες μηχανικές, κυρίως ιδιότητες. Το δεύτερο συστατικό, το οποίο καλείται μήτρα είναι χαμηλής πυκνότητας, συνήθως και η συμμετοχή του στο σύνθετο εξασφαλίζει την μέγιστη δυνατή εκμετάλλευση των ιδιοτήτων της ενίσχυσης. Παρατηρείται επίσης μια περιοχή μεταξύ των ορίων των δύο συστατικών, που εμφανίζει φυσικές ιδιότητες διαφορετικές από αυτές των αρχικών υλικών. Η περιοχή αυτή ονομάζεται ενδιάμεση φάση (interphase). Γενικά, η δημιουργία ενός σύνθετου υλικού μπορεί να αποσκοπεί στην βελτίωση ιδιοτήτων όπως είναι η αντοχή, η δυσκαμψία, η αντίσταση στην διάβρωση, η αντίσταση στην φθορά, η ελκυστικότητα (ενός προϊόντος), το βάρος, η διάρκεια ζωής σε κόπωση, η θερμοκρασιακή εξαρτώμενη συμπεριφορά, η θερμική αγωγιμότητα, η ακουστική μόνωση κ.α. Γίνεται εύκολα αντιλητπό βέβαια, ότι δεν βελτιώνονται ταυτόχρονα όλες οι παραπάνω ιδιότητες. Εξάλλου συνήθως δεν απαιτείται κάτι τέτοιο Ταξινόμηση σύνθετων υλικών Έχουν χρησιμοποιηθεί αρκετά σχήματα ταξινόμησης, όπως ταξινόμηση (1) με βάση τον συνδυασμό των υλικών, ττχ μέταλλο-οργανική σύσταση ή μέταλλο-μη οργανική σύσταση, (2) με βάση τα χαρακτηριστικά Σπουδαστής: Μουσταφά Ταίφούν

6 της κύριας μάζας τους, πχ συστήματα μητρών ή πλάκες, (3) με βάση την κατανομή των ενισχυτικών υλικών, ττχ συνεχής ή μη συνεχής. Το σύστημα ταξινόμησης που θα χρησιμοποιήσουμε εμείς, βασίζεται στο σχήμα των συστατικών ενίσχυσης. Έτσι, ανάλογα με την μορφή του συστατικού ενίσχυσης τα σύνθετα υλικά κατατάσσονται σε τρεις μεγάλες κατηγορίες: a) Σύνθετα υλικά με ενίσχυση σωματιδίων (particulate composites). b) Στρωματικά σύνθετα υλικά (laminar composites). c) Ινώδη σύνθετα υλικά (fiber reinforced composites) Στρωματικά σύνθετα υλικά (laminar composites) Τα στρωματικά σύνθετα υλικά περιλαμβάνουν μια μεγάλη ποικιλία συνδυασμού υλικών, τα οποία διατάσσονται με διαδοχικές στρώσεις προκειμένου να συνθέσουν το τελικό προϊόν. Στα στρωματικά σύνθετα περιλαμβάνονται τα υλικά με μικρού και μεγάλου πάχους επιστρώματα (thin and thick coatings), τα διμεταλλικά (bimetallics) και τα πολυστρωματικά (multilayers) και sandwich υλικά Τα εττιστρωμένα σύνθετα υλικά (coated materials). Η δημιουργία επιστρωμάτων συνίσταται σε περιπτώσεις κατά τις οποίες είτε η κατασκευή ολόκληρου του αντικειμένου από το υλικό ενίσχυσης είναι οικονομικά ασύμφορη, είτε απαιτείται η «καρδιά» της κατασκευής να έχει διαφορετικές μηχανικές ιδιότητες από την επιφάνεια. Τα υλικά που φέρουν επιστρώσεις αποτελούν μια ιδιόμορφη κατηγορία σύνθετων υλικών. Η ενίσχυση που προσφέρει το επίστρωμα αφορά την επιφανειακή ενίσχυση του υλικού και πρόκειται, κυρίως για βελτίωση της αντοχής του υποστρώματος σε διάβρωση και τριβή-φθορά. Οι τεχνικές δημιουργίας επιστρωμάτων ποικίλλουν σε ένα ευρύτατο φάσμα, ανάλογα με το υλικό ενίσχυσης. Για παράδειγμα, το χρώμιο, το νικέλιο και κάδμιο αποτίθενται ηλεκτρολυτικά από υδατικά διαλύματα, επιψευδάργύρωση και επικασσιτέρωση πραγματοποιούνται με εμβάπτιση Σπουδαστής: Μουσταφά Ταίφούν Σελίδα 5

7 του αντικειμένου σε λουτρό τήγματος, κεραμικά επιστρώματα δημιουργούνται, κυρίως, με τεχνικές θερμού ψεκασμού, κτλ. Η δημιουργία των επιστρωμάτων πραγματοποιείται μετά από κατάλληλη προετοιμασία του υποστρώματος (ττχ χημικός καθαρισμός, αμμοβολή κτλ) Τα σημαντικότερα προβλήματα που αντιμετωπίζει η τεχνολογία των επιστρωμάτων σχετίζονται με την «συμβατότητα» των δυο υλικών: Α. Τις περισσότερες φορές η αναποτελεσματική ενίσχυση του υποστρώματος οφείλεται σε ατέλειες της διεπιφάνειας επιστρώματοςυποστρώματος (οργανικές ακαθαρσίες, οξείδια και κακή συνάφεια). Τα προβλήματα αυτά αντιμετωπίζονται με τον καλό καθαρισμό της επιφάνειας πριν από την επίστρωση της και με την δημιουργία συνδετικού επιστρώματος, μικρού πάχους, το οποίο έχει πολύ καλή συνάφεια, τόσο με το υπόστρωμα, όσο και με το επίστρωμα (σχήμα 1.2) Β. Τα επιστρώματα που καλύπτουν υλικά τα οποία λειτουργούν σε υψηλές θερμοκρασίες υφίστανται αποφλοίωση, μικρορωγμάτωση και τελικά αστοχούν, όταν οι διαστασιακές μεταβολές των δυο μερών (επιστρώματος και υποστρώματος) δεν είναι της ίδιας τάξης μεγέθους στη θερμοκρασία λειτουργίας του σύνθετου. C. Τέλος, μεγάλες διαφορές στις μηχανικές ιδιότητες των δύο μερών, μπορούν να οδηγήσουν σε αστοχία του σύνθετου υλικού, και την καταπόνηση του. Σπουδαστής: Μουσταφά Ταίφούν

8 (Σχήμα 1.2) Οπτική μικρογραφία επιστρώματος ψεκασμού ατμοσφαιρικού πλάσματος: Ζιρκόνια σε υπόστρωμα χυτοσιδήρου σ<ραιροειδούς γραφίτη, με ενδιάμεσο συνδετικό στρώμα Νί-ΑΙ (Χ200) Αντιδιαβρωτικά επιστρώματα Σχετικά λεπτά επιστρώματα μεταλλικών, ανόργανων, αλλά και οργανικών υλικών μπορούν να ανασχέσουν την διαβρωτική δράση του περιβάλλοντος και να προσφέρουν αποτελεσματική προστασία στο υπόστρωμα. Εκτός από την καλή συνάφεια με το υπόστρωμα, τα αντιδιαβρωτικά επιστρώματα πρέπει να χαρακτηρίζονται από: a) Χημική αδράνεια και αντοχή σε κλιματολογικές μεταβολές και b) Χαμηλό πορώδες, προκειμένου να μειωθούν οι δίοδοι επαφής του υποστρώματος με το διαβρωτικό περιβάλλον. Στο σχήμα Ι.3 φαίνεται σχηματικά η τοπική αστοχία αντιδιαβρωτικού συστήματος τριών στρώσεων. Η χαμηλή πρόσφυση με το υπόστρωμα και το υψηλό πορώδες του επιστρώματος επέτρεψαν την διείσδυση της υγρασίας ως τη διεπιφάνεια του επιστρώματος-υποστρώματος. Η τοπική δημιουργία περιοχών υψηλών πιέσεων οδήγησε στην αποκόλληση τσυ επιστρώματος, τη ρωγμάτωση και την τελική αστοχία του. Σπουδαστής: Μουσταφά Ταϊφούν

9 Τριστρωματικό αντιδιαβρωτικό επίστρωμα Ατμοί υγρασίας Διείσδυση ατμών υγρασίας διαμέσου των πόρων προς τη διεπιφάνεια Αποκόλληση του επιστρώματος στα σημεία ασθενούς πρόσφυσής του με το υπόστρωμα, λόγω της εξασκούμενης πίεσης των ατμών υγρασίας (Σχήμα 1.3.) Αστοχία αντιδιαβρωτικής επένδυσης χάλυβα Αντιτριβικά επιστρώματα Γ ια την προστασία των μετάλλων σε τριβή και φθορά χρησιμοποιούνται συνήθως κεραμικά επιστρώματα (ΑΙ2Ο3, SiC, TiN, DLC κτλ). Τα επιστρώματα αυτά φθείρονται με χαμηλότερους ρυθμούς από αυτούς του υποστρώματος. Με τον τρόπο αυτό προστατεύουν, σε ικανοποιητικό βαθμό κοπτικά εργαλεία, αιχμηρά άκρα εργαλείων, άκρα πτερυγίων στροβιλοκινητήρων αεροπλάνων κτλ, Λετττά επιστρώματα Τα τελευταία χρόνια με την ανάπτυξη των τεχνικών απόθεσης υπό κενό (PVD, CVD), έχει επιτευχθεί η δημιουργία πολύ λεπτών επιστρωμάτων με πάχος από μερικά nm ως μερικά μιπ. Τα επιστρώματα αυτά βρίσκσυν ειδικές εφαρμογές: Οτττικές: Στα οπτικά μέρη των laser, στους καθρέπτες των αυτοκινήτων, κτλ. Ηλεκτρικές; Σε ολοκληρωμένα κυκλώματα, σε ηλιακούς θερμοσυσσωρευτές, κτλ. Σπουδαστής: Μουσταφά Ταϊφούν Σελίδα 8

10 Διακοσμητικές: Σε σκελετούς γυαλιών, σε ρολόγια, σε μέρη του αυτοκινήτου κλπ Διμεταλλικά σύνθετα υλικά (bimetallics) Σε αντίθεση με τα σύνθετα της προηγούμενης κατηγορίας, στα οποία το πάχος του επιστρώματος είναι πολύ μικρότερο αυτού του υποστρώματος, στα διμεταλλικά σύνθετα το πάχος των δύο μεταλλικών στρώσεων είναι της ίδιας τάξεως μεγέθους. Η συνένωση των δυο στρώσεων για την παραγωγή του διμεταλλικού γίνεται με συνέλαση (σχήμα Ι.4.α), εκρηκτική συγκόλληση (σχήμα Ι.4.β), και συνδιέλαση (σχήμα 1.4.γ). Στην διεπιφάνεια του παραγόμενου σύνθετου, η ανακατάταξη και η αναδιευθέτηση των ατόμων των δυο κρυσταλλικών πλεγμάτων τα οποία έρχονται σε επαφή, λόγω θέρμανσης ή πίεσης εξασφαλίζει την καλή πρόσφυση των δύο στρώσεων (σχήμα 1.5) (Σχήμα 1.4). Τεχνικές δημιουργίας διμεταλλικών υλικών: συνέλαση (α). εκρηκτική συγκόλληση (β) και συνδιέλαση (γ). Τα διμεταλλικά υλικά βρίσκουν την σημαντικότερη εφαρμογή τους στην μέτρηση και στον έλεγχο της θερμοκρασίας. Η μεγάλη διαφορά στις τιμές του συντελεστή θερμικής διαστολής των δυο στρώσεων, η οποία στην περίτπωση των επιστρωμάτων ήταν αρνητικό παράγοντας, στην περίτπωση των διμεταλλικών υλικών είναι απαραίτητη προϋπόθεση. Σπουδαστής: Μουσταφά Ταίφούν

11 (Σχήμα 1.5). Κυματοειδής διεπιφάνεια διμεταλλικού υλικού μετά από εκρηκτική συγκόλληση ελασμάτων Ag με διασπορά σωματιδίων CdO και Cu (οτπική μικρογραφία, X 140). Έστω ένα μέταλλο (Α) με υψηλό συντελεστή θερμικής διαστολής είναι ισχυρά συνδεδεμένο με μέταλλο (Β) μικρότερου συντελεστή θερμικής διαστολής. Όταν το διμεταλλικό (ΑΒ) βρεθεί σε υψηλή θερμοκρασία, το μέταλλο (Α) θα διασταλεί περισσότερο από το (Β). Λόγω της ισχυρής σύνδεσης στην διεπιφάνεια, αυτή θα κυρτωθεί έχοντας τα κοίλα προς την μεριά του Β. Η καμπυλότητα της παραμόρφωσης μπορεί να μετρηθεί, και μέσω αυτής να καθοριστεί η θερμοκρασία στην οποία βρέθηκε το διμεταλλικό. Τα διμεταλλικά υλικά βρίσκουν μεγάλη εφαρμογή σε θερμοστάτες φούρνων και κλιματιστικών και σε διακόπτες ηλεκτρικού ρεύματος. Low temperature High temperature Low temperature High temperature (Σχήμα 1.6.) Επίδραση τσυ συντελεστή της θερμικής διαστολής στις ιδιότητες ενός διμεταλλικού υλικού. Σπουδαστής: Μουσταφά Ταϊφούν

12 Για να μπορέσουμε να εκμεταλλευθούμε μία τέτοια συμπεριφορά, θα πρέπει η παραμόρφωση των επιλεγμένων μετάλλων να είναι αντιστρεπτή, δηλαδή και τα δύο μέταλλα να έχουν υψηλό μέτρο ελαστικότητας στην θερμοκρασιακή περιοχή λειτουργίας. Το πιο συχνά χρησιμοποιούμενο διμεταλλικό ηλεκτρικών εφαρμογών έχει ως σκέλος χαμηλής διασταλτικότητας ένα κράμα σιδήρου-νικελίου (Invar) και ως σκέλος υψηλής διασταλτικότητας ορείχαλκο, κράμα νικελίου-χαλκού (Monel) ή καθαρό νικέλιο Πολυστρωματικά και Sandwich υλικά. Τα ττολυστρω ματικά σύνθετα είναι υλικά πολλών διαδοχικών στρώσεων. Σχηματίζονται από την επανάληψη ενός στοιχειώδους διστρωματικού υλικού Α/Β, του όποιου το πάχος είναι καθορισμένο και ονομάζεται περίοδος. Η περίοδος των πολύστρωματικών μπορεί να ποικίλλει από μερικά νανόμετρα ως δέκατα του χιλιοστού. Όπως συμβαίνει και με τα σύνθετα με ενίσχυση ινών ή σωματιδίων, τα πολυστρωματικά σύνθετα προκύπτουν από το συνδυασμό μετάλλουκεραμικού, μετάλλου-γυαλιού, μετάλλου-πολυμερούς, αλλά και με τον συνδυασμό μετάλλων διαφορετικών μηχανικών ιδιοτήτων. Πολύ γνωστά παραδείγματα των πολύστρωματικών είναι η φορμάικα, υλικό που χρησιμοποιείται ευρύτατα στην επιπλοποιία και το γυαλί ασφαλείας από το οποίο είναι κατασκευασμένα τα τζάμια των σύγχρονων αυτοκινήτων. Τα πολυστρωματικά σύνθετα παρουσιάζουν έναν εξαιρετικό συνδυασμό μηχανικών ιδιοτήτων, που αποδίδεται στις πολλές διεπιφάνειες στο εσωτερικό του σύνθετου οι οποίες εμποδίζουν τόσο την κίνηση των διαταραχών όσο και την διάδοση των ρωγμών. Έχει αποδειχθεί ότι ένα πολυστρωματικό σύνθετο του τύπου Α/Β, - όπου το μέταλλο A έχει διαταραχές υψηλής ενέργειας και το μέταλλο Β διαταραχές χαμηλής ενέργειας,- παρουσιάζει υψηλότερο όριο ελαστικότητας από τα καθαρά μέταλλα A και Β. Πρόσφατες έρευνες απέδειξαν ότι η μικροσκληρότητα πολύστρωματικών (AJB, όπου Α= μέταλλο και Β= κεραμικό) επιστρωμάτων Σπουδαστής: Μουσταφά Τάιφούν Σελίδα 11

13 μικρού πάχους είναι συνάρτηση του πάχους της μεταλλικής στρώσεως, ή, ορθότερα, της αποστάσεως μεταξύ δύο διαδοχικών στρωμάτων (Β). Στην κατηγορία των πολυστρωματικών μπορούμε επίσης να κατατάξουμε επιστρωμένα υλικά, στα οποία το επίστρωμα έχει ομαλά μεταβαλλόμενη σύσταση, συναρτήσει της απόστασης από την διεπιφάνεια υποστρώματος-επιστρώματος. Τα επιστρώματα με βάθμωση συστάσεως εμφανίζουν βελτιωμένες μηχανικές ιδιότητες, σε σχέση με το αντίστοιχο επίστρωμα σταθερής συστάσεως. Γενικά, πρόκειται για νέα υλικά, των οποίων η μηχανική συμπεριφορά δεν έχει πλήρως διασαφηνισθεί και θεωρητικά τεκμηριωθεί. Δομικό στοιχείο από sandw ich υλικό προκύπτει από την σύνδεση, κόλληση ή συγκόλληση δύο λεπτών επιδερμίδων (skin) υλικού υψηλών μηχανικών ιδιοτήτων, πάνω σε μια «καρδιά» ή «ψίχα» ελαφρού υλικού χαμηλών μηχανικών ιδιοτήτων, που καλείται υλικό πλήρωσης (filler material) και εξασφαλίζει τη διατήρηση της απόστασης μεταξύ των επιδερμίδων. Το υλικό πλήρωσης είναι είτε κάποιο αφρώδες πολυμερές, συνηθέστερα πολυουρεθάνη, είτε κάποιο ελαφρύ μέταλλο, συνηθέστερα ΑΙ, το οποίο είναι διαμορφωμένο σε κυψελοειδή γεωμετρία (σχήμα 1.7) (Σχήμα 1.7). Μια κυψελοειδής κατασκευή, (α) σχηματική αναπαράσταση, (β) ακριβής κατασκευή Σπουδαστής: Μουσταφά Ταϊφούν

14 1.4. Σύνθετα υλικά με ενίσχυση σωματιδίων Τα σύνθετα υλικά στα οποία το υλικό ενίσχυσης έχει μορφή σωματιδίων, σφαιρικού συνήθως σχήματος, μπορούν να καταταγούν σε δύο κατηγορίες με βάση το μέγεθος αυτών: Σύνθετα υλικά με ενίσ χυσ η σ ω μα τιδίω ν μεγάλου μεγέθους (particulate com posites). Τα σωματίδια έχουν διάμετρο λίγων pm και περιέχονται σε ποσοστό μεγαλύτερο των 25%, συνήθως η κατ όγκον συγκέντρωση τους είναι 60-90%. Σύνθετα υλικά με ενίσ χυσ η μικρώ ν σ ω ματιδίω ν σε διασ π ορά (dispersion-strengthened m etals). Η ενισχυτική φάση, συνήθως πρόκειται για οξείδια, περιέχεται στο σύνθετο με συγκεντρώσεις μικρότερες από 15% κ.ο. Η διάμετρος των σωματιδίων ποικίλει μεταξύ 0.01 και 0.1 pm. Η ισχυροποίηση της μήτρας επιτυγχάνεται με την παρεμπόδιση της κίνησης των διαταραχών, λόγω της παρουσίας των σωματιδίων ενίσχυσης. ΜΗΤΡΑ ΕΝΙΣΧΥΣΗ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ Ag CdO Ηλεκτρικές επαφές υλικών. ΑΙ AI2O3 Πυρηνικοί αντιδραστήρες. Be BeO Αεροπορικές και πυρηνικές εφαρμογές. Co Th02.Y203 Μαγνητικό υλικό αντοχής σε ερπυσμό. Ni-20% Cr ThOj Μέρη κινητήρων μηχανών. Pb PbO Πλέγματα μπαταριών. Pt ThO^ Νήματα, μέρη ηλεκτρικών συσκευών. W ThOj, ZrOg Νήματα, θερμαντικά σώματα. Co WC Αντιτριβικές εφαρμογές, κοπτικά εργαλεία (Πίνακας 1.1). Παραδείγματα και εφαρμογές των κυριοτέρων συνθέτων υλικών με ενίσχυση σωματιδίων. Γενικά, τα σύνθετα με ενίσχυση σωματιδίων είναι λιγότερο ανθεκτικά από τα σύνθετα με ενίσχυση ινών, διότι η συμβολή των σωματιδίων στην αντοχή του σύνθετου υλικού είναι μικρότερη αυτής των ινών. Είναι Σπουδαστής: Μουσταφά Τάιφούν

15 χαμηλότερου κόστους σε σχέση με τα σύνθετα με ίνες και έχουν καλύτερη αντοχή σε φθορά-τριβή λόγω της παρουσίας σκληρών σωματιδίων. Στον πίνακα 1.1 φαίνονται χαρακτηριστικοί αντιπρόσωποι σύνθετων υλικών με ενίσχυση σωματιδίων και οι κυριότερες εφαρμογές τους Μ ηχανικές ιδιότητες Στην περίτπωση των σύνθετων υλικών με ενίσχυση σωματιδίων, ο κανόνας των μιγμάτων εφαρμόζεται για τον υπολογισμό της πυκνότητας του σύνθετου υλικού, δηλ. Ρς= ΣγίΡί = Υ1Ρ1 + Y2P2 + + ΥηΡη Όπου: Ρί = η πυκνότητα του συστατικού I και Υί = το κατ όγκον ποσοστό του συστατικού ί. Με τον κανόνα των μιγμάτων δεν μπορούν να υπολογισθούν οι μηχανικές ιδιότητες. Κατά τον εφελκυσμό, η συμπεριφορά τους είναι ισοδύναμη εκείνης των σύνθετων με ενίσχυση ινών, όταν τα τελευταία εφελκούνται σε διευθύνσεις κάθετες στην διεύθυνση των ινών (σχήμα 1.8) I t 1 (Σχήμα 1.8). Ισοδύναμη συμπεριφορά σε εφελκυσμό, συνθέτου υλικού με Ινες και σωματίδια Από τις πιο σημαντικές εφαρμογές που βρίσκουν τα σύνθετα με διασπορά σωματιδίων είναι η χρήση τους για αντιτριβική προστασία. Οι μηχανισμοί φθοράς τους (abrasive wear) είναι συνάρτηση της σκληρότητας Σττουδαστής: Μουσταφά Τα'Κρούν

16 «Ινώδη Σύνθετα υλικό» και της διαμέτρου των σωματιδίων ενίσχυσης, καθώς επίσης και των χαρακτηριστικών της μήτρας. Η παρουσία σκληρών σωματιδίων προκαλεί, σε μικροσκοπική κλίμακα, κοπή (ΓπίθΓθου«ϊη9),απόξεση (microploughing) και ρωγμάτωση (microcracking) του σύνθετου, ενώ τα μαλακότερα σωματίδια ενίσχυσης προκαλούν, κυρίως, πλαστική παραμόρφωση και μικρορωγμάτωση (σχήμα 1.9.α) (α) (β) (Υ ) (Σχήμα 1.9). Φθορά κατά την τριβή συνθέτων υλικών συναρτήσει της διαμέτρου των σωματιδίων ενίσχυσης (α και β) και του κατ όγκον ποσοστού της μήτρας (γ). Αύξηση της διαμέτρου των μαλακότερων σωματιδίων ενίσχυσης οδηγεί σε αύξηση της φθοράς του υλικού, είτε λόγω φαινομένων πλαστικής παραμόρφωσης της μήτρας και απσσύνδεσης-εκρίζωσης του σωματιδίου από την μήτρα, είτε λόγω εμφάνισης μικρορωγμών στα σωματίδια ή τη διεπιφάνεια. Καθώς η σκληρότητα των σωματιδίων ενίσχυσης αυξάνεται, η αύξηση της φθσράς του υλικού συναρτήσει του μεγέθους των σωματιδίων Σπουδαστής: Μουσταφά Ταϊφούν Σελίδα 15

17 μειώνεται (σχήμα 1.9.β). Η αύξηση του κατ όγκον ποσοστού της μήτρας, προκαλεί θεαματική αύξηση της φθοράς του συνθέτου, στην περίπτωση που τα σωματίδια ενίσχυσης είναι σχετικά μαλακά (σχήμα 1.9.γ) Μορφοποίηση σύνθετων υλικών με ενίσχυση σωματιδίων. Τα σύνθετα υλικά με ενίσχυση σωματιδίων παρασκευάζονται με μεθόδους κονιομεταλλουργίας: σκόνη από το υλικό της μήτρας αναμειγνύεται με ποσότητα σωματιδίων ενίσχυσης και το μείγμα υποβάλλεται σε έψηση. Ευρεία είναι η χρήση της τεχνικής laser με ταυτόχρονο ψεκασμό κεραμικής σκόνης σε μεταλλική επιφάνεια. Με τον τρόπο αυτό επιτυγχάνεται η δημιουργία επιφανειακού στρώματος σύνθετου υλικού με εξαιρετική αντοχή σε τριβή. Από τα σύνθετα υλικά με ενίσχυση σωματιδίων, αυτά που βρίσκουν τις περισσότερες εφαρμογές είναι τα κερα μομεταλλικά (cermet ή cermented carbides). Με το γενικό όρο cermet (cer- από το ceramic και -m e t από το metal αναφερόμαστε σε σύνθετα υλικά, μεταλλικής μήτρας με ενίσχυση κεραμικών σωματιδίων (πχ W C, SiC). Τα υλικά αυτά βρίσκουν εφαρμογές κυρίως σε εργαλεία κοπής. Η παραγωγή των Cerm et παρουσιάζει ορισμένες ιδιαιτερότητες. Πιο συγκεκριμένα, θα περιγραφεί η διαδικασία παραγωγής W C με 3-20% Co, που αποτελεί τον κύριο αντιπρόσωπο της οικογένειας των Cermet. Η έψηση του μίγματος σκόνης κοβαλτίου και σωματιδίων καρβιδίου του βολφραμίου, γίνεται σε θερμσκρασία C, ώστε να έχουμε τήξη του κοβαλτίου (Tm, co=1128 C). Η μεταλλική υγρή φάση αντιδρά με τα σωματίδια του W C και λαμβάνεται κράμα, οι φάσεις του οποίου προβλέπονται από το αντίστοιχο διάγραμμα ισορροπίας. Με τον τρόπο αυτό σχηματίζεται ευτηκτικό συστατικό Co-W, στο οποίο διαλύονται τα καρβίδια του βολφραμίου. Κατά την απόψυξη που ακολουθεί, τα καρβίδια (W C), σε λετπσμερή διασπορά, κατακρημνίζονται στην μάζα της πλαστικής μήτρας (Co). Σπουδαστής: Μουσταφά Ταϊφούν Σελίδα 16

18 Κατά την συνέπεια, ρωγμή που ξεκινά από σωματίδιο W C, αφού το διαπεράσει ταχύτατα μεταδίδεται προς την μεταλλική μήτρα, η οποία απορροφά ενέργεια και παραμορφώνεται πλαστικά, καθυστερώντας, έτσι, την περαιτέρω διάδοση της ρωγμής. Το Cerm et αυτό έχει αντοχή σε θραύση περίπου 15 M Pa ενώ αυτή του καρβιδίου του βολφραμίου είναι μόνο 1 MPa Σττουδαστής: Μουσταφά Ταϊφούν

19 2. Ινώδη σύνθετα υλικά 2.1. Εισαγωγή Από όλα τα σύνθετα υλικά, αυτά στα οποία ίνες εγκλωβίζονται σε μία μήτρα προκάλεσαν το μεγαλύτερο ενδιαφέρον στους μηχανικούς που ασχολούνται με κατασκευαστικές εφαρμογές. Αρχικά οι περισσότερες έρευνες έγιναν με ανθεκτικές, δύσκαμπτες συμπαγείς ίνες, κυκλικής διατομής, σε μια πολύ πιο αδύναμη και εύκαμπτη μήτρα, ττχ. γυάλινες ίνες σε συνθετικές ρητίνες. Με την εξέλιξη της έρευνας φανερώθηκαν τα ιδιαίτερα πλεονεκτήματα που προσφέρουν οι μεταλλικές και κεραμικές ίνες, οι διάτρητες (κοίλες) ίνες και αυτές μη κυκλικής διατομής καθώς και οι ανθεκτικότερες, πιο δύσκαμτπες και μεγαλύτερης θερμικής αντοχής μήτρες. Μερικά υφασμάτινα σύνθετα υλικά αποτελούνται αποκλειστικά από ίνες, χωρίς μήτρα ή από κολλημένες κατασκευές ινών στις οποίες προστίθεται μια μήτρα. Μια και η ινώδη μορφή των περισσοτέρων υλικών είναι πολλές φορές ανθεκτικότερη από αυτή της μεγάλης διατομής, οι μηχανικοί επί μακρών έψαχναν τρόπους για την πρακτική χρήση των ινών σαν μηχανικά υλικά. Η πιο αποτελεσματική μέθοδος έως σήμερα είναι ο συνδυασμός ινώδους υλικού μεγάλης εφελκυστικής αντοχής και υψηλού μέτρου ελαστικότητας, σε μήτρα από υλικό μικρότερου βάρους, μικρότερης αντοχής και χαμηλότερου μέτρου ελαστικότητας. Στη φύση το πιο κοινό παράδειγμα αυτής της αρχής ενίσχυσης είναι ο βλαστός του μπαμπού. Τα συνθετικά υλικά όλων των τύπων (πλαστικά, λαστιχένια, κεραμικά και μέταλλα) πλέον ενισχύονται με ίνες αποκτώντας διάφορες χρήσεις, από τον δίσκο ενός σερβιτόρου έως τη μεγαλεπήβολη άτρακτο ενός πυραύλου. Εκτός από σύνθετα υλικά που αποτελούνται από ίνες μέσα σε μήτρα, υπάρχουν και σύνθετα υλικά αποκλειστικά από ίνες (χωρίς μήτρα). Το μάλλινο πολυεστερικό ύφασμα που χρησιμοποιείται στα ενδύματα είναι ένα οικείο παράδειγμα, αλλά υπάρχουν και πολλά άλλα βιομηχανικά υφάσματα. Συνήθως η μια ίνα επιλέγεται για τις μηχανικές της ιδιότητες και η άλλη για δευτερεύοντες σκοπούς, όπως η θερμική αντίσταση. Οι σύνθετοι ιμάντες Σττουδαστής: Μουσταφά Ταϊφούν Σελίδα 18

20 μεταφορών από ίνες αμιάντου-μετάλλων χρησιμοποιούνται για την μεταφορά βαρέων καυτών υλικών. Ακόμη και ο ιμάντας του εκκεντροφόρου του σύγχρονου αυτοκινήτου είναι ένα σύνθετο υλικό αποτελούμενο από λάστιχο ενισχυμένο με νήματα τοποθετημένα σε μια διεύθυνση. Πολλές τσόχες ακόμη είναι σύνθετα υλικά φτιαγμένα αποκλειστικά με κολλημένες ίνες τυχαία προσανατολισμένες Ταξινόμηση των ινωδών σύνθετων υλικών Η μηχανική αντοχή των σύνθετων υλικών, που δεν ισούται πάντοτε με το μέσο όρο των αντοχών των δύο συστατικών, εξαρτάται από το υλικό της ενίσχυσης, το υλικό της μήτρας, την μηχανική συμπεριφορά των δύο, αλλά και από την μεταξύ τους «συμβατότητα», αφού η καλή συνάφεια ίναςμήτρας είναι καίριας σημασίας για την αντοχή του σύνθετου. Καθοριστικό, επίσης, παράγοντα για την αντοχή του σύνθετου αποτελεί η κατ' όγκο αναλογία των ινών και ο προσανατολισμός τους ως προς την διεύθυνση της επιβαλλόμενης τάσης. ( Σχήμα 2.1.) Τέσσερις τύποι διάταξης των ινών: (α) μονοδιευθυντικές Ινες, (β) ίνες άτακτων διευθύνσεων, (γ) πλέξη ύφανσης και (δ) ίνες σε τρισδιάστατη πλέξη. Ενδεικτικό της σπουδαιότητας των ινών είναι το γεγονός ότι ο προσανατολισμός και η διάταξης τους στην μάζα της μήτρας, αποτελεί κριτήριο για την ταξινόμηση των σύνθετων της κατηγορίας αυτής (σχήμα 2.1). 1. Στα μονοδιευθυντικά σύνθετα, οι ίνες προσανατολίζονται προς την ίδια διεύθυνση (U.D. unidirectional), ενώ Σττουδαστής: Μουσταφά Ταϊφούν

21 Ινώδη Σύνθετα Υλικά 1. Στα πολυδιευθυντικά σύνθετα οι ίνες ττροσανατολίζονται ττρος διάφορες διευθύνσεις. Τα πολυδιευθυντικά σύνθετα υλικά διακρίνονται με τη σειρά τους σε υλικά στα οποία: Οι ίνες έχουν τυχαίες διευθύνσεις, Οι ίνες έχουν πλέξη ύφανσης και Οι ίνες έχουν τρισορθογώνια ύφανση. Ίνες με μήκος (I) και διάμετρο (d) χαρακτηρίζονται ως μακριές ή συνεχείς (continuous fibers), αν ο λόγος l/d είναι μεγάλος (>100). Όταν ο λόγος 1/d είναι μικρός (< 100), οι ίνες χαρακτηρίζονται ως κοντές ή ασυνεχείς (discontinuous fibers). Τέλος ο όρος τριχίτες (whiskers) χρησιμοποιείται κυρίως για την περιγραφή λεπτών μονοκρυστάλλων κεραμικού υλικού. Λόγω του μήκους τους, οι κοντές ίνες δεν μπορούν να αποτελέσουν μονοδιευθυντική ενίσχυση, αλλά συναντώνται συνήθους με την μορφή πλέγματος ινών τυχαίας διεύθυνσης Συστατικά μέρη ινωδών σύνθετων υλικών Ενισχυτικές ίνες (reinforced fibers) Προκειμένου οι ίνες να προσφέρουν ικανοποιητική ενίσχυση των μηχανικών ιδιοτήτων της μήτρας, το υλικό κατασκευής τους επιλέγεται έτσι ώστε να παρουσιάζει υψηλή στιβαρότητα (υψηλό μέτρο ελαστικότητας Ε), υψηλή τιμή τάσης θραύσης και επιπλέον να έχει μικρή πυκνότητα (ρ). Στα προηγμένα σύνθετα υλικά, οι ίνες άνθρακα, γυαλιού και αραμιδίων χρησιμοποιούνται στα σύνθετα με πολυμερείς μήτρες. Οι κεραμικές ίνες, οι τριχίτες, μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να ενισχύσουν μεταλλικές και κεραμικές μήτρες. Στον πίνακα 2.1 δίνονται οι χαρακτηριστικές ιδιότητες των δια(ρόρων ινών ενίσχυσης.

22 Fibre Density Young s Poisson s Tensile Failure Thermal Thermal modulus ratio strength strain c.xpansivii) conduelivitv P E V σ. <1 A (Mgm ) (GPa) (GPa) l 'al (lo-^k 'l (Wm ' K '1 SiC monofilament Boron ,0 1,0 5,0 38 monofilament 1 Ό HM carbon 1.95 a.xial ,4 0.6 axial -0.7 axial radial 12 radial 10 w 1 HS^ carbon l.'^s axial ,4 1.1 axial 0.4 axial 24 radial 20 radial 10 1 F-glass , ίϋ 1 Nicalon^'^ , Kevlar^"' axial ,3 axial -6 axial 0,04 i 1 radial 10 radial 54 FP^^' fibre , Saffil ,0 0, Sir whisker ,5 1, Cellulose (llax) , Hiih modulus ^ Hieh strength

23 Ίνες άνθρακα (carbon fibers) Ο γραφίτης αποτελείται από ανισότροπους πολυκρυσταλλίτες, των οποίων η ανισοτροπία εξαρτάται από τις συνθήκες παρασκευής τους. Αποτέλεσμα του ισχυρού προσανατολισμού των κρυσταλλιτών παράλληλα στο διαμήκη άξονα των ανθρακονημάτων (carbon fibers), είναι η υψηλή στιβαρότητα και η αντοχή σε θραύση, καθώς και ο χαμηλός συντελεστής γραμμικής θερμικής διαστολής κατά την διεύθυνση αυτή. Στην παραγωγή ανθρακονημάτων, ως πρώτη ύλη χρησιμοποιούνται ίνες του πολυμερούς π ο λυακρυλονιτριλίου (PAN). Η παραγωγή ινών γραφίτη από ίνες PAN πραγματοποιείται σε τρία στάδια (σχήμα 2.2) Οξείδωση υπό τάση, των ινών Pan στον αέρα και σε χαμηλή θερμοκρασία ( C). Η ταυτόχρονη εφαρμογή τάσης είναι απαραίτητη για την ευθυγράμμιση των αλυσίδων του πολυμερούς. Πυρόλυση, υπό τάση, σε ουδέτερη η αναγωγική ατμόσφαιρα και σε θερμοκρασία Οι παραγόμενες ίνες από αυτό το στάδιο χαρακτηρίζονται ως ίνες άνθρακα υψηλής αντοχής (high strength carbon fibers). Η αντοχή τους φτάνει τα 3000 MPa. Η θέρμανση σε ουδέτερη ή αναγωγική ατμόσφαιρα συνεχίζεται σε υψηλές θερμοκρασίες ( ). Στο στάδιο αυτό πραγματοποιείται γραφιτίαση, με ταυτόχρονη ανακρυστάλλωση η οποία οδηγεί σε ισχυρό προσανατολισμό των κρυσταλλιτών. Οι παραγόμενες ίνες σε αυτό το στάδιο χαρακτηρίζονται ως ίνες άνθρακα υψηλού μέτρου ελαστικότητας (high modaius carbon fibers). Έχουν μέτρο ελαστικότητας περίπου 400 MPa, η δε διάμετρος τους είναι περίπου 10 μτη. Σττουδαστής: Μουσταφά Ταϊφούν

24 Ινες ακρυλικού Ο ξυγόνο Αδρανές αέριο ζ [ Ί οο2οο ο ~~~» οο-ι5οοχ jz:: Οξείδωση Πυρόλυση Αδρανές αέριο Ινες υψηλού μέτρου "* ελασ τικότητα ς Ινες - υψηλής αντοχής (Σχήμα 2.2). Παραγωγή ενισχυτικών ινών άνθρακα. Στον πίνακα 2.2 παρουσιάζονται τα χαρακτηριστικά ινών άνθρακα που έχουν παραχθεί σε δύο στάδια (οξείδωση και πυρόλυση), ίνες υψ ηλής αντοχής, και σε τρία στάδια (οξείδωση, πυρόλυση, θέρμανση σε υψηλή θερμοκρασία) ίνες υψηλού μέτρου ελαστικότητας. Χ Α Ρ ΑΚΤΗ Ρ ΙΣΤΙΚΑ ΙΝΕΣ Υ Ψ Η Λ Η Σ ΑΝΤΟ ΧΗΣ ΙΝΕΣ ΥΨ Η Λ Ο Υ Μ Ε ΤΡΟ Υ Ε Λ Α ΣΤΙΚΟ ΤΗ ΤΑΣ Μέτρο ελαστικότητας (GPa) Αντοχή σε εψελκυσμό (MPa) % περιεκτικότητα άνθρακα Πυκνότητα (g/cm^) 1.8 1,9 Μέγιστη θερμοκρασία χρήσης ( C) (Πίνακας 2. 2). Χαρακτηριστικά ινών άνθρακα Σε οξειδωτική ατμόσφαιρα, η μέγιστη θερμοκρασία χρήσης των ανθρακονημάτων περιορίζεται στους 500 C και για τους δύο τύπους ινών. Θα πρέπει να τονιστεί ότι για τον σχεδιασμό του σύνθετου θα πρέπει να ληφθεί υπόψη και η μέγιστη θερμοκρασία χρήσης της μήτρας. Οι ιδιότητες των χρησιμοποιουμένων ανθρακονημάτων εξαρτώνται σημαντικά απ την αρχιτεκτονική των ινών του PAN. (μονοδιευθυντικές ίνες, δισδιάστατο πλέγμα, τρισδιάστατο πλέγμα). Ο τρόπος διευθέτησης των ινών αυτών καθορίζει και τον βαθμό ανισοτροπίας των ανθρακονημάτων που προκύπτουν και μπορεί να ποικίλλει από την πλήρη ισορροπία ως την πλήρη ανισοτροπία. Η δυνατότητα επιλογής, από ένα μεγάλο εύρος τιμών. Σπουδαστής. Μουσταφά Ταίφούν Σελίδα 23

25 «Ινώδη Σύνθετα υλικό» της θερμοκρασίας κάθε σταδίου παραγωγής ανθρακονημάτων δίνει την δυνατότητα παραγωγής ανθρακονημάτων διαφορετικού βαθμού γραφιτίασης και, κατά συνέπεια, διαφορετικών μηχανικών ιδιοτήτων. Οι μηχανικές και οι φυσικές ιδιότητες, όπως η θερμική και η ηλεκτρική αγωγιμότητα εξαρτώνται από τον βαθμό γραφιτίασης και τσν βαθμό ανισοτρσπίας. Η επίδραση της τελικής θερμικής κατεργασίας στις ιδιότητες του PAN, εμφανίζονται στο σχήμα 2.3. Με κατάλληλη επιλογή της τελικής θερμοκρασίας είναι δυνατός κάποιας έλεγχος στο μέτρο ελαστικότητας και στην αντοχή. Fibres and matrices Heat-treatment temperature (" Ο (Σχήμα 2.3.) Επίδραση της θερμοκρασίας στην αντοχή και στο μέτρο ελαστικότητας των ανθρακονημάτων από PAN Ίνες γυαλιού (glass fibers) Οι περισσότερες ίνες γυαλιού είναι βασισμένες στο πυρίτιο (Si02), με προσθήκες οξειδίσυ του ασβεστίου, του βορίου, του νατρίου και του αλουμινίου. Αυτά τα γυαλιά είναι συνήθως άμορφα, αν και κάποια κρυστάλλωση μπορεί να εμφανιστεί μετά από παρατεταμένη θέρμανση σε Σπουδαστής: Μουσταφά Ταϊφούν Σελίδα 24

26 υψηλές θερμοκρασίες, έτσι οδηγούμαστε σε μια μείωση της αντοχής. Οι χαρακτηριστικές συνθέσεις των τριών τύπων γυαλιού δίνονται στον πίνακα 2.3. Η συνηθέστερα χρησιμοποιούμενη E-glass (Ε για τον ηλεκτρισμό) έχει καλές αντοχές, ακαμψία και αντιδιαβρωτικές ιδιότητες. Σε μερικές περιτπώσεις προτιμάται το C-glass (C για την διάβρωση), έχει καλύτερη αντίσταση προς την διάβρωση απ ότι το E-glass όμως έχει χαμηλότερη αντοχή. Τέλος το S-glass (S για την αντοχή) είναι ακριβότερο από το Ε- glass, όμως έχει μεγαλύτερη αντοχή, μέτρο ελαστικότητας και αντίσταση σε μεγάλες θερμοκρασίες. E-glass C-gtass S-glass Composition (% ) S io Α Ι, ό, I F e. O, CaO M go N a.o + K.O B.O, BaO 0.9 Properties p (M g m ) K (W m ' K ') q ( 1 0 ' K ') σ. (G Pa) E (GPa) C) (Πίνακας 2.3). Ιδιότητες και σύνθεση των ινών γυαλιού Για μεγάλα ποσοστά σε S 1O 2 (>99.5% ) αυξάνονται οι μηχανικές ιδιότητες της ίνας, καθώς και η μέγιστη θερμοκρασία χρήσης του σύνθετου. Για αυτό και χρησιμοποιούνται ίνες από 100% καθαρό πυρίτιο, σε ειδικές εφαρμογές όπου απαιτούνται υψηλές μηχανικές ιδιότητες κάτω από υψηλή θερμοκρασία. Ένα από τα μεγαλύτερα προβλήματα των ινών γυαλιού είναι η μεγάλη τους ευαισθησία σε λύσεις της συνέχειας της επιφάνειας τους. Χαράξεις και γρατσουνιές δημιουργούν στην επιφάνεια της ίνας περιοχές συγκέντρωσης τάσεων με αποτέλεσμα την ταχεία υποβάθμιση των μηχανικών τους ιδιοτήτων. Σττουδαστής: Μουσταφά Ταίφούν Σελίδα 25

27 Η παραγωγή των ινών γίνεται με διέλαση τήγματος γυαλιού διαμέσου μήτρας με διάτρητο πυθμένα (σχήμα 2.4). (Σχήμα 2.4.) Παραγωγή ενισχυτικών ινών γυαλιού τύπου Ε. Η πρώτη ύλη τοποθετείται σε δεξαμενή όπου τήκεται. Το τήγμα τροφοδοτείται σε σειρά κυλινδρικών δοχείων με διάτρητους πυθμένες (διάμετρος οπών 1-2 mm). Κάτω από την επίδραση της βαρύτητας το γυαλί ρέει μέσα από τις οπές του πυθμένα και οι παραγόμενες ίνες εξολκεύονται με μηχανική μέθοδο, μέχρι τελικής διαμέτρου pm. Εν συνεχεία, οι ίνες περιτυλίγονται γύρω από κυλινδρικό τύμπανο, το οποίο περιστρέφεται με υψηλή ταχύτητα. Ο έλεγχος της διαμέτρου των ινών γίνεται με ρύθμιση της Σπουδαστής: Μουσταφά Ταϊφούν Σελίδα 26

28 στάθμης του τήγματος μέσα στη δεξαμενή, την πυκνότητα του, την διάμετρο των οπών, καθώς επίσης την ταχύτητα περιστροφής του τύμπανου. Κατά την διάρκεια παραγωγής τους θα πρέπει να αποφεύγεται η επαφή των ινών μεταξύ τους, καθώς και με άλλα αντικείμενα, τα οποία πιθανόν να προκαλέσουν επιφανειακές κακώσεις στην ίνα. Πολλές φορές, την παραγωγή ινών κατάλληλης διαμέτρου ακολουθεί η επίστρωση τους με προστατευτικές επικαλύψεις, που είναι ένα λεπτό επίστρωμα που εμφανίζεται στις ίνες με ψεκασμό νερού, που περιέχει ένα γαλακτοποιημένο πολυμερές σώμα. Έτσι με την προστατευτική επικάλυψη πετυχαίνουμε: a) Προστασία στις επιφάνειες των ινών από κακώσεις. b) Δέσμευση των ινών μεταξύ τους, για να είναι ευκολότερη η επεξεργασία. ο) Λίπανση των ινών για να μπορούν να αντιστέκονται σε γδαρσίματα σε επίμονες επεξεργασίες. d) Παρέχουν μια χημική σύνδεση μεταξύ της επιφάνειας του γυαλιού και της μήτρας ώστε να αυξηθεί η αντοχή των δεσμών Ίνες πολυμερούς (Polymer fibers) Οι πιο διαδεδομένες ίνες πολυμερούς είναι οι ίνες από Nylon, πολυαιθυλένιο και Kevlar. Δεν είναι παρά υπόθεση των τελευταίων χρόνων η παρασκευή ινών αρωματικών πολυαμιδίων (αραμιδίων / aramide), οι οποίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν ικανοποιητικά ως υλικό ενίσχυσης, υπερβαίνοντας το πρόβλημα της χαμηλής στιβαρότητας των συνθετικών πολυμερών. Το μέτρο ελαστικότητας των ινών αυτών είναι ίσο και υψηλότερο αυτού των ινών γυαλιού. Οι βασικές ιδιότητες των ινών αραμιδίων, εκ των οποίων ευρύτερα γνωστές είναι αυτές με την εμπορική ονομασία Kevlar, φαίνονται στον πίνακα 2.4. Σπουδαστής: Μουσταφά Ταϊφούν

29 ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ Kevlar 29 Kevlar 49 Μέτρο ελαστικότητας (GPa) Αντοχή σε εφελκυσμό (MPa) Επιμήκυνση θραύσης (%) Πυκνότητα (g/cm^) 1,45 1,45 Μέγιστη θερμοκρασία χρήσης ("C) Θερμοκρασία αστοχίας ("0) (Πίνακας 2.4). Χαρακτηριστικές ιδιότητες των ινών Kevlar. Ινες αραμιδίων χρησιμοποιούνται ως ενισχυτικά σύνθετων υλικών υψηλών προδιαγραφών για τα οποία υπάρχουν απαιτήσεις χαμηλού βάρους, υψηλής αντοχής, στιβαρότητας και αντοχής σε κόπωση. Το κόστος παραγωγής ινών αραμιδίων είναι ακόμα πολύ υψηλό, διπλάσιο περίπου του κόστους παραγωγής ινών άνθρακα. Στο σχήμα 2.5 φαίνεται η διάταξη παραγωγής ενισχυτικών ινών πολυαμιδίου.. Γραμμή μεταφοράς πρώτης ύλης (Σχήμα 2.5). Διάταξη παραγωγής ινών πολυαμιδίου Σττουδαστής: Μουσταφά Ταίφούν

30 Ενισχύσεις φυσικών ορυκτών Αρκετά ορυκτά, στην φυσική τους κατάσταση, βρίσκονται σε ινώδη ή φυλλώδη μορφή και μπορούν να αποτελέσουν φθηνό ενισχυτικό υλικό, χαμηλών ωστόσο προδιαγραφών. Πρόκειται κυρίως για τον αμίαντο και την μαρμαρυγία (mica). Ο αμίαντος σχηματίζει στοιχειώδη κρυσταλλικά ινίδια διαμέτρου 20 nm περίπου. Αυτά συνδέονται μεταξύ τους μέσω επιπέδου ατόμων πυριτίου και οξυγόνου. Οι ίνες αμιάντου αποχωρίζονται ανά μονάδες των 500 περίπου στοιχειωδών ινιδίων και έχουν διάμετρο 10 pm και μήκος αρκετά εκατοστά. Οι ίνες αμιάντου μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως τους 500 C, θερμοκρασία στην οποία η μηχανική αντοχή του υλικού μειώνεται δραστικά. Το μέτρο ελαστικότητας είναι της τάξης των 160 GPa, ενώ η μηχανική τους αντοχή μπορεί να φθάσει τα 5500 MPa. Πιθανή επιφανειακή βλάβη κατά τη διαδικασία αποχωρισμού των ινών, μειώνει την μηχανική αντοχή των ινών. Λόγω του χαμηλού του κόστους ο αμίαντος χρησιμοποιείται ευρύτατα: αμιαντοτσιμέντο, ασφαλτόπλακες, ενισχυτικό σε πλάκες βινυλίου, κτλ. Οι μαρμαρυγίες (mica) ανήκουν στην κατηγορία των φυλλοπυριτικών ορυκτών, έχουν επομένως τέλειο σχισμό και αποχωρίζονται εύκολα από το πέτρωμα σε μορφή φυλλιδίων που χρησιμοποιούνται ως ενισχυτικό σε σύνθετα υλικά. Η αντοχή τους σε εφελκυσμό μπορεί να φθάσει τα 2500 MPa για τέλεια φυλλίδια. Συνήθως είναι της τάξης των MPa, λόγω των ατελειών στις άκρες των φυλλιδίων. Το μέτρο ελαστικότητας των μαρμαρυγιών είναι περίπου 220 GPa και η πυκνότητα 2,8 g/cm^. Η ενίσχυση του υλικού της μήτρας γίνεται και προς τις δύο διευθύνσεις που ορίζει το επίπεδο των φυλλιδίων, χωρίς ωστόσο η συνεισφορά στην αντοχή του σύνθετου να είναι της ίδιας τάξης μεγέθους μ αυτήν των μονοδιευθυντικών ινών. Σπουδαστής: Μουσταφά Ταϊφούν

31 Μεταλλικές ίνες Διάφορα μέταλλα (κυρίως Βόριο, Βηρύλλιο και Βολφράμιο) παρουσιάζουν υψηλή τιμή ακαμψίας σε σχέση με το ειδικό τους βάρους (ειδική ακαμψία). Θα μπορούσαν, λοιπόν να αποτελέσουν εξαιρετικά ενισχυτικά σύνθετων υλικών. Ωστόσο, οι τεχνικές παραγωγής τέτοιων ινών είναι ακόμα πολύ δαπανηρές. Το βόριο είναι το περισσότερα υποσχόμενο υλικό, για την κατασκευή ινών ενίσχυσης. Ως συμπαγές υλικό είναι σκληρό και εύθραυστο, και επομένως, η κατασκευή ινών με μηχανουργική κατεργασία καθίσταται αδύνατη. Σήμερα, χρησιμοποιούνται δύο τεχνικές για την παραγωγή ινών βορίου: Αναγωγή από αλογονίδιο του Βορίου. Αλογονίδιο του βορίου (συνήθως BCI3) ανάγεται από υδρογόνο σε κλειστό θάλαμο υψηλής θερμοκρασίας (1100 C) και αποτίθεται σε πολύ λεπτό νήμα βολφραμίου, διαμέτρου μπι (σχήμα 2.6). Το νήμα θερμαίνεται εξαιτίας του φαινομένου Joule που ανατπύσσεται κατά την απόθεση και απαιτείται αυστηρός έλεγχος της θερμοκρασίας ώστε να ληφθεί επίστρωμα μικροσκοπικών κρυστάλλων βορίου διαμέτρου 2-3 nm. Η διάμετρος των ινών που παράγονται με αυτή την τεχνική κυμαίνεται μεταξύ 100 και 200 μιπ. Οι ίνες παρουσιάζουν εξαιρετική δυσκαμψία και μηχανική αντοχή. ινιοιο βολφραμίου Ηί HCI BCI3+H 2 BCIa + Hj + CH4 I i I f ι t 1 ι. f "ι ί "1,Α. Γ 1 J 1 ί Καθαρισμός Απόθεση βορίου Απόθεση καρβιδίου HCI Ινα βορίου/ κα^^ιδίου του βορίου (Σχήμα 2.6). Παραγωγή ινών βορίου με αναγωγή αλογονιδίου του βορίου. Απόθεση με τεχνική CVD. Σπουδαστής: Μουσταφά Ταϊφούν

32 Τα τελευταία χρόνια χρησιμοποιείται εξίσου και η τεχνική της χημικής εναπόθεσης ατμών (CVD). Το βόριο αποτίθεται σε νήμα άνθρακα ή βολφραμίου. Η τεχνική είναι οικονομικότερη από την προηγούμενη, αλλά το προϊόν έχει χαμηλότερη μηχανική αντοχή. Γενικά, οι ίνες βορίου έχουν υψηλή μηχανική αντοχή (E= G Pa, Ots= MPa), ενώ οι τιμές των ιδιοτήτων τους διατηρούνται σταθερές ως τους 500 C. Για την χρήση τους σε υψηλότερες θερμοκρασίες, θα πρέπει να χρησιμοποιείται προστατευτικό επίστρωμα καρβιδίου του πυριτίου (οι ονομαζόμενες ίνες B orsic) ή νιτριδίου του βορίου. Τα επιστρώματα αυτά αποτρέπουν την αντίδραση του υλικού ενίσχυσης με αυτό της μήτρας. Πράγματι, σε υψηλές θερμοκρασίες έχουμε διάχυση μέσω της διεπιφάνειας ίνας-μήτρας και αντιδράσεις σε στερεά κατάσταση που οδηγούν στον σχηματισμό μεσομεταλλικών ενώσεων. Αυτές είναι πολύ εύθραυστες και προκαλούν την αστοχία του σύνθετου. Τα παραπάνω αφορούν κυρίως μεταλλικές μήτρες τιτανίου και αλουμινίου. Τέλος, το υψηλό κόστος παρασκευής μεταλλικών ινών ενίσχυσης, περιορίζει το πεδίο χρήσεων τους σε μερικές ειδικές εφαρμογές της αεροναυπηγικής και αεροδιαστημικής Κεραμικές ίνες (Ceramic Fibers) Οι κεραμικές ίνες που χρησιμοποιούνται συνηθέστερα είναι οι ίνες οι ίνες καρβιδίου του πυριτίου και αλουμίνας, και λιγότερο οι ίνες S isna, BeO, B4C και Ζτθ2. Ίνες μεγάλης αντοχής, από καρβίδιο του πυριτίου (SiC) μπορούν να παραχθούν με χημική εναπόθεση ατμών (CVD) χλωριούχου σιλανίου (ττχ. Μεθυλο-διχλωροσιλάνιο).Το SiC παρουσιάζει σταθερή μηχανική αντοχή έως τους 1400 C, ωστόσο η μέγιστη επιτρεπτή θερμοκρασία χρήσης του περιορίζεται στους 900 C, λόγω της σημαντικής δραστικότητας του, πάνω από αυτήν την θερμοκρασία. Καρβίδιο του πυριτίου χρησιμοποιείται, επίσης, και με την μορφή φυλλιδίων όπως εκείνα των μαρμαρυγιών. Ωστόσο, οι μηχανικές τους ιδιότητες είναι κατώτερες εκείνων των ινών SiC. Σπουδαστής: Μουσταφά Ταϊφούν

33 Είναι δυνατή η δημιουργία μονοκρυσταλλικών ινών αλουμίνας (ΑΙ2Ο3) διαμέτρου 250 μηη, με εξαιρετικές μηχανικές ιδιότητες. Χάριν της ισχυρής φύσεως των χημικών δεσμών, η σταθερότητα των μηχανικών τσυς ιδιοτήτων διατηρείται ως τους 800 C. Ωστόσο, οι μονοκρυσταλλικές ίνες αλουμίνας είναι εξαιρετικά ευαίσθητες και η παραμικρή φθορά της επιφάνειας τους, οδηγεί σε αστσχία Τριχίτες (whiskers) Οι τριχίτες είναι νηματικσί μονοκρύσταλλοι, σι σπσίοι παράγονται με αποσύνθεση άλατσς μετάλλσυ σε αναγωγική ατμόσφαιρα, κάτω από αυστηρά ελεγχόμενες συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας. Λόγω της μεθόδου παραγωγής τους, οι τριχίτες δεν έχουν παρά μόνο μια αξονική διαταραχή κοχλία, και κατά συνέπεια, παρουσιάζουν τις μηχανικές ιδιότητες ενός τέλειου κρυστάλλου. Η διάμετρος τους είναι συνήθως Ιμιπ, ενώ τσ μήκος τους μπορεί να φθάσει ως μερικά χιλιοστά. Οι εξωτερικές τους επιφάνειες είναι λείες και δεν παρουσιάζουν ζώνες συγκέντρωσης τάσεων. Σε βιομηχανική κλίμακα, είναι δύσκολη η παραγωγή τριχιτών, λόγω της αδυναμίας πλήρους και ακριβούς ελέγχου των συνθηκών παραγωγής, προϋπσθέσεις απαραίτητες για την παραγωγή τριχιτών σταθερής διαμέτρου. Με την αύξηση της διαμέτρου των τριχιτών πάνω από μερικά μικρόμετρα, η εξωτερική επιφάνεια του τριχίτη παύει να είναι λεία. Οι σχηματιζόμενες επιφανειακές ανωμαλίες δρουν ως ζώνες συγκέντρωσης τάσεων, με αποτέλεσμα την μείωση της μηχανικής αντοχής του τριχίτη. Οι ευρύτερα χρησιμοποιούμενοι τριχίτες είναι από αλουμίνα, γραφίτη, καρβίδιο του πυριτίου, βηρύλλια και νιτρίδιο του πυριτίου. Στον πίνακα 2.1 μπορούμε να δούμε μερικούς τριχίτες και τις ιδιότητες που παρουσιάζουν, και επίσης μπορούμε να κάνουμε μια σύγκριση μεταξύ τριχιτών και ινών Μ ήτρες (m atrix) Το άλλο κύριο συστατικό των ινωδών σύνθετων υλικών, η μήτρα, έχει δύσ πολύ σημαντικές απσσταλές: ( 1) κρατά στη θέση τσυς τις ίνες και (2) κάτω από την εςταρμογή φόρτισης παραμορφώνεται και κατανέμει τις Σττουδαστής: Μουσταφά Ταϊφούν Σελίδα 32

34 τάσεις στις μεγάλου μέτρου ελαστικότητας ίνες. Η εκλογή του υλικού της μήτρας για την κατασκευή του σύνθετου υλικού περιορίζεται από την απαίτηση, να έχει μεγαλύτερη επιμήκυνση θραύσης από την ίνα. Έτσι εάν η επιμήκυνση θραύσης της ίνας είναι 4%, η μήτρα θα πρέπει να έχει τουλάχιστον μια επιμήκυνση 5%. Ακόμη η μήτρα πρέπει να μεταφέρει τις δυνάμεις στις ίνες και να αλλάζει σχήμα για να το πετύχει, καταπονώντας την ίνα μόνο με εφελκυστικά φορτία και ακόμη περισσότερο, κατά τη διάρκεια της λειτουργίας η μήτρα πρέπει να περικλείει την ίνα χωρίς υπερβολική συρρίκνωση, η οποία θα δημιουργούσε εσωτερική παραμόρφωση στην ίνα. Μια και οι ενισχύσεις τείνουν να είναι εύθραυστες, η μήτρα προστατεύει την επιφάνεια τους έναντι τραυμάτων και οξείδωσης, μια και τα δύο μπορούν να ξεκινήσουν την θραύση. Για να πετύχουμε αυτή την μεταφορά φορτίων και να μειώσουμε την πιθανότητα αστοχίας της μήτρας ή αποκόλληση των ινών ή όποιων ενισχύσεων πρέπει να γίνεται με την κατάλληλη διατμιτική αντοχή της μήτρας που θα αντέξει αυτά τα φορτία. Στην περίτπωση που θα σπάσει μια ίνα, η μήτρα πρέπει να ανακατανέμει τα φορτία τόσο στις γειτονικές ενισχύσεις, όσο και στα τμήματα της θραυσμένης ίνας. Ενώ οι δυνατές και άκαμπτες (αλλά εύθραυστες) ενισχύσεις προσφέρουν υψηλές ιδιότητες εφελκυσμού και ελαστικότητας η πλαστική ροή στις άκρες των ρωγμών της μήτρας απορροφά ενέργεια και μειώνει την συγκέντρωση των τάσεων συμβάλλοντας έτσι στην αντίσταση έναντι της θραύσης. Οι μήτρες που υπόκεινται σε πλαστική παραμόρφωση ακόμα χρησιμεύουν στην εκτροπή των ρωγμών παράλληλα προς τις ίνες, εμποδίζοντας έτσι την αστοχία όλων των ινών σε ένα επίπεδο. Έτσι για να επεκταθεί μια ρωγμή μέσα στις μήτρες όλκιμου υλικού πρέπει πρώτα οι ίνες να αφαιρούνται από την μήτρα καθώς σπάνε, απορροφώντας όμως μέχρι να γίνει αυτό μια μεγάλη ποσότητα ενέργειας. Η μήτρα πρέπει να λειτουργεί με αυτόν τον τρόπο σε ολόκληρο το προσδοκώμενο θερμοκρασιακό πεδίο εφαρμογής όπως πρέπει να αντιστέκεται και σε χημικές και περιβαλλσντικές εφαρμσζόμενες τάσεις, για αυτόν τον λόγο το κόστος των περισσοτέρων μητρών ρητίνης πολυμερούς Σπουδαστής: Μουσταφά Ταϊφούν Σελίδα 33

35 «Ινώδη Σύνθετα υλικό» θεωρείται δευτερεύον σχετικά με την χημική τους αδράνεια και στην σταθερότητα τους στις διάφορες θερμοκρασίες, για χρήσεις υψηλών προδιαγραφών Μήτρες ττολυμερούς (οργανικές) Μήτρες ρητίνης: Παρόλο που πολλοί τύποι ρητινών, θερμοσκληραινόμενες και θερμοπλαστικές, έχουν ενισχυθεί με ίνες γυαλιού, οι πολυεστερικές ρητίνες είναι οι πλέον χρησιμοποιούμενες, ειδικά για εφαρμογές χαμηλών απαιτήσεων. Στις θερμοσ κληραινόμενες ρ η τίνες περιλαμβάνονται οι πολυεστέρες, οι εστέρες βινυλίου, οι εποξειδικές, οι bisoiaieimides και τα πολυαμίδια. Οι θερμοσκληραινόμενες ρητίνες χρησιμοποιούνται συνήθως στην κατασκευή πλαστικών ενισχυμένων με ίνες (FR P) και οι εποξειδικές στην σύνθεση εξελιγμένων σύνθετων ρητινών. Αρχικά το ιξώδες αυτών των ρητινών είναι χαμηλό, ωστόσο σαν μήτρες υφίστανται χημικές διεργασίες κατά τις οποίες διασταυρώνονται οι πολυμερείς αλυσίδες και έτσι συνδέεται ολόκληρο το υλικό της μήτρας με ένα τρισδιάστατο δίχτυ (πολυμερισμός). Οι θερμοσκληραινόμενες ρητίνες εξαιτίας της τρισδιάστατης αυτής πλέξεις στην δομή τους τείνουν να έχουν μια υψηλή σταθερότητα στις διαστάσεις τους, υψηλή αντίσταση κατά τις θερμότητας και καλή αντίσταση απέναντι στους διαλύτες. Τα θερμοσκληραινόμενα συστήματα υλικών σαν μήτρες κυριαρχούν στην βιομηχανία σύνθετων υλικών εξαιτίας της χημικά ενεργής φύσης τους. Αυτές οι ρητίνες ξεκινούν από ένα μονομερικό ή ολιγομερικό στάδιο, που χαρακτηρίζεται από χαμηλό ιξώδες (δηλ. εύκολη ροή), τα οποία βοηθούν στην εύκολη ενσωμάτωση των ινών, ευπλαστότητα σε πολύπλοκες μορφές και ένα μέσο για την επίτευξη υψηλής αντοχής και υψηλής δυσκαμψίας διασύνδεση δικτύου σε ένα πολυμερισμένο τμήμα. Οι θερμοσκληραινόμενες εποξειδικές ρητίνες, οι αδιαπότιστοι πολυεστέρες και εστέρες βινυλίου, οι όίθπίθΐθίπιίάβε, τα πολυαμίδια και οι φαινόλες έχουν χρησιμοποιηθεί ευρέως γιατί προσφέρουν μια καλή ισορροπία ανάμεσα στο κόστος και την λειτουργία τους. Σπουδαστής: Μουσταφά Ταίφούν

36 Οι εττοξειδικές ρητίνες είναι ακριβότερες από τους πολυεστέρες αλλά η υψηλή πρόσφυση τους, τις κάνει χρήσιμες για πολλές εφαρμογές υψηλών απαιτήσεων. Ακόμη αυτές παρουσιάζουν εξαιρετική αντίσταση κατά την υγρασίας και μικρή συστολή κατά τη διάρκεια του πολυμερισμού (περίπου 3%), ιδιότητες που συμβάλλουν στην καλή συνεργασία μεταξύ των ινών και της μήτρας. Στις θερμοπλασ τικές ρητίνες, που καλούνται και μηχανικά πλαστικά περιλαμβάνονται μερικοί πολυεστέρες, πολυαιθεριμίδια, πολυαμίδια, ιμίδια, πολυφαινιλικά σουλφίδια, πολυαιθερικές κετόνες (PEEK ) και ρευστά-κρυσταλλικά πολυμερή. Αυτά αποτελούνται από κεχωρισμένα μόρια τα οποία λειώνουν σε ένα ιξώδες ρευστό κατά την θερμική διεργασία τους, περίπου στους 260 C με 371 C και αφού τους δοθεί το επιθυμητό σχήμα, ψύχονται σε ένα άμορφο, ημικρυσταλλικό ή κρυσταλλικό στερεό. Από τον βαθμό αυτό της κρυσταλλοποίησης του εξαρτώνται κυρίως οι τελικές ιδιότητες της μήτρας. Αντίθετα από την διαδικασία του πολυμερισμού των θερμοσκληραινόμενων ρητινών, η διεργασία των θερμοπλαστικών ρητινών είναι αναστρέψιμη και απλά αναθερμαίνοντας τες στην θερμοκρασία διεργασίας οι ρητίνες λιώνουν ξανά και μπορούν να πάρουν οποιοδήποτε άλλο επιθυμητό σχήμα. Οι θερμοπλαστικές ρητίνες ενώ γενικά μειονεκτούν των θερμοσκληραινόμενων στην αντοχή σε υψηλές θερμοκρασίες και χημική σταθερότητα, έχουν μεγαλύτερη αντοχή σε ρωγμάτωση, σε ζημιά από κρούσεις, αν και πρέπει να σημειωθεί ότι προσφάτως έχουν αναπτυχθεί θερμοπλαστικές ρητίνες υψηλών επιδόσεων, όπως η PEEK, η οποία έχει ημικρυσταλλική δομή και εμφανίζει εξαιρετική αντοχή στις μεγάλες θερμοκρασίες και στην χημική διάλυση. Τα θερμοπλαστικά υλικά υπόσχονται πολλά στο μέλλον από κατασκευαστική σκοπιά μια και είναι ευκολότερη και γρηγορότερη η θέρμανση και η ψύξη ενός υλικού από τον πολυμερισμό του, και αυτό κάνει τις θερμοπλαστικές μήτρες ελκυστικές στις μεγάλες βιομηχανίες, όπως οι αυτοκινητοβιομηχανίες. Γενικά τα θερμοπλαστικά υλικά ενισχύονται κυρίως με ασυνεχείς ίνες όπως τεμαχισμένο γυαλί ή άνθρακα / γραφίτη, ωστόσο υπάρχουν υψηλών προδιαγραφών θερμοπλαστικά ενισχυμένα με συνεχείς ίνες. Για παράδειγμα οι θερμοπλαστικές ρητίνες μπορούν να Σπουδαστής: Μουσταφά Ταϊφούν Σελίδα 35

37 χρησιμοποιηθούν στην θέση των εποξειδίκων στις σύνθετες κατασκευές της νέας γενιάς μαχητικών αεροσκαφών. Στον πίνακα (2.5) φαίνονται διάφορες ιδιότητες για θερμοπλαστικές και θερμοσκληραινόμενες μήτρες. Η συνεχής έρευνα για την βελτιστοποίηση των υλικών και την αξιοποίηση των συστημάτων εποξειδίκων ρητινών έχει εξετάσει την πλέον βολική μέθοδο συνδυασμού ινών γραφίτη εμποτισμένες με οξύ ή/ και ινών γραφίτη εμποτισμένες σε πολυαμίδιο για το σχηματισμό πάρα πολύ ανθεκτικών κυψελών. Το τελικό αποτέλεσμα αναμένεται να είναι ένα κυψελοειδές υλικό με ίνες γραφίτη και πολύ υψηλότερο λόγο αντοχής προς το βάρος από τις συμβατικές κυψέλες που έχουν υψηλή αντοχή στη θερμοκρασία. Και κάποιες άλλες θερμοσκληραινόμενες ρητίνες, ενισχυμένες με ίνες, έχουν επίσης χρησιμοποιηθεί για εφαρμογές με απαιτήσεις σταθερότητας στις υψηλές θερμοκρασίες, όπως η σιλικόνη και οι (ραινολικές ρητίνες. Όταν οι θερμοπλαστικές ρητίνες ενισχύονται με ίνες γυαλιού, όπως οι πολυστερίνες, τα polycarbonate και το polyvinyl (πολυβινυλικό χλωρίδιο) επιδεικνύουν βελτιωμένες μηχανικές ιδιότητες και αυτά τα κανονικά ασταθή πλαστικά έχουν εξαιρετική σταθερότητα διαστάσεων και βελτιωμένη αντίσταση στην θερμότητα Κεραμικές μήτρες Τα κεραμικά υλικά, ως γνωστό, είναι σκληρά, δύστηκτα, μεγάλης στιβαρότητας και μεγάλης αντοχής στη διάβρωση και τη χημική προσβολή, με αποτέλεσμα να αποτελούν υλικά μεγάλου ενδιαφέροντος στην περιοχή των σύνθετων υλικών. Οι ίνες στην περίπτωση της κεραμικής μήτρας αποβλέπουν αφενός μεν στην βελτίωση της αντοχής του κεραμικού στους θερμικούς αιφνιδιασμούς, αφετέρου δε, στην αύξηση της μηχανικής του αντοχής. Η βελτίωση της αντοχής είναι συνάρτηση του ποσοστού των περιεχομένων ινών. Όλκιμες ίνες, μικρού μήκους (ττχ. Μο, Νί) βελτιώνουν Σπουδαστής: Μουσταφά Ταϊφούν Σελίδα 36