Εργαστήριο Τεχνολογίας Υλικών

Transcript

1 Εργαστήριο Τεχνολογίας Υλικών Εργαστηριακή Άσκηση 09 Σύνθετα Υλικά Διδάσκοντες: Δρ Γεώργιος Ι. Γιαννόπουλος Δρ Θεόδωρος Λούτας Δρ Χρήστος Κατσιρόπουλος Τμήμα Μηχανολογίας ΑΤΕΙ Πατρών Πάτρα

2 Σύσταση Σύνθετων Υλικών (ΣΥ) Αν θεωρήσουμε ότι οι τρεις κλασσικές κατηγορίες υλικών καταλαμβάνουν τις κορυφές του τριπόλου εξέλιξης των υλικών, ο συνδυασμός ανά δύο των υλικών αυτών, οδηγεί σε οικογένειες νέων υλικών που ονομάζονται σύνθετα. 2

3 Ορισμός ΣΥ Ως σύνθετο υλικό, ορίζεται το υλικό που αποτελείται από δύο ή περισσότερα συστατικά, τα οποία συνδυάζονται για να επιτευχθούν ειδικές ιδιότητες και χαρακτηριστικά, που κανένα από τα συμμετέχοντα συστατικά δεν μπορεί από μόνο του να επιτύχει. 3

4 Φάσεις ΣΥ Τα σύνθετα υλικά χαρακτηρίζονται από τη συνύπαρξη δύο τουλάχιστον μακροσκοπικά διακρινομένων φάσεων/συστατικών, από τα οποία το ένα, χαρακτηρίζεται ως ενίσχυση, είναι συνήθως μικρής περιεκτικότητας και προσδίδει στο σύνθετο βελτιωμένες μηχανικές, κυρίως, ιδιότητες. Το δεύτερο συστατικό, το οποίο καλείται μήτρα, είναι συνήθως υψηλής περιεκτικότητας και χαμηλής πυκνότητας ενω συνήθως η συμμετοχή του στο σύνθετο εξασφαλίζει τη μέγιστη δυνατή εκμετάλλευση των ιδιοτήτων της ενίσχυσης. Ανάλογα με τη μορφή του συστατικού ενίσχυσης, τα σύνθετα κατατάσσονται σε τρεις μεγάλες κατηγορίες: 1. Σύνθετα υλικά με ενίσχυση σωματιδίων. 2. Σύνθετα υλικά με ενίσχυση ινών. 3. Δομικά σύνθετα υλικά. 4

5 Ταξινόμηση ΣΥ 5

6 ΣΥ με Ενίσχυση Σωματιδίων Είναι σύνθετα υλικά με ενίσχυση σφαιρικών σωματιδίων. Υπάρχουν δύο τύποι ενίσχυσης με σωματίδια: α) ενισχυμένα με μεγάλα σωματίδια (διάμετρος > 1μ). Π.χ. ελαστομερές με άνθρακα, σκυρόδεμα κλπ b) ενισχυμένα με μικρά σωματίδια σε διασπορά (0.01μ < διάμετρος < 0.1μ). Π.χ. Μέταλλα ενισχυμένα με οξείδια. Ελαστομερές (ανοιχτό γκρι) ενισχυμένο με άνθρακα Κοβάλτιο (λευκό) ενισχυμένο με καρβίδιο του τιτανίου 6

7 Εφαρμογές ΣΥ με Ενίσχυση Σωματιδίων 7

8 Πρόβλεψη Ιδιοτήτων ΣΥ με Ενίσχυση Σωματιδίων Νόμος μειγμάτων για πρόβλεψη άνω ορίου ιδιότητας: άνω C κάτω C C :Μέτρο Ελαστικότητας συνθέτου(coposite) :Μέτρο Ελαστικότητας μήτρας(atix) :Μέτρο Ελαστικότητας ενίσχυσης(einfoceent) :Κλάσμα όγκουμήτρας(atix) :Κλάσμα όγκουενίσχυσης(einfoceent) 8

9 ΣΥ με Ενίσχυση Ινών Ηδιασπαρμένη φάση έχει μορφή ίνας. Οι στόχοι του σχεδιασμού των ινωδών σύνθετων υλικών είναι υψηλή αντοχή ή/και δυσκαμψία στη σε συνδυασμό με το μικρό βάρος ( υψηλές ειδικές ιδιότητες). Π.χ. πολυμερές ενισχυμένο με ίνες γυαλιού. Πολυεστέρας με ίνες γυαλιού 9

10 ...ΣΥ με Ενίσχυση Ινών Ενίσχυση με α) συνεχείς ευθυγραμμισμένες ίνες b) ασυνεχείς (κοντές) ευθυγραμμισμένες ίνες c) ασυνεχείς τυχαία προσανατολισμένες ίνες d) πλέξεις ινών 10

11 Παράγοντες Επιρροής Ιδιοτήτων ΣΥ με Ενίσχυση Ινών a) Συγκέντρωση b) Μέγεθος διατομής c) Σχήμα διατομής d) Κατανομή e) Προσανατολισμός f) Μήκος g) Υλικό ενίσχυσης 11

12 ...Παράγοντες Επιρροής Ιδιοτήτων ΣΥ με Ενίσχυση Ινών 12

13 Πρόβλεψη Ιδιοτήτων ΣΥ με Ενίσχυση Συνεχών και Ευθυγραμμισμένων Ινών Νόμος μειγμάτων για πρόβλεψη διαμήκους ιδιότητας: διαμήκες C εγκάρσιο C C :Μέτρο Ελαστικότητας συνθέτου(coposite) :Μέτρο Ελαστικότητας μήτρας(atix) :Μέτρο Ελαστικότητας ενίσχυσης(einfoceent) :Κλάσμα όγκουμήτρας(atix) :Κλάσμα όγκουενίσχυσης(einfoceent) 13

14 Δομικά ΣΥ Είναι υλικά που αποτελούνται από συνδυασμό ομοιογενών υλικών και άλλων σύνθετων υλικών, και οι ιδιότητες των οποίων εξαρτώνται όχι μόνο από τις ιδιότητες των κατά μέρος υλικών αλλά και από το γεωμετρικό σχεδιασμό των κατά μέρος δομικών υλικών. Δύο μεγάλες κατηγορίες δομικών σύνθετων είναι τα: (α) ενισχυμένα με φύλλα (b) ενισχυμένα τύπου σάντουιτς Ζιρκονία σε υπόστρωμα χυτοσιδήρου σφαιροειδούς γραφίτη, με ενδιάμεσο συνδετικό στρώμα Νi-Αl. 14

15 Δομικά ΣΥ με Φύλλα 15

16 Δομικά ΣΥ Τύπου Σάντουιτς Ενδιάμεση κυψελίδα από πολυπροπυλένιο συμπιεσμένη σε φύλλα ανθρακονημάτων (προστατευτικό για κρούσεις) 16

17 Έλεγχος Μηχανικής Συμπεριφοράς ΣΥ Ο προσδιορισμός και μόνον του συνδυασμού υλικών μήτρας-ινών, όσο καλή κι αν είναι η επιλογή, δεν είναι ικανός να προδιαγράψει τη συμπεριφορά του εξαρτήματος από σύνθετο υλικό σε διάφορες συνθήκες μηχανικής φόρτισης. Ο έλεγχος των μηχανικών ιδιοτήτων των συνθέτων υλικών πραγματοποιείται σε τέσσερα στάδια. 17

18 Πειραματική διαδικασία Επίδειξη σύνθετων υλικών-εξαρτημάτων Δοκιμή σε εφελκυσμό σύνθετων υλικών 18