Σφνκετα Υλικά: Χαρακτθριςμόσ και Ιδιότθτεσ

Transcript

1 Σφνκετα Υλικά: Χαρακτθριςμόσ και Ιδιότθτεσ Διδάςκοντεσ: Α. Ραϊπζτθσ, Κακθγθτισ, Δρ. Μθχ/γοσ Μθχανικόσ Ν. Μ. Μπάρκουλα, Αν. Κακθγιτρια, Δρ. Μθχ/γοσ Μθχανικόσ 1

2 Ιςτορία των Υλικϊν: 2

3 Ξφλο: 3

4 Βιο-ίνα: Κάθε βιο-ίνα αποτελείται από: Μία περίπλοκθ ςτρωματικι δομι που περιζχει ζνα κφριο κυτταρικό τοίχωμα και τρία δευτερεφοντα κυτταρικά τοιχϊματα. Το ςτρϊμα που βρίςκεται μζςα ςτα δευτερεφοντα κυτταρικά τοιχϊματα είναι αυτό που κακορίηει τισ μθχανικζσ ιδιότθτεσ των ινϊν. Αποτελείται από μία ςειρά ελικοειδϊν κυτταρικϊν μικρο-ινιδίων τα οποία προζρχονται από μακριά μακρομόρια κυτταρίνθσ. Κάκε κυτταρικό τοίχωμα περιζχει κυτταρίνθ, θμικυτταρίνθ και λιγνίνθ. Η θμικυτταρίνθ και θ λιγνίνθ λειτουργοφν ωσ μιτρα ενϊ τα μικρο-ινίδια ωσ ίνεσ. Επιπλζον οι ίνεσ περιζχουν πεκτίνθ, ζλαια και κερί. Η δομι ζχει τθ μορφι ςωλινα ζτςι οι ίνεσ ζχουν κοιλότθτα. 4

5 Ιςτορικι Ανάπτυξθ των Ρολυμερικϊν Συνκζτων Υλικϊν : ΧΡΟΝΟΛΟΓΙΑ 5000 π.χ π.χ μ.χ μ.χ μ.χ μ.χ μ.χ μ.χ μ.χ μ.χ μ.χ μ.χ μ.χ μ.χ μ.χ. Σφνκετα υλικά, Γ. Ραπανικολάου, Δ. Μουηάκθσ ΤΛΙΚΟ Μίγμα παπφρου-πίςςασ Επίςτρωςθ ξφλου (καπλαμάσ) Φαινολικά ςφνκετα Σφνκετα ουρίασ-φορμαλδεΰδθσ Σφνκετα μελαμίνθσ-φορμαλδεΰδθσ Ρολυεςτζρασ- ίνεσ υάλου Σφνκετα εποξειδικισ ρθτίνθσ Σφνκετα Nyln - ίνεσ υάλου Σφνκετα πολυςτυρενίου-υάλου Σφνκετα φαινόλθσ-αμιάντου Ρλαςτικά ενιςχυμζνα με ίνεσ άνκρακα Ρλαςτικά ενιςχυμζνα με ίνεσ βορίου Υβριδικά ςφνκετα άνκρακα-υάλου Ρλαςτικά ενιςχυμζνα με ίνεσ Aramid Υβριδικά ςφνκετα aramid/γραφίτθ 5

6 Τα ςφνκετα υλικά (cmpsite materials): Αποτελοφνται από δυο ι περιςςότερα φυςικϊσ ευδιάκριτα και μθχανικϊσ διαχωριηόμενα υλικά. Ραραςκευάηονται με τθ φυςικι ανάμειξθ διακεκριμζνων υλικϊν, ζτςι ϊςτε ο διαςκορπιςμόσ του ενόσ εντόσ του άλλου να είναι ελεγχόμενοσ, προσ επίτευξθ βζλτιςτων ιδιοτιτων. Οι ιδιότθτεσ του ςυνκζτου είναι διαφορετικζσ και ςε μερικζσ περιπτϊςεισ μοναδικζσ, ςυγκρινόμενεσ με τισ ιδιότθτεσ των επί μζρουσ ςυςτατικϊν. 6

7 Τα κφρια ςυςτατικά του ςφνκετου υλικοφ: Μήτρα: είναι θ ςυνεχισ φάςθ ςτο ςφνκετο Ενίςχυςη: είναι θ αςυνεχισ ι διαςκορπιςμζνθ φάςθ ςτο ςφνκετο 7

8 Τα κφρια ςυςτατικά του ςφνκετου υλικοφ: Μήτρα: είναι θ ςυνεχισ φάςθ ςτο ςφνκετο όλοσ: - Μεταφορά τάςεων ςτισ άλλεσ φάςεισ - Ρροςταςία των φάςεων από το περιβάλλον - Κατθγοριοποίθςθ: MMC (Metal Matrix Cmpsites) CMC (Ceramic Matrix Cmpsites) PMC (Plymer Matrix Cmpsites) Ενίςχυςη: είναι θ αςυνεχισ ι διαςκορπιςμζνθ φάςθ ςτο ςφνκετο όλοσ: - Ενίςχυςθ τθσ μιτρασ - Κατθγοριοποίθςθ: ςωματίδα, ίνεσ, δομικά 8

9 Σάςη Ιδιότθτεσ Συνκζτων Υλικϊν: ενίςχυςη ςφνθετο υλικό μήτρα παραμόρφωςη Οι ιδιότθτεσ του ςυνκζτου είναι ςυνδυαςμόσ των ιδιοτιτων τθσ μιτρασ και αυτϊν τθσ ενίςχυςθσ. Συνολικά, οι ιδιότθτεσ του ςυνκζτου κακορίηονται από: - Ιδιότθτεσ τθσ μιτρασ - Ιδιότθτεσ τθσ ενίςχυςθσ - Ροςοςτό των δφο φάςεων - Γεωμετρία και προςανατολιςμόσ τθσ ενίςχυςθσ - Πρόςφυςη μήτρασ/ενίςχυςησ - Καταςκευαςτικι τεχνολογία 9

10 Ρρόςφυςθ μιτρασ/ενίςχυςθσ: 10

11 Τφποι Ρολυμερικισ Μιτρασ: Σφνκετα Υλικά, Ραπανικολάου & Μουηάκθσ 11

12 Τφποι Ρολυμερικισ Μιτρασ: Σε έλα ζεξκνπιαζηηθό πιηθό νη καθξνκνξηαθέο αιπζίδεο ζπκπιέθνληαη δηαηεξώληαο ηε δηαζηαζηαθή ζηαζεξόηεηα Σε έλα ζεξκνζθιεξπλόκελν πιηθό νη καθξνκνξηαθέο αιπζίδεο ζπκπιέθνληαη επίζεο. Με Θέξκαλζε νη αιπζίδεο νιηζζαίλνπλ ε κηα πάλσ ζηελ άιιε επηηξέπνληαο ζην πιηθό κε πίεζε λα ιάβεη λέν ζρήκα Με Θέξκαλζε ην πιηθό κπνξεί λα ιάβεη λέν ζρήκα. Αξρίδεη ν ζρεκαηηζκόο ζηαπξνδεζκώλ δεκηνπξγώληαο ηξηζδηάζηαην δίθηπν Τν λέν ζρήκα πνπ πξνέθπςε κεηά ηελ απόςπμε κπνξεί λα αιιάμεη μαλά κε αλαζέξκαλζε θαη ςύμε Εάλ ζπλερηζηεί ε ζέξκαλζε ή ην πιηθό μαλαζεξκαλζεί κεηά ηελ ςύμε δελ ππάξρεη αιιαγή-πξηλ ηελ απαλζξάθσζε 12 Σφνκετα Υλικά, Ραπανικολάου & Μουηάκθσ

13 Τφποι Ενίςχυςθσ: Κοκκώδη Κονηέρ Ίνερ Σςσαίαρ Διεύθςνζηρ Μικηό Κοκκώδερ με ηςσαία καηανομή κονηών ινών Νιθάδερ Πποζαναηολιζμένερ Κονηέρ Ίνερ ςνεσείρ Ίνερ μιαρ Διεύθςνζηρ Διαζηαςπούμενερ Ίνερ ηςσαίαρ διεύθςνζηρ Διαζηαςπούμενερ Ίνερ ζε γωνία 90ο Αλληλοδιασεόμενα Δίκηςα (ΙΡΝ) άνηοςιηρ με Αθπό Διάθοπερ Πλέξειρ Ινών Πολύζηπωηο ύζηημα Σφνκετα Υλικά, Ραπανικολάου & Μουηάκθσ 13

14 ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ωματίδια Κνεσ Δομικά Plymers 2014, 6(11), ; di: /ply m See mre at: htm#sthash.2ykd EHi.dpuf SEM (scanning electrn micrscpe) images f (a) silica- graphene xide (GO) cmpsite [56]cpyright 2008 American Chemical Sciety; (b) PANI decrated graphene sheets [57], cpyright 2012 Ryal Sciety f Chemistry; (c) P[MTMA][TFSI] micrspheres [58], cpyright 2014 Ryal Sciety f Chemistry; (d) cre-shell structured GO cated plystyrene (PS) [59], cpyright 2011 Ryal Sciety f Chemistry; (e) silica/plythiphene (PT) nanspheres [60], cpyright 2009 Ryal Sciety f Chemistry; (f) PGMA (ply(glycidyl methacrylate))/pani particles [61], cpyright 2013 Elsevier; (g) fibrus PANI particles [63], cpyright 2008 Elsevier; and (h) silica nanparticle mdified PANI nanfibers [64], cpyright 2011 Ryal Sciety f Chemistry 14

15 ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ: ΣΩΜΑΤΙΔΙΑ ωματίδια Κνεσ Δομικά Επιφάνεια κραφςθσ ςφνκετου PAS ενιςχυμζνου με υαλοςφαιρίδιο Αποκολλθμζνο υαλοςφαιρίδιο που περικλείεται από κενό λόγω τθσ παραμόρφωςθσ ςφνκετου PP/glass J. Braz. Sc. Mech. Sci. vl.23 n.1 Ri de Janeir Thi YS, Argn AS, Chen RE. Rle f interfacial adhesin strength n tughening plyprpylene with rigid particles. Plymer 2004;45:

16 ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ Σωματίδια Κνεσ Δομικά Αποκολλθμζνεσ ίνεσ γυαλιοφ S324/MATS324A4%20fracture.htm Μεμονωμζνεσ ίνεσ άνκρακα ςε plyphenylene sulphide (PPS) μιτρα de_cmpsites/what_are_cmpsites.html 16

17 Αντιγράφοντασ τθν φφςθ - Κνεσ Γνωρίηουμε ότι ςτθν φφςθ τα ινϊδθ υλικά μποροφν να ζχουν μεγάλθ αντοχι και δυςκαμψία. Οι φυςικζσ ίνεσ, όπωσ το βαμβάκι, το λινό, το μαλλί, κλπ βρίςκουν εφαρμογι ςε πολλζσ βιομθχανίεσ είτε ςε μορφι υφάςματοσ, είτε ςε μορφι ςχοινιϊν και πλεγμάτων. 17

18 Ρωσ χρθςιμοποιοφνται οι ίνεσ; Οι ίνεσ δεν μποροφν να χρθςιμοποιθκοφν ανεξάρτθτα, χωρίσ ςφνδεςθ μεταξφ τουσ ςε δομικζσ εφαρμογζσ. Ζνα ςχοινί ζχει καλζσ ιδιότθτεσ ςε εφελκυςμό αλλά δεν αντζχει ςε κλίψθ. Μία ίνα κα υποςτεί λυγιςμό αλλά το ίδιο ιςχφει και για μία ςτιλθ από πζτρα αν είναι πολφ μακριά και λεπτι. Για να φτιάξουμε ζνα δομικό ςτοιχείο από ίνεσ πρζπει να βροφμε τρόπο να τισ ενϊςουμε μεταξφ τουσ. Αυτό μπορεί να επιτευχκεί με τθν χριςθ ςυγκολλθτικϊν υλικϊν και άρα καταςκευάηοντασ ςφνκετο υλικό. Πταν οι ίνεσ και το ςυγκολλθτικό είναι ελαφροβαρι, τότε καταςκευάηουμε ζνα δομικό υλικό χαμθλοφ βάρουσ. 18

19 ΆΝΘΡΑΚΑ θ ελίτ των ινϊν: δφςκαμπτεσ, με μεγάλθ αντοχι, με καλι πρόςφυςθ με πολυμερικά ςυγκολλθτικά, όπωσ οι εποξικζσ ρθτίνεσ, ζχουν καλι κερμικι αντίςταςθ και είναι αδρανισ χθμικά. Μποροφν να είναι 25 φορζσ πιο δφςκαμπτεσ από το ατςάλι (κ.β.) αλλά και εωσ φορζσ πιο ακριβζσ! ΑΡΑΜΙΔΙΟ (Kevlar) μεγάλθ αντοχι, αλλά μικρότερθ δυςκαμψία ςε ςχζςθ με τον άνκρακα. Ραρουςιάηουν ςθμαντικι παραμόρφωςθ ςτθν κραφςθ. Οι πιο ςθμαντικζσ ίνεσ ΓΤΑΛΙ μεγάλθ αντοχι, δυςκαμψία παρόμοια με αυτι του αλουμινίου, ςχετικά φκθνό. 19

20 Ρωσ προκφπτουν δυνατζσ ίνεσ Τα ψακυρά υλικά, όπωσ το γυαλί είναι άμορφα και δεν ζχουν τθν ικανότθτα να προςανατολίηουν τθν δομι τουσ υπάρχει όμωσ θ δυνατότθτα να αυξιςουμε τθν αντοχι τουσ (για παράδειγμα αυτι τθσ ίνασ γυαλιοφ) με το να περιορίςουμε τθν φπαρξθ ατελειϊν Τυπικζσ ίνεσ γυαλιοφ ζχουν μζτρο ελαςτικότθτασ παρόμοιο με αυτό του αλουμινίου αλλά ειδικι αντοχι θ οποία φτάνει 3-6 φορζσ αυτι του ατςαλιοφ. 20

21 Ρωσ προκφπτουν δυνατζσ ίνεσ Οι φυςικζσ ίνεσ βαςίηονται ςε προςανατολιςμό τθσ μοριακισ και κυτταρικισ δομισ τουσ με ςτόχο τθν επίτευξθ βζλτιςτων ιδιοτιτων αυτό προςπακοφμε να επιτφχουμε και με τισ ςυνκετικζσ ίνεσ. Αν καταφζρουμε να προςανατολίςουμε τα επιμζρουσ μακρομόρια του πολυμεροφσ κατά τθν διεφκυνςθ των ινϊν, τότε μποροφμε να τροποποιιςουμε ζνα υλικό με μζτριεσ ιδιότθτεσ ςε ζνα υλικό με εξαιρετικζσ. T PE-Dyneema ζχει ειδικι δυςκαμψία 4 φορζσ αυτισ του ατςαλιοφ και ειδικι αντοχι 14 φορζσ αυτισ του ατςαλιοφ. 21

22 Κνεσ Γυαλιοφ 3D ιςότροπο δίκτυο Η αντοχι και θ δυςκαμψία προζρχεται από το 3D δίκτυο πολυζδρων. Κάκε πολφεδρο είναι ςυνδυαςμόσ ατόμων οξυγόνου γφρω από ζνα άτομο πυριτίου, τα οποία ενϊνονται με ομοιοπολικοφσ δεςμοφσ. Η δομι και θ αντοχι του δικτφου μπορεί να τροποποιείται με τθν προςκικθ μεταλλικϊν οξειδίων. 22

23 Κνεσ Άνκρακα 2D ιςχυρά ανιςότροπο γραφιτικό δίκτυο ιςχυροί ομοιοπολικοί δεςμοί ςτο επίπεδο και αςκενείσ δεςμοί van der Waals μεταξφ των επιπζδων. Οι ίνεσ άνκρακα καταςκευάηονται από δυο προγονικά υλικά, που αποτελοφν κατά κάποιο τρόπο, τισ πρϊτεσ φλεσ. Τα κυριότερα είναι το P.Α.Ν. (πολυ-ακριλο-νιτρίλιο) και θ πίςςα από πετρζλαιο ι κάρβουνο. Σε εξζλιξθ βρίςκεται θ παραγωγι κοντϊν ινϊν από αζριουσ υδρογονάνκρακεσ και μποροφν να παραχκοφν άλλα εμπορικά προϊόντα, που κα είναι Πανεπιστήμιο διακζςιμα ςε Ιωαννίνων, μερικά χρόνια. Τμήμα Μηχανικών Επιστήμης Υλικών 23

24 ΓΡΑΦΕΝΙΟ Άνκρακασ ΔΙΑΜΑΝΤΙ ΓΡΑΦΙΤΗΣ ΙΝΕΣ ΝΑΝΟΣΩΛΗΝΕΣ ΦΟΥΛΕΡΕΝΙΑ 24

25 Κνεσ Άνκρακα 25

26 Κνεσ Αραμιδίου Η πιο επιτυχισ οργανική ίνα που παραςκευάςκθκε βιομθχανικά είναι εκείνθ που αναπτφχκθκε από τθν εταιρεία Du Pnt με τθν επωνυμία Kevlar. Δεν υπάρχουν λεπτομζρειεσ για τον τρόπο παραςκευισ τθσ αλλά ςφμφωνα με τθν αρχικι πατζντα του 1968 οι ίνεσ Kevlar βαςίηονται ςτο πολυ-παρα-βενηαμίδιο και ζχουν μζτρο ελαςτικότθτοσ 130 GPa. Υπάρχουν δφο τφποι ινϊν Kevlar: Kevlar 29 και Kevlar 49. Το Kevlar 29 ζχει υψθλι αντοχι και μζτριο μζτρο ελαςτικότθτασ. Το Kevlar 49 ζχει υψθλότερο μζτρο αλλά τθν ίδια αντοχι με το Kevlar 29 και είναι το πλζον κατάλλθλο για ενίςχυςθ ςυνκζτων υλικϊν. Χρθςιμοποιείται ςυνικωσ ςε βαλλιςτικζσ εφαρμογζσ. Η αντοχι ςε κλίψθ είναι ιδιαίτερα χαμθλι. 26

27 Κνεσ Αραμιδίου Οι ίνεσ αραμιδίου είναι ιςχυρά ανιςότροπεσ -1D- με ιςχυροφσ ομοιοπολικοφσ δεςμοφσ ςτθν διεφκυνςθ των ινϊν και αςκενείσ δεςμοφσ υδρογόνου μεταξφ των αλυςίδων. Ο ιςχυρά ανιςότροποσ χαρακτιρασ οδθγεί ςε χαμθλό μζτρο διάτμθςθσ, και χαμθλζσ εγκάρςιεσ και κλιπτικζσ ιδιότθτεσ. 27

28 Υφάςματα 28

29 Κνεσ chοpped strand mat πριν τον εμποτιςμό τουσ με ρθτίνθ 29

30 Υφάςματα με Κνεσ μίασ Διεφκυνςθσ 30

31 Υφαντά Υφάςματα 31

32 Υβριδικά Υφάςματα 3D Υφάςματα 32

33 Υβριδικά Υφάςματα 3D Υφάςματα 33

34 ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ: ΔΟΜΙΚΑ Σωματίδια ςωματίδια Κνεσ Δομικά Ρολφςτρωτα ςφνκετα υλικά -- Διαςτρωμάτωςθ: e.g., [0/90]s -- κζρδοσ: ιςοςτακμιςμζνθ, ςυνεπίπεδθ δυςκαμψία Σφνκετα Sandwich -- χαμθλισ πυκνότθτασ, κυψελωτόσ πυρινασ -- Κζρδοσ: βάροσ, καμπτικι ακαμψία Adapted frm Fig , Callister 6e. Adapted frm Fig , Callister 6e. (Fig is frm Engineered Materials Handbk, Vl. 1, Cmpsites, ASM Internatinal, Materials Park, OH,

35 ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ Σωματίδια Κνεσ Δομικά Micrscpic crss-sectin f plain weave fabric what_are_cmpsites.html 35

36 Κίνθτρα για Χριςθ Συνκζτων Υλικϊν: Ανκεκτικότθτα Χαμθλό κόςτοσ ςυντιρθςθσ Ευελιξία κατά τον ςχεδιαςμό Μείωςθ βάρουσ 36

37 Ανάλυςθ SWOT: Strengths (Δυνατά Σθμεία) Weaknesses (Αδυναμίεσ) Opprtunities (Ευκαιρίεσ) Threats (Κίνδυνοι) 37

38 S: Δυνατά Σθμεία Μείωςθ βάρουσ (υψθλζσ ειδικζσ ιδιότθτεσ ιδιότθτα/πυκνότθτα) Χαμθλό κόςτοσ ςυντιρθςθσ (αντίςταςθ ςτθν διάβρωςθ) Ευελιξία κατά τον ςχεδιαςμό, δυνατότθτα καταςκευισ περίεργων ςχθμάτων για ειδικζσ εφαρμογζσ, και ενςωμάτωςθσ μεγάλων τμθμάτων Ρεριβαλλοντικά φιλικά υλικά χαμθλι κατανάλωςθ ενζργειασ κατά τθν καταςκευι Αςφάλεια δομζσ με ικανότθτα απορρόφθςθσ κροφςεων 38

39 S: Μθχανικζσ ιδιότθτεσ ινϊν 39

40 S: Σφγκριςθ με άλλα υλικά Δυςκαμψία και Αντοχι 40

41 S: Σφγκριςθ με άλλα υλικά - Ρυκνότθτα 41

42 S: Σφγκριςθ με άλλα υλικά Ειδικι Δυςκαμψία και Αντοχι 42

43 S: Ευελιξία ςτον ςχεδιαςμό 43

44 S: Αςφάλεια Τα ςφνκετα απορροφοφν περιςςότερθ ενζργεια/kg ςε ςχζςθ με τα μζταλλα κατά τθν κροφςθ Σα ςφνθετα χρηςιμοποιοφνται ςτην Frmula 1 (από το 1982) και ςε τρζνα 44

45 S: Αςφάλεια 45

46 Υψθλό κόςτοσ καταςκευισ W: Αδυναμίεσ Ελλιπισ τεχνολογία μαηικισ παραγωγισ για ςφνκετα υψθλισ απόδοςθσ Δυςκολία ςτθν ανακφκλωςθ ςφνκετων κερμοςκλθρυνόμενθσ μιτρασ και ςφνκετων κερμοπλαςτικισ μιτρασ με ίνεσ γυαλιοφ Ελλιπισ γνϊςθ ςτο ςχεδιαςμό με ανιςότροπα υλικά Αβεβαιότθτα ςτθν πρόβλεψθ τθσ μακροπρόκεςμθσ ςυμπεριφοράσ και των μθχανιςμϊν αςτοχίασ Ρεριοριςμζνθ βιομθχανικι δυναμικότθτα (παγκόςμια παραγωγι άνκρακα μόνο tnnes) 46

47 W: Ελλιπισ τεχνολογία καταςκευισ Μεγάλο το κόςτοσ τθσ τεχνολογίασ prepreg-autclave Μεγάλο το κόςτοσ εγκατάςταςθσ των αυτόκλειςτων φοφρνων (autclave) Χαμθλοί οι ρυκμοί προετοιμαςίασ και καταςκευισ των ςφνκετων υλικϊν Ράνω από 70% του κόςτουσ ενόσ τμιματοσ από ςφνκετα προζρχεται από τθν καταςκευι του 47

48 W: Σχζςθ απόδοςθσ / όγκου παραγωγισ 48

49 W: Κόςτοσ 49

50 W: Ανιςοτροπία 50

51 W: Ανιςοτροπία 51

52 W: Ανιςοτροπία 52

53 S/W: Η ανιςοτροπία είναι απαραίτθτθ Ειδικό μζτρο ελαςτικότθτασ (GPa) 53

54 S/W: Μζταλλα και Σφνκετα 54

55 Ο: Ευκαιρίεσ Υπεράκτιεσ εφαρμογζσ Εναλλακτικζσ πθγζσ ενζργειασ Υποδομζσ - Επιςκευζσ Βιϊςιμθ ανάπτυξθ Επιβατικά οχιματα 55

56 Ο: Κίνδυνοι Νομοκεςία Ανακφκλωςθσ Αφξθςθ του κόςτουσ πετρελαίου (πλαςτικά) Μείωςθ του κόςτουσ πετρελαίου/καυςίμου (μικρότερο κίνθτρο για μείωςθ του βάρουσ ςτθν αεροναυπθγικι) Ραραπλθροφόρθςθ του κοινοφ Επιςτροφι των μετάλλων! 56

57 Αγορά Συνκζτων Υλικϊν: Η ςυνολικι κατανάλωςθ ςυνκζτων υλικϊν παγκοςμίωσ είναι 8 εκ. tnnes κυρίωσ ςφνκετα υλικά ρθτίνθσ με ίνεσ γυαλιοφ 57

58 Εξζλιξθ ςτθν αεροναυπθγικι Υλικά Καταςκευαςτικι Τεχνολογία Εργαλεία Σχεδιαςμοφ (Γνϊςθ) Λόγω οικονομικισ εξζλιξθσ, lgistics και απαιτιςεων τθσ κοινωνίασ 58

59 Κυριότερεσ εφαρμογζσ τθν δεκαετία του 80 AV8B Harrier τα φτερά από ςφνκετο, 27% του βάρουσ είναι ςφνκετο SAAB Grippen τα φτερά από ςφνκετο Airbus A320 θ ουρά φτερά από ςφνκετο, 15% του βάρουσ είναι ςφνκετο Starship bizjet 75% του δομικοφ βάρουσ είναι ςφνκετο Η παγκόςμια αγορά αυξικθκε από 1000 tnnes το 1980 ςε 5000 tnnes ινϊν το 1985 και ςχεδόν tnnes το

60 Χριςθ ςυνκζτων ςτθν αεροναυπθγικι Στρατιωτικά αεροπλάνα Αεροδιαςτθμικι βιομθχανία Εμπορικά και ςυμβατικά αεροπλάνα Ρφραυλοι Βλιματα Κινθτιρεσ αεροςκαφϊν Εφαρμογι ςτισ ουρζσ των ελικοπτζρων Δορυφορικζσ εφαρμογζσ 70% του κελφφουσ αποτελείται από CFRP (εξωτερικι άτρακτοσ, πτερφγια και πθδάλιο) 40% του δομικοφ βάρουσ ςτο Eurfighter από CFRP 60

61 Χριςθ ςυνκζτων ςτθν αεροναυπθγικι 75% απορρόφθςθσ των πολυμερικϊν ςφνκετων υλικϊν από τθν αεροναυπθγικι βιομθχανία Χρθςιμοποίθςθ ςτα πτερφγια, λόγω μθ διάδοςθσ των ρωγμϊν, 39% μείωςθ βάρουσ των πτερυγίων Μείωςθ βάρουσ, δίνει μεγαλφτερεσ ταχφτθτεσ και μεγαλφτερθ ευελιξία Εφκολθ μορφοποίθςι τουσ, βοθκάει ςτθν πιο αεροδυναμικι ςχεδίαςθ του αεροςκάφουσ 33% αποταμίευςθ καυςίμων 61

62 Εφαρμογζσ Ρολιτικι Αεροπορία Being 787 Being 777 Being 737 Being 757 Being

63 Εφαρμογζσ Ρολιτικι Αεροπορία Being 787 Dreamliner το πρϊτο επιβατικό με άτρακτο και φτερά από ςφνκετα υλικά Cirrus S22 άτρακτοσ από ςφνκετο (2003) Μζροσ τθσ ατράκτου του Being 787 Dreamliner 63

64 Εφαρμογζσ Ρολεμικι Αεροπορία F-22 SON OF THE EAGLE 36% Ti-64 36% ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΡΟΛΥΜΕΙΚΗΣ ΜΗΤΑΣ (ΕΡΟΞΕΙΔΙΚΗ ΗΤΙΝΗ + BMI) 16% ΚΑΜΑΤΑ Al 15% ΑΛΛΑ ΥΛΙΚΑ 6% AIRMET 100 (κράμα χάλυβα με ιδιαίτερθ αντίςταςθ ςτθν διάβρωςθ) 3% Ti % ΣΥΝΘΕΤΑ ΘΕΜΟΡΛΑΣΤΙΚΑ F/A-22 B-52 F/A-18E/F Eurfighter F-14 F-15 F-16 B-1 AV-8B 64

65 Εφαρμογζσ αυτοκινθτοβιομθχανίασ Frd Thunderbird (2002) ςαςί από ςφνκετο υλικό Astn Martin Vanquish ςφνκετο υλικό με ίνεσ άνκρακα 65

66 ΕΦΑΡΜΟΓΕ: ΤΝΘΕΣΑ ΤΛΙΚΑ ΕΝΙΧΤΜΕΝΑ ΜΕ ΙΝΕ ΓΤΑΛΙΟΤ 66

67 ΕΦΑΡΜΟΓΕ: ΤΝΘΕΣΑ ΤΛΙΚΑ ΕΝΙΧΤΜΕΝΑ ΜΕ ΙΝΕ ΑΝΘΡΑΚΑ 67

68 Σάςη Ιδιότθτεσ Συνκζτων Υλικϊν: ενίςχυςη ςφνθετο υλικό μήτρα παραμόρφωςη Οι ιδιότθτεσ του ςυνκζτου είναι ςυνδυαςμόσ των ιδιοτιτων τθσ μιτρασ και αυτϊν τθσ ενίςχυςθσ. Συνολικά, οι ιδιότθτεσ του ςυνκζτου κακορίηονται από: - Ιδιότθτεσ τθσ μιτρασ - Ιδιότθτεσ τθσ ενίςχυςθσ - Ροςοςτό των δφο φάςεων - Γεωμετρία και προςανατολιςμόσ τθσ ενίςχυςθσ - Ρρόςφυςθ μιτρασ/ενίςχυςθσ - Καταςκευαςτικι τεχνολογία 68

69 ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ: ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ Μζτρο ελαςτικότθτασ, E c : -- Δφο προςεγγίςεισ. Data: Cu matrix w/tungsten particles E(GPa) upper limit: E c = V m E m + V p E p rule f mixtures lwer limit: 1 = V m + V p E c E m E p Adapted frm Fig. 16.3, Callister 6e. (Fig is frm R.H. Krck, ASTM Prc, Vl. 63, 1963.) (Cu) (W) vl% tungsten Κατϋ αναλογία: -- Ηλεκτρικι αγωγιμότθτα, s e : Αντικατάςταςθ E με s e. -- Θερμικι αγωγιμότθτα, k: Αντικατάςταςθ E με k. 69

70 Κρίςιμο μικοσ ίνασ: ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ: ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ Αντοχι ίνασ ςε εφελκυςμό fiber length 15 f d c Διάμετροσ ίνασ Ρ.χ. για fiberglass μικοσ ίνασ > 15mm Γιατί; Οι μακρφτερεσ ίνεσ ευνοοφν τθ μεταφορά τάςθσ Κοντι ίνα: fiber length 15 f d c Διατμθτικι αντοχι τθσ διεπιφάνειασ Μακρία ίνα: fiber length 15 f d c Adapted frm Fig. 16.7, Callister 6e. Ανεπαρκισ μεταφορά τάςθσ Καλφτερθ μεταφορά τάςθσ 70

71 ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ: ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ Υπολογιςμόσ Ec και TS: --ιςχφει όταν fiber length 15 f d c -- Μζτρο ελαςτικότθτασ παράλλθλα με τθν ενίςχυςθ: E c E m V m KE f V f Βακμόσ απόδοςθσ: --προςανατολιςμζνθ 1D: K = 1 (ανιςότροπο) --τυχαία 2D: K = 3/8 (2D ιςότροπο) --τυχαία 3D: K = 1/5 (3D ιςότροπο) Callister 6e. (Surce fr Table 16.3 is H. Krenchel, Fibre Reinfrcement, Cpenhagen: Akademisk Frlag, 1964.) -- Αντοχι ςτθ διεφκυνςθ τθσ ίνασ: (TS) c (TS) m V m (TS) f V f (προςανατολιςμζνο 1D) 71

72 ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ: Κζρδοσ CMCs: Δυςκραυςτότθτα PMCs: Μεγάλο E/ρ MMCs: αντοχι ςε ερπυςμό Adapted frm T.G. Nieh, "Creep rupture f a silicn-carbide reinfrced aluminum cmpsite", Metall. Trans. A Vl. 15(1), pp , Used with permissin. 72

73 Καταςκευι πολυμερικϊν ινϊν με τθν μζκοδο τθσ ινοποίθςθσ από τιγμα ζκταςθ ςτερεάσ κατάςταςθσ 73

74 Ρροετοιμαςία Δοκιμίων και Μθχανικόσ Χαρακτθριςμόσ Ινϊν 74

75 Μθχανικόσ χαρακτθριςμόσ τθσ διεπιφάνειασ ίνασ-μιτρασ χριςθ ακουςτικισ εκπομπισ tape (c) και μικροςκοπίασ (a) resin glue (b) tape glue (c) 0.5 mm (a) 75

76 Ρθγζσ: Εργαςτθριακό Φυλλάδιο Σφνκετα Υλικά, Κ. Μπζλτςιοσ Σφνκετα υλικά, Γ. Ραπανικολάου, Δ. Μουηάκθσ Materials Science and Engineering: An Intrductin (5th editin), chapter 17, William D. Callister Cmpsite materials: Engineering and Science, F. L. Matthews and R. D. Rawlings Internet 76

77 Ρθγζσ: 77