ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΙΓΑΙΟΥ. Τμήμα Μηχανικών Σχεδίασης Προϊόντων και Συστημάτων

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΙΓΑΙΟΥ Τμήμα Μηχανικών Σχεδίασης Προϊόντων και Συστημάτων ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Xρήση των σύνθετων υλικών στο σχεδιασμό προϊόντων: Μελέτη των προδιαγραφών τους και της μηχανικής τους συμπεριφοράς όταν χρησιμοποιούνται στην κατασκευή αθλητικών προϊόντων Παναγιώτου Αλεξάνδρα Επιβλέπων: Παπανίκος Παρασκευάς Σύρος, Φεβρουάριος 2011

2 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Τα σύγχρονα σύνθετα υλικά αποτελούν μια σημαντική κατηγορία αποδοτικών δομικών υλικών, με έναν ευρύ συνδυασμό χαρακτηριστικών που καλύπτουν κάθε πεδίο εφαρμογών του μηχανικού. Λόγω της ετερογενούς σύνθεσής τους, παρέχουν απεριόριστες δυνατότητες ώστε να εμφανίσουν τη χαρακτηριστική συμπεριφορά οποιουδήποτε υλικού. Οι βέλτιστες μηχανικές τους ιδιότητες μαζί με άλλα χαρακτηριστικά όπως, η μοναδική ευελιξία τους στον σχεδιασμό, η ευκολία κατασκευής πολύπλοκων σχημάτων, η δυνατότητα επιδιόρθωσης, η ανθεκτικότητα στο χρόνο, η προσαρμοστικότητα, οικονομικά οφέλη κλπ., έχουν προσελκύσει το ενδιαφέρον για τη χρήση τους σε αρκετές εφαρμογές μηχανικού, και τα καθιστούν ιδανική επιλογή υλικών για τον σχεδιαστή. Τα προηγμένα σύνθετα υλικά έχουν συμβάλει σημαντικά στην βελτίωση της απόδοσης των συστημάτων στην αεροδιαστημική, τη βιομηχανία μεταφορών (αυτοκίνητα, τρένα) κ.α. Παρομοίως, όπως και στην βιομηχανία μεταφορών έτσι και στην βιομηχανία αθλητικών προϊόντων έχει παρατηρηθεί σημαντική εξέλιξη στα υλικά επιλογής κατά τη διάρκεια των τελευταίων εκατό χρόνων. Από τα φυσικά υλικά όπως το ξύλο, το έντερο και το καουτσούκ, φτάσαμε στα υψηλής τεχνολογίας μέταλλα, πολυμερή, κεραμικά, και τα συνθετικάυβριδικά υλικά συμπεριλαμβανομένων των σύνθετων και των κυψελοειδών δομών. Σε επαγγελματικό επίπεδο, ο αθλητισμός είναι μια ιδιαίτερα ανταγωνιστική απασχόληση, στην οποία μεγάλες επενδύσεις εξαρτώνται από κλάσματα του δευτερολέπτου ή δέκατα ενός εκατοστού. Εντούτοις, ακόμη και ένας ερασιτέχνης είναι πρόθυμος να επενδύσει πολλά χρήματα προκειμένου να βελτιώσει την απόδοσή του/της. Κατά συνέπεια, ακριβώς όπως και σε άλλους τομείς, η χρήση των σύνθετων υλικών στον αθλητισμό μπορεί να δικαιολογηθεί υπό τον όρο της βέλτιστης απόδοσης. Ο βέλτιστος σχεδιασμός αθλητικού εξοπλισμού απαιτεί την εφαρμογή ενός αριθμού προδιαγραφών, όχι μόνο για την ενίσχυση της απόδοσης αλλά και για να καταστήσει τον εξοπλισμό όσο το δυνατόν φιλικότερο προς το χρήστη έτσι ώστε να προλαμβάνονται οι τραυματισμοί. Είναι προφανές ότι ο σχεδιασμός αθλητικών προϊόντων απαιτεί τη συνύπαρξη πολλών επιστημονικών κλάδων όπως της επιστήμης των υλικών, της εφαρμοσμένης μηχανικής και της φυσικής. Απαραίτητες είναι επίσης οι γνώσεις ανατομίας, φυσιολογίας, και εμβιομηχανικής. Στην πράξη, κατά το σχεδιασμό ενός πολύπλοκου αθλητικού προϊόντος θα πρέπει να καθοριστούν ειδικά σχεδιαστικά κριτήρια τα οποία θα επιτρέψουν τη βέλτιστη επιλογή υλικών. 1

3 Σκοπός της εργασίας Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι να παρουσιάσει τα σύνθετα υλικά, τις κατηγορίες τους και την χρήση τους στον σχεδιασμό και κατασκευή προϊόντων, με έμφαση στα αθλητικά προϊόντα. Στόχος είναι να παρουσιαστούν στον σχεδιαστή οι δυνατότητες αυτών των υλικών αλλά και να μελετηθεί, με τη μορφή παραδείγματος, ο τρόπος που μπορούν να μελετηθούν με σύγχρονα εργαλεία ανάλυσης κατασκευών (μέθοδος πεπερασμένων στοιχείων). Δομή της εργασίας Η εργασία χωρίζεται σε τέσσερα κεφάλαια. Το πρώτο κεφάλαιο αποτελεί μία εισαγωγή στα σύνθετα υλικά, στη γενική δομή τους και τους τρόπους παρασκευής τους. Στο δεύτερο κεφάλαιο περιγράφονται αναλυτικά οι κατηγορίες των σύνθετων υλικών ενώ το τρίτο κεφάλαιο επικεντρώνεται στις χρήσεις των σύνθετων υλικών με έμφαση στα αθλητικά προϊόντα. Τέλος, στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζεται ο τρόπος μοντελοποίησης και ανάλυσης ενός αθλητικού προϊόντος (ρακέτα τένις) και η γεωμετρική του βελτιστοποίηση σε σχέση με το βάρος και την αντοχή του. 2

4 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 1. Εισαγωγή Τι είναι τα σύνθετα υλικά και γιατί τα χρησιμοποιούμε Ο μηχανισμός λειτουργίας των σύνθετων υλικών Διεπιφάνεια Παραγωγή σύνθετων υλικών Κατηγοριοποίηση των σύνθετων υλικών Διάκριση σύμφωνα με το υλικό της μήτρας Διάκριση σύμφωνα με τον τύπο ενίσχυσης Δομικά σύνθετα υλικά Βιο σύνθετα και «πράσινα» σύνθετα υλικά Εφαρμογές σύνθετων υλικών Αεροναυπηγική Αεροδιαστημική Ναυπηγική Αυτοκινητοβιομηχανία Μουσικά όργανα Εφαρμογές στην χειρουργική Βιομηχανία αθλητικών προϊόντων Ανάλυση ρακέτας τένις Γεωμετρία και υλικά Μοντελοποίηση της ρακέτας στο ANSYS Βελτιστοποίηση σχεδίου στο ANSYS Αναφορές

5 1. Εισαγωγή Το παγκόσμιο ενδιαφέρον κατά τη διάρκεια των τελευταίων τριών δεκαετιών οδήγησε στην ανάπτυξη των συνθέτων υλικών, καθώς πολλές σύγχρονες εφαρμογές απαιτούσαν υλικά με ασυνήθιστους συνδυασμούς ιδιοτήτων, που δεν μπορούσαν να ικανοποιηθούν από τα συμβατικά κράματα μετάλλων, τα κεραμικά και τα πολυμερή σύνθετα υλικά είναι τα υλικά του 21ου αιώνα που έρχονται να ικανοποιήσουν τις αυστηρές απαιτήσεις για ελαφριά δομικά υλικά, τα οποία είναι ταυτόχρονα ανθεκτικά, δύσκαμπτα και εμφανίζουν μεγάλη αντίσταση στην κρούση και την διάβρωση. Αυτό είναι ιδιαίτερα αληθές για τα υλικά που χρησιμοποιούνται στην αεροδιαστημική, στις υποβρύχιες χρήσεις και στις μεταφορές [1]. Τα σύγχρονα σύνθετα υλικά αποτελούν μια σημαντική κατηγορία αποδοτικών δομικών υλικών, με έναν ευρύ συνδυασμό χαρακτηριστικών που καλύπτουν κάθε πεδίο εφαρμογών του μηχανικού. Λόγω της ετερογενούς σύνθεσής τους, παρέχουν απεριόριστες δυνατότητες ώστε να εμφανίσουν τη χαρακτηριστική συμπεριφορά οποιουδήποτε υλικού. Οι βέλτιστες μηχανικές τους ιδιότητες μαζί με άλλα χαρακτηριστικά όπως, η μοναδική ευελιξία τους στον σχεδιασμό, η ευκολία κατασκευής πολύπλοκων σχημάτων, η δυνατότητα επιδιόρθωσης, η ανθεκτικότητα στο χρόνο, η προσαρμοστικότητα, οικονομικά οφέλη κλπ., έχουν προσελκύσει το ενδιαφέρον για τη χρήση τους σε αρκετές εφαρμογές μηχανικού, και τα καθιστούν ιδανική επιλογή υλικών για τον σχεδιαστή. Αν και τα σύνθετα ήταν γνωστά στην ανθρωπότητα από τους προϊστορικούς χρόνους, η έννοια των συνθέτων υλικών και το εύρος των ιδιοτήτων τους επεκτάθηκαν και ακόμα επεκτείνονται, με την καλύτερη κατανόηση των βασικών συντελεστών λειτουργίας τους, όπως είναι ο μηχανισμός σύνδεσης μεταξύ μήτρας και διασπαρμένης φάσης (ενίσχυσης), το μέγεθος και η κατανομή της διασπαρμένης φάσης, τα μορφολογικά χαρακτηριστικά γνωρίσματα κλπ. Τα σύγχρονα σύνθετα ως αποτέλεσμα έρευνας και καινοτομίας των προηγούμενων ετών, εξελίχθηκαν τόσο ώστε να μπορούμε να διακρίνουμε σήμερα διάφορους τύπους συνθέτων υλικών, όπως τα ινώδη, τα κοκκώδη, τα πολύστρωτα, τα εμβιο σύνθετα κ.α. 1.1 Τι είναι τα σύνθετα υλικά και γιατί τα χρησιμοποιούμε Γενικά ως σύνθετο υλικό θεωρείται κάθε πολυφασικό υλικό, το οποίο επιδεικνύει ένα μεγάλο ποσοστό από τις ιδιότητες και των δύο επιμέρους φάσεων του, ούτως ώστε να επιτυγχάνεται καλύτερος συνδυασμός των ιδιοτήτων τους. Με βάση αυτόν τον γενικό ορισμό πολλά υλικά μπορούν να θεωρηθούν, με ικανοποιητικό τρόπο, σύνθετα. Τα κράματα μετάλλων πολλών φάσεων, όπως οι χάλυβες περλίτη, και αυτά που συναντώνται στη φύση όπως το ξύλο και τα οστά. Οι χάλυβες περλίτη αποτελούνται από εναλλασσόμενα στρώματα όλκιμης και μαλακής φάσης α φερίτη και σκληρής και ψαθυρής φάσης 4

6 σεμεντίτη. Αντίστοιχα το ξύλο αποτελείται από ανθεκτικές και εύκαμπτες ίνες κυτταρίνης οι οποίες περιβάλλονται και συγκρατούνται από ένα πιο δύσκαμπτο υλικό τη λιγνίνη. Ενώ τα οστά είναι σύνθετα της ανθεκτικής αλλά μαλακής πρωτεΐνης του κολλαγόνου και του σκληρού αλλά εύθραυστου ορυκτού απατίτη [2]. Στην παρούσα θεώρηση όμως, ως σύνθετο υλικό λαμβάνεται εκείνο που παρασκευάζεται τεχνητά, εν αντιθέσει με εκείνα που συναντώνται στη φύση ή σχηματίζονται με φυσικό τρόπο (κράματα πολλαπλών φάσεων), και του οποίου οι συνιστώσες φάσεις είναι χημικά ανόμοιες και διαχωρίζονται με μια διακριτή επιφάνεια. Τα τεχνητά σύνθετα υλικά, σε αντίθεση με τα φυσικά, δεν είναι ευάλωτα σε καιρικές και περιβαλλοντικές συνθήκες. Ενώ η διαστατική τους σταθερότητα, σε συνδυασμό με τις εξαιρετικές τους φυσικές ιδιότητες, τα καθιστά ιδανικά μηχανικά υλικά, ικανά να ξεπεράσουν σε απόδοση πολλά μεταλλικά υλικά σε δομικές εφαρμογές. Παρ' όλα αυτά, θα υπάρξει αναφορά και στα φυσικά σύνθετα σε ξεχωριστή ενότητα, καθώς αποτελούν μια πολλά υποσχόμενη κατηγορία συνθέτων υλικών [2, 3]. Τα περισσότερα σύνθετα υλικά αποτελούνται από δύο φάσεις. Η μία από αυτές ονομάζεται διασπαρμένη φάση ή ενίσχυση και είναι ένα ισχυρό και δύσκαμπτο συστατικό, συχνά σε επιμηκυμένη μορφή, το οποίο περιβάλλεται από μία συνεχή φάση ενός μαλακότερου υλικού και ονομάζεται μήτρα [4]. Υπάρχουν πολλοί πιθανοί τύποι ενισχύσεων και μήτρας. Η ενίσχυση μπορεί να έχει τη μορφή ίνας, βελόνας κοντής ίνας(whisker) ή κόκκου, να είναι φυσική ή όχι, μεταλλική, ανόργανη ή οργανική. Αντιστοίχως, η μήτρα μπορεί να είναι μεταλλική ή κράμα μετάλλου, ανόργανο τσιμέντο (inorganic cement) ή γυαλί, φυσικό ή συνθετικό πολυμερές. Εκτός από ποικιλία στα είδη μήτρας και ενίσχυσης, μπορούμε να έχουμε και ποικιλία στην γεωμετρία της διασπαρμένης φάσης, που σημαίνει ποικιλία στο σχήμα και το μέγεθος της ενίσχυσης, την κατανομή και τον προσανατολισμό της. Είναι επίσης δυνατό να ποικίλουν και οι συνδυασμοί ρητίνης/hardener που χρησιμοποιούνται για τη μήτρα. Κάθε ένας από τους παραπάνω συνδυασμούς μας δίνει ένα υλικό του οποίου οι ιδιότητες είναι μοναδικές. Τεχνολογικά τα πιο σπουδαία είναι εκείνα στα οποία η διασπαρμένη φάση έχει τη μορφή ίνας [3]. Τα περισσότερα σύνθετα υλικά έχουν δημιουργηθεί για να βελτιωθούν οι συνδυασμοί των μηχανικών χαρακτηριστικών των υλικών. Οι μηχανικές ιδιότητες στις οποίες δίδεται ιδιαίτερη προσοχή κατά το σχεδιασμό τους, είναι η δυσκαμψία (μέτρο ελαστικότητας Young's modulus), η αντοχή και η δυσθραυστότητα, καθώς επίσης και η αντοχή σε αλλαγές της θερμοκρασίας, στις οποίες υπόκεινται τα σύνθετα κατά τη διάρκεια της κατασκευής ή/και λειτουργία τους. Μεγάλη επίσης σημασία, σε πολλές περιπτώσεις εφαρμογών, έχει και η πυκνότητα τους. 5

7 Πίνακας 1.1 : Υλικά ινών, μήτρας και διάφοροι συνδυασμοί τους Μερικά αντιπροσωπευτικά στοιχεία ιδιοτήτων για τους διάφορους τύπους μήτρας και ενίσχυσης, καθώς επίσης και μερικά χαρακτηριστικά τυπικών μηχανικών υλικών και μερικών αντιπροσωπευτικών συνθέτων υλικών, παρουσιάζονται στον πίνακα 1.2 όπου και παρατηρούνται αρκετοί ελκυστικοί συνδυασμοί ιδιοτήτων (π.χ., υψηλή αντοχή/ακαμψία και χαμηλή πυκνότητα) που επιτυγχάνονται με τα σύνθετα. Για να σχεδιάσουν σύνθετα υλικά, οι επιστήμονες και οι μηχανικοί συνδύασαν με ιδιοφυή τρόπο διάφορα μέταλλα, κεραμικά και πολυμερή, παράγοντας έτσι μια νέα γενιά υλικών όπου με την ετερογενή τους δομή μπορούν και καλύπτουν τις απαιτήσεις συγκεκριμένου σχεδιασμού και λειτουργίας. Εντούτοις υπάρχουν δυσκολίες. Η δημιουργία δομών συνθέτων υλικών, που προορίζονται για διάφορες μηχανικές εφαρμογές, απαιτεί την εισαγωγή πληροφοριών από διάφορους επιστημονικούς κλάδους, ενώ οι μέθοδοι κατασκευής τους είναι ιδιαίτερα πολύπλοκες και διαφέρουν πολύ από αυτές που χρησιμοποιούνται στη μεταλλουργία. Αυτό που θα πρέπει να λαμβάνεται κυρίως υπόψη κατά το σχεδιασμό των συνθέτων υλικών, είναι ότι παρουσιάζουν ιδιαίτερη ανισοτροπία, δηλαδή οι ιδιότητές τους ποικίλλουν σημαντικά ανάλογα με την κατεύθυνση στην οποία μετρούνται. Αυτή η ανισοτροπία συνήθως προκύπτει από το γεγονός ότι το σκληρότερο συστατικό είναι σε ινώδη μορφή, με τους άξονες των ινών να ευθυγραμμίζονται κατά προτίμηση σε συγκεκριμένες κατευθύνσεις. Επιπλέον, ένα ή περισσότερα από τα συστατικά μπορούν να παρουσιάζουν έμφυτη ανισοτροπία ως αποτέλεσμα της κρυσταλλικής δομής τους [4]. 6

8 Πίνακας 1.2 : Μηχανικές ιδιότητες διαφορετικών τύπων υλικών Εκτός όμως από την ανισοτροπία που εμφανίζεται κατά τον σχεδιασμό του υλικού, κυρίως στην αντοχή και την ακαμψία, ιδιαίτερη προσοχή θα πρέπει να δίνεται και στην επίδραση που έχει αυτή σε ένα σύνολο τάσεων του υλικού, δεδομένου του εξωτερικού φορτίου. Το υλικό θα πρέπει να παράγεται έχοντας κατά νου τον τρόπο που θα φορτιστεί κατά την λειτουργία του. Επομένως, οι διαδικασίες παραγωγής ενός σύνθετου υλικού και της κατασκευής του σε μηχανικό κομμάτι θα πρέπει να συγχωνευθούν σε μια ενιαία. Αυτή ακριβώς η διαδικασία συμβαίνει κατά την δημιουργία των φυσικών σύνθετων υλικών. Η συγχώνευση αυτή των διαδικασιών αποτελεί σημαντικό σημείο στην εξέλιξη των σύνθετων υλικών, καθώς σηματοδοτεί το τέλος της συμβατικής μηχανικής πρακτικής. Όπως ήδη προαναφέραμε, τα σύνθετα υλικά χρησιμοποιούνται για τις μοναδικές ιδιότητες και τα χαρακτηριστικά τους, καθώς οι απαιτήσεις για αποδοτικότητα, άνεση και ευκολία της σύγχρονης ζωής επιτάσσουν ποικιλία διαφορετικών υλικών, με το καθένα να διαθέτει διαφορετικό μίγμα ιδιοτήτων. Πέρα όμως από το μηχανικό τους ενδιαφέρον, η αποδοχή των συνθέτων υλικών στην εμπορική αγορά καθορίζεται και βάσει άλλων παραγόντων, όπως τη διαθεσιμότητα των υλικών, το κόστος και τη ζήτηση στην αγορά [1, 3]. Σήμερα υπάρχουν διάφοροι τύποι συνθέτων υλικών και συνεχώς παράγονται νέοι. Η ταξινόμηση τους μπορεί να γίνει ανάλογα με το υλικό της μήτρας, τον τύπο ενίσχυσης η και την δομή κατασκευής τους. Διακρίνουμε έτσι αντίστοιχα τα σύνθετα υλικά πολυμερούς μήτρας (ΣΥΠΜ), μεταλλικής μήτρας (ΣΥΜΜ), και κεραμικής μήτρας (ΣΥΚΜ), τα ινώδη και κοκκώδη σύνθετα υλικά, και τέλος, τα πολύστρωτα σύνθετα και τα σύνθετα τύπου 7

9 sandwich. Η αναφορά στα σύνθετα συνηθίζεται να γίνεται με βάση την πρώτη μορφή ταξινόμησης (ΣΥΠΜ,ΣΥΜΜ,ΣΥΚΜ). Τα περισσότερα σύνθετα με βιομηχανική χρήση βασίζονται σε πολυμερείς μήτρες (συνθετικό πολυμερές, ρητίνη ή πλαστικό υλικό), θερμοσκληρυνόμενη (thermosets) και θερμοπλαστική (thermoplastics). Ο λόγος είναι ότι αυτού του είδους τα υλικά αποτελούν τον καλύτερα αναπτυγμένο κλάδο. Τα σύνθετα αυτά ενισχύονται συνήθως με ευθυγραμμισμένες κεραμικές ίνες, όπως είναι οι ίνες γυαλιού ή ίνες άνθρακα. Εμφανίζουν χαρακτηριστική ανισοτροπία, δεδομένου ότι η μήτρα είναι πολύ πιο αδύναμη και πιο εύκαμπτη από τις ίνες. Οι βιομηχανίες που υποστηρίζουν τα ΣΥΠΜ είναι η αυτοκινητοβιομηχανία, η ναυπηγική για διάφορα εξαρτήματα και η βιομηχανία ηλεκτρονικών προϊόντων [1, 4]. Σημαντικό ενδιαφέρον παρατηρείται επίσης και για τα σύνθετα υλικά μεταλλικής μήτρας (ΣΥΜΜ), όπως το αλουμίνιο που ενισχύεται με κεραμικούς κόκκους ή κοντές ίνες, και το τιτάνιο που περιέχει μακριές, μεγάλης διαμέτρου ίνες. Ο σημαντικότερος λόγος για την εκδήλωση ενδιαφέροντος για τα ΣΥΜΜ είναι οι μηχανικές τους ιδιότητες. Είναι ελαφριά υλικά, εμφανίζουν καλή ακαμψία και χαμηλό ειδικό βάρος. Με λίγα λόγια αυτά τα υλικά εξοικονομούν βάρος, διατηρώντας συγχρόνως τις ιδιότητές τους. Τα ΣΥΜΜ διαθέτουν και άλλα πλεονεκτήματα, όπως υψηλή αντοχή, δυσθραυστότητα (αντοχή σε θραύση), θερμική σταθερότητα, ολκιμότητα και απόδοση σε υψηλές θερμοκρασίας. Ένα ελαφρύ αεροσκάφος, για παράδειγμα, παρέχει πλεονεκτήματα όπως η υψηλή ειδική αντοχή και μέτρο ελαστικότητας, ιδιότητες υψηλής θερμοκρασίας και μειωμένη κατανάλωση καυσίμων. Παρά το γεγονός ότι έχουν αναπτυχθεί ή ερευνούνται αρκετές βιομηχανικές εφαρμογές για τα ΣΥΜΜ, το υψηλό τους κόστος εμποδίζει ακόμα την ευρεία εμπορική τους χρήση. Παρ' όλα αυτά, μερικοί κατασκευαστές που χρησιμοποιούν κοκκώδη ΣΥΜΜ και ενισχυμένα με ασυνεχής ίνες, υποστηρίζουν ότι οι δαπάνες αυτών των υλικών είναι ανταγωνιστικά μικρότερες σε σύγκριση με τα συμβατικά υλικά. Εκτός από εφαρμογές στην αεροδιαστημική, την αυτοκινητοβιομηχανία και τη βαλλιστική, τα ΣΥΜΜ είναι επίσης γνωστό ότι έχουν χρήση και στις βιομηχανίες βιοϊατρικού και αθλητικού εξοπλισμού. Τα σύνθετα κεραμικής μήτρας (ΣΥΚΜ) παραμένουν ακόμα, ως επί το πλείστον, στα πρώτα στάδια της ανάπτυξης, εν μέρει λόγο της δυσκολίας κατασκευής τους. Ο στόχος συνήθως σε τέτοιου είδους σύνθετα, είναι με την εισαγωγή ενισχύσεων να βελτιωθεί η δυσθραυστότητα της μήτρας, δεδομένου ότι η ακαμψία και η αντοχή είναι απίθανο να επηρεαστούν. Τα ΣΥΚΜ αποτελούν σημαντική κατηγορία των κεραμικών υλικών. Από τα πλέον καθιερωμένα ΣΥΚΜ είναι τα κεραμομέταλλα (cermets), κυρίως λόγω των θετικών χαρακτηριστικών απόδοσής τους. Μια άλλη σημαντική κατηγορία υλικών, τα οποία αποτελούν εξελισσόμενη βιομηχανία, είναι τα ΣΥΚΜ ενισχυμένα με ίνες. Το έναυσμα για αυτού του τύπου συνθέτων, τα οποία είχαν και μεγάλο αντίκτυπο λόγο της ανάγκης για 8

10 ελαφριά δομικά μέρη, προήλθε από την αυτοκινητοβιομηχανία, όπου χάρη στο ελαφρύ τους βάρος εξασφαλίζουν εξοικονόμηση καυσίμου. Επιπρόσθετα, τα σύνθετα άνθρακαάνθρακα, επίσης σημαντικό είδος ΣΥΚΜ, βρίσκουν εφαρμογή στο βιοϊατρικό τομέα. Χρησιμοποιούνται εκτενώς ως υποκατάστατα στο εσωτερικό του ανθρωπίνου σώματος, ως bone plates και ως υποκατάστατα των ανθρωπίνων άκρων. Η μαζική παραγωγή εντούτοις δομών από σύνθετα άνθρακα/άνθρακα αποτελεί μια πρόσφατη ανάπτυξη. Τα περισσότερα από αυτά τα προϊόντα είναι εξειδικευμένα υλικά και η εμπορική τους επιτυχία εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την εξέλιξη των νέων τεχνολογιών. Οι διαδικασίες παραγωγής είναι διαφόρων τύπων και τα προϊόντα που παράγονται είναι σε μικρές ποσότητες και ιδιαίτερα ακριβά. Παρά τις όποιες δυσκολίες όμως δεν θα αργήσει να έρθει η μέρα όπου τα ΣΥΜΜ και ΣΥΚΜ θα μπορούν να συναγωνιστούν τα ΣΥΠΜ. 1.2 Ο μηχανισμός λειτουργίας των σύνθετων υλικών Βασικός παράγοντας για την κατανόηση της μηχανικής συμπεριφοράς ενός συνθέτου υλικού, είναι η κατανόηση της μεταφοράς ενός εξωτερικά εφαρμοζόμενου φορτίου από την μητρική στην διασπαρμένη φάση. Η τάση μπορεί να ποικίλει αισθητά από σημείο σε σημείο (ιδιαίτερα στην περίπτωση ενίσχυσης με κοντές ίνες ή κόκκους), αλλά το ποσοστό του εξωτερικού φορτίου που φέρεται μεμονωμένα από το κάθε ένα συστατικό μπορεί να εκτιμηθεί με τον υπολογισμό του μέσου όρου φορτίου που φέρεται ανά ποσοστό όγκου στο εσωτερικό τους. Φυσικά, εξισώνοντας τα, το συνολικό εξωτερικό φορτίο πρέπει να είναι ίσο με το άθροισμα του μέσου φορτίου που φέρεται ανά ποσοστό όγκου από το κάθε συστατικό μέρος (τη μήτρα και την ενίσχυση)[4]. Έτσι οδηγούμαστε στην ανάπτυξη της εξίσωσης fσ + (1 f) σ = σ m f A όπου ορίζει τη μέση τιμή της τάσης της μήτρας και της ίνας ( σ, σ ) σε ένα σύνθετο υλικό, το οποίο υπόκειται σε εξωτερική τάση σ A, και περιέχει αναλογία όγκου ενίσχυσης f. Κατά συνέπεια, για ένα απλό δύο συστατικών σύνθετο υπό δεδομένη φόρτιση, ένα ορισμένο ποσοστό αυτού του φορτίου θα φέρει η ενίσχυση και το υπόλοιπο η μήτρα. Ο βαθμός μεταφοράς αυτού του φορτίου, εξαρτάται από την αναλογία όγκου, το σχήμα και τον προσανατολισμό της ενίσχυσης, και από τις ελαστικές ιδιότητες των δύο συστατικών μερών, ενώ είναι ανεξάρτητος από το εφαρμοζόμενο φορτίο και αποτελεί σημαντικό χαρακτηριστικό του υλικού. Η ενίσχυση θεωρείται ότι ενεργεί αποτελεσματικά όταν φέρει ένα σχετικά μεγάλο μέρος του εξωτερικά εφαρμοσμένου φορτίου. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα μεγαλύτερη αντοχή, καλύτερη δυσκαμψία, καθώς η ενίσχυση, και ιδιαίτερα στην περίπτωση της ίνας, είναι συνήθως πιο ανθεκτική και πιο δύσκαμπτη από την μήτρα. Συνοψίζοντας, η ανάλυση της μεταφοράς φορτίου που παρατηρείται στα σύνθετα υλικά, είναι η βάση για την κατανόηση της μηχανικής συμπεριφοράς τους. m f 9

11 Είναι εμφανές ότι ο βασικός ρόλος της μήτρας είναι να μεταφέρει και να διανείμει τα φορτία στις ίνες, τα οποία από μόνη της δεν θα μπορούσε να αντέξει. Και τα δύο συστατικά όμως είναι απαραίτητα για τη λειτουργία του συνθέτου [3]. Η μήτρα εξυπηρετεί δύο κυρίαρχους σκοπούς, να διευκολύνει την πρόσφυση της ενισχυτικής φάσης στο εσωτερικό της και να διανείμει τις τάσεις μεταξύ των υλικών ενίσχυσης, υπό μια εφαρμοσμένη δύναμη. Πέρα όμως από το βασικό της ρόλο, η μήτρα μπορεί να προσδώσει στο τελικό προϊόν επιπλέον χαρακτηριστικά ανάλογα με το σκοπό για τον οποίο επιλέγεται. Για παράδειγμα, μπορεί να πρέπει να ενισχύσει την αντίσταση του υλικού στις εναλλαγές της θερμοκρασίας, να λειτουργήσει ως αγωγός ή μονωτής ηλεκτρικής ενέργειας. Επίσης, μπορεί να δώσει στο τελικό σύνθετο υλικό πλεονεκτήματα όσον αφορά το βάρος και την ευκολία επεξεργασίας του [1, 3]. Εικόνα 1.1: Διάγραμμα ποσοστού μεταφοράς φορτίου από τις ίνες και τη μήτρα ανάλογα του μέτρου ελαστικότητας τους. Θα πρέπει όμως να σημειωθεί ότι οι μηχανικές ιδιότητες της μήτρας είναι μέτριας σημασίας σε σύγκριση με αυτές της ενίσχυσης. Είναι υποδεέστερη, ιδιαίτερα η ινώδης ενίσχυση, σε αντοχή και ακαμψία και σπάνια χρησιμοποιείται από τους μηχανικούς για την ικανότητα μακροπρόθεσμης μεταφοράς φορτίου. Αποτελεί, εντούτοις, άριστο υλικό κόλλησης μεταξύ των υλικών ενίσχυσης και αρκετά ικανή στο να μεταφέρει δυνάμεις σε οποιαδήποτε ίνα ενίσχυσης μέσω διάτμησης στη διεπιφάνεια. Από την άλλη μεριά, η ενίσχυση στα σύνθετα όπως ορίζει και η ίδια η λέξη, ενισχύει την αντοχή τους, βασικό μηχανικό χαρακτηριστικό για το οποίο και ξεχωρίζουν από τα 10

12 συμβατικά υλικά. Επιπλέον είναι υπεύθυνη και για ιδιότητες όπως η θερμική αντίσταση ή αγωγή, η αντίσταση σε διάβρωση και η ακαμψία του υλικού. Μια ενίσχυση που εξωραΐζει τη δύναμη της μήτρας θα πρέπει να είναι ισχυρότερη και πιο δύσκαμπτη από αυτή και ικανή να μετατρέπει τον μηχανισμό αστοχίας προς όφελος του συνθέτου υλικού. Επίσης καθώς η αναλογία όγκου (Vf) των ινών αυξάνεται, το ποσοστό του συνολικού φορτίου που φέρεται από αυτές αυξάνει πέραν του 90%. Οι μηχανικές ιδιότητες των ινών είναι εξαιρετικά υψηλές και υπερβαίνουν συχνά τις ιδιότητες των περισσότερων μεταλλικών υλικών [1]. Η μεταφορά του φορτίου στην ίνα είναι μια βαθμιαία διαδικασία, και σημαντικός παράγοντας στο βαθμό μεταφοράς του, αποτελεί το μέγεθος του διεπιφανειακού δεσμού μεταξύ της διασπαρμένης ινώδους και μητρικής φάσης. Κάτω από μία εφαρμοζόμενη τάση, αυτός ο δεσμός παύει να υφίσταται στα άκρα της ίνας, με άλλα λόγια δεν υπάρχει μεταφορά φορτίου στα άκρα της κάθε ίνας και η εφελκυστική τάση είναι μηδέν. Καθώς προχωράμε προς το εσωτερικό, κατά μήκος της ίνας, η εφελκυστική τάση αυξάνεται έως μία μέγιστη τιμή, ενώ αντίθετα η διατμητική τάση είναι μέγιστη στα άκρα των ινών, όπου και παρατηρείται παραμόρφωση της μήτρας, και μειώνεται καθώς προχωράμε προς στο εσωτερικό ώσπου μηδενίζεται [2, 3]. Εικόνα 1.2: Τρόπος παραμόρφωσης μήτρας που περιβάλλει ίνα που υπόκειται εφελκυστική τάση Θα πρέπει επομένως να υπάρχει ένα κάποιο κρίσιμο μήκος lc αναγκαίο για την ουσιαστική αύξηση της αντοχής και της δυσκαμψίας του υλικού. Το κρίσιμο αυτό μήκος εξαρτάται από το aspect ratio (λόγος μήκους προς τη διάμετρο της ίνας), την εφελκυστική της αντοχή και την διατμητική αντοχή (την αντοχή του δεσμού μήτρας ίνας). Όταν μια μηχανική τάση εφαρμόζεται σε μία ίνα που έχει ακριβώς το κρίσιμο μήκος, τότε το μέγιστο φορτίο που φέρει η ίνα επιτυγχάνεται μόνο στο αξονικό κέντρο της ίνας. Καθώς το 11

13 μήκος της ίνας l αυξάνεται, η ενίσχυση που προσφέρει η ίνα γίνεται πιο αποτελεσματική. Οι ίνες για τις οποίες l>>lc (συνήθωςl>15lc) ονομάζονται συνεχείς. Ασυνεχείς ή κοντές ίνες έχουν μήκη μικρότερα από αυτό. Για τις ασυνεχείς ίνες που έχουν μήκη σημαντικά μικρότερα από το κρίσιμο μήκος, η μήτρα παραμορφώνεται γύρω από την ίνα κατά τέτοιο τρόπο ώστε να μην υπάρχει στην πραγματικότητα μεταφορά τάσης και να παρέχεται μικρή ενίσχυση από την ίνα. Τέτοια είναι κατ' ουσία τα κοκκώδη σύνθετα υλικά. Για να υπάρξει μια σημαντική βελτίωση της αντοχής του συνθέτου οι ίνες πρέπει να είναι συνεχείς. Επιπλέον, όπως ήδη προαναφέρθηκε, σημαντική επίδραση στις ιδιότητες του συνθέτου έχει και ο προσανατολισμός των ινών αναφορικά της μίας με της άλλης, η συγκέντρωση και η κατανομή τους. Δύο ακραίες περιπτώσεις προσανατολισμού είναι πιθανές, η παράλληλη ευθυγράμμιση του διαμήκους άξονα των ινών σε μια και μοναδική διεύθυνση, και πλήρως τυχαία ευθυγράμμιση. Καλύτερες συνολικά ιδιότητες στα σύνθετα υλικά επιτυγχάνονται όταν η κατανομή των ινών είναι ομοιόμορφη. Εικόνα 1.3: Γραφική παράσταση τάσης σε σχέση με το μήκος της ίνας. Όταν (α) l=lc, ((β) l>lc και (γ) l<lc 12

14 Εικόνα 1.4: Σχηματική αναπαράσταση (α)συνεχών ευθυγραμμισμένων ινών, (β) ασυνεχών ευθυγραμμισμένων ινών και (γ) ασυνεχών τυχαία προσανατολισμένων ινών 1.3 Διεπιφάνεια Οι φυσικές και μηχανικές ιδιότητες των συνθέτων υλικών δεν εξαρτώνται μόνο από το υλικό και τις ιδιότητες της ενίσχυσης και της μήτρας, αλλά και από τη δομή και τις ιδιότητες της διεπιφάνειας ανάμεσά τους. Η διεπιφάνεια είναι ο βασικός παράγοντας που ελέγχει την αντοχή στη διάδοση των ρωγμών, δηλαδή τη δυσθραυστότητα των συνθέτων υλικών και τη συμπεριφορά τους σε υγρό και διαβρωτικό περιβάλλον. Καθώς ο διεπιφανειακός δεσμός εξαρτάται από τη μοριακή δομή και της ιδιότητες του εγκλείσματος και τη μοριακή κινητικότητα των μακρομορίων της μήτρας, η διεπιφάνεια θα διαφέρει σε κάθε σύστημα ενίσχυσης μήτρας [1, 3, 5]. Η διεπιφάνεια είναι η περιοχή επαφής μεταξύ της ενίσχυσης και της μήτρας. Σε ορισμένες περιπτώσεις η διεπιφάνεια αποτελεί μια πρόσθετη ευδιάκριτη φάση, ονόματι ενδιάμεση φάση (interface), η δημιουργία της οποίας γίνεται σταδιακά και ο χρόνος που απαιτείται καθορίζεται από τις συνθήκες κατασκευής του συνθέτου. Μερικά σύνθετα εμφανίζουν ενδιάμεσες φάσεις όταν επιφάνειες ανόμοιας σύστασης αλληλεπιδρούν μεταξύ τους. Η έκταση της αλληλεπίδραση της ενδιάμεσης φάσης με το υλικό της μήτρας είναι ανάλογη της αντοχής του δεσμού που μπορεί να κυμαίνεται μεταξύ αυτής των δεσμών Van der Waals και του ομοιοπολικού δεσμού. Η διεπαφή μεταξύ μήτρας και ενίσχυσης είναι ιδιαίτερα σημαντική δεδομένου ότι οι ιδιότητες αυτής της περιοχής υπαγορεύουν τη μεταφορά φορτίου και την αντίσταση σε ρωγμές κατά τη διάρκεια της παραμόρφωσης. Είναι επίσης απαραίτητη για τον έλεγχο των χημικών αλληλεπιδράσεων, τη μείωση σχηματισμού οξειδίων και για την βελτίωση της διαβροχής (wetting) ώστε να ενισχυθεί η αντοχή διεπιφανειακού δεσμού. 13

15 Ο δεσμός στη διεπιφάνεια οφείλεται στην πρόσφυση τους εγκλείσματος στη μήτρα. Η πρόσφυση μπορεί να αποδοθεί με τέσσερις μηχανισμούς: i) με αλληλοδιάχυση, ii) με ηλεκτρική έλξη, iii) με χημικό δεσμό και iv) με μηχανική πρόσφυση [5]. Κατά την πρόσφυση με αλληλοδιάχυση, δημιουργείται δεσμός μεταξύ των επιφανειών δύο πολυμερών με τη διάχυση των μορίων του ενός στο μοριακό πλέγμα του άλλου. Η αντοχή του διεπιφανειακού δεσμού εξαρτάται από το βαθμό διασταυρώσεων των μακρομορίων, το πλήθος των μακρομορίων που συμμετέχουν, την κινητικότητα των μακρομορίων και από την παρουσία διαλυτών ή πλαστικοποιητών. Στη ηλεκτρική έλξη αναπτύσσεται ηλεκτροστατική έλξη μεταξύ της επιφάνειας του εγκλείσματος (ίνας) και της μήτρας, οι οποίες είναι φορτισμένες με αντίθετα ηλεκτρικά φορτία, όπως συμβαίνει στην περίπτωση του ιοντικού δεσμού. Η συμβολή της ηλεκτρικής έλξης στην πρόσφυση είναι αμελητέα, έχει όμως σημαντικό ρόλο στην εφαρμογή των επικαλύψεων στις ίνες. Ο χημικός δεσμός είναι ιδιαίτερης σημασίας για τα ινώδη σύνθετα καθώς εξηγεί τη χρήση επικαλύψεων στις ίνες γυαλιού και την αντοχή μεταξύ ινών άνθρακα και ρητίνης. Αναπτύσσεται μεταξύ μιας χημικής ομάδας της επιφάνειας της ίνας και μιας συμβατής ομάδας της μήτρας. Η αντοχή του εξαρτάται από τον αριθμό και τον τύπο των δεσμών και ο σχηματισμός του ή θραύση του ενεργοποιείται με τη θερμότητα. Τέλος η μηχανική πρόσφυση έγκειται στην καθαρά μηχανική αγκίστρωση της επιφάνειας του εγκλείσματος πάνω στην επιφάνεια της μήτρας και αντίστροφα. Υπάρχουν όμως πολλοί παράγοντες που επηρεάζουν την πρόσφυση του εγκλείσματος στη μήτρα. Βασικότερος όλων είναι η γωνία συνεπαφής των δύο υλικών ή διαβροχής (contact angle), όπου η πλήρης πρόσφυση επιτυγχάνεται όταν είναι μηδέν μοίρες. Άλλοι παράγοντες είναι οι επιφανειακές ατέλειες των υλικών επαφής (π.χ. μικρορωγμές, διακυμάνσεις τραχύτητας), ανωμαλίες στη δομή της μήτρας και του εγκλείσματος. Επίσης η θερμοκρασία επηρεάζει το δεσμό πρόσφυσης. Με την αύξηση για παράδειγμα της θερμοκρασίας επιτυγχάνεται αύξηση της συμβατότητας των μορίων των δύο υλικών επαφής (κατ επέκταση μείωση της γωνίας συνεπαφής). Τέλος η τράχυνση των επιφανειών οδηγεί επίσης σε ελάττωση της γωνίας επαφής, αρκεί να μην είναι υπερβολική ώστε να οδηγήσει στη δημιουργία μικρορωγμών. Σύμφωνα με τα παραπάνω, ο βαθμός αλληλεπίδρασης μεταξύ μήτρας και εγκλείσματος εξαρτάται από τη σύνθεση και τη διαδικασία παραγωγής τους. Προκειμένου λοιπόν να διευκολυνθεί ο μηχανισμός πρόσφυσης τα υλικά που θα έρθουν σε επαφή πολλές φορές υπόκεινται σε κατάλληλες επιφανειακές επεξεργασίες. Αυτό είναι κάτι που συναντάμε κυρίως στα ινώδη σύνθετα, όπως αναφέραμε και προηγούμενος για παράδειγμα τη χρήση επικαλύψεων στις ίνες γυαλιού. Οι ίνες άνθρακα επίσης υπόκεινται σε επιφανειακή επεξεργασία προκειμένου να βελτιωθούν οι μηχανικές ιδιότητες του συνθέτου υλικού, ενώ επικαλύπτονται και με ένα επικαλυπτικό προκειμένου να διευκολυνθεί η διαδικασία επεξεργασία τους. Η επιφανειακή 14

16 επεξεργασία, μεταξύ άλλων, δημιουργεί πιθανές αντιδρώντες ομάδες, όπως τις υδροξύλιο και τις καρβοξυλικές ομάδες, πάνω στην επιφάνεια της ίνας οι οποίες μπορούν και αντιδρούν χημικά με την μήτρα. Πολύ συχνά η ίνα χρησιμοποιείται στην αρχική της μορφή, χωρίς την ανωτέρω επεξεργασία, χωρίς αυτό να σημαίνει ότι η μορφή της αυτή είναι η απαραίτητα βέλτιστη για το συγκεκριμένο σύστημα μήτρας που χρησιμοποιείται. Επιπλέον, το επικαλυπτικό μπορεί να μην είναι το καταλληλότερο για μια μήτρα ρητίνης. Τα επικαλυπτικά βασισμένα σε epoxy είναι αρκετά συνηθισμένα και οι ίνες άνθρακα που αντιμετωπίζονται με αυτά χρησιμοποιούνται για ένα πλήθος διαφορετικών μητρών. Συμπερασματικά η καλύτερη μέθοδος για να επιτύχουμε ένα καλό δεσμό πρόσφυσης είναι η κατάλληλη επιλογή των υλικών του συστήματος έγκλεισμα/μήτρα. Στα σύνθετα με μήτρα ρητίνης, η συμπεριφορά της διεπιφάνειας και ο βαθμός ελέγχου αυτής που επιτυγχάνεται, αποτελούν παράγοντες ύψιστης σημασίας. 1.4 Παραγωγή σύνθετων υλικών Μια σημαντική πτυχή των σύνθετων υλικών αφορά την τεχνολογία με την οποία παράγονται. Ανάλογα με τη φύση της μήτρας και της ίνας και την απαραίτητη αρχιτεκτονική (κατανομή, προσανατολισμός) της ίνας, μία χαμηλού κόστους παραγωγή με κατάλληλη ποιότητα μικροδομής μπορεί να αποτελέσει προκλητικό πρόβλημα. Στις περισσότερες περιπτώσεις η κατασκευή του τελικού προϊόντος και η παραγωγή του σύνθετου υλικού διεξάγονται ταυτόχρονα. Αυτό δίνει τη δυνατότητας μιας βέλτιστης κατασκευής, αλλά απαιτεί την κατανόηση των μηχανικών απαιτήσεων της εφαρμογής και την προσαρμογή της ανάλογης μεθόδου επεξεργασίας. Οι διαδικασίες επεξεργασίας για τα περισσότερα πολυμερή σύνθετα είναι εμπορικά και τεχνικά ώριμες, ενώ οι περισσότερες από εκείνες που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή σύνθετων μεταλλικής και κεραμικής μήτρας είναι ακόμα υπό ανάπτυξη. Σε πολλές τέτοιες περιπτώσεις, η εμπορική τους εκμετάλλευση θα εξαρτηθεί από τη βελτίωση της απόδοσης της επεξεργασίας τους [4] ΣΥΠΜ Υπάρχουν πολλές εμπορικές διαδικασίες κατασκευής ΣΥΠΜ. Αυτές μπορούν να κατηγοριοποιηθούν με διάφορους τρόπους, αλλά γενικά μιλώντας υπάρχουν τρεις κύριες προσεγγίσεις για την κατασκευή ενισχυμένων με ίνες θερμοσκληρυνόμενων ρητινών και δύο ευδιάκριτες μέθοδοι παραγωγής σύνθετων θερμοπλαστικής μήτρας. Στις περισσότερες των περιπτώσεων βασικός στόχος όσον αφορά τη μικροδομή, είναι να εξασφαλιστεί ότι οι ίνες εμποτίζονται καλά με ρητίνη, κατανέμονται ομοιόμορφα και ευθυγραμμίζονται σωστά. Παράγοντες που σχετίζονται με το κόστος και την ταχύτητα παραγωγής και με τη δυνατότητα παραγωγής μιας ποικιλίας μεγεθών και σχημάτων υλικού, είναι συχνά ύψιστης σημασίας. 15

17 α) Διαδικασίες διαποτισμού με υγρή ρητίνη ( Liquid resin impregnation routes) Η βασική ιδέα αυτής της μορφής επεξεργασίας, είναι ο διαποτισμός ινών, τοποθετημένων σε σειρές, με ρητίνη χαμηλού ιξώδους. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί με διάφορους τρόπους [4, W1]. Wet/hand lay up procedure (Επίστρωση με το χέρι) Ο πιο απλός τρόπος είναι η διαδικασία της επίστρωσης με το χέρι στην οποία οι ίνες, συνήθως υπό μορφή κοντών ινών τυχαίας διεύθυνσης ή με τη μορφή υφάσματος πλεγμένων ινών, τοποθετημένες σε καλούπι, εμποτίζονται με ρητίνη με ψεκασμό ή με ρολό. Η στερεοποίηση πραγματοποιείται συνήθως σε θερμοκρασία δωματίου. Σε αυτού του είδους την τεχνική μπορεί να χρησιμοποιηθεί οποιοδήποτε είδος ρητίνης όπως η εποξυ ρητίνη, ο πολυεστέρας, βινυλεστέρας, φαινολική ρητίνη, καθώς επίσης και οποιεσδήποτε ίνες, αν και τα βαριά υφάσματα αραμαδικών ινών ίσως να είναι σκληρά για να διαποτιστούν με το χέρι. Εικόνα 1.5: Επίστρωση με το χέρι Κύριο πλεονέκτημα της διαδικασίας αυτής αποτελεί η μεταβλητότητά της. Ουσιαστικά μπορεί να παραχθεί οποιαδήποτε σχήμα, ενώ το κόστος περιορίζεται σε αυτό του καλουπιού. Στον αντίποδα, το κύριο μειονέκτημα της τεχνικής αυτής έγκειται στη δυσκολία να εξασφαλιστεί ο πλήρης εμποτισμός των ινών και στην δυνατότητα της χειρονακτική εργασίας που καλύπτει μεγάλο μέρος της εργασίας. Η τεχνική έχει χρησιμοποιηθεί παραδοσιακά στη ναυπηγική για την παραγωγή σχετικά μεγάλης καρίνας (craft) όπως στα ναρκαλιευτικά,μέχρι περίπου 50m στο μήκος. Χρησιμοποιείται επίσης για την κατασκευή των πτερυγίων στροβίλων και καλουπιών. 16

18 Spray Lay up (Επίστρωση με ψεκασμό των ινών) Αυτή η τεχνική είναι επίσης μια διαδικασία επίστρωσης παρόμοια της επίστρωσης με το χέρι, μόνο που σε αυτή την περίπτωση η ίνα τεμαχίζεται σε ένα φορητό πιστόλι και τα τεμαχισμένα πια ινίδια τροφοδοτούν ένα σπρέι ρητίνης που έχει υποστεί κατάλυση και το οποίο ψεκάζεται κατευθείαν πάνω στη φόρμα. Στη συνέχεια, τα υλικά που εναποτέθηκαν αφήνονται να στερεοποιηθούν υπό συγκεκριμένες ατμοσφαιρικές συνθήκες. Η τεχνική αυτή χρησιμοποιείται συνήθως για απλές περιφράξεις, για δομικά πάνελ ελαφριάς φόρτισης, όπως αυτά που χρησιμοποιούνται στα τροχόσπιτα, για την αεροδυναμική κάλυψη πλοίου, σε ορισμένες μικρές λέμβους κ.α. Εικόνα 1.6: Επίστρωση με ψεκασμό Filament Winding (περιέλιξη ινών) Η τεχνική της περιέλιξης ινών είναι μια διαδικασία που ταιριάζει περισσότερο στην αυτοματοποίηση, αν και περιορίζεται στην παραγωγή συγκεκριμένων σχημάτων. Δέσμες ινών σύρονται μέσα από ένα λουτρό ρητίνης, πριν περιελιχθούν πάνω σε ένα mandrel, ή πριν λάβουν το απαιτούμενο σχήμα, σε ποικίλους προσανατολισμούς που ελέγχονται από το μηχανισμό τροφοδοσίας ινών και τη συχνότητα περιστροφής του mandrel [3, W1]. Αυτή η τεχνική μπορεί να εφαρμοστεί σε οποιαδήποτε συνεχή ίνα συνδεδεμένη με μία είτε κρύα είτε καυτή (cold/hot setting) ρητίνη οποιουδήποτε είδους (εποξυ ρητίνη, φαινολική ρητίνη, πολυεστέρα, βινυλεστέρα ). Οι ίνες χρησιμοποιούνται κατ' ευθείαν από ένα κοφίν χωρίς να λάβουν τη μορφή υφάσματος. Στις περισσότερες περιπτώσεις χρησιμοποιείται υγρή ρητίνη που εφαρμόζεται πάνω στις ίνες δευτερόλεπτα πριν περιελιχθούν πάνω στον άξονα. Εάν στη συνέχεια, η στερεοποίηση τους μπορεί να γίνει 17

19 χωρίς περαιτέρω θέρμανση, ή με την επί τόπου θέρμανσή τους, ή μεταφέροντάς τες σε ξεχωριστό φούρνο για την ίαση τους, εξαρτάται από το απαιτούμενο μέγεθος και πλήθος. Σε άλλη περίπτωση, όχι τόσο συχνή, η ίνα αφού έχει προεμποτιστεί με το κατάλληλο σύστημα ζεστής ρητίνης, τυλίγεται σε ξηρή κατάσταση στον άξονα, κατόπιν θερμαίνεται ώστε να ενωθούν τα υλικά μέσω της τήξης, και έπειτα στερεοποιείται. Εικόνα 1.7: Περιέλιξη ινών Η περιέλιξη ινών χρησιμοποιείται συχνά για την παραγωγή σύνθετων υλικών υψηλής απόδοσης και είναι προφανές ότι ταιριάζει σε περιπτώσεις απλών μορφών όπως οι σωλήνες. Πιο συγκεκριμένα χρησιμοποιείται για την κατασκευή δεξαμενών αποθήκευσης χημικών, σωλήνων αερίου, για τις φιάλες των αναπνευστήρων των πυροσβεστών. Pultrusion (Παραγωγή συνεχών ευθύγραμμων στοιχείων με διέλαση /εξέλαση) Pultrusion ονομάζεται η τεχνική με την οποία παράγονται συνεχή τμήματα ενισχυμένων πλαστικών, όπου ο προσανατολισμός της ίνας είναι κυρίως αξονικός. Pultrusion (από ίνες γυαλιού, άνθρακα και αραμαδικές ίνες, με πολλές θερμοσκληρυνόμενες ρητίνες) είναι διαδικασία παρόμοια, κατά κάποιον τρόπο, με αυτή της περιέλιξης ινών. Και εδώ δέσμες ινών σύρονται μέσα από ένα λουτρό ρητίνης. Σε αυτήν την περίπτωση όμως, οι εμποτισμένοι θύσανοι ινών τοποθετούνται έπειτα σε έναν θερμαινόμενο, σωληνοειδές καλούπι, στο οποίο και στερεοποιούνται. Το καλούπι μπορεί να έχει ένα σχετικά πολύπλοκο σχήμα διατομής. Το σύνθετο υλικό στη συνέχεια εξωθείται από το καλούπι μέσω ενός λειτουργικού συστήματος εξώθησης και κόβεται αυτόματα στο εκάστοτε μήκος. 18

20 Αν και η τεχνική αυτή, η παραγωγή ενός δομικού στοιχείου σταθερής διατομής, είναι μια συνεχής διαδικασία, μια παραλλαγή της γνωστή ως «pullforming», επιτρέπει την εισαγωγή κάποιας διακύμανσης στη διατομή. Στη διαδικασία αυτή τα συστατικά υλικά σύρονται μέσα από την ρητίνη ώστε να εμποτιστούν και κλείνονται έπειτα σε ένα καλούπι όπου και στερεοποιούνται. Αυτό καθιστά τη διαδικασία μη συνεχόμενη, αλλά προσαρμόζει μικρές αλλαγές στη διατομή [4, W1]. Συνοψίζοντας μπορούμε να πούμε ότι η τεχνική μορφοποίησης pultrusion είναι μια μέθοδος παραγωγής ικανή να παράγει μεγάλες ποσότητες σύνθετου υλικού, με υψηλό ποσοστό αναλογίας ινών κατά όγκο. Τα ήδη υπάρχοντα διαθέσιμα «pultruded» σύνθετα, τυποποιημένες ράβδοι και σωλήνες, παρέχουν δυνατότητα δράσης στο σχεδιαστή και τον μηχανικό σε ένα ευρύ πεδίο πολλών βιομηχανιών, από τη χημική βιομηχανία στην αεροναυπηγική και τις οικοδομικές κατασκευές. Εικόνα 1.8: Pultrusion Resin injection(μορφοποίηση με έγχυση) Μια άλλη σημαντική τεχνική μορφοποίησης περιλαμβάνει την έγχυση ρητίνης σε μία φόρμα στην οποία είναι τοποθετημένες ίνες σε συγκεκριμένη θέση. Η ρητίνη εγχύεται υπό την επίδραση της βαρύτητας ή εξωτερικού φορτίου [3]. Οι σύγχρονες διαδικασίες έγχυσης, περιλαμβάνουν δύο μισά ενός καλουπιού, από άκαμπτο μη πορώδες υλικό (συνήθως μέταλλο, καθώς αποτελεί καλό αγωγό θερμότητας και αντέχει για πολλές επεξεργασίες μορφοποίησης) και καταλυτική ρητίνη, η οποία εγχύεται υπό πίεση σε ένα ξηρό επίστρωμα. Η ρητίνη είναι συνήθως θερμοσκληρυνόμενη εποξυ ρητίνη. Η εποξυ ρητίνη, αφού θερμανθεί αρκετά ώστε να επιτευχθεί ελάχιστο ιξώδες, μπορεί να αντληθεί μέσω του επιστρώματος και προς τα έξω από το άνοιγμα παρατήρησης. Οι φυσαλίδες αέρα οδηγούνται από την ενίσχυση και η ρητίνη συνεχίζει να ρέει (διανέμοντας εκ νέου εάν είναι απαραίτητο) έως ότου είναι ελεύθερη από φυσαλίδες. Σε αυτό το σημείο, η ροή 19

21 διακόπτεται, η θερμοκρασία αυξάνεται, η πίεση διατηρείται, και επέρχεται η πήκτωση και η στερεοποίηση. Η διαδικασία της έγχυσης ρητίνης είναι ιδιαίτερα σημαντική για την κατασκευή υλικών μεσαίου μεγέθους, ελεύθερων από κενά, όπου απαιτείται μεγάλο ποσοστό ενίσχυσης κατά όγκο και ακριβείς διαστάσεις. Μικρά πολύπλοκά τμήματα σύνθετων υλικών σε αεροσκάφη και αυτοκίνητα, καθώς και τα καθίσματα των τραίνων, κατασκευάζονται με αυτόν τον τρόπο. Εικόνα 1.9: Μηχανή μορφοποίησης με έγχυσης ρητίνης β) Παραγωγή προ εμποτισμένων ταινιών Αυτή η προσέγγιση περιλαμβάνει την παραγωγή μιας προ εμποτισμένης ταινίας, δηλαδή μιας ταινίας ή ενός φύλλου ινών που διαποτίζονται με ρητίνη. Το pre preg κατασκευάζεται τοποθετώντας τις ίνες και τη ρητίνη μεταξύ φύλλων ενός siliconised paper ή πλαστικής ταινίας, τα οποία συμπιέζονται ώστε να εξασφαλιστεί η σταθεροποίηση και η πλήρης υγροποίηση των ινών. Έπειτα αφήνονται να στερεοποιηθούν μερικώς παράγοντας ένα εύκαμπτο συσσωμάτωμα. Η διαδικασία επιτρέπει την άριστη ευθυγράμμιση των ινών σε μονής διεύθυνσης στρώματα. Το τελικό σύνθετο υλικό διαμορφώνεται στοιβάζοντας τις στρώσεις των προεμποτισμένων ταινιών σε προκαθορισμένες κατευθύνσεις, παγιώνοντας τα με πίεση, και η τελική στερεοποίηση επέρχεται θερμαίνοντας τα υπό πίεση. Η πιο απλή διάταξη μηχανισμού αυτής της μεθόδου περιλαμβάνει μία κατευθυντήρια υδραυλική πρέσα, για την εφαρμογή πίεσης σε ένα ζευγάρι καλουπιών [4]. Αυτή η τυπική τεχνική υψηλής πίεσης χρησιμοποιείται από τις πρώτες μέρες εμφάνισης των φαινολικών ρητινών, και ονομάζεται μορφοποίηση με καλούπι υψηλής συμπίεσης (high pressure compression moulding) [3]. 20

22 Με την χρήση πολύ υψηλής πίεσης και περιορίζοντας τη ροή της ρητίνης αποφεύγεται η στρέβλωση των ινών, ενώ η εμφάνιση κενών λόγω υπολειμμάτων διαλύτη αποτρέπεται με τη διάλυση του διαλύτη πίσω στη φόρμα. Πρωταρχική αρχή της μορφοποίησης με καλούπι υψηλής συμπίεσης είναι η παραγωγή σύνθετων υλικών σε μεγάλες ποσότητες, τα οποία θα πρέπει να προκύπτουν από τη φόρμα όσο το δυνατόν πιο κοντά στην τελική μορφή τους και στο σωστό μέγεθος. Vacuum moulding Μια εναλλακτική προσέγγιση είναι η τεχνική μορφοποίησης «vacuum moulding», όπου οι προ εμποτισμένες ταινίες (pre preg) εσωκλείονται σε μία φόρμα με μια εύκαμπτη, στεγανή μεμβράνη. Η εσώκλειστη αυτή διάταξη εκκενώνεται έπειτα, έτσι ώστε ατμοσφαιρική πίεση να ασκηθεί πάνω στη μεμβράνη και οι προ εμποτισμένες ταινίες να συμπιεστούν πάνω στη φόρμα. Παρά το γεγονός ότι οι διαδικασίες αυτές είναι σχετικά γρήγορες και εύκολες στη διεξαγωγή τους, μειονεκτούν ως προς την ποιότητα του παραγόμενου σύνθετου υλικού και την ποικιλία σχημάτων και μεγεθών τελικών δομικών στοιχείων που μπορούν να κατασκευαστούν [4]. Εικόνα 1.10: Vacuum Bag Η τεχνική αυτή στη βάση της αποτελεί μια επέκταση της διαδικασίας επίστρωσης με το χέρι, που περιγράφτηκε ανωτέρω, όπου η πίεση εφαρμόζεται στο πολύστρωτο φύλλο μόλις επιστρωθεί, προκειμένου να βελτιωθεί η σταθεροποίησή του. Αυτό επιτυγχάνεται σφραγίζοντας το πολύστρωτο φύλλο μεταξύ του καλουπιού και μιας πλαστικής ταινίας. Ο αέρας κάτω από την «σακούλα» εξάγεται από μια αντλία και έτσι μέχρι μια συγκεκριμένη ατμοσφαιρική πίεση μπορεί να εφαρμοστεί στο πολύστρωτο φύλλο ώστε να σταθεροποιηθεί [W1]. 21

23 Τα υλικά που χρησιμοποιούνται σε αυτή την τεχνική είναι κυρίως εποξυ ρητίνες και φαινολικές ρητίνες. Οι πολυεστέρες και οι βινυλεστέρες μπορεί να παρουσιάσουν προβλήματα λόγω της υπερβολικής εξαγωγής στυρενίου από τη ρητίνη μέσω της αντλίας κενού. Όσον αφορά τον τύπο ίνας, οι πιέσεις σταθεροποίησης ορίζουν ότι μπορεί να διαποτιστούν μια ποικιλία υφασμάτων ινών. Παρασκευή σε αυτόκλειστο φούρνο (Autoclave moulding) Για ιδιαίτερα απαιτητικές εφαρμογές συνήθως προτιμάται η τεχνική της μορφοποίησης με φούρνο πιέσεως. Είναι παρόμοια με την vacuum moulding, με τη διαφορά ότι η εσώκλειστη σύνθετη διάταξη τοποθετείται σε έναν μεγάλο θάλαμο στον οποίο μπορεί να ασκηθεί και να διατηρηθεί σταθερή ατμοσφαιρική πίεση, τυπικά μέχρι ατμόσφαιρες. Κατά τη διάρκεια της συμπίεσης η ρητίνη θερμαίνεται έτσι ώστε να στερεοποιηθεί. Σε πολλές περιπτώσεις, η θερμοκρασία αυξάνεται αρχικά έως ένα ενδιάμεσο επίπεδο, προκειμένου να μειωθεί το ιξώδες της ρητίνης και να εξασφαλιστεί η απομάκρυνση τυχών κενών. Με την περαιτέρω έπειτα θέρμανση, επέρχεται η πλήρης ίαση της ρητίνης [4]. Ο φούρνος είναι ένα κυλινδρικό δοχείο πίεσης στο οποίο μπορεί να αναπαραχθεί πίεση πολλαπλών ατμοσφαιρών. Είναι επίσης εξοπλισμένο με εκείνα τα μέσα που μπορούν να παράγουν κενό μέσα σε οποιεσδήποτε αεροστεγείς μεμβράνες τοποθετηθούν στο δοχείο, έτσι ώστε να απομακρύνονται οι πτητικοί παράγοντες όπως οι διαλύτες ή οι υδρατμοί. Η θέρμανση ελέγχεται από ηλεκτρικές θερμάστρες που θερμαίνουν την ατμόσφαιρα (συνήθως άζωτο), μεταφέροντας θερμότητα στην θερμοσκληρυνόμενη επίστρωση με μεταφορά και αγωγή. Μια γραμμή εργασιών μεταφέρει τα καλούπια μέσα και έξω από το δοχείο [3]. Εικόνα 1.11 : Μεγάλος αυτόκλειστος φούρνος (autoclave) που χρησιμοποιείται για την παραγωγή φτερού αεροσκάφους 22

24 1.4.2 ΣΥΜΜ Η κατασκευή ΣΥΜΜ είναι λιγότερο αναπτυγμένη από τα ΣΥΠΜ. Η βιομηχανική εκμετάλλευση των ΣΥΜΜ βρίσκεται ακόμα σε πρώιμα στάδια και θα πρέπει να υπάρξουν πιο εξελιγμένες διαδικασίες παραγωγής. Εντούτοις, έχουν γίνει ιδιαίτερες ερευνητικές προσπάθειες όσον αφορά τις πτυχές της επεξεργασίας τους, μερικώς επειδή οι δυσκολίες και το κόστος παραγωγής τους είναι κατά ένα μεγάλο ποσοστό υπεύθυνα για την περιορισμένη χρήση τους. Υπάρχουν διάφορες διαδικασίες παραγωγής των ΣΥΜΜ, οι περισσότερες από τις οποίες όμως είναι περιορισμένης εμπορικής δυνατότητας, δεδομένου ότι είναι από τη φύση τους είναι ακριβές και δύσκολο να διεξαχθούν. Εντούτοις, μερικές από αυτές ενδέχεται να βρουν βιομηχανική εφαρμογή σύντομα, δεδομένου ότι υπάρχουν ορισμένες εφαρμογές για τις οποίες το υψηλό κόστος παραγωγής μπορεί να δικαιολογηθεί. Μια βασική διάκριση των τεχνικών παραγωγής ΣΥΜΜ γίνεται ανάλογα με το εάν η τεχνική περιλαμβάνει υγρό ή όχι μέταλλο. Γενικά, οι διαδικασίες υγρών μετάλλων είναι σχετικά φτηνές (εκτός από τις τεχνικές ψεκασμού, οι οποίες σήμερα έχουν απορριφθεί σε μεγάλο βαθμό), ενώ οι μέθοδοι στερεής κατάστασης προσφέρουν ορισμένα πλεονεκτήματα με αυξανόμενο όμως κόστος. Οι τεχνικές επεξεργασίας ΣΥΜΜ μπορούν να ταξινομηθούν σε έξι κατηγορίες όπου οι τρεις πρώτες προσεγγίσεις περιλαμβάνουν την επαφή μεταξύ υγρού μετάλλου και κεραμικού, ενώ αντίθετα στιες άλλες τρεις δεν υπάρχει καμία τέτοια επαφή [4]. Οι τεχνικές αυτές είναι οι Squeeze infiltration, Stir casting, Spray deposition, Powder blending and consolidation, Diffusion bonding of foils. Eικόνα 1.12: Σχηματική αναπαράσταση των τεχνικών που χρησιμοποιούνται στην παραγωγή σύνθετων υλικών μεταλλικής μήτρας (ΣΥΜΜ) 23

25 Squeezed infiltration είναι η πιο κοινή διαδικασία στερεοποίησης με την εφαρμογή πίεσης για την κατασκευή ΣΥΜΜ. Το υγρό μέταλλο εγχέεται σε μια συνάθροιση κοντών ινών, η οποία συνήθως καλείται ως «pre form». Συνήθως, η φόρμα αυτή προσχεδιάζεται σε συγκεκριμένη μορφή ώστε να αποτελέσει αναπόσπαστο τμήμα ενός ολοκληρωμένου προϊόντος στη φόρμα. Οι «pre forms» κατασκευάζονται συνήθως με την ιζηματογένεση των κοντών ινών από υγρό αιώρημα, συχνά χρησιμοποιούνται κοντές ίνες αλουμίνας, όπως Saffiltm. Η μέθοδος αυτή μπορεί επίσης να προσαρμοστεί για την παραγωγή κοκκωδών ΣΥMM. Stir casting αναμειγνύει υγρό μέταλλο με κεραμικούς κόκκους και έπειτα αφήνει το μίγμα να σταθεροποιηθεί. Χρησιμοποιεί σχετικά συμβατικό εξοπλισμό επεξεργασίας υλικών και μπορεί διεξάγεται συνεχόμενα ή όχι. Η διαδικασία αυτή επεξεργασίας βρίσκει εμπορική χρήση στα κοκκώδη, βασισμένα σε αλουμίνιο ΣΥΜΜ και το παραχθέν υλικό είναι κατάλληλο για περαιτέρω επεξεργασία όπως τη μορφοποίηση του σε καλούπι με συμπίεση (pressure die casting). Η τεχνική εναπόθεση με ψεκασμό (Spray deposition) αναπτύχθηκε ως μία μέθοδος κατασκευής συμπαγών μεταλλικών υλικών κατευθύνοντας ένα ρεύμα ατομικών σταγονιδίων πάνω σε ένα υπόστρωμα. Η προσαρμογή της για την παραγωγή κοκκωδών ΣΥΜΜ με την έγχυση κεραμικής σκόνης σε σπρέι, έχει αναπτυχθεί εκτενώς, με περιορισμένη όμως εμπορική επιτυχία. Ένα από τα προβλήματα που παρουσιάζει είναι η ανομοιογενής κατανομή των κεραμικών κόκκων. Συχνά παρατηρούνται στρώματα πλούσια σε κεραμικό υλικό περίπου στο ίδιο επίπεδο της γενικής κατεύθυνσης αύξησης. Η ύπαρξη πόρων μετά τον ψεκασμό, είναι τυπικά περίπου 5 15% με αποτέλεσμα να απαιτείται επιπλέον επεξεργασία σταθεροποίησης. Η ανάμειξη μεταλλικής σκόνης και κεραμικών ινών ή κόκκων πλεονεκτεί ως προς τον στενό έλεγχο της περιεκτικότητας σε κεραμικό υλικό. Η ανάμειξη ακολουθείται από τα στάδια της εν ψυχρώ συμπίεσης, σωλήνωσης (canning), εκκένωσης (evacuation), εξαέρωση (degassing) και της σταθεροποίησης υψηλής θερμοκρασίας όπως η ισοστατική συμπίεση εν θερμώ (hot isostatic pressing HIP) ή η εξώθηση. Ένα χαρακτηριστικό γνώρισμα των υλικών αυτής της μεθόδου, είναι η παρουσία οξειδίων, συνήθως εμφανίζονται στα βασισμένα σε αλουμίνιο ΣΥΜΜ, υπό τη μορφή επίπεδων κόκκων πάχους μερικών δεκάδων νανομέτρων, αποτελώντας περίπου το vol% του συνολικού όγκου, ανάλογα με τον τύπο της σκόνης και τις συνθήκες επεξεργασίας. Diffusion bonding of foils. Το ενισχυμένο με μακριές ίνες τιτάνιο, παράγεται εμπορικά με την τοποθέτηση μιας σειράς ινών μεταξύ λεπτών μεταλλικών φύλλων αλουμινίου, συχνά περιλαμβάνοντας μια διαδικασία περιέλιξης ινών ακολουθούμενη από εν θερμώ συμπίεση. Η μέθοδος αυτή είναι ελκυστική στην περίπτωση του τιτανίου, δεδομένου ότι διαλύει τα οξείδιά του σε θερμοκρασίες άνω των 700 ο C και αποφεύγεται η ανάπτυξη άμεσης χημικής αντίδρασης στη διεπιφάνεια, λόγω της επαφής του υγρού τιτανίου με τα 24

26 κεραμικά στοιχεία. Ένα από τα κύρια προβλήματα έγκειται στην αποφυγή εκτενούς χημικής αντίδρασης στη διεπαφή, η οποία τείνει να οδηγήσει σε ευθραυστότητα του υλικού. Για αυτό το λόγο παρατηρείται ιδιαίτερο ενδιαφέρον για τα υλικά επικάλυψης των ινών τα οποία και σχεδιάζονται έτσι ώστε να περιορίσουν τα προβλήματα λόγο διεπαφής. Physical vapour deposition (PVD). Διάφορες διαδικασίες PVD έχουν χρησιμοποιηθεί στην επεξεργασία ΣΥΜΜ. Μια τέτοια διαδικασία εξάτμισης που χρησιμοποιείται στην κατασκευή ενισχυμένου με μακριές ίνες τιτανίου, περιλαμβάνει το συνεχόμενο πέρασμα της ίνας μέσα από ένα θάλαμο εκκένωσης, όπου πραγματοποιείται η συμπύκνωση έτσι ώστε να παραχθεί ένα σχετικά παχύ επίστρωμα. Ο ατμός παράγεται με την κατεύθυνση μιας δέσμης ηλεκτρονίων υψηλής τάσης (10 KW) προς την άκρη μιας στερεής ράβδου που χρησιμοποιείται ως πρώτη ύλη, έτσι ώστε να τηχθεί. Ένα ευρύ φάσμα κραμάτων μπορεί να χρησιμοποιηθεί, ενώ οι διαφορές στους ρυθμούς εξάτμισης μεταξύ των διαφορετικών διαλυμένων ουσιών αντισταθμίζονται από τις αλλαγές στη σύνθεση του τηγμένου υλικού που σχηματίζεται στο άκρο της ράβδου, έως ότου επιτευχθεί μία σταθερή κατάσταση όπου τη περιεκτικότητα κράματος στο εναπόθεμα είναι η ίδια με αυτής της πρώτης ύλης. Υπάρχει ελάχιστη ή καμία μηχανική διαταραχή στην περιοχή της διεπιφάνειας κατά τη διάρκεια της επεξεργασίας. Η κατασκευή του συνθέτου ολοκληρώνεται με τη συγκέντρωση των επικαλυμμένων ινών σε μια δέσμη και την παγίωσή τους με εν θερμώ συμπίεση. Μια ομοιόμορφη κατανομή των ινών παράγεται, με την περιεκτικότητα τους να φτάνει το 80% περίπου. Αν και ο ρυθμός παραγωγής είναι αργός και η διαδικασία ακριβής, εντούτοις μπορεί να έχει κάποια εμπορική προοπτική ΣΥΚΜ Η κατασκευή ΣΥΚΜ εμφανίζει σημαντικά τεχνικά προβλήματα. Αυτό οφείλεται κατά ένα μεγάλο ποσοστό στην ψαθυρή φύση των κεραμικών μητρών, η οποία καθιστά τη διαδικασία της παραμόρφωσης δύσκολη. Επιπλέον, η μήτρα είναι συχνά ανίκανη να προσαρμοστεί στις αλλαγές όγκου που συνδέονται με τη διαδικασία της στερεοποίησης, χωρίς την εμφάνιση ρωγμών. Αυτό είναι ιδιαίτερα ενοχλητικό όταν ενσωματώνονται οι ίνες, οι οποίες τείνουν να εμποδίζουν τη συστολή της μήτρας καθώς απομακρύνονται τα κενά. Η ανάγκη για υψηλές θερμοκρασίες (>1000oC) κατά τη διάρκεια των περισσότερων επεξεργασιών, συμβάλλει επίσης στις δυσκολίες. Ο αριθμός των υπαρχόντων εφικτών τεχνικών κατασκευής για τα ΣΥΚΜ είναι περιορισμένος και πολύ λιγότερες από αυτές λαμβάνουν εμπορική χρήση. Μία επισκόπηση στις διάφορες προσεγγίσεις που χρησιμοποιούνται στην κατασκευή των ΣΥΚΜ, αντικατοπτρίζει τις περιορισμένες επιλογές που είναι διαθέσιμες, αν και λεπτομέρειες στην παραγωγή μπορούν να ποικίλουν ευρέως για διαφορετικά υλικά και εφαρμογές. Στις περισσότερες διαδικασίες το αρχικό υλικό παρέχεται σε μορφή κεραμικής σκόνης. Επιπλέον χρησιμοποιούν μεθόδους αντίδρασης επεξεργασίας και πολύστρωτα 25

27 σύνθετα, και καμία από αυτές δεν απαιτεί την παρουσία ινών. Κλείνοντας, η διαδικασία κατασκευής ΣΥΚΜ που χαίρει εμπορικής σημασίας και αυτή που διαφέρει σημαντικά από οποιαδήποτε άλλη, είναι αυτή κατασκευής σύνθετου άνθρακα/άνθρακα [4]. 26

28 2. Κατηγοριοποίηση των σύνθετων υλικών 2.1 Διάκριση σύμφωνα με το υλικό της μήτρας Σύνθετα πολυμερούς μήτρας Polymer matrix composites PMCs Μέχρι τα τέλη του 19 ου αιώνα, οι βιομηχανίες μετάλλου και κεραμικών παρήγαγαν αγώγιμα και πυρίμαχα υλικά ενώ η μόνωση βασιζόταν σε φυσικά υλικά όπως το ξύλο, το χαρτί, τη shellac, και gutta percha. Από τις αρχές της δεκαετίας του 90, μια από τις πιο κερδοφόρες εξελίξεις στον τομέα των υλικών ήταν η δημιουργία και η ανάπτυξη συνθετικών πολυμερών [3]. Αυτά είναι υλικά που παράγονται σε χημικά εργαστήρια, και συντίθενται από την ένωση μικρών οργανικών μορίων, στην μορφή μακριών εύκαμπτων αλυσίδων. Τα επιμήκη αυτά μόρια αποτελούνται από δομικές ομάδες που καλούνται ομάδες μονομερών (mer) και ένα πολυμερές είναι το αποτέλεσμα της διαδοχικής επανάληψης και ένωσης αυτών των δομικών ομάδων. Όταν οι μοριακές αλυσίδες γίνουν αρκετά μακριές, δηλαδή αποκτήσουν υψηλό μοριακό βάρος (π.χ. μεγαλύτερο από 5000) τότε νέες ιδιότητες εμφανίζονται όπως η μηχανική αντοχή, η σκληρότητα, ακαμψία, οι οποίες δεν συσχετίζονται με τις ιδιότητες των αρχικών ατόμων που χρησιμοποιήθηκαν για την σύνθεση του μορίου του πολυμερούς. Ανάλογα με την χημική σύσταση και την διάταξη των μοριακών αλυσίδων και τις διασταυρώσεις τους, μπορούν να παραχθούν τα εξής: πλαστικά, λάστιχα, ίνες, rubbers, adhesives, coatings. Μπορεί να υπάρχουν εκατοντάδες υλικά σε καθεμία από αυτές τις κατηγορίες, δεν διαθέτουν όμως όλα επαρκής ιδιότητες ώστε να τα καθιστούν υλικά με ιδιαίτερο εμπορικό ενδιαφέρον. Τα σύνθετα υλικά πολυμερούς μήτρας (ΣΥΠΜ) αποτελούνται συνήθως από μια πολυμερή οργανική ρητίνη ως μήτρα και ίνες ως το μέσον ενίσχυσης. Με αυτή τη σύνθεση επιτυγχάνεται η δημιουργία βέλτιστων σύνθετων υλικών, όσο αναφορά τις ιδιότητές τους σε θερμοκρασίες δωματίου, την ευκολία παραγωγής τους και το κόστος τους που τα καθιστούν βασική επιλογή υλικών σε ένα εύρος εφαρμογών και ιδιαίτερα στο πεδίο της αεροναυπηγικής. Συχνά αναφερόμαστε στα σύνθετα πολυμερούς μήτρας και με τον όρο Advanced composites, χάρη στις προηγμένες ιδιότητές που εμφανίζουν. Τόσο οι συνθήκες επεξεργασίας όσο και οι ιδιότητες του σύνθετου υλικού εξαρτώνται από την χημική σύσταση των υλικών που χρησιμοποιούνται. Υπάρχουν δύο κύριοι τύποι οργανικών συστημάτων που μπορούν να χρησιμοποιηθούν στην κατασκευή δομικών σύνθετων υλικών πολυμερούς μήτρα, τα θερμοσκληρυνόμενα (thermo settings) και τα θερμοπλαστικά (thermoplastics) υλικά [3]. 27

29 Τα θερμοσκληρυνόμενα συστήματα συντίθενται από αντιδρώντα συστατικά, τα οποία υφίστανται μη αναστρέψιμή χημική αντίδραση διασταύρωσης όταν υπόκεινται σε θερμική κατεργασία, όπου και στερεοποιούνται και ένα infusible υλικό δημιουργείται. Τα θερμοπλαστικά συστήματα από την άλλη μεριά, είναι υλικά υψηλού μοριακού βάρους τα οποία δεν υφίστανται χημική αντίδραση, αλλά λιώνουν μερικώς υπό την επίδραση θερμότητας και πίεσης και κατά την ψύξη μορφοποιούνται στο επιθυμητό υλικό. Η διαδικασία είναι αναστρέψιμη. Ο συνδυασμός μήτρας ρητίνης και ινώδους ενίσχυσης μπορεί να επιτευχθεί με πολλούς τρόπους όπως με filament winding, wet lay up, pultrusion etc. Ένας από τους πιο βολικούς τρόπους παρουσίασης τέτοιων υλικών είναι με την μορφή των λεγόμενων pre pregs. Αυτά αποτελούνται από ίνες προσανατολισμένες σε μια διεύθυνση ή ίνες σε πλεγμένη μορφή (woven), οι οποίες έχουν προ εμποτιστει με ρητίνη. Η κατασκευή σύνθετων υλικών ενισχυμένων με ίνες γίνεται με θερμικές κατεργασίες και/ή κατεργασίες πίεσης με ή χωρίς τη χρήση κενού αέρος (vacuum). Οι μηχανικές και φυσικές ιδιότητες του σύνθετου υλικού καθορίζονται σε σημαντικό βαθμό από τον συνδυασμό ίνας μήτρας. Ο τύπος της ρητίνης, το λεγόμενο σύστημα ρητίνης (resin system), που θα χρησιμοποιηθεί ως μήτρα θα επηρεάσει την επεξεργασία του συστήματος ρητίνης / ίνας. Είναι σημαντικό να ελαττώσουμε το ιξώδες κατά την διάρκεια της θερμικής κατεργασίας και της ίασης (cure) αν θέλουμε να αποφύγουμε την εκτεταμένη διάχυση της ρητίνης κατά την κατασκευή του σύνθετου υλικού, και τη δημιουργία κενών στο τελικό υλικό. Με τη χρήση μήτρας θερμοσκληρυνόμενης ρητίνης το ιξώδες ελαττώνεται κατά την θέρμανση, μέχρι το ελάχιστο, και στη συνέχεια αυξάνεται απότομα εξαιτίας των διασταυρώσεων, οδηγώντας στην δημιουργία της τελικής μήτρας. Αυτό το ελάχιστο ιξώδες θα εξαρτηθεί από τις συνθήκες επεξεργασίας και την χημική σύσταση της ρητίνης που επιλέγεται. Συνήθως το ιξώδες υπολογίζεται στην καθαρή ρητίνη ώστε να μην λαμβάνονται υπόψη οι επιδράσεις των ινών. Αυτό είναι κάτι που θα πρέπει πάντα να το έχουμε υπόψη μας όταν συσχετίζουμε δεδομένα σχετικά με τις παραμορφώσεις των υλικών. Οι ίνες δεν επηρεάζουν μόνο τα χαρακτηριστικά ροής, αλλά μπορούν σε πολλές περιπτώσεις να αλλάξουν και το ρυθμό των χημικών αντιδράσεων. Ο κύκλος ίασης( cure cycle) που απαιτείται για την κατασκευή των σύνθετων υλικών, η θερμοκρασία, ο ρυθμός θέρμανσης (heat up rate), η πίεση και οι τελικοί χρόνοι, θα καθοριστούν από τον τύπο του συστήματος ρητίνης (resin system) που θα χρησιμοποιηθεί. Ένας άλλος σημαντικός παράγοντας του συστήματος μήτρας κατά την διάρκεια της επεξεργασίας, είναι η εξέλιξη των όποιων εξαερώσιμων (volatile) συστατικών. Αυτά τα συστατικά θα πρέπει να διατηρούνται στα ελάχιστο καθώς μπορεί να οδηγήσουν σε δημιουργία κενών στο σύνθετο υλικό. Επιπρόσθετα η σύνθεση ή ο τύπος της μήτρας ρητίνης που θα χρησιμοποιηθεί, θα επηρεάσει την κατασκευή και τις ιδιότητες των προ εμποτισμένων με ρητίνη υλικών όπως 28

30 τα pre pregs που αναφέρθηκαν παραπάνω ή τα single tow, καθώς και την επεξεργασία του ινώδους συστήματος. Αυτό μπορεί να γίνει ιδιαίτερα κατανοητό με το παράδειγμα κατασκευής και χρήσης μονής διεύθυνσης (unidirectional) ή πλεγμένων (woven) pre pregs τα οποία μπορούν να κατασκευαστούν είτε με την μέθοδο διάλυσης (solution process) είτε με film process. Στην τεχνική της διάλυσης, η παράλληλη διάταξη των ινών ή το νήμα (fabric) εμποτίζεται από ένα διάλυμα ρητίνης και ο διαλύτης στη συνέχεια απομακρύνεται με θερμική κατεργασία (heating). Με την τεχνική του φιλμ (film process) οι ευθυγραμμισμένες σε μια διεύθυνση (unidirectional) ίνες ή το πλεγμένο νήμα (woven fabric) έρχονται και προσκολλούν στη μία ή και στις δύο πλευρές ενός φιλμ ρητίνης το οποίο κατασκευάστηκε προηγουμένως σε ένα backing paper. Στη συνέχεια αυτό το φιλμ θερμαίνεται ελαφρώς και περνά ανάμεσα από κυλίνδρους συμπίεσης (consolidation rollers) έτσι ώστε να εμποτιστούν οι ίνες και να πάρουν την μορφή του pre preg. Το φιλμ ρητίνης μπορεί να κατασκευαστεί είτε από ένα διάλυμα μήτρας ρητίνης είτε με την διαδικασία της τήξης (hot melt method) η οποία περιλαμβάνει τη θέρμανση της ρητίνης έτσι ώστε να μαλακώσει ή να ελαττωθεί το ιξώδες της κατάλληλα για την διαδικασία της επικάλυψης (coating process). Δεν είναι όλες οι μήτρες ρητίνης κατάλληλες για αυτή την διαδικασία. Κατά την κατασκευή των pre pregs η χημική σύσταση της μήτρας ρητίνης είναι πολύ σημαντικός παράγοντας, ειδικά όσον αφορά την διαλυτότητα της σε διαλύτες και τη θερμική της σταθερότητα. Όσον αφορά το πρώτο θα είναι σημαντικό όφελος για το σύνθετο να χρησιμοποιούνται μη εύφλεκτοι, μη τοξικοί διαλύτες οι οποίοι μπορούν να απομακρυνθούν στην συνέχεα εύκολα. Παραμείναντες διαλύτες στο σύνθετο υλικό τείνουν να ελαττώσουν τις μηχανικές του ιδιότητες. Είναι επίσης σημαντικό να σχεδιάζουμε τη μήτρα χρησιμοποιώντας συστατικά τα οποία μπορούμε να κατασκευάσουμε με σιγουριά και τα οποία μπορούν εύκολα να επαληθευτούν με αναλυτικές τεχνικές. Με αυτό τον τρόπο είναι δυνατόν να κατασκευαστούν αξιόπιστα pre pregs που μπορούν να αναπαραχθούν. Στα σύνθετα υλικά η μήτρα ρητίνης υπηρετεί έναν αριθμό σημαντικών λειτουργιών οι οποίες μπορούν να επηρεαστούν, όπως προαναφέρθηκε, από την χημική σύσταση της μήτρας και της φυσικές της ιδιότητες. Για παράδειγμα, παρέχει προστασία της ινώδους φάσης από το περιβάλλον. Βοηθάει στην αποφυγή ανάπτυξης ρωγμών μεταξύ των ινών παρέχοντας εναλλακτικές διαδρομές διάδοσης της αστοχίας κατά μήκος της διεπιφάνειας ίνας μήτρας. Διατηρεί τις ίνες ευθυγραμμισμένες στις καθορισμένες διευθύνσεις τους, καθιστώντας τες ικανές να αντιστέκονται στη φόρτιση. Μία άλλη σημαντική ιδιότητα της μήτρας ρητίνης είναι η θερμοκρασία υαλώδους μετάβασης. Αυτή είναι η θερμοκρασία κατά την οποία η μήτρα αρχίζει να μαλακώνει, και οι μηχανικές ιδιότητες του συνθέτου να ελαττώνονται απότομα. Δεν αποτελεί απλά μία σημαντική παράμετρο που καθορίζει την διαστασιακή σταθερότητα του συνθέτου υπό την 29

31 επίδραση θερμότητας, αλλά έχει επιπλέον κρίσιμες συνέπειες στις φυσικές ιδιότητες της μήτρας σε θερμοκρασίες περιβάλλοντος. Η αντίσταση του ΣΥΠΜ στην υγρασία αποτελεί μια άλλη σημαντική ιδιότητα. Γενικότερα οι φυσικές ιδιότητες που σχετίζονται άμεσα με την μήτρα σύνθετων υλικών με μήτρα οργανικής ρητίνης, θα μειωθούν με την αύξηση της θερμοκρασίας και της υγρασίας εξαιτίας της απορρόφησης υγρασίας από το περιβάλλον τους. Η μήτρα κάθε αυτού ασκεί περισσότερη επιρροή στις λιγότερο fiber dominated ιδιότητες των σύνθετων υλικών, όπως είναι η διεπιφανειακή διατμητική αντοχή, η θλιπτική αντοχή και η αντοχή θραύσης. Επιπλέον καθορίζει την θερμοκρασία χρήσης των σύνθετων υλικών, σε υγρές ή ξηρές συνθήκες, και την αντίσταση σε ρευστά όπως τα καύσιμα υλικά ή τους paint stripping solvents. Θερμοσκληρυνόμενα Πολυμερή Σύνθετα Υλικά Thermoset Polymer Composites Τα θερμοσκληρυνόμενα πολυμερή παράγονται από ρητίνες χαμηλού μοριακού βάρους και καλής διαλυτότητας οι οποίες μέσω χημικών διασταυρώσεων μετατρέπονται σε ρητίνες υψηλού μοριακού βάρους και περιορισμένης διαλυτότητας. Η διαδικασία αυτή είναι μη αναστρέψιμη [3]. Στα θερμοσκληρυνόμενα πολυμερή, η υγρή ρητίνη μετατρέπεται σε σκληρό άκαμπτο στερεό με χημικές διασταυρώσεις που οδηγούν στη δημιουργία ενός καλά συνδεδεμένου τρισδιάστατου αλυσιδωτού μοριακού δικτύου (tightly bound three dimensional network). Αυτό συνήθως συμβαίνει παράλληλα με την μορφοποίηση του συνθέτου. Οι μηχανικές ιδιότητες εξαρτώνται από τις μοριακές ομάδες που αποτελούν τις μοριακές αλυσίδες και από το μήκος και την πυκνότητα των διασταυρώσεων [4]. Το πρώτο καθορίζεται από τα αρχικά χημικά στοιχεία που χρησιμοποιούνται και το δεύτερο με τον έλεγχο των διασταυρώσεων κατά τον πολυμερισμό/ ίαση(cure). Η ίαση μπορεί να επιτευχθεί και σε θερμοκρασίες δωματίου, αλλά συνήθως προγραμματίζεται το υλικό να θερμανθεί σε μία οι περισσότερες θερμοκρασίες για προκαθορισμένους χρόνους ώστε να επιτευχθούν βέλτιστη διασταύρωση πλέγματος και βέλτιστες ιδιότητες. Συχνά παρέχεται και μια post cure επεξεργασία σχετικά υψηλής θερμοκρασίας ώστε να ελαχιστοποιηθούν οι πιθανότητες περαιτέρω ίασης και αλλαγών στις ιδιότητες του σύνθετου υλικού κατά την χρήση του. Η συρρίκνωση κατά την ίαση (curing) και η θερμική συστολή κατά την ψύξη,μετά την ίαση, μπορεί να οδηγήσει στη δημιουργία και παραμονή τάσεων στον εσωτερικό του σύνθετου υλικού. Οι μήτρες θερμοσκληρυνόμενης ρητίνης (thermosetting resin matrices) είναι ισότροπα υλικά που επιτρέπουν την μεταφορά του εξωτερικά εφαρμοζόμενου φορτίου μεταξύ των ινών. Όπως προαναφέρθηκε, για τα ινώδη σύνθετα η μήτρα εξυπηρετεί γενικότερα και άλλα καθήκοντα. Προστατεύει τις ίνες από επιφανειακή βλάβη, δημιουργία επιφανειακών 30

32 εγκοπών ως αποτέλεσμα μηχανικής τριβής ή χημικών αντιδράσεων με το περιβάλλον (υγρασία,οξείδωση). Επίσης προσδίδει στο σύνθετο υλικό διατμητικές, εφελκυστικές και θλιπτικές ιδιότητες, ενώ η συμπεριφορά της μήτρας καθορίζει σε μεγάλο βαθμό και την θερμομηχανική συμπεριφορά του υλικού [3]. Επιπρόσθετα, η επεξεργασιμότητα των συστημάτων ρητίνης καθορίζει μέχρι ποιον βαθμό δύναται να επεξεργαστούν. Μεταξύ των παραγόντων που ορίζουν την επεξεργασιμότητα των συστημάτων ρητίνης είναι το ιξώδες, η διάρκεια αποθήκευσης και ο τρόπος πολυμερισμού. Η θερμομηχανική συμπεριφορά και η επεξεργασιμότητα ενός συστήματος ρητίνης, είναι οι δυο βασικοί παράγοντες που χαρακτηρίζουν το σύστημα ρητίνης που χρησιμοποιείται σε ένα σύνθετο υλικό. Τα πιο ευρέως χρησιμοποιούμενα συστήματα θερμοσκληρυνώμενης ρητίνης στην δημιουργία σύνθετων υλικών είναι, unsaturated polyester, urethane methacrylate, vinyl ester, epoxy, phenolic, maleimide και polyimide. Τα παραπάνω συστήματα ρητίνης καλύπτουν μια ευρύτερη κλάση χημικών ουσιών και ένα εύρος φυσικών και μηχανικών ιδιοτήτων. Τα συνηθέστερα θερμοσκληρυνώμενα υλικά που δημιουργούνται από τα παραπάνω συστήματα ρητίνης είναι, phenol formaldehyde, melamine formaldehyde, polyester, epoxy, silicon, furane και Friedel Crafts. Τα πιο ακριβά και δύσκολα στο να κατασκευαστούν, γιατί απαιτούν εφαρμογές πολύ υψηλών θερμοκρασιών, είναι τα bis male imides και polybenzimidazoles. Τα θερμοσκληρυνώμενα πολυμερή έχουν ελαφρώς διαφορετικές ιδιότητες από τα θερμοπλαστικά πολυμερή. Ενδεικτικά ανάμεσα σε αυτές είναι οι πολύ μικρότερες παραμορφώσεις που παρουσιάζουν σε αστοχία. Τα θερμοσκληρυνώμενα πολυμερή είναι ιδιαίτερα ψαθυρά υλικά, ενώ τα θερμοπλαστικά υπόκεινται σημαντικές πλαστικές παραμορφώσεις πριν την θραύση [4]. Σημαντικές διαφορές υπάρχουν όμως και μεταξύ των διαφορετικών τύπων θερμοσκληρυνώμενων συστημάτων ρητίνης. Για παράδειγμα, οι εποξυρητίνες (epoxies) είναι πιο δύσκαμπτες από τους ακόρεστους πολυεστέρες (unsaturated polyester) ή τους βινυλεστέρες (vinyl esters). Οι εποξυρητίνες εμφανίζουν μεγαλύτερη αντίσταση σε θερμική παραμόρφωση (thermal distortion) και συρρικνώνονται λιγότερο κατά την ωρίμανση(cure) τους σε αντίθεση με τους πολυεστέρες. Οι ιδιότητες στους αυτές, καθώς και η ικανότητα τους να στερεοποιούνται/πολυμεριστουν μερικώς, είναι ιδιαίτερα χαρακτηριστικά των εποξυρητίνων που δικαιολογούν την χρήση τους στην κατασκευή των prepregs. Γενικότερα οι εποξυρητίνες υπερτερούν των άλλων θερμοσκληρυνόμενων συστημάτων ρητίνης, τα οποία προτιμούνται σε ορισμένες περιπτώσεις λόγο χαμηλού τους κόστους. 31

33 Θερμοπλαστικά Πολυμερή Σύνθετα Υλικά Thermoplastic Polymer Composites Τα θερμοπλαστικά πολυμερή είναι ήδη δυνατά στερεά υψηλού μοριακού βάρους, τα οποία μαλακώνουν όταν θερμανθούν και όταν ψύχονται ανακτούν και πάλι τις αρχικές τους μηχανικές ιδιότητες. Η διαδικασία αυτή είναι αναστρέψιμη [3]. Σε αντίθεση με τις θερμοσκληρυνόμενης ρητίνες, οι θερμοπλαστικές δεν διασταυρώνονται δημιουργώντας τρισδιάστατες αλυσιδωτές μοριακές δομές κατά την θέρμανση τους, αλλά παραμένουν χημικά μη αντιδρώντα. Υπό την επιβολή θερμότητας και πίεσης, λιώνουν και ρέουν μερικώς, και στερεοποιούνται πάλι όταν ψύχονται. Φυσικές αλλαγές όπως η μερική κρυσταλλοποίηση μπορεί να εμφανιστούν κατά τη διάρκεια της επεξεργασίας τους. Την αντοχή και την ακαμψία τους τις οφείλουν στις ενυπάρχουσες ιδιότητες στις μονομερείς ομάδες και στο υψηλό μοριακό τους βάρος. Έτσι εξασφαλίζεται η ύπαρξη υψηλής συγκέντρωσης μοριακών διασυνδέσεων (entanglements) που λειτουργούν ως διασταυρώσεις πλέγματος σε ένα άμορφο θερμοπλαστικό πολυμερές, και υψηλού βαθμού μοριακής ευθυγράμμισης σε ένα ημι κρυσταλλικό υλικό. Η θέρμανση των άμορφων υλικών οδηγεί στην αποσύνδεση των μορίων και την αλλαγή του από άκαμπτο σε στερεό ιξώδες υγρό. Στα κρυσταλλικά υλικά η επιβολή θερμότητας έχει ως αποτέλεσμα την τήξη της κρυσταλλικής φάσης και την δημιουργία ενός άμορφου ιξώδους υγρού [4]. Τόσο τα άμορφα όσο και τα ημι κρυσταλλικά πολυμερή μπορούν να έχουν ανισότροπες ιδιότητες, ανάλογα με τις συνθήκες υπό τις οποίες επέρχεται η στερεοποίησή τους. Στα άμορφα πολυμερή, οι ανισότροπες ιδιότητες οφείλονται στην ευθυγράμμιση των μοριακών διατάξεων που εμφανίζεται κατά την χύτευση στη μορφοποίηση με καλούπι ή κατόπιν κατά την πλαστική παραμόρφωση. Παρά το γεγονός ότι η κλάση των θερμοπλαστικών πολυμερών είναι αρκετά μεγάλη, η επιλογή περιορίζεται αρκετά καθώς λίγες από τις διαθέσιμες θερμοπλαστικές ρητίνες παρέχουν την ποικιλία μηχανικών και θερμικών ιδιοτήτων που να τις καθιστούν κατάλληλες για την χρήση τους στην κατασκευή σύνθετων υλικών. Ένα σύνθετο υλικό δεν θα πρέπει να εμφανίζει μόνο κάποιο βαθμό αντίστασης σε διαλύτες αλλά να εμφανίζει και ικανοποιητική θερμοκρασία επεξεργασίας. Κατά συνέπεια οι πιο συνήθεις επιλογές θερμοπλαστικών ρητινών που χρησιμοποιούνται είναι το νάιλον (nylon), πολυανθρακικό (polycarbonate), (polysulphone), (polyether sulphone PES), (polphenylene sulphide PPS) and (polyetherether ketone PEEK). Οι ιδιότητες των θερμοπλαστικών μπορούν να συγκριθούν με εκείνες των θερμοσκληρυνώμενων ρητινών. Πέραν της υψηλής αντοχής, τείνουν να εμφανίζουν καλή αντίσταση σε χημικές αντιδράσεις και γενικά καλή θερμική σταθερότητα. Η Ιδιότητα αυτή αποτελεί ιδιαίτερο χαρακτηριστικών των νέων θερμοπλαστικών που αναπτύχθηκαν σχετικά πρόσφατα για την κατασκευή προηγμένων σύνθετων υλικών (advanced composites). Η ανάπτυξη των νέων αυτών θερμοπλαστικών επήλθε με την επίλυση των μειονεκτημάτων 32

34 που παρουσίαζαν τα προηγούμενα θερμοπλαστικά πολυμερή όπως, η ελλιπής θερμική σταθερότητα, η χαμηλή θερμοκρασία υαλώδους μετάπτωσης, η διατήρηση εγγενών μηχανικών ιδιοτήτων, και η ψαθυρότητα [3 4]. Μια ποικιλία κατάλληλων πολυμερών μητρών έχουν κατασκευαστεί με συνθέσεις πολυμερών που βασίζονται στην σύνδεση μεταξύ τους οργανικών ενώσεων όπως, σουλφόνη (sulphone), κετόνη (ketone), ιμίδιο (imide), ατόμων θείου (sulphur) και οξυγόνου (oxygen) και phenelene or arylene backbones. Το polyether ether ketone (PEEK), ημικρυσταλλικό πολυμερές, είναι χαρακτηριστικό παράδειγμα τέτοιας πολυμερούς μήτρας. Η αντοχή και η σκληρότητα αυτού του πολυμερούς επηρεάζονται ελάχιστα από θερμική κατεργασία άνω των 120 ο C, θερμοκρασία στην οποία τα περισσότερα πολυμερή εξασθενούν σημαντικά. Άλλα θερμοπλαστικά πολυμερή κατασκευασμένα με τον ίδιο τρόπο όπως το PEEK, είναι τα polyether sulphone (PES) και polyether ketone (PEK). Σύνθετα υλικά αποτελούμενα 60vol.% ίνες άνθρακα και μήτρα PEEK χρησιμοποιούνται ευρέως σε εφαρμογές της αεροναυπηγικής. Μία άλλη ομάδα θερμοπλαστικών εξίσου κατάλληλων για χρήση σε σύνθετα υλικά, βασίζονται στην σύνδεση αρωματικών ομάδων (aromatic units) με άτομα θείου (sulphur). Ενδεικτικά αναφέρουμε τις μήτρες poly phenylene sulphide (PPS) και poly arylenesulphides (PAS), με θερμοκρασία υαλώδους μετάπτωσης του PAS 125 ο C (225 ο F), υψηλότερη του PPS, 125 ο C (419 ο F). Μια τρίτη ομάδα θερμοπλαστικών πολυμερών υψηλής απόδοσης είναι τα πολυιμίδια (polyimides) τα οποία χαρακτηρίζονται από μεγάλη αντοχή στη φθορά, την τριβή, τη θερμοκρασία και το φώς. Τέτοια πολυμερή χρησιμοποιούνται σε ηλεκτρικές μονώσεις σε διαστημικές εφαρμογές, στους ημιαγωγούς, τις μαγνητικές ταινίες και τις μηχανές εσωτερικής καύσης. Πολλά θερμοπλαστικά πολυμερή παρέχουν ικανοποιητική αντίσταση στην απορρόφηση νερού, παρ ότι αυτό δεν ισχύει για τα νάιλον, που έχουν συνήθως υψηλό βαθμό κρυσταλλικότητας. Όλα τα θερμοπλαστικά κάμπτονται και υπόκεινται μεγάλες παραμορφώσεις πριν την τελική θραύση τους και οι μηχανικές τους ιδιότητες εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από την θερμοκρασία και το ρυθμό παραμόρφωσης. Ένα άλλο σημαντικό στοιχείο των θερμοπλαστικών είναι ότι υπό συνθήκες συνεχούς φόρτισης, η τάση τείνει να αυξάνεται με τον χρόνο, οπού και εμφανίζεται ερπυσμός. Αυτό μπορεί να οφείλεται σε μια αναδιανομή του φορτίου μεταξύ ίνας και μήτρας κατά την παραμόρφωση και τη φόρτιση σε συνθήκες χρήσης (in service conditions) του υλικού. Ένα από τα πιο σημαντικά χαρακτηριστικά των θερμοπλαστικών συνθέτων είναι η δυσκολία επεξεργασίας τους τείνει σε σύγκριση με τα θερμοσκληρυνώμενα πολυμερή. Αυτό είναι ιδιαίτερα σημαντικό γιατί τα θερμοπλαστικά είναι ήδη πολυμερικά και ως εκ τούτου έχουν υψηλό ιξώδες ακόμα και όταν υγροποιούνται, πριν την κατασκευή του συνθέτου. 33

35 Η κατασκευή των prepregs από θερμοπλαστικές ρητίνες μπορεί επίσης να είναι δύσκολη λόγω της δημιουργίας στεγνών prepregs που τα καθιστούν δύσκολα στο να τα χειριστεί κανείς κατά την κατασκευή του σύνθετου υλικού. Παρόλο που οι θερμοκρασίες τήξης (Tm) και υαλώδους μετάπτωσης (Tg) τους είναι σε πολλές περιπτώσεις αρκετά χαμηλές, τα τήγματα που παράγουν έχουν υψηλό ιξώδες και δεν μπορούν εύκολα να διαποτίσουν τις διατάξεις των ινών. Συχνά είναι απαραίτητο να εξασφαλίσουμε ότι οι αποστάσεις διάχυσης είναι μικρές, τοποθετώντας για παράδειγμα, λεπτά φύλλα πολυμερούς με προσχηματισμένες ίνες, και εφαρμόζοντας αρκετή πίεση για ένα ικανοποιητικό διάστημα. Όταν μήτρα και ίνες ενωθούν με κάποιον τρόπο, τότε πλήθος διεργασιών μορφοποίησης μπορούν να λάβουν χώρα (injection moulding κλπ). Παρά τα όποια μειονεκτήματα, οι θερμοπλαστικές ρητίνες παρέχουν κάποια πλεονεκτήματα σε σύγκριση με τις θερμοσκληρυνώμενες. Για παράδειγμα, παρουσιάζουν βελτιωμένη αντοχή, απεριόριστη διάρκεια ζωής αποθήκευσης και δυνατότητες για περαιτέρω επεξεργασία Σύνθετα μεταλλικής μήτρας Οι μεταλλικές μήτρες παρ ότι γεννούν ιδιαίτερο ενδιαφέρον στην ερευνητική κοινότητα, δεν χρησιμοποιούνται ευρέως όπως οι πολυμερικές μήτρες. Υπερέχουν έναντι των πολυμερών σε αντοχή, σκληρότητα θραύσης και δυσκαμψία, ενώ σε αντίθεση με τα σύνθετα πολυμερούς μήτρας, μπορούν να αντέξουν υψηλές θερμοκρασίες σε διαβρωτικό περιβάλλον. Η υψηλή επιφανειακή ανθεκτικότητα τους και η μικρή ευαισθησία τους ως προς επιφανειακές ατέλειες, είναι τα κύρια χαρακτηριστικά τους στοιχεία. Επιπλέον, οι ελαστικές ιδιότητες των κραμάτων τους, οι οποίες υπερέχουν των κεραμικών υλικών, αποτελούν σημαντική ιδιότητα των μετάλλων για την χρήση τους στην κατασκευή σύνθετων υλικών [1]. Τα περισσότερα μέταλλα και κράματα μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως μητρικές φάσεις, αλλά απαιτούν ενίσχυση με μη αντιδρώντα υλικά και σταθερά ανθεκτικά για ένα εύρος θερμοκρασιών. Οπωσδήποτε όμως η επιλογή της ενίσχυσης εξαρτάται κυρίως από το υλικό της μεταλλικής μήτρας. Πρακτικά όμως, δεν υπάρχουν αρκετές επιλογές υλικών μεταλλικής μήτρας για εφαρμογές χαμηλών θερμοκρασιών. Μόνο τα ελαφριά μέταλλα ανταποκρίνονται σε τέτοιες εφαρμογές, χάρη στην χαμηλή πυκνότητά τους. Αν η μεταλλική μήτρα θα πρέπει να προσδίδει υψηλή αντοχή τότε η ενίσχυση θα πρέπει να χαρακτηρίζεται από υψηλό μέτρο ελαστικότητας. Τα τελικά σύνθετα υλικά δύναται να έχουν πολύ πιο υψηλές ειδικές αντοχές από τα περισσότερα κράματα. Η ανάπτυξη μεταλλικής μήτρας περιορίζεται στη χρήση τριών κυρίως μετάλλων, το αλουμίνιο (aluminum), τo μαγνήσιο (magnesium) και το τιτάνιο (titanium), τα οποία είναι ιδιαίτερα χρήσιμα σε εφαρμογές της αεροναυπηγικής. Τα μέταλλα συνήθως κραματοποιούνται με άλλα στοιχεία βελτιώνοντας έτσι τις φυσικές και μηχανικές τους 34

36 ιδιότητες και δημιουργώντας και μια ποικιλία διαθέσιμων μεταλλικών κραμάτων. Οι τελικές ιδιότητες που εμφανίζονται, επηρεάζονται σημαντικά από θερμικές και μηχανικές κατεργασίες οι οποίες και καθορίζουν την μικροδομή των υλικών. Τα μέταλλα που χρησιμοποιούνται στα σύνθετα είναι συνήθως όλκιμα και ισότροπα. Σε αντίθεση με τα πολυμερή, οι βελτιώσεις στην ακαμψία που επιτυγχάνονται με την συμβολή της ενίσχυσης περιορίζονται στο ελάχιστο. Παρ όλα αυτά σημαντικές βελτιώσεις επιτυγχάνονται συνήθως σε ιδιότητες όπως η ανθεκτικότητα σε φθορά, συμπεριφορά σε ερπυσμό και η αντίσταση σε θερμική παραμόρφωση. Και τα τρία μέταλλα (αλουμίνιο, τιτάνιο, μαγνήσιο), είναι χημικά ενεργά και ιδιαίτερα με το οξυγόνο. Αυτό έχει αρνητικές συνέπειες στην παραγωγή των συνθέτων, κυρίως όσον αφορά τις χημικές αντιδράσεις που εκδηλώνονται στην διεπιφάνεια μεταξύ μήτρας και ενίσχυσης, οι οποίες έχουν αποδειχτεί ιδιαίτερα δυσμενής για το τιτάνιο. Στα σύνθετα υψηλής ελαστικότητας, τα μέτρα ελαστικότητας των μεταλλικών κραμάτων σε σύγκριση με αυτά των οργανικών υλικών, είναι σημαντικά μεγαλύτερα. Η ενίσχυση της μεταλλικής μήτρας καθώς είναι συνήθως γραμμικά ελαστικά στερεά, δεν παρουσιάζει επαρκή αντίσταση σε κρούση. Ως εκ τούτου, η υψηλή δυσθραυστότητα και οι ιδιότητες κρούσης των μεταλλικών κραμάτων είναι βασικές, κυρίως για εφαρμογές δυναμικών κατασκευών. Η όλκιμη μήτρα επιτρέπει επίσης την συγκέντρωση τάσεων μέσω της πλαστικής παραμόρφωσης, βελτιώνοντας με αυτόν τον τρόπο την ανθεκτικότητα του σύνθετου υλικού σε θραύση. Η θερμική σταθερότητα των μεταλλικών μητρών αποτελεί αξιοσημείωτη παράμετρο για σύνθετα υλικά υψηλού μέτρου ελαστικότητας. Τα κεραμικά υλικά είναι ασήμαντης σημασίας αν τα συγκρίνουμε με τα μέταλλα, εξαιτίας της ασθενούς αντίστασής τους σε θερμικό σοκ. Και στην περίπτωση μητρών οργανικής ρητίνης τα χαρακτηριστικά των υλικών είναι ευαίσθητα σε εναλλαγές τις θερμοκρασίας, ιδιαίτερα κοντά στην θερμοκρασία υαλώδους μετάπτωσης των πολυμερών. Τα κράματα που βασίζονται στο τιτάνιο, το νικέλιο και το αλουμίνιο, επηρεάζονται λιγότερο από τις θερμοκρασιακές διακυμάνσεις και των κύκλο θερμοκρασιών. Επιπλέον τα μεταλλικά κράματα δεν εμφανίζουν ιδιαίτερα επιφανειακές ατέλειες, σε αντίθεση με τα κεραμικά, όπου οι μικρές εγκοπές που σχηματίζονται στα κεραμικά λόγο εκτριβής ή διάβρωσης, εξασθενούν σημαντικά το υλικό εξαιτίας των υψηλών συντελεστών ελαστικότητας. Αξιοσημείωτο χαρακτηριστικό της μεταλλικής μήτρας είναι η ικανότητά τους να διατηρούν τις ιδιότητες του κατεργασμένου μετάλλου, οι οποίες μπορούν στη συνέχεια να μετατραπούν σε φυσικές και μηχανικές προδιαγραφές. Το σημείο τήξης, οι φυσικές και μηχανικές ιδιότητες του σύνθετου υλικού σε διάφορες θερμοκρασίες, καθορίζουν την θερμοκρασία χρήσης του. Τα περισσότερα μέταλλα, κεραμικά και χημικές ενώσεις μπορούν να χρησιμοποιηθούν με μήτρες κραμάτων χαμηλού 35

37 σημείου τήξης. Η επιλογή της ενίσχυσης γίνεται πιο δύσκολη (stunted) με την αύξηση στη θερμοκρασία τήξης του υλικού μήτρας. Τα σύνθετα μεταλλικής μήτρας μπορούν να έχουν τρισδιάστατη ενίσχυση ενίσχυση με κόκκους (particulate), δισδιάστατη ενίσχυση ενίσχυση με πολύστρωτα (laminar) και μονοδιάστατη ενίσχυση ίνες. Η οικογένεια των κοκκωδών σύνθετων υλικών μεταλλικής μήτρας, περιλαμβάνει εκείνα τα σύνθετα που έχουν πάνω από 20% κατ όγκο σκληρής διασπαρμένης φάσης. Για την αποτροπή κάμψης της μήτρας, επιλέγεται σκληρή ενίσχυση, ενώ η αντοχή του σύνθετου υλικού αυξάνεται γραμμικά με την μείωση της κατ όγκο περιεκτικότητας της μήτρας. Καθώς η κοκκώδης ενίσχυση μπορεί να οδηγήσει σε ισότροπες ιδιότητες, το υλικό είναι συμμετρικό κατά τα τρία ορθογώνια επίπεδα. Το κοκκώδες σύνθετο υλικό δεν είναι ομοιογενές και οι ιδιότητές του υλικού είναι σχεδόν αδρανείς ως προς τις ιδιότητες των συστατικών του, αλλά όχι ως προς τις διεπιφανειακές ιδιότητες. Η διάμετρος των κόκκων είναι αυτή που καθορίζει συνήθως την αντοχή του συνθέτου και την απόσταση μεταξύ των κόκκων. Τα πολύστρωτα σύνθετα ενισχύονται με περιοδική πολύστρωτη ενίσχυση (recurring lamellar reinforcement) υψηλού μέτρου ελαστικότητας και αντοχής, τοποθετημένη σε μια πιο όλκιμη και κατεργάσιμη μεταλλική μήτρα. Τα φύλλα ενίσχυσης διατάσσονται σε μικροσκοπικό επίπεδο έτσι ώστε, στο δομικό κομμάτι (structural component),το υλικό να λαμβάνεται ως ανισότροπο και ομοιογενές υλικό. Τα επικαλυμμένα υλικά (coated materials) δεν συμπεριλαμβάνονται στα πολύστρωτα σύνθετα παρ ότι δομικά συστατικά. Η διάδοση ρωγμών κατά μήκος του νήματος (filament), υπό την επίδραση αξονικού εφελκυστικού φορτίου, περιορίζεται σε μια μικρή περιοχή σε σύγκριση με την συνολική επιφάνεια του συνθέτου. Οι ρωγμές ακολουθούν τον κλασσικό μηχανισμό θραύσης και η αντοχή τους είναι αντιστρόφως ανάλογη του μεγέθους τους. Επιπλέον η ολκιμότητα του σύνθετου υλικού περιορίζεται από την μικρή παραμόρφωση σε αστοχία της ψαθυρής ενίσχυσης. Σημαντικό πλεονέκτημα παρέχεται από την αντοχή της ενίσχυσης και την ύπαρξη μέτρου ελαστικότητας σε όλες τις διευθύνσεις του επιπέδου Σύνθετα υλικά κεραμικής μήτρας Υψηλό σημείο τήξης, επαρκής αντίσταση σε διάβρωση, σταθερότητα σε υψηλές θερμοκρασίες, και υψηλή θλιπτική αντοχή είναι οι ιδιότητες που συνθέτουν το προφίλ των υλικών κεραμικής μήτρας, τα οποία και προτιμούνται σε εφαρμογές που απαιτούν δομικά υλικά ανθεκτικά σε θερμοκρασίες άνω των 1500 ο C. Εύλογα οι κεραμικές μήτρες αποτελούν την προφανή επιλογή για εφαρμογές υψηλών θερμοκρασιών. Είναι όμως επιδεκτικές σε καταστροφικές αστοχίες στην παρουσία ατελειών και είναι επίσης επιρρεπείς σε θερμικό σοκ και ζημιές που μπορούν να εμφανιστούν κατά την χρήση τους. Σημαντικό μειονέκτημα αποτελεί επίσης η έλλειψη δυσθραυστότητας [1]. 36

38 Ο συνδυασμός υψηλού μέτρου ελαστικότητας και μικρής παραμόρφωσης σε εφελκυσμό, που χαρακτηρίζει τα περισσότερα κεραμικά, ευθύνεται για την αποτυχία των προσπαθειών βελτίωσης της αντοχής τους με την προσθήκη ενισχύσεων. Αυτό συμβαίνει γιατί στα επίπεδα τάσεων στα οποία τα κεραμικά σπάνε, παρατηρείται ανεπαρκής επιμήκυνση της μήτρας που εμποδίζει την μεταφορά ικανοποιητικού ποσοστού φορτίου στην ενίσχυση, με αποτέλεσμα το σύνθετο να αστοχεί, εκτός και αν το ποσοστό όγκου των ινών (ενίσχυσης) είναι αρκετά υψηλό. Ένα υλικό ενισχύεται ώστε να αξιοποιήσει την υψηλή εφελκυστική αντοχή της ίνας και να αυξήσει το φορτίο που είναι ικανή να φέρει η μήτρα. Η προσθήκη ινών υψηλής αντοχής σε μια ασθενέστερη κεραμική μήτρα δεν είναι πάντοτε επιτυχής καθώς συχνά το τελικό σύνθετο αποδεικνύεται ασθενέστερο των συστατικών του υλικών. Ως εκ τούτου τα σύνθετα κεραμικής μήτρας πρέπει να ενδυναμώνουν ενσωματώνοντας ενισχύσεις μέσα σε συστήματα, έτσι ώστε η αντοχή και η αντίσταση σε περιβαλλοντικές επιδράσεις να μπορούν να επιτυγχάνονται αποτελεσματικά χωρίς το φόβο της αστοχίας. Η χρήση ενισχύσεων με υψηλό μέτρο ελαστικότητας αντιμετωπίζει το πρόβλημα ως ένα βαθμό, ενώ μελετάται και η τεχνική του προ τανυσμού τις ίνας στην κεραμική μήτρα ως μια άλλη επιλογή. Χάρη στην περιορισμένη ολκιμότητα της κεραμικής μήτρας και στις υψηλές θερμοκρασίας μορφοποίησης των σύνθετων υλικών κεραμικής μήτρας, το μη θερμικό ταίριασμα των συστατικών έχει καθοριστικό ρόλο στην απόδοση των συνθέτων. Όταν η κεραμική μήτρα έχει μεγαλύτερο συντελεστή διαστολής από το υλικό ενίσχυσης, τότε το τελικό σύνθετο είναι απίθανο να έχει μεγαλύτερη αντοχή. Σε αυτή την περίπτωση, το σύνθετο θα αναπτύξει κατά την ψύξη, μια αντοχή στο εσωτερικό της μήτρας που θα οδηγήσει στην δημιουργία μικρό ρωγμών και στην διάδοσή τους μεταξύ των ινών. Οι μικρο ρωγμές μπορούν να εμφανιστούν σε ένα σύνθετο υλικό με εφελκυστική αντοχή μικρότερη της μήτρας. Είναι γνωστό ότι η ιδέα της δημιουργίας σύνθετων υλικών κεραμικής μήτρας, επιχειρείται από τότε που άρχισε να χρησιμοποιείται ο πηλός. Σήμερα τα υλικά αυτά χρησιμοποιούνται αρκετά σε εφαρμογές της αεροναυπηγικής, σε συστήματα επικοινωνιών με ραντάρ, στην αυτοκινητοβιομηχανία, σε υλικά τριβής και άλλα. Επίσης χρησιμοποιούνται σε μηχανές εσωτερικής καύσης και εφαρμογές βιοτεχνολογίας. Τέσσερις κυρίως κλάσεις κεραμικών χρησιμοποιούνται για σύνθετα κεραμικής μήτρας. Τα glass ceramics (υαλοκεραμικά) είναι κεραμικά που φέρουν σύνθετες υαλώδεις επιστρώσεις οξειδίων, όπως το βορικό πυριτικό (borosilicate), και το αλουμινικό πυριτικό (aloyminosilicates) τα οποία υπόκεινται σε θερμική κατεργασία ώστε μια κρυσταλλική φάση να ιζηματοποιηθεί σχηματίζοντας ένα λεπτό διάλυμα στην υαλώδη φάση. Τα υαλοκεραμικά μαλακώνουν σε χαμηλότερες θερμοκρασίες (low softening temperatures) απ ότι τα κρυσταλλικά κεραμικά και είναι ευκολότερο να μορφοποιηθούν, χαρακτηριστικό ιδιαίτερα σημαντικό για την κατασκευή κεραμικών σύνθετων υλικών. Οι μήτρες υάλου είναι πιο 37

39 φιλικές ως προς την ενίσχυση. Οι τεχνικές μορφοποίησης των πολυμερών μπορούν να χρησιμοποιηθούν και εδώ [1, 4]. Σύνθετα υαλώδους μήτρας, με υψηλή αντοχή και μέτρο ελαστικότητας, μπορούν να επιτευχθούν και να διατηρηθούν σε θερμοκρασίες της τάξεως των 650 ο C. Τα σύνθετα υαλώδους μήτρας υπερέχουν των πολυμερών και μεταλλικών συστημάτων στην ικανότητα διατήρησης των διαστάσεων τους, χάρη στην μικρή θερμική διαστολή τους. Αυτή η ιδιότητα επιτρέπει την μορφοποίηση των συνθέτων σε περίπλοκα σχήματα. Καθώς το μέτρο ελαστικότητας του υάλου είναι πολύ πιο χαμηλό από οποιοδήποτε πιθανό ενισχυτικό υλικό, η εφαρμογή τάσης συνήθως οδηγεί στην επιλογή ινών υψηλού μέτρου ελαστικότητας, και είναι αυτές που φέρουν κυρίως το φορτίο στο σύνθετο. Τα Conventional ceramics, όπως τα SiC, Al203 και ZrO2 είναι απόλυτα κρυσταλλικά υλικά και αποτελούνται από μια απλή διάταξη τυχαία προσανατολισμένων κρυσταλλικών κόκκων σε σχετικές αποστάσεις μεταξύ τους. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζουν οι κεραμικές δομές κατά στρώματα (layered ceramic structures), όπου φύλλα κόκκων σε μορφή σκόνης διαχωρίζονται μεταξύ τους με λεπτά ασθενή στρώματα, για παράδειγμα, γραφίτη. Επειδή στην περίπτωση των conventional ceramics δεν γίνεται χρήση ινώδους ενίσχυσης, η κατηγοριοποίηση τους ως σύνθετα υλικά είναι αμφιλεγόμενη. Για άλλη μια φορά, όπως και στην περίπτωση των υαλοκεραμικών, το ενδιαφέρον των conventional ceramics έγκειται στην ευκολία επεξεργασίας τους. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον υπάρχει για την ενίσχυση τσιμέντου (cement) και σκυροδέματος (concrete), προσθέτοντας συνήθως κοντές ίνες με τέτοιο τρόπο ώστε οι ικανότητες μορφοποίησης με καλούπι να μην εξασθενούν σημαντικά. Τέλος τα σύνθετα άνθρακα/άνθρακα αποτελούν μια ειδική αλλά με εμπορικό ενδιαφέρον υποκατηγορία των σύνθετων υλικών. Ο άνθρακας και ο γραφίτης είναι υλικά πρωταρχικής επιλογής για τα σύνθετα, όντας και τα δύο ανθεκτικά υλικά σε υψηλών θερμοκρασιών, όπου η αντοχή και η δυσκαμψία δεν επηρεάζονται από θερμοκρασίες έως και 2300 ο C. Τα σύνθετα άνθρακα/άνθρακα δεν είναι γνωστά για την χρήση τους σε υψηλές θερμοκρασίες καθώς πολλά άλλα σύνθετα έχουν αποδειχθεί πολύ πιο ανθεκτικά σε αυτές τις θερμοκρασίες. Παρ όλα αυτά, η ικανότητα τους να διατηρούν τις ιδιότητες τους τόσο σε θερμοκρασία δωματίου όσο και σε θερμοκρασίες 2400 ο C και την διαστασιακή τους σταθερότητα, τα καθιστά προφανή επιλογή σε πλήθος εφαρμογών της αεροναυπηγικής και της αεροδιαστημικής. 2.2 Διάκριση σύμφωνα με τον τύπο ενίσχυσης Διάφοροι τύποι εγκλεισμάτων είναι τώρα διαθέσιμοι, με πολλούς από αυτούς να έχουν σχεδιαστεί ειδικά για την ενίσχυση συγκεκριμένου συστήματος μήτρας. Όπως μπορεί να 38

40 παρατηρήσει κάνεις και στην εικόνα 2.1, υπάρχει μεγάλη ποικιλία σχημάτων και μεγέθους. Οι διαφορές αυτές των εγκλεισμάτων ως προς το σχήμα και το μέγεθος, επηρεάζουν τις τελικές ιδιότητες των συνθέτων υλικών. Σημαντικοί παράγοντες επίσης στη διαμόρφωση των ιδιοτήτων αποτελούν η φύση και ο προσανατολισμός των εγκλεισμάτων καθώς και η περιεκτικότητα τους [4 5]. Τρεις βασικές κατηγορίες συνθέτων υλικών διακρίνουμε με βάση των τύπο των εγκλεισμάτων που χρησιμοποιούνται. Τα ινώδη (Fiber reinforced composites), τα κοκκώδη (Particulate composites) και τα πολύστρωτα (Laminated composites). Στα ινώδη σύνθετα, το έγκλεισμα, όπως ορίζεται και από την ονομασία, είναι υπό μορφή ίνας, εμβαπτισμένο μέσα σε μια συνεχή μήτρα. Η μήτρα μπορεί να είναι ένα οποιοδήποτε υλικό από μια μεγάλη ποικιλία φυσικών και τεχνητών υλικών, με την πολυμερική να είναι η πλέον διαδεδομένη. Πολλά είναι και τα υλικά που χρησιμοποιούνται ως ενισχυτικά σε μορφή ίνας. Οι πιο συνηθισμένες είναι οι ίνες άνθρακα, οι αραμαδικές ίνες και οι ίνες γυαλιού. Έχει παρατηρηθεί ότι οι ίνες των διαφόρων υλικών είναι πολύ πιο άκαμπτες και ανθεκτικές από τα αντίστοιχα υλικά που βρίσκονται σε συνήθη μορφή, πράγμα που οφείλεται προφανώς στη γεωμετρία της ίνας. Μια ποικιλία ινωδών ενισχύσεων σύμφωνα με τη γεωμετρία της ίνας φαίνεται στην εικόνα 2.2. Η ινώδης φάση χαρακτηρίζεται από ένα πολύ μεγάλο λόγο μήκους/διαμέτρου (aspect ratio), ενώ ο προσανατολισμός των ινών σε ορισμένες κατευθύνσεις οδηγεί στην δημιουργία ενός ανισότροπου υλικού. Τα κοκκώδη αντίστοιχα, αποτελούνται από κόκκους ενός υλικού μέσα σε μήτρα ενός άλλου. Οι κόκκοι όπως και η μήτρα,μπορούν να είναι μεταλλικοί ή μη. Αντίθετα με τις ίνες δεν εμφανίζουν ιδιαίτερο προσανατολισμό ούτε και σχήμα, ενώ διατηρούν τις διαστάσεις τους για όλες τις διευθύνσεις. Στα πολύστρωτα υλικά, τόσο η μήτρα όσο και το έγκλεισμα έχουν την μορφή φύλλων. Τα πολύστρωτα υλικά, διαμορφώνουν μια ευρύτερη κατηγορία συνθέτων υλικών, στα οποία αναφερόμαστε ως δομικά υλικά. Ανάλογα με την διάταξη των συνιστωσών κομματιών τους, διακρίνουμε επιπλέον τα δομικά υλικά σε αυτά του τύπου sandwich και στα μακριά ευθύγραμμα κατασκευαστικά εξαρτήματα σταθερής διατομής, τα λεγόμενα pultrusions ή pultruded composites. Η ενίσχυση στα σύνθετα υλικά, όπως ορίζει και η ίδια η λέξη, παρέχει στα σύνθετα την αντοχή που τα καθιστά αυτό ακριβώς για το οποίο ξεχωρίζουν, υλικά εξαιρετικής απόδοσης. Επίσης προσδίδει και επιπλέον χαρακτηριστικά πέραν της αντοχής, όπως είναι η θερμική αντίσταση ή αγωγή, η αντίσταση σε διάβρωση και η ακαμψία. Το ενισχυτικό υλικό μπορεί να κατασκευαστεί έτσι ώστε να εκτελεί όλες ή μια από αυτές τις λειτουργίες ανάλογα με τις απαιτήσεις της εκάστοτε εφαρμογής [1]. Η ενίσχυση καθώς βελτιώνει την αντοχή της μήτρας,πρέπει να είναι ισχυρότερη και πιο δύσκαμπτη από αυτή και ικανή να μεταβάλλει τον μηχανισμό αστοχίας προς όφελος του 39

41 σύνθετου υλικού. Αυτό σημαίνει ότι η ολκιμότητα της θα είναι ελάχιστη ή και μηδενική ακόμα,και το σύνθετο θα πρέπει να συμπεριφέρεται στο σύνολό του ως ψαθυρό, όσο το δυνατόν περισσότερο. Στις ενότητες που ακολουθούν θα αναφερθούμε εκτενέστερα στους διαφορετικούς αυτούς τύπους ενίσχυσης και τα μηχανικά τους χαρακτηριστικά. Εικόνα 2.1: Τύποι εγλεισμάτων 40

42 Εικόνα 1.2: Τύποι ινωδών ενισχύσεων σύνθετων υλικών Ινώδη σύνθετα υλικά Τα ινώδη σύνθετα είναι από τους πλέον διαδεδομένους τύπους συνθέτων υλικών και τεχνολογικά τα πιο σπουδαία. Οι στόχοι του σχεδιασμού τέτοιων υλικών συχνά αναφέρονται στην υψηλή ειδική αντοχή (Ts/ρ) και ειδική ακαμψία (Ε/ρ) [2]. 41

43 Στη σύγχρονη βιομηχανία συνθέτων υλικών, υπάρχουν πολλοί πιθανοί τύποι ινών που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την ενίσχυση πλαστικών, μεταλλικών και κεραμικών υλικών. Άλλες τις συναντάμε στη φύση και άλλες μπορούμε να τις κατασκευάσουμε. Όλες όμως διακρίνονται για τις εξαιρετικά υψηλές μηχανικές τους ιδιότητες, που συχνά υπερβαίνουν τις ιδιότητες των περισσότερων μηχανικών υλικών. Οι διαφορές στις ιδιότητες τους με αυτές των αντίστοιχων υλικών που δεν είναι όμως διαμορφωμένα σε μορφή ίνας, οφείλονται στην τελειότητα της δομής τους. Πιο συγκεκριμένα, οι κρύσταλλοι του υλικού της ίνας είναι ευθυγραμμισμένοι κατά τον διαμήκη άξονα της ίνας, ενώ υπάρχουν λιγότερες εσωτερικές ατέλειες στην ίνα σε σχέση με αυτές που υπάρχουν στο ίδιο το υλικό που δεν έχει διαμορφωθεί σε ίνα [3, 5]. Σημαντικές ιδιότητες των ινών είναι η εφελκυστική αντοχή, η ακαμψία, το μέτρο ελαστικότητας και η πυκνότητα. Αρκετοί τύποι ινών έχοντας την προαπαιτούμενη αντοχή και δυσκαμψία εντάσσονται στην κατηγορία των προηγμένων ινών και έχουν αποτελέσει υλικά κατασκευής σε αεροδιαστημικές εφαρμογές. Συχνά αναφερόμαστε στα σύνθετα αυτά με τον όρο σύνθετα υλικά υψηλής απόδοσης (advanced or high performance composites). Για την ενίσχυση των συνθέτων χρησιμοποιούμε τόσο οργανικές όσο και ανόργανες ίνες. Σχεδόν όλες οι οργανικές χαρακτηρίζονται από χαμηλή πυκνότητα, ιδιαίτερη ευελιξία και ελαστικότητα. Αντίθετα, οι ανόργανες ίνες έχουν υψηλό μέτρο ελαστικότητας,και επομένως είναι λιγότερο ελαστικές, εμφανίζουν σταθερότητα σε υψηλές θερμοκρασίες και είναι πιο δύσκαμπτες από τις οργανικές [1]. Οι τύποι ινών που χρησιμοποιούνται κυρίως είναι οι ίνες από γυαλί, άνθρακα, οι αραμαδικές ίνες, ίνες από καρβίδιο του πυριτίου, ίνες αλουμίνας, γραφίτη, βορίου, αμιάντου και πολυφασικές ίνες. Οι ίνες γυαλιού (glass fibers) είναι οι πρώτες γνωστές ίνες που χρησιμοποιήθηκαν για να ενισχύσουν υλικά, και διακρίνονται επιπλέον σε E glass, S glass, C glass. Οι κεραμικές και μεταλλικές ίνες εφευρέθηκαν στη συνέχεια και τέθηκαν σε εκτενή χρήση, με σκοπό να καταστήσουν τα σύνθετα πιο δύσκαμπτα και πιο ανθεκτικά στη θερμότητα. Mεγαλύτερο εμπορικό ενδιαφέρον εμφανίζουν οι οργανικές ίνες, ενώ οι ίνες γραφίτη, βορίου και silicon carbide λαμβάνουν ιδιαίτερα μεγάλη προσοχή από τους ερευνητές εξαιτίας της ενισχυτικής τους αποτελεσματικότητας στα σύνθετα υλικά υψηλής απόδοσης. Περίπου 98% των βιομηχανικών συνθέτων υλικών παράγονται με την ενίσχυση από ίνες γυαλιού, άνθρακα και αραμαδικές ίνες, ενώ παλαιότερες ίνες, όπως αυτές του αμιάντου (asbestos), είναι όλο και λιγότερο σημαντικές. Εντούτοις, οι τεχνικές επεξεργασίας αυτών των ινών εμφανίζονται ιδιαίτερα χρήσιμες καθώς μπορούν εύκολα να επεκταθούν και σε άλλους νέους τύπους ενισχύσεων [3]. Χαρακτηριστικές ιδιότητες των διαφόρων τύπων ινών δίνονται στον πίνακα

44 Μία μόνο δέσμη λεπτών ινών είναι πρακτικά άχρηστη αν δεν είναι τέλεια ενσωματωμένη μέσα σε μια μήτρα. Δεν έχει καθορισμένο σχήμα ούτε και σκληρή επιφάνεια, ενώ είναι αδύνατο να επεξεργαστεί σωστά. Ως χορδή μπορεί και αντιστέκεται στις εφελκυστικές δυνάμεις αλλά εμφανίζεται αδύναμη σε θλίψη, στρέψη ή κάμψη. Όταν όμως μια δέσμη ινών εμβαπτιστεί σε μια μήτρα, τότε ως σύνθετο πια υλικό, διαθέτει ιδιότητες που πλησιάζουν αυτές του χάλυβα και αποκτά ανεκτίμητη αξία για έναν μηχανικό. Επιπρόσθετα αποκτά συγκεκριμένη μορφή, ανθεκτική επιφάνεια και μπορεί να επεξεργαστεί με μεγάλη ακρίβεια. Όπως έχει ήδη αναφερθεί, η απόδοση ενός ινώδους συνθέτου υλικού δεν καθορίζεται μόνο από τις μηχανικές ιδιότητες των ινών, αλλά και από το μήκος, το σχήμα, τον προσανατολισμό και τη σύνθεση των ινών καθώς και από τις μηχανικές ιδιότητες της μήτρας. Ο προσανατολισμός των ινών μέσα στη μήτρα αποτελεί ένδειξη της αντοχής του υλικού, η οποία είναι μέγιστη κατά μήκος της διαμήκους διεύθυνσης της ίνας. Αυτό δεν σημαίνει ότι οι ίνες δεν μπορούν να μεταφέρουν το ίδιο ποσοστό φορτίου ανεξάρτητα από την διεύθυνση εφαρμογής του. Αλλά η βέλτιστη απόδοση των διαμήκη ινών επιτυγχάνεται όταν η φόρτιση γίνεται κατά μήκος της διεύθυνσης τους. Η παραμικρή αλλαγή στη γωνία φόρτισης είναι ικανή να μειώσει σημαντικά την αντοχή του υλικού [1]. Πίνακας 2.1: Σύγκριση ιδιοτήτων διαφόρων ινών 43

45 Όσον αφορά το σχήμα, οι περισσότερες ίνες που χρησιμοποιούνται σήμερα είναι συμπαγείς, με κυκλικές διατομές, οι οποίες εμφανίζουν μεγαλύτερη ευκολία στην παραγωγή και επεξεργασία. Υπάρχουν όμως και ίνες μη συμβατικών σχημάτων, όπως αυτές ορθογώνιας διατομής, καθώς και διάτρητες ίνες (hollow fibers) με χαρακτηριστικά ικανά να βελτιώσουν τις μηχανικές ιδιότητες ενός συνθέτου υλικού. Η πιο συνήθης εμπορική μορφή ενός ινώδους υλικού είναι εκείνη του πολύστρωτου συνθέτου υλικού (Laminated composite). Όπου η στρωμάτωση αυτή μπορεί να έχει επίπεδη ή καμπύλη μορφή (εικόνα 2.3). Οι ίνες στο πολύστρωτο σύνθετο μπορεί να είναι διατεταγμένες με διάφορους τρόπους, δηλαδή να έχουν όλες την ίδια διεύθυνση ή μπορεί να υπάρχουν διάφορες ομάδες ινών με διαφορετικές διευθύνσεις. Η κάθε επιλογή εξαρτάται από τις ιδιότητες που επιθυμούμε να έχει το υπό κατασκευή σύνθετο υλικό. Σε ακόλουθη ενότητα θα αναφερθούμε εκτενέστερα στα πολύστρωτα σύνθετα υλικά και τη μηχανική συμπεριφορά τους [5]. Εικόνα 2.3: (α) Πολύστρωτη επίπεδη πλάκα και (β) πολύστρωτη κυλινδρική επιφάνεια Είδη Ινών Τα ινώδη σύνθετα μπορούν να κατασκευαστούν είτε με μακριές είτε με κοντές ίνες. Οι μακριές ίνες, έχουν τη μορφή μακριών λεπτών νημάτων (filaments), με πάρα πολύ μεγάλο λόγο μήκους /διαμέτρου (aspect ratio) και διάμετρο της τάξης μεγέθους των κρυστάλλων. Επίσης εμφανίζουν καλύτερο προσανατολισμό παρότι δεν αντανακλάται ιδιαίτερα στην απόδοσή τους. Δεδομένου ότι έχουν χαμηλές πυκνότητες και υψηλές αντοχές, τα μήκη των νημάτων (filaments) επηρεάζουν σημαντικά τις μηχανικές ιδιότητες των συνθέτων,καθώς επίσης και την ανταπόκρισή τους στις διάφορες επεξεργασίες στις οποίες υπόκεινται. Οι μακριές ίνες παράγονται μαζικά και συνδέονται με τις διάφορες μήτρες, με πολλούς διαφορετικούς τρόπους που θυμίζουν τα χαρακτηριστικά ενός υφάσματος, όπως winding, twisting, weaving and knitting [2, 5]. 44

46 Για την κατασκευή συνθέτων με μακριές ίνες χρησιμοποιούνται συνήθως τεχνικές συνεχόμενης διαδικασίας. Συχνά χρησιμοποιείται η τεχνική της περιέλιξης ινών, με την οποία επιτυγχάνεται ομοιόμορφη κατανομή φορτίου και βέλτιστος προσανατολισμός των ινών στο τελικό προϊόν. Από την άλλη μεριά, οι κοντές ίνες γνωστές και ως βελόνες (whiskers), είναι πολύ λεπτοί μονοκρύσταλλοι στους οποίους ο λόγος μήκους/διαμέτρου παίρνει πάρα πολύ υψηλές τιμές. Ως αποτέλεσμα του μικρού τους μεγέθους έχουν πολύ υψηλό βαθμό κρυσταλλικής τελειότητας και είναι σχεδόν ελεύθερες ατελειών, κάτι το οποίο εξηγεί τις εξαιρετικά υψηλές τους αντοχές. Αν και αποτελούν τα πιο ανθεκτικά υλικά, που είναι γνωστά σήμερα, δεν χρησιμοποιούνται ευρέως ως ενισχυτικά μέσα διότι είναι πάρα πολύ ακριβά. Επιπλέον είναι πάρα πολύ δύσκολο να ενσωματωθούν σε μια μήτρα. Στα βελονοειδή υλικά συγκαταλέγονται ο γραφίτης, το καρβίδιο του πυριτίου, το νιτρίδιο του πυριτίου, και το οξείδιο του αλουμινίου. Μορφές Ινών Όλοι οι τύποι ινών εκτός από αυτές του βορίου, παράγονται ως θύσανοι λεπτών νημάτων, οι οποίοι μπορούν να μετατραπούν σε ταινίες μιας διεύθυνσης σε μορφή υφαντών ή πλεκτών υφασμάτων, σωληνοειδών πλεξούδων, χαρτιών και ψαθών (rovings) ή κομμένα σε μικρά κομμάτια σε σχήμα U. Έτσι όλες αυτές οι μορφές αν διαποτιστούν με ρητίνες, δημιουργούν τα προεμποτισμένα υλικά (pre pregs). Οι τεμαχισμένες ίνες συνδυάζονται συνήθως με θερμοπλαστικά υλικά. Τα υλικά αυτά τεμαχίζονται σε μικρούς σκληρούς κόκκους, που ωθούνται σε καλούπια με την μέθοδο injection moulding. Αυτές οι μεταποιημένες μορφές μπορούν να κατασκευαστούν από μίγματα ινών για να παράγουν υβριδικά σύνθετα, ταινίες ή πλεξούδες. Το προεμποτισμένο υλικό μπορεί να κατασκευαστεί είτε από θερμοπλαστικά είτε από θερμοσκληρυνόμενα πολυμερή. Γι αυτό το λόγο, υπάρχουν εκατοντάδες διαφορετικά υλικά διαθέσιμα, το καθένα με συγκεκριμένες μηχανικές ή φυσικές ιδιότητες και εκατοντάδες τύποι, από τους οποίους μπορούμε να διαλέξουμε τα κατάλληλα υλικά για κάθε εφαρμογή [5]. Οι θύσανοι ανάλογα με την διαδικασία κατασκευής τους φέρουν διαφορετικά ονόματα. Έτσι τους διακρίνουμε σε tows, όταν αποτελούνται από εκατοντάδες χιλιάδες νήματα τα οποία δεν έχουν στριφτεί μεταξύ τους, σε πλεξούδες αν αποτελούνται από δεμένα χωρίς στρέψη νήματα και σε yarn αν τα νήματα στριφτούν κατά την κατασκευή. Επίσης διακρίνουμε και τα φύλλα yarn τα οποία σχηματίζουν πλεξούδες που έχουν στριφτεί μεταξύ τους. Επιπρόσθετα, οι θύσανοι μπορούν να μεταποιηθούν όπως προαναφέρθηκε, σε πλεκτές ταινίες μιας διεύθυνσης. Οι ταινίες αυτές σχηματίζονται από tows ή rovings, τοποθετημένα στη διεύθυνση του στημονιού, δηλαδή κατά μήκος, και συγκρατούμενα μεταξύ τους με αραιά τοποθετημένα υφάδια, από πολύ λεπτά yarn ινών πολυεστέρα ή γυαλιού. 45

47 Εικόνα 2.4: Διάφορες μορφές ινών Πίνακας 2.2 Διάφοροι τύποι ινωδών ενισχύσεων 46

48 Ινώδη ενισχυτικά υφάσματα Έχουν αναπτυχθεί επίσης πολλοί τύποι ινωδών ενισχυτικών υφασμάτων από θυσάνους ινών,που χρησιμοποιούνται ιδιαίτερα στην κατασκευή σύνθετων υλικών. Οι πιο συνήθεις πλέξεις που παρατηρούνται είναι: α. Η απλή πλέξη (Plain Weave) όπου διαμήκεις και εγκάρσιοι θύσανοι ινών διασταυρώνονται κάθετα μεταξύ τους και βρίσκονται εναλλάξ η μια ομάδα πάνω από την άλλη. Κάθε στημόνι και υφάδι περνάει πάνω από ένα τέλος ή κορυφή και κάτω από το επόμενο. Το τέλος είναι το στημόνι και η κορυφή το υφάδι [5]. β) Η διαγώνια πλέξη χαρακτηρίζεται από διαγώνιες γραμμές στην επιφάνεια του πλεκτού, οι οποίες δημιουργούνται καθώς κάθε τέλος και κορυφή περνάει πάνω από δύο ή και τέσσερις διασταυρωμένους θυσάνους ινών. Χαρακτηρίζεται από μεγαλύτερη πυκνότητα ινών ανά επιφάνεια και εμφανίζει διαφορετική μορφή υφάσματος στις δύο όψεις. γ) Η πλέξη satin κυριαρχείται από διαμήκεις θυσάνους ινών (warp), ενώ εμφανίζει και αυτή δύο διαφορετικές όψεις, σχετικά απαλές επιφάνειες, την warp face και την weft face. Σε αυτού του τύπου την πλέξη, κάθε στημόνι και υφάδι περνάει πάνω από σχήμα Ν και κάτω από διασταυρούμενο νήμα. Η πλέξη περιγράφεται ως Ν+1. Κατά την κατασκευή πολύστρωτης πλάκας, όπου διαστρωματώνονται πολλά ενισχυτικά υφάσματα τέτοιου τύπου, τοποθετούνται οι ίδιες όψεις μαζί για να μην δημιουργούνται κενά. δ) Η καλάθωτή πλέξη (Basket weave) είναι μια παραλλαγή της απλής πλέξης, μόνο που αυτή τη φορά διασταυρώνονται κάθετα δύο ή περισσότεροι θύσανοι ινών. ε) Και η πλέξη leno αποτελεί μια κλειδωμένη πλέξη η οποία εξασφαλίζει τη σταθερότητα των θυσάνων, περιορίζοντας στο ελάχιστο τη δυνατότητα μετακίνησής τους. Στην εικόνα 2.5 απεικονίζονται οι διαφορετικές αυτές πλέξεις ενισχυτικών υφασμάτων. Η πλέον πιο σταθερή και πιο συνήθης θεωρείται η απλή πλέξη. Η καλαθωτή θεωρείται ισχυρότερη από την απλή, αλλά παρουσιάζει μια σχετική χαλαρότητα που την καθιστά λιγότερο σταθερή. Ενώ η πλέξη Satin είναι αυτή που χρησιμοποιείται ευρύτατα στη βιομηχανία παραγωγής συνθέτων υλικών. Οι τρεις αυτές πλέξεις, σε αντίθεση με τις υπόλοιπες, είναι πολύ εύκολο να μονταριστούν πάνω σε καμπύλες επιφάνειες, και εξαιτίας των νημάτων τους δεν στρεβλώνονται εύκολα όταν είναι υφαντά, καθιστώντας τα πολύ αποτελεσματικά ως ενισχυτικά. Σε όλες αυτές τις πλέξεις το κοινό σημείο είναι ότι οι διασταυρώσεις γίνονται στις 90 ο.μπορούν όμως να παραχθούν και ενισχυτικά υφάσματα με διαγώνια πλέξη, με κλίση 45 ο ή 60 ο. Είναι δυνατόν επίσης να παραχθούν υφάσματα με τα στημόνια και τα υφάδια τοποθετημένα ίσια ή παράλληλα, όπως συμβαίνει με τις πλεκτές ταινίες μίας διεύθυνσης. Αυτού του είδους ενισχυτικά υφάσματα, δημιουργούν ισχυρότερα και πιο δύσκαμπτα 47

49 σύνθετα, διότι οι ίνες είναι ευθύγραμμες. Αντίθετα, πιο εύκαμπτα υλικά δημιουργούνται με υφάσματα με τρία στημόνια τοποθετημένα στις 60 ο μεταξύ τους. Θα πρέπει όμως να σημειώσουμε, ότι καθώς η αντοχή και το μέτρο ελαστικότητας ενός συνθέτου είναι ανάλογα από την κατ όγκο περιεκτικότητα του σε ίνες, και καθώς στα ενισχυτικά υφάσματα οι ίνες καταλαμβάνουν το 60% του όγκου του υλικού μοιρασμένο σε δύο διευθύνσεις(στημόνια /υφάδια), οι μηχανικές ιδιότητες ενός συνθέτου με υφαντή ενίσχυση θα είναι πολύ χαμηλότερες από τις αντίστοιχες των ινών. Εικόνα 2.5: Πλέξεις ενισχυτικών υφασμάτων Ίνες 1. Ίνες Γυαλιού Γυαλί είναι η κοινή ονομασία που δίδεται σε έναν αριθμό αμοιβαία διαλυτών οξειδίων, που μπορούν να ψυχθούν σε θερμοκρασίες χαμηλότερες από τη θερμοκρασία τήξης τους (supercooled), χωρίς να επέλθει κρυστάλλωση (devitrification). Αν και μερική κρυστάλλωση μπορεί να εμφανιστεί μετά από την παρατεταμένη θέρμανσή τους σε υψηλές θερμοκρασίες, οδηγώντας στη μείωση της αντοχής τους. Είναι καθαρά άμορφα στερεά όταν ψύχονται και θραύονται με ψαθυρό τρόπο σχηματίζοντας κογχοειδής επιφάνειες θραύσης [3]. 48

50 Οι περισσότερες ίνες γυαλιού είναι βασισμένες στο διοξείδιο του πυριτίου (SiO2), με προσθήκη άλλων οξειδίων όπως του ασβεστίου (calcium), του νατρίου(sodium), του αλουμινίου (aluminium) κ.α., τα οποία μειώνουν τη θερμοκρασία τήξης και εμποδίζουν την κρυστάλλωση [4]. Διάφοροι συνδυασμοί ορυκτών γυαλιών έχουν δοκιμαστεί για την κατασκευή ινών. Εμπορικά παράγονται διάφοροι τύποι γυαλιού, εκ των οποίων οι σημαντικότεροι είναι οι παρακάτω: E glass (Ε από την αγγλική λέξη electricity ηλεκτρισμός) αποτελεί τον βασικό τύπο μιας τυπικής ίνας γυαλιού και αυτόν που παράγεται σε μεγαλύτερη κλίμακα. Ελκύεται εύκολα και εμφανίζει καλή αντοχή, δυσκαμψία, καλές ηλεκτρικές ιδιότητες, ενώ δεν επηρεάζεται από τις καιρικές συνθήκες. Χρησιμοποιείται σε εφαρμογές όπως στα κελύφη των ραντάρ, όπου απαιτούνται ειδικές ηλεκτρικές ιδιότητες [3]. S glass (S από την αγγλική λέξη strength δύναμη/αντοχή) είναι ακριβότερη από την Ε glass, αλλά εμφανίζει μεγαλύτερη αντοχή, μεγαλύτερο μέτρο ελαστικότητας και μεγαλύτερη θερμική αντίσταση. Λόγω της υψηλής αντοχής και μέτρου χρησιμοποιούνται για την ενίσχυση των πλαστικών υλικών, ενώ αναπτύχθηκαν εν γένει ως στρατιωτικά υλικά ( π.χ. χρήση στα σώματα πυραύλων). Γενικά χρησιμοποιούνται σε ειδικές εφαρμογές όπως στην βιομηχανία αεροσκαφών, όπου το υψηλό κόστος αντισταθμίζεται από την μεγάλη δυσκαμψία τους. Υπάρχει επίσης μια εμπορική έκδοση του S τύπου που βρίσκει εφαρμογή σε σημαντικές δομικές κατασκευές και καλείται R glass. C glass (C από την αγγλική λέξη corrosion διάβρωση) χρησιμοποιείται χάρη στην χημική της αντίσταση, κυρίως ενάντια σε όξυνες επιθέσεις. Παρά το ότι έχει χαμηλότερη αντοχή από την E glass, σε ορισμένες περιπτώσεις προτιμάται χάρη στην μεγαλύτερη αντίσταση της στη διάβρωση. Cemfil. Οι ίνες αυτού του τύπου χρησιμοποιούνται συγκεκριμένα στο τσιμέντο Portland, ως αντίσταση σε αλκαλικές ουσίες, κατασκευάζοντας μια σειρά από articles γυαλί τσιμέντου( glass cement articles). 2. Ίνες Άνθρακα Οι ίνες άνθρακα έχουν μεγάλη ιστορία. Χρησιμοποιήθηκαν πρώτη φορά χάρη της δυνατότητας του άνθρακα να λειτουργεί ως αγωγός ηλεκτρικής ενέργειας. Ο Davy εφηύρε τη λυχνία arc lamp, χρησιμοποιώντας ράβδους άνθρακα ως ηλεκτρόδια. Πρωτοπόροι όπως ο Crompton βελτίωσαν τη μηχανική τροφοδότηση μεταξύ των ηλεκτροδίων υποβάλλοντάς τα σε αργή διαδικασία πυράκτωσης (incandescence) [3]. Οι ηλεκτρικοί λαμπτήρες που παρήχθησαν από τον Edison διέθεταν πολύ πιο λεπτές ίνες άνθρακα, οι οποίες προορίζονταν να αντέξουν επ αόριστον σε κενό αέρος. Ο Edison πειραματίστηκε με την ανθρακοποίηση (carbonization) πολλών διαφορετικών ουσιών, 49

51 κυρίως φυτικής προέλευσης, όπως αγκίδες μπαμπού, και τελικά κατέληξε στο συμπέρασμα ότι το ανθρακωμένο νήμα βαμβακιού λειτουργούσε καλύτερα. Σε ένα μονοκρύσταλλο γραφίτη, τα άτομα άνθρακα οργανώνονται σε εξαγωνικές διατάξεις, και στοιβάζονται με τη μορφή επιπέδων διατεταγμένα το ένα πάνω στο άλλο, σε μια κανονική ακολουθία ABABAB. Τα ατομικά αυτά επίπεδα συγκρατούνται μεταξύ τους με ασθενείς δυνάμεις van der Waals, ενώ τα άτομα του κάθε επιπέδου συνδέονται με ισχυρούς ομοιοπολικούς δεσμούς. Οι βασικές κρυσταλλικές μονάδες επομένως, είναι ιδιαίτερα ανισότροπες, με το μέτρο ελαστικότητας κάθετα στα ατομικά επίπεδα (παράλληλα στον c άξονα) να είναι μόνο 35GPa, και στο εσωτερικό των επίπεδων να είναι περίπου 1000 GPa. Η απόσταση μεταξύ των ατομικών επιπέδων είναι 0.335nm [4]. Οι ίνες άνθρακα, συνήθως διαμέτρου 8 μm, αποτελούνται από μικρούς κρυσταλλίτες (crystallites) γραφίτη τύπου turbo stratic, μια από τις αλλοτροπικές μορφές άνθρακα. Ο turbo static γραφίτης μοιάζει αρκετά με τον μονοκρύσταλλο γραφίτη (whisker), με τη διαφορά ότι τα ατομικά επίπεδα δεν διατάσσονται τακτικά κατά τη διεύθυνση του c άξονα, και η απόσταση μεταξύ των ατομικών επιπέδων είναι περίπου 0.34nm. Για να επιτευχθεί μέγιστη αξονική ακαμψία και αντοχή, απαιτείται καλή ευθυγράμμιση των ατομικών επιπέδων, παράλληλα με τον άξονα των ινών. Η διάταξη των επιπέδων ως προς την κάθετη διατομή των ινών είναι επίσης σημαντική, δεδομένου ότι επηρεάζει τις εγκάρσιες και διατμητικές ιδιότητες του υλικού. Το μέτρο των ινών εξαρτάται επίσης από τον βαθμό προσανατολισμού των ατομικών επιπέδων, ο οποίος με τη σειρά του εξαρτάται από τον τρόπο κατασκευής των ινών. Όλοι οι τύποι ινών άνθρακα που είναι διαθέσιμοι σήμερα, είναι καταχωρημένη σε ειδικούς πίνακες. Στην πράξη, οι κρυσταλλικές μονάδες σε μια ανθρακική ίνα δεν είναι ευθυγραμμισμένες στον άξονα της ίνας, αλλά αντίθετα είναι άτακτα διατεταγμένες, είναι πολύ μικρές και παρουσιάζουν ασυνέχειες δομής. Ατέλειες στη δομή μιας ίνας άνθρακα οδηγούν στη δημιουργία κενών αέρα πολύπλοκου σχήματος που διατάσσονται κατά μήκος της ίνας και λειτουργούν ως σημεία συγκέντρωσης τάσεων,με αποτέλεσμα τη μείωση της αντοχής της ίνας. Άλλες αδυναμίες δομής που συνδέονται άμεσα με τον τρόπο παραγωγής των ινών είναι οι επιφανειακές ατέλειες και οι μακροκρύσταλλοι. Οι ίνες άνθρακα κατασκευάζονται από δύο προγονικά υλικά πρώτες ύλες. Είναι πιθανό να χρησιμοποιηθεί ως πρώτες ύλες μια ποικιλία υλικών, όπως ρητίνη φανικού οξέος, διάφορα πολυμερή, συνθετικό μετάξι και υδρογονάνθρακες. Σήμερα για την παραγωγή ανθρακικών ινών χρησιμοποιούνται ως προγονικά υλικά μόνο τα εξής τρία: το PAN (πολύ ακριλονιτρίλιο), η πίσσα από πετρέλαιο ή κάρβουνο και οι αέριοι υδρογονάνθρακες. 50

52 3.Οργανικές Ίνες Οι οργανικές ίνες αποτελούν μια νέα σημαντική κατηγορία ινών που βασίζονται σε πολυμερικές ίνες υψηλής αντοχής και μέτρου ελαστικότητας, που προκύπτουν από πλήρως προσανατολισμένα πολυμερή. Αραμαδικές Ίνες Aramid Fibre Οι πιο σημαντικές πολυμερικές ίνες υψηλού μέτρου ελαστικότητας αναπτύχθηκαν από τα αρωματικά πολυαμίδια και ονομάζονται αραμαδικές ίνες (aramid fibres). Κατασκευάστηκαν αρχικά από την DuPont με την εμπορική ονομασία «Kevlar», ενώ σήμερα και άλλες εταιρίες, όπως είναι η Teijin στην Ιαπωνία και η ολλανδική AKZO στην Ευρώπη, κατασκευάζουν αραμαδικές ίνες με την εμπορική ονομασία «Technora» και «Tywaron» αντίστοιχα. Η δημιουργία των αραμαδικών ινών, γίνεται καλύτερα κατανοητή αν θεωρήσουμε ότι βασίζονται σε ένα απλό πολυμερές, το πολυαιθυλένιο. Στις ίνες πολυαιθυλενίου, οι αλυσιδωτά εκτεινόμενοι μονοκρύσταλλοι του πολυαιθυλενίου, αποτελούνται από zig zag αλυσίδες άνθρακα, πλήρως ευθυγραμμισμένες και πολύ στενά στοιβαγμένες, με μέτρο ελαστικότητας παράλληλα στον άξονα της αλυσίδας, περίπου 220GPa. Το αποτέλεσμα δεν είναι μόνο η δημιουργία μιας ίνας υψηλής αντοχής αλλά και μίας που παρουσιάζει εξαιρετική ακαμψία. Ο προσανατολισμός των μακρομορίων επιτυγχάνεται κατά τον εφελκυσμό του πολυαιθυλενίου, και όπως και στην περίπτωση των ινών άνθρακα, το μέτρο ελαστικότητας κατά το μήκος των ινών είναι μεγαλύτερο από εκείνο εγκάρσια του άξονα των ινών. Οι αραμαδικές ίνες υπερέχουν των ινών γυαλιού, ενώ πλησιάζουν τον τύπο 3 των ινών άνθρακα. Φυσικές οργανικές ίνες Εκτός από τις αραμαδικές οργανικές ίνες, υπάρχει επίσης ένα ευρύ φάσμα φυσικών οργανικών ινών που αποτελούν την ενισχυτική φάση πολλών φυσικών συνθέτων υλικών, και για τις οποίες παρατηρείται όλο και περισσότερο επιστημονικό ενδιαφέρον ως πιθανή ενίσχυση και για τα τεχνητά σύνθετα. Η πιο κοινή φυσική ίνα είναι κυτταρίνη, η οποία διαμορφώνεται με πολυμερισμό των μορίων γλυκόζης. Ενώ το πιο κοινό φυσικό σύνθετο υλικό είναι το ξύλο, το οποίο συντίθεται ουσιαστικά από κρυσταλλικές ίνες κυτταρίνης εμποτισμένες μέσα σε μια μήτρα άμορφης ή μερικώς κρυσταλλοποιημένης ημι κυτταρίνης και λιγνίνη. Αυτά παρατηρούνται στα κυψελοειδή τοιχώματα πολλών φυτών σε διάφορες πολύπλοκες διαμορφώσεις. Οι ίνες κυτταρίνης (microfibrils) μπορούν να εξαχθούν από ένα πλήθος φυτών όπως το βαμβάκι, το λινάρι και η γιούτα, καθώς επίσης και από το ξύλο. Οι ιδιότητες των ινών κυτταρίνης 51

53 μπορούν να συγκριθούν κάλλιστα με εκείνες πολλών τεχνητών ινών, ιδιαίτερα όταν η πυκνότητα είναι σημαντική [4]. Αν και η παραγωγή των σύνθετων υλικών βασισμένων σε φυσικές ίνες μέχρι πρόσφατα ήταν περιορισμένη, όπως θα αναλύσουμε και στη συνέχεια, μια νέα γενιά συνθέτων υλικών, τα green composites, έχουν αρχίσει να αναπτύσσονται καθότι η σύγχρονες ανάγκες απαιτούν όχι μόνα ανθεκτικά αλλά και φιλικά προς το περιβάλλον υλικά. 4. Ίνες Βορίου Οι ίνες βορίου είναι ισχυρές, δύσκαμπτες ίνες, που παράγονται ως μονά, μεγάλης διαμέτρου νήματα. Κάθε νήμα αποτελείται από ένα πυρήνα, είτε σύρματος βολφραμίου είτε ίνας άνθρακα, και από μια λεπτή στρώση βορίου, και λαμβάνεται με την εναπόθεση με ατμό ενός τριχλωριδικού (trichloride), υδρογονωμένου βορίου, πάνω σε ένα υπόστρωμα βολφραμίου ή άνθρακα. Σε σύγκριση με τις ίνες γυαλιού, άνθρακα και τις αραμαδικές ίνες, οι ίνες βορίου θεωρούνται τεράστιες σε μέγεθος, με δημοφιλέστερα μεγέθη παραγωγής τους να είναι τα 11μm μήκος και 50 μm και 140 μm διάμετρο. Εμφανίζουν μέτρο ελαστικότητας ίσο με 400GPa και αντοχή ίση με 3.52GPa με πυκνότητα 2.58 gr/cc. ). Η μεγάλη διάμετρος τους, 100, 142 και 203μm, εξηγεί την πολύ μεγάλη αντοχή σε θλίψη των συνθέτων υλικών ενισχυμένων με ίνες βορίου, 3.29GPa σε θερμοκρασία δωματίου και 1.27GPa στους 190 ο C. Αντίθετα, οι εφελκυστικές τους ιδιότητες δεν είναι ιδιαίτερα αξιόλογες καθώς εμφανίζουν μέτρο ελαστικότητας 210GPa και εφελκυστική αντοχή 1.54GPa και 1.4GPa σε θερμοκρασία δωματίου και στους 190 ο C αντίστοιχα. Λόγω του μεγάλου μεγέθους και της υψηλής ακαμψίας τους, οι ίνες βορίου δεν είναι δυνατό να κατασκευαστούν με τις τυπικές διαδικασίες νηματοποίησης, όπως η ύφανση (weaving). Για αυτό το λόγο, επεξεργάζονται υπό τη μορφή ενιαίου πάχους, παράλληλων τοποθετημένων, προεμποτισμένων με ρητίνη φύλλων (pre pregs) ή με την μορφή στενών συνεχόμενων ταινιών, για τις οποίες χρησιμοποιούνται οι τεχνικές της καλουποποίησης υψηλής πίεσης ( high pressure moulding) ή αυτόκλειστου φούρνου (autoclave). Οι εποξικές ρητίνες είναι η συνηθέστερη επιλογή μήτρας, αν και pre pregs πολυιμιδίου (polyimide) έχουν χρησιμοποιηθεί για την επεξεργασία σε υψηλές θερμοκρασίες, με μέγιστη τους 200 C (392 F). Οι ίνες βορίου είναι ιδιαίτερα βαριές. Η εμπορική ίνα έχει ειδική πυκνότητα 2.63 gr/cc, στην οποία προστίθεται το εξαιρετικά πυκνό υπόστρωμα βολφραμίου και η περιφερειακή επικάλυψη καθαρού βορίου, με ειδική πυκνότητα 2.1 gr/cc. Για τον λόγο αυτό, σε συνδυασμό με τη δυσκολία κατασκευής του συνθέτου υλικού, και την αργή και ακριβή επεξεργασίας τους, αντικαθίσταται το υπόστρωμα βολφραμίου από ένα με ίνες άνθρακα. Για το ανθρακικό αυτό υπόστρωμα, οι ίνες άνθρακα βασισμένες σε πίσσα είναι πιο κατάλληλες από εκείνες βασισμένες σε PAN, καθώς οι πρώτες υπόκεινται σε ιδιαίτερη γραφιτοποίηση (graphitised) και έχουν την ιδανική ηλεκτρική αντίσταση. Η αντοχή 52

54 μιας ίνας βορίου προερχόμενη από υπόστρωμα άνθρακα σε σύγκριση με εκείνη με υπόστρωμα βολφραμίου,είναι λίγο μικρότερη, αλλά η διαφορά είναι οριακή. Εκείνο που έχει ιδιαίτερη σημασία για τις ίνες βορίου, είναι ότι το μέτρο ελαστικότητας είναι πολύ υψηλό, ενώ παρουσιάζουν και μια αρκετά καλή αντοχή, ανεξαρτήτως του υλικού υποστρώματος που χρησιμοποιήθηκε. Pre pregs με ίνες βορίου και εποξική μήτρα χρησιμοποιήθηκαν εκτενώς και επιτυχώς στην αεροναυπηγική ιδιαίτερα κατά τη δεκαετία του 70, όπως για παράδειγμα στους σταθεροποιητές των αεροσκαφών F 14 και F 15, στο φτερό του αεροσκάφους F 111 και σε τμήματα του αεροσκάφους B 1.Εντούτοις, επειδή η διαδικασία κατασκευής τους είναι πολύ ακριβότερη από αυτή των ινών άνθρακα, η χρήση τους ως ενίσχυση σε πολυμερικές μήτρες εγκαταλείφθηκε και σήμερα οι ίνες βορίου χρησιμοποιούνται ως ενισχυτικά υλικά σε μεταλλικές μήτρες, ειδικά σε μήτρες από μαγνήσιο και αλουμίνιο. 5. Ανθρακούχο Πυρίτιο (Silicon carbide) Οξείδια, καρβίδια, βορίδια και νιτρίδια διαφόρων στοιχείων έχουν εξεταστεί ως πιθανές πηγές για την κατασκευή ισχυρών ινών, μεταξύ των οποίων πρέπει να αναφερθούν: το νιτρίδιο του πυριτίου (Si3N4), το οξείδιο του ζιρκονίου zirconia (ZrO2), το καρβίδιο του βολφραμίου (WC) και το καρβίδιο του τιτανίου (TiC). Αυτές οι ίνες είναι περισσότερο ανθεκτικές στην οξείδωση και λιγότερο επιδεκτικές στην προσβολή από λιωμένο αλουμίνιο από ότι το βόριο και γι αυτό έχουν επικρατήσει στην ενίσχυση μετάλλων έναντι του βορίου. Επιπρόσθετα, χάρη στην υψηλή τους αντίσταση σε οξείδωση στους 1200 ο C καθίστανται ως οι πλέον υποψήφιες για την ενίσχυση πολυαμιδικών ρητινών για λειτουργία στους 300 ο C, ενώ έχουν προταθεί για χρήση μαζί με το νάιλον για εμφυσήσεις καλούπια όπου παρέχουν αντίσταση σε τριβή, καθώς και αντοχή και δυσκαμψία [1]. Το καρβίδιο του πυριτίου (SIC) είναι πιθανώς το πιο γνωστό όλων των παραπάνω στοιχείων για την κατασκευή ινών. Μετατρέπεται σε μια πυρακτωμένη μακριά ίνα άνθρακα μέσω της αποσύνθεσης ενός σιλανίου silane (απλό υδρογονίδιο του πυριτίου ή μονοσιλάνιο, με χημικό τύπο SiH4 ) ή ενός τετραχλωριδίου του πυριτίου. Αναλόγως των συνθηκών, μπορεί να επιτευχθεί η δημιουργία ενός λεπτού επιστρώματος καρβιδίου σε μια αμετάβλητη ίνα άνθρακα, ή μια πιο εκτεταμένη μετατροπή του SIC. Το καρβίδιο του πυριτίου έχει δομή παρόμοια του διαμαντιού, και είναι ιδιαίτερα ελκυστικό ως ενίσχυση υλικών δεδομένης της χαμηλής πυκνότητάς του(2.55 gr/cc), της υψηλής αντοχής (3.5GPa) και ακαμψίας του (με μέτρο ελαστικότητας 430GPa), σε συνδυασμό με την καλή θερμική σταθερότητα και τη θερμική αγωγιμότητα που εμφανίζει. Είναι ευκολότερο στη σύνθεση του από το διαμάντι και μπορεί να παραχθεί εύκολα σε μεγάλες ποσότητες σε ακατέργαστη μορφή όπως η σκόνη (powder). Η παραγωγή ινών σε μεγάλες ποσότητες είναι πολύ πιο πολύπλοκη, και γι' αυτό έχουν αναπτυχθεί διάφορες διαδικασίες, οι ποιο συνήθεις αναφέρονται παρακάτω [4]. 53

55 6. Ίνες Αμιάντου Ολοκληρώνοντας με την ινώδη ενίσχυση, θα πρέπει να γίνει και μια αναφορά στις ίνες αμιάντου, που αν και η χρήση τους σήμερα είναι περιορισμένη λόγο ανησυχίας για τον κίνδυνο που αποτελεί ο αμίαντος για την υγεία, χρήζουν ιδιαίτερης ιστορικής σημασίας και εξακολουθούν να παρέχουν ιδιότητες που είναι δύσκολο να αντικατασταθούν [3]. Αμίαντος είναι η γενική ονομασία μιας ομάδας κρυσταλλικών πυριτικών ορυκτών, τα οποία εξάγονται στον Καναδά, τις ΗΠΑ, τη Νότια Αφρική, τη Ρωσία και άλλες χώρες. Εμφανίζονται ως λεπτές φλέβες αμιάντου σε πετρώματα, σε βάθος 25 χιλ. 100 χιλ. (ίντσα 1 4), με τη μορφή παράλληλων προσανατολισμένων ινών. Οι φλέβες αμιάντου διαχωρίζονται από το πέτρωμα συνθλίβοντας την εξωτερική επιφάνεια της πέτρας. Τα κομμάτια αμιάντου καθαρίζονται και εξωθούνται στη συνέχεια, σχίζοντας τις ίνες κατά μήκος, μια διαδικασία σχετικά εύκολη. Υπάρχουν τρεις βασικοί τύποι αμιάντου, οι οποίοι είναι δύο διαφορετικών μοριακών δομών: (i) Στον πρώτο τύπο τα ατομικά επίπεδα σχηματίζουν μια δομή που θυμίζει ρολό, καθώς τυλίγονται το ένα πάνω στο άλλο. Αυτή η δομή καλείται ελικοειδής και μοναδικό παράδειγμα αυτής αποτελεί ο πολύτιμος χρυσόλιθος(chrysotile). (ii) Η δεύτερη μοριακή δομή αποτελείται από ατομικές αλυσίδες, ονόματι amphibole, αντιπρόσωποι της οποίας είναι ο αμοσύτης(amosite) και ο γαλάζιος αμίαντος κροκιδολύτης(crocidolite). Whiskers Μονοκρύσταλλοι που αναπτύσσονται σχεδόν χωρίς καμία ατέλεια,ονομάζονται whiskers. Συνήθως έχουν τη μορφή ασυνεχών κοντών ινών διαφορετικών διατομών,και κατασκευάζονται από διάφορα υλικά όπως το γραφίτη, το καρβίδιο του πυριτίου, το χαλκό, σίδηρο κ.λπ. Τα whiskers διαφέρουν από τους κόκκους στο ότι έχουν καθορισμένη αναλογία μήκους πλάτους μεγαλύτερη από τη μονάδα. Επίσης μπορούν να εμφανίσουν εξαιρετικά υψηλές αντοχές, έως 7000MPa [1]. Τα whiskers αναπτύχθηκαν για πρώτη φορά τυχαία στα ερευνητικά εργαστήρια, ενώ παράλληλα στην φύση υπάρχουν κάποιες γεωλογικές δομές που μπορούν να χαρακτηριστούν ως Whiskers. Αρχικά, αγνοήθηκαν και παραμερίστηκαν καθώς θεωρήθηκαν τυχαία υποπροϊόντα άλλων δομών. Εντούτοις, μελέτες γύρω από τις κρυσταλλικές δομές και την ανάπτυξη των μετάλλων διέγειραν το ενδιαφέρον για τα whiskers, καθώς επίσης και η μελέτη των ατελειών και της επίδρασής τους στην αντοχή των υλικών. Αποδεικνύοντας ότι τα whiskers εμφανίζουν τις λιγότερες ατέλειες σε σύγκριση με τα άλλα υλικά, συμπεριελήφθησαν στην κατασκευή συνθέτων υλικών με διάφορες μεθόδους. Η ενίσχυση ενός συστήματος μεταλλικής μήτρας με whiskers έχει επιτευχθεί σε επίπεδο εργαστηρίου. Λόγο όμως του λεπτού και μικρού μεγέθους τους παρουσιάζουν ιδιαίτερη δυσκολία στο χειρισμό τους, γεγονός που εμποδίζει τη χρήση τους με άλλα μηχανικά υλικά προκειμένου να κατασκευαστούν εξαιρετικής ποιότητας σύνθετα. 54

56 Έρευνες έχουν δείξει ότι η αντοχή τους ποικίλλει αντιστρόφως ανάλογα της ονομαστικής διαμέτρου τους. Παρατηρήθηκε ότι whiskers που τοποθετήθηκαν σε μήτρες 2 έως 10 μm παρήγαγαν αρκετά καλά σύνθετα. Τα whiskers κεραμικού υλικού έχουν υψηλά μέτρα ελαστικότητας, χρήσιμες αντοχές και χαμηλές πυκνότητες. Η ειδική αντοχή και το ειδικό μέτρο ελαστικότητας είναι πολύ υψηλά, κάτι που τα καθιστά κατάλληλα για χαμηλού βάρους δομικά σύνθετα. Επίσης εμφανίζουν αντίσταση στη θερμοκρασία, σε μηχανικές φθορές και στην οξείδωση πιο αποτελεσματικά από τα μεταλλικά whiskers, τα οποία είναι πιο πυκνά από τα κεραμικά. Παρ' όλα αυτά, δεν είναι εμπορικά εφαρμόσιμα, καθώς υφίστανται εύκολα φθορά κατά το χειρισμό τους Κοκκώδη σύνθετα Μικροδομές σε μεταλλικά και κεραμικά σύνθετα, που εμφανίζουν κόκκους μιας φάσης διασκορπισμένα μέσα σε μια άλλη, είναι γνωστά ως κοκκώδη σύνθετα particulate composites. Παρ' ότι οι κόκκοι μπορούν να εμφανιστούν σε μια ποικιλία σχημάτων, τετραγωνικοί, τριγωνικοί και στρογγυλοί, παρατηρείται ότι οι διαστάσεις όλων των πλευρών τους είναι λίγο πολύ ίσες. Το μέγεθος του κόκκου και η αναλογία όγκου (volume dispersoid) είναι αυτά που διακρίνουν τα κοκκώδη σύνθετα υλικά από εκείνα τα υλικά με ενίσχυση διασποράς [1]. Το μέγεθος των κόκκων στα κοκκώδη σύνθετα είναι της τάξεως των μικρών και η αναλογία όγκου είναι μεγαλύτερη από 28 τοις εκατό. Η διαφορά μεταξύ ενός κοκκώδους συνθέτου υλικού και της ενίσχυσης με διασπορά είναι επομένως προφανής. Ο μηχανισμός που χρησιμοποιείται για την ενίσχυση των δύο αυτών τύπων υλικών, είναι επίσης διαφορετικός. Η διασπαρμένη φάση στην ενίσχυση με διασπορά ενισχύει τη μήτρα από κράμα εμποδίζοντας την κίνηση των ατελειών και απαιτούνται μεγάλες δυνάμεις για να εξαλειφθεί η αντίσταση αυτή που δημιουργήθηκε με τη διασπορά. Η τρισδιάστατη ενίσχυση στα σύνθετα προσδίδει ισοτροπικές ιδιότητες υλικού, λόγω των τριών συμμετρικών ορθογώνιων επιπέδων. Δεδομένου ότι το υλικό δεν είναι ομοιογενές οι ιδιότητες του εξαρτώνται σημαντικά από τις ιδιότητες των συστατικών του, καθώς επίσης και από τις ιδιότητες της διεπιφάνειας και τη γεωμετρία της διάταξης. Η αντοχή του συνθέτου υλικού εξαρτάται συνήθως από τη διάμετρο των κόκκων, από την μεταξύ τους απόσταση και την αναλογία όγκου της ενίσχυσης. Η συμπεριφορά του κοκκώδους σύνθετου υλικού επηρεάζεται επίσης από τις ιδιότητες της μήτρας Τα κεραμομέταλλα cermets, αποτελούν το πιο παλιό είδος κοκκώδους σύνθετου υλικού και συνήθως αποτελούνται από κεραμικούς κόκκους βορίων, καρβιδίων ή οξειδίων. Οι κόκκοι είναι διασκορπισμένοι σε μία πυρίμαχη όλκιμη μήτρα, η οποία αποτελεί το 20 με 85% του συνολικού όγκου του υλικού. Ο δεσμός μεταξύ των κεραμικών και των μεταλλικών συστατικών είναι αποτέλεσμα ενός μικρού μέτρου αμοιβαίας διαλυτότητας. 55

57 Τα συστήματα μεταλλικών οξειδίων παρουσιάζουν ασθενή διεπιφανειακό δεσμό και απαιτούν την προσθήκη υλικών συγκόλλησης. Οι δομές των cermets παράγονται συνήθως χρησιμοποιώντας τις τεχνικές κατασκευής άμμου που συναντάμε στη μεταλλουργία. Οι πιθανές ιδιότητές που μπορούν να επιτευχθούν είναι πολλές και ποικίλουν ανάλογα με τον όγκο και την σύνθεση των μεταλλικών και κεραμικών συστατικών. Ο εμποτισμός μιας πορώδους κεραμικής δομής με μεταλλική μήτρα, είναι μια άλλη μέθοδος παραγωγής των cermets. Τα cermets μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως επίστρωμα με τη μορφή σκόνης. Η σκόνη ψεκάζεται μέσω μιας φλόγας αερίου και λιώνει σε υλικό βάσης. Μια μεγάλη ποικιλία κεραμομετάλλων έχει παραχθεί σε μικρή κλίμακα αλλά μόνο μερικά από αυτά έχουν εμπορική αξία. Το πιο κοινό σύνθετο κεραμικού μετάλλου είναι το «τσιμεντοποιημένο» καρβίδιο, το οποίο αποτελείται από πάρα πολύ σκληρούς κόκκους ενός δύστηκτου καρβιδίου όπως το καρβίδιο του βολφραμίου(wc) ή το καρβίδιο του τιτανίου(tic), τα οποία είναι εμβαπτισμένα σε μία μήτρα μετάλλου όπως είναι το κοβάλτιο ή το νικέλιο. Τα σύνθετα αυτά χρησιμοποιούνται ως εργαλεία κοπής για σκληρούς χάλυβες, όπου και η μήτρα και η κοκκώδης φάση είναι εντελώς δύστηκτα για να μπορούν να αντέχουν τις μεγάλες θερμοκρασίες που αναπτύσσονται κατά την κοπή υλικών που είναι πάρα πολύ σκληρά. Οι σκληροί κόκκοι καρβιδίου παρέχουν την επιφάνεια κοπής αλλά επειδή είναι πάρα πολύ ψαθυροί δεν είναι δυνατόν να αντέξουν από μόνοι τους τις αναπτυσσόμενες τάσεις κοπής. Με την εισαγωγή όμως της μήτρας όλκιμου μετάλλου, οι κόκκοι του καρβιδίου απομονώνονται μεταξύ τους με αποτέλεσμα να εμποδίζεται η διάδοση των ρωγμών και κατ επέκταση να βελτιώνεται η δυσθραυστότητα του υλικού. Κανένα μονοφασικό υλικό δεν θα μπορούσε να παρέχει τον συνδυασμό αυτών των ιδιοτήτων που εμφανίζουν τα κεραμομέταλλα [2]. Εκτός από τα κοκκώδη σύνθετα κεραμικού μετάλλου, ελαστομερή και πλαστικά υλικά ενισχύονται αρκετά συχνά με όλων των ειδών τα κοκκώδη σύνθετα. Χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι η ενίσχυση των σύγχρονων ελαστικών με «μαύρο του άνθρακα». Το «μαύρο του άνθρακα» αποτελείται από μικρούς σφαιρικούς κόκκους άνθρακα οι οποίοι έχουν παραχθεί με την καύση φυσικού αερίου ή πετρελαίου σε ένα περιβάλλον το οποίο έχει περιορισμένη παροχή αέρος. Όταν οι κόκκοι αυτοί προστεθούν σε μία μήτρα καουτσούκ, βελτιώνεται η εφελκυστική αντοχή, η δυσθραυστότητα και η αντίσταση του υλικού σε απόσχιση. Για την επίτευξη σημαντικής ενίσχυσης από το «μαύρο του άνθρακα», οι κόκκοι έχουν μέγεθος 20 με 50nm, είναι ομοιόμορφα κατανεμημένοι εντός του ελαστικού και σχηματίζουν ισχυρό δεσμό συγκόλλησης με τη μήτρα του καουτσούκ. Ένα άλλο είδος κοκκώδους σύνθετου υλικού, επίσης κοινό σε χρήση, είναι αυτό όπου τη μήτρα και τη διασπαρμένη φάση αποτελούν κεραμικά υλικά. Χαρακτηριστικό παράδειγμα αυτής της κατηγορίας αποτελεί το σκυρόδεμα. Γενικά ο όρος «σκυρόδεμα» αναφέρεται σε ένα σύνθετο υλικό το οποίο αποτελείται από ένα μείγμα κόκκων που συγκρατούνται με κάποια συγκολλητική ουσία προκειμένου να σχηματίσουν ένα στερεό σώμα όπως είναι το 56

58 τσιμέντο. Τα πιο κοινά σκυροδέματα είναι αυτά που κατασκευάζονται από τσιμέντο Portland και άσφαλτο αντίστοιχα και το μείγμα κόκκων αποτελούν το χαλίκι και η άμμος. Τοα ασφαλτικό σκυρόδεμα χρησιμοποιείται ως υλικό οδοστρώματος, ενώ το τσιμέντο Portland ως δομικό υλικό Το σκυρόδεμα Portland αποτελεί σημαντικό υλικό κατασκευών κυρίως γιατί μπορεί να εκχυθεί στον τόπο κατασκευής του και να σκληρυνθεί σε θερμοκρασία δωματίου ακόμα και βυθισμένο σε νερό. Αποτελείται από τσιμέντο Portland, ένα λεπτό μίγμα κόκκων (άμμος), ένα χοντρόκοκκο μίγμα (χαλίκι) και νερό. Με το μίγμα κόκκων διαφορετικού μεγέθους επιτυγχάνεται καλύτερη διεπιφανειακή επαφή και πυκνό πακετάρισμα του μίγματος, καθώς οι κόκκοι της άμμου έρχονται να καλύψουν τα κενά που δημιουργούνται μεταξύ των χαλικιών.. Επιπλέον για να επιτευχθεί βέλτιστη αντοχή σκυροδέματος και δυνατότητα μορφοποίησης τα υλικά πρέπει να προστεθούν στις κατάλληλες αναλογίες. Συνήθως το μίγμα των κόκκων αποτελούν το 60 με 80% του συνολικού όγκου. Η πλήρης συγκόλληση μεταξύ του σκυροδέματος και των κόκκων εξαρτάται επίσης από την προσθήκη της σωστή ποσότητας νερού. Αν και όπως είπαμε αποτελεί σημαντικό δομικό υλικό, παρ όλα αυτά υπάρχουν κάποια μειονεκτήματα όσον αφορά τη χρήση του ως κατασκευαστικό υλικό. Το σκυρόδεμα Portland, όπως συμβαίνει και με τα περισσότερα κεραμικά υλικά, είναι σχετικά ασθενές και ψαθυρό, και η εφελκυστική του αντοχή είναι 10 με 15 φορές μικρότερη από την θλιπτική του αντοχή. Επιπλέον μεγάλες κατασκευές σκυροδέματος ενίοτε υπόκεινται σε σημαντικές θερμικές συστολές και διαστολές με τις μεταβολές τις θερμοκρασίας. Επίσης εμφανίζουν μεγάλο βαθμό ρηγμάτωσης,καθώς το νερό εισχωρεί στους εξωτερικούς του πόρους, σε ψυχρό καιρό ως αποτέλεσμα των κύκλων ψύξης και απόψυξης. Τα μειονεκτήματα αυτά όμως αντιμετωπίζονται με την ενίσχυση ή τη χρήση προσθέτων, όπως συνήθως επιτυγχάνεται με τη χρήση χαλύβδινων βεργών, συρμάτων, ράβδων ή διχτυών., τα οποία εμβαπτίζονται μέσα στο φρέσκο σκυρόδεμα το οποίο δεν έχει ακόμα αντιδράσει χημικά. Με την ενίσχυση αυτή το σκυρόδεμα Portland μπορεί να φέρει μεγαλύτερα εφελκυστικά, θλιπτικά και διατμητικά φορτία. Ο χάλυβας είναι το καταλληλότερο ενισχυτικό υλικό γιατί εμφανίζει τους ίδιους συντελεστές θερμικής διαστολής με το σκυρόδεμα. Εκτός από τον χάλυβα, ως ενισχυτικά υλικά μπορούν να χρησιμοποιηθούν ίνες ενός υλικού με υψηλό μέτρο ελαστικότητας όπως το γυαλί, το νάιλον το πολυαιθυλένιο και ο χάλυβας. Τέλος μια άλλη τεχνική ενίσχυσης του σκυροδέματος είναι η εισαγωγή εσωτερικών θλιπτικών τάσεων στο δομικό στοιχείο, και το υλικό που παράγεται ονομάζεται προεντεταμένο σκυρόδεμα. Σε αυτή την τεχνική, χαλύβδινα σύρματα υψηλής αντοχής τοποθετούνται μέσα σε κενά καλούπια και εφελκύονται με μία πολύ μεγάλη εφελκυστική δύναμη, η οποία διατηρείται σταθερή. Μετά την τοποθέτηση και σκλήρυνση του σκυροδέματος η εφελκυστική τάση ελευθερώνεται. Η τάση μεταφέρεται στο σκυρόδεμα 57

59 μέσα από το δεσμό σκυροδέματος σύρματος που σχηματίζεται και καθώς τα σύρματα επανέρχονται στο αρχικό τους μήκος η κατασκευή τίθεται σε κατάσταση θλίψης. Το σκυρόδεμα αυτού του τύπου πρέπει να είναι υψηλής ποιότητας, να εμφανίζει μικρή συρρίκνωση και να έχει χαμηλό ρυθμό ερπυσμού. Τέτοια σκυροδέματα χρησιμοποιούνται ευρέως σε γέφυρες αυτοκινητοδρόμων και σε σιδηροδρομικές γέφυρες. Εικόνα 2.6: Αριστερά φωτομικρογραφία ενός «τσιμεντοποιημένου» καρβιδίου WC Co. Δεξιά ηλεκτρονική μικρογραφία καουτσουκ ενισχυμένου με «μαύρο του άνθρακα» [Πηγή: Carboloy Systems Department, General Electric Company] Filled Composites Τα filled σύνθετα προκύπτουν από την προσθήκη υλικών πληρώσεως εγκλείσματα (fillers) σε μια μήτρα πλαστικού υλικού προκειμένου να αντικαταστήσουν μια μερίδα της μήτρας, να ενισχύσουν ή να αλλάξουν τις ιδιότητες του συνθέτου. Τα εγκλείσματα ενισχύουν επίσης την αντοχή του υλικού και μειώνουν το βάρος του [1]. Ένας άλλος τύπος filled συνθέτων υλικών προκύπτει με τον εμποτισμό μιας πορώδους δομής (structure infiltrated) με ένα υλικό πληρώσεως ως δεύτερη φάση. Ο σκελετός αυτού του τύπου, είναι κυψελοειδής μορφής, τον οποίο συνθέτουν ομάδες κυττάρων που θυμίζουν ένα δίκτυο ανοικτών πόρων. Το πορώδες αυτό υλικό θα μπορούσε να συνδέει συστατικά όπως σκόνη ή ίνες και όντας ανεξάρτητο της μήτρας ή θα μπορούσε να χρησιμοποιείται απλά για να γεμίζει τα κενά. Τα εγκλείσματα που παράγονται από κόκκους σκόνης λαμβάνονται και αυτά ως κοκκώδη σύνθετα υλικά. Σε ένα πορώδους ή σπογγώδους μορφής σύνθετο, το σχήμα των ανοικτών πόρων μητρών είναι φυσικό αποτέλεσμα της επεξεργασίας τους και τέτοιες μήτρες μπορούν να ενισχυθούν με διαφορετικά υλικά. Μεταλλικά fillers χρησιμοποιούνται για τη βελτίωση 58

60 της αντοχής της μήτρας. Εξαρτήματα που κατασκευάζονται στη μεταλλουργία από χυτά μέταλλα, γραφίτη,υλικά σε μορφή σκόνης και τα κεραμικά, ανήκουν σε αυτή την κατηγορία των filled συνθέτων υλικών. Στις κυψελοειδείς δομές, η μήτρα δεν διαμορφώνεται με φυσικό τρόπο, αλλά σχεδιάζεται ειδικά σε ένα προκαθορισμένο σχήμα. Υλικά σε μορφή επίπεδων φύλλων, εξαγωνικού σχήματος, εμποτίζονται με ρητίνη ή αφρό και χρησιμοποιούνται ως υλικά πυρήνα για τα σύνθετα υλικά τύπου sandwich. Τα fillers μπορούν να είναι το κύριο συστατικό σε ένα σύνθετο υλικό ή πρόσθετα. Οι κόκκοι των fillers μπορούν να είναι ακανόνιστου σχήματος ή να έχουν ακριβείς γεωμετρικές μορφές όπως πολύεδρα, κοντές ίνες ή σφαίρες. Αν και η χρήση των fillers απέχει κατά πολύ από την απόδοση μιας κάποιας αισθητικής στα σύνθετα, πολλές φορές προσδίδουν χρώμα ή διαφάνεια στα σύνθετα στα οποία χρησιμοποιούνται. Σαν αδρανείς πρόσθετες ουσίες, τα fillers μπορούν να αλλάξουν σχεδόν οποιοδήποτε βασικό χαρακτηριστικό ρητίνης σε όλες τις κατευθύνσεις που απαιτούνται, ξεπερνώντας τους περιορισμούς των κυρίων ρητινών που χρησιμοποιούνται στα σύνθετα. Οι τελικές ιδιότητες του συνθέτου εξαρτώνται από τη γεωμετρία, την επιφανειακή επεξεργασία και το μίγμα των κόκκων, το μέγεθος του κόκκου στο υλικό πληρώσεως και την κατανομή (size distribution). Αν και η μήτρα στα filled σύνθετα είναι αυτή που διαμορφώνει τον βασικό όγκο του συνθέτου, το υλικό πληρώσεως χρησιμοποιείται σε τέτοιες ποσότητες έτσι ώστε τελικά να αποτελεί το στοιχειώδες συστατικό και αυτό που προσδίδει στο σύνθετο όλες τις επιθυμητές ιδιότητες. Στις ιδιότητες αυτές περιλαμβάνονται η υψηλή ακαμψία, η θερμική αντίσταση, η σταθερότητα, η αντοχή και η αντίσταση σε γδάρσιμο, πορώτητα και ένας ευνοϊκός συντελεστής θερμικής διαστολής. Παρ' όλα αυτά οι μέθοδοι κατασκευής των fillers είναι περιορισμένες,ενώ είναι γνωστό ότι εμποδίζουν σημαντικά την ίαση μερικών ρητινών και μειώνουν τον κύκλο ζωής τους,καθώς επίσης και ότι αποδυναμώνουν μερικά σύνθετα. Οι μικροσφαίρες θεωρούνται από τα πιο χρήσιμα υλικά πληρώσεως. Η ειδική πυκνότητά τους, το σταθερό μέγεθος κόκκων, η αντοχή και η ελεγχόμενη πυκνότητα κατά τη διαμόρφωση των υλικών χωρίς να απαιτείται συμβιβασμός της αποδοτικότητας των φυσικών ιδιοτήτων τους, είναι από τα πιο χαρακτηριστικά πλεονεκτήματά τους. Οι συμπαγείς μικροσφαίρες, που κατασκευάζονται από γυαλί είναι καταλληλότερες για τα πλαστικά. Οι συμπαγείς μικροσφαίρες γυαλιού επικαλύπτονται με μια ουσία συγκόλλησης που συνδέει την ίδια καθώς επίσης και την επιφάνεια της σφαίρας με τη ρητίνη. Η ουσία αυτή αυξάνει τη δύναμη του δεσμού διασύνδεσης και ουσιαστικά εμποδίζει την απορρόφηση υγρών από τα διαχωριστικά κενά μεταξύ των σφαιρών. 59

61 Οι συμπαγείς γυάλινες σφαίρες έχουν σχετικά χαμηλή πυκνότητα, και επομένως, επηρεάζουν την εμπορική αξία και το βάρος του τελικού προϊόντος. Επίσης, μελέτες έχουν δείξει ότι η έμφυτη αντοχή τους μεταφέρεται στο τελικό διαμορφωμένο υλικό. Οι κοίλες μικροσφαίρες βασίζονται ουσιαστικά σε παράγωγα του οξειδίου του πυριτίου και κατασκευάζονται με συγκεκριμένη ειδική πυκνότητα. Είναι μεγαλύτερες από τις συμπαγείς γυάλινες σφαίρες που χρησιμοποιούνται σε πολυμερικές μήτρες και εμπορικά διατίθενται σ ένα μεγάλο εύρος μεγεθών. Αρχικά οι κοίλες μικροσφαίρες χρησιμοποιούνταν κυρίως σε θερμοστατικά συστήματα ρητίνης (thermosetting resin systems). Σήμερα διατίθενται διάφορες νέες, πιο ισχυρές μικροσφαίρες,που υπερέχουν των κοίλων μικροσφαιρών σε αντοχή, σε στατική θραύση και σε παρατεταμένη διάτμηση. Σύνθετα νιφάδων(flake composites) Οι νιφάδες χρησιμοποιούνται συχνά έναντι των ινών, καθώς μπορούν να στοιβαχθούν αρκετά πυκνά. Μεταλλικές νιφάδες σε πολυμερή μήτρα που βρίσκονται σε στενή επαφή η μια με την άλλη, λειτουργούν ως καλοί αγωγοί ηλεκτρικής ενέργειας ή θερμότητας, ενώ αντίστοιχα οι mica νιφάδες και το γυαλί, λειτουργούν ως μονωτές και των δύο [1]. Υπολείπονται όμως των προσδοκιών σε θέματα που αφορούν τον έλεγχο του μεγέθους, της μορφής και της εμφάνισης ατελειών στο τελικό προϊόν. Οι νιφάδες γυαλιού τείνουν να εμφανίζουν εγκοπές ή ρωγμές γύρω από τις άκρες, οι οποίες αποδυναμώνουν το τελικό προϊόν. Επίσης, πολύ δύσκολα διατάσσονται παράλληλα στο εσωτερικό της μήτρας με αποτέλεσμα να εμφανίζεται ανομοιογένεια στην αντοχή. Συνήθως τοποθετούνται σε μήτρες, ή καλύτερα, διατηρούνται συνδεδεμένα μεταξύ τους από μια μήτρα με ένα υλικό συγκόλλησης,τύπου κόλλας. Ανάλογα με την προοριζόμενη χρήση του τελικού προϊόντος οι νιφάδες χρησιμοποιούνται σε μικρές ποσότητες ή καταλαμβάνουν το μεγαλύτερο μέρος του σύνθετου υλικού. Εντούτοις, οι νιφάδες εμφανίζουν πλεονεκτήματα έναντι των ινών σε δομικές εφαρμογές. Νιφάδες με παράλληλη διάταξη στο εσωτερικό του συνθέτου, παρέχουν ομοιόμορφες μηχανικές ιδιότητες στο ίδιο επίπεδο με τις νιφάδες. Επιπλέον, ενώ η τοποθέτηση φύλλων (angle plying) υπό γωνία είναι δύσκολο να συμβεί με συνεχείς ίνες, καθώς πρέπει να επιτύχουν ισοτροπικές ιδιότητες, με τις νιφάδες δεν ισχύει. Τα σύνθετα ενισχυμένα με νιφάδες έχουν θεωρητικά υψηλότερο μέτρο ελαστικότητας από τα ινώδη σύνθετα. Είναι σχετικά φτηνότερα για να παραχθούν, συνήθως κοστίζουν λιγότερο από τα ινώδη και μπορούν να επεξεργαστούν σε μικρές ποσότητες. 60

62 2.3 Δομικά σύνθετα υλικά Νέοι τύποι συνθέτων υλικών κατασκευάζονται συνεχώς, κάθε ένα για τον δικό του συγκεκριμένο σκοπό. Τα σύγχρονα σύνθετα υλικά είναι κυρίως δομικά υλικά, τα οποία χρησιμοποιούνται συνήθως με τη μορφή ελασμάτων (laminate composites), δομικά υλικά συγκεκριμένου σχήματος (pultruded composites), και δομών τύπου sandwich (sandwich panels) Πολύστρωτα Σύνθετα Υλικά (Laminated Composites) Τα πολύστρωτα σύνθετα, αποτελούνται από διαφορετικά στρώματα υλικών τα οποία τους προσδίδουν εκείνα τα χαρακτηριστικά, απαραίτητα για την εφαρμογή για την οποία προορίζονται. Τα φύλλα αυτά δεν εναποτίθενται σε κάποια μήτρα, αλλά η μήτρα βρίσκεται ήδη στο εσωτερικό τους, και ίνες διαφορετικών συνθέσεων συνδυάζονται έτσι ώστε να επιτευχθούν συγκεκριμένα μηχανικά χαρακτηριστικά. Υψηλής απόδοσης πολυμερή δομικά σύνθετα, αποτελούνται συνήθως από στρώματα (layers) ή ελάσματα, γνωστά ως laminea, στοιβαγμένα σε μια προκαθορισμένη διάταξη. Για να είναι δυνατή η πρόβλεψη των ελαστικών ιδιοτήτων του υλικού στο σύνολό του, κάθε έλασμα lamina λαμβάνεται ως ομοιογενές υπό την έννοια ότι η διάταξη των ινών και η αναλογία όγκου τους παραμένει ιδια καθ' όλο το μήκος του ελάσματος. Οι ίνες στα ελάσματα μπορούν να είναι συνεχείς ή κοντές σε μήκος, και μπορούν να είναι ευθυγραμμισμένες σε μια ή περισσότερες διευθύνσεις ή να διανέμονται τυχαία σε δύο ή τρεις διαστάσεις [4]. Στην πράξη, τα σύνθετα υλικά σπάνια εμφανίζονται με τη μορφή ενός ενιαίου ελάσματος, αντίθετα κατασκευάζονται από διάφορα ελάσματα καλά συνδεδεμένων μεταξύ τους. Εάν τα μεμονωμένα ελάσματα έχουν κατασκευαστεί με τις ίνες τυχαία προσανατολισμένες σε μια μήτρα, το προκύπτον σύνθετο υλικό θα εμφανίζει παρόμοιες επίπεδες ιδιότητες, οι οποίες θα είναι σχεδόν ισότροπες. Εάν, εντούτοις, κάθε ένα από τα ελάσματα εμφανίζει ορθότροπες ιδιότητες, δυνάμει του προσανατολισμού των ινών στη μήτρα, τότε οι ιδιότητες του προκύπτοντος σύνθετου υλικού θα εξαρτηθούν από την τελική διάταξη που θα λάβει το κάθε ένα έλασμα στο εσωτερικό του. Κατά την κατασκευή των πολύστρωτων συνθέτων υλικών, κατά την οποία πλήθος ελασμάτων συνδέονται διαδοχικά μεταξύ τους, υπάρχει ένα λεπτό στρώμα ρητίνης που δεν περιέχει ίνες το οποίο τοποθετείται ανάμεσα τους. Εάν το σύνθετο επρόκειτο στη συνέχεια να υποβληθεί σε καμπτική φόρτιση, διατμητικές τάσεις θα αναπτυχθούν κατά μήκος της κάθετης διατομής του, των οποίων το εύρος τιμών θα εξαρτηθεί από την διατμητική αντοχή της μήτρας. Γενικά οι τιμές της διατμητικής αντοχής είναι χαμηλές και μπορούν να οδηγήσουν στην αποκόλληση των παρακείμενων ελασμάτων. Αυτό αποτελεί 61

63 μια από τις βασικότερες αιτίες αστοχίας των πολύστρωτων συνθέτων υλικών υπό καμπτική φόρτιση. Ο λόγος που μέχρι τώρα αναφερθήκαμε μόνο στην ανάπτυξη εσωτερικών τάσεων, είναι ότι το πάχος του ελάσματος είναι πάρα πολύ μικρό για να αντέξει τη φόρτιση. Εντούτοις, εάν το πάχος του συνθέτου αυξηθεί με την προσθήκη περισσοτέρων ελασμάτων, το υλικό θα είναι σε θέση να αντέξει διατμητικές και καμπτικές τάσεις ταυτόχρονα. Επιπλέον, εάν το σύνθετο κατασκευαστεί από τυχαία προσανατολισμένες ίνες, τότε παράγεται ένα υλικό ομοιόμορφου πάχους με σχεδόν ισότροπες ιδιότητες. Παρ' όλα αυτά, αν το πάχος διαμορφώνεται από διάφορα ελάσματα των οποίων οι ιδιότητες ποικίλλουν ανάλογα των διευθύνσεων, τότε μπορεί να μην είναι ομοιόμορφο σε όλο το σύνθετο. Δύο απλές διατάξεις των ελασμάτων σε πολύστρωτα σύνθετα, εμφανίζονται στην εικόνα 2.8. Ένα έλασμα laminae μονής κατεύθυνσης συχνά καλείται ply και μία στοίβα ελασμάτων καλείται laminate φύλλο. Ένα επίπεδο laminate, όπως φαίνεται στην εικόνα 2.8α αποτελείται από όμοια μονής κατεύθυνσης laminae ή plies στοιβαγμένα παρακείμενα σε γωνία 90ο το ένα με το άλλο. Η διάταξη αυτή είναι χαρακτηριστική, αν και αρκετά απλουστευμένη, του υλικού που χρησιμοποιείται σε υψηλής ακαμψίας εφαρμογές στα αεροσκάφη. Το κυρτό laminate, εικόνα 2.8β, αποτελεί τμήμα του τοιχώματος ενός κυλινδρικού δοχείου. Αυτή τη φυλλόμορφη διαμόρφωση τη συναντάμε συνήθως στους σωλήνες πιέσεως και σε δοκούς. Στο συγκεκριμένο παράδειγμα, το εσωτερικό έλασμα από chopped strand mat και τα εξωτερικά ελάσματα, έχουν τέτοια διάταξη ώστε οι ίνες τους να είναι προσανατολισμένες υπό ± 55 του άξονα του κυλίνδρου. Αυτή η διάταξη είναι εμφανής στην εικόνα 2.9α όπου τα plies τοποθετούνται διαγώνια το ένα πάνω στο άλλο. Η ακολουθία της διάταξης, σε σχέση με την χ διεύθυνση, δηλώνεται ως εξής: 0 /90 /O2O /90/0, και απλοποιείται σε [0/90/02/90/0], όπου ο αριθμός 2 υποδηλώνει ότι υπάρχουν δύο φύλλα plies στην διεύθυνση των 0. Δεδομένου ότι, στην περίπτωση αυτή, η διάταξη είναι συμμετρική ως προς το μεσαίο επίπεδο, ο παραπάνω ορισμός της ακολουθίας απλουστεύεται σε [0/90/0]s, όπου ο δείκτης s δηλώνει ότι η ακολουθία των επίπεδων φύλλων επαναλαμβάνεται συμμετρικά. Παρόμοια, τα φύλλα υπό γωνία, όπως παρουσιάζονται στην εικόνα 2.9β ορίζεται ως [0/+60/602/+60/0], το οποίο εν συντομία γράφεται ως [0/+60/60]s ή [0/±60]s. Όταν τα plies δεν έχουν το ίδιο πάχος ή αποτελούνται από διαφορετικά υλικά, είναι απαραίτητο να καθοριστούν τόσο το υλικό όσο και το πάχος κάθε στρώματος, καθώς επίσης και ο προσανατολισμός των ινών. Κατά συνέπεια, η σημείωση παίρνει την μορφή [90/0/2Rc)/(2Rc/0/90)/Rc0.75] και αναφέρεται σε ένα laminate με τις ίνες προσανατολισμένες στις διευθύνσεις 0 και 90, αποτελούμενο από στρώματα τυχαίας ενίσχυσης (Rc) δύο διαφορετικών πυκνοτήτων, Rc και 0.75 Rc. Ομοίως, η σημείωση Kevlar 49/T300 άνθρακας/kevlar 49, [03/± 45/90]s αναφέρεται σε ένα συμμετρικό πολύστρωτο με τρία φύλλα plies, ένα με ίνες Kevlar 49 προσανατολισμένες 62

64 στις +45, ένα με T300 ίνες άνθρακα στην διεύθυνση των 49 ο, και ένα με ίνες Kevlar στις 90. Επιπρόσθετα, εκτός από την ένδειξη του προσανατολισμού των ελασμάτων, μια ένδειξη της διεύθυνσης αναφοράς ( χ διεύθυνση στο παράδειγμα της εικόνας 2.9 είναι επίσης απαραίτητο να συμπεριληφθεί στη σημείωση για τα μη συμμετρικά πολύστρωτα, ώστε να συσχετίζεται η ακολουθία της διάταξης με τη μορφή του σύνθετου υλικού. Κατά συνέπεια, στο παράδειγμα της εικόνας 2.8 οι τυχαία προσανατολισμένες ίνες βρίσκονται στο εσωτερικό του σωλήνα, έτσι ώστε η ακολουθία διάταξης να είναι: έξω[+55/ 55/Rc] μέσα. Εικόνα 2.7: Απεικόνιση (α) επίπεδης και (β) κυλινδρικής πολύστρωτης πλάκας Pultruded Composites Σύνθετα δομικά υλικά είναι διαθέσιμα σε τυποποιημένα σχήματα και μεγέθη. Αυτά είναι μακριά και ευθύγραμμα κατασκευαστικά εξαρτήματα, σταθερής διατομής, που κατασκευάζονται με διέλαση/εξέλαση και καλούνται pultrusions. Οι ιδιότητες και η απόδοσή τους είναι γνωστές, παρέχοντας έτσι την δυνατότητα δομικής ανάλυσης. Ως εκ τούτου ο σχεδιασμός των δομικών κατασκευών μπορεί να βασιστεί εξ ολοκλήρου σε αυτά τα έτοιμα σύνθετα υλικά. Επιπρόσθετα, τα σύνθετα υλικά γενικότερα και τα pultrusions ειδικότερα, μπορούν να κατασκευαστούν στα μέτρα μιας δεδομένης εφαρμογής, επιτυγχάνοντας έτσι το βέλτιστο σχεδιασμό για τη συγκεκριμένη κατασκευή. 63

65 Εικόνα 2.8 Διάταξη των plies σε (α) σε κάθετα τοποθετημένα φύλλα και (β) σε φύλλα υπογωνία 64

66 Εικόνα 2.9 Διάφορες μορφές των pultruded composites Στην περίπτωση του βέλτιστου σχεδιασμού, δεν σχεδιάζεται μόνο η γεωμετρία (μορφή) του, αλλά και το ίδιο το υλικό. Ο σχεδιασμός του υλικού και η γεωμετρία του δεν μπορούν να αντιμετωπιστούν μεμονωμένα. Τα υποψήφια υλικά για μια δεδομένη εφαρμογή αναλύονται και συγκρίνονται και η διαδικασία επαναλαμβάνεται έως ότου βρεθεί η βέλτιστη λύση. Τα κριτήρια απόδοσης καθορίζουν εάν ένα τυποποιημένο δομικό στοιχείο αποτελεί την κατάλληλη λύση για μια συγκεκριμένη κατασκευή. Εάν όχι, πρέπει να επανασχεδιαστεί. Η 65

67 γεωμετρία ενός pultruded πολύστρωτου, καθορίζεται από τις απαιτήσεις της εφαρμογής για την οποία προορίζεται το υλικό και από τους περιορισμούς που επιβάλλει η διαδικασία παραγωγής του. Τα βασικά χαρακτηριστικά της γεωμετρίας των pultruded laminates είναι το πάχος, οι ακτίνες των γωνιών ή καμπύλων, το συνολικό μέγεθος, ο αριθμός των κοιλοτήτων και η θέση των επιπέδων ενίσχυσης. Πάχος Thickness : Τα παχιά δομικά στοιχεία απαιτούν περισσότερο χρόνο για τη θέρμανση του καλουπιού και για τη διείσδυση του μετάλλου και επομένως επεξεργάζονται πιο αργά από τα λεπτότερα δομικά στοιχεία. Είναι επομένως θεμιτό να περιοριστεί το πάχος των τοιχωμάτων τους στο ελάχιστο, σε ισορροπία όμως με την επίτευξη των απαραίτητων ιδιοτήτων. Το πάχος των pultrusions κυμαίνεται μεταξύ των 1mm με 50 mm (0.04 έως 2 ίντσες) ή περισσότερο. Εντούτοις, ένα πιο πρακτικό εύρος είναι από 2 mm με 20mm (0.08 έως 0.8 ίντσες). Ακτίνες: Ως γενικός κανόνας έχει υιοθετηθεί οι ακτίνες γωνιών να είναι όσο μεγαλύτερες γίνεται ώστε να αποφεύγεται η δημιουργία αιχμηρών γωνιών και επομένως η συγκέντρωση τάσεων. Το πάχος επίσης θα πρέπει να διατηρηθεί σταθερό καθ' όλη την ακτίνα, διαφορετικά θα χρειαστεί να τροποποιηθούν τοπικά τα στρώματα ενίσχυσης. Η ελάχιστη αποδεκτή εσωτερική ακτίνα είναι 1.5 mm. (0.06 ίντσες), ενώ η εξωτερική ακτίνα ορίζεται ως το πάχος τοιχώματος συν την εσωτερική ακτίνα. Συνολικό μέγεθος: Το μέγιστο μέγεθος που μπορεί να τυποποιηθεί, φυσικά, υπαγορεύεται από τις διαστάσεις και την εφελκυστική ικανότητα της διαθέσιμης μηχανής. Η εφελκυστική ικανότητα των μηχανών αυτών ποικίλλει από ένα ελάχιστο μεταξύ 125 mm και 40 mm (4.92 από 1.57 ίντσες) με εφελκυστική αντοχή 500Kg(1,102.5 Ib), μέχρι ένα μέγιστο μεταξύ mm και 165 mm. (39.37 από 6.50 ίντσες) με εφελκυστική αντοχή 15t(14.76 τόνος). Διατίθεται επομένως ένα εύρος μεγεθών, από πολύ μικρά συμπαγή τμήματα, μέχρι πολύ μεγάλα κοίλα κομμάτια. Κοιλότητες (cavities): Οι κοιλότητες είναι συνήθεις στα pultruded composites. Είναι πολύ αποδοτικές δομές αλλά παρουσιάζουν προβλήματα παραγωγής, ιδιαίτερα εάν υπάρχουν πολλαπλές κοιλότητες. Εάν οι κοιλότητες μπορούν να αποφευχθούν χωρίς να επηρεαστεί η απόδοση του υλικού είναι προτιμότερο να γίνεται. Διαφορετικά ο αριθμός τους θα πρέπει να περιορίζεται στο ελάχιστο. Τα κοίλα σχήματα συχνά απαιτούν επιπρόσθετη ενίσχυση, κάτι πού μπορεί να οδηγήσει σε αλλαγές του πάχους του υλικού προκειμένου να συμπεριληφθεί το επιπλέον υλικό. Τα χαρακτηριστικά απόδοσης και τα στοιχεία τυπικών δομικών pultruded υλικών, διατίθενται έτσι ώστε να είναι δυνατή η ανάλυση κατασκευής, με βάση την αντοχή των υλικών. Όπως και κατά στον σχεδιασμό των μετάλλων, του ξύλου κ.λπ., τα pυltruded υλικά λαμβάνονται ως ομοιογενή. Αυτό επιτρέπει την χρήση των συμβατικών μηχανικών τύπων για την παρεμβολή των αποτελεσμάτων μιας δοκιμής σε συγκεκριμένο σχεδιαστικό πρόβλημα. 66

68 Pultrusions με ίνες γυαλιού έχουν ένα σημαντικά χαμηλότερο μέτρο ελαστικότητας από το χάλυβα ή το αλουμίνιο. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα την ανάπτυξη μιας σχεδιαστικής διαδικασίας, της οποίας πρώτιστο ενδιαφέρον αποτελούν τα όρια των ατελειών και εν συνεχεία οι απαιτήσεις αντοχής, οι οποίες εμφανίζονται να είναι γενικά ικανοποιητικές. Το χαμηλό μέτρο ελαστικότητας αυτών των συνθέτων απαιτεί επίσης τα χαρακτηριστικά λυγισμού να εκτιμώνται πιο προσεκτικά από ότι θα συνέβαινε στην περίπτωση του χάλυβα. Αντίθετα, τα Pultrusions με ίνες άνθρακα έχουν υψηλό μέτρο ελαστικότητας, του ίδιου μεγέθους με το χάλυβα, και επομένως ο λυγισμός για αυτά αποτελεί λιγότερο σημαντικό πρόβλημα. Η διατμητική αντοχή τους όμως είναι σχετικά χαμηλή ευνοώντας την ανάπτυξη ρωγμών στις άκρες λόγω διάτμησης, ενδεχομένως παρόμοιου μεγέθους με εκείνες που εμφανίζονται λόγω κάμψης. Επομένως είναι σημαντικό να μπορούμε να υπολογίζουμε αυτές τις ρωγμές για να επιβεβαιώνουμε τη σημασία τους (αν είναι ασήμαντες ή πρέπει να ληφθούν υπόψη). Τα σύνθετα δεν εμφανίζουν περιοχή λυγισμού κατά το μηχανισμό τάσης /παραμόρφωσης. Επομένως δεν μπορούμε να στηριχτούμε στην εμφάνιση τοπικού λυγισμού για την αντιμετώπιση συγκεκριμένων σχεδιαστικών προβλημάτων, όπως συμβαίνει στον σχεδιασμό του χάλυβα. Η συγκέντρωση τάσης, που εμφανίζεται λόγω της μη ευθυγράμμισης των στοιχείων, θα παραμείνει σταθερή οδηγώντας σε πρόωρη αστοχία, κάτι που θα πρέπει να αποφευχθεί. Η έλλειψη περιοχής λυγισμού στα σύνθετα,δημιουργεί επίσης την ανάγκη χρήσης διαλυτών για την απομάκρυνση των τάσεων από τα σημεία συγκέντρωσης και την ομοιόμορφη κατανομή τους στο εσωτερικό του υλικού. Εάν η μήτρα ρητίνης σε ένα σύνθετο υλικό δεν εμφανίζει ικανοποιητική παραμόρφωση σε αστοχία, τότε είναι δυνατόν να εμφανιστούν μικρορωγμές σε τάση πολύ χαμηλότερου επιπέδου από τη μέγιστη αντοχή του συνθέτου. Αυτό επιτρέπει την επίδραση του περιβάλλοντος,όπου εάν είναι ιδιαίτερα επιθετικό προς τις ίνες μπορεί να οδηγήσει σε πρόωρη αστοχία. Ως εκ τούτου, η χρήση των συνθέτων υλικών σε επιθετικά περιβάλλοντα,όπως σε χημικές εγκαταστάσεις, επιτάχυνε την ανάπτυξη σχεδιαστικών μεθόδων για τον περιορισμό των τάσεων. Εντούτοις, οι μέθοδοι αυτοί αναγνωρίζουν ότι ακόμα και αν μια δομή σχεδιαστεί επαρκώς υπό περιορισμούς τάσης, μπορεί να υποστεί μη αποδεκτές παραμορφώσεις Πάνελ τύπου Sandwich Μια κατασκευή τύπου sandwich αποτελείται από ένα χαμηλης πυκνότητας πυρήνα, ο οποίος τοποθετείται μεταξύ δύο δύσκαμπτων face ή skin υλικών. Τα τμήματα μιας δομής sandwich αποτελούν αποδοτικά δομικά τμήματα ικανά να φέρουν αξονικά ή καμπτικά φορτία. Υπό καμπτικά φορτία, μια δοκός η ένα πάνελ τύπου sandwich συμπεριφέρεται με παρόμοιο τρόπο με μία επίπεδη υψίκορμη δοκό, όπου το υλικό επιφάνειας υποστηρίζει τη 67

69 ροπή εντός της διατομής, και το υλικό πυρήνα, με χαμηλότερο διατμητικό μέτρο, ενισχύει την διατμητική τάση εντός της διατομής. Οι δοκοί ή τα πάνελ τύπου sandwich μπορούν να διακριθούν σε δύο τύπους:(i) σε αυτόν με υλικό πυρήνα χαμηλού διατμητικού μέτρου, έτσι ώστε το sandwich να υποβάλλεται στη σημαντική διατμητική παραμόρφωση κατά την φόρτιση, και (ii) σε εκείνον με υλικό πυρήνα ένα σχετικά υψηλού μέτρου διάτμησης πυρήνα, έτσι ώστε το sandwich να είναι αρκετά δύσκαμπτο και η παραμορφώσεις διάτμησης να είναι μικρές. Μια δοκός τύπου sandwich αποτελείται από δύο λεπτά, δύσκαμπτα και ανθεκτικά φύλλα ενός σχετικά πυκνού υλικού, το οποίο στην παρούσα περίπτωση είναι ένα σύνθετο υλικό. Τα φύλλα αυτά διαχωρίζονται από ένα παχύ στρώμα ενός υλικού χαμηλής πυκνότητας, όπου στην ανωτέρω (ι) περίπτωση είναι ένα αφρώδες πολυμερές (polymer foam) ή ένα υλικό με κυψελοειδή μορφή, και στην (ii) περίπτωση είναι ένα σύνθετο υλικό ελαφρώς χαμηλότερου μέτρου διάτμησης από το υλικό επιφάνειας. Η ακαμψία αυτών των διατάξεων είναι πολύ μεγαλύτερη από αυτή ενός συμπαγούς στερεού επιπέδου, του ίδιου συνολικού βάρους και του ίδιου υλικού με αυτό των εξωτερικών επιφανειών του sandwich. Στην εικόνα 2.10 παρουσιάζονται χαρακτηριστικές δομές συστημάτων sandwich. Εικόνα 2.10 Δομές κατασκευών τύπoυ sandwitch Το υλικό του πυρήνα πρέπει να είναι αρκετά δύσκαμπτο στην διεύθυνση κάθετα στις εξωτερικές επιφάνειες, ώστε να εξασφαλίζεται ότι η απόσταση μεταξύ τους παραμένει σταθερή. Πρέπει επίσης να είναι αρκετά δύσκαμπτο σε διάτμηση, ώστε να αποφεύγεται η ολίσθηση των εξωτερικών επιφανειών όταν το panel υπόκειται σε κάμψη. Επίσης, ο πυρήνας θα πρέπει να αντιστέκεται στην εμφάνιση τοπικού λυγισμού όταν εφαρμόζονται θλιπτικές τάσεις στο επίπεδό του. Ο βαθμός ακαμψίας του πυρήνα επηρεάζει τις διαδικασίες ανάλυσης και σχεδιασμού του πάνελ. Όσο χαμηλότερη είναι η πυκνότητα του υλικού πυρήνα, τόσο μικρότερη θα είναι και η συμβολή του στην κάμψη, ενώ την ίδια στιγμή απλοποιείται η ανάλυση τάσης/παραμόρφωσης. 68

70 Χαμηλής πυκνότητας rigid foam υλικά για κατασκευές sandwich. Ένα πολυμερές σε κυψελοειδή μορφή λαμβάνεται εδώ ως ένα συμπαγές υλικό, του οποίου η πυκνότητα μειώνεται σημαντικά με την παρουσία πολυάριθμων κυψελών που διασκορπίζονται σε όλη τη μάζα του. Διαστελλόμενα πλαστικά(expanded plastics), αφρώδη πλαστικά (foam plastics) και οι άκαμπτοι αφροί (rigid foams), αποτελούν διφασικά συστήματα ενός διασπαρμένου αερίου σε ένα συμπαγές πλαστικό. Στις περισσότερες περιπτώσεις το συμπαγές πλαστικό εκπροσωπεί μόνο ένα μικρό ποσοστό του συνολικού όγκου του υλικού, αλλά συμβάλλει σημαντικά στις ιδιότητες και τη χρηστική αξία του αφρώδες υλικού. Η φάση του αερίου σε ένα κυψελοειδές πολυμερές διανέμεται συνήθως σε κενά ή θήκες, που ονομάζονται κυψέλες ή κελιά cells. Αν τα κελιά αυτά αλληλοσυνδέονται, τότε το υλικό καλείται open cell. Αντίθετα αν τα κελιά είναι διακριτά και η αέρια φάση στο κάθε ένα είναι ανεξάρτητη της αέριας φάσης του άλλου κελιού, τότε το υλικό ονομάζεται closed cell. Τα αφρώδη πλαστικά διακρίνονται σε άκαμπτα η εύκαμπτα. Τα άκαμπτα αφρώδη πλαστικά είναι αυτά που χρησιμοποιούνται σε κατασκευές τύπου sandwich. Τα υλικά με κυψελοειδή μορφή, αποτελούνται από πολύ λεπτά φύλλα συνδεδεμένα με τέτοιο τρόπο μεταξύ τους ώστε η διασύνδεση μεταξύ των κελιών να θυμίζει τις κυψέλες των μελισσών που απαντώνται στη φύση. Η ανάπτυξη της σύγχρονης μορφής υλικών κυψελωτού τύπου, άρχισε στην αρχή του δεύτερου παγκόσμιου πολέμου όταν χρησιμοποιήθηκαν στην κατασκευή αεροσκαφών. Η εξαγωνική μορφή του πυρήνα είναι μια από τις πιο συνήθεις δομές, όπου σε δομικές κατασκευές το υλικό αυτό πυρήνα συνδέεται με τα face σύνθετα υλικά με ένα δεσμό διασύνδεσης. Οι κυψελωτοί πυρήνες μπορούν να κατασκευαστούν από μη μεταλλικά υλικά,όπως είναι τα πολυμερή ενισχυμένα με ίνες γυαλιού, το Nomex και τα φύλλα Kraft. Οι κόλλες παρέχονται με τη μορφή ταινίας, πάστας και υγρή μορφή και αποτελούνται από epoxies, phenolics, polyimides και urethanes. Τα δομικά σύνθετα πάνελ τύπου sandwich που χρησιμοποιούνται στην αεροναυπηγική, αποτελούνται συνήθως από ινώδη σύνθετα υλικά άνθρακα/εποξικής ρητίνης ως face υλικά, και από πολυμερές για κυψελωτό πυρήνα. Τα panel που προορίζονται για οικοδομικές εφαρμογές, κατασκευάζονται από τυχαία προσανατολισμένα σύνθετα πολυεστέρα και αφρώδη πυρήνα. Οι δομές αυτές χρησιμοποιούνται σε δομικές ή ημι δομικές εφαρμογές και φέρουν ως επί το πλείστον σχετικά μικρά φορτία για μεγάλο χρονικό διάστημα. Τα panel θα πρέπει να κατασκευάζονται ελαφριά και σχετικά φτηνά. Στη βιομηχανία οικοδομών, αναπτύσσονται συνεχώς νέα υλικά και νέοι συνδυασμοί παλαιοτέρων υλικών τα οποία χρησιμοποιούνται σε κατασκευές τύπου sandwich. Πέρα από τη χρήση τους ως δομικά υλικά, τα sandwich μπορούν να χρησιμοποιηθούν και ως υλικά μόνωσης. Ενδέχεται όμως να παρουσιάσουν προβλήματα που σχετίζονται με την ηχομόνωση, τη μετάδοση ατμού και την αντίσταση πυρκαγιάς. 69

71 2.4 Βιο σύνθετα και «πράσινα» σύνθετα υλικά Στο κομμάτι αυτό της εργασίας εξετάζεται μια πρόσφατη έρευνα που αφορά τις διάφορες πτυχές των κυτταρινικών ινών και των έμβιο σύνθετων υλικών (biocomposites). Απαριθμούνται τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα της χρήσης αυτών των ινών, και μελετώνται οι διάφορες κλάσεις ταξινόμησης των έμβιο σύνθετων σε πράσινα σύνθετα, υβριδικά έμβιο σύνθετα και textile έμβιο σύνθετα. Παρουσιάζονται επίσης νέες έρευνες που αφορούν τα βασισμένα σε κυτταρινικές ίνες νανο σύνθετα (nanocomposites) και την τεχνική παραγωγής νανο πολυμερικών ινών, elecrospinning. Τέλος αναφέρονται ορισμένα παραδείγματα ερευνών που μελετούν τα ανωτέρω θέματα και επισημαίνονται οι εφαρμογές των ενισχυμένων με ίνες κυτταρίνης πολυμερών σύνθετων υλικών. Ίνες λιγνό κυτταρίνης/φυσικές ίνες (Lignocellulosic fibers/natural fibers) Οι φυσικές ίνες κατηγοριοποιούνται με βάση την προέλευσή τους και διακρίνονται αντίστοιχα σε φυτικές, ζωικές και σε εκείνες με πρωτογενή πηγή τα μεταλλεύματα. Όλες οι φυτικές ίνες αποτελούνται από κυτταρίνη ενώ οι ζωικές αποτελούνται από πρωτεΐνες (τρίχα, μετάξι, και μαλλί). Οι φυτικές ίνες περιλαμβάνουν τις ίνες βλαστού (ή το μίσχο ή μαλακό σκληρέγχυμα), ίνες φύλλων, ίνες από σπόρους, φρούτα, ξύλο,από άχυρο δημητριακών και από άλλες ίνες χλόης. Τα τελευταία χρόνια, έχουν διεξαχθεί διάφορες έρευνες που αποσκοπούν στην εκμετάλλευση των φυσικών ινών ως συστατικά μέρη των σύνθετων υλικών, ικανά να φέρουν φορτία. Η χρήση τέτοιων υλικών στα σύνθετα έχει αυξηθεί λόγω του σχετικά χαμηλού κόστους τους, της δυνατότητάς τους να ανακυκλώνονται και για το γεγονός ότι μπορούν να ανταποκριθούν πολύ καλά όσον αφορά την αντοχή ανά πυκνότητα υλικού. Οι φυτικές ίνες μπορούν να θεωρηθούν ως φυσικά σύνθετα αποτελούμενα κυρίως από ινίδια κυτταρίνης εμποτισμένα από μια μήτρα λιγνίνη. Τα ινίδια κυτταρίνης ευθυγραμμίζονται κατά μήκος της ίνας παρέχοντας μέγιστη εφελκυστική και καμπτική αντοχή, και ενισχύοντας επιπλέον την ήδη υπάρχουσα ακαμψία. Η αποτελεσματικότητα της ενίσχυσης που προσφέρει μια φυτική ίνα εξαρτάται από τη φύση της κυτταρίνης και την κρυσταλλικότητά της. Τα κύρια συστατικά των φυτικών ινών είναι κυτταρίνη(α κυτταρίνη), ημικυτταρίνη, λιγνίνη, πηκτίνη και διάφορα κεριά. Η ημικυτταρίνη δεν αποτελεί μια μορφή κυτταρίνης παρά την παραπλανητική της ονομασία. Περιλαμβάνει μια ομάδα πολυσακχαριτών η οποία συντίθεται από το συνδυασμό 5 6 δακτυλίων άνθρακα σακχάρων (carbon ring sugars). Η λιγνίνη είναι ένα πολύπλοκο πολυμερές υδρογονανθράκων με ταυτόχρονα αλειφατικά και αρωματικά συστατικά. Είναι αδιάλυτη στους περισσότερους διαλύτες και δεν μπορεί να αναλυθεί σε μονομερείς ομάδες. Η λιγνίνη είναι από τη φύση της άμορφη και υδροφοβική. Αποτελεί εκείνο το συστατικό που προσδίδει ακαμψία στα φυτά. 70

72 Πηκτίνες είναι η γενική ονομασία για τους ετεροπολυ σακχαρίτες (heteropolysaccharides) και αποτελούν εκείνα τα συστατικά που προσδίδουν στα φυτά ευελιξία. Τα κεριά αποτελούν το τελευταίο μέρος των ινών και αποτελούνται από διάφορους τύπους αλκοολών. Οι έμβιο ίνες μπορούν να θεωρηθούν ως σύνθετα τα οποία συντίθενται από μη συμπαγή ινίδια κυτταρίνης, εμποτισμένα σε μία μήτρα λιγνίνης και ημικυτταρίνης. Το κυψελοειδές τοίχωμα μιας ίνας δεν αποτελεί ομοιογενή μεμβράνη. Την κάθε ίνα χαρακτηρίζει μια πολύπλοκη πολύστρωτη δομή, η οποία αποτελείται από ένα λεπτό τοίχωμα, που αποτελεί και την πρώτη στρώση που σχηματίζεται κατά την ανάπτυξη της ίνας, και το οποίο περιβάλει ένα δεύτερο τοίχωμα. Το δευτερεύων τοίχωμα αποτελείται με τη σειρά του από τρία επιμέρους στρώματα, με το παχύ μεσαίο στρώμα να καθορίζει τις μηχανικές ιδιότητες της ίνας. Το μεσαίο στρώμα αποτελείται από μια σειρά ελικοειδώς περιστραμμένων κυτταρινικών ινιδίων, τα οποία σχηματίζονται από μια μακριά αλυσίδα μορίων κυτταρίνης: η γωνία μεταξύ του άξονα της ίνας και των ινιδίων καλείται microfibrillar γωνία και ποικίλει από ίνα σε ίνα. Τα ινίδια αυτά έχουν συνήθως διάμετρο περίπου 10 30nm, αποτελούνται από μόρια κυτταρίνης στη μορφή εκτεταμένης αλυσίδας και προσδίδουν μηχανική αντοχή στην ίνα. Η άμορφη μητρική φάση στο κυψελοειδές τοίχωμα της ίνας είναι πολύ σύνθετη και αποτελείται από ημικυτταρίνη, λιγνίνη και σε ορισμένες περιπτώσεις από πηκτίνη. Τα μόρια της ημικυτταρίνης συνδέονται με την κυτταρίνη με δεσμούς υδρογόνου και ενεργούν ως μήτρα συγκόλλησης μεταξύ της κυτταρίνης και των ινιδίων, διαμορφώνοντας το δίκτυο ημικυτταρίνης/κυτταρίνης το οποίο θεωρείται ως τα βασικό δομικό συστατικό του τοιχώματος της ίνας. Το υδροφοβικό δίκτυο της λιγνίνης επηρεάζει τις ιδιότητες του άλλου δικτύου με τέτοιο τρόπο ώστε να ενεργεί ως πρόσθετο σύζευξης και να ενισχύει την ακαμψία του σύνθετου κυτταρίνης/ημικυτταρίνης. Η δομή, η γωνία μεταξύ των ινιδίων και του άξονα της ίνας, οι διαστάσεις των τοιχωμάτων, οι ατέλειες και η χημική σύσταση των ινών είναι οι βασικοί παράγοντες που καθορίζουν τις γενικές ιδιότητες των ινών. Γενικά, οι εφελκυστική αντοχή και το μέτρο ελαστικότητας των ινών αυξάνεται με την αύξηση της περιεκτικότητας σε κυτταρίνη. Η «microfibrillar» γωνία καθορίζει την ακαμψία των ινών. Οι φυτικές ίνες είναι πιο όλκιμες εάν τα ινίδια έχουν έναν ελικοειδή προσανατολισμό ως προς τον άξονα της ίνας. Εάν είναι προσανατολισμένα παράλληλα στον άξονα της ίνας, τότε αυτές θα είναι ψαθυρές, άκαμπτες και θα εμφανίζουν μεγάλη ειδική αντοχή. Κυτταρινικές Ίνες: πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα Το αυξανόμενο ενδιαφέρον για τις ίνες λιγνινο κυτταρίνης οφείλεται κυρίως στην οικονομική τους παραγωγή με ελάχιστες απαιτήσεις εξοπλισμού και στο χαμηλό ειδικό τους βάρος, το οποίο έχει σαν αποτέλεσμα μεγαλύτερη ειδική αντοχή και μεγαλύτερο μέτρο 71

73 ελαστικότητας σε σύγκριση με τα ενισχυμένα με γυαλί σύνθετα. Επιπλέον οι συνθήκες χειρισμού και εργασίας εμφανίζονται ασφαλέστερες έναντι των συνθετικών ενισχυτικών υλικών. Οι έμβιο ίνες δεν προκαλούν την λείανση των εργαλείων ανάμειξης και μορφοποίησης, χαρακτηριστικό που μπορεί να συμβάλει σημαντικά στη μείωση των δαπανών. Η πιο ενδιαφέρουσα πτυχή των φυσικών ινών είναι ότι δεν επιδρούν αρνητικά ως προς το περιβάλλον. Οι έμβιο ίνες αποτελούν ανανεώσιμη πηγή, με την παραγωγή τους να απαιτεί ελάχιστη ενέργεια. Είναι ουδέτερες σε διοξείδιο του άνθρακα δηλ. δεν επιστρέφουν υπερβολική ποσότητα διοξειδίου του άνθρακα στην ατμόσφαιρα όταν λιπαίνονται ή κομποστοποιούνται. Χάρη στις καλύτερες συνθήκες εργασίας η ατμόσφαιρα επεξεργασίας είναι πιο φιλική, με αποτέλεσμα να μειώνονται τα συμπτώματα δερματολογικών και αναπνευστικών παθήσεων. Επιπλέον οι έμβιο ίνες εμφανίζουν υψηλή ηλεκτρική αντίσταση, ενώ επιτρέπουν και την ανακύκλωση θερμότητας. Επίσης, η κοίλη κυψελοειδής δομή τους προσδίδει στις ίνες καλές ιδιότητες ηχομόνωσης. Ένας επιπρόσθετος παράγοντας που ευνοεί την αποδοχή τους είναι η παγκόσμια διαθεσιμότητά τους. Από τη άλλη, ο συνδυασμός της έμφυτης υδρόφιλης φύσης των ινών λιγνινο κυτταρίνης και τα μη πολικά χαρακτηριστικά των περισσοτέρων θερμοπλαστικών, έχει σαν αποτέλεσμα την εμφάνιση δυσκολιών που οδηγούν σε μια ανομοιογενή κατανομή των ινών μέσα στη μήτρα, η οποία με την σειρά της οδηγεί στην εξασθένηση της απόδοσης του σύνθετου υλικού. Άλλο μειονέκτημα που συνδέεται με τις φυσικές ίνες είναι ότι η θερμοκρασία επεξεργασίας των σύνθετων θα πρέπει να μην ξεπερνά τους 200 ο C,καθώς οι φυτικές ίνες αποσυντίθενται σε μεγαλύτερες θερμοκρασίες. Αυτό περιορίζει επιπλέον την επιλογή υλικών μήτρας. Άλλη αδυναμία των φυσικών ινών αποτελεί η μεγάλη απορρόφηση υγρασίας η οποία προκαλεί τη διόγκωσή τους και την εμφάνιση κενών στη διεπιφάνεια, οδηγώντας κατ επέκταση στη δημιουργία σύνθετων υλικών με φτωχές μηχανικές ιδιότητες και μειωμένη διαστατική σταθερότητα. Ένας άλλος περιορισμός στην επιτυχή εκμετάλλευση των έμβιο ινών για τη δημιουργία ανθεκτικών σύνθετων υλικών, είναι η ελάχιστη αντίσταση που επιδεικνύουν σε μικροβιολογικές επιθέσεις και η επιδεκτικότητα τους σε αποσύνθεση. Αυτές οι ιδιότητες δημιουργούν σοβαρά προβλήματα κατά τη μεταφορά, την αποθήκευση και την επεξεργασία των σύνθετων. Η ανομοιομορφία τους και η ποικιλία στις διαστάσεις και στις μηχανικές τους ιδιότητες (ακόμη και μεταξύ φυτών της ίδιας καλλιέργειας) συνιστούν ένα επιπλέον σημαντικό πρόβλημα. Παρά τους περιορισμούς, είναι σαφές ότι τα πλεονεκτήματα υπερτερούν των μειονεκτημάτων ενώ οι περισσότερες από τις αδυναμίες των φυσικών ινών επιλύονται μέσω χημικών επεξεργασιών. Οι ίνες λιγνινο κυτταρίνης έχουν ένα επιπλέον πλεονέκτημα έναντι των συνθετικών ινών, υφίστανται κάμψη παρά θραύση κατά τη διάρκεια της επεξεργασίας και της κατασκευής του υλικού. Επιπρόσθετα, η κυτταρινική ίνα έχει επίπεδη 72

74 ωοειδή διατομή, η οποία ενισχύει τη μεταφορά τάσης μέσω ενός αποτελεσματικά υψηλότερου λόγου μήκους/διατομής. Μελέτες υπέδειξαν την καταλληλότητα φυσικών ινών κυτταρίνης από αραβόσιτο, με ιδιότητες παρόμοιες με αυτές του βαμβακιού και του λινού, για ένα πλήθος βιομηχανικών εφαρμογών. Η εκμετάλλευση αραβοσίτων για την παραγωγή φυσικών ινών κυτταρίνης θα ωφελούσε τη γεωργία, την παραγωγή ινών, τροφίμων και τις ενεργειακές ανάγκες του μέλλοντος, ενώ θα ευνοούσε σημαντικά και το περιβάλλον. Θα εξοικονομούσε γη και άλλους φυσικούς πόρους, οι οποίοι απαιτούνται για την παραγωγή ινών, ενώ θα διατηρούνταν οι μη ανανεώσιμες πηγές πετρελαίου που απαιτούνται για την παραγωγή συνθετικών ινών. Η δομή και η σύνθεση των φυσικών κυτταρινικών ινών που προέρχονται από αραβόσιτο παρατηρήθηκε να είναι διαφορετική από αυτή των κοινών ινών βλαστού, όπως της ίνας από λινάρι και kenaf. Οι ίνες από το μίσχο του καλαμποκιού παρατηρήθηκε ότι έχουν σχετικά χαμηλότερο ποσοστό κρυσταλλικότητας, αλλά έχουν παρόμοια «microfibrillar» γωνία με αυτή των κοινών ινών βλαστού. Στα πλαίσια άλλων ερευνών, συγκρίθηκαν ως προς τη σύνθεση, τη δομή και τις ιδιότητες τους οι κυτταρινικές ίνες από τα φύλλα και το μίσχο «switchgrass», με εκείνες από βαμβάκι, λινό και «kenaf». Παρατηρήθηκε ότι τα φύλλα και ο μίσχος του «switchgrass» εμφανίζουν εφελκυστική αντοχή αξιοπερίεργα παρόμοια με αυτή του λινού και του βαμβακιού. Οι ίνες από τα φύλλα switchgrass έχουν κρυσταλλικότητα 51%, αντοχή σε θραύση 715 MPa και επιμήκυνση σε θραύση 2.2%. Σύνθετα ενισχυμένα με κυτταρινικές ίνες Η ιστορία της ανθρωπότητας έχει καταγράψει διάφορα επιτεύγματα στον τομέα της έρευνας και της ανάπτυξης. Η ανεξέλεγκτη χρήση πετρελαιοειδών προϊόντων έχει δημιουργήσει ένα διπλό πρόβλημα, από τη μία τη μείωση των πόρων πετρελαίου και από την άλλη την ενσωμάτωση των πλαστικών στην τροφική αλυσίδα και το περιβάλλον. Η συνεχώς αυξανόμενη ρύπανση που προκαλείται από τη χρήση πλαστικών και από τις εκπομπές αερίων κατά την αποτέφρωσή τους, επηρεάζει το φαγητό που τρώμε, το νερό που πίνουμε και τον αέρα που αναπνέουμε, απειλώντας το μέγιστο δικαίωμα του ανθρώπου, το δικαίωμα να ζήσει. Η εξαντλητική χρήση των αποθεμάτων πετρελαίου έχει κάνει επιτακτική την ανάγκη ανάπτυξης βιοδιασπώμενων πλαστικών. Αυτά βασίζονται σε ανανεώσιμα φυτά και αγροτικά προϊόντα τα οποία μπορούν να ανταγωνιστούν τις αγορές που σήμερα κατακλύζονται από πετρελαιοειδή προϊόντα. Η παραγωγή 100% έμβιο υλικών ως υποκατάστατα των πετρελαιοειδών προϊόντων δεν είναι ιδιαίτερα οικονομική λύση. Μια πιο πρακτική λύση θα ήταν ο συνδυασμός φυσικών και πετρελαϊκών πόρων για την παραγωγή οικονομικών προϊόντων με μεγάλο εύρος εφαρμογών. 73

75 Τα έμβιο πολυμερή ή τα συνθετικά πολυμερή ενισχυμένα με φυσικές ίνες, τα οποία καλούνται έμβιο σύνθετα (biocomposites), αποτελούν μια πιο βιώσιμη εναλλακτική των ενισχυμένων με γυάλινες ίνες σύνθετων υλικών. Οι επιστήμονες εξετάζουν διάφορους πιθανούς συνδυασμούς έμβιο ινών όπως ίνες αγάβης, λιναριού, κάνναβης, γιούτας (jute), ξύλου και μπανάνας, με πολυμερείς μήτρες μη ανανεώσιμων και ανανεώσιμων πόρων για την παραγωγή σύνθετων, κάνοντας την επανάσταση των έμβιο σύνθετων υλικών πραγματικότητα. Γενικά ως έμβιο σύνθετα (biocomposites) καλούνται τα σύνθετα υλικά που κατασκευάζονται από φυσικές ίνες και πετρελαιοειδή μη βιοδιασπώμενα πολυμερή (π.χ PP, PE) ή βιοδιασπώμενα πολυμερή (π.χ PLA,PHA). Η τελευταία κατηγορία έμβιο σύνθετων υλικών, δηλ. αυτά που συντίθενται από φυτικές ίνες (φυσικές/έμβιο ίνες) και από βιολογικά παραγόμενα πλαστικά (biopolymer/bioplastic) εμφανίζονται να είναι πιο φιλικά προς το περιβάλλον, και τέτοια σύνθετα καλούνται «πράσινα σύνθετα»(green composites). Οι πιο γνωστοί ανανεώσιμοι πόροι ικανοί να παράγουν βιοδιασπώμενα πλαστικά, είναι το άμυλο και η κυτταρίνη. Το άμυλο είναι ένα από τα πιο φτηνά βιοδιασπώμενα υλικά που διατίθενται σήμερα στην παγκόσμια αγορά. Αποτελεί ένα ευπροσάρμοστο πολυμερές, με ένα πολύ μεγάλο εύρος χρήσεων σε βιομηχανίες πέραν της βιομηχανίας τροφίμων. Η κυτταρίνη από τα δέντρα και το βαμβάκι αποτελεί υποκατάστατο των πετρελαιοειδών πρωτογενών ουσιών για την κατασκευή κυτταρινικών πλαστικών (cellulose plastics). Ένα άλλο κομμάτι το οποίο επίσης έχει κερδίσει παγκόσμια προσοχή είναι η ανάπτυξη βιοδιασπώμενων πλαστικών από φυτικά έλαια όπως το έλαιο σόγιας, φιστικιού, ξύλου καρυδιάς, σουσαμιού και το ηλιέλαιο. «Πράσινα σύνθετα» βασισμένα σε έμβιο πλαστικά από πρωτεΐνη σόγιας και φυσικές ίνες, εμφανίζουν προοπτικές χρήσεις σε εφαρμογές όπου απαιτείται ενίσχυση της δυσκαμψίας, όπως στη συσκευασία, την κατοικία κα τις μεταφορές. Τα πολυμερή βασισμένα σε λίπη ψαριών διέγειραν επίσης το ενδιαφέρον των ερευνητών, λόγω του υψηλού βαθμού ακορεσμού τους (unsaturation). Αυτού του είδους τα πολυμερή διαθέτουν επίσης μοναδικές ιδιότητες απόσβεσης και ιδιότητες μνήμης σχήματος. Η ιστορία της ενίσχυσης των πλαστικών με ίνες ξεκίνησε το 1908 με τη χρήση κυτταρινικής ίνας σε φαινόλη, και αργότερα στην ουρία και τη μελαμίνη, φτάνοντας στην εμπορεύσιμη πλέον μορφή με την ενίσχυσή τους με ίνες γυαλιού. Η αγορά των ινωδών σύνθετων υλικών αποτελεί σήμερα μια επιχείρηση δισεκατομμυρίων δολαρίων. Παρότι στο παρελθόν τα ινώδη πλαστικά αποτέλεσαν μια θαυμαστή ανακάλυψη, σήμερα η φήμη τους αυτή είναι πλέον αμφίβολη. Επιστήμονες σήμερα, κατασκευάζουν υψηλής ποιότητας συσκευασίες αγαθών, χρησιμοποιώντας το άμυλο από το καλαμπόκι και τις πατάτες για να αντιμετωπίσουν το πρόβλημα του υψηλού κόστους διάθεσης των αποβλήτων. Επίσης μελετώνται οι προοπτικές παραγωγής πλαστικών από λιμονένιο (limonene) εσπεριδοειδών. 74

76 Τα ενισχυμένα με έμβιο ίνες σύνθετα υλικά εμφανίζονται πλέον ως το υλικό του μέλλοντος Κατηγοριοποίηση των Βιο σύνθετων υλικών Πράσινα Σύνθετα Οι προσπάθειες των ερευνητών έχουν στραφεί αυτή την περίοδο στην ανάπτυξη μιας νέας κατηγορίας πλήρως βιοδιασπώμενων «πράσινων» σύνθετων υλικών, συνδυάζοντας φυσικές ίνες με βιοδιασπώμενες ρητίνες. Το μεγαλύτερο ενδιαφέρον όσον αφορά τα «πράσινα σύνθετα» είναι ότι είναι οικολογικά και πλήρως διασπώμενα, δηλ. είναι καθόλα «πράσινα». Όταν ολοκληρωθεί ο κύκλος ζωής τους μπορούν να πεταχτούν ή να κομποστοποιηθούν χωρίς καμία επιβάρυνση στο περιβάλλον. Στην εικόνα 2.11 παρουσιάζεται η ταξινόμηση των βιοδιασπώμενων πολυμερών σε τέσσερις οικογένειες. Εκτός από την τέταρτη οικογένεια, στην οποία ανήκουν αυτά που προέρχονται από απολιθώματα, τα περισσότερα πολυμερή (οικογένειες 1 3) λαμβάνονται από ανανεώσιμους πόρους (βιομάζα). Την πρώτη οικογένεια αποτελούν τα agro polymers (π.χ. πολυσακχαρίτες) που λαμβάνονται από τη βιομάζα με κλασματικές μεθόδους (fractionation). Στην δεύτερη και τρίτη ανήκουν οι πολυεστέρες που λαμβάνονται αντίστοιχα μέσω της διεργασίας της ζύμωσης από τη βιομάζα ή από γενετικά τροποποιημένα φυτά (π.χ. PHA, polyhydroxyalkanoate) και από τη σύνθεση μονομερών που λαμβάνονται επίσης από την βιομάζα (π.χ. PLA, polylactic οξύ). Η τέταρτη οικογένεια περιλαμβάνει πολυεστέρες που συντίθενται εξολοκλήρου μέσω πετροχημικής διαδικασίας (π.χ. PCL, polycaprolactone PEA, polyesteramide αλειφατικοί ή αρωματικοί copolyesters). Πολύ μεγάλος αριθμός αυτών των βιοδιασπώμενων πολυμερών (biopolymers) διατίθενται στο εμπόριο. Χαρακτηρίζονται από ένα μεγάλο εύρος ιδιοτήτων και μπορούν να ανταγωνιστούν τα μη βιοδιασπώμενα πολυμερή σε διάφορες βιομηχανικές εφαρμογές (π.χ. συσκευασία). Μια άλλη σημαντική κατηγορία έμβιο σύνθετων βασίζεται σε μήτρες agro πολυμερών, κυρίως σε αμυλούχα υλικά. Πλαστικοποιημένο άμυλο, το αποκαλούμενο «θερμοπλαστικό άμυλο» (TPS), λαμβάνεται μετά από τη διάσπαση και την πλαστικοποίηση του εγγενούς αμύλου, με νερό και πλαστικοποιητικό (π.χ. polyol), εφαρμόζοντας θερμομηχανική ενέργεια σε μια συνεχή διαδικασία εξώθησης. Δυστυχώς το TPS παρουσιάζει ορισμένα μειονεκτήματα όπως είναι ο ισχυρός υδρόφιλος χαρακτήρας του(ευαίσθητο σε νερό), οι φτωχές μηχανικές του ιδιότητες σε σύγκρισή με αυτές των συμβατικών πολυμερών και η εμφάνιση σημαντικής μεταβολής των ιδιοτήτων μετά την επεξεργασία (post processing). Η σταθεροποίηση των ιδιοτήτων του επέρχεται μετά από αρκετές εβδομάδες. Για να βελτιωθούν αυτές οι υλικές αδυναμίες, το TPS συνδυάζεται συνήθως και με άλλες χημικές ενώσεις. 75

77 Εικόνα 2.11 : Κατηγοριοποίηση των βιοδιασπώμενων πολυμερών Τα «πράσινα» σύνθετα έχουν χρησιμοποιηθεί αποτελεσματικά σε πολλές εφαρμογές όπως για την μαζική παραγωγή καταναλωτικών προϊόντων με μικρή διάρκεια ζωής ή προϊόντων μιας ή περιορισμένης χρήσης. Τα «πράσινα» σύνθετα μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν σε εσωτερικές εφαρμογές με διάρκεια ζωή αρκετών ετών. Σύνθετα Έμβιο Ινών/πλαστικής μήτρας Τα PHAs (poly (b hydroxyalkanoate)s), τα οποία συντίθενται βιοχημικά μέσω μικροβιακής ζύμωσης και μπορούν να παραχθούν μελλοντικά από μεταλλαγμένα φυτά, αντιπροσωπεύουν τους φυσικούς πολυεστέρες. Τα βακτηρίδια εμφανίστηκαν πρώτα και εξακολουθούν να αποτελούν την μόνη πραγματική πηγή αυτών των πολυεστέρων, και θα χρειαστούν μερικά ακόμα χρόνια έρευνας, μέχρις ότου μεταλλαγμένα φυτά να διατεθούν για παραγωγή. Το poly(b b hydroxybutyrate) (PHB) με την εμπορική ονομασία Biopol, αποτελεί έναν βιοτεχνολογικά παραγόμενο πολυεστέρα, ο οποίος περιέχει άνθρακα σε μια μεγάλη ποικιλία βακτηριδίων και έχει προσελκύσει την προσοχή ως βιοδιασπώμενος θερμοπλαστικός πολυεστέρας. Μπορεί να διασπαστεί σε νερό και διοξείδιο του άνθρακα σε συνθήκες περιβάλλοντος με μια ποικιλία βακτηριδίων, και εμφανίζει αρκετές προοπτικές σε εφαρμογές περιβαλλοντικά διασπώμενων πλαστικών. Η αντοχή σε θραύση λόγο εμφάνισης ρωγμής των έμβιο σύνθετων με ρητίνη μίγματος ακόρεστου πολυεστέρα (UPE unsaturated polyester), φυτικού ελαίου και βιομηχανοποιημένων ινών κάνναβης, ενισχύεται κατά 90%, έναντι των καθαρών UPE 76

78 βιομηχανοποιημένων σύνθετων, με τις ίνες κάνναβης. Με την προσθήκη επίσης του φυτικού ελαίου βελτιώνονται και οι ειδικές ιδιότητες του σύνθετου. Άλλα παραδείγματα διαμόρφωσης πλαστικών σύνθετων ενισχυμένων με έμβιο ίνες αποτελούν τα σύνθετα με ίνες γιούτας και Biopol, και εκείνα με υλικά μήτρας το άμυλο ή τροποποιημένες ρητίνες. Επιπλέον πράσινα σύνθετα αυτής της κατηγορίας αποτελούν τα έμβιο διασπώμενα σύνθετα από ανθρακοποιημένο πολύ προπυλένιο (PPC poly(propylene carbonate)) με κόκκους καλαμποκάλευρου, τα σύνθετα έμβιο διασπώμενου πολυεστέρα με ίνες Kenaf φυτικής προέλευσης, σύνθετα πολύ λακτιδίου και ινών κάνναβις, κ.α. Σύνθετα Έμβιο Ινών με μήτρα βασισμένη σε σόγια Στις ΗΠΑ, η σόγια παρέχει πάνω από το 60% των λιπών και των ελαίων που χρησιμοποιούνται στα τρόφιμα και την πλειοψηφία των πρωτεϊνούχων τροφών. Πιο συγκεκριμένα, αποτελείται κατά 20% από έλαια και κατά 40% από πρωτεΐνη. Η σόγια αποτελείται από διακριτές ομάδες πρωτεϊνών (πολυπεπτίδια) που εκτείνονται σε ένα μεγάλο εύρος μοριακών μεγεθών και οι οποίες συντίθενται από 38% μη πολικών, μηδραστικών υπολειμμάτων αμινοξέων και από 58% πολικών και ενεργών. Μεταβολές που εκμεταλλεύονται τη διαλυτότητα σε νερό και τη χημική δραστικότητα αξιοποιούνται στη βελτίωση της πρωτεΐνης της σόγιας, προκειμένου να χρησιμοποιηθεί στα πλαστικά και σε άλλα βιολογικά υλικά. Πλαστικά υλικά από πρωτεΐνη σόγιας, διαφορετικών συνθέσεων έχουν κατασκευαστεί με την τεχνική της έγχυσης ρητίνης(injection moulding), ενώ χρησιμοποιείται κατά την επεξεργασία τους και η τεχνική της μορφοποίησης με συμπίεση (compression moulding). Τα στεγνά πλαστικά από σόγια, επιδεικνύουν εξαιρετικά υψηλό μέτρο ελαστικότητας, 50% μεγαλύτερο από των μέχρι σήμερα χρησιμοποιούμενων πλαστικών υλικών εποξυ ρητίνης. Με την εφαρμογή επομένως, κατάλληλης προστασίας από την υγρασία, η πρωτεΐνη σόγιας αποτελεί υποψήφιο υλικό για την κατασκευή πλαστικών υλικών, για μηχανικές εφαρμογές. Παραδείγματα πράσινων σύνθετων βασισμένων σε σόγια αποτελούν τα πράσινα σύνθετα μήτρας SPI (soya protein isolate) ενισχυμένα με ίνες ραμί, τα οποία εμφανίζουν μεγάλο ενδεχόμενο χρήσης σε εφαρμογές κλειστού χώρου, και τα σύνθετα μήτρας CSF(cross linked soy flour) πολυμερούς, όπου η τροποποιημένη σκόνης σόγιας (SF) προσδίδει στο σύνθετο βελτιωμένες εφελκυστικές ιδιότητες και θερμοκρασιακή σταθερότητα σε σύγκριση με τη μη τροποποιημένη ρητίνη SF. Ένα ακόμα σύνθετο τέτοιου είδους κατασκευάστηκε από μήτρα πλαστικού βασισμένου σε σόγια, ενισχυμένη με ίνες από φύλλα ανανά. Σύνθετα Έμβιο Ινών/μήτρας φυσικού καουτσούκ Τα πρώτα αποτελέσματα της ενίσχυσης σύνθετων από φυσικό καουτσούκ με έμβιο ίνες περιλαμβάνουν την αύξηση του μέτρου ελαστικότητας και της αντοχής, πολύ καλό δεσμό διασύνδεσης με υψηλή συγκέντρωση ινών, μείωση της επιμήκυνσης σε αστοχία, σημαντική 77

79 βελτίωση της αντίσταση σε ερπυσμό, μεγαλύτερη από το αντίστοιχο κοκκώδες σύνθετο, αύξηση της σκληρότητας και ουσιαστική βελτίωση της αντίστασης σε κοπή, σχίσιμο και τρύπημα. Έχουν γίνει μελέτες για τις επιδράσεις στις μηχανικές ιδιότητες του φυσικού καουτσούκ όταν ενισχύεται με ίνες καρύδας, ίνες φύλλων και αγάβης και με ίνες βαγάσσης. Έχουν υπάρξει επίσης προσπάθειες ενίσχυσης μήτρας καουτσούκ με ίνες από φοίνικα και έχουν κατασκευαστεί με επιτυχία σύνθετα καουτσούκ και ινών Kenaf. Ερευνητές έχουν επίσης σχεδιάσει νέα βίο σύνθετα στα οποία χρησιμοποιείται ένας συνδυασμός ινών από φύλλα και φρούτα με φυσικό καουτσούκ. Έχει παρατηρηθεί ότι η ενσωμάτωση στο φυσικό καουτσούκ ινών αγάβης και καρύδας αυξάνει τη διηλεκτρική σταθερά του σύνθετου. Αυτού το είδους τα υβριδικά βίο σύνθετα βρέθηκε να έχουν πολλές εφαρμογές ως αντιστατικά πρόσθετα. Σε μια άλλη ενδιαφέρουσα μελέτη, ερευνήθηκε η ενσωμάτωση άχρηστων χαρτιών στο φυσικό καουτσούκ, σε συνδυασμό με καρβίδιο του βορίου και κερί παραφίνης, για εφαρμογές προστατευτικής κάλυψης σε ακτινοβολία. Σημαντικός ανασταλτικός παράγοντας για την εμπορευματοποίηση των πράσινων σύνθετων, είναι το υψηλό κόστος των έμβιο διασπώμενων μήτρων. Οι περισσότερες από τις βιοδιασπώμενες ρητίνες κοστίζουν σημαντικά περισσότερο από τις πιο συνήθεις χρησιμοποιούμενες ρητίνες. Η ανέξοδη παραγωγή ελαίων για τις ρητίνες μέσω της έμβιοτεχνολογίας σίγουρα θα βοηθούσε στην επίσπευση της εμπορευματοποίησής τους. Το κόστος παραγωγής μπορεί επίσης να μειωθεί με τη γρηγορότερη, καλύτερη και αποδοτικότερη επεξεργασία. Οι προσπάθειες είναι τώρα στραμμένες προς την αξιοποίηση του αμονιού για την κατασκευή προηγμένων «πράσινων» σύνθετων υλικών, τα οποία παράγονται από ίνες πρωτεΐνης υψηλής αντοχής (μετάξι αράχνης) και έμβιο διασπώμενες μήτρες. Η εμβιοτεχνολογία χρησιμοποιείται για να αυξήσει την παραγωγή συγκεκριμένων τριγλυκεριδίων και ελαίων στα φασόλια, για την παραγωγή ρητινών. Αυτές οι ρητίνες θα είναι οικονομικές σε σύγκριση με τις ήδη διαθέσιμες σήμερα, και με κατάλληλη τροποποίηση θα μπορούσαν να είναι βιοδιασπώμενες. Με τη χρήση της νανοτεχνολογίας αναζητούνται νέες διεργασίες παραγωγής τέτοιων βιοδιασπώμενων ρητινών, με καλύτερες μηχανικές ιδιότητες και θερμοκρασιακή σταθερότητα. Υβριδικά σύνθετα (Hybrid composites) Ο συνδυασμός πολλών διαφορετικών τύπων ινών σε μια κοινή μήτρα, έχει οδηγήσει στην ανάπτυξη των υβριδικών έμβιο σύνθετων υλικών. Η συμπεριφορά αυτών των σύνθετων αποτελεί ισοσταθμισμένο αποτέλεσμα της συμπεριφοράς των επιμέρους συστατικών, τα οποία χαρακτηρίζει μια ευνοϊκότερη ισορροπία μεταξύ των πλεονεκτημάτων και των μειονεκτημάτων τους. Επίσης, σε ένα υβριδικό σύνθετο που περιέχει δύο ή περισσότερους τύπους ινών, τα πλεονεκτήματα ενός τύπου ίνας λειτουργούν συμπληρωματικά ως προς τα 78

80 μειονεκτήματα μιας άλλης. Κατά συνέπεια, μέσω του κατάλληλου σχεδιασμού, μπορεί να επιτευχθεί μια ισορροπία κόστους και απόδοσης. Οι ιδιότητες ενός υβριδικού σύνθετου εξαρτώνται κυρίως από την περιεκτικότητα σε ίνες, το μήκος και τον προσανατολισμό της κάθε ίνας, το βαθμό ανάμειξης των ινών, το δεσμό διασύνδεσης μεταξύ ίνας και μήτρας, και τη διάταξη και των δύο τύπων ινών. Η αντοχή επίσης του υβριδικού σύνθετου εξαρτάται από το βαθμό παραμόρφωσης σε αστοχία των μεμονωμένων ινών. Τα καλύτερα αποτελέσματα υβριδικών συστημάτων επιτυγχάνονται όταν οι ίνες είναι ιδιαίτερα συμβατές ως προς την παραμόρφωση. Ο όρος υβριδική επίδραση χρησιμοποιείται για να περιγράψει το φαινόμενο μιας προφανούς συνεργατικής βελτίωσης στις ιδιότητες ενός σύνθετου από δύο ή περισσότερους τύπους ινών. Η επιλογή των συστατικών που θα συνθέσουν το υβριδικό σύνθετο καθορίζεται από το σκοπό της υβριδοποίησης και τις απαιτήσεις του υλικού ή της κατασκευής που σχεδιάζεται. Το πρόβλημα επιλογής των ινών ώστε να είναι συμβατές μεταξύ τους και του επιπέδου των ιδιοτήτων τους, αποτελεί πρωταρχικής σημασίας κατά το σχεδιασμό και την παραγωγή υβριδικών σύνθετων υλικών. Η επιτυχία ενός υβριδικού σύνθετου υλικού καθορίζεται από τη χημική, μηχανική και φυσική σταθερότητα του συστήματος ινών/μήτρας. Τα υβριδικά έμβιο σύνθετα μπορούν να σχηματιστούν με το συνδυασμό μιας συνθετικής και μιας φυσικής ίνας (biofibre) σε μια μήτρα και με το συνδυασμό δύο φυσικών ινών σε μια μήτρα. Η υβριδοποίηση με ίνες γυαλιού παρέχει μια μέθοδο βελτίωσης των μηχανικών ιδιοτήτων των σύνθετων με φυσικές ίνες και η επίδρασή της στους διαφορετικούς τρόπους φόρτισης εξαρτάται από τον σχεδιασμό και την κατασκευή των σύνθετων. Ενδεικτικά αναφέρουμε παραδείγματα ανάπτυξης υβριδικών σύνθετων όπως η υβριδοποίηση ινών γυαλιού σε θερμοσκληρυνόμενα βίο σύνθετα υλικά, η ενίσχυση εποξυρητίνης με ίνες γυαλιού και ίνες από φοινικέλαιο, για τις οποίες παρατηρήθηκε ότι αύξησαν την εφελκυστική αντοχή, το μέτρο ελαστικότητας και την επιμήκυνση σε θραύση του υβριδικού σύνθετου. Άλλο παράδειγμα αποτελούν τα βίο σύνθετα κυψελοειδούς πυρήνα, τα οποία σχηματίζονται από βιομηχανοποιημένες ίνες κάνναβης ή λιναριού και ακόρεστο πολυεστέρα, όπου συνδυάστηκαν με υφασμένες ίνες γιούτας, κοντές ίνες γυαλιού και μονής διεύθυνσης υφάσματα ανθρακικών ινών. Αυτά τα υβριδικά κυψελοειδή βασισμένα σε φυσικές ίνες σύνθετα, αποτελούν μια οικονομική και πιο φιλική προς το περιβάλλον εναλλακτική των συνθετικών σύνθετων υλικών. Ο υβριδισμός επηρεάζει επίσης σημαντικά την ιδιότητα απορρόφησης νερού των σύνθετων. Έχει παρατηρηθεί ότι η απορρόφηση νερού στα υβριδικά σύνθετα (π.χ σύνθετα μήτρας πολυεστέρα ενισχυμένα με ίνες ανανά/γυαλιού ή με ίνες αγάβης /γυαλιού) είναι κατά πολύ χαμηλότερη απ ότι στα μη υβριδικά. 79

81 Σε μία άλλη έρευνα συγκρίθηκε η καμπτική συμπεριφορά ενός υβριδικού πολύστρωτου σύνθετου, με πυρήνα πολυπροπυλενίου και ινών κάνναβης, και στρώματα πολυπροπυλενίου και ινών γυαλιού, με πολύστρωτο σύνθετο μήτρας πλαστικού πλήρως ενισχυμένο με ίνες γυαλιού. Διαπιστώθηκε ότι τα υβριδικά σύνθετα πλεονεκτούν ως προς την ειδική αντοχή θραύσης, τη δυνατότητα ανακύκλωσης και προς τα οικονομικά και οικολογικά οφέλη. Μια άλλη καινοτόμος προσέγγιση των υβριδικών σύνθετων υλικών, είναι η ενσωμάτωση δύο φυσικών ινών σε ένα σύστημα μήτρας. Πρόσφατα, μελετήθηκε η μηχανική απόδοση των σύνθετων πολυεστέρα ενισχυμένων με κοντές τυχαία προσανατολισμένες ίνες μπανάνας και αγάβης, με τις ίνες μπανάνας να αποτελούν το υλικό επιφάνειας και τις ίνες αγάβης το υλικό πυρήνα, όπου και παρατηρήθηκε θετική υβριδική επίδραση στην αντοχή κάμψης, και στο μέτρο ελαστικότητας του υβριδικού σύνθετου υλικού, ενώ μέγιστη ειδική αντοχή υλικού παρατηρήθηκε όταν η αναλογία ινών μπανάνας/αγάβης ήταν 4:1. Ενισχυτικά υφάσματα έμβιο σύνθετων υλικών (Textile composites) Έχουμε ήδη αναφερθεί σε προηγούμενη ενότητα στα ενισχυτικά υφάσματα από ίνες, με εξαιρετικές μηχανικές ιδιότητες, όπου ο προσανατολισμός των ινών δεν περιορίζεται σε κανέναν βαθμό. Σε εφαρμογές όπου απαιτούνται περισσότεροι από ένας προσανατολισμοί ινών, χρησιμοποιούνται ενισχυτικά υφάσματα που συνδυάζουν προσανατολισμούς των 0 ο και 90 ο. Τα ενισχυτικά αυτά υφάσματα όπως έχουμε ήδη αναφέρει, σχηματίζονται με τις παραδοσιακές τεχνικές ύφανσης, διασταυρώνοντας τις ίνες «στημόνια» (0 ο ) με τις ίνες «υφάδια» (90 ο ) σε ένα κανονικό μοτίβο ή σε κυματιστή μορφή. Η δυνατότητα του ενισχυτικού υφάσματος να προσαρτηθεί σε μία πολύπλοκη επιφάνεια, η ομαλότητα της επιφάνειας του και η σταθερότητα του, ελέγχονται κυρίως από τον τύπο της πλέξης. Υπενθυμίζουμε ότι οι βασικοί τύποι πλέξης που χρησιμοποιούνται είναι η απλή πλέξη, η διαγώνια, η πλέξη satin, η καλαθωτή πλέξη και η πλέξη Leno. Όσον αφορά την ανάπτυξη έμβιο σύνθετων ενισχυτικών υφασμάτων, έχουν διεξαχθεί ποικίλες έρευνες όπου μελετούνται τα μηχανικά χαρακτηριστικά αυτού του είδους σύνθετων υλικών. Σε κάποια από αυτές, μελετητές ερεύνησαν την εφελκυστική αντοχή ενός σύνθετου πολυεστέρα με ενισχυτικά υφάσματα ινών ραμί και βαμβακιού, όπου και παρατηρήθηκε ασθενής δεσμός διασύνδεσης μεταξύ της μήτρας πολυεστέρα και του υφάσματος από ίνες βαμβακιού. Σε μία άλλη έρευνα κατασκευάστηκε και μελετήθηκε σύνθετο πολυεστέρα ενισχυμένο με ύφασμα ινών γαβάσης. Στην έρευνα αυτή πέραν των άλλων μηχανικών ιδιοτήτων, μελετήθηκε και η επίδραση του τύπου πλέξης στη διάχυση της υγρασίας, όπου και παρατηρήθηκε ότι επηρεάζει σημαντικά το ποσοστό απορρόφησης νερού από το σύνθετο. Επίσης έχουν μελετηθεί οι θερμικές ιδιότητες των σύνθετων ακόρεστου πολυεστέρα και ενισχυτικών υφασμάτων ινών γιούτας/βαμβακιού και ινών ραμί /βαμβακιού, και τα μηχανικά χαρακτηριστικά έμβιο σύνθετου φυσικού καουτσούκ με ενισχυτικό ύφασμα ινών γαβάσης. 80

82 2.4.2 Εφαρμογές των Βίο σύνθετων Υλικών. Η χρήση σύνθετων υλικών ενισχυμένων με βίο ίνες έχει επεκταθεί σχεδόν σε όλους τους τομείς. Πρόσφατα κατασκευάστηκαν σανίδες (particle boards) τριών στρώσεων από ένα μίγμα από μίσχους ηλίανθων και ξύλο λεύκας, σε συγκεκριμένες αναλογίες, χρησιμοποιώντας ως συγκολλητικό ρητίνη ουρίας φορμαλδεΰδης (urea formaldehyde (UF)). Δομικά υλικά για την κατασκευή στέγης, παρήχθησαν από έμβιο σύνθετο υλικό υπό μορφή φύλλων, με ρητίνη βασισμένη σε έλαιο σόγιας και ίνες κυτταρίνης, ενώ χρησιμοποιήθηκαν για την κατασκευή τους και ανακυκλωμένα χαρτόκουτα. Πολλές μελέτες επίσης διεξάγονται για την χρήση βιοδιασπώμενων πολυμερών και έμβιοσύνθετων σε εφαρμογές ως επιβραδυντές εξάπλωσης της φωτιάς. Άλλη πιθανή χρήση των έμβιο σύνθετων υλικών αποτελούν οι ηλεκτρονικές εφαρμογές δεδομένου ότι εμφανίζουν χαμηλή διηλεκτρική σταθερά. Όπως για παράδειγμα το σύνθετο από μη συμπαγείς ίνες κερατίνης και χημικά τροποποιημένου ελαίου σόγιας. Επίσης τα σύνθετα από φυτικά έλαια και ίνες από διάφορα ορνιθοειδή, χάρη στο χαμηλό κόστος παραγωγής τους, εμφανίζουν σημαντικές προοπτικές ως αντικαταστάτες των διηλεκτρικών στα μικροτσίπ και στους πίνακες κυκλωμάτων, στο συνεχώς αναπτυσσόμενο πεδίο των ηλεκτρονικών ειδών. Σύνθετα πλαστικής μήτρας ενισχυμένα με ίνες ξύλου χρησιμοποιούνται ήδη σε έναν πλήθος εφαρμογών όπως στις γέφυρες, τις αποβάθρες και στα πλαίσια των παραθύρων, ενώ στα πλαίσια πολλών ερευνών για την αναζήτηση ίνας εναλλακτικής του αμίαντου για τα ινώδη προϊόντα τσιμέντου, η ίνα από πολτό ξύλου, αναδείχτηκε η καταλληλότερη για την αντικατάστασή του. Επιπρόσθετα, καθώς αυτές οι φυσικές ίνες είναι άμεσα διαθέσιμες απαιτείται λιγότερη ενέργεια επεξεργασίας του σύνθετου υλικού. Στο ίδιο πλαίσιο ερευνών χρησιμοποιήθηκαν επίσης ίνες μπαμπού στο ενισχυμένο οικοδομικό σκυρόδεμα, καθώς και υπολείμματα ινών αγάβης και καρύδας ως αντικαταστάτες των ινών αμίαντου σε δομικά υλικά στέγης. Ακόμα, τα έμβιο σύνθετα εμφανίζουν σημαντικές πιθανότητες χρήσης ως εναλλακτικά υλικά, ειδικά ως υποκατάστατα του ξύλου, στην βιομηχανία επίπλων, ενώ η χρήση τους για την ενίσχυση τεχνικών εφαρμογών έχει ήδη ξεκινήσει, κυρίως στην αυτοκινητοβιομηχανία και στη βιομηχανία συσκευασίας(π.χ αυγοθήκες). Τα παραδείγματα χρήσης φυσικών ινών στην αυτοκινητοβιομηχανία είναι πολλά. Ίνες βαμβακιού εμβαπτισμένες σε μήτρα πολυεστέρα έχουν ήδη χρησιμοποιηθεί στα πλαίσια του σώματος του αυτοκινήτου, ενώ ίνες λιναριού αντικαθιστούν τις ίνες αμιάντου στα δισκόφρενα των αυτοκινήτων. Η Mercedes Benz χρησιμοποίησε για αρκετά χρόνια ίνες ινδικής καρύδας, αντικαθιστώντας τις ίνες γυαλιού, σε τμήματα εμπορικών αυτοκινήτων της, καθώς και πλαίσια πόρτας βασισμένα σε ίνες γιούτας. Εκείνες οι φυσικές ίνες που χρησιμοποιούνται πρώτιστα στην αυτοκινητοβιομηχανία, είναι οι ίνες βλαστού καθώς εμφανίζουν τη μέγιστη αντοχή και με τη χρήση τους εξοικονομείται βάρος 10% και 30%, που αντιστοιχεί και σε ανάλογη μείωση κόστους. Σήμερα όλοι οι μεγάλοι κατασκευαστές 81

83 αυτοκινήτων (Daimler Chrysler, Mercedes, Volkswagen, Audi Group, BMW, Ford and Opel ) χρησιμοποιούν έμβιο σύνθετα υλικά σε πολλές εφαρμογές αυτοκινήτου. Το πλήθος των διαφορετικών προϊόντων στα οποία αξιοποιούνται οι βιο ίνες και οι ρητίνες βασισμένες σε σόγια, δίνει πνοή σε μια νέα γενιά σύνθετων υλικών με ποικίλες εφαρμογές Σχεδιασμός των Βιο σύνθετων Υλικών Παρά το γεγονός ότι τα πολυμερή σύνθετα ενισχυμένα με βίο ίνες κερδίζουν το ενδιαφέρον, η πραγματική πρόκληση είναι να αντικατασταθούν τα συμβατικά πλαστικά σύνθετα, ενισχυμένα με ίνες γυαλιού, με έμβιο σύνθετα που διατηρούν τα δομικά και λειτουργικά τους χαρακτηριστικά κατά τη διάρκεια της αποθήκευσης και της χρήσης τους, αλλά μπορούν να υποστούν αποσύνθεση σε συνθήκες περιβάλλοντος, όταν επέλθουν πλέον σε αχρηστία. Μια ενδιαφέρουσα προσέγγιση όσον αφορά την κατασκευή έμβιοσύνθετων με τις βέλτιστες και τις επιθυμητές ιδιότητες, περιλαμβάνει την αποδοτική και οικονομική, χημική επεξεργασία της ίνας, την επεξεργασία της μήτρας με συνάρτηση και ανάμειξη και αποδοτικές τεχνικές επεξεργασίας. Μια άλλη ενδιαφέρουσα προσέγγιση είναι αυτή των τεχνητά κατασκευασμένων φυσικών ινών, έτσι ώστε να επιτευχθεί βέλτιστη αντοχή του σύνθετου. Αυτή μελετά την κατάλληλη ανάμειξη ινών μίσχου και φύλλων. Η σωστή επιλογή της αναλογίας του μίγματος ινών βασίζεται στο γεγονός ότι με το σωστό μίγμα επιτυγχάνεται η βέλτιστη ισορροπία των μηχανικών ιδιοτήτων. Για παράδειγμα ο συνδυασμός ινών μίσχου και φύλλων παρέχει εξισορρόπηση μεταξύ της ακαμψίας και της ανθεκτικότητας του τελικού σύνθετου υλικού. Electrospinning (ELSP) Η «Electrospinning» τεχνική έχει αναγνωριστεί ως μια από τις πιο αποτελεσματικές τεχνικές επεξεργασίας των νανο πολυμερικών ινών. Όταν η διάμετρος της πολυμερούς ίνας συρρικνώνεται από μερικά μικρόμετρα στην τάξη των νανομέτρων, εξαιρετικές νέες ιδιότητες εμφανίζονται τότε στις ίνες. Η μεγάλη επιφάνεια των ινών αυτών συμβάλλει στην αξιοποίηση τους σε διάφορες εφαρμογές από την ιατρική (π.χ πρόσθετα) έως την προετοιμασία σύνθετων υλικών. Επιπλέον, οι ίνες «electrospun» βρίσκουν εφαρμογή σε διάφορους άλλους τομείς όπως στην προστατευτική ενδυμασία, στα καλλυντικά, στη μεταφορά φαρμάκων, στο χειρισμό των νανο ινών, σε αισθητήρες κ.α. 82

84 Εικόνα 2.12: (a) Προφυλακτήρας στο μοντέλο Mercedes A class, κατασκευασμένος από σύνθετα ενισχυμένα με ίνες από μπανάνα. (b) Τμήματα της Mercedes S class κατασκευασμένα από σύνθετα ενισχυμένα με διαφορετικές φυσικές ίνες Νανο Σύνθετα υλικά βασισμένα σε κυταρρίνη Η ιδέα σχεδιασμού υλικών νανο δομής, έχει αποκτήσει ιδιαίτερη σημασία στην επιστημονική κοινότητα. Οι πολύ καλές επίδρασης της ενίσχυσης, με μικρό ποσοστό αναλογίας όγκου, διέγειραν το ενδιαφέρον των βιομηχανικών και ερευνητικών κύκλων. Με αυτό ως αφορμή, η προοπτική της χρήσης κυτταρινικών δομών σε νανο κλίμακα, για την ενίσχυση νέων σύνθετων υλικών εμφανιζόταν εξαιρετικά ενδιαφέρουσα. Η ιδέα της ανάπτυξης νανο σύνθετων υλικών βασισμένα σε κυτταρίνη για εφαρμογές που υπόκεινται σε φόρτιση, βρίσκεται σε πρώιμα στάδια. Οι ιδιότητες του σύνθετου αναμένεται να ενισχυθούν σημαντικά, χάρη στο υψηλό μέτρο ελαστικότητας της κυτταρινικής ίνας και της ακριβής κατανομής των ινιδίων. Ανασταλτικός παράγοντας στην εμπορική χρήση των ινιδίων κυτταρίνης σε δομικά υλικά, είναι η δυσκολία να αποσπαστεί η κυτταρινική ίνα από το κυψελοειδές τοίχωμα του φυτού, χωρίς μεγάλο κόστος και χωρίς σημαντική αλλοίωση 83

85 της ίνας. Ένα άλλο σοβαρό πρόβλημα είναι η διασπορά ινιδίων κυτταρίνης σε μια πολυμερή μήτρα. Μία απλή σχηματική αναπαράσταση της δομής μιας ίνας κυτταρίνης παρουσιάζεται στην εικόνα Τα νανο σύνθετα κυτταρίνης συντίθενται συνήθως με την ενσωμάτωση τέτοιων ινιδίων, πλάτους 10 50nm, σε μια πολυμερική μήτρα. Εικόνα 2.13 : Δομή κυτταρινικής ίνας Ο όρος έμβιο σύνθετα απευθύνεται πλέον σε μια μεγάλη γκάμα υλικών, προερχόμενα πλήρως ή εν μέρει από ανανεώσιμους πόρους βιομάζας. Ακολουθώντας τις εξελίξεις στην τεχνολογία, είναι πλέον υποχρεωτικό να σταματήσουμε να παράγουμε υλικά επιβλαβή για το περιβάλλον. Η ιδέα των έμβιο υλικών έχει αποκτήσει ιδιαίτερη σημασία σήμερα καθώς η ανάγκη διατήρησης του περιβάλλοντος είναι πλέον επιτακτική. Έμβιο ίνες όπως οι ίνες αγάβης, καρύδας, κάνναβης και φοινικέλαιου, βρίσκουν σήμερα εφαρμογή σε ένα ευρύ φάσμα βιομηχανιών, ενώ ιδιαίτερο ενδιαφέρον προκαλεί η προοπτική της χρήση τους στους ερευνητικούς κύκλους, λόγω των συγκρίσιμων ιδιοτήτων τους με αυτών των ινών γυαλιού. Κύριο πεδίο εφαρμογής αυτού του είδους σύνθετων υλικών, αποτελεί η αυτοκινητοβιομηχανία, κυρίως σε εσωτερικές εφαρμογές. Τα «πράσινα» σύνθετα υλικά φέρουν την επανάσταση στον τομέα των υλικών για αυτό τον αιώνα, ενώ πολλά υποσχόμενη κατηγορία υλικών αποτελούν τα νανο σύνθετα υλικά. 84

86 3. Εφαρμογές σύνθετων υλικών Τα σύνθετα είναι τα υλικά με το πιο ευρύ πεδίο εφαρμογών χάρη στην ευκολία προσαρμογής τους σε διαφορετικές καταστάσεις και στην ικανότητα τους να συνδυάζονται εύκολα με άλλα υλικά, προκειμένου να παράγουν τις επιθυμητές εκείνες ιδιότητες για την εξυπηρέτηση συγκεκριμένων εφαρμογών. Σε αυτό το κεφάλαιο, στόχος είναι να παρουσιαστούν μερικές από τις εφαρμογές των συνθέτων υλικών, ώστε να γίνουν εμφανείς οι λόγοι για τους οποίους προτιμώνται έναντι των συμβατικών υλικών, καθώς επίσης και οι παράγοντες που εμπλέκονται στη διαμόρφωση της εμπορικής τους αξίας και χρήσης. Επίσης, με τα παραδείγματα εφαρμογών που παρατίθενται στο παρόν κεφάλαιο καλύπτεται ένα ικανοποιητικό εύρος διαφορετικών τύπων συνθέτων υλικών, μηχανικής πολυπλοκότητας, διαδικασιών παραγωγής και μεγεθών αγοράς. Παρ όλα αυτά θα πρέπει να σημειώσουμε ότι το μεγαλύτερο μέρος των συνθέτων υλικών, που παράγονται και χρησιμοποιούνται από τη βιομηχανία, αποτελούν κυρίως ινώδη σύνθετα υλικά πολυμερικής μήτρας, Όπως ήδη αναφέραμε, τα σύνθετα υλικά χρησιμοποιούνται σε ένα πολύ ευρύ φάσμα βιομηχανικών εφαρμογών. Πρωταρχικό πεδίο εφαρμογής τους ήταν η αεροναυπηγική. Ο τομέας αυτός απαιτεί την καλύτερη ποιότητα και απόδοση υλικών, με αναγκαία προϋπόθεση την μείωση του βάρους. Πολύ σύντομα οι ευνοϊκές ιδιότητες των συνθέτων έγιναν αντιληπτές και από άλλα πεδία εφαρμογών, τα οποία δεν σχετίζονταν με την αεροναυπηγική και τα οποία ερεύνησαν τις ενδεχόμενες χρήσεις τους και εισήγαγαν τα σύνθετα υλικά επιπλέον και στην ιατρική, την επικοινωνία, την μεταφορά και τον αθλητισμό. Σε αυτό το σημείο θα πρέπει να αναφέρουμε ότι τα σύνθετα υλικά κοστίζουν πολύ περισσότερο από τα αντίστοιχα παραδοσιακά υλικά. Οι τιμές τους όμως διαμορφώνονται από ένα πλήθος παραγόντων, όπως η πολυπλοκότητα της μορφής του προϊόντος, η διαδικασία παραγωγής τους και η μορφή με την οποία παράγονται τα σύνθετα. Για παράδειγμα, στην περίπτωση των ινών, η τιμή τους εξαρτάται από το αν αυτές παράγονται μακριές ή κοντές, σε μορφή pre pregs ή όχι. Επομένως, κατά την απόφαση για το αν ένα τμήμα κατασκευής συμφέρει να κατασκευαστεί με σύνθετα ή με παραδοσιακά υλικά, θα πρέπει να ποσοτικοποιείται όχι μόνο το κόστος των υλικών και της παραγωγής τους, αλλά και τα πλεονεκτήματα που προσδίδει η χρήση των συνθέτων στην κατασκευή σε βάθος χρόνου. Ορισμένα από τα πλεονεκτήματα που πρέπει να λαμβάνονται υπόψιν είναι η μικρή πυκνότητα και επομένως οι υψηλές ειδικές ιδιότητες, η αντοχή σε διάβρωση, η μεγάλη διάρκεια ζωής σε κόπωση, η ευελιξία σχεδιασμού και επομένως η εξοικονόμηση υλικού κ.α. 85

87 3.1 Αεροναυπηγική Οι εφαρμογές στα εμπορικά αεροσκάφη αποτελούν το σημαντικότερο πεδίο χρήσης των συνθέτων υλικών. Τα αεροσκάφη, αντίθετα από άλλα οχήματα, δίνουν μεγαλύτερη βαρύτητα στην ασφάλεια και το βάρος, κάτι που επιτυγχάνεται με τη χρήση υλικών με υψηλές ειδικές ιδιότητες [3]. Υπάρχει σταθερή αύξηση στη χρήση των συνθέτων σε δευτερεύουσες δομές πολιτικών ή στρατιωτικών αεροπλάνων, όπου χρησιμοποιούνται πλαστικά ενισχυμένα με ίνες γυαλιού και αμιάντου, και σε πρωτεύουσες δομές όπου χρησιμοποιούνται προηγμένα σύνθετα (advanced composites) βασισμένα κυρίως στο γυαλί, το βόριο, τον άνθρακα και στο αρωματικό πολυαμίδιο (aramid). Ένα σύγχρονο αεροσκάφος πρέπει να σχεδιαστεί έτσι ώστε να ικανοποιούνται τα πολυάριθμα κριτήρια αντοχής και ασφάλειας. Το βάρος είναι το κύριο πρόβλημα που απασχολεί τους μηχανικούς που συμμετέχουν στην ανάπτυξη βελτιωμένων και καταλληλότερων κατασκευαστικών δομών για τα πολιτικά αεροσκάφη. Η μεγάλη διάρκεια ζωής είναι βασικό χαρακτηριστικό των πολιτικών αεροσκαφών, το οποίο εξαρτάται από τη συχνότητα λειτουργίας τους. Στα εμπορικά αεροπλάνα, η κόπωση και η διάβρωση είναι τα βασικά προβλήματα που θα πρέπει να αντιμετωπιστούν. Υπάρχουν λειτουργικοί λόγοι για τους οποίους δομικές εφαρμογές συνθέτων τοποθετούνται σε πολιτικό παρά σε στρατιωτικό αεροπλάνο. Τα μεγάλα επιβατικά αεροσκάφη διανύουν μεγάλες διαδρομές κατά τη διάρκεια της ημέρας, όπως ακριβώς ένα λεωφορείο, με αποτέλεσμα να επιβαρύνονται με έναν μεγάλο αριθμό πτήσεων ανά έτος. Επομένως βασικά χαρακτηριστικά ενός πολιτικού επιβατικού αεροπλάνου είναι η μακροχρόνια λειτουργία του και η ανθεκτικότητά του στο χρόνο. Το σύστημα της επιθεώρησης και αναφοράς είναι μια καθιερωμένη ρουτίνα για την συντήρηση των πολιτικών αεροσκαφών. Οι πρωταρχικές λειτουργίες πολιτικών και στρατιωτικών αεροσκαφών στις οποίες βρίσκουν εφαρμογή τα σύνθετα υλικά περιλαμβάνουν τα φρένα των αεροσκαφών, τα πτερύγια της προπέλας, τις μηχανές Jet, τα πτερύγια των ελικοπτέρων,τις τουρμπίνες των φτερών κ.α. Σύνθετα ενισχυμένα με ίνες γυαλιού (GRCs) είναι τα πιο επιθυμητά υλικά, ως αποτέλεσμα της τεχνολογίας των προηγμένων υλικών, η οποία δεν περιορίζεται μόνο στον σχεδιασμό και την εφαρμογή. Ινώδη σύνθετα με εποξική μήτρα έχουν χρησιμοποιηθεί στις μηχανές των αεροσκαφών για να ενισχύσουν την απόδοση του συστήματος. Για την κατασκευή της πόρτας της καμπίνας του πιλότου έχει γίνει χρήση επίσης συνθέτων γυαλιού/ρητίνης, τα οποία τώρα χρησιμοποιούνται και σε άλλα μέσα μεταφοράς. Τα σύνθετα με ίνες βορίου και γραφίτη, σχεδιάστηκαν αρχικά για τα τμήματα των μαχητικών αεροσκαφών, ενώ η χρήση τους στα εμπορικά αεροσκάφη είναι πολύ λιγότερη 86

88 και περιορίζεται προς το παρόν στις δευτερεύουσες δομές, όπου και μπορούν να χρησιμοποιηθούν με ιδιαίτερη ασφάλεια. Συνθήκες στατικής και δυναμικής φόρτισης συνδυάζονται στις turbojet μηχανές, οι οποίες και σχεδιάστηκαν αρχικά για τα πολεμικά αεροσκάφη και αργότερα χρησιμοποιήθηκαν και στα πολιτικά. Σε τέτοιες εφαρμογές συνδυάζονται ελαφριά υλικά προσφέροντας αρκετά πλεονεκτήματα. Για παράδειγμα το βάρος στο στροφείο μηχανής, στους συμπιεστές και στα ρουλεμάν μειώνεται αρκετά. Μερικές από τις turbofan μηχανές σχεδιάζονται για να καλύψουν τις πολλαπλές απαιτήσεις του τομέα των μεταφορών. Η μηχανή μπορεί να βελτιωθεί με τη βελτίωση της αποδοτικότητας του μηχανισμού προώθησης ή με τη μείωση του βάρους της. Οι ξεχωριστές ιδιότητες της ακαμψίας και της αντοχής των συνθέτων, επιτρέπουν τη σταδιακή μείωση του αριθμού πιέσεων λόγω της μεγάλης φόρτισης των πτερυγίων. Η χρήση των συνθέτων στους στροφείς, τους συμπιεστές και στα μέρη των μηχανών γίνεται με σκοπό την μείωση βάρους. Η μηχανική των αεροσκαφών εκλύει πληροφορίες από διάφορα ευδιάκριτα επιστημονικά πεδία, παράγοντας έτσι οχήματα ικανά να εκτελέσουν ξεχωριστά σενάρια πτήσης. Αρχικά ο σχεδιασμός τους επικεντρώθηκε στο βάρος, την ταχύτητα και τη δύναμη. Υπάρχουν όμως και άλλοι παράμετροι που επηρεάζουν την εμπορική αποδοχή των αεροσκαφών και θα πρέπει να λαμβάνονται υπ όψη κατά τον σχεδιασμό. Οι λόγοι αυτοί απαιτούν την επιλογή υλικών που εμφανίζουν λιγότερη από τη βέλτιστη αποτελεσματικότητα δομής και συστήματος. Ως εκ τούτου, είναι σημαντικό να εξεταστούν οι ανάγκες απόδοσης καθώς και οι ιδιότητες λειτουργίας τους. Πτερύγια έλικα ελικοπτέρου (Helicopter rotor blade) Υπάρχει μια γενική εκτίμηση ότι με τον κατάλληλο σχεδιασμό, τα πτερύγια του έλικα ελικοπτέρων κατασκευασμένα από σύνθετα υλικά, εμφανίζουν μεγαλύτερη διάρκεια ζωής από τα αντίστοιχα μεταλλικά. Τα μεταλλικά πτερύγια σπανίως αντέχουν παραπάνω από ώρες πτήσης, ενώ αντίθετα στα πτερύγια από σύνθετα υλικά οι ώρες ή περισσότερες είναι σύνηθες φαινόμενο. Το πτερύγιο του έλικα ενός ελικοπτέρου αποτελεί χαρακτηριστικό παράδειγμα ενός τμήματος κατασκευής που απαιτεί άριστη ειδική ακαμψία. Τα πτερύγια λειτουργούν ως αεροτομές, οι οποίες προκαλούν την ανύψωση του ελικοπτέρου. Τα σύνθετα χρησιμοποιούνται για την κατασκευή των πτερυγίων του στροβίλου (έλικα) και για άλλα τμήματα του ελικοπτέρου, από τη δεκαετία του '60. Το ενδιαφέρον για τη χρήση των συνθέτων έναντι των συμβατικών υλικών έγκειται στην καλή αντίσταση σε κόπωση, στην υψηλή ακαμψία σε κάμψη και στρέψη καθώς επίσης και στη χαμηλή πυκνότητα. Επίσης γίνεται πλήρης χρήση της δυνατότητας προσαρμογής των ελαστικών ιδιοτήτων μέσω του ελέγχου της αρχιτεκτονικής των ινών, ενώ βελτιωμένα αεροδυναμικά σχέδια πτερυγίων 87

89 προκύπτουν με την προσομοίωση των εφαρμοζόμενων τάσεων και της αεροδυναμικής όπου λαμβάνονται οι ανισότροπες ιδιότητες του υλικού. Ένα βασικό πρόβλημα όσον αφορά τα πτερύγια του έλικα, προκύπτει από το συνδυασμό της έμπροσθεν και της περιστροφικής κίνησης του ελικοπτέρου. Δεδομένου ότι η ταχύτητα των αεροσκαφών κατά την κίνηση προς τα εμπρός μπορεί να είναι μέχρι 100m/s και η γραμμική ταχύτητα του περιστρεφόμενου πτερυγίου, ακόμη και στην άκρη του, είναι συχνά κάτι περισσότερο από 200 m/s, η πραγματική ταχύτητα του πτερυγίου κατά τη φάση της προώθησης του περιστροφικού κύκλου είναι συχνά σημαντικά μεγαλύτερη από αυτή που σημειώνεται κατά τη φάσης οπισθοχώρησης. Εάν η γωνία κλίσης του πτερυγίου ως προς τον άξονα του στροβίλου παρέμενε σταθερή κατά τη διάρκεια κάθε φάσης του περιστροφικού κύκλου, το ποσοστό ανύψωσης θα ποίκιλλε σημαντικά στις δύο πλευρές του ελικοπτέρου οδηγώντας στην ανατροπή του. Η αντιμετώπιση αυτού του φαινομένου επιτυγχάνεται με την αλλαγή της γωνίας κλίσης κάθε πτερυγίου κατά τη διάρκεια κάθε περιστροφής. Επιπλέον αλλαγές στη γωνία κλίσης γίνονται για να αλλάξουμε κατεύθυνση κατά τη διάρκεια του ελιγμού. Είναι επομένως πολύ σημαντικό τα πτερύγια να εμφανίζουν επαρκή στρεπτική ακαμψία, δεδομένου ότι θα πρέπει ανταποκριθούν γρήγορα και αξιόπιστα στις αλλαγές της γωνίας κλίσης που επιβάλλονται στον άξονα του στροβίλου. Η καμπτική ακαμψία επίσης θα πρέπει να είναι υψηλή, ώστε να εξασφαλίζεται ότι η άκρη του πτερυγίου δεν θα καθυστερεί μένοντας πίσω κατά την περιστροφή ή θα πλαταγίζει υπερβολικά λόγω του βάρους του. Τα πτερύγια του έλικα όμως παρουσιάζουν σημαντική πολυπλοκότητα υπό την έννοια του σχήματος, της διαμόρφωσης του φορτίου και της συμπεριφοράς σε κόπωση. Η κατασκευή ενός πτερυγίου ελικοπτέρου παρουσιάζεται σχηματικά στην εικόνα 3.1. Ενώ μερικά πτερύγια σχεδιάζονται πλήρως με ίνες γυαλιού, σημαντικά πλεονεκτήματα εμφανίζει και μια κατασκευή από υβριδικά σύνθετα. Η απαραίτητη στρεπτική ακαμψία παρέχεται από ίνες άνθρακα ± 45 ως προς τον άξονα του πτερυγίου. Ο άνθρακας και οι ευθυγραμμισμένες παράλληλα στον άξονα του πτερυγίου ίνες γυαλιού, παρέχουν την απαραίτητη αξονική ακαμψία ώστε να ελαχιστοποιείται η καθυστέρηση και το χτύπημα της άκρης του πτερυγίου κατά την περιστροφή. Συγχρόνως η απόδοση με τις ίνες άνθρακα, που χρησιμοποιούνται στο χείλος και στο πίσω μέρος του πτερυγίου πίσω από τον κύριο ορθοστάτη, βελτιώνεται πάρα πολύ όσον αφορά την αντίσταση σε κόπωση λόγω κάμψης. 88

90 Εικόνα 3.1: Σχηματική αναπαράσταση μιας τυπικής κατασκευής σύνθετου για το πτερύγιο ελικοπτέρου Πτερύγια προπέλας αεροσκαφών (Propeller blades) Το κίνητρο για την κατασκευή των προπέλων turbo props δόθηκε με την κατασκευή βελτιωμένων πτερυγίων προπέλας χρησιμοποιώντας σύνθετα υλικά. Δεδομένου ότι η δυνατότητα μείωσης βάρους αυξάνεται με την αύξηση της διαμέτρου της προπέλας, μπορεί να επισημάνει κανείς ότι το χρήσιμο εύρος διαμέτρου είναι μεταξύ 1 και 6 m. Στο μέσο του εύρους μία προπέλα τεσσάρων πτερυγίων, με διάμετρο 4.5 m, μπορεί να μειώσει το βάρος από 454Kg (1.000 Ib) όταν χρησιμοποιείται μέταλλο, σε 181 Kg (400 Ib) όταν χρησιμοποιείται σύνθετο υλικό. Η φυγόκεντρος δύναμη που αναπτύσσεται στην πλήμνη και στο γρανάζι, μειώνεται από την απουσία μεταλλικών εξαρτημάτων με μεγαλύτερη ειδική πυκνότητα [3]. Στα πτερύγια Dowty Rotol (εικόνα 3.2) χρησιμοποιείται ύφασμα και ταινία μιας διεύθυνσης τα οποία ευθυγραμμίζονται κατά μήκος του άξονα του πτερυγίου ώστε να ενεργήσουν όπως οι ορθοστάτες, με τις ίνες γυαλιού στο ύφασμα να έχουν προσανατολισμό ±45, προκειμένου να μπορεί να αντιστέκεται στην στρέψη. Παρ όλα αυτά τοπική εναλλαγή στον προσανατολισμό επιδιώκεται σε μερικές περιοχές για να αλλάξει η συχνότητα στρέψης. Η μορφή των πτερυγίων συγκροτείται από έναν εσωτερικό πυρήνα από αφρό πολυουρεθανίου (polyurethane) που διαμορφώνεται επί τόπου. 89

91 Εικόνα 3.2: πτερύγιο προπέλλας αεροσκάφους (Dowty Rotol) από σύνθετα υλικά Οι ορθοστάτες (spars) από άνθρακα υποβάλλονται σε μια βαθμιαία αλλαγή μορφής, από επίπεδη σε στρογγυλή. Χωρίζονται στη βάση των πτερυγίων, σε δακτυλίους με την εισχώρηση ινών γυαλιού, έτσι ώστε όταν ολόκληρη η σύνθεση εμβαπτίζεται στη ρητίνη και σταθεροποιείται, το αποτέλεσμα να είναι μια ογκώδης δακτυλιοειδής σφήνα που συνδέεται με ασφάλεια με τα εσωτερικά και εξωτερικά μεταλλικά φύλλα (και περιορίζεται μέσα σε αυτά). Μεταξύ των άλλων πλεονεκτημάτων μιας κατασκευής από σύνθετα υλικά, είναι η σημαντική βελτίωση της διάρκειας ζωής σε κόπωση. Είναι ευρέως γνωστό ότι η επιφανειακή φθορά που υφίστανται τα πτερύγια της προπέλας από ελαφριά κράματα, μειώνει την ήδη περιορισμένη διάρκεια ζωής σε κόπωση ακόμα περισσότερο, όπως επίσης γνωστό είναι ότι το πτερύγιο από σύνθετα υλικά εμφανίζει μεγαλύτερη αντίσταση σε θραύση κατά τη λειτουργία. Φρένα αεροπλάνου(aircraft brakes) Τα φρένα των αεροσκαφών απαιτούν έναν ιδιαίτερο συνδυασμό ιδιοτήτων. Στην περίπτωση αναγκαστικής προσγείωσης ή διακοπής της απογείωσης, ένα πολύ μεγάλο ποσοστό ενέργειας θα πρέπει να απορροφηθεί από τα φρένα σε σύντομο χρονικό διάστημα χωρίς να αστοχήσουν ή να μαγκώσουν (seizure). Μια τυπική κατασκευή φρένου αεροσκάφους βασίζεται στη σύνδεση πολλαπλών περιστρεφόμενων και στάσιμων δίσκων μεταξύ τους. Στην εικόνα 3.3 απεικονίζεται μια τυπική διάταξη φρένου από σύνθετο άνθρακα/άνθρακα. Η τριβή που αναπτύσσεται μεταξύ αυτών των δίσκων μπορεί να αυξήσει το μέσο όρο θερμοκρασιών στις οποίες υπόκεινται, στους 1500 C, με παροδικές επιφανειακές θερμοκρασίες άνω των 3000 C. 90

92 Το υλικό των δίσκων των φρένων επομένως, θα πρέπει να έχει εξαιρετική αντίσταση σε θερμικό σοκ και αντοχή σε υψηλές θερμοκρασίες. Η καλή θερμική αγωγιμότητα είναι επίσης σημαντική για την αποφυγή της υπερθέρμανσης των επιφανειών των δίσκων. Ο άνθρακας εμφανίζει καλή αγωγιμότητα και σταθερότητα σε υψηλές θερμοκρασίες. Αν και ο γραφίτης αποτελεί υποψήφιο υλικό για την κατασκευή των φρένων καθότι είναι πολύ φτηνότερος από ένα σύνθετο άνθρακα/άνθρακα, τα σύνθετα είναι εμφανώς ανώτερα όσον αφορά την αντοχή και την δυσθραυστότητα τους. Σημαντικό επίσης είναι και το βάρος των φρένων. Συνήθως σε ένα μεγάλο πολιτικό αεροσκάφος υπάρχουν οχτώ φρένα, και όταν αυτά κατασκευάζονται από συμβατικά υλικά (χάλυβας έναντι ενός υλικού τριβής), τότε όλα μαζί ζυγίζουν πάνω από 1000kg. Ένα αντίστοιχο σύνολο φρένων από σύνθετο άνθρακα/άνθρακα ζυγίζει λιγότερο από 700kg. Η μείωση βάρους κατά εκατοντάδες χιλιογραμμάρια αντιστοιχεί σε σημαντική αποταμίευση καυσίμων κατά τη διάρκεια ζωής ενός αεροσκάφους. Σήμερα σύνθετα άνθρακας/άνθρακα χρησιμοποιούνται στα στρατιωτικά αεροπλάνα και σε όλο και περισσότερα πολιτικά. Ο βασικός παράγοντας που περιορίζει τη χρήση των συνθέτων άνθρακα/ άνθρακα σε εφαρμογές όπου εκτίθενται σε υψηλής θερμοκρασίας για μεγάλο χρονικό διάστημα, είναι η έλλειψη αντίστασης σε οξείδωση, αν και προσπάθειες γίνονται για την ανάπτυξη κατάλληλων επιστρωμάτων. Εικόνα 3.3: Φρένο αεροσκάφους από σύνθετο άνθρακα/άνθρακα 91

93 Jet Engines Αρκετά ευρύ είναι το πεδίο εφαρμογών των συνθέτων στις μεγάλες αεριωθούμενες μηχανές. Σύνθετα άνθρακα/polyimides χρησιμοποιούνται για τους στροφείςκαι για τους στάτες. Πολύστρωτα σύνθετα με ίνες άνθρακα χρησιμοποιούνται για τις εσωτερικές και εξωτερικές καλύπτρες του κινητήρα (cowls) και σε ορισμένους σωλήνες όπου η θερμοκρασία είναι κατάλληλη, μέχρι για 250 C (513 F). Τα πτερύγια αντίστροφης ώθησης (Reverse thrust flaps) και τα πάνελ απορρόφησης ήχου(sound absorption panels) είναι επίσης καλές εφαρμογές. Οι αραμαδικές ίνες με τη σειρά τους προτιμώνται στα container rings που περιβάλλουν τη μηχανή, αποτελούν απαραίτητη δικλίδα ασφάλειας σε περίπτωση αστοχίας των blades. Μια από τις σημαντικές πιθανές χρήσεις των συνθέτων για την αποταμίευση βάρους είναι στον μεγάλο μπροστινό ανεμιστήρα (large front fan). Επιπλέον βελτιώσεις με τη χρήση των συνθέτων θα υπάρξουν όσον αφορά την αντοχή και την ακαμψία, την καλύτερη απόσβεση των δονήσεων και την αντοχή σε κόπωση. Θα υπάρξουν υλικά με χαμηλότερο συντελεστή διαστολής, οδηγώντας σε χαμηλότερα ύψη διέλευσης και μεγαλύτερη αποδοτικότητα των αεροσκαφών. Τουρμπίνες των Φτερών (Wind Turbins) Τα σύνθετα υλικά χρησιμοποιούνται για την κατασκευή πτερυγίων περιστρεφόμενων με τον άνεμο για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Αρχικά καθώς οι διάμετροι αυτών των στροβίλων παρέμεναν μικρές, μεμονωμένες εγκαταστάσεις αναπτύχθηκαν για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας σε σπίτια, αγροκτήματα και μικρές επιχειρήσεις. Σήμερα που η παραγωγή ενέργειας αποτελεί μια σημαντική και μεγάλης κλίμακας επιχείρηση, παράγονται στρόβιλοι τουρμπίνες αέρα σε πολύ μεγαλύτερες ποσότητες και με μεγαλύτερες διαμέτρους. Εξαρχής τέτοιες τουρμπίνες τοποθετήθηκαν σε ψηλές, θυελλώδης και απομονωμένες περιοχές, και όπως ήταν λογικό, ομαδοποιήθηκαν σε συγκροτήματα, γνωστές ως φάρμες μειώνοντας έτσι τις δαπάνες εγκατάστασής τους, συμβάλλοντας στην παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος και παράλληλα επιτρέποντας την καθημερινή τους επιθεώρηση και συντήρηση. Τα πρώτα πτερύγια τέτοιων τουρμπίνων κατασκευάστηκαν από ίνες γυαλιού και πολυεστέρα ή εποξικές ρητίνες ως μήτρα. Κατά τη διάρκεια των ετών κατασκευάζονταν τουρμπίνες όλο και μεγαλύτερου μεγέθους, με την μεγαλύτερη που έχει κατασκευαστεί μέχρι σήμερα να είναι διαμέτρου 46m. Εντούτοις, εμφανίζουν διάφορες δομικές αστοχίες, κυρίως όσον αφορά την κόπωση, με αποτέλεσμα στις σύγχρονες τουρμπίνες να χρησιμοποιούνται ίνες άνθρακα στον κύριο 92

94 ορθοστάτη (main spar), με προσανατολισμό στις 0 κα 90, λόγω της σημαντικής αντοχής που εμφανίζουν σε κόπωση. Η ακαμψία σε στρέψη βελτιώθηκε επίσης με την αντικατάσταση των ινών γυαλιού στις εξωτερικές επιφάνειες (skins) από αραμαδικές ίνες, με προσανατολισμό +45. Το τελικό σχέδιο του πτερυγίου ενός έλικα τουρμπίνας αεροπλάνου, περιλαμβάνει έναν κύριο ορθοστάτη, ο οποίος αποτελείται από δύο πανομοιότυπα αντικριστά κομμάτια που καλύπτονται από pultrusions άνθρακα/εποξικής ρητίνης, και συνενώνονται τοποθετώντας στο πάνω και στο κάτω μέρος δύο φύλλα αραμαδικών ινών/εποξικής ρητίνης(skins). Εικόνα 3.4: Σχηματική απεικόνιση τυπικού πτερυγίου τουρμπίνας 93

95 Υπάρχει ένα σύνολο από νεύρα (ribs) στο χείλος και στην άκρη του πτερυγίου απόπλαστικό, οι οποίες ενισχύονται κατά το πλάτος τους με μια ταινία ινών γυαλιού/εποξυκής ρητίνης (glass/ep tape).τα εξωτερικά μισά κάθε πτερυγίου φέρουν τα υψηλότερα φυγοκεντρικά φορτία και τα κελιά μεταξύ των βεργών(ribs) και αυτά της ακμής και του χείλους, γεμίζουν με αφρό. Το σταθερό τμήμα της κατασκευής, περιλαμβάνει το πύκνωμα των sandwich ορθοστατών έτσι ώστε να δημιουργηθεί ένα στερεό πάνελ άνθρακα/εποξικής ρητίνης το οποίο τοποθετείται μεταξύ μιας πολύστρωτης πλάκας από φύλλα χάλυβα, με έναν αυξανόμενο αριθμό στρώσεων καθώς προχωράμε προς την βάση της δομής. Η συγκόλληση και ταυτόχρονα το βίδωμα μεταξύ του πάνελ άνθρακα/εποξικής ρητίνης και των στρώσεων από φύλλα χάλυβα, εξασφαλίζει την απόλυτη και σταθερή εφαρμογή μεταξύ τους, ενώ στη συνέχεια ολόκληρο το σταθερό αυτό τμήμα βιδώνεται πάνω στον δίσκο του πτερυγίου και όλο μαζί εφαρμόζεται στο κέντρο του άξονα περιστροφής (εικόνα 3.4). Μία άλλη μορφή έλικα, η οποία προτιμάται αρκετά, έχει δύο πτερύγια τοποθετημένα κατακόρυφα στις δύο αντίθετες πλευρές του άξονα του έλικα, ο οποίος περιστρέφεται κατά τον κάθετο άξονά του. Επειδή κάθε πτερύγιο υποστηρίζεται σε δύο σημεία, οι στιγμές εμφάνισης κάμψης σε κάθε άκρο είναι πολύ μικρότερες από αυτές που εμφανίζονται στο συμβατικό σχέδιο έλικα. 3.2 Αεροδιαστημική Οι προοπτικές και η εφαρμογή των συνθέτων υψηλής απόδοσης έφεραν την επανάσταση στη τεχνολογία των αεροδιαστημικών κατασκευών. Τα σύνθετα υψηλής απόδοσης είναι ιδιαίτερα αξιόπιστα υλικά, με ειδική αντοχή υψηλότερη από τα άλλα υλικά, ενώ ανάλογα με τον τύπο της μήτρας και της ενίσχυσης που χρησιμοποιούνται, οι ιδιότητες τους ποικίλλουν. Δεν αναπτύσσονται πλέον σχέδια σύμφωνα με τους υλικούς περιορισμούς, αλλά αλλάζουν οι ιδιότητες προκειμένου να συμφωνούν με τις συγκεκριμένες σχεδιαστικές απαιτήσεις. Οι ίνες γυαλιού χρησιμοποιούνται στα διαστημικά οχήματα αρκετά χρόνια τώρα με τη μορφή πολύστρωτων ελασμάτων στις δευτερεύουσες δομές. Ως δομικό μηχανικό υλικό, το γυαλί είναι ιδιαίτερα ελκυστικό για την υψηλή ειδική αντοχή του, το χαμηλό κόστος, την καλή μορφοποίηση των χαρακτηριστικών του, την υψηλή αντίσταση σε κρούση και τη θερμική σταθερότητα του. Χάρη της μονωτικής του ιδιότητας έχει χρησιμοποιηθεί εκτενώς για θερμική μόνωση σε τμήματα κατασκευών. Εντούτοις, μειονέκτημα αποτελεί το χαμηλό μέτρο ελαστικότητας του, και το γεγονός ότι παρά την ευκολία στον χειρισμό του, το γυαλί φθείρεται υπερβολικά κατά τη διεξαγωγή των μηχανικών διεργασιών. Τα νήματα βορίου έχουν υψηλό ειδικό μέτρο ελαστικότητας και θλιπτική αντοχή. Εμφανίζουν επομένως μεγάλη ζήτηση σε εφαρμογές που απαιτούν ακαμψία των υλικών. 94

96 Οι ίνες βορίου έχουν ομοιόμορφες ιδιότητες και χάρη στο ψηλό μέτρο ελαστικότητας τους η μήτρα πλαστικού υπόκειται σε μικρή παραμόρφωση. Από αυτές τις ιδιότητες συνεπάγεται η υψηλή αντοχή και διάρκεια σε κόπωση του υλικού. Επιπλέον προσόντα των ινών βορίου, είναι η ελάχιστη αναδίπλωση τους και ο μεγαλύτερος κύκλος θερμοκρασιών που μπορούν να αντέξουν. Εμφανίζουν επίσης υψηλή σταθερότητα σε ερπυσμό καθιστώντας τις ίνες βορίου ιδιαίτερα χρήσιμες σε εφαρμογές υψηλού φορτίου. Στον αντίποδα, τα μειονεκτήματα τους έγκεινται στην σκληρότητα και την ευθραυστότητα τους. Οι ίνες βορίου δεν μπορούν να υφανθούν σε υφάσματα και παρουσιάζουν αρκετά μικρή αντίσταση σε κρούση. Επιπλέον επιτρέπουν την κατεργασία τους μόνο από εργαλεία καρβιδίου ή διαμαντιού. Ο γραφίτης είναι ένα ευρέως διαθέσιμο και οικονομικό ενισχυτικό υλικό, με χαρακτηριστικά το υψηλό μέτρο ελαστικότητας, την υψηλή ακαμψία και αντοχή και υψηλή θεωρητική απόδοση. Εντούτοις παρουσιάζει δυσκολία στη μεταφορά φορτίου μεταξύ στρωμάτων, και επιπλέον οι θλιπτικές του ιδιότητές είναι μικρότερες από τις εφελκυστικές. Επιπλέον θετικά χαρακτηριστικά είναι ότι ο γραφίτης παρουσιάζει εξαιρετικές δυνατότητες επεξεργασίας και μορφοποίησης, ενώ έχει και πολύ μικρό συντελεστή διαστολής. Εμφανίζει μεγάλη διαστασιακή σταθερότητα και μπορεί επίσης να υφανθεί εύκολα σε ύφασμα. Η εξασθένιση λόγω κόπωσης ή σταθερού φορτίου, κάτω από υψηλές θερμοκρασίες δεν λαμβάνεται υπόψη. Οι παραμένουσες τάσεις η ασφάλεια και άλλες ζωτικής σημασίας παράμετροι κατά τον σχεδιασμό αεροσκαφών, παραλείπονται στην περίπτωση σχεδιασμού διαστημικών οχημάτων. Κατά τον σχεδιασμό των δορυφόρων η αντοχή σε κόπωση, ο ερπυσμός κ.τ.λ., λαμβάνονται υπόψη αν και οι απαιτήσεις της εφαρμογής τους είναι πολύ χαμηλότερες από αυτές που αναμένονται στα αεροσκάφη και θα πρέπει να συμπεριληφθούν στο σχεδιασμό. Μια σημαντική ανησυχία όσον αφορά τη διαχείριση των διαστημικών οχημάτων είναι η επιλογή εκείνων των υλικών που θα καλύπτουν απαιτήσεις απόδοσης και κόστους. Τα σύνθετα υλικά εμφανίζουν μεγάλες δυνατότητες αναφορικά με την σταθερότητα υλικού και την απόδοση. Επίσης σημαντική εκτίμηση αναφορικά με την χρήση των συνθέτων στην αεροδιαστημική, όπως και στη αεροναυπηγική γενικότερα, είναι το χαμηλό βάρος. Μελέτες σε συγκεκριμένα τμήματα διαστημικών οχημάτων, έχουν δείξει ότι χρησιμοποιώντας δομές εξ ολοκλήρου από σύνθετα υλικά, είναι δυνατό να επιτευχθεί μείωση βάρους της τάξεως των 20 ως 45%.Ενώ αντίθετα οι επιλεκτικά ενισχυμένες μεταλλικές δομές προσφέρουν μόνο 10 με 25% μείωση. Μερικές φορές η μείωση του βάρους απαιτείται για να είναι δυνατή η διατήρηση του κέντρου βάρους του συστήματος. Ειδικά το βάρος στην ουρά του διαστημοπλοίου μπορεί να μειωθεί με την εφαρμογή συνθέτων, έτσι ώστε να μην χρειάζεται να προστεθεί επιπλέον βάρος στην κορυφή μύτη του σκάφους προκειμένου να διατηρηθεί το κέντρο βάρους του. Τα σύνθετα στην αεροδιαστημική επιλέγονται για να επιλύσουν προβλήματα που αφορούν κρίσιμα ωφέλιμα φορτία (payloads) ή ισορροπίας. 95

97 Ορισμένοι παράγοντες δαπανών που εξετάζονται κατά τον σχεδιασμό διαστημικών συστημάτων, αφορούν το αρχικό κόστος κατασκευής και το κόστος του κύκλου ζωής του συστήματος. Η πρώτη περίπτωση αφορά το κόστος ανάπτυξης νέων διαδρομών παραγωγής, τις τεχνικές επιθεώρησης κ.α. Τα σύνθετα που έχουν αναπτυχθεί παρουσιάζουν σημαντική μείωση του κόστους παραγωγής διαστημικών οχημάτων, κάτι που τα καθιστά υλικά πρώτης επιλογής έναντι των μετάλλων. Αυτό ισχύει ειδικά για τα ινώδη σύνθετα, τα οποία απαιτούν λιγότερο χρόνο επεξεργασίας και απλούστερα εργαλεία χειρισμού. Εικόνα 3.5: Τυπική κατασκευή δορυφόρου επικοινωνίας στην Ιαπωνία με σύνθετο άνθρακα/εποξυ ρητίνη 3.3 Ναυπηγική Ο όρος ναυπηγική καλύπτει μια μεγάλη ποικιλία πλωτών οχημάτων, από τις μικρότερες λέμβους, τα ιστιοπλοϊκά και τα μηχανοκίνητα σκάφη οποιασδήποτε μορφής, ως τα σκάφη θαλάσσης 61m (200ft) μήκος ή και περισσότερο. Η χρήση των συνθέτων υλικών στη ναυτιλία, αποτελεί μια από τις μεγάλες μεταπολεμικές επιτυχίες, καθώς μετέτρεψε την κατασκευή πλοίων από μια βιοτεχνία πολυάριθμων μικρών ναυπηγείων, σε μια μαζικής παραγωγής πλοίων βιομηχανία. Ήδη από τις αρχές της δεκαετίας του 1940, όπου το ξύλο 96

98 και το μέταλλο ήταν τα παραδοσιακά υλικά, είχε αρχίσει να εξετάζεται το ενδεχόμενο χρήσης συνθέτων υλικών, όχι μόνο όσον αφορά την καταλληλότητά τους για την παραγωγή πλοίων, αλλά και για την δυνατότητα να παραχθεί σκάφος από σύνθετα υλικά με το ίδιο κόστος με αυτά από συμβατικά υλικά. Σήμερα είναι πλέον αναγνωρισμένο ότι το κόστος τους είναι χαμηλότερο και ότι σε πολλές περιπτώσεις τα σύνθετα υλικά μειώνουν τις δαπάνες της συντήρησης και αυξάνουν τη δυνατότητα παραγωγής νέων μορφών και χρήσεων, που θα ήταν δύσκολο ή αδύνατο να παραχθούν με το ξύλο και το μέταλλο. Το ενισχυμένο με ίνες γυαλιού πλαστικό (GRP), είναι σήμερα το δημοφιλέστερο σε διάφορες εφαρμογές στις θαλάσσιες μεταφορές. Ενώ συνήθως τα μεγάλα πλοία κατασκευάζονται από χάλυβα, πάνω από το 80% των πλωτών σκαφών μήκους μικρότερου των 40m περίπου, αποτελούνται από πλαστικό με υαλοβάμβακα (Smith 1990). Αυτό συμβαίνει κυρίως γιατί η κατασκευή σε GRP είναι οικονομικότερη για σχετικά μικρά σκάφη. Σημαντικές, εντούτοις, επιδιώξεις αποτελούν και η μείωση του βάρους των πλοίων και η ευκολία συντήρησής τους [3]. Μεγάλη τεχνολογική επίτευξη στις ναυτιλιακές κατασκευές αποτελούν η εφεύρεση, περίπου το 1947, των cold setting ρητινών πολυεστέρα, μαζί με τις νέες μορφές πλέξεων υφάσματος και του chopped strand mat, τα οποία κατέστησαν εφικτή και απλή την δημιουργία καλουπιών σκαφών. Η διαδικασία ξεκινά από ένα αρχικό κομμάτι ξύλου, γύψου Παρισιού, ασβεστοκονιάματος ή άλλου παρόμοια εύκολα επεξεργάσιμου υλικού. Από αυτό παράγεται μια θηλυκή μήτρα(καλούπι) ίνας γυαλιού/ρητίνης, η οποία είναι μονοκόμματη για τα μικρότερα μεγέθη, συχνά όμως χωρίζεται στην γραμμή της καρίνας για μεγαλύτερου μεγέθους ενισχύσεις, σε ένα περιβάλλον ελεγχόμενης θερμοκρασίας και υγρασίας. Λόγω του σχετικά χαμηλού μέτρου ελαστικότητας του γυαλιού, υπάρχει μια φυσική τάση για την βελτίωση της δυσκαμψίας των δοκών, των πάνελ και άλλων στοιχείων, με την προσθήκη περισσότερου υλικού και την αύξηση (thickening) της διατομής. Άλλος τρόπος για να γίνει αυτό, είναι με την εκτενή χρήση νεύρων και δομών τύπου sandwich. Μέχρι τα τέλη της δεκαετίας 60 αυτές οι γενικές μέθοδοι αυξήθηκαν με την προσθήκη ενός ποσοστού ινών άνθρακα στο σημερινό παραδοσιακό γυαλί, είτε με τη μορφή tows μονής κατεύθυνσης( unidirectional tows), είτε ως υφάσματα μονής κατεύθυνσης(unidirectional fabrics), είτε υφαίνοντας ίνες άνθρακα και γυαλιού σε υφάσματα διπλής κατεύθυνσης(bidirectional fabrics). Στην εικόνα 3.6 παρουσιάζεται μια απλή ταξινόμηση αυτών των υβριδικών δομών. Η μείωση βάρους που επιτυγχάνεται με τις παραπάνω υβριδικές δομές είναι εντυπωσιακή. Το βάρος των αγωνιστικών καγιάκ μειώθηκε από 15.9Kg (35 Ib) σε 10Kg(22 Ib) με τη χρήση μόνο 227g (0.5 Ib) ινών άνθρακα. Κατά την κατασκευή αγωνιστικών κωπηλατικών λέμβων (δύο, τεσσάρων και οχτώ θέσεων) παρατηρήθηκε ανάλογου μεγέθους μείωση βάρους. 97

99 Αυτές οι κωπηλατικές λέμβοι εμπεριέχουν μεγάλη ποσότητα συνθέτων τύπου sandwich, αντίστοιχα των καλύτερων αεροσκαφών. Χρησιμοποιούνται τα εξής υλικά: αλουμίνιο σε κυψελλοειδή μορφή τοποθετείται μεταξύ επιφανειών(skins) από ύφασμα ινών γυαλιού και μονής κατεύθυνσης ινών άνθρακα αντίστοιχα, για την καρίνα της λέμβου. αφρός polymethacrylimide (Rohacell) τοποθετείται μεταξύ επιφανειών(skins) από ύφασμα ινών άνθρακα για το πάτωμα του stateroom όπου παράγεται η δύναμη. επιφάνειες γυαλιού(glass skins)τοποθετούνται πάνω από πυρήνες από πλωτό κοντραπλακέ, για τις εγκάρσιες βέργες και τα κεντρικά διαφράγματα(bulkheads) τα οποία διαιρούν την λέμβο των οχτώ θέσεων σε δύο φορητά τμήματα. πλωτό κοντραπλακέ τοποθετείται μεταξύ επιφανειών extra πάχους από άνθρακα, στην περιοχή των sax boards,όπου τοποθετούνται τα κουπιά και το σκαρί επιβαρύνεται με επιπλέον βάρος. Στην κατασκευή των καταμαράν, το σημείο εμφάνισης μιας ενδεχόμενης αστοχίας βρίσκεται στις κάθετες δοκούς ή μονάδες γεφύρωσης(bridging units), οι οποίες συνδέουν μεταξύ τους τα δύο σκάφη (hulls). Αρχικά υπήρξαν διάφορες αποτυχίες όσον αφορά τα αγωνιστικά καταμαράν, καθώς το φορτίο στο οποίο υποβάλλονταν αποδεικνύονταν πολύ μεγαλύτερο από αυτό που είχε θεωρηθεί ως πιθανό, με αποτέλεσμα να σπάει η σύνδεση μεταξύ των δύο σκαφών και να χωρίζονται. Προκειμένου να αντέξουν στα καμπτικά και στρεπτικά φορτία, οι συνδετικοί αυτοί δοκοί κατασκευάζονται κατά ένα μεγάλο ποσοστό από ίνες άνθρακα. Οι αραμαδικές ίνες επίσης βρήκαν πρόσφατα εφαρμογή στην κατασκευή πλοίων χάρη στην καλή τους δυσκαμψία και αντίστασή σε κρούση. Εντούτοις, λόγω των φτωχών ιδιοτήτων τους σε θλίψη προτιμώνται υβριδικά σύνθετα αραμαδικών και γυάλινων ινών σε ένα μεγάλο εύρος σκαφών αναψυχής και εμπορικών πλοίων. Υπάρχουν επίσης ορισμένες εφαρμογές για τις οποίες οι μαγνητικές, ηλεκτρικές ή θερμικές ιδιότητες των GRP συνθέτων προτιμούνται έναντι του χάλυβα. Χαρακτηριστικό παράδειγμα αποτελούν τα ναρκαλιευτικά, τα οποία πρέπει να είναι μη μαγνητικά προκειμένου να αποφευχθεί η ενεργοποίηση κάποιας νάρκης. 98

100 Εικόνα 3.6: Υβριδικές δομές Η καρίνα πλοίου, κατασκευάζεται με την τεχνική contact moulding, όπου χρησιμοποιείται ρητίνη πολυεστέρα και γυάλινες ίνες E τύπου έναντι μιας ανοικτής θηλυκής φόρμας από χάλυβα. Η κοίλα επιφάνεια της φόρμας βερνικώνεται και επαλείφεται με ένα απόκολλητικό πριν να δεχτεί τη ρητίνη. Οι ίνες γυαλιού τοποθετούνται έναντι του καλουπιού, συνήθως υπό τη μορφή ακολουθίας φύλλων κοντών ινών, πλεκτού υφάσματος μακριών ινών(woven rovings) και μονής κατεύθυνσης ελασμάτων (unidirectional laminates).για ένα αρκετά μεγάλο σκάφος, όπως ένα ναρκαλιευτικό 40m, το πάχος της επίστρωσης (lay up) είναι περίπου 30 50mm. Αυτό είναι πάρα πολύ παχύ ώστε η απόθεση και ο διαποτισμός με ρητίνη να πραγματοποιείται εύκολα με χειρωνακτικές μεθόδους. Το άπλωμα των ινών (draping),η μίξη της ρητίνης και του καταλύτη και η άντληση του μίγματος σε κυλινδρικούς impregnators γίνεται πάνω σε κινούμενους ατσάλινους σκελετούς. Το βάρος των επιφανειών είναι συνήθως περίπου 2kgm 2, με αυτή τη διαδικασία μπορούν να υγρανθούν γρήγορα και πλήρως. Η παραγωγή μιας καρίνας αυτών των διαστάσεων ολοκληρώνεται σε περίπου 10 εβδομάδες [4]. Όσον αφορά την κατασκευή πλοίων, είναι εμφανές ότι οι ίνες γυαλιού, άνθρακα και οι αραμαδικές ίνες, ξεχωριστά ή σε συνδυασμό, έχουν τον κεντρικό ρόλο στη ναυπηγική. Βρίσκουν εφαρμογή σε μία ποικιλία ναυτιλιακών προϊόντων, κωπηλατικές και ιστιοπλοϊκές λέμβους, μεγάλα και μικρά γιοτ, μεγάλα ταχύπλοα σκάφη, ναυαγοσωστικές λέμβους, περιπολικά σκάφη ακτοφυλακών, αλιευτικά σκάφη, μεγάλα ναρκαλιευτικά πλοία και πολλά άλλα. 99

101 3.4 Αυτοκινητοβιομηχανία Σασί αυτοκινήτων Στα οδικά μέσα μεταφοράς τα ενισχυμένα πλαστικά είναι το είδος των συνθέτων που χρησιμοποιούνται κυρίως λόγω της ποικιλίας υλικών που μπορούν να παραχθούν από αυτά, και της δεκτικότητας που εμφανίζουν ως προς άλλα υλικά, σχεδιαστικές αλλαγές, και διαδικασίες. Η υψηλή τους ειδική αντοχή, σε σύγκριση με άλλα υλικά, η ακαμψία, το χαμηλό κόστος τους και η διαθεσιμότητα των πρώτων υλών τους, τα καθιστά πρώτιστη επιλογή σε εφαρμογές στα οδικά μέσα μεταφοράς [1]. Στα βαριά οχήματα, τα σύνθετα χρησιμοποιούνται για την αντικατάσταση τμημάτων με απώτερο σκοπό την εξοικονόμηση κόστους. Η δυνατότητα καλής αναπαραγωγής και ο προσεκτικός χειρισμός είναι οι βασικές προϋποθέσεις για την κατασκευή ενός καλού συνθέτου υλικού. Αν και οι δαπάνες των προηγμένων συνθέτων υλικών (σύνθετα εποξικής μήτρας ενισχυμένα με ίνες άνθρακα ή γυαλιού) μπορεί να μην δικαιολογούν την αποταμίευση που επιτυγχάνεται από την άποψη του βάρους στην παραγωγή οχημάτων, παρ όλα αυτά εποξικές ρητίνες ενισχυμένες με ίνες άνθρακα έχουν χρησιμοποιηθεί στα αγωνιστικά αυτοκίνητα και πρόσφατα για την ασφάλεια των αυτοκινήτων. Σύνθετα με μήτρα ρητίνης πολυεστέρα με το κατάλληλο ενισχυτικό υλικό, ήταν ο πρώτος τύπος συνθέτων που εφαρμόστηκε στην οδική μεταφορά. Η επιλογή υπαγορεύθηκε από τις ιδιότητες που εμφάνιζαν, όπως το χαμηλό κόστος, η ευκολία σχεδιασμού και παραγωγής των λειτουργικών μερών κ.λπ. Χρησιμοποιώντας μια ποικιλία ενισχύσεων, ο πολυεστέρας εξακολουθεί να χρησιμοποιείται στη βελτίωση αυτών των συστημάτων και άλλων εφαρμογών. Τα σύνθετα πλαστικής ρητίνης κοστίζουν περισσότερο σε σύγκριση με το χάλυβα. Επομένως άλλες ιδιότητες του συνθέτου θα πρέπει να δικαιολογήσουν το υψηλό αυτό κόστος. Οι μηχανικές ιδιότητες τους, οι οποίες επηρεάζουν το πάχος και το βάρος, θα πρέπει να προσφέρουν αρκετή αποταμίευση ώστε να τα καθιστά αποτελεσματικότερα από το χάλυβα. Ωστόσο, ο λόγος κόστους/πυκνότητας δεν μπορεί από μόνος του να αποτελέσει κριτήριο της αποτελεσματικότητας ενός υλικού από άποψη κόστους, καθώς θα πρέπει να ληφθούν υπόψιν και οι ποσότητες αποβλήτων που παράγονται κατά τη χρήση του υλικού. Τα πλαστικά σύνθετα υλικά παρουσιάζουν πολύ μικρό ποσοστό αποβλήτων από ότι ο χάλυβας και αυτό γιατί μπορούν να διαμορφωθούν πλησιέστερα στην τελική τους μορφή. Ορισμένα περίπλοκα τμήματα των οχημάτων, που κατασκευάζονταν με χύτευση μετάλλου, μπορούν να κατασκευαστούν με σύνθετα υλικά σε μορφή φύλλων με τη μέθοδο της μορφοποίησης με συμπίεση (compression moulding). Οι τεχνολογίες μορφοποίησης, σχεδιασμού και κατασκευής έχουν διευρύνει τις δυνατότητες κατασκευής οχημάτων με σύνθετα ενισχυμένου πολυεστέρα. 100

102 Τα ενισχυμένα πλαστικά δεν κοστίζουν τόσο στην παραγωγή τους, και πλέον χρησιμοποιούνται εκτενώς σε τμήματα του αυτοκινήτου, για τους λαμπτήρες δεικτών και σε άλλα εξαρτήματα. Στα φορτηγά και στα τρέιλερ χρησιμοποιούνται σε μεγάλο ποσοστό ενισχυμένα πλαστικά για τις συνδέσεις και για την κατασκευή κάποιων τμημάτων τους. Οι παράμετροι σχεδιασμού και επιλογής των υλικών, διαφέρουν για τα δύο αυτά είδη οχημάτων. Στην περίπτωση των φορτηγών και βαρέων οχημάτων, σημαντικός παράγοντας επιλογής υλικού είναι η αποταμίευση βάρους, καθώς το βάρος επηρεάζει άμεσα την αποδοτικότητα, το ωφέλιμο φορτίο και το κόστος του οχήματος. Επιπλέον, καθώς τα οχήματα αυτά αποτελούν μεγάλες οικονομικές επενδύσεις, η αντοχή τους στο χρόνο αποτελεί πρωταρχικό κριτήριο. Επομένως, ο χρόνος, η συχνότητα και το κόστος συντήρησής τους αποτελούν επιπλέον παράγοντες που θα πρέπει να λαμβάνονται υπόψη κατά το σχεδιασμό και την επιλογή υλικών. Τα ιδιωτικά οχήματα χαρακτηρίζονται από μεγαλύτερη ευκολία στο σχεδιασμό, η μορφή τους τείνει να είναι διαφορετική και είναι πιο ελκυστικά στη μορφή. Σε αυτού του είδους τα οχήματα, πρότυπα μεγέθη αυτοκινήτων λαμβάνονται με την τεχνική της μορφοποίησης με καλούπι. Άκαμπτα τμήματα παράγονται, τα οποία συντίθενται ως επι το πλείστον από μια μήτρα πολυεστέρα, ίνες γυαλιού και διάφορα εγκλείσματα (fillers). Μεγάλα πολύπλοκα τμήματα μπορούν να παραχθούν με αυτή την τεχνική, ενώ η αναπαραγωγή τους είναι εξίσου γρήγορη. Τμήματα του αυτοκινήτου που κατασκευάζονται με αυτόν τον τρόπο είναι ομοιόμορφου πάχους, καθώς πρόσθετη ενίσχυση ινών δεν μπορεί εύκολα να εφαρμοστεί. Η αντοχή των υλικών είναι μικρότερη από αυτή που επιτυγχάνεται με άλλες διαδικασίες μορφοποίησης με καλούπι, και η μορφή με την οποία παράγονται είναι αυτή των προεμποτισμένων φύλλων ρητίνης (pre pregs). Αυτής της μορφής σύνθετα υλικά μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την κατασκευή ολοκλήρου της εξωτερικής επιφάνειας των οχημάτων, δίνοντας τους μοναδική μορφή. Η εσωτερική και εξωτερική ενίσχυση επιτυγχάνεται με πάνελ τα οποία συγκρατούνται μεταξύ τους με μια συγκολλητική ουσία. Χάρη στη σταθερότητα τους έναντι της διάβρωσης και της κρούσης, τα σύνθετα υλικά χρησιμοποιούνται ευρέως και για την κατασκευή των μπροστινών και οπίσθιων προφυλακτήρων. Τα χαρακτηριστικά της αντοχής σε κόπωση και του χαμηλού βάρους, η δυνατότητα να αντιστέκονται στην παραμόρφωση λόγω της θερμότητας που παράγεται από την μηχανή, και οι χαμηλής συχνότητας οδικές δονήσεις, είναι εκείνα τα γνωρίσματα που ευνοούν τη χρήση συνθέτων υλικών στα αυτοκίνητα, τα φορτηγά και άλλα βαριά οδικά οχήματα. Σιδηροδρομικά αμαξώματα (rail car bodies) Στις σιδηροδρομικές μεταφορές πρωταρχική ανάγκη είναι η μείωση του βάρους των αμαξωμάτων, όπως συμβαίνει και στην περίπτωση των βαρέων οδικών οχημάτων, η οποία 101

103 κατ επέκταση θα μειώσει τις απαιτήσεις ενέργειας και φρεναρίσματος. Παράλληλα ελαττώνεται και το κόστος συντήρησης. Ο τύπος του αμαξώματος και η επιλογή χρώματος είναι οι σημαντικότερες πτυχές στην κατασκευή σιδηροδρομικών οχημάτων. Κατασκευαστικές δομές που βασίζονται σε φύλλα αλουμινίου και χάλυβα, τα οποία γίνονται πιο δύσκαμπτα με την διαδικασία της εξώθησης, δεν είναι πάντα αποτελεσματικές σε περίπτωση σύγκρουσης. Η αντίσταση σε πυρκαγιά, η μόνωση θορύβου και θερμότητας και η αντίσταση στην ανάπτυξη ρωγμών είναι απαραίτητες επιπλέον ιδιότητες. Το υψηλό κόστος των υλικών έχει περιορίσει τη χρήση των ενισχυμένων με ίνες πλαστικών σε τέτοιου είδους οχήματα. Τα σύνθετα υλικά, εντούτοις, χρησιμοποιούνται για τα συστατικά μέρη όπως οι σύνδεσμοι, οι μοχλοί κ.α. Πλαστικά με ινώδη ενίσχυση γυαλιού, που χρησιμοποιούνται στα εμπορευματοκιβώτια (containers), χρησιμοποιούνται επίσης για την επένδυση (paneling) στα σιδηροδρομικά αμαξώματα. Το fiberglass είναι ένα εύκαμπτο υλικό μόνωσης που επιλέγεται για αυτά. Τα βασικά σχεδιαστικά κριτήρια που συνδέονται με τα σιδηροδρομικά οχήματα μεταφορών, περιλαμβάνουν τη μείωση του βάρους χωρίς να απαιτείται επεξεργασία του υλικού, οι τριβολογικές τους ιδιότητες να διατηρούνται και ταυτόχρονα να είναι ελάχιστα ρυπογόνα. Θα πρέπει να έχουν μεγάλη και ασφαλή διάρκεια ζωής. Με τη βελτίωση της ασφάλειας τους τα υλικά διατηρούνται και μειώνεται σημαντικά το κόστος συντήρησης τους. Κατά το σχεδιασμό θα πρέπει να δίνεται ιδιαίτερη σημασία στην αντίσταση σε κόπωση και θραύση, ενώ θα πρέπει να βελτιώνονται σε επίπεδο ασφάλειας και απόδοσης. Συγκριτικά με τους άλλους τύπους οχημάτων, θα πρέπει να εμφανίζουν καλύτερη απορρόφηση κρουστικών φορτίων, ενώ θα πρέπει να διαθέτουν ικανότητες μόνωσης έναντι φωτιάς και επιβράδυνσης της εξάπλωσης καπνού. 3.5 Μουσικά όργανα Μεγάλο ενδιαφέρον παρατηρείται για τα σύνθετα υλικά υψηλής απόδοσης στην κατασκευή μουσικών οργάνων. Στην περίπτωση των εγχόρδων, όπως η κιθάρα και το λαούτο, η τάση που αναπτύσσεται στις χορδές είναι συχνά επαρκής για να προκαλέσει την παραμόρφωση του λαιμού του οργάνου μέχρι να είναι πλέον ακατάλληλο για χρήση. Υπάρχουν πολλές σχεδιαστικές λύσεις για την βελτίωση της δυσκαμψίας και της αντοχής του λαιμού, αλλά η πιο απλή είναι η δημιουργία στενών αυλακώσεων στον ξύλινο λαιμό και τη σύνδεση σε αυτές συνθέτων υλικών με τη μορφή pultrusions ανθρακικών ινών μονής κατεύθυνσης [4]. Οι επιφάνειες αντανάκλασης του ήχου είναι μια άλλη δυνατότητα εφαρμογής συνθέτων υλικών σε μουσικά όργανα, όπου πολύστρωτα φύλλα ή αφρώδη πλαστικά ως υλικά πυρήνα, συνδέονται με λεπτές επιφάνειες άνθρακα ή υβριδικού συνθέτου, για να αντικαταστήσουν τις πολύ ακριβές ξύλινες πολύστρωτες επιφάνειες. Η κιθάρα και άλλα 102

104 μουσικά όργανα έχουν τραβήξει το ενδιαφέρον όσον αφορά τη χρήση συνθέτων, ενώ η δυνατότητα αναπαραγωγής της ποιότητας ήχου αποτελεί σημαντικό πλεονέκτημα της κατασκευής τους με τη χρήση καλουπιού (moulded construction). Τέλος, ένα βιολί υψηλής ποιότητας κατασκευάζεται σχεδόν εξ ολοκλήρου από σύνθετο άνθρακα/εποξικής ρητίνης. Εάν τέτοια βιολιά μπορούσαν να παραχθούν μαζικά χρησιμοποιώντας τις καλύτερες τεχνικές μορφοποίησης (moulding techniques) θα ήταν πολύ δημοφιλή, και με ένα καλό τονισμό θα μπορούσαν να συναγωνιστούν τα λίγα απομείναντα παραδείγματα παλαιών κλασσικών βιολιών. 3.6 Εφαρμογές στην χειρουργική Τα ενισχυμένα με ίνες γυαλιού πλαστικά υλικά, χρησιμοποιούνται χρόνια ως δευτερεύοντες νάρθηκες. Το σχήμα τους λαμβάνεται άμεσα από το σώμα του ασθενή. Για τις πιο περίπλοκες αρθρώσεις, κατασκευάζεται αρχικά μία φόρμα από κονίαμα (plaster cast), έτσι ώστε το σύνθετο υλικό να μπορεί να μορφοποιηθεί (moulded) από αυτό, χωρίς να απαιτείται η παρουσία του ασθενή. Τα τεχνητά πόδια καλουπώνονται σε μία φόρμα γυαλί/πολυεστέρα και για να σταθεροποιηθεί το λεπτό τους κέλυφος, χρησιμοποιείται αφρός πολυουρεθανίου (polyurethane foam) ως filler. Τέτοιου τύπου σύνθετα χρησιμοποιούνται για να αντικαταστήσουν το μέταλλο. Συχνά, ένα ύφασμα με ίνες γυαλιού συνδέεται απευθείας με την εξωτερική επιφάνεια του plaster cast, καθιστώντας το ανθεκτικότερο στο γδάρσιμο και σε κρουστικά φορτία. Με την εμφάνιση των ανθρακικών ινών και των συνθέτων υλικών πλαστικής μήτρας ενισχυμένης με ίνες άνθρακα (CFRP), σημειώθηκε θεαματικότερη πρόοδος στην ιατρική με διάφορους τρόπους. Πλαίσια στήριξης τεχνητών άκρων (Frames for power assisted arms) Μια συνηθισμένη τεχνική για την κατασκευή ελαφριών εξαρτήσεων για τη σύνδεση των τεχνητών άκρων (power assisted arms) περιλαμβάνει, έχοντας την ακριβή φόρμα (cast), την εν θερμώ μορφοποίηση ταινιών από αφρό πολυαιθυλενίου (PE) πάνω στη φόρμα. Προηγουμένως έχουν δημιουργηθεί ρηχές αυλακώσεις πάνω σε αυτές τις ταινίες, έτσι ώστε οι ίνες άνθρακα και η ρητίνη να οδηγηθούν απευθείας στο εσωτερικό των αυλακώσεων και να σταθεροποιηθούν (cure). Το αποτέλεσμα αυτής της διεργασίας, είναι ένα άκαμπτο ελαφρύ πλαίσιο, που μπορεί να φορεθεί άνετα λόγω του μαξιλαριού από αφρό PE που τοποθετείται πάνω από το σκελετό. Δεδομένου ότι καθώς ένα παιδί,για παράδειγμα, μεγαλώνει, χρειάζεται ένα μεγαλύτερο πλαίσιο στο οποίο θα στηριχθούν τα μακρύτερα αυτή τη φορά τεχνητά μέλη (power assisted arms), αυτή η τεχνική μορφοποίησης με καλούπι (moulding method) αποτελεί μια γρήγορη και εύκολη μέθοδο ανακατασκευής. 103

105 Εικόνα 3.7: Τεχνητό μέλος προσθετικής από διάφορα σύνθετα υλικά της εταιρίας Ossur Τεχνητά πνευμόνια (Artificial lungs) Ο πρώτος τεχνητός πνεύμονας ήταν από σίδερο, με αποτέλεσμα να μην επιτρέπει την κίνηση του ασθενούς όσο το χρησιμοποιούσε. Το πρόβλημα αυτό αποτέλεσε το έναυσμα μιας σειράς προσπαθειών για την κατασκευή ενός φορητού τεχνητού πνεύμονα, που θα επέτρεπε τη μερική κίνηση του ασθενούς για λίγες ώρες. Η πιο επιτυχημένη από αυτές της σχεδιαστικές προσπάθειες περιλαμβάνει ένα ελαφρύ κέλυφος ή θώρακας(cuirasse), φτιαγμένο από υβριδικό πολύστρωτο σύνθετο γυαλί/άνθρακα/πολυεστέρα, με σχήμα που προσομοιώνει την πλάτη της χελώνας και έχοντας γύρω από το rim μια βαθιά εύκαμπτη σφραγίδα (seal) που προσαρμόζεται στο στήθος του ασθενή. Στο κέντρο του θώρακα, περίπου επάνω από το στέρνο, ένας εύκαμπτος σωλήνας είναι συνδεδεμένος έτσι ώστε μια φορητή αντλία να μπορεί να εξαγάγει και να εισάγει αέρα. Οι αλλαγές στην πίεση μέσα στο θώρακα επιδρούν στο διάφραγμα επιτρέποντας την αναπνοή σε κανονικό ρυθμό. 104

106 Τεχνητά Άκρα (Artificial limps) Η εταιρία Chas A Blatchford and Sons Ltd έχει αναπτύξει ένα σύνθετο σύστημα για τα τεχνητά πόδια που αποτελείται από μια σειρά συνθέτων άνθρακα/εποξικής ρητίνης μερών, σε τυποποιημένα μεγέθη, τα οποία μπορούν να ενωθούν με το γόνατο και τον αστράγαλο του ασθενή. Η χρήση της δομικής σωλήνωσης κατά αυτόν τον τρόπο (γνωστή ως σύστημα Endalite επειδή παρέχει έναν ενδοσκελετό), μαζί με μια εξωτερική μαλακή επικάλυψη για αισθητικούς λόγους, αποδεικνύεται ανθεκτική σε θλίψη, κάμψη και στρέψη. Δοκιμές κοπώσεως έχουν δείξει ότι μπορεί να αντέξει πολλούς κύκλους τάσεων μεγάλης διάρκειας ζωής. Εμφανίζει επίσης σημαντική μείωση βάρους, βοηθώντας κατά συνέπεια τους ηλικιωμένους και τους πιο αδύνατους ασθενείς. Η ίδια επιχείρηση και διάφορες άλλες παράγουν σήμερα λάμες από σύνθετο άνθρακα/εποξική ρητίνη, οι οποίες χρησιμοποιούνται στη χειρουργική για να αντικαταστήσουν τις ακριβές λάμες τιτανίου που χρησιμοποιούνταν προηγουμένως. Η χρήση CFRP μέσα στο σώμα εξαρτάται από τη χρήση υλικών που είναι πλήρως βιοσυμβατά. Περιστασιακές αντιδράσεις του ανθρώπινου ιστού, που παρατηρήθηκαν σε προηγούμενα πειράματα, οφείλονταν στις εποξικές/hardener συνθέσεις που χρησιμοποιούνταν τότε. Όταν οι σύνθετες λάμες κατασκευαστούν από ίνες άνθρακα και ρητίνες βασισμένες στον diglycidyl αιθέρα και το Bisphenol Α (DGBA) και εκείνες βασισμένες στον glycidyl αιθέρα ενός polyphenol (GPP), και χρησιμοποιηθούν για να στηρίξουν σπασμένα οστά, ένα στρώμα συνδετικού ιστού (polymerised fibrin and thrombin) δημιουργείται γρήγορα κατά μήκος της επιφάνειας της λάμας. Πολλά κόκκινα αιμοσφαίρια είναι παρόντα, αλλά υπάρχει απουσία άσπρων αιμοσφαιρίων τα οποία αποτελούν σημάδι ασυμβατότητας. Χειρουργική εγκεφάλου Λόγω της αδράνειάς τους, μεμονωμένες ίνες άνθρακα διαμέτρου 8μm (0.3 X 10 ~ 3 ίντσα) έχουν χρησιμοποιηθεί ως ηλεκτρόδια μέσα στον ανθρώπινο εγκέφαλο. Είναι πολλές φορές αναγκαίο οι ίνες να είναι ακόμα λεπτότερες σε διάμετρο, για αυτό χρησιμοποιείται οξείδωση στον αέρα ή στο διοξείδιο αζώτου για να ληφθεί μια ομοιόμορφη και βαθμιαία χημική άλεση (chemical milling) της ίνας μέχρι τα 2μm ή ελαφρώς λιγότερο. Αυτή η επεξεργασία έγινε προκειμένου να παραχθούν πολύ λεπτές ίνες κατάλληλες να λειτουργήσουν ως στόχος στη διεξαγωγή πειραμάτων παραγωγής πλάσματος με τη χρήση λέιζερ. 105

107 Σύνδεσμοι ιστών με τα οστά (Ligaments) Οι ίνες άνθρακα βασισμένες σε polyacrylonitrile όντας βιο συμβατές, οδήγησαν σε μια από τις πιο αξιοσημείωτες χρήσεις συνθέτων στη χειρουργική, την αποκατάσταση των φθαρμένων συνδέσμων (ligaments). Τα πρώτα επιτυχημένα πειράματα πραγματοποιήθηκαν από τον Jenkins στους συνδέσμους των γονάτων, χρησιμοποιώντας τέσσερα tows των ινών το κάθε ένα, πλεγμένα μεταξύ τους. Ένας άλλος χειρούργος χρησιμοποίησε μια ελαφρώς διαφορετική διάταξη των ινών για την αποκατάσταση του Αχίλλειου τένοντα, ο οποίος ενώνει το κόκκαλο της φτέρνας με τον μυ της περόνης(πίσω κόκκαλο της κνήμης). Ένας βρόγχος διαφόρων tows περνά ανάμεσα από τρύπες στη φτέρνα και στο τελείωμα του τένοντα και «ρυθμίζεται» περιστρέφοντας τον βρόγχο (με τη βοήθεια μιας μικρής αποστειρωμένης ράβδου που παρεμβάλλεται στο βρόγχο σαν ένας πιεστικός επίδεσμος) έως ότου εφαρμοστεί η σωστή τάση. Έχει διαπιστωθεί ότι αυτή η κατάλληλη τάση συμβάλλει στη γρηγορότερη θεραπεία. Ιδιαίτερα στους ηλικιωμένους ασθενείς, όπου κανονικά απαιτούνταν 12 ή και περισσότερες εβδομάδες για την αποκατάσταση του Αχίλλειου τένοντά τους, πλέον είναι σε θέση να ασκηθούν στο διάστημα 6 8 εβδομάδων. Οδοντοστοιχίες (dentures) Φύλλα ανθρακικών ινών χρησιμοποιούνται για να ενισχύσουν τις ακρυλικές ρητίνες που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή των οδοντοστοιχιών. Οι βρετανοί στρατιωτικοί οδοντίατροι στο Aldershot διαπότιζαν τις στρώσεις του φύλλου ανθρακικών ινών με μονομερές, πριν από τη μορφοποίησή τους. Με αυτόν τον τρόπο το λεπτότερο τμήμα της οδοντοστοιχίας, στο πάνω μέρος του στόματος (τμήμα συνήθως μη ορατό), γίνονταν πιο ανθεκτικό και δύσκαμπτο προκειμένου να αντιστέκεται πιο εύκολα στα «σοκ» κατά την κανονική χρήση. 3.7 Βιομηχανία αθλητικών προϊόντων Τα προηγμένα σύνθετα υλικά, όπως έχει ήδη προαναφερθεί, με μηχανικά και φυσικά χαρακτηριστικά πολύ καλύτερα από εκείνα που εμφανίζονται στα συμβατικά υλικά όπως τους χάλυβες και τα κράματα αλουμινίου, έχουν συμβάλει σημαντικά στην βελτίωση της απόδοσης των συστημάτων στην αεροδιαστημική, τη βιομηχανία μεταφορών (αυτοκίνητα, τρένα) κ.α. Τα σημαντικότερα από αυτά τα χαρακτηριστικά είναι η αντοχή, η ολκιμότητα, η ακαμψία (μέτρο ελαστικότητας), ικανότητα να αντέχουν σε υψηλές θερμοκρασίες κατά την επεξεργασία και τη χρήση τους, η αντίσταση σε κόπωση (ρυθμός ανάπτυξης ρωγμής σε κόπωση), η δυσθραυστότητα, ο απόσβεση ταλαντώσεων και η χαμηλή πυκνότητα [9]. Παρομοίως, όπως και στην βιομηχανία μεταφορών έτσι και στην βιομηχανία αθλητικών προϊόντων έχει παρατηρηθεί σημαντική εξέλιξη στα υλικά επιλογής κατά τη διάρκεια των 106

108 τελευταίων εκατό χρόνων. Από τα φυσικά υλικά όπως το ξύλο, το έντερο και το καουτσούκ, φτάσαμε στα υψηλής τεχνολογίας μέταλλα, πολυμερή, κεραμικά, και τα συνθετικάυβριδικά υλικά συμπεριλαμβανομένων των σύνθετων και των κυψελοειδών δομών. Σε επαγγελματικό επίπεδο, ο αθλητισμός είναι μια ιδιαίτερα ανταγωνιστική απασχόληση, στην οποία μεγάλες επενδύσεις εξαρτώνται από κλάσματα του δευτερολέπτου ή δέκατα ενός εκατοστού. Εντούτοις, ακόμη και ένας ερασιτέχνης είναι πρόθυμος να επενδύσει πολλά χρήματα προκειμένου να βελτιώσει την απόδοσή του/της. Κατά συνέπεια, ακριβώς όπως και σε άλλους τομείς, η χρήση των σύνθετων υλικών στον αθλητισμό μπορεί να δικαιολογηθεί υπό τον όρο της βέλτιστης απόδοσης. Ο βέλτιστος σχεδιασμός αθλητικού εξοπλισμού απαιτεί την εφαρμογή ενός αριθμού προδιαγραφών, όχι μόνο για την ενίσχυση της απόδοσης αλλά και για να καταστήσει τον εξοπλισμό όσο το δυνατόν φιλικότερο προς το χρήστη έτσι ώστε να προλαμβάνονται οι τραυματισμοί. Είναι προφανές ότι ο σχεδιασμός αθλητικών προϊόντων απαιτεί τη συνύπαρξη πολλών επιστημονικών κλάδων όπως της επιστήμης των υλικών, της εφαρμοσμένης μηχανικής και της φυσικής. Απαραίτητες είναι επίσης οι γνώσεις ανατομίας, φυσιολογίας, και εμβιομηχανικής. Η εμβιομηχανική ορίζεται ως η επιστήμη που ασχολείται με το πώς το σώμα αντιδρά στις εσωτερικές και εξωτερικές δυνάμεις. Κατά συνέπεια, αποτελεί μια προσπάθεια εφαρμογής των βασικών νόμων της φυσικής και της μηχανικής στις ενώσεις, στους συνδέσμους μεταξύ ιστών και οστών, και στους ιστούς του σώματος καθώς υποβάλλονται σε φόρτιση. Για να καλυφθούν οι απαιτήσεις του αθλητικού εξοπλισμού, τα υλικά επιλογής αποτελούνται συχνά από ένα μίγμα διαφόρων τύπων υλικών, μέταλλα, κεραμικά, πολυμερή και σύνθετα υλικά. Αυτά διαμορφώνονται στο επιθυμητό προϊόν κάνοντας χρήση των βασικών εννοιών του σχεδιασμού και δίνοντας την ανάλογη προσοχή στις απαιτήσεις της εμβιομηχανικής. Η επιλογή των υλικών γίνεται με γνώμονα τις ειδικές τους ιδιότητες, καθώς επιτυγχάνεται καλύτερη αξιολόγηση των υποψηφίων υλικών λαμβάνοντας υπόψη τις διαφορές στην πυκνότητά τους. Οι κυψελοειδείς δομές υπερισχύουν των μονολιθικών υλικών εν προκειμένω, δεδομένου ότι η πυκνότητα των κυψελοειδών υλικών είναι μικρότερη αυτής του συμπαγούς υλικού. Στην πράξη, κατά το σχεδιασμό ενός πολύπλοκου αθλητικού προϊόντος θα πρέπει να καθοριστούν ειδικά σχεδιαστικά κριτήρια τα οποία θα επιτρέψουν τη βέλτιστη επιλογή υλικών. Οι αθλητές του γκολφ αρχικά έπαιζαν με τα μπαστούνια κατασκευασμένα από ξύλο και αργότερα τη δεκαετία του '40 από χάλυβα. Στις αρχές της δεκαετίας του 80 άρχισε η χρήση ινών άνθρακα στην κατασκευή του κορμού των μπαστουνιών του γκολφ. Σήμερα, όλοι οι επαγγελματίες παίκτες του γκολφ χρησιμοποιούν μπαστούνια από ίνες άνθρακα. 107

109 Το ίδιο συνέβη και για τις ρακέτες αντισφαίρισης. Στην εικόνα 3.8 απεικονίζεται ο Bjorn Borg να παίζει στο Wimbledon με ξύλινη ρακέτα. Κατόπιν, στη δεκαετία του '80, ο Jimmy Connors κέρδισε χρησιμοποιώντας μία μεταλλική. Σήμερα, όλες οι ρακέτες αντισφαίρισης κατασκευάζονται από ίνες άνθρακα. Το 1922, όταν εμφανίστηκε το σκι σαν άθλημα, τα πέδιλα του σκι κατασκευάζονταν επίσης από ξύλο. Στις αρχές της δεκαετίας του '70 η εταιρία EP Water Skis ανέπτυξε πέδιλα από fiberglass/foam core, και το 1994 η εταιρία Goode κατασκεύασε τα πρώτα πέδιλα θαλάσσιου σκι από ίνες άνθρακα. Τα μπατόν του σκι κατασκευάζονταν αρχικά από μπαμπού και έπειτα, κατά τη διάρκεια του δευτέρου Παγκοσμίου Πολέμου, από χάλυβα. Το 1958, ο Ed Scott κατασκεύασε μπατόν από αλουμίνιο. Χρειάστηκε να περάσουν 31 χρόνια πριν την κατασκευή μπατόν με ίνες άνθρακα. Συνοψίζοντας, υπάρχουν πάρα πολλά αθλήματα, τα οποία έχουν επωφεληθεί από τη χρήση των σύνθετων υλικών, πέραν των προαναφερθέντων, όπως το χόκεϋ, η ποδηλασία, η τοξοβολία κ.λ.π. Τα σύνθετα υλικά πολυμερικής μήτρας (ΣΥΠΜ) είναι αυτά που χρησιμοποιούνται ως επί το πλείστον στην κατασκευή αθλητικών προϊόντων. Στην αγορά των αθλητικών ειδών, έστω και μια μικρή αλλαγή στην απόδοση του προϊόντος είναι ικανή να προκαλέσει την αύξηση του κόστους υλικού και παραγωγής. Μπαστούνι του Golf (Golf club) Το μπαστούνι του golf αποτελεί χαρακτηριστικό παράδειγμα μιας ανταγωνιστικής αγοράς με υψηλές απαιτήσεις απόδοσης. Ο βασικός άξονας (shaft) του μπαστουνιού θα πρέπει να εμφανίζει καλή ακαμψία σε καμπτικά και στρεπτικά φορτία. Το υψηλό μέτρο ελαστικότητας σε στρέψη είναι πολύ σημαντικό δεδομένου ότι αυτό εξασφαλίζει ότι ο άξονας δεν θα περιστραφεί σημαντικά με την επιβολή δύναμης ροπής καθώς το μπαστούνι χτυπά την μπάλα. Οποιαδήποτε περιστροφή του άξονα κατά το χτύπημα, θα επηρέαζε την κατεύθυνση της μπάλας. Οι απαιτήσεις δυσκαμψίας σε περίπτωση καμπτικού φορτίου είναι ελαφρώς πιο σύνθετες. Μικρή κάμψη του άξονα κατά την κρούση της κεφαλής του μπαστουνιού (head club) με την μπάλα μπορεί να φανεί ευεργετική, καθώς η ακόλουθη αποκατάσταση του άξονα μπορεί να αυξήσει το χρόνο επαφής μεταξύ της κεφαλής και της μπάλας και κατ επέκταση να αυξήσει τη μεταφορά ορμής. Μπαστούνια με μεγάλη κεφαλή και λεπτό άξονα ευνοούν την αύξηση του μήκους του άξονα. Παρ όλα αυτά όμως, σε έναν μπαστούνι με χαμηλή ακαμψία, οι τάσεις που προκαλούνται κατά την επαφή με την μπάλα θα είναι μεγαλύτερες και ο κίνδυνος αστοχίας ή θραύσης αντίστοιχα είναι μεγαλύτερος. Η αξονική αντοχή επομένως, ενός μπαστουνιού του golf αποτελεί πρωταρχικό ζήτημα κατά τον σχεδιασμό του [4]. 108

110 Εικόνα 3.8: Χρήση σύνθετων υλικών σε αθλητικά προϊόντα Λαμβάνοντας υπόψη τις παραπάνω απαιτήσεις, αναπτύχθηκαν υβριδικές διατάξεις ινών (δηλ. διατάξεις που περιλαμβάνουν περισσότερους από έναν τύπους ίνας). Χαρακτηριστικό παράδειγμα μιας τέτοιας κατασκευής απεικονίζεται στην εικόνα 3.9. Στη συγκεκριμένη περίπτωση, ο άξονας του μπαστουνιού αποτελείται από στρώσεις ελασμάτων ανθρακικών ινών, τοποθετημένες σε σχετικά μεγάλες γωνίες ως προς τον άξονά του. Οι στρώσεις αυτές παρέχουν υψηλή ακαμψία σε στρέψη. Μεταξύ των αξονικών ελασμάτων υπάρχει μερική ενίσχυση με ίνες βορίου. Οι ίνες βορίου εμφανίζουν παρόμοια ακαμψία με αυτή του άνθρακα (HM), αλλά έχουν μεγαλύτερη αντοχή. Συγκεκριμένα, έχουν μεγάλη θλιπτική αντοχή και είναι ανθεκτικότερες σε λυγισμό από τις περισσότερες ίνες, λόγω της μεγάλης διαμέτρου τους (περίπου 100μm). Οι ίνες βορίου βελτιώνουν την αντοχή σε θραύση στην πλευρά που ο άξονας υφίσταται εφελκυσμό, ενώ μειώνουν σημαντικά τον κίνδυνο αστοχίας από λυγισμό στην πλευρά του άξονα που υφίσταται θλίψη. Αυτές οι ιδιότητες αντισταθμίζουν τα μειονεκτήματα μεγάλης πυκνότητας και κόστους των ινών βορίου. 109

111 Εικόνα 3.9: Υβριδική κατασκευή ενός μπαστουνιού golf από ίνες άνθρακα και βορίου Καλάμια ψαρέματος (Fishing rods) Τα πρώτα καλάμια ψαρέματος κατασκευασμένα από ίνες άνθρακα πετούσαν την πετονιά σε απόσταση πολύ μεγαλύτερη απ ότι τα καλάμια από μπαμπού ή από αυτά με ίνες γυαλιού. Αυτά τα καλάμια ήταν πιο λεπτά και ελαφριά και είχαν εξαιρετική αντοχή σε κόπωση αφού λειτουργούσαν πάντα στην ελαστική περιοχή και όλη η ενέργεια που αποθηκεύεται κατά την επαναφορά του καλαμιού, ανακτάται και πάλι με την προς τα εμπρός ρίψη της πετονιάς [3]. Καθώς ο σχεδιασμός τους βελτιώθηκε, η κατασκευή τους απλοποιήθηκε με την ανάπτυξη λεπτών υφασμάτων με ίνες σε μία και δύο διευθύνσεις, έτσι ώστε η τεχνική επίστρωσης με το χέρι προεμποτισμένων με ρητίνη υφασμάτων να μπορέσει να διεξαχθεί, όπως ακριβώς συνέβαινε ήδη με το γυαλί. Ξεκινώντας με αυτά, παρήχθηκε ένας τεράστιος αριθμός διαφορετικών τύπων καλαμιών, όπως τα υβριδικά σύνθετα άνθρακα/γυαλί. Το λεγόμενο roach pole καλάμι ψαρέματος αποτελεί χαρακτηριστικό παράδειγμα αξιοποίησης της υψηλής ακαμψίας ενός ΣΥΠΜ ενισχυμένου με ίνες άνθρακα. Αρχικά αυτό το καλάμι ήταν μία μονοκόμματη ράβδος από κοίλο μπαμπού, με μια σταθερή πετονιά, ένα άγκιστρο και ένα φλοτέρ, με μήκος περίπου 9 μέτρα. Στο παραδοσιακό καλάμι δόθηκε νέα μορφή, κατασκευάζοντας το από 2 ή 3 κομμάτια από ίνες άνθρακα, επιμερίζοντας το αρχικό του βάρος σε αυτά τα τρία κομμάτια, καθιστώντας το έτσι πιο άνετο στη χρήση. 110

112 Τόξα (Bows) Πολλές προσπάθειες έχουν γίνει για τη βελτίωση του τόξου, όπου από την εποχή των ασιατών και τούρκων ιππέων χρησιμοποιούνταν ανόμοια υλικά (τένοντες και κέρατο) για τις πλευρές εφελκυστικής και θλιπτικής τάσης [3]. Με την εμφάνιση των ινών γυαλιού, πολύστρωτες διατάξεις από στρώσεις ινών γυαλιού και στρώσεις ξύλου, βελτίωσαν σημαντικά την απόδοση του τόξου. Αντίθετα, οι αραμαδικές ίνες καθώς εμφανίζονται αδύναμες σε θλίψη δεν αποτελούν επιτυχημένη επιλογή για την κατασκευή τόξου. Διάφορα σχέδια όμως έχουν αναπτυχθεί τα οποία περιλαμβάνουν τη χρήση ινών άνθρακα. Λόγω των μεγάλων παραμορφώσεων που εμφανίζονται στα σημεία σύνδεσης της χορδής του τόξου, δημιουργείται η ανάγκη για υψηλής αντοχής και χαμηλού μέτρου ελαστικότητας σύνθετα, όσον αφορά την πλευρά του τόξου που υφίσταται εφελκυσμό. Ρακέτες (Racquets and bats) Η αντισφαίριση ως άθλημα χρονολογείται επίσημα από το 1873, όταν δημοσιεύθηκε το πρώτο βιβλίο κανόνων από τον Major Walter Clopton Wingfield της βόρειας Ουαλίας. Παρ όλα αυτά το τένις έχει τις ρίζες του σε προηγούμενα παιχνίδια σφαιρών που παίζονταν με το χέρι και τα οποία αναπτύχθηκαν στην Ευρώπη πριν από την Αναγέννηση. Αυτά τα παιχνίδια παίζονταν αρχικά με γυμνό χέρι, αργότερα χρησιμοποιώντας γάντια και εν συνεχεία με τα χέρια τυλιγμένα με σχοινί. Κατόπιν, εισήχθη το ξύλινο ρόπαλο και οι πρώτες ρακέτες φαίνεται να παρουσιάστηκαν κατά τη διάρκεια του δέκατου πέμπτου αιώνα [10, W6]. Μέχρι το 1965, όλες οι επαγγελματικές ρακέτες αντισφαίρισης κατασκευάζονταν με μονοκόμματα συμπαγή τμήματα από ξύλο φλαμουριάς και σφένδαμου. Εντούτοις, η ανισότροπη φύση αυτών των υλικών απαιτούσε αλλαγή στην κατασκευή της ρακέτας σε μια πολύστρωτη δομή, η οποία επέτρεψε την αύξηση της ακαμψίας και της αντοχής της τόσο στη διεύθυνση παράλληλα στον κύριο άξονά της όσο και κάθετα σε αυτόν. Αν και η πολύστρωτη δομή βελτίωσε σημαντικά την απόδοση των ρακετών, το πρόβλημα της απορρόφησης νερού, με συνέπεια την έντονη στρέβλωση στη δομή τους και κατ επέκταση την εμφάνιση μεταβλητότητας στην απόδοση, παρέμεινε. Το 1965 ο Γάλλος παίκτης Rene Lacoste κατασκεύασε και κατοχύρωσε τη ρακέτα από χάλυβα, ενώ την δεκαετία του 70 οι ρακέτες με πλαίσια αλουμινίου, τα οποία μείωσαν τη μάζα και αύξησαν ταυτόχρονα την ακαμψία τους,γνώρισαν μια μικρή περίοδο επιτυχίας. Οι πρώτες ρακέτες αλουμινίου εμφανίστηκαν στην αγορά το 1968 από την εταιρία Spalding. Αυτό που κατέστησαν εφικτό οι μεταλλικές ρακέτες ήταν μια αλλαγή στο σχεδιασμό που επέτρεπε μία πιο πλατιά κεφαλή. 111

113 Oι ξύλινες ρακέτες δεν θα μπορούσαν να διαμορφωθούν έτσι ώστε να έχουν πιο φαρδιά και πιο μακριά κεφαλή χωρίς να προκληθούν προβλήματα στην επιφάνεια της ρακέτας: εάν η κεφαλή ήταν πάρα πολύ φαρδιά, η τάση των χορδών θα ήταν αρκετά μεγάλη και η ρακέτα δεν θα απέδιδε καλά στο παιχνίδι. Αντίθετα τα μεταλλικά πλαίσια μεγαλύτερης αντοχής, μπορούσαν να υποστηρίξουν μεγαλύτερες τάσεις στις χορδές. Εντούτοις, προς το τέλος της δεκαετίας εμφανίστηκαν νέα σύνθετα υλικά, τα οποία αντικατέστησαν πολύ γρήγορα το αλουμίνιο ως το υλικό για την κατασκευή του πλαισίου της ρακέτας. Τα πρώτα αυτά σύνθετα υλικά αποτελούνταν από ίνες γυαλιού εμβαπτισμένες σε μια μήτρα ρητίνης πολυεστέρα, και εν συνεχεία εξελίχθηκαν στις σημερινές όπου συνδυάζονται διάφοροι βαθμοί ινών άνθρακα με μήτρες εποξικής ρητίνης. Η βραχύβια επιτυχία του αλουμινίου οφείλεται σε διάφορους παράγοντες. Τόσο τα σύνθετα με ίνες γυαλιού, όσο και αυτά με ίνες άνθρακα εμφανίζουν μεγαλύτερη ειδική ακαμψία (μέτρο ελαστικότητας/πυκνότητα) από το αλουμίνιο και κατά συνέπεια οι ρακέτες σύνθετων υλικών μπορούν να είναι πολύ ελαφρύτερες, ιδιαίτερα στην περίπτωση των ινών άνθρακα. Οι συνεχείς ίνες μπορούν επίσης να υφανθούν σε μια ποικιλία τύπων πλέξης, παρέχοντας έτσι αυξημένο έλεγχο στα μηχανικά χαρακτηριστικά της ρακέτας. Εικόνα 3.10: Τυπικές «I beam μεταλλικές ρακέτες του 1970 Για παράδειγμα, οι ίνες μονής διεύθυνσης συνενώνονται κατά μήκος του κυρίου άξονα των ρακετών επιτυγχάνοντας υψηλή δυσκαμψία, ενώ οι πλέξεις 0/90 τοποθετούνται σε διευθύνσεις ±45 εξασφαλίζοντας υψηλή διατμητική αντοχή και ακαμψία (εικόνα 3.11). Διάφοροι τύποι ινών χρησιμοποιούνται, κάθε ένας με διαφορετικό επίπεδο αντοχής και μέτρο ελαστικότητας. 112

114 Εικόνα 3.11: Πλεκτό σύνθετο Επιπρόσθετο πλεονέκτημα είναι η απόδοση σε κόπωση των ρακετών από σύνθετα υλικά, η οποία υπερισχύει αυτής των κατασκευών αλουμινίου. Δοκιμές σε ρακέτες αλουμινίου έχουν δείξει ότι χαρακτηριστική μείωση της ακαμψίας εμφανίζεται περίπου στους 6000 κύκλους, εν αντιθέσει με τις ρακέτες ινών άνθρακα όπου παρατηρείται μόνο μια μικρή αλλαγή στην ακαμψία της τάξεως του 4% μετά από κύκλους. Ένας άλλος σοβαρός παράγοντας εμφάνισης πτώσης στη χρήση του αλουμινίου ήταν οι συγκρινόμενες ιδιότητες απόσβεσης των κραδασμών των υλικών πλαισίου της ρακέτας. Το αλουμίνιο έχει μικρότερη δυνατότητα απόσβεσης απ ότι τα σύνθετα υλικά, γεγονός που επιδρά στην υγεία των αθλητών (προβλήματα στον καρπό κ.α.). Πρόσφατα έχουν υπάρξει αρκετές καινοτομίες στην τεχνολογία των ρακετών. Μια ρακέτα κατασκευασμένη από σύνθετο μήτρας θερμοπλαστικού βισκοελαστικού πολυμερούς, ενισχυμένη με ίνες γραφίτη, σχεδιάστηκε ώστε να υπάρχει μεταβλητότητα στην ευκαμψία της ρακέτας, ανάλογα με το πόσο δυνατά αποκρούεται το μπαλάκι. Άλλος σχεδιασμός ρακέτας που στόχο έχει να μειώσει το πιο βασικό πρόβλημα υγείας που αντιμετωπίζουν οι παίκτες τένις, γνωστό ως «tennis elbow», περιλαμβάνει μικρά μολύβδινα σφαιρίδια που εσωκλείονται σε πλαστικούς θαλάμους μέσα στο πλαίσιο της ρακέτας. Η κίνηση των σφαιριδίων καθώς η ρακέτα έρχεται σε επαφή με το μπαλάκι υποτίθεται ότι απορροφά τους κραδασμούς που μπορεί να προκαλέσουν πόνο στο βραχίονα του παίκτη. Παρ όλα αυτά, οι πιο κοινές ρακέτες σήμερα κατασκευάζονται από αλουμίνιο ή από ινώδη σύνθετα, γραφίτη, γυαλιού, και άλλων υλικών. Οι ρακέτες αλουμινίου αποτελούνται συνήθως από διάφορα κράματα. Ένα αρκετά δημοφιλές κράμα περιέχει 2% πυρίτιο, καθώς επίσης και ίχνη μαγνησίου, χαλκού και χρωμίου. Ένα άλλο ευρέως χρησιμοποιούμενο κράμα περιέχει 10% ψευδάργυρο, με μαγνήσιο, χαλκό και χρώμιο. Το κράμα ψευδαργύρου είναι σκληρότερο, εν τούτοις πιο ψαθυρό, ενώ το κράμα πυριτίου είναι ευκολότερο στην επεξεργασία. Οι ρακέτες σύνθετων 113

115 υλικών, αποτελούνται συνήθως από σύνθετα δομής τύπου σάντουιτς, διαφορετικών στρωμάτων, με κοίλο πυρήνα ή πυρήνα από αφρό πολύ ουρεθανίου. Τυπικές στρώσεις του συνθέτου αποτελούνται από στρώματα ινών γυαλιού, γραφίτη και βορίου ή kevlar. Επίσης μπορούν να χρησιμοποιηθούν και άλλα υλικά, όπως οι κεραμικές ίνες για επιπρόσθετη αντοχή. Άλλα υλικά που συναντάμε στις ρακέτες είναι το νάιλον και το έντερο ή το συνθετικό έντερο στις χορδές της ρακέτας, και δέρμα ή κάποιο συνθετικό υλικό για τη λαβή. Το νάιλον είναι ίσως το πιο κοινό υλικό για τις χορδές και μόνο μερικοί επαγγελματίες εξακολουθούν να χρησιμοποιούν για τις χορδές έντερο, το οποίο φτιάχνεται από έντερο αγελάδων ή προβάτων. Το συνθετικό έντερο γίνεται από νάιλον το οποίο έχει στριφτεί ώστε να επιτευχθεί το ίδιο αποτέλεσμα με το φυσικό. Ενώ στις παλιές ξύλινες ρακέτες χρησιμοποιούταν συνήθως το δέρμα ως υλικό για την λαβή, στις σημερινές ρακέτες αντικαθίσταται από δερματίνη όπως το βινύλιο. Η διαδικασία κατασκευής του πλαισίου μιας ρακέτας από ένα τέτοιο πολύστρωτο υλικό, απαιτεί αρχικά τη διαμόρφωσή του σε σωληνοειδή μορφή, τυλίγοντάς το γύρω από έναν πλαστικό σωλήνα ικανό να υποβληθεί εν συνεχεία σε πίεση με αέρα. Η επιφάνεια ενισχύεται τοπικά με επιπλέον υλικό και ολόκληρη η σύνθετη κατασκευή τοποθετείται σε ένα καλούπι κατάλληλου σχήματος και διατομής, διαμορφώνοντας έτσι τη βασική δομή του πλαισίου της ρακέτας, το σχήμα του οποίου θυμίζει αυτό της κλειδαρότρυπας. Ένα επιπλέον τμήμα σε σχήμα «γέφυρας», παρόμοιου υλικού, προστίθεται ολοκληρώνοντας τον βρόγχο της κεφαλής, και η κατασκευή μορφοποιείται υπό την εφαρμογή θερμότητας και εσωτερικής πίεσης με αέρα προκαλώντας την στερεοποίηση και την σκλήρυνση της ρητίνης. Αυτή η διαδικασία αναπτύχθηκε από πολλούς κατασκευαστές καθιστώντας την πλέον ως τη βασική μέθοδο κατασκευής πλαισίων ρακέτας από σύνθετα υλικά. Σε μερικές περιπτώσεις η εσωτερική πίεση επιτυγχάνεται με τη θερμική διαστολή ενός πυρήνα πλαστικού υπό μορφή αφρού (plastic foam core), αντί της συμπίεσης αέρα σε ένα «inflation» σωλήνα. Παρά το γεγονός ότι η κατασκευή ενός τέτοιου πλαισίου απαιτεί αρκετή χειρονακτική εργασία, σημαντικό πλεονέκτημα είναι ότι συγκεκριμένα τμήματα του πλαισίου μπορούν να ενισχυθούν ξεχωριστά, όπως προαναφέρθηκε, πριν από την διαδικασία μορφοποίησης με καλούπι. Αυτό επιτρέπει την εμφάνιση επαρκούς αντοχής και δυσκαμψίας όπου αυτές απαιτούνται, έτσι ώστε η τελική κατασκευή να είναι όσο το δυνατόν πιο ελαφριά. Αντίθετα οι μεταλλικές ρακέτες που χρησιμοποιούν ομοιόμορφα εξωθούμενους μεταλλικούς κυλίνδρους, μειονεκτούν ως προς αυτή την δυνατότητα. Πολλές παραλλαγές της βασικής διαδικασίας κατασκευής ρακετών, όπως αυτή περιγράφηκε παραπάνω, έχουν αναπτυχθεί. Σε μία από αυτές, η κατασκευή του κοίλου σωλήνα γίνεται από δύο ξεχωριστά καλούπια διατομής σχήματος «C», τα οποία συνενώνονται με κόλληση για να διαμορφώσουν το τμήμα του σωλήνα σχήματος «Ο». 114

116 Σε άλλες παραλλαγές η θερμοπλαστική μήτρα προτιμάται της θερμοσκληρυνόμενης. Μια τέτοια περίπτωση περιλαμβάνει το συνδυασμό θερμοπλαστικών ινών, συνήθως νάιλον, με ίνες άνθρακα σε tows, όταν χρησιμοποιείται η μέθοδος σωληνοειδούς πλεξίματος (tubular braiding method) που προαναφέρθηκε. Κατά τη θέρμανση και την ακόλουθη ψύξη, το νάιλον λειώνει και ενώνει με τήξη τις ανθρακικές ίνες σχηματίζοντας μια άκαμπτη δομή. Μια μέθοδος βασισμένη σε θερμοπλαστική μήτρα διαφέρει ριζικά από οποιαδήποτε από τις προηγούμενες μεθόδους. Σε αυτήν την μέθοδο, για να ελαττωθεί το ποσοστό της χειρονακτικής εργασίας που εμπλέκεται στην κατασκευή των ρακετών, κοντές ίνες άνθρακα, μήκους μερικών χιλιοστών, αναμιγνύονται σε μια νάιλον μήτρα και το προκύπτον μείγμα εγχέεται σε μία φόρμα που φέρει το σχήμα της ρακέτας, όπου και σταθεροποιείται. Για τη διαμόρφωση ενός κοίλου σχήματος, ένας πυρήνας εύτηκτου μεταλλικού κράματος τοποθετείται στη φόρμα πριν από την έγχυση, ο οποίος μετατρέπεται σε προφυλακτικό κάλυμμα του ενισχυμένου με ίνες άνθρακα νάιλον. Ο πυρήνας μετάλλου στη συνέχεια λειώνει, με αποτελέσματα τη δημιουργία του κοίλου πλαισίου. Αυτή η μέθοδος, ενώ χρησιμοποιούταν για την παραγωγή ρακετών από την εταιρία Dunlop για μια περίοδο δέκα ετών, , δεν μπορούσε να προσαρμοστεί έτσι ώστε να κατασκευάζονται ρακέτες με μεγαλύτερη κεφαλή και ελαφρύτερα πλαίσια, τα οποία παρήγαγαν μεταγενέστερα οι συμβατικές τεχνικές κατασκευής. Γενικά, η χρήση σύνθετων υλικών με ίνες άνθρακα έχει επιτρέψει στις ρακέτες να κατασκευάζονται με μεγαλύτερο μέγεθος κεφαλής, πιο δύσκαμπτες και ελαφρύτερες από τις πιο εξελιγμένες ξύλινες ρακέτες της δεκαετίας του '80. Το μεγαλύτερο μέγεθος κεφαλής επιτρέπει μεγαλύτερο «sweet spot» (δηλ. μεγαλύτερη περιοχή επαφής,όπου το μπαλάκι θα μπορεί να αναπτύξει μεγαλύτερη ταχύτητα), και καλύτερο έλεγχο της έκκεντρης επαφής της μπάλας. Η αυξανόμενη ακαμψία μειώνει την ενέργεια που απορροφάται από το πλαίσιο και έτσι αυξάνει την ταχύτητα της μπάλας. Το μικρότερο βάρος από μόνο του δεν αποτελεί ιδιαίτερο προτέρημα, αλλά σε συνδυασμό με μία μεγαλύτερη κεφαλή και μεγαλύτερη ακαμψία οι σημερινές ρακέτες σύνθετων υλικών παρέχουν στους παίκτες μεγαλύτερο πλεονέκτημα έναντι των προγενέστερων ξύλινων ρακετών. Σήμερα, μία ρακέτα κατασκευασμένη από σύνθετο υλικό μπορεί να έχει κατά περίπου 40% μεγαλύτερη κεφαλή (από 420 σε 750 cm 2 ), να είναι 3 φορές πιο δύσκαμπτη και 30% πιο ελαφριά από την πιο εξελιγμένη ξύλινη εκδοχή (από 370 σε 300 gr). Για να επιτευχθεί μια ποικιλία χαρακτηριστικών απόδοσης στο παιχνίδι, οι ρακέτες κατασκευάζονται επιτυχώς με ποικίλα χαρακτηριστικά γνωρίσματα. Για παράδειγμα, με βέλτιστη ακαμψία αυξάνοντας υπερβολικά τη διατομή της λαβής, με ειδικό συνδυασμό βάρους, ακαμψίας και ισορροπίας και με ενσωματωμένα στοιχεία απορρόφησης των κραδασμών. Όπως έχει ήδη προαναφερθεί, στις διάφορες πατέντες που επικυρώνονται κατά καιρούς, καταγράφεται ένα πλήθος διαφορετικών χαρακτηριστικών γνωρισμάτων που μπορούν να έχουν οι ρακέτες, μόνο μερικά από τα οποία αναφέρθηκαν εδώ. 115

117 Το επόμενο βήμα για την περαιτέρω εξέλιξη μιας ρακέτας τένις, ίσως να περιλαμβάνει την προσθήκη πιεζοηλεκτρικών υλικών (piezoelectric materials), τα οποία μπορούν και απορροφούν τους κραδασμούς. Εξελίξεις που αφορούν την τεχνολογία των πέδιλων σκι, έχουν ήδη οδηγήσει στη χρήση αυτών των υλικών τα οποία εφάπτονται στην επιφάνεια τους. Αυτή τη στιγμή τα πιεζοηλεκτρικά υλικά ενεργούν με έναν παθητικό τρόπο. Μετατρέπουν τις μηχανικές δονήσεις σε ηλεκτρική ενέργεια η οποία και απελευθερώνεται μέσω ενός κυκλώματος διακλαδώσεων (circuit shunt). Στο μέλλον μπορεί να υπάρξει δυνατότητα μετατροπής αυτής της παθητικής αντίδρασης σε ενεργή, όπου οι δονήσεις στο εσωτερικό του πλαισίου της ρακέτας θα γίνονται αντιληπτές και θα ακυρώνονται έπειτα αντιστρέφοντας το ηλεκτρικό σήμα που θα εφαρμόζεται στους πιεζοηλεκτρικούς ενεργοποιητές, που θα εγκαθίστανται στη λαβή. Θα μπορούσε ίσως να αποτελεί εκείνη την τεχνολογία που θα οδηγήσει τελικά στην εξάλειψη του πάγιου μέχρι σήμερα προβλήματος των αθλητών, του «tenis elbow». Πέδιλα του σκι (Skis) Η χρήση προηγμένων υλικών στο σχεδιασμό και την κατασκευή των πέδιλων σκι, των συνδέσμων και του λοιπού εξοπλισμού (μπατόν, μπότες), αποτελεί βασικό παράγοντα ανάπτυξης του επαγγελματικού και ερασιτεχνικού σκι. Το σκι όπως το τένις, η ποδηλασία και το γκολφ, έχει επωφεληθεί από τα τεχνολογικά επιτεύγματα που παράγουν εξοπλισμό περισσότερο «φιλικό προς το χρήστη». Στην πραγματικότητα, η εξέλιξη των υλικών για τα σκι, τις ρακέτες αντισφαίρισης, τα μπαστούνια του γκολφ, και τα πλαίσια ποδηλάτων είναι εξαιρετικά όμοια. Αυτό οφείλεται στην ομοιότητα των επιθυμητών χαρακτηριστικών απόδοσης, για παράδειγμα να είναι ελαφριά, υψηλής αντοχής, ανθεκτικά, να απορροφούν τους κραδασμούς κ.α., και στην ανάγκη προσαρμογής αυτών στο επίπεδο ικανότητας του αθλητή [8]. Ιστορικά, ο Howard Head, επιχειρηματίας και σκιέρ, συνδέθηκε με την αλλαγή του τρόπου σχεδιασμού των σκι και των ρακετών του τένις, καθώς και με τις αντίστοιχες καινοτομίες υλικών. O Head καθιέρωσε τη χρήση του μετάλλου (αλουμινίου) στην κατασκευή των σκι, και πολύ αργότερα, μείωσε το πλαίσιο της πρώτης μεγάλης ρακέτας. Ο Head συνειδητοποίησε τη σπουδαιότητα στη χρήση σύγχρονων δομικών υλικών και τις αντίστοιχες καινοτομίες σχεδιασμού, απόρροια της απομάκρυνσης από τις απλές ξύλινες δομές και τις παραδοσιακές τεχνικές επεξεργασίας. Αρχικά τα πέδιλα του σκι αποτελούσαν μια κατασκευή σύνδεσης στρώσεων αλουμινίου και ξύλου, και αργότερα εξελίχθηκαν περαιτέρω με τη χρήση πλαστικών υλικών στη βάση και χάλυβα στις άκρες. Στα χρόνια που ακολούθησαν, η κάποτε μονολιθική δομή των σκι, εξελίχθηκε σε μία πιο σύνθετη κατασκευή περιλαμβάνοντας μια βάση, έναν πυρήνα, πλαϊνά τοιχώματα, επιφανειακές στρώσεις, στρώσεις ενίσχυσης και στρώσεις απόσβεσης των κραδασμών. Φύλλα ξύλου, πλαστικού, μετάλλου και φίμπεργκλας ενσωματώθηκαν στις δομές των σκι καθώς τα υλικά ήταν πλέον διαθέσιμα και το εμπορικό ενδιαφέρον γύρω 116

118 από το σκι αυξήθηκε σημαντικά κατά τη διάρκεια των δεκαετιών του '50 και '60. Στόχος του σχεδιασμού ήταν ο συνδυασμός καλής αντοχής και ελαστικότητας, κατά μήκος του πέδιλου, με την κατάλληλη αντοχή σε στρέψη έτσι ώστε να μπορεί να υποστηριχτεί η κατασκευή μιας πλατφόρμας για τον σκιέρ. Επιπλέον, καθώς τα σκι σχεδιάζονταν για συνεχώς αυξανόμενη ταχύτητα και πιο απαιτητικά εδάφη, καθίστατο απαραίτητο να καταστέλλονται οι κραδασμοί σε ένα μεγάλο εύρος συχνοτήτων. Συμπερασματικά, η δομή των σκι αποτελεί ένα σύστημα πολλαπλών συστατικών μερών που ενσωματώνει ένα ευρύ φάσμα υλικών. Μία χαρακτηριστική δομή τύπου «σάντουιτς» της δεκαετίας του '70 παρουσιάζεται στην εικόνα Η δομή αυτή των σκι συνέχισε να εξελίσσεται με τη χρήση «torsion boxes and tubes», ινών γυαλιού και άνθρακα και μεταλλικών και ξύλινων φύλλων. Τα υψηλής αντοχής πολυμερή έγιναν τα υλικά πρώτης επιλογής για τα πλαϊνά τοιχώματα, ενώ τα πολυμερή σε μορφή αφρού χρησιμοποιούνταν ως υλικά πυρήνα. Αφρός πολύ ουρεθανίου χρησιμοποιείται ακόμα σε πολλά πέδιλα σκι, αν και οι πιο ελαφριές κατασκευές των «slalom» σκι ευνοούν ακρυλικούς αφρούς ως υλικά πυρήνα ή μεταλλικούς κυψελοειδής πυρήνες. Εικόνα 3.12: Τυπική δομή τύπου «sandwich» για πέδιλα του σκι Καθώς οι απαιτήσεις της αγοράς γίνονται όλο και πιο έντονες, η απόδοση του εξοπλισμού αποτελεί το κλειδί της επιτυχίας και τα υλικά επιλέγονται έτσι ώστε να ικανοποιούν τις απαιτήσεις των πελατών αθλητών. Σήμερα είναι διαθέσιμη μια απεριόριστη ποικιλία υλικών, ενώ υπάρχουν αγορές ακόμα και για τα ακριβότερα προϊόντα (σύνθετα γραφίτη και προηγμένα σύνθετα υλικά). Η ασφάλεια και η ανθεκτικότητα στο χρόνο(durability) είναι πρόσθετοι παράγοντες που επηρεάζουν τις σχεδιαστικές αποφάσεις και συνδέονται άμεσα με τα κριτήρια επιλογής υλικών, ειδικότερα σε ότι αφορά τους συνδέσμους και τα συστατικά μέρη που έρχονται σε επαφή μεταξύ τους, καθώς επίσης και τη δομική ακεραιότητα του πέδιλου. 117

119 Όπως αναφέρθηκε και προηγουμένως, οι ίδιες καινοτομίες υλικών παρουσιάζονται στα σκι, τις ρακέτες αντισφαίρισης, τα ποδήλατα και τα μπαστούνια του γκολφ. Η κοινή βάση όλων των παραπάνω σχετικά με την απόδοση, είναι η απαίτηση του αθλητή να παραμένει σε ισορροπία και πλήρη έλεγχο σε μια κατάσταση που χαρακτηρίζεται από δυναμική κίνηση και κρούσεις. Ο ερασιτέχνης χρειάζεται εξοπλισμό σχεδιασμένο να απορροφά τους κραδασμούς και να τον/την απομονώνει από τις εξωτερικές δυνάμεις κρούσεις, ενώ ένας έμπειρος αθλητής μπορεί να επωφεληθεί από έναν εξοπλισμό που είναι πιο «responsive». Η δυνατότητα «αίσθησης» αντιτάσσονται στο σοκ και τις δονήσεις και τα σκι κατασκευάζονται έτσι ώστε να συμφωνούν με το επίπεδο ικανότητας και απόδοσης του κάθε αθλητή. Γρήγορα και άμεσα ανταποκρινόμενα (responsive) για τους έμπειρους αθλητές, πιο αργά και με δυνατότητα μόνωσης των κραδασμών για τους άπειρους. Ξεκινώντας τη δεκαετία του '60, και συνεχίζοντας κατά τη δεκαετία του '80, οι πολύστρωτες δομές έγιναν αρκετά σύνθετες καθώς οι σχεδιαστές αποσκοπούσαν στο να παράγουν τα επιθυμητά για το σκι χαρακτηριστικά, ανάλογα κάθε φορά με τη χρήση. Ειδικά κράματα, σύνθετα πολυμερών, ίνες Kevlar, γραφίτη και κεραμικές ίνες, χρησιμοποιήθηκαν για την κατανομή των τάσεων, την μείωση των κραδασμών και τον καθορισμό του τρόπου με τον οποίο το πέδιλο του σκι θα λυγίζει και τον τρόπο που θα ανταποκρίνεται στις εξωτερικές δυνάμεις κατά τη διάρκεια της χρήσης. Η σημαντικότερη ιδιότητα υλικού που συμβάλλει στην απόδοση είναι η ειδική ακαμψία (μέτρο ελαστικότητας /πυκνότητα), και τα ινώδη σύνθετα υλικά με ίνες γυαλιού και άνθρακα υπερτερούν σε ακαμψία του χάλυβα και του αλουμινίου. Επίσης με τη χρήση σύνθετων υλικών βελτιώθηκε η απόσβεση κραδασμών και η διάρκεια ζωής σε κόπωση. Η κατανομή της τάσης στην επιφάνεια και τον πυρήνα του σκι είναι συνάρτηση των ιδιοτήτων των μεμονωμένων υλικών, και ιδιαίτερα της αντοχής τους σε κάμψη και του μέτρου ελαστικότητας. Σε μία μονολιθική κατασκευή, το πεδίο της τάσης είναι συμμετρικό ως προς τη μέγιστη θλιπτική και εφελκυστική τάση που εφαρμόζονται στις αντίθετες επιφάνειες. Η θέση και η κατανομή της τάσης στις διάφορες στρώσεις του σύνθετου είναι συνάρτηση του μέτρου ελαστικότητας του υλικού και της θέσης της στρώσης στο εσωτερικό του πέδιλου. Για οποιοδήποτε μέγεθος (ελαστικής) παραμόρφωσης, το υλικό με το μεγαλύτερο μέτρο ελαστικότητας θα φέρει και το μεγαλύτερο ποσοστό της συνολικής εφαρμοζόμενης τάσης. Η μέγιστη τάση μπορεί επομένως να συγκεντρωθεί στο εσωτερικό της δομής, σε εκείνες τις στρώσεις υλικών με υψηλή αντοχή και υψηλό μέτρο ελαστικότητας. Κατά τη χρήση τα σκι υποβάλλονται σε πολλαπλά δυναμικά φορτία σε πολλά σημεία κρούσης (εικόνα 3.13) και απαιτείται να παραμορφωθεί ελαστικά ώστε να μπορέσει να προσαρμοστεί στις ακραίες ποικιλόμορφες εδαφικές εκτάσεις. Το πέδιλο του σκι θα πρέπει επίσης να αντιπροσωπεύσει μια σταθερή πλατφόρμα πάνω στην οποία ο σκιέρ θα μπορεί να ισορροπήσει σε ταχύτητες που ενδέχεται να υπερβούν και τα 50Kph, όπως στην περίπτωση αυτών που κάνουν σκι για χόμπι, και σημαντικά μεγαλύτερες στην περίπτωση των επαγγελματιών αθλητών. Στην εικόνα που ακολουθεί, υποδεικνύονται οι δυνάμεις που 118

120 ασκούνται πάνω στο πέδιλο του σκι (οι ενδείξεις αφορούν μόνο το ένα πέδιλο σκι). Όσο η το διάνυσμα της συνιστώσας δύναμης βρίσκεται εντός των σημείων επαφής των σκι και του χιονιού, ο σκιέρ παραμένει σε ισορροπία. Οποιαδήποτε απόκλιση στην κατεύθυνση ή πλευρική ολίσθηση των σκι, απαιτεί την αναπροσαρμογή από τον σκιέρ ώστε να διατηρηθεί η δυναμική ισορροπία. Η δύναμη και η ακαμψία των σκι είναι επομένως οι βασικοί παράγοντες που καθορίζουν τα όρια της απόδοσης σε συνάρτηση της ταχύτητας, του εδάφους, του βάρους και της ικανότητας του σκιέρ. Οι αντικρουόμενες απαιτήσεις (ευελιξία έναντι σταθερότητας) σχεδιασμού των σκι, επιτυγχάνονται με το συνδυασμό των ανόμοιων υλικών που εξυπηρετούν διαφορετικές λειτουργίες στο εσωτερικό της δομής, και σε ορισμένες περιπτώσεις χρησιμοποιούνται πολύ λειτουργικά υλικά που ενισχύουν και την απόδοση και την παρουσίαση. Η ακαμψία αυξάνεται σταδιακά (με το εύρος) καθώς το φορτίο μεταφέρεται σε εκείνα τα υλικά στο εσωτερικό της σύνθετης κατασκευής με το μέγιστο μέτρο ελαστικότητας. Οι κραδασμοί αντιμετωπίζονται με τη χρήση ελαστικών υλικών απόσβεσης στις στρώσεις ή στον πυρήνα της δομής. Πρόσφατες καινοτομίες υποστηρίζουν εξωτερικές συσκευές απόσβεσης κραδασμών, συμπεριλαμβανομένων των μηχανικών και ηλεκτρομηχανικών συσκευών όπως τα πιεζο κεραμικά υλικά. Τα πιεζο κεραμικά μπορεί να μετατρέψουν τη μηχανική ενέργεια υψηλής συχνότητας σε ηλεκτρική, και χρησιμοποιούνται για να αναστείλουν την κίνηση των δονήσεων μέσω ηλεκτρικών διακλαδώσεων. Ενεργή απόσβεση με πιεζο ηλεκτρικές συσκευές βρίσκεται υπό ανάπτυξη για τις κατασκευές αεροσκαφών και αυτοκινήτων, αλλά η χρήση τους σε μη κρίσιμες δομές όπως τα πέδιλα σκι, αποτελεί ενδιαφέρουσα εξέλιξη του σχεδιασμού και της παραγωγής. Εικόνα 3.13: Δυνάμεις στις οποίες υπόκεινται τα πέδιλα του σκι 119

121 Οι τάσεις στα σχέδια των σκι, οδήγησαν στη μετάβαση από την παραδοσιακή τεχνική σε μία πιο σύγχρονη. Τα επιτεύγματα στην τεχνολογία των υλικών και στις τεχνικές μορφοποίησης οδήγησαν και σε αλλαγές στις τεχνικές επεξεργασίας, ενώ η ανάγκη για συνεχή πρόοδο έχει πυροδοτήσει περισσότερες καινοτομίες και πιο εξελιγμένες σχεδιαστικές ιδέες. Το προκύπτον προϊόν είναι εξαιρετικά αποδοτικό, ανθεκτικό και ευπροσάρμοστο. Σήμερα υπάρχει μια μεγάλη γκάμα εξοπλισμού σκι που μπορεί και καλύπτει επαρκώς σκιέρ όλων των επιπέδων, όλους τους τύπους εδάφους και όλες τις συνθήκες χιονιού. Η μετάβαση στα «shaped» σκι με πλατιά πλατφόρμα και στενή μέση, και σε αυτά με μεγαλύτερο πάχος (περισσότερο αφρώδες υλικό), αντανακλούν τις παρόμοιες σχεδιαστικές τάσεις που επικρατούν και στις ρακέτες του τένις, ενώ η τεχνολογία που επέτρεψε αυτές τις αλλαγές και στις δύο περιπτώσεις είναι τα υλικά και η αντίστοιχη εξέλιξη της διαδικασίας παραγωγής τους. Τα «shaped» σκι («σχήματος παραβολής» ή σκι με καμπυλώδες σχήμα), επιτρέπουν στους σκιέρ να παίρνουν τις στροφές με χαμηλότερες ταχύτητες. Τα σκι είναι μικρότερα σε μήκος, πιο φαρδιά στην κορυφή και την ουρά, και στενότερα μέση. Μια μικρή πλευρική μετατόπιση του σκιερ αρκεί για να εξασφαλιστεί επαρκής κλίση των σκι κατά τη στροφή. Δεν υπάρχουν πέδιλα σκι που να ικανοποιούν όλες τις δυνατότητες και συνθήκες, αν και τα περισσότερα μοντέλα παρέχουν επαρκή απόδοση για το μέσο σκιέρ και υπό τις περισσότερες συνθήκες. Όπως και με τα περισσότερα εμπορικά προϊόντα, το κοινό καταβάλλεται από το πλήθος των επιλογών, ακόμα και από μεμονωμένους κατασκευαστές. Η πιο επαναστατική αλλαγή υλικού στα σκι ήταν αυτή του αλουμίνιο τη δεκαετία του '50, ενώ οι μετέπειτα εξέλιξη των σκι ήταν αρκετά προβλέψιμη. Τα μέταλλα (χάλυβας, τιτάνιο) αποτελούν και πάλι υλικά πολλά υποσχόμενων για το σύγχρονο σχεδιασμό. Τα υλικά και η τεχνολογία κατασκευής θα εξακολουθήσουν να επηρεάζουν το ρυθμό και την κατεύθυνση της ανάπτυξης της βιομηχανίας των σκι. Μπατον Ski poles Τα μπατον επίσης αποτελούν ένα πεδίο εφαρμογής των σύνθετων υλικών σε μεγάλη κλίμακα. Το τεχνικό πρόβλημα που αντιμετωπίζεται είναι η προσαρμογή της ενίσχυσης με τέτοιο τρόπο ώστε οι να ικανοποιούνται οι απαιτούμενες ιδιότητες κάμψης και η δυσκαμψία σε στρέψη [3]. Εικόνα 3.14: Μπατόν από σύνθετο υλικό 120

122 Μια μεγάλη ποικιλία διαστρωμάτωσης είναι δυνατόν να παραχθεί. Μπατόν εξ ολοκλήρου από άνθρακα είναι τα πιο αποδοτικά. Για πιο βαριά και σκληρά μπατόν, ένα υβριδικό σύνθετο άνθρακα/γυαλί υπερισχύει του καλύτερου αλουμινίου, ενώ για την επίτευξη μεγάλης αντίστασης σε κρούση, ένας σωλήνας άνθρακα με εξωτερικό στρώμα επιφάνειας από αραμαδικές ίνες Kevlar, δίνει το καλύτερο αποτέλεσμα με ελάχιστη αύξηση του βάρους. Η ίδια διαδικασία παραγωγής που ακολουθείται για τα μπατον, μπορεί να εφαρμοστεί και για τα μπαστούνια του χόκεϋ και τα ιστία του windsurfing. Ποδήλατα (bicycles) Οι ρόδες πεπιεσμένου αέρα και η μετάδοση κίνησης με αλυσίδα, καθώς και η ανάπτυξη των γραναζιών οδήγησαν στην ανάπτυξη του ποδηλάτου στο τέλος του 19 ου αιώνα. Τα τελευταία χρόνια παρατηρείται μια επανάσταση στα αθλητικά σπορ όσον αφορά την ανάπτυξη και τη χρήση νέων υλικών για την κατασκευή του σκελετού. Αρχικά ο σκελετός κατασκευάζονταν από χυτοσίδηρο ή ακόμα και από ξύλο. Σήμερα τα ποδήλατα κατασκευάζονται από υλικά όπως το τιτάνιο, το αλουμίνιο, και ίνες άνθρακα. Ο σκελετός του ποδηλάτου στη δεκαετία του '90 εμφανίζεται ελαφρύτερος και πιο ανθεκτικός από πριν [W4]. Στον Γερμανό εφευρέτη Karl von Drais αποδίδεται η κατασκευή του πρώτου ποδηλάτου το Αυτό το ποδήλατο δεν είχε πεντάλ και ο σκελετός του αποτελούνταν από ξύλινες δοκούς. Είχε δύο ξύλινες ρόδες με σιδερένια στεφάνη, καλυμμένες με δέρμα. Ο αναβάτης κινούταν με το ποδήλατο σπρώχνοντας το έδαφος με τα πόδια, αφήνοντάς το μόνο κατά την κάθοδο. Παρ ότι σήμερα μπορεί να φαίνεται απλό και προφανές, το να πάρει ο αναβάτης εντελώς τα πόδια του από το έδαφος ήταν πολύ σημαντικό βήμα για την μετέπειτα εξέλιξη του ποδηλάτου. Το πρώτο ποδήλατο με πεντάλ είναι γνωστό με την ονομασία «velocipede». Αποτελούταν από δύο ξύλινες ρόδες, ένα μπροστινό δίκρανο (fork), χερούλια για την οδήγηση, μια σέλα πάνω στον ξύλινο σκελετό και πεντάλ ενσωματωμένα στον άξονα της μπροστινής ρόδας. Τα πρώτα «velocipedes» δεν μπορούσαν να απορροφήσουν τους κραδασμούς. Το πρόβλημα αυτό άρχισε να εξετάζεται με την εμφάνιση των ελαστικών ρόδες πεπιεσμένου αέρα. Περίπου την ίδια χρονική περίοδο με την εμφάνιση των ελαστικών (1888) άρχισαν να χρησιμοποιούνται πιο ελαφριά υλικά για την κατασκευή του σκελετού, βελτιώνοντας δραματικά την ποδηλασία. Μέχρι που αναπτύχθηκαν τα σύγχρονα ποδήλατα, τέλη του 80, οι περισσότεροι σκελετοί ποδηλατών κατασκευάζονταν από χαλύβδινες δοκούς αντί του χυτοσίδηρου ή του ξύλου. Τα χαλύβδινα ποδήλατα αν και ήταν πολύ ανθεκτικά, ήταν πολύ βαριά. Δεν ήταν καθόλου ασυνήθιστο για ένα ποδήλατο εκείνης της εποχής να ζυγίσει πάνω από 36 κιλά. Χαλύβδινοι σκελετοί χρησιμοποιούνται ακόμα και σήμερα, αλλά οι δοκοί έχουν λεπτότερα τοιχώματα και επομένως ζυγίζουν αρκετά λιγότερο. 121

123 Ο χάλυβας παρέμεινε για πολλά χρόνια το προτιμώμενο υλικό για τα ποδήλατα, και όχι άδικα. Είναι σκληρό και όλκιμο, και μορφοποιείται εύκολα σε κυλινδρικούς δοκούς, υπό την έννοια ότι υπάρχει μεγάλη ποικιλία δοκών από την οποία μπορούμε να επιλέξουμε. Είναι επίσης οικονομικά το πιο προσιτό από όλα τα υλικά που έχουν αναφερθεί. Το αλουμίνιο είναι ελαφρύτερο, αλλά χρειάζεται δοκούς μεγαλύτερης διαμέτρου για να εμφανίσει εκείνη την αντοχή και ακαμψία που θα μπορούν να υποστηρίξουν μια πιο απότομη κίνηση. Το τιτάνιο από την άλλη μεριά, εμφανίζει μεγάλη ειδική αντοχή. Το κόστος εντούτοις είναι ένα άλλο θέμα, καθώς η παραγωγή δοκών τιτανίου μπορεί να κοστίσει έως 15 φορές περισσότερο από τις αντίστοιχες χαλύβδινες. Τα σύνθετα υλικά αποτελούν εξαιρετική επιλογή υλικών για την κατασκευή ενός ποδηλάτου. Ελέγχοντας τον σχεδιασμό, τα υλικά και τις διαδικασίες παραγωγής τους, μπορούν να αποτελέσουν μερικά από τα πιο ανθεκτικά και αξιόπιστα τμήματα ενός ποδήλατου. Τα σύνθετα άνθρακα είναι εξαιρετικά ισχυρά, ελαφριά και δύσκαμπτα, αλλά είναι ελάχιστα όλκιμα. Αυτό σημαίνει ότι απαιτούν επιπρόσθετη προσοχή κατά την τοποθέτησή τους στον σκελετό του ποδήλατου. Τα σύνθετα έχουν σίγουρα πολύ μεγαλύτερη αντοχή, ενώ είναι δύσκολο να ανταγωνιστεί άλλο υλικό το σύνθετο ανθρακικών ινών ως προς την αποταμίευση βάρους. Η ανθεκτικότητα και η ολκιμότητα είναι επίσης κρίσιμοι παράγοντες. Γνωρίζουμε ότι τα σύνθετα υπερισχύουν του αλουμινίου σε αντοχή. Σε μια δοκιμή κρούσης, οι μπάρες από σύνθετο υλικό μπορούν να αντέξουν έως δέκα φορές περισσότερη δύναμη κρούσης απ ότι οι αντίστοιχες αλουμινίου. Οι ασφαλτόδρομοι προσφέρουν ελάχιστους σκληρούς κραδασμούς. Το μεγαλύτερο μέρος της τάσης που εφαρμόζεται στο δίκρανο(fork) ενός ποδηλάτου δρόμου, προκαλείται από τον αναβάτη παρά από το έδαφος. Λόγω αυτών των σχετικά χαμηλών πιέσεων, τα δίκρανα(fork) άνθρακα μπορούν να κατασκευαστούν αρκετά ελαφριά διατηρώντας την απαιτούμενη αντοχή. Επιπλέον πλεονέκτημα των σύνθετων άνθρακα είναι η ικανότητά τους να απορροφούν το σοκ και τις δονήσεις που προκαλούνται από το έδαφος κατά την ποδηλασία. Είναι αναμενόμενο λοιπόν τα σύνθετα να αποτελούν φυσική επιλογή για υψηλής απόδοσης δίκρανα. Στο παρελθόν τα, τα δίκρανα κατασκευάζονταν από υψηλής αντοχής χάλυβα και ζύγισαν περίπου 1 kg. Τα δίκρανα αποτελούνται από ένα τιμόνι με το οποίο ενώνονται εφαρμόζοντας κόλλα σε κάθε κομμάτι στο σημείο της ένωσης και θερμαίνοντας τα με ένα φακό ασετυλίνης(acetylene torch). Όταν το μέταλλο βρεθεί στην κατάλληλη θερμοκρασία, γύρω στους 1000 F, ένα υλικό πληρώσεως, ασήμι, ορείχαλκος ή χαλκός προστίθεται στο κενό μεταξύ των δύο κομματιών. Τα δίκρανα με αυτόν τον τρόπο γινόντουσαν πιο ανθεκτικά και αξιόπιστα. Βασική προϋπόθεση σχεδιασμού των τμημάτων του σκελετού ενός ποδήλατου είναι η ισορροπία μεταξύ αντοχής, ανθεκτικότητας και βάρους. Ο χάλυβας διαθέτει τις δύο από αυτές τις ιδιότητες αντοχή και ανθεκτικότητα (ακόμη και ένα «ελαφρύ» fork ζυγίζει πάνω από δύο λίβρες) [W5]. 122

124 Η αντοχή από μόνη της δεν επαρκεί για να δικαιολογήσει τη χρήση ενός συγκεκριμένου υλικού. Για παράδειγμα, το γυαλί έχει πολλή μεγάλη αντοχή, αλλά επειδή το γυαλί στερείται σε ολκιμότητα δεν αποτελεί κατάλληλη επιλογή για το σκελετό ποδηλάτου. Η πραγματικότητα είναι ότι κατά την επιλογή ενός υλικού για μία δεδομένη εφαρμογή, υπάρχει ένα πλήθος ιδιοτήτων που θα πρέπει να λαμβάνονται υπ όψη. Το φάσμα των υλικών που χρησιμοποιούνται στα ποδήλατα είναι ευρύ: χάλυβας, αλουμίνιο, σύνθετα άνθρακα, θερμοπλαστικά υλικά, τιτάνιο και μαγνήσιο. Οι διαδικασίες παραγωγής που χρησιμοποιούνται για τα σύνθετα υλικά, μπορούν στην κυριολεξία να φτιάξουν ή να σπάσουν το υπό κατασκευή προϊόν. Τα πιο προηγμένα υλικά και η καλύτερη πολύστρωτη δομή δεν μπορούν να αντισταθμίσουν ένα ελλιπώς κατασκευασμένο κομμάτι. Τα τμήματα του ποδηλάτου μπορούν να κατασκευαστούν χρησιμοποιώντας πολλές διαφορετικές διαδικασίες μεταξύ των οποίων «bladder molding», η τεχνική έγχυσης ρητίνης (RTM), η μορφοποίηση με συμπίεση(compression molding), η τεχνική της εξώθησης (pultrusion) και η τεχνική «roll wraping». Οι περισσότεροι κατασκευαστές περιορίζονται στη χρήση μίας ή δύο εξ αυτών. Αυτό το εύρος δυνατοτήτων επιτρέπει στους κατασκευαστές να επιλέξουν το σωστό υλικό και τη σωστή διαδικασία για τη δημιουργία ανθεκτικών και αξιόπιστων ποδηλάτων. Ως επί το πλείστον, τα χερούλια, ο άξονας της σέλας, και οι σωληνώσεις του σκελετού κατασκευάζονται χρησιμοποιώντας την τεχνική μορφοποίησης «bladder molding». Στην τεχνική αυτή χρησιμοποιείται φόρμα δύο μερών για να μπορεί να ελέγχεται το εξωτερικό σχήμα του εξαρτήματος. Το «bladder» διογκώνεται με αέρα έτσι ώστε να ασκήσει πίεση πάνω στο φύλλο του υλικού, μορφοποιώντας το κατ επέκταση στο κατάλληλο σχήμα του εξαρτήματος. Η τεχνική έγχυσης ρητίνης (RTM) και αυτή των «roll wraping» είναι επίσης κοινές διαδικασίες, ιδιαίτερα χρήσιμες για την κατασκευή σωληνώσεων λεπτού τοιχώματος και ομοιόμορφου πάχους. Η τεχνική «bladder molding» με χρήση προεμποτισμένων φύλλων(pre pregs) υπερτερεί έναντι αυτών καθώς επιτρέπει την ενίσχυση των τοιχωμάτων τοπικά με πρόσθετο υλικό σε σημεία κλειδιά. Εικόνα 3.15: Ποδήλατο από σύνθετα υλικά 123

125 4. Ανάλυση ρακέτας τένις Στο κεφάλαιο αυτό θα μοντελοποιηθεί χρησιμοποιώντας ένα πρόγραμμα πεπερασμένων στοιχείων μια τυπική ρακέτα του τένις και θα παρουσιαστεί ο τρόπος ανάλυσης και βελτιστοποίησης της γεωμετρίας με στόχο την ελαχιστοποίηση του βάρους. Η επιλογή του συγκεκριμένου προϊόντος έγινε λόγω των πολλών γεωμετρικών παραμέτρων που υπεισέρχονται στο σχεδιασμό αλλά και λόγω της δυνατότητας που μας δίνεται να μελετήσουμε και τα τρία βασικά υλικά, τα οποία χρησιμοποιήθηκαν στην κατασκευή του συγκεκριμένου προϊόντος, δηλαδή το ξύλο, το αλουμίνιο και τα ινοπλισμένα σύνθετα υλικά. Μία από τις πρώτες μελέτες ρακετών χρησιμοποιώντας τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων έγινε στην εργασία [11], όπου έγινε προσπάθεια βελτιστοποίησης μιας ρακέτας από αλουμίνιο σε δυναμική φόρτιση τόσο αριθμητικά όσο και πειραματικά. Στην εργασία [12] μελετήθηκε η επίδραση της προέντασης των χορδών στη συμπεριφορά μιας ρακέτας από ανθρακονήματα για διάφορα σημεία πρόσκρουσης της μπάλας, όπως φαίνεται στην εικόνα 4.1. Συγχρόνως μελετήθηκε και η επίδραση του τρόπου στήριξης της ρακέτας. Εικόνα 4.1: Περιοχές πρόσκρουσης σε μια ρακέτα [12] Η μελέτη της δυναμική απόκριση μιας ρακέτας με τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων καθώς και η διεξοδική πειραματική μελέτη της συμπεριφοράς έγινε στην εργασία [13]. Μια πιο σχεδιαστική προσέγγιση στο σχεδιασμό των ρακετών πραγματοποιήθηκε στην εργασία [14], όπου έγινε προσπάθεια να υπεισέλθει στα αρχικά στάδια του σχεδιασμού και ο τρόπος κατασκευής της ρακέτας από στρώσεις σύνθετου υλικού. 124

126 4.1 Γεωμετρία και υλικά Ως βασική γεωμετρία της ρακέτας θεωρήθηκε η απλοποιημένη γεωμετρία από την εργασία [14]. Το πλαίσιο της ρακέτας αποτελείται από τρία τμήματα, ένα μορφής έλλειψης, ένα κυκλικό τόξο και ένα ευθύγραμμο (εικόνα 4.2). Οκτώ συνολικές παράμετροι καθορίζουν τη γεωμετρία της ρακέτας. Αυτές είναι τα μήκη a, b, c και d, το πλάτος t καθώς και τα πάχη των περιοχών AC, BD και DE ίσα αντίστοιχα με t 1, t 2 και t 3. Για να μειώσουμε τον αριθμό των παραμέτρων θεωρήσαμε ότι το μήκος d είναι σταθερά και ίσο με 24 cm. Εικόνα 4.2: Απλοποιημένη γεωμετρία ρακέτας [14] Για το υλικό της ρακέτας χρησιμοποιήθηκαν 3 διαφορετικά υλικά, ξύλο, αλουμίνιο και σύνθετο ενισχυμένο με ίνες άνθρακα. Αυτά είναι και τα υλικά που χρησιμοποιήθηκαν στην κατασκευή των ρακετών κατά την εξέλιξή τους. Οι ιδιότητες των υλικών παρουσιάζονται στον πίνακα 4.1. Το ξύλο (λευκής φλαμουριάς) και το σύνθετο ενισχυμένο με ίνες άνθρακα μοντελοποιήθηκαν ως ορθότροπα υλικά, ενώ το αλουμίνιο ως ισότροπο. Σημαντική ιδιότητα στην παρούσα εργασία είναι και η πυκνότητα των υλικών αφού αυτή θα καθορίσει το βάρος του πλαισίου της ρακέτας. Όπως φαίνεται στον πίνακα 4.1, το ξύλο υπερέχει σημαντικά έναντι των άλλων δύο υλικών αφού έχει το 35% της πυκνότητας του σύνθετου και το 22% της πυκνότητας του αλουμινίου. Θεωρώντας ένα συντελεστή ασφαλείας περίπου 4, θεωρήσαμε ως μέγιστες επιτρεπόμενες τάσεις για το ξύλο σ max = 10 MPa, για το αλουμίνιο σ max = 100 MPa και για το σύνθετο σ max = 200 MPa. Και για τα τρεις μοντελοποιήσεις η μέγιστη επιτρεπόμενη εγκάρσια μετατόπιση θεωρήθηκε ίση με u max = 2 cm, μια μέση τιμή που αναφέρεται στη βιβλιογραφία. 125

127 Πίνακας 4.1: Ιδιότητες υλικών E 11 (GPa) E 22 (GPa) E 33 (GPa) G 12 (GPa) G 13 (GPa) G 23 (GPa) ν 12 ν 13 ν 23 ρ (g/cm 3 ) Ξύλο (λευκή φλαμουριά) [15] Αλουμίνιο Σύνθετο T300/914 [16] Μοντελοποίηση της ρακέτας στο ANSYS Το πλαίσιο της ρακέτας μοντελοποιήθηκε παραμετρικά στο πρόγραμμα ANSYS, και μια τυπική διακριτοποίηση φαίνεται την εικόνα 4.3. Για την μοντελοποίηση χρησιμοποιήθηκε το κελυφοειδές (shell) στοιχείο του ANSYS SHELL 63. Το στοιχείο αυτό έχει 4 κόμβους με 6 βαθμούς ελευθερίας ανά κόμβο, δηλαδή τρεις μετατοπίσεις και τρεις περιστροφές (εικόνα 4.4). Εικόνα 4.3: Μοντελοποίηση του πλαισίου της ρακέτας 126

128 Εικόνα 4.4: Το στοιχείο SHELL63 του ANSYS Ένα πρόβλημα που παρουσιάζεται κατά την μοντελοποίηση της ρακέτας είναι ο τρόπος μοντελοποίησης του διχτύου. Αυτό αποτελείται συνήθως από νάιλον χορδές (καλώδια) με διάμετρο περίπου 1.35 mm [12]. Οι χορδές είναι σε προ ένταση περίπου 20 kg (200 Ν) και έχουν μέτρο ελαστικότητας 7 GPa. Στην προσπάθεια μοντελοποίησης του πλαισίου της ρακέτας θα πρέπει να γίνει μεγάλη προγραμματιστική δουλειά έτσι ώστε σε κάθε διάσταση να υπάρχουν κόμβοι σε κανονικές αποστάσεις για να συνδέονται οι χορδές. Ένας άλλος τρόπος είναι να αντικαταστήσουμε το δίχτυ με ένα έλασμα που συμπεριφέρεται το ίδιο με αυτό. Για το σκοπό αυτό έγινε αρχικά μοντελοποίηση ενός τετράγωνου διχτύου χρησιμοποιώντας το στοιχείο καλώδιο του ANSYS, όπως φαίνεται την εικόνα 4.5(α). Το δίχτυ πακτώθηκε περιφερειακά και μια δύναμη 100 Ν εφαρμόστηκες στο μέσον του. Με αυτό τον τρόπο υπολογίστηκε η μέγιστη εγκάρσια μετατόπιση του διχτύου. Στη συνέχεις μοντελοποιήθηκε ένα έλασμα με μέτρο ελαστικότητας 7 GPa και με τις ίδιες διαστάσεις με το δίχτυ, όπως φαίνεται στην εικόνα 4.5(β). Με δοκιμές βρίσκουμε ότι το κατάλληλο πάχος του ελάσματος για να παραμορφώνεται ίδια με το δίχτυ είναι 0.56 mm. Στη συνέχεια διακριτοποιήθηκε όλη η ρακέτα, χρησιμοποιώντας στην περιοχή του διχτύου ένα έλασμα με μέτρο ελαστικότητας 7 GPa και πάχος 0.56 mm. Η συνολική διακριτοποίηση φαίνεται στην εικόνα

129 (α) (β) Εικόνα 4.5:Μοντελοποίση του διχτύου με (α) καλώδια, και (β) έλασμα Εικόνα 4.6: Συνολική διακριτοποίηση Φορτίσεις και συνοριακές συνθήκες Εξετάστηκαν 4 διαφορετικές φορτίσεις όπως συνήθως γίνεται στη βιβλιογραφία. Στη φόρτιση Α ασκούμε μια δύναμη 100 Ν στο κέντρο, ενώ στις άλλες 3 η δύναμη είναι έκκεντρη κατά 5 cm (εικόνα 4.7). Η φόρτιση Β καλύπτει δύο φορτίσεις (δύναμη πάνω και κάτω από το κέντρο αλλά λόγω συμμετρίας δεν χρειάζεται να αναλυθεί η άλλη φόρτιση). Η ρακέτα σε όλες τις αναλύσεις πακτώθηκε σε ένα μήκος 12 cm από δεξιά. 128

130 Φόρτιση Α Φόρτιση Β Φόρτιση Γ Φόρτιση Δ Εικόνα 4.7: Φορτίσεις και συνοριακές συνθήκες Η τυπική παραμόρφωση της ρακέτας όταν εφαρμόζουμε την δύναμη φαίνεται στην εικόνα 4.8. Μόνο το πλαίσιο παρουσιάζεται αφού δεν ενδιαφερόμαστε για την μηχανική συμπεριφορά του διχτύου. Η κατανομή της εγκάρσιας μετατόπισης φαίνεται στην εικόνα 4.9, όπου όπως αναμένεται η μέγιστη μετατόπιση είναι στο αριστερό άκρο της ρακέτας. Στην εικόνα 4.10 φαίνεται μια τυπική κατανομή της τάσης στη ρακέτα. Παρατηρούμε δύο σημεία συγκέντρωσης τάσης, στην ένωση των τόξων με την έλλειψη και ακριβώς δίπλα στην πάκτωση. Για το σύνθετο και το ξύλο υπολογίζουμε τη μέγιστη κύρια τάση ενώ για το αλουμίνιο την ισοδύναμη τάση von Mises. Εικόνα 4.8: Τυπική παραμόρφωση της ρακέτας 129