Σύνθετα Υλικά: Χαρακτηρισμός και Ιδιότητες

Transcript

1 Σύνθετα Υλικά: Χαρακτηρισμός και Ιδιότητες Διδάσκοντες: Α. Παϊπέτης, Καθηγητής, Δρ. Μηχ/γος Μηχανικός Ν. Μ. Μπάρκουλα, Επ. Καθηγήτρια, Δρ. Μηχ/γος Μηχανικός 1

2 Περίγραμμα Εργαστηριακού Μαθήματος Τι είναι: Υποχρεωτικό Εργαστηριακό Μάθημα στο 8ο Εξάμηνο του ΤΜΕΥ Με τι ασχολείται: Κατασκευή συνθέτων υλικών Προετοιμασία δοκιμίων Χαρακτηρισμός της μηχανικής συμπεριφοράς τους Ποια είναι η δομή του: Εισαγωγική Θεωρία Εργαστηριακές Ασκήσεις με Υποχρεωτική Παρακολούθηση 2

3 Ιστορία των Υλικών: 3

4 Ξύλο: 4

5 Ιστορική Ανάπτυξη των Πολυμερικών Συνθέτων Υλικών : ΧΡΟΝΟΛΟΓΙΑ 5000 π.χ π.χ μ.χ μ.χ μ.χ μ.χ μ.χ μ.χ μ.χ μ.χ μ.χ μ.χ μ.χ μ.χ μ.χ. Σύνθετα υλικά, Γ. Παπανικολάου, Δ. Μουζάκης ΥΛΙΚΟ Μίγμα παπύρου-πίσσας Επίστρωση ξύλου (καπλαμάς) Φαινολικά σύνθετα Σύνθετα ουρίας-φορμαλδεΰδης Σύνθετα μελαμίνης-φορμαλδεΰδης Πολυεστέρας- ίνες υάλου Σύνθετα εποξειδικής ρητίνης Σύνθετα Nyln - ίνες υάλου Σύνθετα πολυστυρενίου-υάλου Σύνθετα φαινόλης-αμιάντου Πλαστικά ενισχυμένα με ίνες άνθρακα Πλαστικά ενισχυμένα με ίνες βορίου Υβριδικά σύνθετα άνθρακα-υάλου Πλαστικά ενισχυμένα με ίνες Aramid Υβριδικά σύνθετα aramid/γραφίτη 5

6 Τα σύνθετα υλικά (cmpsite materials): Αποτελούνται από δυο ή περισσότερα φυσικώς ευδιάκριτα και μηχανικώς διαχωριζόμενα υλικά. Παρασκευάζονται με τη φυσική ανάμειξη διακεκριμένων υλικών, έτσι ώστε ο διασκορπισμός του ενός εντός του άλλου να είναι ελεγχόμενος, προς επίτευξη βέλτιστων ιδιοτήτων. Οι ιδιότητες του συνθέτου είναι διαφορετικές και σε μερικές περιπτώσεις μοναδικές, συγκρινόμενες με τις ιδιότητες των επί μέρους συστατικών. 6

7 Τα κύρια συστατικά του σύνθετου υλικού: Μήτρα: είναι η συνεχής φάση στο σύνθετο Ενίσχυση: είναι η ασυνεχής ή διασκορπισμένη φάση στο σύνθετο 7

8 Τα κύρια συστατικά του σύνθετου υλικού: Μήτρα: είναι η συνεχής φάση στο σύνθετο Ρόλος: - Μεταφορά τάσεων στις άλλες φάσεις - Προστασία των φάσεων από το περιβάλλον - Κατηγοριοποίηση: MMC (Metal Matrix Cmpsites) CMC (Ceramic Matrix Cmpsites) PMC (Plymer Matrix Cmpsites) Ενίσχυση: είναι η ασυνεχής ή διασκορπισμένη φάση στο σύνθετο Ρόλος: - Ενίσχυση της μήτρας - Κατηγοριοποίηση: σωματίδα, ίνες, δομικά 8

9 Τύποι Πολυμερικής Μήτρας: Σύνθετα Υλικά, Παπανικολάου & Μουζάκης 9

10 Τύποι Πολυμερικής Μήτρας: Σε ένα θερμοπλαστικό υλικό οι μακρομοριακές αλυσίδες συμπλέκονται διατηρώντας τη διαστασιακή σταθερότητα Σε ένα θερμοσκληρυνόμενο υλικό οι μακρομοριακές αλυσίδες συμπλέκονται επίσης. Με Θέρμανση οι αλυσίδες ολισθαίνουν η μια πάνω στην άλλη επιτρέποντας στο υλικό με πίεση να λάβει νέο σχήμα Με Θέρμανση το υλικό μπορεί να λάβει νέο σχήμα. Αρχίζει ο σχηματισμός σταυροδεσμών δημιουργώντας τρισδιάστατο δίκτυο Το νέο σχήμα που προέκυψε μετά την απόψυξη μπορεί να αλλάξει ξανά με αναθέρμανση και ψύξη Εάν συνεχιστεί η θέρμανση ή το υλικό ξαναθερμανθεί μετά την ψύξη δεν υπάρχει αλλαγή-πριν την απανθράκωση 10 Σύνθετα Υλικά, Παπανικολάου & Μουζάκης

11 Τύποι Ενίσχυσης: Κοκκώδη Κοντές Ίνες Τυχαίας Διεύθυνσης Μικτό Κοκκώδες με τυχαία κατανομή κοντών ινών Νιφάδες Προσανατολισμένες Κοντές Ίνες Συνεχείς Ίνες μιας Διεύθυνσης Διασταυρούμενες Ίνες τυχαίας διεύθυνσης Διασταυρούμενες Ίνες σε γωνία 90ο Αλληλοδιαχεόμενα Δίκτυα (ΙΡΝ) Σάντουιτς με Αφρό Διάφορες Πλέξεις Ινών Πολύστρωτο Σύστημα Σύνθετα Υλικά, 11 Παπανικολάου & Μουζάκης

12 ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ: ΣΩΜΑΤΙΔΙΑ Σωματίδια Παραδείγματα: Ίνες Δομικά Al / SiC MMCs fr aerspace autmtive industry, Reprinted with permissin frm D. Myriunis, University f Iannina 12

13 ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ: ΣΩΜΑΤΙΔΙΑ Σωματίδια Παραδείγματα: Ίνες Δομικά Debnded glass particles surrunded by the vid created due t defrmatin f the PP/glass cmpsite. Thi YS, Argn AS, Chen RE. Rle f interfacial adhesin strength n tughening plyprpylene with rigid particles. Plymer 2004;45:

14 ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ: ΙΝΕΣ σωματίδια Ασυνεχείς, τυχαία διασκορπισμένες 2D ίνες Σωματίδια Ίνες Δομικά Παράδειγμα: Carbn-Carbn --κατασκευή: ίνα/πίσσα, και πυρόλυση στους 2500C. --χρήσεις: δισκόφρενα, τουρμπίνες, προστατευτικά κελύφη view nt plane C fibers: very stiff very strng C matrix: less stiff less strng fibers lie in plane Επίσης: -- Ασυνεχείς, τυχαία διασκορπισμένες 3D ίνες -- Ασυνεχείς, 1D ίνες Adapted frm F.L. Matthews and R.L. Rawlings, Cmpsite Materials; Engineering and Science, Reprint ed., CRC Press, Bca Ratn, FL, (a) Fig. 4.24(a), p. 151; (b) Fig. 4.24(b) p (Curtesy I.J. Davies) Reprduced with permissin f CRC Press, Bca Ratn, FL. 14

15 ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ: ΙΝΕΣ Σωματίδια Ίνες Δομικά Συνεχείς προσανατολισμένες ίνες παραδείγματα: --Μέταλλα: g'(ni 3 Al)-a(M) Ευτηκτική σύσταση. --Glass w/sic fibers (από υαλοπολτό) E glass = 76GPa; E SiC = 400GPa. (a) Frm W. Funk and E. Blank, Creep defrmatin f Ni3Al-M in-situ cmpsites", Metall. Trans. A Vl. 19(4), pp , Used with permissin. (b) Frm F.L. Matthews and R.L. Rawlings, Cmpsite Materials; Engineering and Science, Reprint ed., CRC Press, Bca Ratn, FL, (a) Fig. 4.22, p. 145 (pht by J. Davies); (b) Fig , p. 349 (micrgraph by H.S. Kim, P.S. Rdgers, and R.D. Rawlings). Used with permissin f CRC Press, Bca Ratn, FL. 15

16 Αντιγράφοντας την φύση - Ίνες Γνωρίζουμε ότι στην φύση τα ινώδη υλικά μπορούν να έχουν μεγάλη αντοχή και δυσκαμψία. Οι φυσικές ίνες, όπως το βαμβάκι, το λινό, το μαλλί, κλπ βρίσκουν εφαρμογή σε πολλές βιομηχανίες είτε σε μορφή υφάσματος, είτε σε μορφή σχοινιών και πλεγμάτων. 16

17 Πως χρησιμοποιούνται οι ίνες; Οι ίνες δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν ανεξάρτητα, χωρίς σύνδεση μεταξύ τους σε δομικές εφαρμογές. Ένα σχοινί έχει καλές ιδιότητες σε εφελκυσμό αλλά δεν αντέχει σε θλίψη. Μία ίνα θα υποστεί λυγισμό αλλά το ίδιο ισχύει και για μία στήλη από πέτρα αν είναι πολύ μακριά και λεπτή. Για να φτιάξουμε ένα δομικό στοιχείο από ίνες πρέπει να βρούμε τρόπο να τις ενώσουμε μεταξύ τους. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί με την χρήση συγκολλητικών υλικών και άρα κατασκευάζοντας σύνθετο υλικό. Όταν οι ίνες και το συγκολλητικό είναι ελαφροβαρή, τότε κατασκευάζουμε ένα δομικό υλικό χαμηλού βάρους. 17

18 ΆΝΘΡΑΚΑ η ελίτ των ινών: δύσκαμπτες, με μεγάλη αντοχή, με καλή πρόσφυση με πολυμερικά συγκολλητικά, όπως οι εποξικές ρητίνες, έχουν καλή θερμική αντίσταση και είναι αδρανής χημικά. Μπορούν να είναι 25 φορές πιο δύσκαμπτες από το ατσάλι (κ.β.) αλλά και εως φορές πιο ακριβές! ΑΡΑΜΙΔΙΟ (Kevlar) μεγάλη αντοχή, αλλά μικρότερη δυσκαμψία σε σχέση με τον άνθρακα. Παρουσιάζουν σημαντική παραμόρφωση στην θραύση. Οι πιο σημαντικές ίνες ΓΥΑΛΙ μεγάλη αντοχή, δυσκαμψία παρόμοια με αυτή του αλουμινίου, σχετικά φθηνό. 18

19 Πως προκύπτουν δυνατές ίνες Τα ψαθυρά υλικά, όπως το γυαλί είναι άμορφα και δεν έχουν την ικανότητα να προσανατολίζουν την δομή τους υπάρχει όμως η δυνατότητα να αυξήσουμε την αντοχή τους (για παράδειγμα αυτή της ίνας γυαλιού) με το να περιορίσουμε την ύπαρξη ατελειών Τυπικές ίνες γυαλιού έχουν μέτρο ελαστικότητας παρόμοιο με αυτό του αλουμινίου αλλά ειδική αντοχή η οποία φτάνει 3-6 φορές αυτή του ατσαλιού. 19

20 Πως προκύπτουν δυνατές ίνες Οι φυσικές ίνες βασίζονται σε προσανατολισμό της μοριακής και κυτταρικής δομής τους με στόχο την επίτευξη βέλτιστων ιδιοτήτων αυτό προσπαθούμε να επιτύχουμε και με τις συνθετικές ίνες. Αν καταφέρουμε να προσανατολίσουμε τα επιμέρους μακρομόρια του πολυμερούς κατά την διεύθυνση των ινών, τότε μπορούμε να τροποποιήσουμε ένα υλικό με μέτριες ιδιότητες σε ένα υλικό με εξαιρετικές. T PE-Dyneema έχει ειδική δυσκαμψία 4 φορές αυτής του ατσαλιού και ειδική αντοχή 14 φορές αυτής του ατσαλιού. 20

21 Ίνες Γυαλιού 3D ισότροπο δίκτυο Η αντοχή και η δυσκαμψία προέρχεται από το 3D δίκτυο πολυέδρων. Κάθε πολύεδρο είναι συνδυασμός ατόμων οξυγόνου γύρω από ένα άτομο πυριτίου, τα οποία ενώνονται με ομοιοπολικούς δεσμούς. Η δομή και η αντοχή του δικτύου μπορεί να τροποποιείται με την προσθήκη μεταλλικών οξειδίων. 21

22 Ίνες Άνθρακα 2D ισχυρά ανισότροπο γραφιτικό δίκτυο ισχυροί ομοιοπολικοί δεσμοί στο επίπεδο και ασθενείς δεσμοί van der Waals μεταξύ των επιπέδων. Οι ίνες άνθρακα κατασκευάζονται από δυο προγονικά υλικά, που αποτελούν κατά κάποιο τρόπο, τις πρώτες ύλες. Τα κυριότερα είναι το P.Α.Ν. (πολυ-ακριλο-νιτρίλιο) και η πίσσα από πετρέλαιο ή κάρβουνο. Σε εξέλιξη βρίσκεται η παραγωγή κοντών ινών από αέριους υδρογονάνθρακες και μπορούν να παραχθούν άλλα εμπορικά προϊόντα, που θα είναι Πανεπιστήμιο διαθέσιμα σε Ιωαννίνων, μερικά χρόνια. Τμήμα Μηχανικών Επιστήμης Υλικών 22

23 Ίνες Άνθρακα ΓΡΑΦΙΤΗΣ ΔΙΑΜΑΝΤΙ ΙΝΕΣ ΝΑΝΟΣΩΛΗΝΕΣ ΦΟΥΛΕΡΕΝΙΑ 23

24 Ίνες Άνθρακα 24

25 Η επόμενη γενιά του Άνθρακα Νανοσωλήνες 25

26 Ίνες Αραμιδίου Η πιο επιτυχής οργανική ίνα που παρασκευάσθηκε βιομηχανικά είναι εκείνη που αναπτύχθηκε από την εταιρεία Du Pnt με την επωνυμία Kevlar. Δεν υπάρχουν λεπτομέρειες για τον τρόπο παρασκευής της αλλά σύμφωνα με την αρχική πατέντα του 1968 οι ίνες Kevlar βασίζονται στο πολυ-παρα-βενζαμίδιο και έχουν μέτρο ελαστικότητος 130 GΝm 2. Υπάρχουν δύο τύποι ινών Kevlar: Kevlar 29 και Kevlar 49. Το Kevlar 49 έχει υψηλή αντοχή και μέτριο μέτρο ελαστικότητας. Το Kevlar 49 έχει υψηλότερο μέτρο αλλά την ίδια αντοχή με το Kevlar 29 και είναι το πλέον κατάλληλο για ενίσχυση συνθέτων υλικών. Χρησιμοποιείται συνήθως σε βαλλιστικές εφαρμογές. Η αντοχή σε θλίψη είναι ιδιαίτερα χαμηλή. 26

27 Ίνες Αραμιδίου Οι ίνες αραμιδίου είναι ισχυρά ανισότροπες -1D- με ισχυρούς ομοιοπολικούς δεσμούς στην διεύθυνση των ινών και ασθενείς δεσμούς υδρογόνου μεταξύ των αλυσίδων. Ο ισχυρά ανισότροπος χαρακτήρας οδηγεί σε χαμηλό μέτρο διάτμησης, και χαμηλές εγκάρσιες και θλιπτικές ιδιότητες. 27

28 Υφάσματα 28

29 Ίνες chοpped strand mat πριν τον εμποτισμό τους με ρητίνη 29

30 Υφάσματα με Ίνες μίας Διεύθυνσης 30

31 Υφαντά Υφάσματα 31

32 Υβριδικά Υφάσματα 3D Υφάσματα 32

33 Υβριδικά Υφάσματα 3D Υφάσματα 33

34 ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ: ΔΟΜΙΚΑ Σωματίδια σωματίδια Ίνες Δομικά Πολύστρωτα σύνθετα υλικά -- Διαστρωμάτωση: e.g., [0/90]s -- κέρδος: ισοσταθμισμένη, συνεπίπεδη δυσκαμψία Σύνθετα Sandwich -- χαμηλής πυκνότητας, κυψελωτός πυρήνας -- Κέρδος: βάρος, καμπτική ακαμψία Adapted frm Fig , Callister 6e. Adapted frm Fig , Callister 6e. (Fig is frm Engineered Materials Handbk, Vl. 1, Cmpsites, ASM Internatinal, Materials Park, OH,

35 Τάση Ιδιότητες Συνθέτων Υλικών: ενίσχυση σύνθετο υλικό μήτρα παραμόρφωση Οι ιδιότητες του συνθέτου είναι συνδυασμός των ιδιοτήτων της μήτρας και αυτών της ενίσχυσης. Συνολικά, οι ιδιότητες του συνθέτου καθορίζονται από: - Ιδιότητες της μήτρας - Ιδιότητες της ενίσχυσης - Ποσοστό των δύο φάσεων - Γεωμετρία και προσανατολισμός της ενίσχυσης - Πρόσφυση μήτρας/ενίσχυσης - Κατασκευαστική τεχνολογία 35

36 Κίνητρα για Χρήση Συνθέτων Υλικών: Ανθεκτικότητα Χαμηλό κόστος συντήρησης Ευελιξία κατά τον σχεδιασμό Μείωση βάρους 36

37 Ανάλυση SWOT: Strengths (Δυνατά Σημεία) Weaknesses (Αδυναμίες) Opprtunities (Ευκαιρίες) Threats (Κίνδυνοι) 37

38 S: Δυνατά Σημεία Μείωση βάρους (υψηλές ειδικές ιδιότητες ιδιότητα/πυκνότητα) Χαμηλό κόστος συντήρησης (αντίσταση στην διάβρωση) Ευελιξία κατά τον σχεδιασμό, δυνατότητα κατασκευής περίεργων σχημάτων για ειδικές εφαρμογές, και ενσωμάτωσης μεγάλων τμημάτων Περιβαλλοντικά φιλικά υλικά χαμηλή κατανάλωση ενέργειας κατά την κατασκευή Ασφάλεια δομές με ικανότητα απορρόφησης κρούσεων 38

39 S: Μηχανικές ιδιότητες ινών 39

40 S: Σύγκριση με άλλα υλικά Δυσκαμψία και Αντοχή 40

41 S: Σύγκριση με άλλα υλικά - Πυκνότητα 41

42 S: Σύγκριση με άλλα υλικά Ειδική Δυσκαμψία και Αντοχή 42

43 S: Ευελιξία στον σχεδιασμό 43

44 S: Ασφάλεια Τα σύνθετα απορροφούν περισσότερη ενέργεια/kg σε σχέση με τα μέταλλα κατά την κρούση Τα σύνθετα χρησιμοποιούνται στην Frmula 1 (από το 1982) και σε τρένα 44

45 S: Ασφάλεια 45

46 Υψηλό κόστος κατασκευής W: Αδυναμίες Ελλιπής τεχνολογία μαζικής παραγωγής για σύνθετα υψηλής απόδοσης Δυσκολία στην ανακύκλωση σύνθετων θερμοσκληρυνόμενης μήτρας και σύνθετων θερμοπλαστικής μήτρας με ίνες γυαλιού Ελλιπής γνώση στο σχεδιασμό με ανισότροπα υλικά Αβεβαιότητα στην πρόβλεψη της μακροπρόθεσμης συμπεριφοράς και των μηχανισμών αστοχίας Περιορισμένη βιομηχανική δυναμικότητα (παγκόσμια παραγωγή άνθρακα μόνο tnnes) 46

47 W: Ελλιπής τεχνολογία κατασκευής Μεγάλο το κόστος της τεχνολογίας prepreg-autclave Μεγάλο το κόστος εγκατάστασης των αυτόκλειστων φούρνων (autclave) Χαμηλοί οι ρυθμοί προετοιμασίας και κατασκευής των σύνθετων υλικών Πάνω από 70% του κόστους ενός τμήματος από σύνθετα προέρχεται από την κατασκευή του 47

48 W: Σχέση απόδοσης / όγκου παραγωγής 48

49 W: Κόστος 49

50 W: Ανισοτροπία 50

51 W: Ανισοτροπία 51

52 W: Ανισοτροπία 52

53 S/W: Η ανισοτροπία είναι απαραίτητη Ειδικό μέτρο ελαστικότητας (GPa) 53

54 S/W: Μέταλλα και Σύνθετα 54

55 Ο: Ευκαιρίες Υπεράκτιες εφαρμογές Εναλλακτικές πηγές ενέργειας Υποδομές - Επισκευές Βιώσιμη ανάπτυξη Επιβατικά οχήματα 55

56 Ο: Κίνδυνοι Νομοθεσία Ανακύκλωσης Αύξηση του κόστους πετρελαίου (πλαστικά) Μείωση του κόστους πετρελαίου/καυσίμου (μικρότερο κίνητρο για μείωση του βάρους στην αεροναυπηγική) Παραπληροφόρηση του κοινού Επιστροφή των μετάλλων! 56

57 Αγορά Συνθέτων Υλικών: Η συνολική κατανάλωση συνθέτων υλικών παγκοσμίως είναι 8 εκ. tnnes κυρίως σύνθετα υλικά ρητίνης με ίνες γυαλιού 57

58 Εξέλιξη στην αεροναυπηγική Υλικά Κατασκευαστική Τεχνολογία Εργαλεία Σχεδιασμού (Γνώση) Λόγω οικονομικής εξέλιξης, lgistics και απαιτήσεων της κοινωνίας 58

59 Κυριότερες εφαρμογές την δεκαετία του 80 AV8B Harrier τα φτερά από σύνθετο, 27% του βάρους είναι σύνθετο SAAB Grippen τα φτερά από σύνθετο Airbus A320 η ουρά φτερά από σύνθετο, 15% του βάρους είναι σύνθετο Starship bizjet 75% του δομικού βάρους είναι σύνθετο Η παγκόσμια αγορά αυξήθηκε από 1000 tnnes το 1980 σε 5000 tnnes ινών το 1985 και σχεδόν tnnes το

60 Χρήση συνθέτων στην αεροναυπηγική Στρατιωτικά αεροπλάνα Αεροδιαστημική βιομηχανία Εμπορικά και συμβατικά αεροπλάνα Πύραυλοι Βλήματα Κινητήρες αεροσκαφών Εφαρμογή στις ουρές των ελικοπτέρων Δορυφορικές εφαρμογές 70% του κελύφους αποτελείται από CFRP (εξωτερική άτρακτος, πτερύγια και πηδάλιο) 40% του δομικού βάρους στο Eurfighter από CFRP 60

61 Χρήση συνθέτων στην αεροναυπηγική 75% απορρόφησης των πολυμερικών σύνθετων υλικών από την αεροναυπηγική βιομηχανία Χρησιμοποίηση στα πτερύγια, λόγω μη διάδοσης των ρωγμών, 39% μείωση βάρους των πτερυγίων Μείωση βάρους, δίνει μεγαλύτερες ταχύτητες και μεγαλύτερη ευελιξία Εύκολη μορφοποίησή τους, βοηθάει στην πιο αεροδυναμική σχεδίαση του αεροσκάφους 33% αποταμίευση καυσίμων 61

62 Εφαρμογές Πολιτική Αεροπορία Being 787 Being 777 Being 737 Being 757 Being

63 Εφαρμογές Πολιτική Αεροπορία Being 787 Dreamliner το πρώτο επιβατικό με άτρακτο και φτερά από σύνθετα υλικά Cirrus S22 άτρακτος από σύνθετο (2003) Μέρος της ατράκτου του Being 787 Dreamliner 63

64 Εφαρμογές Πολεμική Αεροπορία F-22 SON OF THE EAGLE 36% Ti-64 36% ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΠΟΛΥΜΕΡΙΚΗΣ ΜΗΤΡΑΣ (ΕΠΟΞΕΙΔΙΚΗ ΡΗΤΙΝΗ + BMI) 16% ΚΡΑΜΑΤΑ Al 15% ΑΛΛΑ ΥΛΙΚΑ 6% AIRMET 100 (κράμα χάλυβα με ιδιαίτερη αντίσταση στην διάβρωση) 3% Ti % ΣΥΝΘΕΤΑ ΘΕΡΜΟΠΛΑΣΤΙΚΑ F/A-22 B-52 F/A-18E/F Eurfighter F-14 F-15 F-16 B-1 AV-8B 64

65 Εφαρμογές αυτοκινητοβιομηχανίας Frd Thunderbird (2002) σασί από σύνθετο υλικό Astn Martin Vanquish σύνθετο υλικό με ίνες άνθρακα 65

66 ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ: ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΕΝΙΣΧΥΜΕΝΑ ΜΕ ΙΝΕΣ ΓΥΑΛΙΟΥ 66

67 ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ: ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΕΝΙΣΧΥΜΕΝΑ ΜΕ ΙΝΕΣ ΑΝΘΡΑΚΑ 67

68 Τάση Ιδιότητες Συνθέτων Υλικών: ενίσχυση σύνθετο υλικό μήτρα παραμόρφωση Οι ιδιότητες του συνθέτου είναι συνδυασμός των ιδιοτήτων της μήτρας και αυτών της ενίσχυσης. Συνολικά, οι ιδιότητες του συνθέτου καθορίζονται από: - Ιδιότητες της μήτρας - Ιδιότητες της ενίσχυσης - Ποσοστό των δύο φάσεων - Γεωμετρία και προσανατολισμός της ενίσχυσης - Πρόσφυση μήτρας/ενίσχυσης - Κατασκευαστική τεχνολογία 68

69 ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ: ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ Μέτρο ελαστικότητας, E c : -- Δύο προσεγγίσεις. Data: Cu matrix w/tungsten particles E(GPa) upper limit: rule f mixtures E c = V m E m + V p E p lwer limit: 1 = V m + V p E c E m E p Adapted frm Fig. 16.3, Callister 6e. (Fig is frm R.H. Krck, ASTM Prc, Vl. 63, 1963.) (Cu) ( W) vl% tungsten Κατ αναλογία: -- Ηλεκτρική αγωγιμότητα, s e : Αντικατάσταση E με s e. -- Θερμική αγωγιμότητα, k: Αντικατάσταση E με k. 69

70 Κρίσιμο μήκος ίνας: ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ: ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ Αντοχή ίνας σε εφελκυσμό Διάμετρος ίνας fiber length 15 f d c Π.χ. για fiberglass μήκος ίνας > 15mm Γιατί; Οι μακρύτερες ίνες ευνοούν τη μεταφορά τάσης Κοντή ίνα: fiber length 15 f d c Διατμητική αντοχή της διεπιφάνειας Μακρία ίνα: fiber length 15 f d c Adapted frm Fig. 16.7, Callister 6e. Ανεπαρκής μεταφορά τάσης Καλύτερη μεταφορά τάσης 70

71 Υπολογισμός Ec και TS: --ισχύει όταν ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ: ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ fiber length 15 f d c -- Μέτρο ελαστικότητας παράλληλα με την ενίσχυση: E c E m V m KE f V f Βαθμός απόδοσης: --προσανατολισμένη 1D: K = 1 (ανισότροπο) --τυχαία 2D: K = 3/8 (2D ισότροπο) --τυχαία 3D: K = 1/5 (3D ισότροπο) Callister 6e. (Surce fr Table 16.3 is H. Krenchel, Fibre Reinfrcement, Cpenhagen: Akademisk Frlag, 1964.) -- Αντοχή στη διεύθυνση της ίνας: (TS) c (TS) m V m (TS) f V f (προσανατολισμένο 1D) 71

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

73 Κατασκευή πολυμερικών ινών με την μέθοδο της ινοποίησης από τήγμα έκταση στερεάς κατάστασης 73

74 Προετοιμασία Δοκιμίων και Μηχανικός Χαρακτηρισμός Ινών 74

75 Μηχανικός χαρακτηρισμός της διεπιφάνειας ίνας-μήτρας χρήση ακουστικής εκπομπής tape (c) και μικροσκοπίας (a) resin glue (b) glue tape (c) 0.5 mm (a) 75

76 Πηγές: Εργαστηριακό Φυλλάδιο Σύνθετα Υλικά, Κ. Μπέλτσιος Σύνθετα υλικά, Γ. Παπανικολάου, Δ. Μουζάκης Materials Science and Engineering: An Intrductin (5th editin), chapter 17, William D. Callister Cmpsite materials: Engineering and Science, F. L. Matthews and R. D. Rawlings Internet 76

77 Πηγές: 77