ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΙΓΑΙΟΥ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΣΧΕΔΙΑΣΗΣ ΠΡΟΪΟΝΤΩΝ & ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ. Βελτιστοποίηση ενισχυμένων δομικών στοιχείων από σύνθετα υλικά

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΙΓΑΙΟΥ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΣΧΕΔΙΑΣΗΣ ΠΡΟΪΟΝΤΩΝ & ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ Βελτιστοποίηση ενισχυμένων δομικών στοιχείων από σύνθετα υλικά

2 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΙΓΑΙΟΥ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΣΧΕΔΙΑΣΗΣ ΠΡΟΪΟΝΤΩΝ & ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΜΕ ΤΙΤΛΟ ΒΕΛΤΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ ΕΝΙΣΧΥΜΕΝΩΝ ΔΟΜΙΚΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ ΑΠΟ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΙΟΡΔΑΝΙΔΟΥ ΕΥΛΑΛΙΑ Α.Μ. 511/ ΤΡΙΜΕΛΗΣ ΕΠΙΤΡΟΠΗ Επιβλέπων καθηγητής: Παπανίκος Παρασκευάς Μέλη Επιτροπής: Ν. Ζαχαρόπουλος, Γ. Σταθάκης Ερμούπολη Σύρος, 2010

3

4 στη Ναταλία

5

6 θα ήθελα να ευχαριστήσω τον καθηγητή μου, κ. Παρασκευά Παπανίκο, για την καθοδήγηση στην πραγματοποίηση αυτής της διπλωματικής εργασίας την οικογένεια και τους φίλους μου

7

8 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Όπως και στα μεταλλικά δομικά στοιχεία έτσι και σε δομικά στοιχεία από σύνθετα υλικά, η ύπαρξη ασυνεχειών (π.χ. οπές) οδηγεί στην αύξηση της τάσης στην περιοχή της ασυνέχειας. Εντούτοις, στα σύνθετα υλικά ο υπολογισμός του αντίστοιχου συντελεστή συγκέντρωσης τάσεων είναι πιο πολύπλοκος αφού εξαρτάται όχι μόνο από τα υλικά της μήτρας και της ενίσχυσης αλλά και από τη διαστρωμάτωση των σύνθετων υλικών. Επιπλέον, το τασικό πεδίο δεν είναι σταθερό κατά το πάχος των σύνθετων υλικών (όπως συμβαίνει συνήθως σε λεπτά ελάσματα μετάλλων) αλλά μεταβάλλεται σε κάθε στρώση (στην περίπτωση των στρωματικών σύνθετων υλικών). Στα δομικά στοιχεία από σύνθετα υλικά, ακόμα και σε απλές γεωμετρίες και φορτίσεις, οι αναλυτικές λύσεις είναι πολύ περιορισμένες και συνήθως είναι προσεγγιστικές σε μεγάλο βαθμό. Η αριθμητική επίλυση τέτοιων προβλημάτων είναι αναγκαία, πολύ περισσότερο από ότι στις περιπτώσεις των μεταλλικών δομικών στοιχείων. Η κύρια μέθοδος που έχει χρησιμοποιηθεί για την ανάλυση κατασκευών από σύνθετα υλικά είναι η μέθοδος των πεπερασμένων στοιχείων. Για την ανάλυση περίπλοκων κατασκευών έχουν αναπτυχθεί προγράμματα, τα οποία βασίζονται στη Μέθοδο των Πεπερασμένων Στοιχείων και απαλλάσσουν τον μελετητή/ερευνητή από τον κόπο των χρονοβόρων και αβέβαιων επιλύσεων σύνθετων προβλημάτων. Έτσι, εξασφαλίζονται πιο ακριβείς υπολογισμοί που επιτρέπουν την άμεση αξιολόγηση και βελτίωση των προϊόντων. Μία από τις βασικές χρήσεις των λογισμικών είναι και η γεωμετρική βελτιστοποίηση προϊόντων και κατασκευών με σκοπό την ελαχιστοποίηση του όγκου του υλικού που απαιτείται και συνεπώς την ελαχιστοποίηση του κόστους. Τα προγράμματα αυτά προσφέρουν τη δυνατότητα στο χρήστη να αναζητήσει εύκολα και γρήγορα βέλτιστες λύσεις για μία κατασκευή θέτοντας παραμέτρους, περιορισμούς και στόχους, κάτι που είναι εξαιρετικά χρονοβόρο και επίπονο να επιτευχθεί με αναλυτικό τρόπο. Σκοπός της εργασίας Σκοπός της παρούσης εργασίας είναι η μελέτη της ενίσχυσης δομικών στοιχείων από στρωματικά σύνθετα υλικά που περιέχουν δομικά χαρακτηριστικά συγκέντρωσης τάσεων, όπως οι οπές. Στόχος είναι να υπολογιστούν, χρησιμοποιώντας τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων, οι βέλτιστες διαστάσεις των ενισχύσεων έτσι ώστε να ελαχιστοποιείται το βάρος χωρίς η μέγιστη αναπτυσσόμενη τάση να είναι επικίνδυνη για την ακεραιότητα της κατασκευής. Χρησιμοποιούνται δύο τρόποι για την εύρεση των βέλτιστων διαστάσεων: (α) παραμετρικές αναλύσεις, και (β) αυτόματοι αλγόριθμοι βελτιστοποίησης

9 σχεδίου. Επιπλέον, εξετάζεται και η επίδραση του τρόπου μοντελοποίησης (επίπεδη ή τρισδιάστατη) στις αναλυτικές προβλέψεις. Δομή της εργασίας Η εργασία χωρίζεται σε έξι κεφάλαια. Στο κεφάλαιο 1 παρουσιάζονται τα σύνθετα υλικά ως προς την ταξινόμησή τους, τις μεθόδους μορφοποίησής τους και τις χρήσεις τους. Στο δεύτερο κεφάλαιο πραγματοποιείται βιβλιογραφική ανασκόπηση σχετική με τη συγκέντρωση τάσεων σε σύνθετα δομικά στοιχεία που περιέχουν οπές και τους τρόπους ενίσχυσής τους. Ο τρόπος μοντελοποίησης των σύνθετων υλικών στο πρόγραμμα ANSYS καθώς και η μεθοδολογία βελτιστοποίησης παρουσιάζεται στο κεφάλαιο 3. Στο τέταρτο κεφάλαιο πραγματοποιούνται παραμετρικές αναλύσεις και υπολογίζεται η βέλτιστη ενίσχυση για ένα απλό δίσκο που περιέχει μια κεντρική οπή. Οι ίδιες μελέτες γίνονται στο κεφάλαιο 5 για ένα πιο πολύπλοκο δομικό στοιχείο που υπόκειται σε κάμψη/διάτμηση. Τέλος, στο κεφάλαιο 6 παρουσιάζονται τα συμπεράσματα της εργασίας.

10 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ Ιστορική αναδρομή Ταξινόμηση σύνθετων υλικών Σύνθετα υλικά με ενίσχυση ινών Σύνθετα υλικά με ενίσχυση σωματιδίων/κοκκώδη σύνθετα υλικά (particulate composites) Στρωματικά σύνθετα υλικά (laminar composites) Μέθοδοι μορφοποίησης συνθέτων υλικών ενισχυμένα με ίνες Μέθοδοι επίστρωσης (Lay up techniques) Αυτοματοποίηση της μεθόδου επίστρωσης Τεχνικές μορφοποίησης με καλούπια (Moulding techniques) Τεχνικές χύτευσης με μεταφορά ρητίνης (Resin Transfer Moulding) Αεροστεγείς τεχνικές μορφοποίησης Μορφοποιήσεις με περιστροφή Μορφοποιήσεις με διατάξεις συνεχούς παραγωγής Χρήσεις Ναυπηγική Κατασκευαστικός τομέας Μεταφορές Ηλεκτρικά είδη Εφαρμογές στην παραγωγή αντιδιαβρωτικών Εφαρμογές στην αεροναυπηγική και αεροδιαστημική Εφαρμογές στη βιομηχανία αθλητικών ειδών Εφαρμογές στην ιατρική Ηλεκτρικές και ηλεκτρονικές εφαρμογές...27

11 Άλλες εφαρμογές...28 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΚΗ ΑΝΑΣΚΟΠΗΣΗ...29 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3: ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΣΤΟ ANSYS Μοντελοποίηση υλικού Αξιολόγηση του μοντέλου Βελτιστοποίηση σχεδίου στο ANSYS...50 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4: ΑΝΑΛΥΣΗ ΔΙΣΚΟΥ ΜΕ ΚΕΝΤΡΙΚΗ ΟΠΗ Παραμετρικές αναλύσεις Μεταλλικός δίσκος Σύνθετος δίσκος Βελτιστοποίηση σχεδίου...62 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5: ΑΝΑΛΥΣΗ ΔΟΚΟΥ ΜΕ ΟΠΗ ΣΕ ΚΑΜΨΗ Παραμετρικές αναλύσεις Επίδραση του παράγοντα διακριτοποίησης Επίπεδη παραμετρική ανάλυση Τρισδιάστατη παραμετρική ανάλυση Βελτιστοποίηση σχεδίου...76 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6: ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ...80 ΑΝΑΦΟΡΕΣ...81 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ...82

12 Κεφάλαιο 1 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ Οι ολοένα αυξανόμενες απαιτήσεις για ανθεκτικότερες και ελαφρύτερες κατασκευές οδήγησαν στην ανάπτυξη νέων υλικών. Η αύξηση της αντοχής και η ταυτόχρονη μείωση του βάρους έχουν ως τελικό αποτέλεσμα την εξοικονόμηση ενέργειας. Έτσι, το χαρακτηριστικό μέγεθος των νέων υλικών είναι οι υψηλές, σε σχέση με τα παραδοσιακά υλικά, τιμές του λόγου αντοχή/βάρος. Τα νέα υλικά βρίσκουν εφαρμογή σε ένα πλήθος κατασκευαστικών κλάδων, όπως η αυτοκινητοβιομηχανία, η αεροδιαστημική καθώς επίσης και οι βιομηχανίες παραγωγής προϊόντων καθημερινής χρήσης. Στην κατηγορία των νέων υλικών συγκαταλέγονται και τα σύνθετα υλικά (composite materials) που ήδη παρουσιάζουν ευρύτατη εφαρμογή σε πολλούς κατασκευαστικούς τομείς. Αν και η ιδέα της κατασκευής και της χρήσης συνθέτων υλικών ανάγεται στην αρχαιότητα, η ανάπτυξη νέων τεχνικών, η χρήση νέων πρώτων υλών καθώς και η ποικιλία των συνδυασμών των υλικών αυτών οδήγησε στην ανάπτυξη βελτιωμένων υλικών, ενώ η έρευνα προς την κατεύθυνση αυτή συνεχίζεται με αυξανόμενο ρυθμό. Η βασική ιδέα της ανάπτυξης ενός σύνθετου υλικού είναι η φυσική ανάμιξη σε μακροσκοπική κλίμακα δύο ή περισσοτέρων υλικών και η δημιουργία ενός νέου υλικού με τελικές ιδιότητες διαφορετικές από τις αντίστοιχες των υλικών που το αποτελούν. Με την κατάλληλη επιλογή των αρχικών υλικών καθώς και της τεχνικής ανάμιξής τους μπορούμε να κατασκευάσουμε ένα σύνθετο υλικό με τις επιθυμητές ιδιότητες. Από τα παραπάνω γίνεται κατανοητό ότι λόγω του μεγάλου αριθμού συνδυασμών των υλικών και των μεθόδων κατασκευής τα σύνθετα υλικά διακρίνονται σε πολλούς τύπους [1]. 1.1 Ιστορική αναδρομή Η επιστήμη των σύνθετων υλικών άρχισε να αναπτύσσεται σταθερά κατά τις τελευταίες δεκαετίες. Παρόλα αυτά, τα σύνθετα υλικά δεν είναι νέα υλικά. Αντίθετα, χρησιμοποιούνται εδώ και πολλά χρόνια. Πρόσφατα, οικονομικοί κυρίως, λόγοι καθώς και κάποια έλλειψη φυσικών υλικών οδήγησαν σε μια αυξανόμενη δημοτικότητα των συνθέτων. Πέρα από αυτούς του λόγους, η δημοτικότητα των συνθέτων υλικών οφείλεται και σε μια σειρά άλλων λόγων όπως είναι το μικρό τους βάρος σε συνδυασμό με τη μεγάλη τους αντοχή, το σχετικά χαμηλό κόστος τους, η μεγάλη ελευθερία στο σχεδιασμό και άλλοι. 1

13 Κεφάλαιο 1 Αναζητώντας την ιστορία των συνθέτων υλικών είναι σαν να ρίχνουμε μια ματιά στην πρόσφατη ανάπτυξη του ανθρώπινου πολιτισμού. Υλικά όπως ο πηλός, η άσφαλτος και οι συνθετικές ρητίνες, είναι από τα πρώτα σύνθετα υλικά που χρησιμοποίησε ο άνθρωπος. Ενδείξεις χρησιμοποίησης τέτοιων υλικών καθώς και κάποιας τεχνικής κατασκευής υπάρχουν σε κεραμικά του 5000 π.χ. Τα πρώτα ενισχυμένα πολυμερικά υλικά φαίνεται να έχουν χρησιμοποιηθεί από τους Βαβυλώνιους κατά την περίοδο π.χ. Γύρω στο 3000 π.χ. στην Αίγυπτο και την Μεσοποταμία είχαν κατασκευασθεί σχεδίες που θα μπορούσαμε να πούμε ότι είναι ο πρόδρομος των σύγχρονων πλαστικών σκαφών που είναι ενισχυμένα με ίνες γυαλιού. Στη Μεσοποταμία, περί το 2500 π.χ., λύθηκε το πρόβλημα της επικάλυψης των τούβλινων τοίχων με την ενσωμάτωση πέτρας ή κώνων από πηλό σε κρίσιμα σημεία του τοιχίου, ενώ ταυτόχρονα τα διακοσμούσαν. Το χαρτί είναι και αυτό ένα φυσικό σύνθετο υλικό με πολύ ενδιαφέρουσα ιστορία ανάπτυξης και εξέλιξης. Ο πάπυρος υπήρξε η πιο διαδεδομένη γραφική ύλη σε όλη την αρχαιότητα, μέχρι και το τέλος της Ρωμαϊκής Αυτοκρατορίας. Αυτό το υδρόβιο φυτό, ύψους δύο ως τεσσάρων μέτρων, αφθονούσε ιδιαίτερα στις όχθες του Νείλου στην Αίγυπτο, αλλά και στη Σικελία, στην περιοχή των Συρακουσών. Η περγαμηνή φαίνεται πως χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά το 197 π.χ. από τον βασιλιά της Περγάμου, Ευμένη Β. Η μικρασιατική αυτή πόλη έδωσε την ονομασία της στο νέο υλικό. Η επεξεργασία δέρματος μόσχου, προβάτου ή αίγας της ήταν μια διαδικασία που απαιτούσε μεγάλη προσοχή και πολύ χρόνο αλλά το αποτέλεσμα ήταν τόσο λεπτό όσο ένα φύλλο χαρτιού. Η περγαμηνή ήταν σπάνια και δαπανηρή γι αυτό τον 8 ο μ.χ. αιώνα αρχίζουν έρευνες για να βρεθεί νέα γραφική ύλη. Χρειάστηκε να περάσουν πολλοί αιώνες, μέχρι να ανακαλυφθεί και να χρησιμοποιηθεί στην Ευρώπη το χαρτί, τη μέθοδο κατασκευής του οποίου οι Κινέζοι γνώριζαν αιώνες πριν ( π.χ.). Η επινόηση του χαρτιού πέρασε από τους Ασιάτες στους Άραβες Αβασίδες, ενώ τον 12 ο αιώνα στους Ιταλούς. Μόλις στα τέλη του 15 ου αιώνα όλες οι ευρωπαϊκές πόλεις προμηθεύονταν με σχετική ευκολία το χαρτί, καταλήγοντας το 1440 στη γέννηση της τυπογραφίας χάρη στον Γουτεμβέργιο [1]. Ο Πίνακας 1.1 δείχνει την ιστορική ανάπτυξη των πολυμερικών συνθέτων υλικών. 2

14 Κεφάλαιο 1 Πίνακας 1.1. Ιστορική ανάπτυξη πολυμερικών σύνθετων υλικών [1]. Χρονολογία Υλικό 5000 π.χ. Μίγμα παπύρου-πίσσας 1500 π.χ. Επίστρωση ξύλου (καπλαμάς) 1909 μ.χ. Φαινολικά σύνθετα 1928 μ.χ. Σύνθετα ουρίας-φορμαλδεΰδης 1938 μ.χ. Σύνθετα μελαμίνης- φορμαλδεΰδης 1942 μ.χ. Πολυεστέρας-ίνες υάλου 1946 μ.χ. Σύνθετα εποξειδικής ρητίνης 1946 μ.χ. Σύνθετα Nylon ίνες υάλου 1951 μ.χ. Σύνθετα πολυστυρενίου-υάλου 1956 μ.χ. Σύνθετα φαινόλης-αμιάντου 1964 μ.χ. Πλαστικά ενισχυμένα με ίνες άνθρακα 1965 μ.χ. Πλαστικά ενισχυμένα με ίνες βορίου 1969 μ.χ. Υβριδικά σύνθετα άνθρακα-υάλου 1972 μ.χ. Πλαστικά ενισχυμένα με ίνες Aramid 1975 μ.χ. Υβριδικά σύνθετα aramid/γραφίτη 1.2 Ταξινόμηση σύνθετων υλικών Τα σύνθετα υλικά χαρακτηρίζονται από τη συνύπαρξη δύο τουλάχιστον μακροσκοπικά διακρινόμενων συστατικών, από τα οποία το ένα, χαρακτηριζόμενο ως συστατικό ενίσχυσης, προσδίδει στο σύνθετο βελτιωμένες μηχανικές, κυρίως, ιδιότητες. Το δεύτερο συστατικό, το οποίο καλείται μήτρα, είναι συνήθως χαμηλής πυκνότητας και η συμμετοχή του στο σύνθετο εξασφαλίζει τη μέγιστη δυνατή εκμετάλλευση των ιδιοτήτων της ενίσχυσης. Ανάλογα με τη μορφή του συστατικού ενίσχυσης, τα σύνθετα κατατάσσονται σε τρεις μεγάλες κατηγορίες (Σχήμα 1.1): Σύνθετα υλικά με ενίσχυση ινών. Σύνθετα υλικά με ενίσχυση σωματιδίων/κόκκου. Δομικά / στρωματικά σύνθετα υλικά [2]. 3

15 Κεφάλαιο 1 Σχήμα 1.1. Σχήμα ταξινόμησης των διαφόρων ειδών των σύνθετων υλικών [3] Σύνθετα υλικά με ενίσχυση ινών Η μηχανική αντοχή των σύνθετων υλικών, που δεν ισούται πάντοτε με το μέσο όρο των αντοχών των δύο συστατικών, εξαρτάται από το υλικό της ενίσχυσης, το υλικό της μήτρας, τη μηχανική συμπεριφορά των δύο, αλλά και από τη μεταξύ τους «συμβατότητα», αφού η καλή συνάφεια ινών-μήτρας είναι καίριας σημασίας για την αντοχή του σύνθετου. Καθοριστικό, επίσης παράγοντα για την αντοχή του σύνθετου αποτελεί η κατ όγκο αναλογία των ινών και ο προσανατολισμός τους ως προς τη διεύθυνση της επιβαλλόμενης τάσης. Ενδεικτικό της σπουδαιότητας των ινών είναι το γεγονός ότι προσανατολισμός και η διάταξή τους στη μάζα της μήτρας, αποτελεί κριτήριο για την ταξινόμηση των σύνθετων αυτής της κατηγορίας (Σχήμα 1.2): στα μονοδιευθυντικά σύνθετα οι ίνες προσανατολίζονται προς την ίδια διεύθυνση, ενώ στα πολυδιευθυντικά σύνθετα οι ίνες προσανατολίζονται προς διάφορες διευθύνσεις. Τα πολυδιευθυντικά σύνθετα υλικά διακρίνονται, με τη σειρά τους, σε υλικά στα οποία: οι ίνες έχουν τυχαίες διευθύνσεις, οι ίνες έχουν πλέξη ύφανσης και οι ίνες έχουν τρισορθογώνια ύφανση. Σχήμα 1.2. Τέσσερις τύποι διάταξης των ινών: (α) μονοδιευθυντικές ίνες (μονοαξονικό ύφασμα), (β) ίνες άτακτων διευθύνσεων (πίλημα), (γ) πλέξη ύφανσης (ύφασμα) και (δ) ίνες σε τρισδιάστατη πλέξη (πεπλεγμένο ύφασμα) [2]. 4

16 Κεφάλαιο 1 Μια ίνα χαρακτηρίζεται από έναν πολύ μεγάλο λόγο μήκος/διάμετρο (aspect ratio). Ίνες με μήκος (l ) και διάμετρο (d ) χαρακτηρίζονται ως μακριές ή συνεχείς (continuous fibers), αν ο λόγος l / d είναι μεγάλος (>100). Όταν ο λόγος l / d είναι μικρός (<100), οι ίνες χαρακτηρίζονται ως κοντές ή ασυνεχείς (discontinuous fibers). Τέλος, ο όρος τριχίτες (whiskers) χρησιμοποιείται κυρίως για την περιγραφή λεπτών μονοκρυστάλλων κεραμικού υλικού. Λόγω του μήκους τους, οι κοντές ίνες δεν μπορούν να αποτελέσουν μονοδιευθυντική ενίσχυση, αλλά συναντώνται συνήθως με τη μορφή πλέγματος ινών τυχαίας διεύθυνσης. Το μήκος των ινών διαφοροποιεί τη μηχανική συμπεριφορά του σύνθετου [2]. Ελαστική συμπεριφορά ινωδών συνθέτων υλικών Εκφράσεις Ελαστικές ιδιότητες μίας στρώσης με παράλληλες ίνες Όταν εφαρμόζουμε μία εφελκυστική ή θλιπτική τάση παράλληλα προς τις ίνες σε μια στρώση με παράλληλες ίνες (Σχήμα 1.3), τότε εάν ο δεσμός μεταξύ ίνας και μήτρας είναι τέλειος, η παραμόρφωση, ε 1, που αναπτύσσεται στην μήτρα (matrix) θα είναι η ίδια με την παραμόρφωση που αναπτύσσεται στην ίνα (fiber). Σχήμα 1.3. Γεωμετρία μίας στρώσης με παράλληλες συνεχείς ίνες και κύριες διευθύνσεις [1]. Αν υποθέσουμε ότι ίνες και μήτρα συμπεριφέρονται και οι δύο γραμμικά ελαστικά, τότε οι αντίστοιχες τάσεις θα δίνονται προσεγγιστικά από τις σχέσεις: σ f = E ε και σ m = Emε1 (1.1) f 1 όπου: σ f, σ m είναι οι τάσεις στην ίνα και μήτρα αντίστοιχα και E f, E m είναι τα αντίστοιχα μέτρα ελαστικότητας. Από τις παραπάνω σχέσεις προκύπτει, ότι αν E > f E m, τότε η τάση που αναπτύσσεται στις ίνες θα είναι μεγαλύτερη από εκείνη που αναπτύσσεται στην μήτρα. Αυτό βεβαίως αποτελεί και τον βασικό λόγο κατασκευής των ινωδών συνθέτων υλικών διότι σε αυτά οι ίνες φέρουν και το μεγαλύτερο φορτίο, P. 5

17 Κεφάλαιο 1 Σε ένα σύνθετο υλικό με συνολική διατομή A η μέση τάση δίνεται από την σχέση: σ 1 = P A Επειδή όμως: P = P + P (1.2) f m P = σ A και P = σ A (1.3) με f f f m m m Με αντικατάσταση των εξισώσεων (1.3) στην (1.2) βρίσκουμε ότι: P = σ A + σ A όπου: f f m m A f, A m είναι οι διατομές ίνας και μήτρας αντίστοιχα και P f, P m είναι τα αντίστοιχα φορτία. Εξ άλλου έχουμε ότι: σ = E ε (1.4) όπου E 1 είναι το μέτρο ελαστικότητας του συνθέτου υλικού κατά τη διεύθυνση 1. Αντικαθιστώντας στην εξίσωση (1.3) τις εξισώσεις (1.1) και (1.4), έχουμε: A f Am E1 = E f + Em (1.5) A A και επειδή V f A f m = και Vm = A A A όπου V f, V m οι όγκοι ίνας και μήτρας αντίστοιχα, η εξίσωση (1.5) γράφεται: E1 = EfVf + EmVm με δεδομένο ότι V = 1 V Από τις δύο τελευταίες παίρνουμε E1 E = EfVf + Em(1 Vf ) m f Η τελευταία σχέση συνήθως αναφέρεται ως «νόμος των φάσεων» ή «νόμος των μιγμάτων». 6

18 Κεφάλαιο 1 Η παραπάνω ανάλυση βασίζεται στην υπόθεση ότι ισχύει η εξίσωση (1.1), όμως αυτό δεν είναι απόλυτα σωστό, διότι η μήτρα και η ίνα έχουν διαφορετικούς λόγους Poisson ( v f v m ), με αποτέλεσμα να αναπτύσσονται επιπρόσθετες τάσεις, που εδώ δεν έχουν ληφθεί υπ όψην. Όμως, παρ όλα αυτά, το σφάλμα που γίνεται στον υπολογισμό του E 1 με βάση τον νόμο των μιγμάτων είναι μικρότερο του 1 ή 2% και αυτό έχει αποδειχθεί πειραματικά για πολλά συστήματα πολυμερικών ινωδών συνθέτων υλικών. Ο ίδιος μηχανισμός μπορεί να χρησιμοποιηθεί και για τον υπολογισμό του εγκαρσίου μέτρου ελαστικότητας E 2 ή E σε μία στρώση συνθέτου υλικού με παράλληλες ίνες. Το απλούστερο μοντέλο για τον υπολογισμό αυτό φαίνεται στο Σχήμα 1.4. Σχήμα 1.4. Παραμόρφωση μίας στρώσης όταν εφελκύεται κατά τη διεύθυνση 2 [1]. Αν εφαρμόσουμε ένα φορτίο (βλέπε Σχήμα 1.4) στην διεύθυνση 2 και με την υπόθεση ότι: σ = σ = σ τότε οι αντίστοιχες παραμορφώσεις θα δίνονται από τις σχέσεις: m f 2 σ 2 σ ε f = και ε m = 2 (1.6) E E f m και επομένως η ε 2 θα δίνεται από τη σχέση: ε = ε + ε (1.7) 2 fvf mv m Αντικαθιστώντας την (1.6) στη (1.7) έχουμε: σ 2 σ 2 ε 2 = V f + Vm (1.8) E Ε f m και επειδή σ = ε (1.9) 2 E2 2 για όλο το σύνθετο θα έχουμε, από τις εξισώσεις (1.8), (1.9), ότι: 7

19 Κεφάλαιο 1 E f Em E2 = E = (1.10) E (1 V ) + E V f f m f Η πρόβλεψη αυτή βρίσκεται σε ικανοποιητική συμφωνία με πειραματικά αποτελέσματα σε συστήματα πολυεστέρα-ινών γυαλιού, όπως φαίνεται στο Σχήμα 1.5. Σχήμα 1.5. Πρόβλεψη του εγκάρσιου μέτρου ελαστικότητας για διαφορά σύνθετο glass fiber polyester resin [1]. V f σε Σημείωση: Η Equation (5.16) αντιστοιχεί στην Εξίσωση 1.10, η Equation (5.17) αντιστοιχεί στην Εξίσωση 1.11 και η Equation (5.21) σε άλλη θεωρία για καλύτερη προσέγγιση. Όπως παρατηρούμε, υπάρχει μία απόκλιση και αυτό οφείλεται στις βασικές υποθέσεις του μοντέλου (κυρίως η υπόθεση του ίδιου λόγου του Poisson ίνας και μήτρας). Για τον λόγο αυτό αναπτύχθηκαν άλλες θεωρίες που λαμβάνουν υπ όψιν τους το φαινόμενο Poisson και προσεγγίζουν καλύτερα τα πειραματικά αποτελέσματα. Οι προβλέψεις αυτές φαίνονται επίσης στο Σχήμα 1.5. Μια έκφραση που προσεγγίζει καλύτερα τα αποτελέσματα είναι: 8

20 Κεφάλαιο 1 E f E m E ' 2 E = E (1 V ) + E ' (1.11) V f f m f Em όπου E ' m = 2 1 v m (1.12) Οι εξισώσεις (1.10) έως (1.12) είναι βασικές για τον σχεδιασμό των συνθέτων πολύστρωτων πλακών αλλά δεν έχουν κάποιο φυσικό περιεχόμενο που να συνδέεται με την κατανομή των τάσεων και των παραμορφώσεων γύρω από τις ίνες πράγμα το οποίο είναι απαραίτητο για την πρόβλεψη της τάσης θραύσης του συνθέτου κατά την εγκάρσια διεύθυνση. Για τον παραπάνω και άλλους λόγους, για τον προσδιορισμό του E 2 αναπτύχθηκαν διάφορες θεωρίες που βασίζονται στη Θεωρία Ελαστικότητας και στα Πεπερασμένα Στοιχεία με σκοπό την καλύτερη προσέγγιση [1] Σύνθετα υλικά με ενίσχυση σωματιδίων/κοκκώδη σύνθετα υλικά (particulate composites) Τα σύνθετα υλικά στα οποία το υλικό ενίσχυσης έχει μορφή σωματιδίων, σφαιρικού συνήθως σχήματος, μπορούν να καταταγούν σε δύο κατηγορίες με βάση το μέγεθος αυτών: Σύνθετα με ενίσχυση σωματιδίων μεγάλου μεγέθους (particulate composites). Τα σωματίδια έχουν διάμετρο λίγων μm και περιέχονται σε ποσοστό μεγαλύτερο του 25% -συνήθως η κατ όγκο συγκέντρωσή τους είναι 60-90%. Σύνθετα με ενίσχυση μικρών σωματιδίων σε διασπορά (dispersion-strengthened metals). Η ενισχυτική φάση συνήθως πρόκειται για οξείδια- περιέχεται στο σύνθετο σε συγκεντρώσεις μικρότερες από 15% κ.ο. Η διάμετρος των σωματιδίων ποικίλλει μεταξύ 0,01 και 0,1μm. Η ισχυροποίηση της μήτρας επιτυγχάνεται με την παρεμπόδιση της κίνησης των διαταραχών, λόγω της παρουσίας των σωματιδίων ενίσχυσης. Γενικά, τα σύνθετα με ενίσχυση σωματιδίων είναι λιγότερο ανθεκτικά από τα σύνθετα με ενίσχυση ινών, διότι η συμβολή των σωματιδίων στην αντοχή του σύνθετου υλικού είναι μικρότερη αυτής των ινών. Είναι χαμηλότερου κόστους σε σχέση με τα σύνθετα με ίνες και έχουν καλύτερη αντοχή σε φθορά-τριβή λόγω της παρουσίας σκληρών σωματιδίων. Στον Πίνακα 1.2 φαίνονται χαρακτηριστικοί αντιπρόσωποι σύνθετων με ενίσχυση σωματιδίων και οι κυριότερες εφαρμογές τους [2]. 9

21 Κεφάλαιο 1 Πίνακας 1.2. Παραδείγματα και εφαρμογές των κυριότερων σύνθετων υλικών με ενίσχυση σωματιδίων [2]. Μήτρα Ενίσχυση Εφαρμογές Ag CdO Ηλεκτρικές επαφές υλικών Al Al 2 O 3 Πυρηνικοί αντιδραστήρες Be BeO Αεροπορικές και πυρηνικές εφαρμογές Co ThO 2, Y 2 O 3 Μαγνητικό υλικό αντοχής σε ερπυσμό Ni-20% Cr ThO2 Μέρη κινητήρων μηχανών Pb PbO Πλέγματα μπαταριών Pt ThO 2 Νήματα, μέρη ηλεκτρικών συσκευών W ThO 2, ZrO 2 Νήματα, θερμαντικά σώματα Co WC Αντιτριβικές εφαρμογές, κοπτικά εργαλεία Συμπεριφορά Εκφράσεις Στα σύνθετα υλικά μεγάλων κόκκων, το κλάσμα όγκου των δύο φάσεων επηρεάζει τη συμπεριφορά. Οι μηχανικές ιδιότητες βελτιώνονται όσο αυξάνεται το ποσό του κόκκου. Δύο μαθηματικές εκφράσεις έχουν διατυπωθεί για την εξάρτηση του μέτρου ελαστικότητας από τον όγκο κλάσματος των αποτελούμενων φάσεων για διφασικά σύνθετα υλικά. Αυτός ο κανόνας των φάσεων προβλέπει ότι το μέτρο ελαστικότητας πρέπει να βρίσκεται μεταξύ ενός άνω ορίου που περιγράφεται από E ( u) = E V + E V (1.13) c m m p p και ενός κάτω ορίου που περιγράφεται από EmE p Ec ( l) = (1.14) V E + V E m p p m Σε αυτές τις εκφράσεις E και V δηλώνουν το μέτρο ελαστικότητας και το κλάσμα όγκου αντίστοιχα ενώ οι δείκτες c, m και p αναφέρονται στο σύνθετο υλικό, στη μήτρα και στις 10

22 Κεφάλαιο 1 κοκκώδεις φάσεις. Στο Σχήμα 1.6 διαφαίνεται το άνω και κάτω όριο Ec συναρτήσει του V p για ένα σύνθετο υλικό χαλκού βολφραμίου στο οποίο το βολφράμιο είναι η κοκκώδης φάση. Τα πειραματικά αποτελέσματα βρίσκονται μεταξύ των δύο καμπυλών [3]. Σχήμα 1.6. Το μέτρο ελαστικότητας συναρτήσει του % ποσοστού κατ όγκο σε βολφράμιο για ένα σύνθετο υλικό από σωματίδια βολφραμίου διεσπαρμένα σε μήτρα χαλκού. Τα άνω και κάτω όρια είναι σύμφωνα με τις εξισώσεις (1.13) και (1.14). Περιλαμβάνονται τα σημεία των δεδομένων [3] Στρωματικά σύνθετα υλικά (laminar composites) Τα στρωματικά σύνθετα υλικά περιλαμβάνουν μια μεγάλη ποικιλία συνδυασμού υλικών, τα οποία διατάσσονται σε διαδοχικές στρώσεις προκειμένου να συνθέσουν το τελικό προϊόν. Στα στρωματικά σύνθετα περιλαμβάνονται τα υλικά με μικρού και μεγάλου πάχους επιστρώματα (thin και thick coatings), τα διμεταλλικά (bimetallics) και τα πολύστρωτα (multilayers) και sandwich υλικά. Επιστρωμένα υλικά (coated materials) Η δημιουργία επιστρωμάτων συνιστάται σε περιπτώσεις κατά τις οποίες είτε η κατασκευή ολοκλήρου του αντικειμένου από το υλικό ενίσχυσης είναι οικονομικά ασύμφορη, είτε απαιτείται η «καρδιά» της κατασκευής να έχει διαφορετικές μηχανικές ιδιότητες από την επιφάνεια. Τα υλικά που φέρουν επιστρώσεις αποτελούν μια ιδιόμορφη κατηγορία σύνθετων υλικών. Η ενίσχυση που προσφέρει το επίστρωμα αφορά την επιφανειακή ενίσχυση του υλικού και πρόκειται, κυρίως, για βελτίωση της αντοχής του υποστρώματος σε διάβρωση και τριβήφθορά. 11

23 Κεφάλαιο 1 Διμεταλλικά σύνθετα υλικά (bimetallics) Σε αντίθεση με τα σύνθετα της προηγούμενης κατηγορίας, στα οποία το πάχος του επιστρώματος είναι πολύ μικρότερο αυτού του υποστρώματος, στα διμεταλλικά υλικά το πάχος των δύο μεταλλικών στρώσεων είναι της ίδιας τάξης μεγέθους. Η συνένωση των δύο στρώσεων για την παραγωγή του διμεταλλικού γίνεται με συνέλαση, εκρηκτική συγκόλληση και συνδιέλαση (Σχήμα 1.7). Στη διεπιφάνεια του παραγόμενου σύνθετου, η ανακατάταξη και η αναδιευθέτηση των ατόμων των δύο κρυσταλλικών πλεγμάτων τα οποία έρχονται σε επαφή, λόγω θέρμανσης ή πίεσης, εξασφαλίζει την καλή πρόσφυση των δύο στρώσεων (Σχήμα 1.8). Σχήμα 1.7. Τεχνικές δημιουργίας διμεταλλικών υλικών: (α) συνέλαση, (β) εκρηκτική συγκόληση και (γ) συνδιέλαση [2]. Σχήμα 1.8. Κυματοειδής διεπιφάνεια διμεταλλικού υλικού μετά από εκρηκτική συγκόλληση ελασμάτων Ag με διασπορά σωματιδίων CdO και Cu (οπτική μικρογραφία x140) [2]. 12

24 Κεφάλαιο 1 Τα διμεταλλικά υλικά βρίσκουν τη σημαντικότερη εφαρμογή τους στη μέτρηση και τον έλεγχο της θερμοκρασίας. Η μεγάλη διαφορά στις τιμές του συντελεστή θερμικής διαστολής των δύο στρώσεων, η οποία στην περίπτωση των επιστρωμάτων ήταν αρνητικός παράγοντας, στην περίπτωση των διμεταλλικών υλικών είναι απαραίτητη προϋπόθεση [2]. Πολύστρωτα και sandwich υλικά (multilayers and sandwich materials) Τα πολύστρωτα είναι υλικά πολλών διαδοχικών στρώσεων, Σχηματίζονται από την επανάληψη ενός στοιχειώδους διστρωματικού υλικού Α/Β, του οποίου το πάχος είναι καθορισμένο και ονομάζεται περίοδος. Η περίοδος των πολύστρωτων μπορεί να ποικίλλει από μερικά νανόμετρα ως δέκατα του χιλιοστού (Σχήμα 1.9). Σχήμα 1.9. Η επιστοίβαση διαδοχικά προσανατολισμένων στρώσεων ενισχυμένων με ίνες ενός πολύστρωτου σύνθετου υλικού [3]. Όπως συμβαίνει και με τα σύνθετα με ενίσχυση ινών ή σωματιδίων, τα πολύστρωτα σύνθετα προκύπτουν από το συνδυασμό μετάλλου-κεραμικού, μετάλλου-γυαλιού, μετάλλουπολυμερούς αλλά και με το συνδυασμό μετάλλων διαφορετικών μηχανικών ιδιοτήτων. Πολύ γνωστά παραδείγματα πολύστρωτων είναι η φορμάικα, υλικό που χρησιμοποιείται ευρύτατα στην επιπλοποιία και το γυαλί ασφαλείας από το οποίο είναι κατασκευασμένα τα τζάμια των σύγχρονων αυτοκινήτων. Δομικό στοιχείο από sandwich υλικό προκύπτει από τη σύνδεση, κόλληση ή συγκόλληση, δύο λεπτών επιδερμίδων (skin) υλικού υψηλών μηχανικών ιδιοτήτων, πάνω σε μια «καρδιά» ή «ψίχα» ελαφρού υλικού χαμηλών μηχανικών ιδιοτήτων, που καλείται υλικό πλήρωσης (filler material) και εξασφαλίζει τη διατήρηση της απόστασης μεταξύ των επιδερμίδων. Το υλικό πλήρωσης είναι είτε κάποιο αφρώδες πολυμερές, συνηθέστερα πολυουρεθάνη, είτε κάποιο ελαφρύ μέταλλο, συνηθεστέρα Al, το οποίο είναι διαμορφωμένο σε κυψελοειδή γεωμετρία [2] (Σχήμα 1.10). 13

25 Κεφάλαιο 1 Σχήμα Σχηματικό διάγραμμα που δείχνει την κατασκευή μίας πλάκας τύπου σάντουιτς με κυψελοειδή πυρήνα [3]. Οι πλάκες τύπου σάντουιτς βρίσκουν μία ευρεία ποικιλία χρήσεων. Σε αυτές συγκαταλέγονται οι στέγες, τα πατώματα και οι τοίχοι κτιρίων. Επίσης τα πτερύγια και ο σκελετός αεροπλάνων και οι επικαλύψεις οπισθοπτερυγίων [3]. 1.3 Μέθοδοι μορφοποίησης συνθέτων υλικών ενισχυμένα με ίνες Τα ενισχυμένα με ίνες σύνθετα υλικά αντιπροσωπεύουν το μεγαλύτερο μέρος των συνθέτων υλικών σε βιομηχανική παραγωγή. Ένα από τα σημαντικότερα προβλήματα των ερευνητών στα σύνθετα υλικά, αλλά και των σε βιομηχανικό επίπεδο κατασκευαστών, είναι η ίδια η κατασκευή των πολύτιμων αυτών υλικών από άποψη εφαρμογών και περιθωρίων κέρδους. Η βιομηχανία των συνθέτων υλικών δανείστηκε όπου αυτό ήταν δυνατόν, τις παραδοσιακές μεθόδους μορφοποίησης των μετάλλων και ανέπτυξε όπου έπρεπε νέες μεθόδους για την κατασκευή τους. Έτσι έχουμε για παράδειγμα τη μέθοδο μορφοποίησης εν θερμώ με πρέσσα (Compression Moulding) που ήταν γνωστή από τα μέταλλα, αλλά και την τεχνική της περιέλιξης των ινών (Filament winding) Μέθοδοι επίστρωσης (Lay up techniques) Ένα από τα βασικά πλεονεκτήματα των συνθέτων υλικών είναι ότι δίνουν τη δυνατότητα να επιλεγεί η μέθοδος κατασκευής τους, ανάλογα με τις τελικές επιθυμητές τους ιδιότητες. Έτσι σύμφωνα με το σχήμα, την αντοχή, το μέγεθος και την ποσότητα παραγωγής επιλέγεται και η μέθοδος με την οποία συνδυάζονται και μπαίνουν στο καλούπι τα βασικά δομικά τους στοιχεία. Εδώ υπάρχει μια πολύ ενδιαφέρουσα αντίθεση εν σχέση με τα συνήθη εξαρτήματα που κατασκευάζονται από παραδοσιακά υλικά όπως ο χάλυβας, το ξύλο κλπ. Έτσι ενώ τα 14

26 Κεφάλαιο 1 κλασσικά υλικά βάφονται μετά την κατασκευή τους για να γίνει το επιθυμητό φινίρισμα της εξωτερικής του επιφάνειας, τα σύνθετα υλικά πρέπει να αποκτήσουν το φινίρισμα αυτό καθώς μπαίνουν τα βασικά τους στοιχεία στο καλούπι μέσω ειδικών επιστρώσεων εποξειδικών ρητινών (gel coatings). Οι κύριοι τύποι διεργασιών είναι δύο. Η επίστρωση του καλουπιού με το χέρι (hand lay up) και ο ψεκασμός του καλουπιού (spray up). Στην επίστρωση με το χέρι στρώνεται με την βοήθεια ενός ρολού η κατά κανόνα θερμοσκληρυνόμενη ρητίνη στα στρώματα των ινών που είναι είτε ύφασμα μακριών ινών (woven roving cloth), είτε κοντών ινών τυχαίας διευθύνσεως (strand mat), για να κάνει έτσι ομοιόμορφο το υλικό και να αφαιρέσει τον τυχόν παγιδευμένο αέρα. Όταν γίνεται ψεκασμός του καλουπιού τότε έχουμε την προώθηση κοντών ινών μαζί με τη ρητίνη ή και ξεχωριστά, προς την επιφάνεια του καλουπιού. Η τεχνική του ψεκασμού των ινών διαφέρει από την hand lay up στο ότι γίνεται με τη βοήθεια ειδικού ψεκαστήρα και στο ότι οι ίνες κόβονται σε μικρά μεγέθη και δεν είναι σε μορφή πανιού. Οι μέθοδοι μορφοποίησης με το χέρι αν και έχουν ορισμένα βασικά μειονεκτήματα (μικρός όγκος παραγωγής, εξάρτηση ποιότητας από την ικανότητα του εργάτη κ.λ.π.), βρίσκουν αρκετά ευρεία εφαρμογή λόγω της ευελιξίας που προσφέρουν Αυτοματοποίηση της μεθόδου επίστρωσης Για την αυτοματοποίηση της μεθόδου επίστρωσης εφαρμόστηκε η χρήση πολλών καλουπιών σε διάταξη ικανή να αυξήσει το ρυθμό παραγωγής. Έπειτα άρχισαν να χρησιμοποιούνται διατάξεις μηχανικών καλουπιών με αυτόματη την εναπόθεση υλικών. Παραπέρα χρησιμοποιούνται γραμμές παραγωγής στις οποίες η διαδικασία παραγωγής είναι εντελώς αυτόματη Τεχνικές μορφοποίησης με καλούπια (Moulding techniques) Το κύριο χαρακτηριστικό όλων των μεθόδων μορφοποίησης με καλούπια είναι ότι το φύλλο ή τα φύλλα του συνθέτου υλικού εξαναγκάζεται να εισέλθει μέσα σε ένα καλούπι για να αποκτήσει την τελική επιθυμητή του μορφή. Η διαδικασία αυτή μπορεί να συμπεριλαμβάνει και την εφαρμογή πίεσης, κενού ή κανενός από τα δύο. Επίσης είναι δυνατόν η μορφοποίηση να γίνεται εν θερμώ αλλά και όχι. Είναι σημαντικό να αναφέρουμε ότι τόσο η εφαρμογή της πίεσης (ή κενού) και της θερμοκρασίας εξαρτώνται κυρίως από την φύση του υλικού της μήτρας. Όταν το σύνθετο υλικό έχει θερμοπλαστική μήτρα απαιτείται η ψύξη του κάτω από τη θερμοκρασία τήξης T m ή την θερμοκρασία μετάβασης υαλώδους κατάστασης Tg για να είναι δυνατή η αφαίρεσή του από το καλούπι, χωρίς να αλλάξει το διαμορφωμένο σχήμα του. Αυτό συνεπάγεται μια διαδικασία μορφοποίησης που περιλαμβάνει: θέρμανση, διαμόρφωση υπό 15

27 Κεφάλαιο 1 πίεση, ψύξη υπό πίεση. Εάν η μήτρα τώρα αποτελείται από κάποια θερμοσκληρυνόμενη ρητίνη, πρέπει κατά την διαμόρφωση να διατηρηθεί η θερμοκρασία για κάποιο χρονικό διάστημα ώστε να δημιουργηθεί μια σταθερή δομή στο υλικό, για να γίνει όπως συνηθίζεται να λέγεται το curing. Έτσι σε αυτή την περίπτωση η διαδικασία της μορφοποίησης είναι: θέρμανση, διαμόρφωση υπό πίεση, curing υπό πίεση. Αν και τα περισσότερα σύνθετα με θερμοσκληρυνόμενη μήτρα βγαίνουν από το καλούπι θερμά, είναι δυνατόν να υπάρξει μια διαδικασία απόψυξης. Η πίεση που ασκείται κατά την μορφοποίηση πάνω στο σύνθετο υλικό είναι τριών ειδών. Το σύνθετο υλικό μπορεί να συμπιέζεται μέσω της αμέσου επαφής του με το άνω μέρος του καλουπιού που κλείνει όποτε έχουμε διαμόρφωση με συμπίεση (Compression molding). Είναι ακόμη δυνατόν να συμπιέζεται το σύνθετο υλικό μέσω κάποιου αδρανούς αερίου ή και αέρα ακόμη αμέσως μετά το κλείσιμο του καλουπιού, οπότε η διαδικασία είναι τύπου μορφοποίησης με πίεση (Pressure forming). Τέλος υπάρχει η δυνατότητα να δημιουργηθεί αρνητική πίεση μέσω δημιουργίας κενού στο καλούπι και έτσι να εξαναγκάζεται το σύνθετο να πάρει την τελική του μορφή. Τότε έχουμε μορφοποίηση εν κενώ (vacuum forming). Σύμφωνα με τα παραπάνω υπάρχουν οι τεχνικές διαμόρφωσης με πρέσσα (press techniques) που αν το καλούπι είναι στη θερμοκρασία περιβάλλοντος η τεχνική είναι «εν ψυχρώ» (cold press molding), ενώ αν έχουμε θερμό καλούπι η τεχνική είναι «εν θερμώ» (hot press moulding) Τεχνικές χύτευσης με μεταφορά ρητίνης (Resin Transfer Moulding) Η τεχνική της χύτευσης με μεταφορά ρητίνης είναι ένα είδος χύτευσης, με την διαφορά ότι η ρητίνη δεν βρίσκεται σε κοιλότητα στο άνω μέρος του κλειστού καλουπιού. Αντίθετα, η ρητίνη βρίσκεται σε κάποιο ξεχωριστό δοχείο και διοχετεύεται υπό πίεση μέσα στο κλειστό καλούπι μέσω αγωγών. Το καλούπι προετοιμάζεται κατάλληλα πριν την μεταφορά της ρητίνης, με την επίστρωση της ενίσχυσης και ενδεχομένως του gel coat. Η ενίσχυση είναι δυνατόν να αποτελείται από ίνες κάθε είδους και μορφής. Έτσι μπορεί να υπάρχουν οι διάφοροι τύποι υφασμάτων ινών συνεχών ή και κοντών. Ακόμη υπάρχει η δυνατότητα να ψεκαστεί η εσωτερική επιφάνεια του καλουπιού με κοντές ίνες οι οποίες συγκρατούνται στη θέση τους με την βοήθεια ειδικής κόλλας. Η ρητίνη τώρα μπορεί να προετοιμαστεί με δυο τρόπους. Είναι δυνατόν να γίνεται προανάμειξη αυτής με τον καταλύτη και τοποθέτηση στο δοχείο από όπου και θα μεταφερθεί στο καλούπι. Η άλλη δυνατότητα είναι να υπάρχουν ξεχωριστά δοχεία ρητίνης και καταλύτη και το μίγμα να μεταφέρεται στο καλούπι αφού προηγηθεί ανάμιξη σε ειδική ζώνη ανάμειξης. 16

28 Κεφάλαιο 1 Στο καλούπι δημιουργείται κενό για να απομακρυνθεί οι αέρας από αυτό και να εξαλειφθούν έτσι τυχόν ατέλειες μορφοποίησης. Στη συνέχεια μεταφέρεται η ρητίνη στο καλούπι, διασκορπίζεται και εμποτίζει την μάζα των ινών, δημιουργώντας ένα ομοιογενές υλικό. Αφού ολοκληρωθεί η έγχυση της ρητίνης το καλούπι ασφαλίζεται και θερμαίνεται για το curing. Παραλλαγές της μεθόδου RTM Τα τελευταία χρόνια έχουν αναπτυχθεί μια σειρά από βελτιώσεις της μεθόδου χύτευσης με μεταφορά ρητίνης. Οι μέθοδοι αυτές που βασίζονται στην RTM τεχνική διαφοροποιούνται ως προς την προετοιμασία του δείγματος, του είδους της ροής της ρητίνης στο καλούπι ή το ίδιο το είδος της ρητίνης. Ονομαστικά είναι scrimp (Seemann Composites Resin Infusion Molding Process), rifm, vartm (Vacuum-Assisted Resin Transfer Molding) Αεροστεγείς τεχνικές μορφοποίησης Ο όρος «αεροστεγείς» είναι μια ελεύθερη μετάφραση του όρου bag molding techniques με τον οποίο χαρακτηρίζονται στην αγγλόφωνη βιβλιογραφία οι τεχνικές μορφοποίησης που θα εξεταστούν. Πρόκειται για διεργασίες στις οποίες υπάρχει το χαρακτηριστικό, το σύνθετο υλικό να βρίσκεται κατά την μορφοποίηση ανάμεσα σε αεροστεγή καλύμματα και το καλούπι μορφοποίησης. Έτσι απομονώνεται το προς κατασκευή εξάρτημα από τα αέρια υπό πίεση ή το κενό που εξασκούνται κατά την μορφοποίησή του. Τα καλύμματα αυτά είναι δυνατόν να είναι από διάφορα πολυμερή ή ακόμη από υπερπλαστικά κράματα μετάλλων. Η μέθοδος του αυτόκλειστου φούρνου (κλιβάνου) (autoclave bag molding process) Η μέθοδος του αυτόκλειστου φούρνου προσφέρει υψηλή αξιοπιστία και ποιότητα κατασκευής. Ο ρυθμός παραγωγής δεν είναι υψηλός αλλά οι χρήσεις της είναι τέτοιες που δεν απαιτούν αυξημένες ποσότητες. Η τεχνική συνίσταται στην διαμόρφωση του συνθέτου σε ένα θηλυκό καλούπι (το οποίο υπόκειται σε ειδική προετοιμασία), εντός ενός θαλάμου αυτόκλειστου με την άσκηση πίεσης ή κενού και θερμοκρασίας, βάσει μια χαρακτηριστικής για το υλικό καμπύλης μορφοποίησης. Μορφοποιήσεις υπό πίεση ή υπό κενό Οι μορφοποιήσεις υπό πίεση ή υπό κενό γίνονται με καλύμματα στεγανότητας με τη χρήση μόνο πίεσης ή μόνον κενού χωρίς αυτόκλειστο. Είναι δύο μέθοδοι σημαντικά χαμηλότερου κόστους και απαιτήσεων σε εξοπλισμό. Όταν λοιπόν δεν απαιτείται αξιοπιστία επιπέδου autoclave είναι δυνατόν να γίνει χρήση των δυο αυτών μεθόδων με πολύ καλά αποτελέσματα. Από τις δυο μεθόδους η μορφοποίηση με καλύμματα υπό κενό είναι η λιγότερο περιορισμένη ως προς το μέγεθος των παραγόμενων εξαρτημάτων. 17

29 Κεφάλαιο 1 Υπερπλαστική μορφοποίηση (Superplastic forming) Η τεχνική της υπερπλαστικής μορφοποίησης δεν χρησιμοποιεί καλύμματα για την δημιουργία κενού ή πίεσης μορφοποίησης πάνω στο σύνθετο. Η τεχνική είναι δανεισμένη από την μορφοποίηση υπερπλαστικών κραμάτων Al ή Ti και έχει αναπτυχθεί κυρίως για θερμοπλαστικά σύνθετα υλικά. Υπερπλαστικά υλικά ονομάζονται τα υλικά που μπορούν και υφίστανται παραμορφώσεις άνω του 200% Μορφοποιήσεις με περιστροφή Στις περισσότερες κατασκευαστικές διαδικασίες το καλούπι παραμένει γενικά ακίνητο ενώ συντελείται η διαδικασία της επίστρωσης και της μορφοποίησης του συνθέτου υλικού. Υπάρχει μια σειρά κατασκευαστικών μεθόδων που είναι υψηλής τεχνολογίας-εξειδικευμένων εφαρμογών όπου το καλούπι δεν παραμένει ακίνητο αλλά περιστρέφεται γύρω από έναν ή περισσότερους άξονες. Είναι βέβαια δυνατόν να έχουμε και περιστροφή τμημάτων της συσκευής μορφοποίησης γύρω από το καλούπι. Βασικό πλεονέκτημα των μεθόδων αυτών είναι ότι δίνουν την δυνατότητα να κατασκευαστούν πολλές φορές και με χαμηλό κόστος, με υψηλή ακρίβεια, κλειστά αξονομετρικά σχήματα όπως κώνοι, κυλινδρικά δοχεία, σωλήνες κ.λ.π. Φυγοκεντρική μορφοποίηση (centrifugal forming) Η φυγοκεντρική μορφοποίηση είναι η πιο απλή από τις μεθόδους μορφοποίησης. Απαιτεί εξοπλισμό χαμηλού κόστους, μπορεί εύκολα να αυτοματοποιηθεί και είναι μια ταχεία σχετικά μέθοδος μορφοποίησης. Η οδηγήτρια δύναμη της μορφοποίησης είναι η φυγόκεντρος δύναμη που ασκείται στην ρητίνη κατά την περιστροφή του καλουπιού. Η φυγόκεντρος εξαναγκάζει την ρητίνη να εμποτίσει ομοιόμορφα το στρώμα των ινών στο σύνθετο δημιουργώντας παράλληλα και μια ισοκατανομή του πάχους του υλικού. Τέλος, με την βοήθεια της φυγόκεντρου, συγκρατείται και το ύφασμα των ινών στη θέση του. Το ύφασμα των ινών μπορεί να είναι οποιαδήποτε από τις ήδη γνωστές μορφές, πλεγμένες μακριές ίνες ή στρώμα κοντών ινών, υβριδικό κ.λ.π. Η ρητίνη μπορεί να είναι θερμοπλαστική ή και θερμοσκληρυνόμενη. Μορφοποίηση με περιστροφή (rotational moulding) Η μέθοδος της μορφοποίησης με περιστροφή έχει ως κοινό με την φυγοκεντρική μορφοποίηση την εκμετάλλευση της φυγόκεντρου δύναμης εκ περιστροφής του καλουπιού για τον διασκορπισμό της ρητίνης. Η μέθοδος αρχικά χρησιμοποιούνταν για την διαμόρφωση εξαρτημάτων με βάση θερμοσκληρυνόμενες ρητίνες αλλά η τεχνική μπορεί πια να χρησιμοποιηθεί και για ένα πλήθος θερμοπλαστικών μητρών (PET, nylon κ.λ.π.). Στην 18

30 Κεφάλαιο 1 εφαρμογή της είναι γενικά πολυπλοκότερη από την μέθοδο της μορφοποίησης με απλή φυγοκέντρηση. Μέθοδος της περιέλιξης των ινών (filament winding) Η βασική διαφοροποίηση της μεθόδου της περιέλιξης των ινών από τις άλλες, είναι ότι εδώ γίνεται περιστροφή του καλουπιού αλλά και της συσκευής μορφοποίησης γύρω από αυτό σε κάποιες περιπτώσεις. Έτσι η κατασκευή του εξαρτήματος επιτυγχάνεται με την περιέλιξη μιας ίνας ή δέσμης ινών προεμποτισμένες με ρητίνη (pre-impregnated composite fibres) γύρω από ένα τύμπανο που αποτελεί και το καλούπι της μορφοποίησης. Η μέθοδος της περιέλιξης προσφέρεται για την παραγωγή αξονοσυμμετρικών σχημάτων όπως δεξαμενών καυσίμου για πυραυλικούς φορείς, πιεστικών δοχείων, δεξαμενών αποθήκευσης αερίου κ.λ.π. Κάθε τύπος ινών μπορεί να χρησιμοποιηθεί αρκεί να είναι σε συνεχή μορφή, ενώ μήτρες μπορεί να είναι θερμοσκληρυνόμενες ή θερμοπλαστικές οργανικές. Η διαδικασία περιέλιξης των ινών χωρίζεται σε δύο κατηγορίες ανάλογα με τις τεχνικές εμποτισμού των ινών με ρητίνη. Έτσι εάν οι ίνες εμποτίζονται πριν από την περιέλιξή τους πάνω στο τύμπανο, έχουμε την περιέλιξη ξηρού τύπου, ενώ εάν διαβρέχονται από την ρητίνη αφού τυλιχτούν στο τύμπανο, έχουμε την υγρή περιέλιξη. Ανάλογα με την περιέλιξη του νήματος ινών, χαρακτηρίζονται οι κατηγορίες της ελικοειδής περιέλιξης, της πολικής περιέλιξης και συνδυασμών τους Μορφοποιήσεις με διατάξεις συνεχούς παραγωγής Οι τεχνικές αυτές είναι γνωστές από την βιομηχανία παραγωγής απλών πολυμερών/πλαστικών προϊόντων, με την διαφορά όμως ότι έχουν γίνει οι απαραίτητες αλλαγές και προσαρμογές για την παραγωγή συνθέτων υλικών. Οι τεχνικές αυτές είναι εντελώς αυτόνομες διατάξεις συνεχούς παραγωγής και δεν χρειάζεται επέμβαση του ανθρώπινου παράγοντα παρά μόνον στην τροφοδοσία των πρώτων υλών και στον τελικό ποιοτικό έλεγχο. Χαρακτηρίζονται δε από την μεγάλη ευελιξία ως προς την ποικιλία των παραγόμενων σχημάτων, την μεγάλη ταχύτητα και τον όγκο παραγωγής. Η ευελιξία στην παραγωγή πηγάζει από το γεγονός ότι και εδώ το βασικό εργαλείο της μορφοποίησης είναι ένα καλούπι που μπορεί να αλλάξει και να προσαρμοστεί κάποιο άλλο. Εξώθηση (extrusion) Η εξώθηση είναι μια πολύ σημαντική διεργασία μορφοποίησης διότι μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως βάση για πολλές άλλες τεχνικές διαμόρφωσης συνθέτων υλικών. Στην εξώθηση το πολυμερές εξαναγκάζεται να περάσει από ένα καλούπι που διαμορφώνει το 19

31 Κεφάλαιο 1 τελικό του σχήμα. Η διαδικασία συνίσταται στην ομογενοποίηση του υλικού μέσα σε ένα σχήμα κοχλία και στην διαμόρφωση του σε ειδικό καλούπι. Μορφοποίηση με έγχυση (injection moulding) Η πιο κοινή μέθοδος μορφοποίησης για εξαρτήματα ευρείας κατανάλωσης, που χρησιμοποιείται στην βιομηχανία είναι η μορφοποίηση με έγχυση. Με αυτή την τεχνική κατασκευάζονται αντικείμενα όπως κουτιά τηλεοπτικών συσκευών, χτένες, σύριγγες, τηλεφωνικές συσκευές, οδοντόβουρτσες, κάτοπτρα, κράνη, οδοντωτοί τροχοί κ.λ.π. Η τεχνική είναι εμπνευσμένη από την κλασσική μεταλλουργία όπου τήγμα μετάλλου εγχύεται σε καλούπια πίεσης. Παραγωγή συνεχών ευθύγραμμων στοιχείων με διέλαση/εξέλαση (pultrusion) Η μέθοδος παραγωγής συνεχών στοιχείων είναι μια συνεχής διεργασία και χρησιμοποιείται για την παραγωγή μακριών και ευθύγραμμων κατασκευαστικών εξαρτημάτων σταθερής διατομής, όπως ράβδοι και δοκοί. Τα σύνθετα υλικά που κατασκευάζονται με αυτή την μέθοδο χαρακτηρίζονται από την στρωματική δομή τους. Μάλιστα τα είδη των στρώσεων των ινών που χρησιμοποιούνται μπορεί να διαφέρουν μεταξύ τους στην γεωμετρία. Έτσι στον πυρήνα του κομματιού υπάρχουν δέσμες μακριών συνεχών μη συνεπλεκομένων μεταξύ των ινών (strand rovings), ενώ στην εξωτερική επιφάνεια και κοντά σε αυτήν τοποθετούνται στρώσεις ινών σε μορφή υφασμάτων. Τα υφάσματα αυτά αποτελούνται από στριμμένες και πλεγμένες ίνες (woven cloth) ή από άστριφτες ίνες πλεγμένες κάθετα μεταξύ τους (woven roving). Τα υφάσματα αυτά των ινών αυξάνουν των εγκάρσια αντοχή του κομματιού. Τέλος, οι μηχανικές ιδιότητες του κομματιού είναι συνάρτηση του λόγου των περιεκτικοτήτων των συνεχών μη συμπλεκομένων ινών προς τις στριμμένες και πλεγμένες ίνες [1]. 1.4 Χρήσεις Ναυπηγική Ο τομέας της ναυπηγικής αποτελεί ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα ενός τομέα όπου τα σύνθετα πλαστικά ενισχυμένα με ίνες γυαλιού (GRP, glass reinforcement plastics) έχουν αντικαταστήσει σχεδόν πλήρως τα παραδοσιακά υλικά και ιδιαίτερα το ξύλο (Σχήμα 1.11). Η χαμηλή πυκνότητα, η μεγάλη αντίσταση σε διάβρωση και η ευκολία παραγωγής ολόσωμων τμημάτων του σκάφους με χύτευση σε καλούπια, είναι οι παράμετροι που οδήγησαν στην ανάπτυξη μικρών βιομηχανιών κατασκευής σκαφών αναψυχής ενώ η μείωση του κόστους των επισκευών οδήγησε στην χρήση των υλικών αυτών στον ευρύτερο τομέα της 20

32 Κεφάλαιο 1 ναυπηγικής. Σε μικρότερο βαθμό, τα σύνθετα GPR, λόγω του μη μαγνητικού τους χαρακτήρα, χρησιμοποιήθηκαν για την κατασκευή ναρκαλιευτικών. Πρώτη η Μεγάλη Βρετανία χρησιμοποίησε τα GRP για την κατασκευή ναρκαλιευτικών και το 1972 κατασκεύασε το ναρκαλιευτικό HMS Wilton μήκους 46m [1]. Ακόμα σύνθετα υλικά χρησιμοποιούνται ως ενισχυτικά επιθέματα για ενισχύσεις τμημάτων χαλύβδινων ναυπηγικών κατασκευών [5]. Σχήμα Πηδάλιο ιστιοφόρου από fiberglass [4] Κατασκευαστικός τομέας Το σκυρόδεμα είναι ένα κοινό σύνθετο υλικό μεγάλου κόκκου στο οποίο και η μήτρα και οι διεσπαρμένες φάσεις είναι κεραμικά υλικά. Δοθέντος ότι οι όροι «σκυρόδεμα» και «τσιμέντο» ενίοτε εναλλάσσονται λανθασμένα, ο όρος «σκυρόδεμα» υποδηλώνει ένα σύνθετο υλικό το οποίο αποτελείται από ένα μείγμα κόκκων τα οποία συγκρατούνται με τη βοήθεια κάποιου συγκολλητικού μέσου για να σχηματίσουν ένα στερεό σώμα όπως είναι το τσιμέντο (Σχήμα 1.12). Τα δύο πιο κοινά σκυροδέματα, τσιμέντο Portland και άσφαλτο, είναι εκείνα στα οποία το αδρανές μείγμα είναι χαλίκι και άμμος. Το ασφαλτικό σκυρόδεμα κυρίως έχει ευρεία χρήση ως υλικό οδοστρώματος ενώ το τσιμέντο Portland χρησιμοποιείται ευρέως ως ένα δομικό υλικό κατασκευών. Προντεταμένα σκυροδέματα, συνήθως προκατασκευασμένα, χρησιμοποιούνται ευρέως στις γέφυρες αυτοκινητοδρόμων και στις σιδηροδρομικές γέφυρες [3]. Σχήμα Φωτομικρογραφία ενός «τσιμεντοποιημένου» καρβιδίου WC-Co. Οι φωτεινές περιοχές είναι η μήτρα κοβαλτίου και οι σκούρες είναι τα σωματίδια του καρβιδίου του τιτανίου. Μεγέθυνση 100x [3]. 21

33 Κεφάλαιο 1 Στον τομέα των κατασκευών, τα σύνθετα υλικά βρήκαν ιδιαίτερη εφαρμογή στη χώρα μας στο πεδίο των ενισχύσεων τα τελευταία χρόνια, και ιδιαίτερα μετά τον καταστροφικό σεισμό της Αθήνας, τον Σεπτέμβριο του Τότε, ο μεγάλος αριθμός των κατασκευών που υπέστησαν βλάβες, δημιούργησε την ανάγκη άμεσων, ταχειών, αποτελεσματικών και με το δυνατόν λιγότερη όχληση στη λειτουργία των κτιρίων ενισχύσεων. Έτσι, μέρος του τεχνικού κόσμου της χώρας στράφηκε προς τα σύνθετα υλικά, παρά τον σκεπτικισμό που τα συνόδευε μέχρι τον καιρό εκείνο και που τα συνοδεύει ακόμα σε κάποιο βαθμό. Δυστυχώς, όπως αναφέρθηκε, ο τεχνικός κόσμος της χώρας δεν ήταν επαρκώς καταρτισμένος για μια τέτοια στροφή και γι αυτό δεν ήταν λίγες οι περιπτώσεις εσφαλμένης εφαρμογής ενισχύσεων με σύνθετα υλικά [6]. Η αντοχή σε διάβρωση και το μικρό βάρος των σύνθετων υλικών και επομένως η εύκολη μεταφορά και συναρμολόγησή τους στον τόπο της κατασκευής σε συνδυασμό με την δυνατότητα κατασκευής με χύτευση επίπεδων επιφανειών διαφόρων χρωμάτων, οδήγησε στην χρήση των υλικών αυτών σε οικοδομικές κατασκευές. Μεγάλες ποσότητες GRP με τη μορφή επίπεδων ή καμπύλων ημιδιαφανών επιφανειών χρησιμοποιούνται για την κατασκευή ορόφων και θόλων σε μεγάλα οικοδομικά συγκροτήματα όπως είναι τα στάδια. Η κατασκευή οροφών από σύνθετα υλικά έχει σαν αποτέλεσμα, λόγω του μικρού τους βάρους, την οικονομία στον σχεδιασμό και τη κατασκευή των στοιχείων υποστήριξης των οροφών. Στις ΗΠΑ, η κατασκευή προκατασκευασμένων λουτρών και των σχετικών επίπλων που συνοδεύουν τον εξοπλισμό του λουτρού έχει καταστεί μια από τις πλέον προσοδοφόρες βιομηχανίες [1] Μεταφορές Στην δυτική Ευρώπη, περίπου tn GRP σε διάφορες μορφές χρησιμοποιούνται στις χερσαίες μεταφορές, ενώ στις ΗΠΑ η αντίστοιχη συνολική κατανάλωση GRP στον τομέα των χερσαίων μεταφορών είναι μια τάξη μεγέθους μεγαλύτερη. Ο λόγος της χρήσης των GRP στις χερσαίες μεταφορές οφείλεται κατά ένα μέρος στην μείωση του κόστους κατασκευής και κατά ένα μέρος στην μείωση του βάρους και άρα στην εξοικονόμηση ενέργειας (καυσίμων). Η χρήση ενισχυμένων πλαστικών πλαισίων για την κατασκευή αμαξωμάτων, περιορίζεται προς το παρών σε μικρή κλίμακα και ιδιαίτερα για την κατασκευή αμαξωμάτων αγωνιστικών αυτοκινήτων, για τα οποία οι διάφορες μέθοδοι παραγωγής συνθέτων υλικών επιτρέπουν εύκολες μεταβολές στον σχεδιασμό. Εκτός όμως από την κατασκευή αμαξωμάτων, τα GRP χρησιμοποιούνται και για την κατασκευή καμπινών στα φορτηγά αυτοκίνητα, στην κατασκευή προφυλακτήρων και σε πολλά άλλα εξαρτήματα της αυτοκινητοβιομηχανίας. Η χρήση των σύνθετων υλικών στις χερσαίες μεταφορές δεν περιορίζεται μόνο στην αυτοκινητοβιομηχανία. Η εφαρμογή τους στους σιδηροδρόμους είναι εξίσου ενδιαφέρουσα. 22

34 Κεφάλαιο 1 Για παράδειγμα, στην Μ. Βρετανία, τα αμαξώματα αμαξοστοιχιών είναι κατασκευασμένα εξολοκλήρου από GRP. Τα αμαξώματα αυτά είναι σχεδιασμένα να αντέχουν σε κρούσεις μεγάλης ενέργειας [1]. Το στρατιωτικό όχημα Hummer HMMWV, είναι κατασκευασμένο εξ ολοκλήρου από σύνθετα υλικά. Δημιουργήθηκε το 2007 από τις εταιρίες TPI Composites Inc και Armor Holdings Inc, και κατασκευάζεται και στην Ελλάδα από την ΕΛΒΟ. Στις μεταφορές χρησιμοποιούνται σύνθετα υλικά και με άλλη μορφή, των ελαστικών [7] (Σχήμα 1.13). Σχήμα Ηλεκτρονική μικρογραφία που δείχνει τα σφαιρικά σωματίδια ενίσχυσης του «μαύρου άνθρακα» σε μια ένωση για πέλμα συνθετικού ελαστικού αυτοκινήτου. Οι περιοχές που μοιάζουν με σταγόνες νερού είναι μικροσκοπικές θήκες αέρα μέσα στο ελαστικό. Μεγέθυνση 80000x [3] Ηλεκτρικά είδη Οι ίνες γυαλιού παράγονται σε διάφορους τύπους. Ένας από αυτούς τους τύπους ινών γυαλιού είναι και ο τύπος e-glass, όπου το πρόθεμα e αναφέρεται στον όρο electrical. Δηλαδή, αυτός ο τύπος γυαλιού έχει κατασκευαστεί ειδικά για ηλεκτρικές εφαρμογές και ιδιαίτερα για εφαρμογή εκεί που απαιτείται ηλεκτρική μόνωση. Έτσι, αυτός ο τύπος γυαλιού όταν αναμιχθεί με πλαστική μήτρα, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή ηλεκτρικών εξαρτημάτων πολύπλοκου σχήματος που να είναι ηλεκτρικά μονωμένα. Τέτοια είδη είναι οι ηλεκτρικοί διακόπτες, οι ηλεκτρικοί διανομείς, οι υποδοχείς ηλεκτρικών λαμπτήρων, και άλλα προϊόντα. Καλωδιακοί αγωγοί σταθερής διατομής και σχήματος για μονωμένους μετασχηματιστές κατασκευάζονται από GRP με την μέθοδο Pultrusion Εφαρμογές στην παραγωγή αντιδιαβρωτικών Γενικά, οι εφαρμογές των GRP στην γεωργία και στην κατασκευή δεξαμενών και σωλήνων για βιομηχανικούς σκοπούς βασίζεται στον συνδυασμό του χαμηλού ειδικού βάρους και την αντίσταση σε διάβρωση του υλικού αυτού. Ένα από τα βασικά πλεονεκτήματα του GRP είναι 23

35 Κεφάλαιο 1 η κατασκευή δεξαμενών και αναρροφητήρων για την αποθήκευση τοξικών χημικών ουσιών, σωλήνων για την μεταφορά νερού και αποχετευτικών λυμάτων, δεξαμενών νερού και κρασιού καθώς και στην κατασκευή εγκαταστάσεων για την παραγωγή χημικών ουσιών, όπως π.χ. στην παραγωγή χλωρίου. Δύο συγκεκριμένα πλεονεκτήματα, το χαμηλό ειδικό βάρος και η ευκολία μεταφοράς, ελαχιστοποιούν το κόστος και διευκολύνουν την μεταφορά των σωλήνων από GRP σε μεγάλες αποστάσεις και σε δύσβατες τοποθεσίες. Είναι επίσης δυνατόν να έχουμε μεγαλυτέρου μήκους κρεμαστές διασωληνώσεις, ελαχιστοποιώντας τον αριθμό των συνδέσεων και άρα το συνολικό κόστος εγκατάστασης των δικτύων ύδρευσης. Σύνθετα υλικά χρησιμοποιούνται και σε τομείς που το υψηλό κόστος της παραγωγής τους αντισταθμίζεται από την υψηλή τους απόδοση. Αυτά τα σύνθετα χαρακτηρίζονται ως σύνθετα υλικά υψηλής απόδοσης [1] Εφαρμογές στην αεροναυπηγική και αεροδιαστημική Η χρήση ελαφρών κατασκευαστικών υλικών στην αεροδιαστημική σημαίνει είτε αύξηση του ωφέλιμου φορτίου είτε μείωση του κόστους λειτουργίας για την μεταφορά του ίδιου ωφελίμου φορτίου. Ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα οικονομικού οφέλους από την χρήση των ελαφρών συνθέτων υλικών είναι η περίπτωση χρήσης των υλικών αυτών στην τεχνολογία κατασκευής των διαστημοπλοίων όπου το κόστος της εκτόξευσης μπορεί πολλές φορές να ξεπερνά το κόστος του σχεδιασμού και της κατασκευής του διαστημοπλοίου. Έτσι, πολυμερή ενισχυμένα με ίνες άνθρακα και Kevlar συχνά χρησιμοποιούνται για την κατασκευή βασικών τμημάτων διαστημοπλοίων. Στην πολεμική αεροπορία, τα σύνθετα υλικά εξασφαλίζουν καλύτερη απόδοση των αεροσκαφών και ένας αριθμός προγραμμάτων σχεδιασμού και κατασκευής αεροσκαφών από σύνθετα βρίσκεται σε εξέλιξη. Για παράδειγμα, περίπου το 35% του συνολικού βάρους του μαχητικού αεροσκάφους European Fighter Aircraft (EFA) είναι κατασκευασμένο από σύνθετα υλικά. Στα εμπορικά αεροσκάφη τα σύνθετα υλικά έχουν από πολύ καιρό χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή τμημάτων του εσωτερικού χώρου, όπως δάπεδα χώρων αποθήκευσης, εμπορευμάτων, είδη επίπλων, ντουλάπια αποσκευών, κλπ. Σε μικρότερη κλίμακα ένας αριθμός ελαφρών αεροσκαφών και ανεμόπτερων (gliders) είναι κατασκευασμένα από GRP ενώ εδώ και πολλά χρόνια και γίνεται προσπάθεια να κατασκευαστούν ελαφρά αεροσκάφη της κατηγορίας jet εξολοκλήρου από σύνθετα υλικά. Στα ελικόπτερα η κατασκευή των φτερών τους από σύνθετα υλικά τους αυξάνει κατά πολύ τον χρόνο ζωής και την ταχύτητα πτήσης του ελικοπτέρου. Απόδειξη αυτού είναι το 24