Capitolul CG.03. Materiale şi compozite anorganice

Transcript

1 Capitolul CG.03. Materiale şi compozite anorganice Cuvinte-cheie materiale ceramice, materiale compozite, sticlă CG Introducere Materialele compozite se obţin prin combinarea a două sau mai multe materiale cel mai adesea materiale cu proprietăţi foarte diferite. Cele două materiale conlucrează pentru a furniza compozitului proprietăţi unice. Se poate diferenţia între materialele ce intră în alcătuirea compozitului, deoarece ele nu se dizolvă unul în celălalt. Multe dintre tehnologiile moderne necesită materiale cu combinaţii neaştepate de proprietăţi, ce nu pot fi satisfăcute de materialele metalice, ceramice şi polimerice convenţionale. Acesta este valabil, în special, în cazul materialelor pentru aplicaţii aerospaţiale, la submarine şi în transporturi. De exemplu, inginerii din domeniul aeronautic sunt interesaţi de identificarea unor materiale structurale caracterizate de densităţi scăzute, care sunt rezistente, compacte şi nu se corodează uşor. Prin dezvoltarea materialelor compozite au fost extinse combinaţiile de proprietăţi şi domeniul caracteristic acestora. Conform principiului sinergiei, prin combinarea judicioasă a două sau mai multe materiale distincte pot fi obţinute proprietăţi îmbunătăţite. Materiale compozite se întâlnesc şi în natură, atât în regnul animal, cât şi în cel vegetal, constituind o sursă de inspiraţie pentru compozitele sintetice. Lemnul este un compozit alcătuit din fibre lungi de celuloză (un polimer), menţinute laolaltă de o substanţă mult mai fragilă numită lignină. Celuloza se mai găseşte în coton, însă, în absenţa ligninei, este mult mai fragilă. Cele două substanţe lignina şi celuloza formează împreună un material mai rezistent. Ţesutul osos din organismul uman este, de asemenea, un compozit. El este alcătuit dintr-un material dur dar sfărâmicios numit hidroxiapatită (care este, în principal, fosfat de calciu) şi un material moale şi flexibil numit colagen (o proteină). Colagenul se mai întâlneşte în păr şi unghii. Colagenul nu ar putea conferi sistemului osos rezistenţa de care are nevoie pentru a îndeplini rolul de suport al organismului, însă în combinaţie cu hidroxiapatita acest lucru devine posibil. Oamenii au realizat compozite din cele mai vechi timpuri. Un exemplu de la începuturi este reprezentat de cărămida de pământ. Nămolul poate fi uscat într-o formă pentru a obţine un material de construcţie. El are o bună rezistenţa la compresie, dar se sfărâmă uşor la arcuire (are rezistenţă scăzută la tracţiune). Paiele rezistă la întindere, însă se zdrobesc uşor. Prin amestecarea nămolului cu paie se pot realiza cărămizi rezistente atât la compresie, cât şi la întindere. Un alt material compozit cunoscut din vechime este betonul. Acesta reprezintă un amestec de pietriş, nisip şi ciment. Are o rezistenţa bună la compresie. Ulterior s-a descoperit faptul că, 1

2 adăugând bare de metal în beton se poate mări rezistenţa la îndoire. Betonul ce conţine bare sau fire metalice poartă numele de beton armat. În proiectarea materialelor compozite, oamenii de ştiinţă şi inginerii au combinat în mod ingenios diverse metale, materiale ceramice şi polimeri cu scopul de a obţine o nouă generaţie de materiale cu proprietăţi superioare. CG Clasificarea materialelor compozite Cele mai multe materiale compozite sunt alcătuite din două faze: o fază numită matrice, care este continuă şi înconjoară cea de-a doua fază, numită fază dispersă. Proprietăţile compozitelor depind de proprietăţile fazelor componente, de cantităţile în care sunt prezente fiecare dintre acestea, precum şi de geometria fazei disperse (forma şi dimensiunile particulelor, distribuţia dimensiunilor şi orientarea particulelor) []. În Fig. CG.03.1 este prezentată o clasificare a materialelor compozite utilizând drept criteriu geometria fazei disperse. Figura CG Clasificarea materialelor compozite după geometria fazei disperse []. Compozitele consolidate cu particule se clasifică la rândul lor în două categorii, în funcţie de dimensiunile acestora (care determină natura interacţiilor fazei disperse cu matricea). În cazul particulelor mari, interacţiunea lor cu faza dispersă nu are loc la nivel molecular sau atomic. Particulele sunt, în acest caz, mai dure şi mai compacte decât matricea. În cazul particulelor disperse, acestea au diametre din domeniul nm. Interacţia particulă dispersată matrice are loc la nivel atomic sau molecular. Betonul constituie un exemplu de material compozit consolidat cu particule mari. În cea de-a doua categorie intră aliajele metalice. În ceea ce priveşte materialele consolidate cu fibre, trebuie menţionat faptul că dimensiunile, orientarea şi concentraţia fibrelor au un rol important în definirea caracteristicilor materialelor compozite. Fibrele utilizate curent la realizarea compozitelor sunt: grafit, carbură de siliciu, oxid de aluminiu, oţel, molibden, tungsten. Compozitele structurale sunt combinaţii de compozite şi materiale omogene. 2

3 După componenţii matricei, materialele compozite se clasifică în: compozite cu matrice organică, compozite cu matrice ceramică şi compozite cu matrice metalică (Fig. CG.03.2). Figura CG Clasificarea compozitelor după tipul matricei. Matricea compozitelor poate fi reprezentată de un material organic (polimer), metal sau ceramică. Cele mai utilizate sunt metalele şi polimerii, deoarece acestea sunt şi ductile (pot fi trase în fire sau în foi). În compozitele cu matrice ceramică, componentul de ranforsare este adăugat pentru a îmbunătăţi rezistenţa la rupere. Matricea îndeplineşte câteva roluri. Mai întâi, constituie un liant pentru particulele fazei disperse, acţionând totodată ca un mediu de transmitere şi distribuţie a tensiunii aplicate materialului către particulele dispersate. Pe de altă parte, matricea protejează suprafaţa particulelor dispersate faţă de acţiunea mediului înconjurător (reacţii chimice sau procese de abraziune mecanică). Astfel de interacţii pot introduce defecte de suprafaţă capabile să determine apariţia fisurilor. Propagarea acestora este împiedicată de matrice (datorită plasticităţii sale). În alegerea matricei, un rol important îl joacă forţele de legătură dintre particule şi matrice. CG Compozitele cu matrice polimerică Compozitele cu matrice polimerică au ca matrice o răşină polimerică. Aceste materiale au cea mai mare diversitate de aplicaţii. Pentru consolidare se utilizează, de obicei, fibre de sticlă, carbon şi aramidă. Fibrele continue, ordonate, oferă cea mai eficientă consolidare (ranforsare). Dezvoltarea fibrelor cu proprietăţi noi, îmbunătăţite, este responsabilă pentru revoluţionarea proprietăţilor compozitelor. Materiale polimerice pentru matrice Există două mari clase de polimeri utilizate ca materiale de matrice: termorigizi şi termoplastici. Polimerii termorigizi sunt materiale care suferă procesul de întărire pe parcursul fabricării pieselor, după care aceştia devin rigizi şi nu mai pot fi repuşi în formă. Polimerii termoplastici se înmoaie la încălzire, şi pot fi repuşi în formă. Polimerii termoplastici se clasifică în: polimeri amorfi, polimeri cristalini şi cristale lichide. Polimerii termorigizi au tendinţa de a fi mai rezistenţi la solvenţi şi medii corozive decât materialele termoplastice; există însă şi excepţii de la această regulă. Materialele polimerice de matrice sunt vâscoelastice şi au rigiditate scăzută. Rezistenţa şi rigiditatea compozitelor cu matrice polimerică sunt furnizate de materialele de ranforsare (în special fibre). În selectarea matricei, un rol important îl are temperatura maximă de lucru, ştiut fiind faptul că proprietăţile polimerilor sunt afectate de creşterea temperaturii. Pentru a compara diverşi polimeri se utilizează temperatura de tranziţie vitroasă (T g ). Aceasta reprezintă temperatura la care polimerul 3

4 îşi pierde rigiditatea (energia cinetică egalează energia potenţială). Cercetările din acest domeniu vizează dezvoltarea de noi polimeri caracterizaţi de temperaturi de tranziţie vitroasă tot mai mari care să înlocuiască metalele în aplicaţiile acestora. De exemplu, poliimidele ranforsate cu fibre de carbon au înlocuit titanul în unele componente ale motoarelor avioanelor. Un alt aspect important în selectarea matricei polimerice este sensibilitatea acesteia la umezeală. Răşinile tind să adsoarbă apă, ceea ce conduce la modificări dimensionale şi la diminuarea rezistenţei şi rigidităţii la temperaturi ridicate. Răşinile termorigide sunt reprezentate de: răşini epoxidice, bismalein-imidele, poliimide termorigide, poliesteri termorigizi, esteri vinilici şi răşini fenolice. Răşinile epoxidice sunt oligomeri ce conţin grupări etilenoxid, care se întăresc prin reacţia grupărilor epoxidice cu un agent de întărire adecvat. Răşinile epoxidice sunt o clasă de materiale termorigide utilizate pe scară largă la obţinerea compozitelor structurale şi cu aplicaţii speciale, deoarece ele oferă o combinaţie unică de proprietăţi. Sunt disponibile într-o mare varietate de forme, de la lichide cu vâscozitate mică, la solide ce se topesc la temperaturi ridicate, putând fi utilizate în numeroase aplicaţii. Epoxizii conferă rezistenţă mare, contracţie scăzută, o bună adeziune la diverse substraturi, izolaţie electrică excelentă, rezistenţă chimică ridicată, cost redus şi toxicitate scăzută. Răşinile epoxidice se întăresc uşor, fără a elibera produşi secundari sau substanţe volatile, prin utilizarea unei mari diversităţi de specii chimice. Răşinile epoxidice se utilizează frecvent ca adezivi, acoperiri, mase izolante de turnare, lianţi. Cele mai interesante aplicaţii ale acestora vizează industriile aerospaţială şi recreaţională, fiind utilizate la obţinerea unor structuri compozite complexe. Ele furnizează un echilibru unic între proprietăţile mecanice şi chimice, fiind totodată extrem de versatile în procesare. Cele trei elemente de bază care intră în componenţe unei răşini epoxidice sunt: răşina, agentul de întărire şi modificatorul. La elaborarea unei răşini epoxidice pentru o anumită aplicaţie este necesară cunoaşterea contribuţia fiecărei componente la performanţele mecanice şi fizice ale piesei pe parcursul fabricaţiei şi după. Prin selecţia judicioasă a agentului de întărire şi a modificatorului, pot fi elaborate răşini epoxidice care să răspundă cerinţelor unei game largi de aplicaţii. Din punct de vedere structural, prezenţa ciclului de trei atomi 2 atomi de carbon şi un atom de oxigen defineşte molecula ca epoxid, în timp ce scheletul pe care este ataşată aceasta poate avea o structură variabilă, ducând la diverse clase de răşini epoxidice. Succesul comercial de care se bucură epoxizii este datorat, în parte, marii diversităţi de structuri moleculare ce pot fi obţinute prin procese chimice similare. Răşinile epoxidice se obţin din molecule ce conţin legături carbon-carbon nesaturate pe două căi: (i) (ii) Dehidrohalogenarea unei halohidrine intermediare; Epoxidarea directă cu peracizi. Prima cale este utilizată mai frecvent, materia primă fiind adesea epiclorhidrina (Fig. CG.03.3). 4

5 O Cl Figura CG Structura moleculei de epiclorhidrină. Există două categorii de răşini epoxidice utilizate la obţinerea compozitelor: răşini pentru aplicaţii de temperatură înaltă şi răşini pentru aplicaţii de temperatură joasă. Răşinile pentru aplicaţii de temperatură înaltă posedă structuri moleculare inflexibile. Rigiditatea poate fi obţinută prin: încorporarea unor grupări aromatice; creşterea numărului de centri reactivi (grupări epoxidice)/ moleculă; reducerea distanţei dintre centri reactivi. Principalele clase de epoxizi utilizaţi la obţinerea compozitelor sunt: eteri glicidil-fenolici; glicidil amine aromatice; compuşi cicloalifatici. Eterii glicidil-fenolici se obţin prin reacţii de condensare dintre epiclorhidrină şi o grupare fenolică. Prima răşină epoxidică din această clasă, utilizată pe scară largă şi în prezent, este bisfenol A diglicidil eter (Fig. CG.03.4). Figura CG Structura bisfenol A diglicidil eter []. Există diverse categorii de bisfenol A diglicidil eter cu diverşi furnizori; acestea se diferenţiază prin vâscozitate, care variază de la 5 la 14 Pa s la 25 C. Prin modificarea raportului epiclorhidrină/bisfenol A în procesul de sinteză, se pot obţine răşini cu mase moleculare mari. Creşterea masei moleculare duce la creşterea vâscozităţii, rezultând răşini solide la temperatura camerei. Analogii cu masă moleculară mai mare sunt sunt utilizaţi pentru a ajusta vâscozitatea răşinii pe seama scăderii temperaturii de tranziţie vitroasă. 5

6 O variaţie o reprezintă răşinile epoxidice pe bază de bisfenol A hidrogenat. Într-o primă etapă se obţine răşina epoxidică din epiclorhidrină şi bisfenol A. În etapa ulterioară, inelul benzenic aromatic este convertit la ciclohexanil, rezultând un material cicloalifatic caracterizat de vâscozitatea scăzută, cu reactivitate moderată. O altă varietate de răşini epoxidice sunt cele obţinute din tetrabromo bisfenol A. Aceste răşini bromurate sunt utilizate pentru a conferi produsului final capacitatea de a opri propagarea flăcărilor, fiind utilizate de obicei pentru aplicaţii electrice. Sunt disponibile comercial numeroase forme, cu un conţinut variat de brom şi cu mase moleculare diferite. Răşinile epoxidice pe bază de novolac sunt glicidil-eteri aromatici ai răşinilor fenolice de tip Novolac (Fig. CG.03.5, CG.03.6). Fenolii corespunzători (fenol sau cresol) în exces reacţionează cu formaldehida, în prezenţa unui catalizator acid, rezultând răşina fenolică Novolac. Într-o etapă ulterioară, aceasta reacţionează cu epiclorhidrina (în prezenţa hidroxidului de sodiu), obţinându-se răşina epoxidică de tip Novolac. Figura CG Structura chimică a răşinii epoxidice pe bază de novolac fenolic []. Figura CG Structura chimică a răşinii epoxidice pe bază de novolac cresolic []. Numărul de grupări epoxidice din moleculă depinde de numărul de grupări hidroxil fenolice din răşina fenolică de tip novolac şi de măsura în care acestea reacţionează. 6

7 Răşinile epoxidice pe bază de glicidil amine se obţin în urma reacţiei dintre epiclorhidrină şi o amină. Răşinile obţinute din amine aromatice sunt folosite pentru aplicaţii de înaltă temperatură. Cea mai importantă răşină din această clasă este tetraglicidil metilen amina (Fig. CG.03.7). Figura CG Structura tetraglicidil metilen aminei []. Această răşină este utilizată în special pentru aplicaţii aerospaţiale, datorită proprietăţilor sale excelente la temperatură înaltă. Preţul său este mai ridicat decât cel al răşinilor pe bază de bisfenol sau novolac. Avantajele tetraglicidil metilen aminei sunt reprezentate de proprietăţile sale mecanice excelente şi temperatura ridicată de tranziţie vitroasă. La temperatura camerei, glicidil aminele sunt lichide vâscoase sau semisolide. Există numeroase categorii de răşini glicidil-aminice, în funcţie de puritate, masă moleculară şi dimensiunea particulelor. Răşinile cicloalifatice se disting de celelalte răşini epoxidice prin aceea că gruparea epoxidică aparţine unei structuri ciclice (Fig. CG.03.8). Figura CG Structura caracteristică răşinilor epoxidice cicloalifatice []. 7

8 Această clasă de răşini epoxidice este caracterizată de vâscozitate foarte scăzută, performanţe termo-mecanice relativ ridicate şi temperatură de tranziţie vitroasă mare. Răşinile epoxidice reacţionează cu numeroase specii chimice numite întăritori. Cei mai utilizaţi sunt aminele, derivaţii acestora şi anhidridele. La selectarea combinaţiei răşină întăritor se are în vedere aplicaţia finală. Timpul de întărire poate varia în limite foarte largi, de la secunde la zile; sistemele activate de căldură rămân în stare latentă la temperatura camerei luni sau chiar ani. Răşina neîntărită poate fi solidă, de consistenţa cauciucului sau lichidă, vâscoasă sau uscată; ea se poate întări la temperaturi din domeniul C. Produsul întărit poate fi moale şi maleabil sau rigid şi fragil, având temperaturi de tranziţie vitroasă ce variază de la temperatura camerei la 260 C şi alungiri la întindere de la 1% la peste 100%. Agenţii de întărire ce acţionează la temperatura camerei includ amine alifatice, poliamide şi amide. Aminele alifatice sunt cei mai utilizaţi agenţi de întărire pentru răşinile epoxidice. Reacţia răşinii epoxidice cu aminele primare şi secundare este o reacţie de adiţie între gruparea N-H şi gruparea epoxi []: Cele mai utilizate amine primare sunt: dietilen triamina H 2 N H N N H NH 2 trietilen tetraamina H 2 N H N N H H N NH 2 tetraetilen pentaamina HN N N-aminoetil piperazina NH 2 8

9 Reactivitatea unor amine primare permite întărirea în condiţii adverse (temperaturi scăzute şi umiditate ridicată). Bazicitatea aminelor trebuie controlată în cazul aplicaţiilor în care personalul vine în contact cu materialul neîntărit. Spre deosebire de amine şi amide, complecşii de BF 3 şi imidazolii pot realiza întărirea atât la temperatura camerei, cât şi la temperaturi înalte. Complecşii trifluorură de bor-amină întăresc răşinile epoxidice printr-un mecansim de polimerizare cationică catalitică. Trifluorura de bor pură reacţionează cu răşina epoxidică bis A standard în câteva secunde; stabilizarea la temperatura camerei se realizează prin complexarea BF 3 cu amine. Prin ajustarea compoziţiei agentului de întărire, sistemele răşină-întăritor pot fi stabile la temperatura camerei, acestea necesitând temperaturi mari pentru întărire. Imidazolii substituiţi sunt utilizaţi drept agenţi de întărire în compozitele utilizate în electronică, ca adezivi, la automobile şi în industria aerospaţioală. Ei sunt utilizaţi, în general, drept acceleratori pentru reacţia dintre epoxizi şi alţi agenţi de întărire, dar pot fi folosiţi şi ca agenţi de întărire. Sunt unele dintre cele mai eficiente baze Lewis, ce iniţiază homopolimerizarea anionică a răşinii epoxidice la încărcări foarte scăzute (sub 8 părţi per 100 părţi răşină). Reactivitatea întăritorilor imidazolici poate fi ajustată prin substituţia cu grupări organice la ciclu, blocarea chimică a hidrogenului aminic din ciclu şi prin formarea de săruri cu azotul din ciclu. Întăritorii pe bază de imidazol sunt caracterizaţi de temperaturi de tranziţie vitroasă ridicate (care depăşesc adesea temperatura de întărire), latenţă la temperatura camerei ce variază de la câteva ore la 6 luni şi întărire rapidă la temperaturi mai mari decât temperatura de activare. Întăritorii care sunt activi la temperaturi ridicate includ aminele aromatice şi anhidridele. Aminele aromatice sunt, în general, pulberi fine care se amestecă cu răşina epoxidică. Deoarece aminele aromatice sunt mai scumpe decât cele alifatice, sunt disponibile comercial într-o varietate mai limitată. Aminele aromatice sunt utilizate în compozitele de înaltă performanţă. Una dintre primele amine aromatice utilizate în industrie este 4, 4 -diaminodifenil metan (Fig. CG.03.9). Figura CG Structura 4, 4 -diaminodifenil metanului. Majoritatea anhidridelor utilizate ca agenţi de întărire în compozitele cu răşini epoxidice sunt lichide cu vâscozitate scăzută. Anhidridele reprezentative sunt: Anhidrida metil tetrahidroftalică CH 3 O O O 9

10 Anhidrida metil hexahidroftalică O O CH 3 O Modificatorii reprezintă cea de-a treia categorie de constituenţi ai răşinilor epoxidice, fiind utilizaţi pentru a le furniza anumite performanţe fizice şi mecanice. Astfel, cauciucurile sunt utilizate pentru creşterea flexibilităţii, a rezistenţei la oboseală şi la fisurare; un exemplu este reprezentat de copolimerii butadienă-acrilonitril cu grupări carboxil terminale. De asemenea, aditivi termoplastici sunt utilizaţi pentru creşterea rezistenţei la rupere a răşinilor epoxidice; sunt folosiţi în cantităţi foarte mici deoarece cresc vâscozitatea răşinii; exemple: polivinilbutiral, polietersulfona, poliimida, nylonul. Răşinile epoxidice sunt utilizate ca solvenţi în compozitele epoxidice; în majoritatea lor, aceştia sunt epoxizi monofuncţionali reactivi, cu vâscozitate foarte scăzută; exemple: butil glicidil eter, fenil glicidil eter, cresil glicidil eter etc. Compuşii de ignifugare sunt adăugaţi în răşina epoxidică drept umplutură sau pot fi încorporaţi în matrice. Răşinile termoplastice se clasifică în 3 categorii importante: amorfe, cristaline şi cristale lichide. În categoria răşinilor termoplastice amorfe intră policarbonatul, acrilonitril-butadien-stirenul (ABS), polistirenul, polisulfona şi polieterimida. În categoria materialelor termoplastice cristaline intră nylonul, polietilena, polifenilen sulfura, polipropilena, polietersulfona, polieter etercetona. Materialele termoplastice amorfe au o rezistenţă scăzută la acţiunea solvenţilor, în timp ce termoplasticele cristaline au un comportament superior. Materialele termoplastice relativ ieftine, precum nylonul, sunt utilizate pe scară largă la obţinerea compozitelor ranforsate cu fibre de sticlă. Aceastea sunt folosite la confecţionarea pieselor turnate prin injecţie. Materiale de consolidare Fibra de sticlă este un compozit ce constă din fibre de sticlă cu diametrul de 3-20 μm, continue sau discontinue, conţinute într-o matrice polimerică. Sticla este materialul de consolidare cel mai popular deoarece: Se trage uşor în fibre rezistente din topitură; Se poate prelucra uşor, utilizând o mare diversitate de tehnici de fabricare a compozitelor; La încorporarea în matrice polimerică rezultă un compozit cu rezistenţă specifică mare; Prin încorporarea în anumite materiale plastice se obţin materiale inerte chimic, ce pot fi utilizate în aplicaţii în medii corozive. Procesul de formare a fibrelor Topitura de sticlă conţine, pe lângă dioxid de siliciu, şi alţi oxizi necesari compoziţiei date. Aceasta este răcită rapid pentru a preveni cristalizarea şi pusă în formă. Majoritatea fibrelor de sticlă continue se obţin prin procesul de trefilare şi sunt puse în formă prin extrudarea topiturii printr-un lagăr din aliaj de platină cu câteva mii de orificii cu diametrul 0,793-3,175 mm. Fibrele astfel 10

11 obţinute, cu vâscozitate mare, sunt trase rapid în filamente cu diametru mai mic (3-20 μm), care se solidifică apoi. Filamentele individuale sunt adunate în mănunchiuri. Filamentele de sticlă sunt foarte abrazive. De aceea, înaintea adunării lor în mănunchiuri, pe suprafaţa filamentelor se aplică lianţi sau cleiuri cu scopul de a minimiza degradarea prin abraziune. Există două categorii de fibre de sticlă: fibre de uz general, mai ieftine, şi fibre pentru aplicaţii speciale, mai scumpe. Peste 90% din producţia de fibre de sticlă este reprezentată de cele de uz general. Acestea sunt denumite sticle E (pentru uz electric posedă conductivitate electrică scăzută). Sticlele de uz special sunt: sticle S (caracterizate de rezistenţă mare), sticle C (cu rezistenţă chimică mare), sticle M (foarte rigide), sticle A (puternic alcaline), sticle D (cu constantă dielectrică mică), sticle ECR (cu rezistenţă la coroziune mare). Există trei variante comerciale de sticle E: Sticle cu un conţinut de 5-10%(m) oxid de bor, certificate pentru plăcile cu circuite imprimate şi aplicaţii aerospaţiale; Sticle cu 0-10%(m) B 2 O 3, certificate pentru aplicaţii generale; Sticle fără oxid de bor dezvoltate ca urmare a preocupărilor legate de poluarea mediului înconjurător datorită eliminării borului; sunt derivate din sistemul cuaternar SiO 2 -Al 2 O 3 -CaO-MgO. Tabelul CG Compoziţia fibralor de sticlă de tip E comerciale []. Fibra de sticlă E SiO 2, %(m) B 2 O 3, %(m) Al 2 O 3, %(m) CaO, %(m) MgO, %(m) TiO 2, %(m) Na 2 O, %(m) Fe 2 O 3, %(m) F 2, %(m) Cu bor ,4-4 0,2-0, ,2-0,4 0,2-0,7 Fără bor ,5-1,5 0,5-0,9 0,2 0-0,1 Rezistenţa la coroziune în acid sulfuric 10% a fibrelor de sticlă de tip E fără bor este de şapte ori mai mare decât cea corespunzătoare fibrelor cu bor. Fibrele de tip E fără bor au un indice de refracţie, un coeficient de dilatare liniară şi o constantă dielectrică mai mari decât cele ale fibrelor cu bor. Rezistenţa la coroziune a fibrelor de sticlă depinde de structura lor chimică. Fibrele de tip ECR se obţin prin adaosul de 2% ZnO şi 2% TiO 2 sistemului cuaternar SiO 2 -Al 2 O 3 -CaO-MgO. Fibrele de tip S, cu rezistenţă mecanică mare, sunt derivaţi ai sistemului ternar SiO 2 -Al 2 O 3 -CaO. Fibrele de tip D au un nivel ridicat de oxid de bor (20-26%), ceea ce le conferă constante dielectrice mai mici decât fibrele de tip E. Fibrele de silice ultrapură sau cuarţ (99,99% SiO 2 ) sunt, de asemenea, amorfe. Ele combină rezistenţa superioară la temperaturi înalte cu transparenţa superioară la radiaţia din domeniul UV 11

12 sau cu lungimi de undă mai mari. Sunt utilizate la confecţionarea radomului compozit de la avioane, având rolul de a proteja echipamentul radar de obiecte zburătoare, fulgere şi descărcări statice. Există însă câteva limitări ale acestui tip de materiale. Majoritatea fibrelor de sticlă pot fi utilizate la temperaturi mai mici de 200 C. La temperaturi mai mari, cei mai mulţi polimeri încep să curgă sau se deteriorează. Temperatura de funcţionare poate fi extinsă până la aproximativ 300 C prin utilizarea cuarţului de înaltă puritate la confecţionarea fibrelor şi a polimerilor de înaltă temperatură, precum răşinile poliimidice. Aplicaţiile fibrei de sticlă sunt foarte cunoscute: industria automobilelor şi navală, ţevi din plastic, containere de depozitare. Industria transporturilor utilizează cantităţi tot mai mari de fibră de sticlă cu scopul de a scădea masa vehiculului şi de a îmbunătăţi eficienţa combustibilului. Fibrele de carbon cu diametrul din domeniul 4-10 μm sunt un alt material utilizat pentru consolidarea matricei polimerice. Compozitele polimerice consolidate cu carbon sunt utilizate în prezent pe scară largă la confecţionarea echipamentelor sportive (undiţe, crose de golf, rachete de tenis etc.), vaselor de presiune, componentelor structurale ale aeronavelor comerciale şi militare etc. Fibrele de carbon reprezintă filamente unidimensionale de carbon caracterizate de un raport lungime/diametru > 100. Fibrele de carbon au devenit importante din punct de vedere comercial la sfărşitul anilor 1950, ca urmare a cerinţelor impuse de tehnologia aerospaţială privind materiale compozite rezistente şi cu masă specifică mică. Rezistenţa specifică (rezistenţă/masă) şi modulul de rigiditate corespunzătoare materialelor plastice ramforsate cu fibre de carbon prezintă valori mari, datorate performanţelor fibrelor de carbon constituente. Datorită temperaturii şi presiunii foarte mari necesare pentru a obţine fibre de carbon din topitură, acest procedeu nu este utilizat la scară industrială. Industrial, fibrele de carbon se obţin din precursori organici, printr-un proces în trei etape: stabilizarea, carbonizarea (piroliza) şi grafitizarea. Fibrele obţinute după piroliza în atmosferă inertă sunt cunoscute sub numele de fibre de carbon, în timp ce grafitizarea acestora prin tratare la temperaturi mai mari de 2500 C în atmosferă inertă duce la obţinerea fibrelor de grafit. Există trei tipuri de fibre de carbon: (i) Fibre pe bază de poliacrilonitril (PAN; etapele procesului de obţinere a acestui tip de fibre sunt prezentate în Fig. CG iar reacţiile corespunzătoare acestora se pot consulta la Fibrele de carbon obţinute din precursor PAN constau din unităţi structurale mici de carbon aliniate preferenţial, cu segmente hexagonale de carbon orientate paralel cu axa fibrei. (ii) Fibre pe bază de smoală mezofazică constau din straturi grafitice aliniate aproape paralel cu axa fibrei; acest grad înalt de cristalinitate este responsabil pentru modulul de rigiditate ridicat caracteristic acestora. (iii) Fibre de carbon obţinute din fază de vapori constau din straturi cilindrice coaxiale de grafene, asemănătoare nanotuburilor de carbon cu pereţi multipli. Sunt obţinute direct din hidrocarburi în fază gazoasă (benzen sau metan), utilizând un proces de creştere catalitică (Fig. CG.03-12). Particulele ultrafine de fier (cu diametrul < 10 nm) sunt dispersate pe un substrat ceramic, iar hidrocarbura gazoasă diluată cu hidrogen este trecută peste acesta la o temperatură de aprox C. Pe suprafaţa particulelor de catalizator are loc descompunerea hidrocarburii (numită şi condensare aromatică), proces ce determină afluxul continuu de carbon la particula catalitică şi 12

13 producţia continuă de către particulă a filamentelor tubulare bine organizate. Mai întâi se formează o fibră primară (cu diametrul de căţiva nm), al cărei diametru creşte apoi prin depuneri chimice succesive din fază de vapori. Prin controlul procesului de depunere chimică din fază de vapori (timpul de rezidenţă al fibrei în zona de reacţie, presiunea hidrocarburii), diametrul fibrelor poate fi variat de la câţiva nm (domeniul nanotuburilor de carbon) până la câteva zeci de μm (domeniul uzual al fibrelor decarbon comerciale). Figura CG Etapele procesului de obţinere a fibrelor de carbon din poliacrilonitril (PAN). Morfologia fibrelor de carbon pe bază de PAN şi smoală mezofazică este prezentată în Fig. CG (a) (b) Figura CG Imaginile SEM ale fibrelor de carbon pe bază de PAN (a) şi pe bază de smoală (b) []. 13

14 Figura CG Schema procesului de creştere a fibrelor de carbon []. Cele trei structuri diferite au proprietăţi fizice diferite, deşi fiecare tip de fibră posedă o reţea hexagonală de carbon, caracterizată de cale mai puternice legături covalente din natură. Aceste legături interatomice puternice determină performanţele mecanice ridicate ale fibrelor de carbon. Utilizarea fibrelor de carbon este datorată rezistenţei lor mecanice mari, în timp ce fibrele de grafit posedă un modul de rigiditate mare. Fibrele de bor sunt utilizate în principal pentru ranforsarea polimerilor şi metalelor. Fibrele de bor sub formă de monofilamente se obţin prin depunerea chimică din fază de vapori a borului pe un fir de tungsten sau pe un filament de carbon, primul dintre acestea fiind cel mai des utilizat. Fibrele de bor astfel obţinute au diametre din domeniul μm. Proprietăţile fibrelor de bor sunt influenţate de raportul dintre diametrul total al fibrei şi diametrul miezului de tungsten. Compozitele ranforsate cu fibre de bor sunt atractive datorită combinaţiei dintre rezistenţa lor superioară la tracţiune, la compresie şi la îndoire, modulul de rigiditate mare şi densitatea mică. Fibrele pe bază de carbură de siliciu sunt utilizate de obicei pentru ranforsarea metalelor şi materialelor ceramice. Fibrele de tip monofilament sunt produse prin depunere chimică in fază de vapori a carburii de siliciu de puritate înaltă pe un miez reprezentat de un monofilament de carbon. Fibrele de tip multifilament pe bază de carbură de siliciu se obţin prin piroliza polimerilor. Acestea conţin diverse cantităţi de siliciu, carbon, dar şi oxigen, titan, azot, zirconiu şi hidrogen. Fibrele pe bază de alumină constituie materiale de ranforsare pentru metale şi materiale ceramice şi au o compoziţie variată. Pe lângă alumină, în compoziţia acestor fibre mai intră oxid de bor, oxid de siliciu şi oxid de zirconiu. Fibrele de aramidă sau fibrele de poliamidă aromatică (în care cel puţin 85% dintre grupările amidice sunt ataşate la inelele aromatice) sunt caracterizate de un modul de rigiditate mare, fiind utilizate la ranforsarea polimerilor, pentru protecţie balistică (la vestele antiglonţ), dar şi ca înlocuitor pentru asbest. 14

15 DuPont produce şi comercializează două tipuri de fibre de aramidă: Nomex (meta-aramidă) şi Kevlar (para-aramidă) (Fig. CG.03.13) []. Kevlar - poli(parafenilen tereftalamidă) a fost utilizat iniţial la confecţionarea pneurilor. În prezent, acest material este folosit la obţinerea adezivilor, materialelor de etanşare, în balistică şi apărare, pentru connfecţionarea curelelor şi furtunelor, a compozitelor, cablurilor electro-mecanice, produselor de fricţiune şi garniturilor, echipamentelor de protecţie, a frânghiilor şi cablurilor, dar şi a echipamentelor sportive (trambuline, rachete de tenis). Fibrele de Kevlar sunt mult mai rezistente decât fibrele de sticlă şi oţelul. Lanţurile din structura Kevlarului sunt orientate paralel; cea mai importantă caracteristică structurală este orientarea radială a inelelor benzenice care conferă moleculei o structură simetrică şi foarte ordonată. Rezultă astfel structuri fibroase, cu un schelet repetitiv simplu, extrem de rezistent, cu foarte puţine defecte (puncte slabe). Se obţine prin reacţia dintre para-fenilendiamină şi topitura diclorurii acidului tereflatic, utilizând ca solvent N-metilpirolidona. Caracteristicile principale ale Kevlarului sunt: rezistenţă la tracţiune mare, alungire la rupere scăzută, rigiditate structurală mare, conductivitate electrică joasă, rezistenţă chimică mare, contracţia termică scăzută, stabilitate dimensională foarte bună. Materialul are o bună rezistenţă la flacără, fiind caracterizat de autoextincţie. Figura CG Structura cristalină a fibrei de aramidă []. Nomex - poli(m-fenilen izoftalamidă) a fost dezvoltat de DuPont pentru fabricarea produselor care necesită o bună stabilitate dimensională şi o rezistenţă mare la încălzire. Nomex nu curge, nu se topeşte şi nu se degradează sau carbonizează până la 370 C. Compozitul cu 95% Nomex şi 5% Kevlar este utilizat pentru confecţionarea echipamentului de protecţie al pompierilor şi a tapiţeriei scaunelor din avioane. 15

16 Din punct de vedere structural, Nomex se diferenţiază de Kevlar prin localizarea grupării amidice la inelul aromatic, care îi conferă acestuia o rezistenţă la tracţiune mai mică, o elongaţie mai mare şi o solubilitate mai mare în solvenţi organici comparativ cu Kevlarul. Nomexul se obţine prin reacţia dintre m-fenilendiamină şi diclorura acidului izoftalic. Adeseori matricea determină temperatura maximă la care funcţionează compozitul, deoarece, în general, aceasta se înmoaie, se topeşte sau se degradează la temperaturi mult mai mici decât ranforsarea. Aplicaţii Compozitele cu matrice polimerică sunt materialele structurale de bază în industria de apărare şi aerospaţială. Datorită costului ridicat al acestor materiale, pătrunderea lor în economia civilă este un proces ce evoluează de sus în jos, de la aplicaţii cu valoare adăugată mare (precum industria aeronautică şi cea a automobilelor) la aplicaţii cu nivel tehnologic scăzut, precum construcţiile. Aproximativ 50% din producţia de materiale compozite este utilizată în industria aerospaţială. Principalele avantaje ale materialelor compozite cu matrice metalică faţă de materialele metalice sunt rezistenţa specifică şi rigiditatea lor ridicate, precum şi rezistenţa crescută la oboseală şi coroziune şi a proprietăţilor de amortizare a vibraţiilor. Principala motivaţie a introducerii compozitelor cu matrice polimerică în industria automobilelor este diminuarea costurilor. Cel mai mare volum de materiale compozite este utilizat pentru confecţionarea pieselor nestructurale, precum panourile exterioare. Dintre componentele structurale, arborele conducător şi arcurile în foi sunt confecţionate din materiale compozite avansate. Materialele compozite cu matrice polimerică vor permite designerilor să diminueze numărul de piese necesare pentru asamblarea autovehiculului. În plus, compozitele avansate îmbunătăţesc substanţial proprietăţile mecanice specifice, diminuând masa şi crescând simultan rezistenţa, rigiditatea şi rezistenţa la coroziune. Principala barieră tehnologică în calea utilizării compozitelor cu matrice polimerică în industria automobilelor este lipsa tehnologiilor de fabricaţie adaptate la viteza de producţie. Compozitele cu matrice polimerică sunt utilizate la confecţionarea rotoarelor centrifugilor, utilajelor de ţesut şi braţelor roboţilor. În aplicaţiile din domeniul roboticii, îmbunătăţirile vizează creşterea atât viteza cât şi acurateţea punctului final. Rigiditatea acestor compozite este proprietatea mecanică responsabilă pentru limitarea acurateţei punctului final. În cazul utilizării materialelor metalice, rigiditatea este obţinută prin creşterea masei, ceea ce limitează timpul de răspuns al robotului. Datorită rigidităţii lor superioare raportate la unitatea de masă, compozitele avansate reprezintă o alternativă la metale pentru confecţionarea braţelor roboţilor. Compozitele cu matrice polimerică sunt utilizate în prezent pentru confecţionarea protezelor şi implanturilor medicale. CG Compozite cu matrice metalică În compozitele cu matrice metalică, matricea este reprezentată de un metal ductil. Aceste materiale sunt utilizate la temperaturi de funcţionare mai mari decât cele ale metalului de bază. Posibilitatea de a combina diverse materiale (metal, ceramică, nemetal) oferă oportunităţi practic nelimitate. 16

17 Proprietăţile acestor noi materiale sunt determinate de proprietăţile componentelor sistemului compozit. Spre deosebire de compozitele cu matrice polimerică, cele cu matrice metalică funcţionează la temperaturi mai mari, sunt neinflamabile şi au o rezistenţă mai mare la degradarea cu fluide organice. Sunt însă şi mult mai scumpe, ceea ce limitează aplicaţiile lor la domenii speciale. În prezent, materialele compozite cu matrice metalică se află doar la începutul evoluţiei lor. Ranforsările utilizate în compozitele cu matrice metalică trebuie să îndeplinească următoarele condiţii generale: densitate joasă; compatibilitate mecanică (coeficient de dilatare termică compatibil cu cel al matricei); compatibilitate chimică; stabilitate termică; compresibilitate şi rezistenţă la întindere ridicate; procesabilitate bună; eficienţă economică. Aceste condiţii pot fi îndeplinite numai de către ranforsările nemetalice. În cazul matricei metalice, ranforsările utilizate cel mai adesea sunt particulele ceramice şi fibrele de carbon. Alegerea materialelor de ranforsare depinde de materialul matricei şi de aplicaţia vizată. Există numeroase tehnici de obţinere a materialelor compozite cu matrice metalică. În selectarea tehnicii adecvate se ţine cont de tipul, cantitatea şi distribuţia componentelor de ranforsare (particule sau fibre), de aliajul utilizat ca matrice şi de aplicaţie. Prin modificarea metodei de fabricare, de procesare şi de finisare se pot obţine materiale cu proprietăţi diferite pentru aceeaşi compoziţie. Procesele primare utilizate la scară industrială pentru obţinerea compozitelor cu matrice metalică pot fi clasificate în două mari grupe: procese în stare solidă; procese în stare lichidă. Procesele în stare solidă sunt: amestecarea pulberilor, urmată de consolidare, legarea prin difuzie şi tehnicile de depunere din fază de vapori. În categoria proceselor în stare lichidă intră: turnarea, infiltrarea şi procesarea in situ (reactivă). Alegerea căii de procesare depinde de numeroşi factori; dintre aceştia menţionăm tipul şi încărcarea cu material de ranforsare, precum şi gradul de integritate microstructurală dorit. Deşi prin metalurgia pulberilor se obţin compozite cu matrice metalică cu proprietăţi mecanice mai bune, procesare în stare lichidă prezintă unele avantaje, asigurând: o mai bună legătură între matrice şi particulele de ranforsare; un control mai bun al structurii matricei; este o metodă simplă; cost scăzut pentru procesare; o bază largă de selecţie a materialelor []. 17

18 Caracteristicile compozitelor cu matrice metalică sunt determinate de microstructura lor şi de interfeţele interne. Acestea, la rândul lor, depind de procesul de preparare şi de istoricul termomecanic al materialelor. În ceea ce priveşte microstructura, aceasta este influenţată de structura matricei şi a fazei de ranforsare. Astfel, prezintă importanţă compoziţia chimică, dimensiunea particulelor, textura, comportamentul la precipitare şi defectele de reţea ale matricei, precum şi procentul de volum, tipul, dimensiunea, distribuţia şi orientarea ranforsantului. O influenţa semnificativă asupra microstructurii compozitului o au şi variaţiile locale ale tensiunii interne datorate diferenţei între coeficienţii de dilatare termică ai componentelor (matrice şi ranforsant). Cunoscând caracteristicile componentelor, a cantităţii, precum şi a distribuţiei şi orientării acestora este posibilă modelarea în vederea estimării caracteristicilor compozitelor metalice. În procesul de modelare se utilizează aproximaţii ce pornesc de la condiţii ideale: formarea optimă a suprafeţe de separaţelor de separaţie, distribuţie ideală - cu un număr mic de contacte între particulele sau fibrele de ranforsare -, absenţa influenţelor ranforsării asupra matricei. În realitate, între componentele compozitului se manifestă interacţii puternice; de aceea, modelele arată numai o tendinţă în ceea ce priveşte caracteristicile compozitului. Interacţiunile chimice şi reacţiile care au loc între matrice şi componentul de ranforsare determină adeziunea de la interfaţă, modifică proprietăţile componentelor compozitului şi influenţează semnificativ caracteristicile sale mecanice. În cazul aplicaţiilor de înaltă temperatură ale compozitelor cu matrice metalică, microstructura acestora trebuie să rămână stabilă pe perioade de funcţionare lungi. Modificările microstructurii şi ale interfeţelor influenţează stabilitatea termică, ducând la deteriorarea compozitului. Cele mai utilizate matrici metalice sunt bazate pe aluminiu şi titan. Ambele metale posedă mase specifice mici şi sunt disponibile într-o mare diversitate de forme aliate. Deşi magneziul este mai uşor decât Al şi Ti, afinitatea sa crescută pentru oxigen promotează coroziunea atmosferică, făcându-l impropriu pentru numeroase aplicaţii. Beriliul - cel mai uşor metal structural - este friabil, neputând fi utilizat ca material pentru matrice. Aliajele nichelului şi cobaltului prezintă dezavantajul că elementele lor de aliere tind să accentueze procesul de oxidare a fibrelor la temperaturi ridicate. Aluminiul şi aliajele sale s-au bucurat de cea mai mare atenţie ca materiale de matrice pentru MMC. Proprietăţile compozitelor cu matrice de Al pot fi ajustate prin varierea naturii şi fracţiei de volum a componenţilor. Avantajele majore ale acestui tip de materiale, comparativ cu materialele neranforsate, sunt []: rezistenţă superioară; rigiditate îmbunătăţită; densitate scăzută; proprietăţi îmbunătăţite în domeniul temperaturilor înalte; controlul coeficientului de dilatare termică; management termic; performanţă electrică crescută şi ajustabilă; abraziune şi rezistenţă la uzură îmbunătăţite. Dezavantajul major al compozitelor cu matrice metalică este reprezentat de costul ridicat de fabricaţie şi al materialelor de ranforsare. De aceea, pentru extinderea aplicaţiilor lor trebuie 18

19 eficientizat procesul de producţie. Creşterea cererii de materiale uşoare cu performanţe ridicate a condus la dezvoltarea compozitelor cu matrice de aluminiu. Turnarea metalelor în stare semisolidă este utilizat la prelucrarea metalelor neferoase, precum Al, Cu, Mg. Aceasta se realizează la o temperatură cuprinsă între cea corespunzătoare solidului şi lichidului, proporţia de solid din compoziţia metalului fiind cuprinsă între 30 şi 65%. În această stare metalul are o vâscozitate scăzută. În cazul aliajelor de aluminiu, domeniul de temperatură utilizabil este de 5-10 C, pe când pentru aliajele cuprului acesta este mult mai îngust (de numai câteva zecimi de grad). Regimul termic caracteristic procesului de preparare a materialelor compozite cu matrice pe bază de Al prin turnare sub presiune este prezentat în Fig. CG Figura CG Regimul termic al procesului de turnare sub presiune din stare semi-solidă pentru obţinerea compozitelor cu matrice pe bază de Al. SiC este cel mai utilizat material de ranforsare pentru matricea pe bază de Al. În general, pentru sinteza materialului compozit trebuie surmontate problemele asociate incompatibilităţii ceramică/metal (în special legate de capacitatea de umectare a Al faţă de SiC). În plus, trebuie evitată încorporarea aerului pe parcursul imersiei şi dispersiei particulelor de ranforsant. Capacitatea de umectare a Al pentru SiC este afectată de reacţia dintre acestea, cu formare de Al 4 C 3 la interfaţă, printr-un mecanism de dizolvare-precipitare. Formarea carburii de aluminiu poate fi controlată prin utilizarea unor temperaturi mai scăzute (sub 700 C), dar şi prin minimizarea timpului de amestecare şi turnare. Un alt inconvenient este reprezentat de oxidarea aluminiului, proces ce inhibă umectarea particulelor sau fibrelor ranforsantului. Îmbunătăţirea umectării cu Al a SiC se poate realiza prin includerea unor elemente reactive (de ex. Li, Mg) în matrice sau prin acoperirea elementelor structurale ale ranforsantului cu un film metalic (Ni sau Cu). Într-un studiu recent, Veeresh Kumar şi colab. [15] au arătat efectul ranforsării cu SiC a aliajului Al6061 asupra proprietăţilor sale mecanice. Aliajul Al6061 are în compoziţie, pe lângă Al, 0,62% Si, 0,23% Fe, 0,22% Cu, 0,03% Mn, 0,84% Mg, 0,22% Cr, 0,10% Zn, 0,1% Ti (procente de masă). Ranforsarea s-a realizat cu particule de SiC cu diametrul de 20 μm. S-au preparat compozite în care conţinutul de ranforsant a fost variat (2, 4, 6%). S-a observat o creştere a densităţii, microdurităţii 19

20 Vickers şi rezistenţei la tracţiune corespunzătoare compozitelor odată cu creşterea conţinutului de SiC. Prin urmare, SiC îmbunătăţeşte proprietăţile mecanice ale aliajlor de aluminiu. Aplicaţii industriale Compozitele cu matrice metalică (CMM) constituie o alternativă la materialele tradiţionale datorită durităţii, rezistenţei specifice şi rezistenţei la deformare. Deşi interesul acordat CMM este ridicat, acest tip de compozite vizează aplicaţii de nişă ca urmare a costurilor mari. CMM sunt utilizate în special în domeniul aerospaţial şi aeronautic, acolo unde costurile materialelor nu sunt limitate, urmărindu-se numai îmbunătăţirea continuă a performanţelor acestora. În ultimul timp, CMM şi-au găsit aplicaţii şi în industria automobilelor (la fabricarea motoarelor şi sistemelor de frânare). Toyota Motor utilizează CMM la fabricarea pistoanelor în motoarele diesel încă din Pistonul este expus unor condiţii mecanice şi termice dinamice severe. El trebuie să reziste la sarcini mecanice ciclice, cu o frecvenţă de aprox. 100 Hz, necesitând un răspuns la oboseală foarte bun. De asemenea, este necesar să posede o rezistenţă la uzură foarte bună, iar coeficientul de dilatare termică trebuie să fie compatibil cu cel al cilindrului. Deoarece acesta este expus unor temperaturi ridicate (până la 300 C), sunt importante proprietăţile pistonului în acest domeniu de temperatură. În plus, acesta este expus unui gradient termic; prin urmare este necesar ca materialul pistonului să posede o conductivitate termică ridicată, diminuându-se astfel tensiunile termice. Pistonul ranforsat selectiv oferă o rezistenţă la oboseală superioară. Coeficientul de dilatare termică scăzut a permis reproiectarea pistonului, ducând la o etanşare mai bună, presiuni mai mari şi proprietăţi mai bune de transfer termic. Înainte de 1983, partea superioară a pistoanelor şi zona canalelor erau confecţionate din fontă. Performanţele superioare ale pistoanelor confecţionate din CMM justifică însă diferenţa de preţ dintre cele două tipuri de materiale. Utilizarea blocurilor motoare de aluminiu a condus la necesitatea dezvoltării manşoanelor protectoare pentru cilindri din motivele menţionate anterior în cazul pistoanelor. Manşoanele cilindrilor confecţionate din CMM pe bază de aluminiu au fost utilizate în producţia de masă din 1990 la motoarele Honda Prelude cu capacitatea de 2,3 L. Rezistenţa la uzură a CMM din aluminiu este mai mare comparativ cu cea a fontei. Prin înlocuirea fontei cu CMM pe bază de Al s-a obţinut o diminuare a masei totale a blocului motor cu 20%. În plus, CMM pe bază de Al au o conductivitate termică superioară, ceea ce duce la scăderea temperaturii de funcţionare şi, implicit, la extinderea duratei de viaţă a motorului []. Supapele de admisie şi evacuare coordonează transportul amestecului aer/combustibil şi al gazelor de eşapament din motoarele automobilelor. Ambele tipuri de supape fiind supuse unei sarcini mecanice ciclice la frecvenţe de 50 Hz, o importanţă deosebită au proprietăţile de oboseală. Mai mult, gazele care vin în contact cu supapa de evacuare pot atinge temperaturi de până la 900 C; de aceea, materialul din care este confecţionată aceasta trebuie să posede o rezistenţă bună la fluaj. Compoziţia gazelor de eşapament variază şi ea cu acceleraţia; în medie, atmosfera care înconjoară supapa de evacuare este oxidantă, materialul din care este confecţionată trebuind să aibă o rezistenţă la oxidare ridicată. În general, supapele sunt confecţionate din oţel austenitic. Din 1998, au început să fie utilizate supape fabricate din CMM pe bază de titan ranforsat discontinuu (pentru prima dată la Toyota Altezza cu motor de 2.0 L-4). Matricea supapelor de admisie este aliajul Ti-6Al-4V, în timp ce cea a valvelor de evacuare este aliajul Ti-6.5Al-4.6Sn-4.6Zr-1Nb-1Mo-0.3Si, ranforsarea fiind realizată cu monoborură de titan (TiB). 20

21 CMM pe bază de aluminiu sunt utilizate şi la realizarea sistemelor de frânare, înlocuind cu succes fonta. Datorită rezistenţei la oboseală şi conductivităţii termice ridicate, CMM cu Al sunt folosite la confecţionarea rotoarelor frânelor cu discuri şi tambururilor frânelor, obţinându-se totodată o diminuare a masei cu 50-60%. Rotoarele din CMM asigură o accelerare crescută şi reducerea distanţei de frânare. Pentru matrice se folosesc aliaje aluminiu-magneziu şi aluminiu-siliciu, iar drept ranforsanţi particule de SiC şi Al 2 O 3, în proporţie de cel puţin 20 % (vol.). CG Compozite cu matrice ceramică Dezvoltarea compozitelor cu matrice ceramică (CMC) a avut ca scop surmontarea problemelor legate de fisurarea materialelor ceramice convenţionale (alumină, oxid de zirconiu, nitrură de aluminiu etc.) sub acţiunea unor solicitări mecanice sau termo-mecanice, ca urmare a fisurilor iniţiate de unele mici defecte. Cu toate acestea, dezvotarea CMC a rămas în urma dezvoltării celorlalte tipuri de compozite deoarece căile lor de procesare implică temperaturi ridicate. Prin urmare, materialele utilizate pentru ranforsare trebuie să reziste la aceste condiţii. În plus, diferenţele existente între coeficienţii de dilatare termică ai matricei şi materialului de ranforsare generează tensiuni la răcirea compozitului de la temperatura de procesare. În compozitele cu matrice metalică, tensiunea termică acumulată este eliberată prin deformarea plastică a matricei; acest fenomen nu are loc în cazul CMC, ducând la apariţia fisurilor. Natura acestora depinde de contractilitatea ranforsării comparativ cu cea a matricei. Astfel, dacă ranforsarea se contractă mai mult decât matricea, se generează o tensiune termică locală de întindere; în caz contrar apare o tensiune termică locală de compresie. Pentru ranforsările cu macroparticule, dacă coeficientul de dilatare termică al ranforsării (α R ) este mai mare decât cel corespunzător matricei (α M ), la nivelul matricei apar fisuri circulare; dacă, atunci în matrice apar fisuri radiale. În cazul în care ranforsarea este realizată cu fibre, când 21, tensiunea axială indusă în fibre produce o tensiune reziduală de compresie netă în matrice; la răcire, când fibrele se contractă, există tendinţa ca acestea să fie extrase din matrice. Când, tensiunea axială poate determina apariţia fisurilor în matrice. În concluzie, pentru limitarea acestor probleme, coeficienţii de dilatare termică ai matricei şi ranforsării trebuie să aibă valori apropiate. Metodele de procesare a CMC pot fi clasificate în două mari categorii: metode bazate pe consolidarea pulberilor; metode chimice. CMC combină densitatea scăzută cu modulul elastic şi rezistenţa ridicate, spre deosebire de ceramicile monolit. În plus, rezistenţa CMC se păstrează la temperaturi ridicate. Fibrele ceramice (ca de exemplu SiC şi Si 3 N 4 ) se obţin din polisilani. CMC în care matricile ceramice sau de sticlă sunt ranforsate cu fibre continue, fibre scurte sau macroparticule reprezintă o nouă clasă de materiale structurale avansate. Aplicaţiile lor sunt limitate la cele de înaltă temperatură, existând totodată un mare potenţial pentru o gamă mai largă de utilizări în domeniile