2. Σύνθετα υλικά µε ενίσχυση. ινών (fibrous composites) σωµατιδίων (particulate composites) 3. Στρωµατικά σύνθετα υλικά (laminar composites)

Transcript

1 ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ

2 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 1..Ι. Παντελής (2008) «Μη µεταλλικά τεχνικά υλικά», Εκδ. Παπασωτηρίου (2 η έκδοση), Αθήνα 2. Μ. Ashby, H. Shercliff, D. Cebon (2011) «Υλικά: Μηχανική, επιστήµη, επεξεργασία και σχεδιασµός», Εκδ. Κλειδάριθµος (2 η αγγλική έκδοση), Αθήνα 3. D. Askeland, W. Wright (2016) The science and engineering of metals, Cengage Learning Ed. (7 th edition), Boston, USA 4. W. Callister Jr., D. Rethwisch (2017) «Επιστήµη και τεχνολογία των υλικών», Εκδ. Τζιόλας (9 η έκδοση), Θεσσαλονίκη 5. D. Hull (1981) An introduction to composite materials, Cambridge University Press, Cambridge, UK 6. (. Μανωλάκος, Εκπαιδευ-τικό Υλικό για το µάθηµα Εφαρµογές Προηγµένων Υλικών/ Ε.Μ.Π., τελευταία πρόσβαση: )

3 Σύνθετο υλικό (composite material): Αποτελείται από δυο ή περισσότερα µακροσκοπικά διακρινόµενα συστατικά, που συνδυαζόµενα δηµιουργούν νέο υλικό µε ιδιότητες που κανένα από τα δοµικά συστατικά δε µπορεί να επιτύχει. 1. Ενίσχυση (reinforcement): Βελτιωµένες µηχανικές, κυρίως, ιδιότητες 2. Μήτρα (matrix): Συγκράτηση της ενίσχυσης, συνήθως χαµηλής πυκνότητας 1. Σύνθετα υλικά µε ενίσχυση ινών (fibrous composites) 2. Σύνθετα υλικά µε ενίσχυση σωµατιδίων (particulate composites) 3. Στρωµατικά σύνθετα υλικά (laminar composites)

4 Α. ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΜΕ ΕΝΙΣΧΥΣΗ ΙΝΩΝ Ιδιότητες συνθέτου εξαρτώµενες από: Τις ιδιότητες των διακριτών συστατικών Τη συνάφεια ινών-µήτρας (πρόσφυση) Την κατ όγκο αναλογία των ινών Το µήκος των ινών Τον προσανατολισµό τωνινών A.1. ΤΑΞΙΝΟΜΗΣΗ Ως προς το µήκος (l) των ινών Συνεχείς ίνες ή ίνες µεγάλου µήκους (continuous fibres): l/d > 100 Aσυνεχείς ίνες ή ίνες µικρού µήκους (discontinuous fibres): l/d < 100 Tριχίτες (whiskers): λεπτές µονοκρυσταλλικές ίνες κεραµικού Ως προς τον προσανατολισµό των ινών Μονοδιευθυντικά σύνθετα: προσανατολισµός ινών προς την ίδια διεύθυνση Πολυδιευθυντικά σύνθετα: (α) ίνες τυχαίων διευθύνσεων, (β) ίνες σε πλέξη

5 A.2. ΙΝΕΣ ΕΝΙΣΧΥΣΗΣ Α.2.1. ΙΝΕΣ ΓΥΑΛΙΟΥ

6 A.2. ΙΝΕΣ ΕΝΙΣΧΥΣΗΣ Α.2.2. ΙΝΕΣ ΑΝΘΡΑΚΑ

7 A.2. ΙΝΕΣ ΕΝΙΣΧΥΣΗΣ Α.2.3. ΠΟΛΥΜΕΡΙΚΕΣ ΙΝΕΣ

8 A.2. ΙΝΕΣ ΕΝΙΣΧΥΣΗΣ Α.2.4. ΛΟΙΠΕΣ ΙΝΕΣ Ορυκτών: ίνες αµιάντου (κρυσταλλικά ινίδια, d=20nm, σε οµάδες ~500 ινιδίων) Μεταλλικές: βορίου, βηρυλλίου, βολφραµίου Κεραµικές: καρβιδίου του πυριτίου και αλουµίνας

9 A.3. ΜΗΤΡΑ ΣΥΝΘΕΤΟΥ Πολυµερικές (θερµοκρασία λειτουργίας <300 C): Θερµοπλαστικές (πολυαιθυλένιο, PE και πολυστυρένιο, PS) Θερµοσκληρυνόµενες (πολυεστέρας, εποξικές ρητίνες, φαινολικές ρητίνες) Ανθρακα (θερµοκρασία λειτουργίας <500 C): Κόκκοι άνθρακα από πυρόλυση Μεταλλικές (υψηλές θερµοκρασίες λειτουργίας) Κεραµικές (υψηλές θερµοκρασίες λειτουργίας): Al 2 O 3,MgO ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΜΕΤΑΛΛΙΚΩΝ ΕΝΑΝΤΙ ΠΟΛΥΜΕΡΙΚΩΝ Καλύτερος συνδυασµός ολκιµότητας- µηχανικών ιδιοτήτων Αύξηση της δυσκαµψίας Καλύτερη συµπεριφορά σε χηµικούς παράγοντες Μεγαλύτερο θερµοκρασιακό εύρος χρήσης Θερµική/ ηλεκτρική αγωγιµότητα Ευκολία σύνδεσης δοµικών στοιχείων ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΜΕΤΑΛΛΙΚΩΝ ΕΝΑΝΤΙ ΠΟΛΥΜΕΡΙΚΩΝ Εύθραυστες ενδοµεταλλικές ενώσεις στη διεπιφάνεια Υψηλότερο βάρος κατασκευής ιαλυτοποίηση ινών στη µεταλλική µήτρα σε υψηλές θερµοκρασίες Ασυνέχεια µηχανικών ιδιοτήτων Υψηλό κόστος παραγωγής

10 ΙΝΕΣ ΓΥΑΛΙΟΥ ΣΕ ΠΟΛΥΜΕΡΙΚΗ ΜΗΤΡΑ ΙΝΕΣ Al 2 O 3 ΜΗΤΡΑ ΚΡΑΜΑΤΟΣ Al ΙΝΕΣ C ΜΗΤΡΑ ΚΡΑΜΑΤΟΣ Al

11 Α.4. ΕΠΙΛΟΓΗ ΣΥΣΤΑΤΙΚΩΝ ΣΥΝΘΕΤΟΥ 1. ΓΕΩΜΕΤΡΙΑ ΙΝΩΝ Συντελεστής σχήµατος ίνας, s=l/d H αντοχή των ινών αυξάνεται µετοµήκος και τη µείωση της διαµέτρου Για ασυνεχείς ίνες, υπολογίζεται το κρίσιµο µήκος: (σts: αντοχή σε εφελκυσµό, τ i : διατµητικήτάσηστηδιεπιφάνεια) Aν l < l c χαµηλή ενίσχυση ίνας Αν l > 15 l c ηίνασυµπεριφέρεται ως συνεχής l c = σ TS. d 2. τ i 2. ΠΟΣΟΣΤΟ ΙΝΩΝ Αύξηση κατ όγκο αναλογίας αύξηση της αντοχής και της δυσκαµψίας Ποσοστό > 80% προβλήµατα κατασκευής του συνθέτου Χρήση ινών δυο τύπων υβριδικά σύνθετα

12 Α.4. ΕΠΙΛΟΓΗ ΣΥΣΤΑΤΙΚΩΝ ΣΥΝΘΕΤΟΥ 3. ΠΡΟΣΑΝΑΤΟΛΙΣΜΟΣ ΙΝΩΝ Συνεχείς µονοδιευθυντικές ίνες υψηλή ανισοτροπία υλικού Ηαντοχήσεεφελκυσµό εξαρτάται από τη διεύθυνση της επιβαλλόµενης δύναµης

13 Α.4. ΕΠΙΛΟΓΗ ΣΥΣΤΑΤΙΚΩΝ ΣΥΝΘΕΤΟΥ 3. ΠΡΟΣΑΝΑΤΟΛΙΣΜΟΣ ΙΝΩΝ Άρση της ανισοτροπίας µε χρήση πολυστρωµατικών συνθέτων, στα οποία η ενίσχυση µονοδιευ-θυντικών συνεχών ινών έχει διαφορετικό προσανατολισµό στις διαδοχικές στρώσεις Συµβολισµός (α) (β) [(90/0) 4 ] Τ (γ) [(±45) 4 ] Τ (δ) [0/90/45/-45] S Τ: η διαδοχή στρώσεων αφορά όλο το έλασµα S: ύπαρξη συµµετρίας Γωνίες της διεύθυνσης των ινών µε τοδιαµήκη άξονα του συνθέτου

14 Α.4. ΕΠΙΛΟΓΗ ΣΥΣΤΑΤΙΚΩΝ ΣΥΝΘΕΤΟΥ 4. Ι ΙΟΤΗΤΕΣ ΙΝΩΝ Η σύγκριση γίνεται ως προς τα ειδικά µεγέθη που αξιολογούνται 5. ΣΥΝΑΦΕΙΑ ΙΝΩΝ -ΜΗΤΡΑΣ Ισχυροί δεσµοί στη διεπιφάνεια προς αποφυγή εκρίζωσης (pull-out) Κεφαλαιώδους σηµασίας η µέγιστη αναµενόµενη θερµοκρασία κατά τη χρήση (σχετική διαστολή συστολή ινών/ µήτρας) Συχνά η καλή πρόσφυση επιτυγχάνεται µετηνεπικάλυψητωνινών

15 ΜΕΤΑΒΟΛΗ ΤΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Ι ΙΟΤΗΤΩΝ ΜΕ ΤΗ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ

16 Α.5. ΜΟΡΦΟΠΟΙΗΣΗ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΠΟΛΥΜΕΡΙΚΗΣ ΜΗΤΡΑΣ ΑΣΥΝΕΧΗΣ ΜΟΡΦΟΠΟΙΗΣΗ

17 Α.5. ΜΟΡΦΟΠΟΙΗΣΗ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΠΟΛΥΜΕΡΙΚΗΣ ΜΗΤΡΑΣ ΣΥΝΕΧΗΣ ΜΟΡΦΟΠΟΙΗΣΗ

18 Α.5. ΜΟΡΦΟΠΟΙΗΣΗ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΜΕΤΑΛΛΙΚΗΣ ΜΗΤΡΑΣ ΜΕ ΕΝΙΣΧΥΣΗ

19 Β. ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΜΕ ΕΝΙΣΧΥΣΗ ΣΩΜΑΤΙ ΙΩΝ Ισότροπα σύνθετα, µε ειδικό βάρος που προκύπτει από το νόµο τωνµιγµάτων, µε κύριαιδιότητατηνυψηλήαντιτριβικήτουςσυµπεριφορά. Ειδική κατηγορία: τα κεραµοµεταλλικά υλικά (CerMet), που οριακά µπορούν να χαρακτηριστούν σύνθετα Γ. ΠΟΛΥΣΤΡΩΜΑΤΙΚΑ ΣΥΝΘΕΤΑ ΚΑΙ SANDWICH ΥΛΙΚΑ

20 ΧΑΡΤΕΣ ΕΠΙΛΟΓΗΣ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΠΟΛΥΜΕΡΙΚΗΣ (PMC) ΚΑΙ ΜΕΤΑΛΛΙΚΗΣ ΜΗΤΡΑΣ (MMC)