ΣΥΝΘΕΤΑ & ΔΟΜΙΚΑ ΥΛΙΚΑ: ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΚΑΙ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ Άλκης Παϊπέτης Τμήμα Επιστήμης & Τεχνολογίας Υλικών Τμήμα Επιστήμης &
Composites in Action
ΣΥΝΘΕΤΑ ΚΑΙ ΔΟΜΙΚΑ ΥΛΙΚΑ ΘΕΜΑΤΑ... Ποια είναι τα είδη των δομικών συνθέτων υλικών; Γιατί χρησιμοποιούνται αντί για τα μέταλλα, τα πολυμερή ή τα κεραμικά Πως υπολογίζουμε τις μηχανικές τους ιδιότητες; Ποιές είναι οι τυπικές εφαρμογές; Τμήμα Επιστήμης & 1
ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ: --Πολυφασικά υλικά με ικανή κ.β. Αναλογία κάθε φάσης Τμήμα Επιστήμης & ΟΡΙΣΜΟΙ Μήτρα: --Η συνεχής φάση --Έχει ώς ρόλο: τη μεταφορά τάσεων στις άλλες φάσεις την προστασία των άλλων φάσεων από το περιβάλλον --Κατηγοριοποίηση: MMC, CMC, PMC metal ceramic polymer Ασυνεχής ή διασκορπισμένη φάση: --ρόλος: ενίσχυση της μήτρας. MMC: αύξηση sy, TS, αντοχή σε ερπυσμό CMC: αύξηση της δυσθραυστότητας PMC: αύξηση E, sy, TS, αντοχή σε ερπυσμό -- Κατηγοριοποίηση : σωματίδα, ίνες, δομικά woven fibers 0.5mm cross section view 0.5mm D. Hull and T.W. Clyne, An Introduction to Composite Materials, 2nd ed., Cambridge University Press, New York, 1996, Fig. 3.6, p. 47. 2
ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ: ΣΩΜΑΤΙΔΙΑ-I (a) σωματίδια Παραδείγματα: Fiber-reinforced ίνες Structural Δομικά Al / SiC MMCs for aerospace automotive industry, Reprinted with permission from D. Myriounis, University of Ioannina Τμήμα Επιστήμης & -Automobile tires matrix: rubber (compliant) (b) 0.75μm particles: C (stiffer) Adapted from Fig. 16.5, Callister 6e. (Fig. 16.5 is courtesy Goodyear Tire and Rubber Company.) 3
ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ: ΣΩΜΑΤΙΔΙΑ-IΙ σωματίδια Μέτρο ελαστικότητας, Ec: -- Δύο προσεγγίσεις. Data: Cu matrix w/tungsten particles E(GPa) 350 300 250 200 150 Fiber-reinforced ίνες upper limit: rule of mixtures E c = V m E m + V p E p lower limit: 1 = V m + V p E c E m E p Structural Δομικά Adapted from Fig. 16.3, Callister 6e. (Fig. 16.3 is from R.H. Krock, ASTM Proc, Vol. 63, 1963.) 0 20 40 60 80 100 vol% tungsten (Cu) (W) Κατ αναλογία: -- Ηλεκτρική αγωγιμότητα, se: Αντικατάσταση E με se. -- Θερμική αγωγιμότητα, k: Αντικατάσταση E με k. Τμήμα Επιστήμης & 4
ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ: ΙΝΕΣ-I σωματίδια Fiber-reinforced ίνες Συνεχείς προσανατολισμένες ίνες παραδείγματα: --Μέταλλα: γ'(ni3al)-α(mo) Ευτηκτική σύσταση. matrix: α (Mo) (ductile) Structural Δομικά --Glass w/sic fibers (απόυαλοπολτό) Eglass = 76GPa; ESiC = 400GPa. Τμήμα Επιστήμης & 2μm fibers:γ (Ni3Al) (brittle) From W. Funk and E. Blank, Creep deformation of Ni3Al-Mo in-situ composites", Metall. Trans. A Vol. 19(4), pp. 987-998, 1988. Used with permission. (a) (b) fracture surface From F.L. Matthews and R.L. Rawlings, Composite Materials; Engineering and Science, Reprint ed., CRC Press, Boca Raton, FL, 2000. (a) Fig. 4.22, p. 145 (photo by J. Davies); (b) Fig. 11.20, p. 349 (micrograph by H.S. Kim, P.S. Rodgers, and R.D. Rawlings). Used with permission of CRC Press, Boca Raton, FL. 5
ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ: ΙΝΕΣ-IΙ σωματίδια Fiber-reinforced ίνες Ασυνεχείς, τυχαία διασκορπισμενες 2D ίνες Παράδειγμα: Carbon-Carbon --κατασκευή: ίνα/πίσσα, και πυρόλυση στους 2500C. --χρήσεις: δισκόφρενα, τουρμπίνες, προστατευτικά κελύφη Επίσης: -- Ασυνεχείς, τυχαία διασκορπισμενες 3D ίνες -- Ασυνεχείς, 1D ίνες (b) (a) Structural Δομικά C fibers: very stiff very strong C matrix: less stiff view onto plane less strong fibers lie in plane Adapted from F.L. Matthews and R.L. Rawlings, Composite Materials; Engineering and Science, Reprint ed., CRC Press, Boca Raton, FL, 2000. (a) Fig. 4.24(a), p. 151; (b) Fig. 4.24(b) p. 151. (Courtesy I.J. Davies) Reproduced with permission of CRC Press, Boca Raton, FL. Τμήμα Επιστήμης & 6
ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ: ΙΝΕΣ-IΙΙ σωματίδια Κρίσιμο μήκος ίνας: Αντοχή ίνας σε εφελκυσμό fiber length > 15 σ f d τ c Διάμετρος ίνας Διατμητική αντοχή της διεπιφάνειας Π.χ γιαfiberglass μήκος ίνας > 15mm Γιατί; Οι μακρύτερες ίνες ευνοούν τη μεταφορά τάσης Κοντή ίνα: fiber length < 15 σ f d τ c σ(x) Fiber-reinforced ίνες Adapted from Fig. 16.7, Callister 6e. Μακρία ίνα: fiber length > 15 σ f d τ c σ(x) Structural Δομικά Ανεπαρκής μεταφορά τάσης Τμήμα Επιστήμης & Καλύτερη μεταφορά τάσης 7
ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ: ΙΝΕΣ-IV σωματίδια Υπολογίσμός Ec και TS: --ισχύει όταν -- Μέτρο ελαστικότητας παράλληλα με την ενίσχυση: E c = E m V m + KE f V f Βαθμός απόδοσης: --προσανατολισμένη 1D: K = 1 (ανισότροπο) --τυχαία 2D: K = 3/8 (2D ισότροπο) --τυχαία 3D: K = 1/5 (3D ισότροπο) -- Αντοχή στη διεύθυνση της ίνας: Fiber-reinforced ίνες fiber length > 15 σ f d τ c Structural Δομικά Callister 6e. (Source for Table 16.3 is H. Krenchel, Fibre Reinforcement, Copenhagen: Akademisk Forlag, 1964.) (TS) c = (TS) m V m + (TS) f V f (προσανατολισμένο 1D) Τμήμα Επιστήμης & 8
ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ: ΔΟΜΙΚΑ-I σωματίδια Πολύστρωτα σύνθετα υλικά -- Διαστρωμάτωση: e.g., [0/90]s -- κέρδος: ισοσταθμισμένη, συνεπίπεδη δυσκαμψία Σύνθετα Sandwich -- χαμηλής πυκνότητας, κυψελωτός πυρήνας -- Κέρδος: βάρος, καμπτική ακαμψία face sheet adhesive layer honeycomb Fiber-reinforced ίνες Structural Δομικά Adapted from Fig. 16.16, Callister 6e. Adapted from Fig. 16.17, Callister 6e. (Fig. 16.17 is from Engineered Materials Handbook, Vol. 1, Composites, ASM International, Materials Park, OH, 1987. Τμήμα Επιστήμης & 9
CMCs: Δυσθραυστότητα Force particle-reinf Τμήμα Επιστήμης & un-reinf ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ: Κέρδος fiber-reinf Bend displacement MMCs: αντοχή σε ερπυσμό εss (s -1 10-6 ) 10-4 6061 Al 10-8 10 3 E(GPa) 10 2 10 6061 Al w/sic whiskers PMCs: Μεγάλο E/ρ.1.01 G=3E/8 K=E 10-10 σ(mpa) 20 30 50 100 200 1 PMCs ceramics metal/ metal alloys polymers.1.3 1 3 10 30 Density, ρ [Mg/m 3 ] Adapted from T.G. Nieh, "Creep rupture of a silicon-carbide reinforced aluminum composite", Metall. Trans. A Vol. 15(1), pp. 139-146, 1984. Used with permission. 10
ΠΕΡΙΛΗΨΗ Τα ΣΥ κατηγοριοποιούνται σύμφωνα με: -- τη μήτρα (CMC, MMC, PMC) -- την ενίσχυση (σωματίδια, ίνες, στρώσεις). Η ενίσχυση βελτιώνει τις ιδιότητες της μήτρας: -- MMC: σy, TS, αντοχή σε ερπυσμό -- CMC: Kc -- PMC: E, σy, TS, αντοχή σε ερπυσμό Ενίσχυση με σωματίδια: -- ομέτροελατικότηταςυπολογίζεται. -- το υλικό είναι μακροσκοπικά ισότροπο. Ενίσχυση με ίνες: --Ε &TS υπολογίζονται στη διεύθυνση της ίνας. -- Ισότροπα ή ανισότροπα. Δομικά: -- Πολύστρωτες ή sandwich δομές. Τμήμα Επιστήμης & 11
ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΔΟΜΙΚΩΝ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ
50 % 787 2007 Τμήμα Επιστήμης &
ΣΥΝΘΕΤΑ & ΔΟΜΙΚΑ ΥΛΙΚΑ: ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΚΑΙ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ Δομή μαθήματος Τμήμα Επιστήμης &
ΘΕΜΑΤΑ 1. ΔΙΕΠΙΦΑΝΕΙΑ 2. ΕΦΕΛΚΥΣΜΟΣ 3. ΘΛΙΨΗ 4. ΚΑΜΨΗ 5. ΔΙΑΤΜΗΣΗ 6. ΘΡΑΥΣΗ 7. ΚΡΟΥΣΗ 8. ΚΟΠΩΣΗ 9. ΣΤΑΤΙΚΗ ΚΑΙ ΔΥΝΑΜΙΚΗ ΚΑΤΑΠΟΝΗΣΗ ΣΕ ΔΙΑΒΡΩΤΙΚΑ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΑ 10. ΜΗ ΚΑΤΑΣΤΡΟΦΙΚΟΙ ΕΛΕΓΧΟΙ Τμήμα Επιστήμης &
ΔΙΕΠΙΦΑΝΕΙΑ Γειτονικές ίνες Συγκέντρωση τάσης 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 Απόσταση κατά μήκος της ίνας Ανενεργό μήκος (ineffective length) Θραύση ίνας σ z (z) πr 2 τ (z) 2πRdz rz 2 [ σ ( z) + dσ (z)] πr z z dz 2R τ rz = R d σ z ( z ) 2 dz Τμήμα Επιστήμης &
ΕΦΕΛΚΥΣΜΟΣ
ΘΛΙΨΗ
ΔΙΑΤΜΗΣΗ
ΘΡΑΥΣΗ G IC = 3P δ c 2Ba c c G IIC = 9P 2 2B(2L 2 Cα 3 3 + 3α ) Τμήμα Επιστήμης &
ΚΡΟΥΣΗ Laminate Impactor Contact Stresses Low - velocities Compressive Stress Wave Tensile Stress Wave Delaminated Plate Delaminated Areas Τμήμα Επιστήμης &
ΚΟΠΩΣΗ
ΣΤΑΤΙΚΗ ΚΑΙ ΔΥΝΑΜΙΚΗ ΚΑΤΑΠΟΝΗΣΗ ΣΕ ΔΙΑΒΡΩΤΙΚΑ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΑ 180 150 Storage modules (GPa) 120 90 60 30 30 0 C 80 0 C 0 0 10 20 30 Immersion time (hours) 1/2 Loss factor 0.06 0.04 0.02 30 0 C 45 0 C 60 0 C 70 0 C Variation of Storage Modulus with immersion time at two reference temperatures. 0.00 0 10 20 30 Immersion time (hours) 1/2 Variation of Loss Factor (tanδ) with immersion time over a wide temperature range. Τμήμα Επιστήμης &
ΜΗ ΚΑΤΑΣΤΡΟΦΙΚΟΙ ΕΛΕΓΧΟΙ C-Scan of a Advanced Composite Combustor Chamber Acoustic emission thermography Τμήμα Επιστήμης &
ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 1. Σύνθετα Υλικά, Κ. Μπέλτσιος 2. Materials Science and Engineering: An Introduction (5 th edition), chapter 17, William D. Callister 3. Composite materials: Engineering and Science, F. L. Matthews and R. D. Rawlings 4. Σύνθετα υλικά, Γ. Παπανικολάου, Δ. Μουζάκης Τμήμα Επιστήμης &
Εκπόνηση Διπλωματικής (Ι) Ανάπτυξη διατάξεων/ιδιοσυσκευών: Ανάπτυξη ιδιοσυσκευής για την παρασκευή πολυμερικών ινών από τήγμα (melt spinning) και την μετέπειτα έκταση αυτών (solid state drawing). Ανάπτυξη διάταξης για ερπυσμό/χαλάρωση υλικών σε διαβρωτικά περιβάλλοντα. Εφαρμογή της διάταξης για την μελέτη συνθέτων υλικών. Ανάπτυξη συστήματος μελέτης ερπυσμού των υλικών (με την χρήση του προγράμματος labview). Τμήμα Επιστήμης &
Εκπόνηση Διπλωματικής (ΙΙ) Περιβάλλον / Ανακύκλωση / Συσκευασία: Μελέτη της εναπομένουσας αντοχής συνθέτων υλικών μετά από περιβαλλοντική καταπόνηση. Μελέτη υλικών και συστημάτων συσκευασίας στα πλαίσια συνεργασίας με την Procter & Gamble στις Βρυξέλλες και στα πλαίσια πρακτικής άσκησης. Τμήμα Επιστήμης &
Εκπόνηση Διπλωματικής (ΙΙΙ) Βιολογικά υλικά / συστήματα: Μηχανική συμπεριφορά βιολογικών ιστών. Μελέτη ελαστικών ιδιοτήτων βιολογικών υλικών με μη-καταστροφικές μεθόδους. Τμήμα Επιστήμης &
Εκπόνηση Διπλωματικής (ΙV) Μηχανική Συμπεριφορά συνθέτων υλικών: Μελέτη της πυκνότητας/διάδοσης ρωγμών σε διαφανή δοκίμια εποξειδικής μήτρας ενισχυμένων με ίνες γυαλιού με την βοήθεια οπτικών και ακουστικών μεθόδων. Μελέτη περιοχών συγκέντρωσης τάσης με θερμικές μεθόδους. Μηχανική, θερμομηχανική και μικροσκοπική μελέτη ινών PVA τροποποιημένων με νανοσωλήνες άνθρακα. Μελέτη της μηχανικής και ηλεκτρικής συμπεριφοράς γραφιτικών ινών υψηλής δυσθραυστότητας. Τμήμα Επιστήμης &
Εκπόνηση Διπλωματικής (V) Μη καταστροφικός έλεγχος: Ανάπτυξη μεθόδου ακουστικής μικροσκοπίας για την μελέτη επιφανειών/διεπιφανειών των υλικών. Ανάπτυξη μεθόδου μη-γραμμικής ακουστικής μικροσκοπίας (σε επόμενο εξάμηνο). Στατική και δυναμική μελέτη συνθέτων υλικών, που έχουν ως μητρικό υλικό εποξειδική ρητίνη τροποποιημένη με νανοσωλήνες άνθρακα και ως υλικό ενίσχυσης ίνες άνθρακα μίας διεύθυνσης. 2- Μη-καταστροφικός έλεγχος. Μελέτη ελαστικών ιδιοτήτων προϊόντων θερμής συμπίεσης με μη-καταστροφικές μεθόδους. Τμήμα Επιστήμης &
Εκπόνηση Διπλωματικής (VΙ) Για περισσότερες πληροφορίες επικοινωνήστε με τους: Λέκτορα κα. Ν.-Μ. Μπάρκουλα, nbarkoul@cc.uoi.gr, +7926 Αν. Καθηγητή κ. Α. Παϊπέτη, paipetis@cc.uoi.gr, +7926 Αν. Καθηγητή κ. Θ. Ματίκα, matikas@otenet.gr, +7926, +7216 Τμήμα Επιστήμης &