Υλικά για Ενεργειακές Εφαρμογές CMNG_2197- Κώστας Γαλιώτης

Υλικά για Ενεργειακές Εφαρμογές CMNG_2197- Κώστας Γαλιώτης Κεφάλαιο 1. Σύνθετα Υλικά Υλικά για Ενεργειακές Εφαρμογές/ Κεφάλαιο 1 - Σύνθετα Υλικά 1

Περιεχόμενα Μαθήματος 1. Εισαγωγικές έννοιες. Είδη σύνθετων υλικών. Ετερογένεια και ανισοτροπία. Υλικά χρησιμοποιούμενα ως μήτρα (πολυμερή, μέταλλα, κεραμικά). Είδη και τύποι ενισχυτικού μέσου. Νανοσύνθετα. 2. Η διεπιφάνεια στα σύνθετα υλικά: Πρόσφυση και αλληλεπιδράσεις. Μέθοδοι ελέγχου της διεπιφάνειας. Μοντέλα μεταφοράς μηχανικών τάσεων μέσω της διεπιφανείας. 3. Μέθοδοι παρασκευής: Αυτόκλειστος φούρνος. Χύτευση με μεταφορά ρητίνης. Μορφόποιηση με περιέλιξη ινών. Μορφοποίηση με την τεχνική pultrusion. Μορφοποίηση με πλέξη ινών. 4. Εφαρμογές: Αεροναυπηγική και αεροδιαστημική. Αυτοκινητοβιομηχανία και μεταφορές. Ανεμογεννήτριες. Βιομηχανία αθλητικών προϊόντων. Υλικά για Ενεργειακές Εφαρμογές/ Κεφάλαιο 1 - Σύνθετα Υλικά 2

Ορισμοί (1/2) Τα σύνθετα υλικά είναι στην πλειοψηφία τους δομικά υλικά που προκύπτουν από τον συνδυασμό δύο ή περισσοτέρων υλικών με ιδιότητες ανώτερες από τις ιδιότητες των επί μέρους συνιστωσών τους. Τα επί μέρους υλικά αναμειγνύονται σε μακροσκοπικό επίπεδο και δεν είναι διαλυτά το ένα στο άλλο. Συνήθως η μία από τις συνιστώσες φάσεις ονομάζεται φάση ενίσχυσης διότι είναι εκείνη που δύναται να φέρει τα εξασκούμενα φορτία. Η άλλη φάση που παίζει το ρόλο του μέσου μεταφοράς ονομάζεται μήτρα. Ένας τέτοιος ορισμός περιλαμβάνει ένα τεράστιο φάσμα υλικών πολλά εκ των οποίων συναντώνται καθημερινώς μπροστά μας, π.χ. το σκυρόδεμα, ή αποτελούν μέρος του σώματος μας όπως οι μυϊκοί ιστοί. Παραδείγματος χάριν οι μυϊκοί ιστοί αποτελούνται από ίνες κολλαγόνου εμβαπτισμένες σε μία εύκαμπτη μήτρα. Συμπερασματικά τα σύνθετα υλικά ορίζονται ως δύο ή περισσότερα φυσικώς ευδιάκριτα μηχανικώς διαχωριζόμενα υλικά και η παρασκευή τους βασίζεται στη φυσική ανάμειξη διακεκριμένων υλικών, έτσι ώστε η κατανομή των επιμέρους φάσεων να είναι ελεγχόμενη προς επίτευξη βέλτιστων ιδιοτήτων. Υλικά για Ενεργειακές Εφαρμογές/ Κεφάλαιο 1 - Σύνθετα Υλικά 3

Ορισμοί (2/2) Τα περισσότερα σύνθετα υλικά έχουν δημιουργηθεί για να βελτιωθούν οι συνδυασμοί των μηχανικών χαρακτηριστικών των υλικών όπως η δυσκαμψία, η δυσθραυστότητα αλλά και η αντοχή σε υψηλές θερμοκρασίες αλλά και σε θερμοκρασίες περιβάλλοντος Ένα απλός τρόπος για την ταξινόμηση των συνθέτων υλικών αποτελείται από τρείς κατηγορίες: ενίσχυση κόκκων, ενίσχυση ινών και δομικά σύνθετα υλικά. Επίσης, δύο τουλάχιστον υποκατηγορίες υπάρχουν για το καθένα από αυτά. Η διασπαρμένη φάση (ενίσχυσης) για τα κοκκώδη σύνθετα υλικά είναι η ίδια σε όλους τους άξονες (με άλλα λόγια, οι διαστάσεις των κόκκων είναι περίπου η ίδια για όλες τις διευθύνσεις). Για τα ινώδη σύνθετα υλικά, η διασπαρμένη φάση έχει τη γεωμετρία της ίνας (με άλλα λόγια, ο λόγος μήκους της ίνας προς τη διάμετρο της είναι μεγάλος). Υλικά για Ενεργειακές Εφαρμογές/ Κεφάλαιο 1 - Σύνθετα Υλικά 4

Ταξινόμηση Βάσει Σχήματος της Ενισχυτικής Φάσης Υλικά για Ενεργειακές Εφαρμογές/ Κεφάλαιο 1 - Σύνθετα Υλικά 5

Ταξινόμηση Σύνθετα υλικά Ενίσχυση κόκκου Ινώδη Δομικά Μεγάλου κόκκου Ενίσχυση διασποράς Συνεχή (ευθυγραμμισμέ να) Ασυνεχή (κοντές ίνες) Πολύστρωτα Πανέλα τύπου σάντουιτς Ευθυγραμμισμένα Τυχαία προσανατολισμένα Υλικά για Ενεργειακές Εφαρμογές/ Κεφάλαιο 1 - Σύνθετα Υλικά 6

Γεωμετρικά χαρακτηριστικά Συγκέντρωση Μέγεθος Σχήμα Κατανομή/ ευθυγράμμιση Προσανατολισμός Υλικά για Ενεργειακές Εφαρμογές/ Κεφάλαιο 1 - Σύνθετα Υλικά 7

Γεωμετρίες Ινωδών Συνθέτων Ασυνεχείς Συνεχείς Τυχαίες Ευθυγραμμισμένες Υλικά για Ενεργειακές Εφαρμογές/ Κεφάλαιο 1 - Σύνθετα Υλικά 8

Γεωμετρίες Ευθυγραμμισμένων Ινωδών Συνεχή Ευθυγραμμισμένα Ασυνεχή Ευθυγραμμισμένα Υλικά για Ενεργειακές Εφαρμογές/ Κεφάλαιο 1 - Σύνθετα Υλικά 9

Οι τελικές ιδιότητες ενός ινώδους συνθέτου υλικού εξαρτώνται και από τις γεωμετρικές παραμέτρους όπως διάμετρος, μήκος, περιεκτικότητα σε όγκο, ευθυγράμμιση και χωρική διάταξη των ινών εντός του υλικού μήτρας. Σε μία μονοδιάστατη στρώση οι ίνες θεωρούνται διαταγμένες παράλληλα η μια δίπλα στην άλλη σχηματίζοντας τετραγωνικό ή εξαγωνικό πλέγμα. Η περιεκτικότητα κατ όγκο των ινών, V f (volume fraction), προκύπτει αναλυτικά για κάθε μία ιδανική διάταξη V f Περιεκτικότητα κατ όγκο-1 2 2 r r, Vf 2 3 R 4 R (1) εξαγωνική διάταξη (2) τετραγωνική διάταξη Υλικά για Ενεργειακές Εφαρμογές/ Κεφάλαιο 1 - Σύνθετα Υλικά 10

Περιεκτικότητα κατ όγκο-2 V f 2 3 2 2 r r, Vf R 4 R (1) εξαγωνική διάταξη (2) τετραγωνική διάταξη Υλικά για Ενεργειακές Εφαρμογές/ Κεφάλαιο 1 - Σύνθετα Υλικά 11

Τομή ΣΥ Μικροσκοπική απεικόνιση τομής κάθετης στην διεύθυνση των ινών σε σύνθετο υαλονημάτων/πολυεστέρα Υλικά για Ενεργειακές Εφαρμογές/ Κεφάλαιο 1 - Σύνθετα Υλικά 12

Διαμήκης διεύθυνση ΣΥ Ασυνεχούς Ίνας Εγκάρσια διεύθυνση (a) (b) (c) Η ταξινόμηση ή ο προσανατολισμός των ινών, η συγκέντρωση και η κατανομή των ινών έχουν σημαντική επίδραση πάνω στην αντοχή και στις άλλες ιδιότητες των ινωδών συνθέτων υλικών. Όσον αφορά τον προσανατολισμό δύο ακραίες περιπτώσεις είναι πιθανές: (1) παράλληλη ευθυγράμμιση στην διεύθυνση διαμήκους άξονα των ινών και (2) πλήρως τυχαίo προσανατολισμό. Υλικά για Ενεργειακές Εφαρμογές/ Κεφάλαιο 1 - Σύνθετα Υλικά 13

Πολυμερή Σύνθετα Τα σύνθετα υλικά πολυμερούς μήτρας (ΣΥΠΜ) αποτελούνται από μία πολυμερή ρητίνη ως μήτρα και ίνες ως το μέσον ενίσχυσης. Αυτά τα υλικά χρησιμοποιούνται σε ένα μεγάλο εύρος εφαρμογών συνθέτων υλικών, επίσης σε πολλές ποσότητες, όσον αφορά τις ιδιότητές τους σε θερμοκρασία δωματίου, την ευκολία παραγωγής, και το κόστος. Σε αυτήν την ενότητα οι διάφορες ταξινομήσεις των ΣΥΠΜ κατατάσσονται σύμφωνα με τον τύπο της ενίσχυσης (π.χ. γυαλί, άνθρακας, και αραμίδιο), μαζί με τις εφαρμογές του και τις διάφορες πολυμερείς ρητίνες που χρησιμοποιούνται. Υλικά για Ενεργειακές Εφαρμογές/ Κεφάλαιο 1 - Σύνθετα Υλικά 14

Ίνες Γενικά Υλικό Οξείδιο του Αλουμινίου Αραμίδιο (Kevlar 49) Ειδικό Βάρος Εφελκυστική Αντοχή [GPa] Ειδική Αντοχή [GPa] Μέτρο Ελαστικότητας [GPa] Ειδικό Μέτρο Ελαστικότητας [GPa] 3,95 1,38 0,35 379 96 1,44 3,6-4,1 2,5-2,85 131 91 Άνθρακας α 1,78-2,15 1,5-4,8 0,70-2,70 228-724 106-407 Γυαλί τύπου Ε 2,58 3,45 1,34 72,5 28,1 Βόριο 2,57 3,6 1,40 400 156 Καρβίδιο του Πυριτίου UHMWPE (Spectra 900) 3,0 3,9 1,30 400 156 0,97 2,6 2,68 117 121 Υλικά για Ενεργειακές Εφαρμογές/ Κεφάλαιο 1 - Σύνθετα Υλικά 15

Πολυμερείς Μήτρες (1/2) Οι πιο ευρέως χρησιμοποιούμενες και λιγότερο ακριβές πολυμερείς ρητίνες είναι οι πολυεστέρες και βινυλεστέρες. Αυτά τα μητρικά υλικά χρησιμοποιούνται κυρίως για σύνθετα υλικά ενισχυμένα με υαλονήματα. Οι εποξειδικές ρητίνες είναι πιο ακριβές και εκτός τις εμπορικές εφαρμογές που έχουν, χρησιμοποιούνται ευρέως και σε ΣΥΠΜ για αεροναυπηγικές εφαρμογές. Έχουν καλύτερες μηχανικές ιδιότητες και αντοχή στην υγρασία από τους πολυεστέρες και τους βινυλεστέρες. Για εφαρμογές υψηλών θερμοκρασιών χρησιμοποιούνται οι πολυιμιδικές ρητίνες. Το ανώτατο θερμοκρασιακό όριο για συνεχή χρήση αυτών των ρητινών είναι περίπου οι 230 ο C (450 ο F). Τέλος οι θερμοπλαστικές ρητίνες υψηλών θερμοκρασιών έχουν τη δυνατότητα να χρησιμοποιηθούν σε μελλοντικές αεροναυπηγικές εφαρμογές. Σε αυτά τα υλικά συγκαταλέγονται η πολυαιθερική αιθερική κετόνη (PEEK), το πολυφαινυλο-σουλφίδιο (PPS), και το πολυαιθερικό ιμίδιο (PEI). Υλικά για Ενεργειακές Εφαρμογές/ Κεφάλαιο 1 - Σύνθετα Υλικά 16

Πολυμερείς Μήτρες (2/2) Τύπος Θερμο-σκληρυνόμενες Εποξειδικές Πολυεστέρες Πυκνότητα/ kg / m 3 1.1-1.4 1.2-1.5 Μέτρο ελαστικότητας/ GPa 3-6 2-4 Εφελκυστική αντοχή GPa 0.035-0.1 0.04-0.1 Μέγιστη παραμόρφωση/ % 1-6 2 Θερμο-πλαστικές Νάϋλον 6,6 Πολυπροπυλαίνιο PEEK 1.14 0.9 1.26-1.32 1.4-2.8 1.0-1.4 3.6 0.06-0.07 0.02-0.04 0.17 40-80 300 50 Υλικά για Ενεργειακές Εφαρμογές/ Κεφάλαιο 1 - Σύνθετα Υλικά 17

Υαλονήματα Τύπος Ειδικό βάρος/ kg / m 3 Μέτρο ελαστικότητας/ GPa Εφελκυστική αντοχή GPa Σχόλια E-glass 2.54 76 3.5 Καλές ηλεκτρικές ιδιότητες, αντοχή και δυσκαμψία. C-glass 2.60 69 3.3 Υψηλή αντίσταση στην χημική διάβρωση, αλλά με χαμηλότερη αντοχή και αυξημένο κόστος σε σχέση με το E-glass. S-glass 2.49 85 4.6 Υψηλότερη δυσκαμψία και θερμική αντοχή αλλά και υψηλότερο κόστος σε σχέση με το E-glass. Υλικά για Ενεργειακές Εφαρμογές/ Κεφάλαιο 1 - Σύνθετα Υλικά 18

ΣΥΠΜ με Ίνες Γυαλιού Οι διάμετροι των ινών συνήθως κυμαίνονται από 3 μέχρι 20 μm. Το γυαλί : 1. Ελκύεται εύκολα από το τήγμα σε ίνες υψηλής αντοχής. 2. Είναι άμεσα διαθέσιμο και μπορεί να παραχθεί οικονομικά σε πλαστικό ενισχυμένο με γυαλί χρησιμοποιώντας μία ευρεία ποικιλία τεχνικών παραγωγής συνθέτων. 3. Ως ίνα είναι σχετικά ισχυρή, και όταν εμβαπτίζεται σε μία πλαστική μήτρα παράγεται ένα σύνθετο υλικό το οποίο έχει πολύ υψηλή ειδική αντοχή. 4. Όταν συζευχθεί με διάφορα πλαστικά έχει μία χημική αδράνεια η οποία καθιστά το σύνθετο υλικό χρήσιμο σε μία μεγάλη ποικιλία διαβρωτικών μέσων. Περιορισμοί: Δεν είναι πολύ δύσκαμπτα (π.χ ως δομικά στοιχεία σε αεροπλάνα και γέφυρες). Περιορίζονται σε θερμοκρασίες λειτουργίας κάτω των 200 ο C (400 ο F). Σε υψηλότερες θερμοκρασίες, τα περισσότερα πολυμερή αρχίζουν να διαρρέουν ή να υποβαθμίζονται. Υλικά για Ενεργειακές Εφαρμογές/ Κεφάλαιο 1 - Σύνθετα Υλικά 19

Ανθρακονήματα Τύπος Πυκνότητα/ kg / m 3 Μέτρο ελαστικότητας/ GPa Εφελκυστική αντοχή/ GPa Μέγιστη παραμόρφωση/ % HM Carbon (Ι) 1.95 400 2.4 0.60 HS Carbon (ΙΙ) 1.75 230 3.5 1.50 Υλικά για Ενεργειακές Εφαρμογές/ Κεφάλαιο 1 - Σύνθετα Υλικά 20

Ανθρακονήματα Δομή Σχηματική απεικόνιση της δομής και μορφολογίας των ινών άνθρακος Υλικά για Ενεργειακές Εφαρμογές/ Κεφάλαιο 1 - Σύνθετα Υλικά 21

ΣΥΠΜ με Ίνες Άνθρακα Τα ανθρακονήματα είναι ίνες υψηλής απόδοσης και είναι τα πιο ευρέως χρησιμοποιούμενα ενισχυτικά μέσα σε προηγμένα (π.χ. μη fiberglass) σύνθετα υλικά πολυμερούς μήτρας: 1. Οι ίνες άνθρακα έχουν το υψηλότερο ειδικό μέτρο ελαστικότητας και την υψηλότερη ειδική αντοχή από όλα τα ινώδη ενισχυτικά υλικά. 2. Διατηρούν τα υψηλά μέτρα ελαστικότητας σε εφελκυσμό και την υψηλή αντοχή σε υψηλές θερμοκρασίες (η οξείδωση σε υψηλές θερμοκρασίες μπορεί να είναι πρόβλημα). 3. Στη θερμοκρασία δωματίου οι ίνες άνθρακα δεν επηρεάζονται από την υγρασία ή από μία μεγάλη ποικιλία διαλυτών, οξέων, και βάσεων. 4. Αυτές οι ίνες παρουσιάζουν ένα εύρος φυσικών και μηχανικών χαρακτηριστικών, δίνοντας τη δυνατότητα στα σύνθετα υλικά που τις εμπεριέχουν να έχουν ειδικά σχεδιασμένες ιδιότητες. 5. Έχουν αναπτυχθεί διαδικασίες παραγωγής ινών για σύνθετα υλικά οι οποίες είναι σχετικά φθηνές και αποτελεσματικές ως προς το κόστος τους. Υλικά για Ενεργειακές Εφαρμογές/ Κεφάλαιο 1 - Σύνθετα Υλικά 22

Αραμιδικές Ίνες Οι αραμιδικές ίνες είναι υλικά υψηλής αντοχής και υψηλού μέτρου ελαστικότητας. Τα υλικά αυτά είναι επιθυμητά κυρίως για τις έξοχες τιμές των λόγων αντοχής ανά βάρος οι οποίοι είναι ανώτεροι των αντίστοιχων των μετάλλων. Χημικά, είναι γνωστά σαν πολυ(παρα-φαινυλο-τερεφθαλαμίδια). Μονομερής ομάδα Διεύθυνση ίνας Υλικά για Ενεργειακές Εφαρμογές/ Κεφάλαιο 1 - Σύνθετα Υλικά 23

ΣΥΠΜ με Αραμιδικές Ίνες Τα εμπορικά ονόματα των δύο πλέον κοινών τύπων είναι το Kevlar και το Nomex. Για το πρώτο υπάρχουν διάφορες διαβαθμίσεις (ήτοι Kevlar 29, 49 και 149) οι οποίες έχουν διαφορετικές μηχανικές συμπεριφορές. Κατά τη διάρκεια της χημικής σύνθεσης, τα άκαμπτα μόρια προσανατολίζονται στη διεύθυνση του άξονα της ίνας ως υγροκρυσταλλικές περιοχές. Μηχανικά αυτές οι ίνες έχουν διαμήκεις εφελκυστικές αντοχές και εφελκυστικά μέτρα ελαστικότητας τα οποία είναι υψηλότερα από τα αντίστοιχα των άλλων πολυμερών ινών, όμως είναι σχετικά αδύνατες σε θλίψη. Επιπρόσθετα,, αυτό το υλικό είναι γνωστό για την δυσθραυστότητα του, την αντοχή σε κρούση, και την αντοχή σε ερπυσμό και αστοχία σε κόπωση Υλικά για Ενεργειακές Εφαρμογές/ Κεφάλαιο 1 - Σύνθετα Υλικά 24

Διάγραμμα Τάσης-Παραμόρφωσης Συνθέτων (1/2) Composite Υλικά για Ενεργειακές Εφαρμογές/ Κεφάλαιο 1 - Σύνθετα Υλικά 25

Διάγραμμα Τάσης-Παραμόρφωσης Συνθέτων (2/2) Ινα Στάδιο Ι Ίνα Σύνθετο υλικό Μήτρα Μήτρα Αστοχία Στάδιο ΙΙ Παραμόρφωση (a) Παραμόρφωση (b) Υλικά για Ενεργειακές Εφαρμογές/ Κεφάλαιο 1 - Σύνθετα Υλικά 26

ΣΥΠΜ Συγκεντρωτικός Πίνακας Ιδιότητα Γυαλί (τύπου Ε) Άνθρακα (υψηλής αντοχής) Αραμίδιο (Kevlar 49) Ειδικό βάρος 2.1 1,6 1,4 Εφελκυστικό μέτρο ελαστικότητας Εφελκυστική Αντοχή Διαμήκες [GPa] 45 145 76 Εγκάρσιο [GPa] 12 10 5,5 Διαμήκης [MPa] 1020 1240 1380 Εγκάρσια [MPa] 40 41 30 Τελική εφελκυστική παραμόρφωση Διαμήκης 2,3 0,9 1,8 Εγκάρσια 0,4 0,4 0,5 Μηχανικές ιδιότητες συνθέτων υλικών εποξειδικής μήτρας ενισχυμένων με συνεχείς και προσανατολισμένες ίνες γυαλιού, άνθρακα και αραμιδίου σε διαμήκεις και εγκάρσιες διευθύνσεις. Σε όλες τις περιπτώσεις το ογκομετρικό κλάσμα ινών είναι 0.60 Υλικά για Ενεργειακές Εφαρμογές/ Κεφάλαιο 1 - Σύνθετα Υλικά 27

Διαμήκης Αντοχή ΣΥ Συνεχών Ινών Η πιο συνήθης περίπτωση είναι ε f* < ε * m (οι ίνες αστοχούν πριν από τη μήτρα). Από τη στιγμή που οι ίνες έχουν σπάσει, το μεγαλύτερο μέρος του φορτίου το οποίο φέρεται από τις ίνες μεταφέρεται τώρα στη μήτρα. Σε αυτή την περίπτωση είναι δυνατόν να προσαρμόσουμε την έκφραση του κανόνα των μιγμάτων και να πάρουμε την ακόλουθη έκφραση για τη διαμήκη αντοχή, σ * cl,του συνθέτου υλικού: σ * cl = σ m (1-V f ) + σ* f V f Το σ m είναι η τάση της μήτρας στο σημείο της αστοχίας της ΙΝΑΣ και η σ * f είναι η εφελκυστική αντοχή της ίνας. Υλικά για Ενεργειακές Εφαρμογές/ Κεφάλαιο 1 - Σύνθετα Υλικά 28

Εγκάρσια Αντοχή ΣΥ Συνεχών Ινών Εγκάρσια Εφελκυστική Αντοχή Οι αντοχές των συνεχών και μονοαξονικών ινωδών συνθέτων υλικών είναι άκρως ανισότροπες και αυτού του είδους τα σύνθετα υλικά συνήθως σχεδιάζονται ώστε να φορτίζονται κατά μήκος της διαμήκους διεύθυνσης υψηλής αντοχής. Όμως, κατά τη διάρκεια της χρήσης, μπορούν να είναι επίσης παρόντα εγκάρσια εφελκυστικά φορτία. Σε αυτές τις περιπτώσεις πρόωρη αστοχία μπορεί να επέλθει καθόσον η εγκάρσια αντοχή είναι συνήθως πάρα πολύ χαμηλή (π.χ. Ανάλογη της εφελκυστικής αντοχής της μήτρας αν και μερικές φορές είναι μικρότερη ). Υλικά για Ενεργειακές Εφαρμογές/ Κεφάλαιο 1 - Σύνθετα Υλικά 29

Συγκριτικός Πίνακας Τυπικές διαμήκεις και εγκάρσιες εφελκυστικές αντοχές για τρία μονοαξονικά σύνθετα υλικά ενισχυμένα με ίνες. Η περιεκτικότητα σε ίνα για κάθε ένα από αυτά είναι περίπου 50% κατά όγκο. Υλικό Εφελκυστική διαμήκης αντοχή (MPa) Εγκάρσια εφελκυστική αντοχή (MPa) Γυαλί-Πολυεστέρας 700 20 Άνθρακας (Υψηλού μέτρου ελαστικότητας)-εποξειδική ρητίνη 1000 35 Kevlar-Εποξειδική ρητίνη 1200 20 Υλικά για Ενεργειακές Εφαρμογές/ Κεφάλαιο 1 - Σύνθετα Υλικά 30

Συγκριτικό Διάγραμμα (Ashby) Υλικά για Ενεργειακές Εφαρμογές/ Κεφάλαιο 1 - Σύνθετα Υλικά 31