Επιχειρησιακό Πρόγραμμα Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση «Επικαιροποίηση γνώσεων αποφοίτων Α.Ε.Ι.» ΠΕΓΑ_ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΚΑΙ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΗ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ (MIS: 478889) ΔΙΔΑΚΤΙΚΗ ΕΝΟΤΗΤΑ 2.2. Σύνθετα υλικά για κατασκευές μικρού βάρους Δρ. Αντώνιος ΤΣΟΛΑΚΗΣ, Επίκουρος Καθηγητής Α.Ε.Ι. Πειραιά Τ.Τ. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Πρόγραµµατος «Εκπαίδευση και ια Βίου Μάθηση» και συγχρηµατοδοττειται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταµείο) και από εθνικούς πόρους. Οργανώνεται από το Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών Τ.Ε. του Α.Ε.Ι. Πειραιά Τ.Τ., σε συνεργασία με το Τμήμα Μηχανικών Επιστήμης Υλικών του Πανεπιστημίου Ιωαννίνων και το Τμήμα Εκπαιδευτικών Μηχανολόγων Μηχανικών της Α.Σ.ΠΑΙ.ΤΕ.
ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Κεφάλαιο 1 : Σύνθετα υλικά 1.1. Εισαγωγή 3 1.2. Ιστορική αναδρομή 4 1.3. Ταξινόμηση σύνθετων υλικών 5 1.3.1. Ανάλογα με τη μορφή του συστατικού ενίσχυσης 5 1.3.2.Ανάλογα με τον προσανατολισμό και τη διάταξη των ινών μέσα στη μήτρα 5 1.3.3. Υποομάδες πολυδιευθυντικών συνθέτων 5 1.3.4. Με βάση το λόγο μήκους προς διάμετρο ( l / d ) των ινών 6 1.3.5. Άλλες κατηγορίες συνθέτων υλικών 6 1.4. Ίνες 7 1.5. Τριχίτες 7 1.6. Μήτρες 8 1.6.1. Οργανικές μήτρες 9 1.6.2. Μεταλλικές μήτρες 9 1.6.3. Κεραμικές μήτρες 10 Κεφάλαιο 2 : Μηχανολογικές εφαρμογες 2.1. Αεροναυπηγική 11 2.1 Ναυπηγική 30 2.1 Υψηλής αντοχής προπέλες σκαφών 33 2.1 Αυτοκινητοβιομηχανία 35 2.1 Έμβολα κινητήρων Diesel 36 2.1 Κοπτικά εργαλεία 37 2.1 Ιδιότητες ενισχυτικών ινών σύνθετων υλικών 40 2.1 Τεχνικές μορφοποίησης σύνθετων υλικών 41 Βιβλιογραφία 43
Κεφάλαιο 1 : Σύνθετα υλικά 1.1. Εισαγωγή Για ένα σύστημα ο όρος σύνθετο σημαίνει ότι τούτο αποτελείται από δύο ή περισσότερα διακριτά μέρη. Από γενική άποψη, λοιπόν, ένα υλικό αποτελούμενο από δύο ή περισσότερα διαφορετικά υλικά ή φάσεις, μπορεί να χαρακτηριστεί ως σύνθετο υλικό (composite material). Πιο ειδικά, σήμερα, ως σύνθετα αναγνωρίζονται εκείνα τα υλικά, τα οποία συντίθενται από επιμέρους υλικά με σημαντικά διαφορετικές μηχανικές και φυσικές ιδιότητες μεταξύ τους, ενώ και το ίδιο το σύνθετο υλικό έχει επίσης σημαντικά διαφορετικές ιδιότητες από εκείνες των συστατικών του. Για να καταταχθεί ένα υλικό στην κατηγορία των σύνθετων, θα ακολουθείται ο εξής κανόνας: Το υλικό πρέπει να προκύπτει ως συνδυασμός συστατικών μερών, στα οποία οι ιδιότητες του ενός από τα μέρη αυτά να είναι σημαντικά μεγαλύτερες από του άλλου (τουλάχιστον 5πλάσιες) και η κατ όγκο περιεκτικότητα του ενός να μην είναι πολύ μικρή (> 10 %). ΟΡΙΣΜΟΣ (Agarwal 1990): Σύνθετα είναι τα υλικά, τα οποία μακροσκοπικά αποτελούνται από δύο ή περισσότερα χημικά ευδιάκριτα συστατικά μέρη που έχουν μια συγκεκριμένη διαχωριστική επιφάνεια μεταξύ τους. Το ένα, από τα συστατικά μέρη, χαρακτηρίζεται ως συστατικό ενίσχυσης και προσδίδει στο σύνθετο βελτιωμένες μηχανικές, κυρίως, ιδιότητες. Το δεύτερο συστατικό καλείται μήτρα, είναι συνήθως χαμηλής πυκνότητας και η συμμετοχή του στο σύνθετο εξασφαλίζει τη μέγιστη δυνατή εκμετάλλευση των ιδιοτήτων της ενίσχυσης. Στο Σχ. 3. παρουσιάζεται ο συνδυασμός ανά δύο των βασικών οικογενειών υλικών (μεταλλικά, πολυμερικά και κεραμικά υλικά) και οι ομάδες συνθέτων που προκύπτουν. Σχήμα 3 : Κατηγορίες σύνθετων υλικών. - 2 -
1.2. Ιστορική αναδρομή Τα σύνθετα υλικά χρησιμοποιούνται ευρύτατα από τον άνθρωπο από αρχαιοτάτων χρόνων. Υλικά που εύκολα βρίσκουμε στη φύση (ξύλο, πέτρα, πηλός, κόκαλα) χρησιμοποιήθηκαν ευρύτατα από τον άνθρωπο, ο οποίος σύντομα έμαθε να βελτιώνει τις ιδιότητες τους ενισχύοντας τα υλικά αυτά με πρόσθετα συστατικά. Για παράδειγμα, οι Αιγύπτιοι (5000 π.χ.) χρησιμοποιούσαν την τεχνική της ενίσχυσης τούβλων πηλού με πλέγμα άχυρων, με αποτέλεσμα τη μείωση των τάσεων συστολής που αναπτύσσονταν κατά την ξήρανση του πηλού. Επίσης, παρατήρησαν ότι οι πλάκες από πολύστρωτες βέργες ξύλου, παρουσίαζαν πολύ μεγαλύτερη αντοχή από το φυσικό ξύλο έναντι στρέβλωσης που οφειλόταν στην απορρόφηση υγρασίας. Στη Μεσοποταμία (1000 π.χ.) εφαρμόστηκε η τεχνική του βερνικώματος των τούβλων και των πλακιδίων με σκοπό τον περιορισμό της επιφανειακής φθοράς, ενώ, κατά τους Ρωμαϊκούς χρόνους, η οδοποιία στηρίχθηκε στην ενίσχυση του οδοστρώματος με τρίμματα κεραμιδιών. Η χρήση της σιδηρόβεργας για προεντεταμένο σκυρόδεμα, που χρησιμοποιείται στις οικοδομές της σύγχρονης εποχής, δεν είναι παρά η μετεξέλιξη της τεχνικής της ανάμιξης γύψου με ζωικό τρίχωμα, η οποία ήταν μια πρακτική μέθοδος ενίσχυσης εύθραυστων υλικών κατασκευής στους αναπτυσσόμενους πολιτισμούς. Το πρώτο σύνθετο υλικό βασισμένο σε μήτρα πλαστικού εμφανίστηκε τη δεκαετία του 1920 και επρόκειτο για μίγμα ινιδίων ξύλου με φαινολική φορμαλδεΰδη, γνωστό αργότερα ως βακελίτης προς τιμή του Βέλγου επιστήμονα Leo Beaekeland. Η ανάπτυξη των σύνθετων υλικών με ενίσχυση ινών κατά την διάρκεια των τελευταίων 30 ετών υπήρξε ραγδαία και συνδυάστηκε με την προηγηθείσα ανάπτυξη των υψηλής αντοχής ινών γυαλιού και των υψηλής δυσκαμψίας ινών βορίου (1960) και την έντονη τάση της αεροδιαστημικής βιομηχανίας για μεγαλύτερη απόδοση με παράλληλη μείωση βάρους αεροσκαφών και διαστημοπλοίων. Το 1964 διατέθηκαν στην αγορά, αρχικά σε μικρές ποσότητες, οι ίνες άνθρακα (carbon fibers), οι οποίες τελευταία αποτελούν τις ευρύτερα χρησιμοποιούμενες ενισχύσεις στις αεροδιαστημικές κατασκευαστικές εφαρμογές. Το 1971 διατέθηκαν στο εμπόριο οι ίνες αραμιδίου, οι οποίες τώρα χρησιμοποιούνται ευρύτατα στα ελαστικά αυτοκινήτων, καθώς και σε αρκετές αεροδιαστημικές και ναυπηγικές κατασκευές. Η ειδική αντοχή (λόγος αντοχής προς πυκνότητα) και η ειδική δυσκαμψία (λόγος δυσκαμψίας προς πυκνότητα) των ενισχυτικών ινών βαίνουν συνεχώς αυξανόμενες τα τελευταία 30 χρόνια, π.χ. η ειδική αντοχή και η ειδική δυσκαμψία των ινών γυαλιού, άνθρακα, αραμιδίου και βορίου έχουν φθάσει στο 10-14πλάσιο των αντίστοιχων τιμών του αλουμινίου (ελαφρό μέταλλο). Τα σύνθετα υλικά καλύπτουν μεγάλο μέρος των εφαρμογών των νέων τεχνολογιών αιχμής στις κατασκευές και έχουν μεταβάλει σημαντικά τις ακολουθούμενες διαδικασίες σχεδίασης, παραγωγής, ελέγχου και συντήρησης. - 3 -
Η μεγάλη ποικιλία ινών και ρητινών, καθώς και οι διάφορες μέθοδοι κατασκευής παρέχουν στο σχεδιαστή τη δυνατότητα να επιλέξει το πιο κατάλληλο σύστημα υλικών που καλύπτει τις απαιτήσεις του, σύστημα που έχει συγκεκριμένα χαρακτηριστικά και ιδιότητες, που πολλές φορές μπορεί να είναι και μοναδικά. Το μικρό βάρος, η υψηλή αντοχή, η εξαιρετική αντοχή σε διάβρωση, η πολύ καλή συμπεριφορά σε κόπωση, σε κρούση και στη διάδοση ρωγμών, οι σχετικά εύκολες διαδικασίες παραγωγής και το μικρό κόστος συντήρησης είναι μερικοί από τους παράγοντες εκείνους που έχουν οδηγήσει τα σύνθετα υλικά στην πρώτη θέση μεταξύ των κατασκευαστικών υλικών για μεγάλο πλήθος εφαρμογών. Mερικά μειονεκτήματα των σύνθετων υλικών, όπως τα υψηλά επίπεδα ερπυσμού, η μικρή αντίσταση σε μηχανική φθορά, η ιδιαίτερη και πολλές φορές ευαίσθητη συμπεριφορά σε δυσμενείς συνθήκες περιβάλλοντος (θαλάσσιο περιβάλλον, υψηλές θερμοκρασίες, χημικό περιβάλλον, κλπ.) καθώς και το αρκετά υψηλό αρχικό τους κόστος, βαθμιαία αντιμετωπίζονται πιο αποτελεσματικά μέσω της συνεχούς τεχνολογικής ανάπτυξης στην παραγωγή νέων και καλύτερων ινών, ρητινών και εξέλιξης των μεθόδων παραγωγής. 1.3. Ταξινόμηση σύνθετων υλικών 1.3.1. Ανάλογα με τη μορφή του συστατικού ενίσχυσης : Ινώδη σύνθετα (fibrous composites): Με ενίσχυση ινών εμποτισμένων σε υλικό μήτρας. Στρωματικά σύνθετα (laminated composites): Με επάλληλες στρώσεις υλικών. Κοκκώδη σύνθετα (particulate composites): Με ενίσχυση σωματιδίων διασκορπισμένων στο υλικό της μήτρας. 1.3.2.Ανάλογα με τον προσανατολισμό και τη διάταξη των ινών μέσα στη μήτρα : Μονοδιευθυντικά σύνθετα, στα οποία οι ίνες έχουν όλες την ίδια διεύθυνση. Πολυδιευθυντικά σύνθετα, στα οποία, οι ίνες έχουν διαφορετικές διευθύνσεις. 1.3.3. Υποομάδες πολυδιευθυντικών συνθέτων : Σύνθετα με ίνες τυχαίας διεύθυνσης. Σύνθετα με ίνες σε πλέξη ύφανσης. Σύνθετα με ίνες σε τρισορθογώνια ύφανση. - 4 -
1.3.4. Με βάση το λόγο μήκους προς διάμετρο ( l / d) των ινών: Συνεχείς ή μεγάλου μήκους ίνες (continuous fibers ) : Για l / d 100. Ασυνεχείς ή κοντές ίνες (discontinuous fibers) : Για l / d <100. Νηματίδια ή τριχίτες (whiskers) : Με d < 1μm και l 100μm (πρόκειται για λεπτούς μονοκρυστάλλους κεραμικού υλικού). 1.3.5. Άλλες κατηγορίες συνθέτων υλικών : α) Πολύστρωτα σύνθετα υλικά (Laminated Composites) : Τα πολύστρωτα σύνθετα υλικά είναι μια κατηγορία συνθέτων υλικών στην οποία τα υλικά της μήτρας και της ενίσχυσης είναι υπό την μορφή στρώσεων και φύλλων. Διάφορα υλικά μπορούν να σχεδιαστούν και να αποτελέσουν τα φύλλα που συνθέτουν τα πολύστρωτα σύνθετα υλικά. Το σύνθετο αυτού του τύπου μπορεί να έχει πολύ καλές ιδιότητες, όπως δυσκαμψία, αντοχή, αντίσταση στη διάβρωση, στη φθορά και ακουστική και θερμική μόνωση κ.α. Τα κυριότερα είδη αυτής της κατηγορίας είναι τα διμέταλλα, τα επιμεταλλωμένα μέταλλα, η ύαλος ασφαλείας και τα υλικά με επίστρωση πλαστικού. Τα διμέταλλα είναι συνδεδεμένα φύλλα δυο διαφορετικών μετάλλων με διαφορετικούς συντελεστές θερμικής διαστολής. Η διαφορά των συντελεστών θερμικής διαστολής τα καθιστούν ικανά να κάμπτονται όταν μεταβάλλεται η θερμοκρασία και χρησιμοποιούνται ως διακόπτες ή σε συσκευές μέτρησης της θερμοκρασίας κ.α. β) Υλικά τύπου Σάντουιτς (Sandwich) : Ένα υλικό τύπου Sandwich αποτελείτε από δυο λεπτές εξωτερικές πλάκες (skins) υλικού υψηλών μηχανικών ιδιοτήτων, ανάμεσα στις οποίες παρεμβάλλετε υλικό χαμηλών μηχανικών ιδιοτήτων, που καλείται υλικό πλήρωσης ή πυρήνας (filler material or core material). Το υλικό πλήρωσης μπορεί να είναι είτε ένα αφρώδες πολυμερές, συνήθως πολυουρεθάνη, είτε κάποιο άλλο ελαφρύ μέταλλο που πολλές φορές είναι το αλουμίνιο το οποίο είναι διαμορφωμένο σε κυψελοειδή γεωμετρία, ή τέλος ένα πολύστρωτο σύνθετο υλικό πολυμερικής μήτρας. Η σύνδεση των εξωτερικών πλακών με τον πυρήνα γίνεται συνήθως με μια πολυμερική κόλλα. - 5 -
Σχήμα 4 : Γενική ταξινόμηση σύνθετων υλικών. 1.4. Ίνες Προκειμένου οι ίνες (fibers) να προσφέρουν ικανοποιητική ενίσχυση των μηχανικών ιδιοτήτων της μήτρας, το υλικό κατασκευής τους επιλέγεται, έτσι ώστε να παρουσιάζει υψηλό μέτρο ελαστικότητας (E), υψηλή τάση θραύσης σε εφελκυσμό (UTS), μεγάλη ακαμψία (stiffness), χαμηλή δυσθραυστότητα (toughness) και επιπλέον να έχει μικρή πυκνότητα (ρ). Τα περισσότερα ενισχυτικά υλικά βασίζονται κυρίως σε στοιχεία που βρίσκονται στη 2 η και 3 η περίοδο του Περιοδικού Συστήματος (Be, B, C, N, O, Mg, Si, Al ). Στα προηγμένα σύνθετα υλικά, οι ενισχυτικές ίνες είναι κατασκευασμένες είτε από ανόργανα υλικά (γυαλί, άνθρακας, μέταλλα, κεραμικά) είτε από οργανικά υλικά (πολυμερή). 1.5. Τριχίτες Οι τριχίτες είναι νηματικοί μονοκρύσταλλοι που παράγονται με αποσύνθεση άλατος μετάλλου σε αναγωγική ατμόσφαιρα, κάτω από αυστηρά ελεγχόμενες συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας. Η διάμετρος τους είναι της τάξης του 1μm, ενώ το μήκος τους μπορεί να φτάσει τα μερικά χιλιοστά και παρουσιάζουν τις μηχανικές ιδιότητες ενός τέλειου κρυστάλλου. Οι εξωτερικές τους επιφάνειες είναι λείες και δεν παρουσιάζουν ζώνες συγκέντρωσης τάσεων. Οι ευρύτερα χρησιμοποιούμενοι τριχίτες είναι από αλούμινα, γραφίτη, καρβίδιο του πυριτίου, βηρυλλία και νιτρίδιο του πυριτίου. Η παραγωγή τριχιτών σε βιομηχανική κλίμακα είναι δύσκολη. - 6 -
1.6. Μήτρες Ο ρόλος της μήτρας συνίσταται σε: Συγκράτηση των ινών μεταξύ τους. Προστασία των ινών από περιβαλλοντικές φθορές και προσβολές. Μεταβίβαση των μηχανικών τάσεων που ασκούνται συνολικά στο σύνθετο υλικό προς τις ίνες. Ανακοπή της διάδοσης των ρωγμών, που ξεκινούν από θραύση των ινών. Για να ικανοποιεί το ρόλο, με τον οποίο είναι επιφορτισμένη η μήτρα, πρέπει να χαρακτηρίζεται από: Ολκιμότητα. Ανθεκτικότητα. Σχετική ευκαμψία. Σημείο τήξης μεγαλύτερο από τη μέγιστη θερμοκρασία λειτουργίας του συνθέτου υλικού. Οι ιδιότητες αυτές πρέπει επίσης να παρουσιάζουν «συμβατότητα» με τις αντίστοιχες ιδιότητες των ενισχυτικών ινών. Συνήθως, το υλικό της μήτρας έχει χαμηλότερη πυκνότητα, αντοχή και δυσκαμψία από τις ίνες. Τέλος, για τη σωστή λειτουργία του συνθέτου υλικού, καθοριστικός παράγοντας είναι η καλή πρόσφυση ίνας μήτρας. Ανάλογα με το υλικό της μήτρας διακρίνουμε τις ακόλουθες ομάδες υλικών μήτρας για σύνθετα υλικά: Οργανικές. Μεταλλικές. Κεραμικές. Η επιλογή κατάλληλης μήτρας εξαρτάται από τη θερμοκρασία και το περιβάλλον χρήσης του συνθέτου. Μία γενική οδηγία αναφορικά με τα θερμοκρασιακά όρια για κάθε ομάδα υλικών παρουσιάζεται στο Σχ. 5. Σχήμα 5 : Θερμοκρασιακά όρια χρήσης των υλικών. Τα αντίστοιχα σύνθετα υλικά χαρακτηρίζονται με τις ακόλουθες συντμήσεις: PMC: Polymer Matrix Composite MMC: Metal Matrix Composite CMC: Ceramic Matrix Composite - 7 -
1.6.1. Οργανικές μήτρες: Οι οργανικές μήτρες διακρίνονται σε : (α) Θερμοπλαστικές : Πρόκειται για πολυμερή με γραμμικές αλυσίδες. Παρουσιάζουν δομή, όπου οι μοριακές αλυσίδες διασυνδέονται με ασθενείς δυνάμεις Van der Waals, που λύονται με την αύξηση της θερμοκρασίας με αντιστρεπτή όμως διαδικασία, καθιστώντας το υλικό μαλακότερο σε υψηλές θερμοκρασίες. Λόγω του χαμηλού τους κόστους, χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές ευρείας κατανάλωσης. Αντιπροσωπευτικά παραδείγματα αποτελούν οι μήτρες πολυαιθυλενίου (PE) και πολυστυρενίου (PS). Ως ενισχυτικά υλικά θερμοπλαστικών μητρών χρησιμοποιούνται φθηνά υλικά (αμίαντος, μαρμαρυγίες, κ.α.), ώστε και το τελικό προϊόν να είναι χαμηλής τιμής. (β) Θερμοσκληρυνόμενες : Χρησιμοποιούνται σε περιπτώσεις όπου απαιτούνται καλύτερες μηχανικές ιδιότητες. Τα θερμοκληρυνόμενα πολυμερή παρουσιάζουν τρισδιάστατη δομή πλέγματος από πρωτογενείς ισχυρούς δεσμούς μεταξύ των μοριακών αλυσίδων. Αύξηση της θερμοκρασίας αυξάνει το πλήθος των διαμοριακών δεσμών καθιστώντας τα υλικά αυτά σκληρότερα και ψαθυρότερα. Τέτοιες μήτρες είναι : Πολυεστερικές ρητίνες που ενισχύονται με ίνες γυαλιού. Εποξειδικές ρητίνες με μέγιστη θερμοκρασία λειτουργίας τους 200 ο C, καλύτερες μηχανικές ιδιότητες από τις προηγούμενες και χρήση στη αεροναυπηγική. Φαινολικές ρητίνες, οι οποίες έχουν χαμηλή πλαστικότητα και μέτριες μηχανικές ιδιότητες. Η μέγιστη θερμοκρασία λειτουργίας τους φτάνει τους 400 ο C. 1.6.2. Μεταλλικές μήτρες : Μέταλλα, όπως το αλουμίνιο, το τιτάνιο και το νικέλιο, χρησιμοποιούνται όλο και περισσότερο ως υλικά μήτρας προσφέροντας σημαντικά πλεονεκτήματα. Για εφαρμογές υψηλών θερμοκρασιών επιβάλλεται η χρήση μεταλλικών ή κεραμικών μήτρων, αφού η μέγιστη επιτρεπτή θερμοκρασία χρησιμοποίησης οργανικών μήτρων είναι πολύ χαμηλή (~300 ο C), ενώ οι ανθρακούχες μήτρες οξειδώνονται σε θερμοκρασία μεγαλύτερη από 500 ο C. - 8 -
1.6.3. Κεραμικές μήτρες : Τα κεραμικά υλικά είναι σκληρά, δύστηκτα, μεγάλης στιβαρότητας και μεγάλης αντοχής στη διάβρωση και την χημική προσβολή. Στην περίπτωση της κεραμικής μήτρας, οι ίνες αποβλέπουν αφενός στη βελτίωση της αντοχής του κεραμικού στους θερμικούς αιφνιδιασμούς και αφετέρου στην αύξηση της μηχανικής του αντοχής. Η ολκιμότητα και το ποσοστό των ινών επιδρούν ευνοϊκά στη βελτίωση της αντοχής τη μήτρας. Το σημαντικότερο πρόβλημα στη χρήση κεραμικών μητρών εντοπίζεται στη συνάφεια ινών μήτρας και οφείλεται στη μεγάλη διαφορά μεταξύ των συντελεστών γραμμικής διαστολής της κεραμικής μήτρας και των συνήθων ενισχυτικών ινών. Μεγάλη εφαρμογή βρίσκουν, επίσης, οι μήτρες άνθρακα, ενώ ειδική περίπτωση κεραμικής μήτρας αποτελεί το τσιμέντο. Είναι γνωστές οι οικοδομικές κατασκευές τσιμέντου με ενίσχυση χάλυβα (οπλισμένο σκυρόδεμα), ινών αμιάντου (ελενίτ), ινών γυαλιού, καθώς επίσης και οι κατασκευές από γύψο με ενίσχυση ινών γυαλιού ή αμιάντου. - 9 -
Κεφάλαιο 2 : Μηχανολογικές εφαρμογες 2.1 Αεροναυπηγική Συνήθη μεταλλικά υλικά κατασκευής: Κράματα αλουμινίου, μαγνησίου, τιτανίου και τελευταία αλουμινίου-λιθίου. Μη μεταλλικά υλικά κατασκευής: Ίνες πολυαμιδίου (Kevlar εμπορική ονομασία της DuPont) σε μήτρα εποξειδικής ρητίνης και υαλουφάσματα εμποτισμένα σε εποξειδική ρητίνη, ίνες γραφίτη και άνθρακα σε εποξειδική μήτρα (πολυμερικές μήτρες), ίνες άνθρακα σε μήτρα άνθρακα (κεραμικής μήτρας), υβριδικά και στρωματοειδή (σάντουιτς) υλικά. Ιδιότητες σύνθετων υλικών ως μέρη αεροσκαφών: Η αλματώδης ανάπτυξη της αεροναυπηγικής, τα τελευταία χρόνια, έθεσε ως μείζονος σημασίας ανάγκη την χρήση καινοτόμων υλικών, που θα έχουν ως στόχο την καλύτερη λειτουργία, αλλά, και αντοχή των αεροσκαφών. Παράλληλα με την εξέλιξη της μεταλλουργίας, η χημεία έκανε ακόμα πιο μεγάλα βήματα στην προσπάθεια αυτή. Έτσι, καθιερώθηκαν για την κατασκευή μερών αεροσκαφών (όπως άτρακτοι, δεξαμενές καυσίμων κ.α. ), τα σύνθετα υλικά που υπόσχονται μεγάλη μείωση του βάρους κατασκευής, άρα και μείωση της κατανάλωσης καυσίμου, μεγαλύτερη μηχανική αντοχή και ανθεκτικότητα στη διάβρωση και στις καιρικές συνθήκες. Τα συνηθέστερα και χαμηλότερου κόστους σύνθετα υλικά που συναντώνται στις απλές αεροπορικές κατασκευές είναι τα Ε- Υαλοΰφασμα/Εποξειδική ρητίνη και S-Υαλοΰφασμα/Εποξειδική ρητίνη. Η μέγιστη τάση εφελκυσμού των υαλονημάτων είναι σχεδόν επταπλάσιες από εκείνες του κράματος αλουμινίου AL 7075-T6. Κατασκευαστική Εταιρεία Airbus Industry McDonnell- Douglas Boeing Υλικό / έτος 1985 2000 1985 2000 1985 2000 Αλουμίνιο 76% 35% 82% - 80% 11% Χάλυβας 8% 6% 13% 20% 14% 11% Τιτάνιο 6% 9% 4% 3% 2% 12% Σύνθετα 5% 46% 1% 13% 3% 65% Αλουμίνιο/Λίθιο - - - 34% - - Αλουμίνιο/Λίθιο +Σύνθετα - - - 30% - - Διάφορα 5% 4% - - 1% 1% Πίνακας 2 1-1: Ενδεικτικός πίνακας εξέλιξης της χρήσης των υλικών στις αεροπορικές κατασκευές. Στον πίνακα παρακάτω, δίδονται ορισμένα μηχανικά χαρακτηριστικά διαφόρων τύπων νημάτων και σύνθετων υλικών. (Όπου δεν αναφέρεται η εποξειδική ρητίνη τότε τα μηχανικά χαρακτηριστικά είναι του νήματος μόνο). - 10 -
Τα πηλίκα Ε/γ (Ειδικό μέτρο ελαστικότητας) και σ/γ (ειδική τάση), είναι βασικές παράμετροι για τη σωστή επιλογή του υλικού στην αεροπορική κατασκευή (όπου γ είναι το ειδικό βάρος). Υπάρχουν υλικά τα οποία έχουν υψηλό μέτρο ελαστικότητας (Ε) και άλλα που έχουν υψηλή τιμή της μέγιστης τάσης εφελκυσμού (σ). Υλικό Μέγιστη Ειδικό Ειδική Μέτρο Ειδικό τάση μέτρο τάση Ελαστικότητας βάρος εφελκυσμού Ε/γ σ/γ Ε γ σ (m) (m) (Kg/mm^2) (Kg/m^3) (Kg/mm^2) X10^5 X10^5 E- Υαλονήματα 7350 320 2550 2.9 1.25 S- Υαλονήματα 8400 380 2490 3.4 1.53 E-Υαλονήματα Εποξειδ. S-Υαλονήματα Εποξειδ. 5250 140 1940 2.7 0.72 5250 210 1940 2.7 1.08 Κέβλαρ 29 6300 350 1440 4.4 2.43 Κέβλαρ 49 14000 350 1660 8.4 2.11 Κέβλαρ 49/Εποξειδ. 8400 200 1520 5.5 1.32 HM Νήματα 38500 210 1910 20.2 1.10 Γραφίτη HS Νήματα 24500 245 1770 13.8 1.38 Γραφίτη HM Γραφίτη 21000 95 1605 13.1 0.59 Εποξειδ. HS Γραφίτη 15400 145 1495 10.3 0.97 Εποξειδ. Νήματα Βορίου 42000 280 2630 16.0 1.06 Νήματα Βορίου/Εποξ. Αλουμίνιο 7075-Τ6 Αλουμίνιο 6061-Τ6 Τιτανίο Τi-6AI-4V 21700 155 2075 10.5 0.75 7200 55 2685 2.7 0.20 7200 30 2685 2.7 0.11 11200 105 4430 2.5 0.24 Χρώμιο 20300 95 7830 2.6 0.12 μολυβδενιούχος Πίνακας 2.1-2 : Πίνακας μηχανικών χαρακτηριστικών νημάτων και σύνθετων υλικών. - 11 -
ΙΝΕΣ ΓΥΑΛΙΟΥ Οι ίνες γυαλιού χρησιμοποιήθηκαν στα σύνθετα πρώτης γενιάς (1940) και η χρήση τους συνεχίζεται επιτυχώς μέχρι σήμερα. Είναι από τους πλέον διαδεδομένους τύπους ενισχυτικών ινών στα σύνθετα πολυμερικής μήτρας. Η δομική τους βάση είναι τα οξείδια πυριτίου, ασβεστίου, βορίου, αλουμινίου, κ.ά. Θεωρούνται από τα πιο φθηνά ενισχυτικά υλικά. Χαρακτηριστική δομή του γυαλιού παρουσιάζεται στο Σχ.4.3.1-1. Σχήμα 4.3.1-1 : Δομή γυαλιού Ανάλογα με τη χημική τους σύσταση οι ίνες γυαλιού χαρακτηρίζονται ως τύπου E, C και S : E glass (E=electrical): Πρόκειται για τα συχνότερα χρησιμοποιούμενα υαλονήματα με καλές ηλεκτρικές ιδιότητες, αντοχή και δυσκαμψία, καθώς και πολύ καλή συμπεριφορά στην αλλαγή των καιρικών συνθηκών, αλλά με μέτρια αντοχή σε χημικά αντιδραστήρια. C glass (C=corrosion): Υαλονήματα με υψηλή αντίσταση στη χημική διάβρωση, αλλά και με καλύτερες μηχανικές ιδιότητες από τις ίνες τύπου E, από τις οποίες όμως είναι ακριβότερες. S glass (S=stiffness): Ακριβότερο υλικό από το E glass, αλλά με υψηλότερη δυσκαμψία και θερμική αντοχή. Χρησιμοποιείται κυρίως στην αεροπορική βιομηχανία. Όταν περιέχονται μεγάλα ποσοστά SiO 2 (>99,5%) παρατηρούνται αυξημένες τιμές των μηχανικών ιδιοτήτων της ίνας και της μέγιστης θερμοκρασίας χρήσης του συνθέτου. Γι αυτό το λόγο, σε ειδικές εφαρμογές όπου απαιτούνται υψηλές μηχανικές ιδιότητες κάτω από υψηλή θερμοκρασία, χρησιμοποιούνται ίνες από 100% καθαρή πυριτία. Τα βασικά πλεονεκτήματα των υαλονημάτων είναι το χαμηλό κόστος και η υψηλή αντοχή, ενώ στα κύρια μειονεκτήματα τους εντάσσονται το χαμηλό μέτρο ελαστικότητας και η μικρή αντοχή τους έναντι φθοράς εκτριβής (λύση της συνέχειας της επιφάνειάς τους). Εγχαράξεις και εκδορές δημιουργούν περιοχές συγκέντρωσης τάσεων στην επιφάνεια της ίνας, με αποτέλεσμα την ταχεία υποβάθμιση των μηχανικών τους ιδιοτήτων και της ικανότητας πρόσφυσης τους στην πολυμερική μήτρα. Τα βασικότερα είδη υαλουφασμάτων που χρησιμοποιούνται στις αεροπορικές κατασκευές είναι: - 12 -
Ε Υαλοΰφασμα Το Ε-Υαλοΰφασμα είναι το συνηθέστερο υλικό (ανόργανο) που χρησιμοποιείται στις σύνθετες κατασκευές. Είναι υλικό που δεν καίγεται, δε σαπίζει, δεν απορροφά υγρασία και δεν αλλοιώνεται με το χρόνο. Επίσης, έχει γραμμική συμπεριφορά ελαστικότητας, η καμπύλη (σ-ε) είναι ευθεία γραμμή έως το σημείο θραύσης και παρουσιάζει εξαιρετικά υψηλή αντοχή στα φορτία. Ευρίσκεται στο εμπόριο σε μεγάλη ποικιλία πλέξεων και είναι σχετικά το φθηνότερο ύφασμα για σύνθετες κατασκευές. Χρήση Χρησιμοποιείται στις αεροπορικές κατασκευές ως υλικό επικάλυψης, στην κατασκευή κύριων και δευτερευόντων δομικών στοιχείων, στην κατασκευή του ριναίου κώνου, κτλ. S Υαλοΰφασμα Έχει τις ίδιες περίπου ιδιότητες με το Ε-Υαλοϋφασμα (Ε:για Electrical, S: για Structural) αλλά υπερέχει αυτού κατά 20% περίπου στην αντοχή και 15% στο μέτρο ελαστικότητας. Ο τύπος S-YY (ΥαλοΥφασμα) είναι ελαφρότερος από τον Ε-ΥΥ, παρουσιάζει μεγάλη αντοχή στην κρούση και κοστίζει περίπου τρεις φορές περισσότερο από τον Ε-ΥΎ Χρήση Χρησιμοποιείται για κρίσιμα δομικά στοιχεία και σε συνδυασμό με το Ε- ΥΥ για εξωτερικές δεξαμενές, για δοχεία καυσίμων, για δοχεία υψηλής πίεσης, για ριναίους κώνους κτλ. S2 Υαλοΰφασμα Είναι παραλογή του S-YY με τα ίδια μηχανικά χαρακτηριστικά αλλά είναι ποιοτικώς περισσότερο ευέλικτο και δεν ανταποκρίνεται ακριβώς στις προδιαγραφές MIL-SPEC., όπως αντιθέτως συμβαίνει με τον τύπο S-YY. Χρήση Χρησιμοποιείται σε υβριδικές σύνθετες κατασκευές (συνδυασμός δύο ή περισσοτέρων διαφορετικών υφασμάτων, π.χ. (Ε-ΥΥ + S2-YY + Κέβλαρ) / Εποξειδική, για δομικά στοιχεία που απαιτούν υψηλό μέτρο ελαστικότητας, για δοχεία υψηλής πίεσης και για τμήματα που καταπονούνται σε υψηλές θερμοκρασίες, διότι το S2-YY διατηρεί τις μηχανικές του ιδιότητες και άνω των 800 ο C. - 13 -
Διαδικασία παραγωγής ενισχυτικών ινών γυαλιού Η παραγωγή των ινών γυαλιού γίνεται με εκβολή τήγματος γυαλιού διαμέσου μήτρας με διάτρητο πυθμένα (Σχ. 4.3.1-2) και περιλαμβάνει τις ακόλουθες φάσεις: Σχήμα 4.3.1-2 : Σχηματική διάταξη παραγωγής ινών γυαλιού. Η πρώτη ύλη τοποθετείται σε δεξαμενή, όπου τήκεται. Στη συνέχεια το τήγμα τροφοδοτείται σε σειρά κυλινδρικών δοχείων με διάτρητο πυθμένα (διάμετρος οπών 1-2 mm). Το γυαλί ρέει μέσα από τις οπές του πυθμένα υπό την επίδραση της βαρύτητας. Οι παραγόμενες ίνες συγκεντρώνονται σε ένα σύνολο και τανύονται μηχανικά μέχρις ότου αποκτήσουν την κατάλληλη διάμετρο (1 15 μm) και ακολουθεί ελαφρός ψεκασμός τους με νερό (ψύξη). Ακολούθως, οι ίνες διέρχονται από ιμάντα που επιβάλλει σ αυτές προστατευτικό λιπαντικό συνδετικό υλικό (binder) ή ειδικά κολλοειδή πρόσθετα (sizes) που δρουν ως προστατευτικές επικαλύψεις και συνεισφέρουν στην καλύτερη πρόσφυση ινών-μήτρας. Τέλος, οι ίνες περιτυλίσσονται ανά δέσμες (strand ή end) των 204 νηματίων (τυπική τιμή) γύρω από τύμπανο, που περιστρέφεται με μεγάλη ταχύτητα (της τάξης των 50 m/s). Οι ρόλοι υαλονήματος υφίστανται ξήρανση πριν υποβληθούν σε οποιαδήποτε περαιτέρω διεργασία μορφής. - 14 -
ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΕΙΣ: Ο έλεγχος της διαμέτρου των ινών γίνεται με ρύθμιση της στάθμης του τήγματος μέσα στη δεξαμενή, της πυκνότητας του, της διαμέτρου των οπών και της ταχύτητας περιστροφής του τυμπάνου. Κατά τη διάρκεια της παραγωγής των ινών, πρέπει να αποφεύγεται η επαφή ινών μεταξύ τους, καθώς και με άλλα αντικείμενα, που μπορεί να προκαλέσουν επιφανειακές κακώσεις στην ίνα. Τα χημικά πρόσθετα (sizes) διακρίνονται σε προσωρινά και συμβατά. Τα προσωρινά πρόσθετα έχουν κύριο στόχο αφενός την προστασία της ίνας έναντι μείωσης της αντοχής λόγω τριβής της με τις άλλες ίνες και αφετέρου τη σύνδεση των ινών μεταξύ τους στην περίπτωση που διαμορφωθούν σε πλέξη ύφανσης και ακόμη προσδίδουν στην ίνα αντιστατικές ιδιότητες. Συνήθως χρησιμοποιούνται αμυλέλαια, που διευκολύνουν αποτελεσματικά την πρόσφυση ίνας και ρητίνης εμποτισμού. Τα προσωρινά πρόσθετα απομακρύνονται εύκολα με θέρμανση των ινών σε κλιματιζόμενο περιβάλλον σε θερμοκρασία 340 ο C για χρονικό διάστημα 15-20 h. Tα συμβατά πρόσθετα έχουν στόχο τη βελτίωση της αρχικής πρόσφυσης ρητίνης - γυαλιού και τη μείωση των δυσάρεστων επιπτώσεων της υγρασίας ή άλλων περιβαλλοντικών επιδράσεων. Πρόκειται περί οργανοπυριτικών ενώσεων του τύπου Χ 3 Si(CH 2 ) n Y, όπου Υ ομάδα συμβατή προς την πολυμερική μήτρα, Χ υδρολυόμενη ομάδα στο πυρίτιο και n=0 3. Η αντοχή και η δυσκαμψία του γυαλιού προσδιορίζεται από την τρισδιάστατη δομή και διάταξη των συστατικών οξειδίων του. Λόγω αυτής της δομής τα υαλονήματα είναι ισότροπα υλικά και παρουσιάζουν γραμμική ελαστική συμπεριφορά. Η συμμετοχή και των μεταλλικών οξειδίων στη σύνθεση των ινών μπορεί να επιφέρει αλλαγές στις φυσικοχημικές τους ιδιότητες. Ιδιότητες Πίνακας 2.1-3 : Χημική σύσταση και ιδιότητες ενισχυτικών ινών γυαλιού. - 15 -
Πλεονεκτήματα χρήσης ινών γυαλιού ως μέρη αεροσκαφών: Όπως, όλα τα σύνθετα υλικά έχει πολύ λιγότερο ειδικό βάρος από τα αντίστοιχα μεταλλικά υλικά κατασκευής μερών αεροσκαφών, συνεπώς, επιτυγχάνεται λιγότερη κατανάλωση καυσίμου. Χαμηλό κόστος κατασκευής και υψηλή αντοχή. Ε Υαλοΰφασμα : Είναι υλικό που δεν καίγεται, δε σαπίζει, δεν απορροφά υγρασία και δεν αλλοιώνεται με το χρόνο. Γραμμική συμπεριφορά ελαστικότητας, η καμπύλη (σ-ε) είναι ευθεία γραμμή έως το σημείο θραύσης και παρουσιάζει εξαιρετικά υψηλή αντοχή στα φορτία. Ευρίσκεται στο εμπόριο σε μεγάλη ποικιλία πλέξεων και είναι σχετικά το φθηνότερο ύφασμα για σύνθετες κατασκευές. S Υαλοΰφασμα : Υπερέχει του Ε-Υαλοϋφάσματος κατά 20% περίπου στην αντοχή και 15% στο μέτρο ελαστικότητας. Ελαφρότερο από τον Ε-ΥΥ, παρουσιάζει μεγάλη αντοχή στην κρούση. S2 Υαλοΰφασμα : Έχει τα ίδια μηχανικά χαρακτηριστικά με το S Υαλοΰφασμα αλλά είναι ποιοτικώς περισσότερο ευέλικτο. Διατηρεί τις μηχανικές του ιδιότητες και άνω των 800 ο C. Μειονεκτήματα χρήσης ινών γυαλιού ως μέρη αεροσκαφών: Όπως, όλα τα σύνθετα υλικά είναι ανομοιογενές και ανισότροπο. Τα σύνθετα υλικά, δεν προμηθεύονται έτοιμα, αλλά κατασκευάζονται από τον εκάστοτε χρήστη, επομένως είναι πολύ πιθανό να παρουσιάζουν διαφορετικά τεχνικά χαρακτηριστικά από χρήστη σε χρήστη, αντίθετα τα μεταλλικά υλικά τα προμηθεύεται ο χρήστης έτοιμα από τον παραγωγό και πληρούν συγκεκριμένες προδιαγραφές. Χαμηλό μέτρο ελαστικότητας. Μικρή αντοχή τους έναντι φθοράς εκτριβής (λύση της συνέχειας της επιφάνειάς τους). Εγχαράξεις και εκδορές δημιουργούν περιοχές συγκέντρωσης τάσεων στην επιφάνεια της ίνας, με αποτέλεσμα την ταχεία υποβάθμιση των μηχανικών τους ιδιοτήτων και της ικανότητας πρόσφυσης τους στην πολυμερική μήτρα. Ε Υαλοΰφασμα : Με μέτρια αντοχή σε χημικά αντιδραστήρια. S Υαλοΰφασμα : Κοστίζει περίπου τρεις φορές περισσότερο από τον Ε-ΥΎ - 16 -
ΙΝΕΣ ΠΟΛΥΑΜΙΔΙΟΥ (Kevlar) Είναι ένα αρωματικό πολυαμίδιο (Αραμίδιο - ανόργανο υλικό) με πολύ στερεούς μοριακούς δεσμούς και έχει την υψηλότερη σχέση αντοχής προς βάρος (σ/γ) από οποιοδήποτε άλλο ύφασμα. Διατίθεται από την εταιρεία Dupont σε δύο βασικούς τύπους: Kevlar-29: Με μέτρο ελαστικότητας 60 GPa και αντοχή σε εφελκυσμό 3.6 GPa. Kevlar-49: Με μέτρο ελαστικότητας 120 GPa και αντοχή σε εφελκυσμό 3.6 GPa. Kevlar-149: Με μέτρο ελαστικότητας 180 GPa και αντοχή σε εφελκυσμό 3.4 GPa. Η πυκνότητα και των τριών τύπων είναι ίδια (1.45 g/cm 3 ), ενώ η διαφορετική ελαστικότητα οφείλεται στο γεγονός της βελτιωμένης ευθυγράμμισης των μοριακών αλυσίδων, που αυξάνει την δυσκαμψία στη διεύθυνση του άξονα της ίνας. Οι υψηλές τιμές των μηχανικών ιδιοτήτων του Kevlar οφείλονται στο γεγονός ότι οι πολυμερικές δομικές αλυσίδες του υλικού είναι αυτές καθ αυτές πιο ισχυρές και συντάσσονται έτσι, ώστε να δημιουργούν ένα σταθερότερο πλέγμα, σε μορφή επίπεδης ταινίας (Σχ. 4.3.1-3). Κυλινδρικός φλοιός της ίνας περικλείει και συγκρατεί το υλικό του πυρήνα αποδίδοντας στο προϊόν ιδιαίτερα υψηλές επιδόσεις κατά την αξονική διεύθυνση, αλλά φτωχή συμπεριφορά κατά την εγκάρσια διεύθυνση. Επιπλέον, ενώ στην εφελκυστική καταπόνηση το υλικό συμπεριφέρεται ελαστικά με παραμόρφωση έως και 2%, η μεγάλη του αδυναμία εμφανίζεται στη θλίψη, όπου σε 0,3 % θλιπτική παραμόρφωση αναπτύσσεται πλαστικού τύπου αστοχία. Αξιοσημείωτο, όμως, είναι ότι η αστοχία αυτή δεν είναι καταστροφική, αλλά έχει τη μορφή πτυχώσεων (kink bands). Σχήμα 2.1-3 : Πολυμερική δομική αλυσίδα του αραμιδίου. - 17 -
Το Κέβλαρ είναι κατά 35% - 40% περίπου ελαφρύτερο από το υαλοΰφασμα, έχει μεγαλύτερη ειδική τάση (σ/γ) και μεγαλύτερο ειδικό μέτρο ελαστικότητας (Ε/γ), από οποιοδήποτε υαλοΰφασμα, έχει περίπου τον ίδιο συντελεστή θερμικής διαστολής με τον γραφίτη, επομένως μπορούν να συνεργαστούν σε υβριδικές συνθέσεις, δεν μεταβάλλονται οι ιδιότητες του και τα μηχανικά του χαρακτηριστικά με την πάροδο του χρόνου και τέλος έχει κατά δέκα φορές περίπου μεγαλύτερη ειδική τάση από το αλουμίνιο. Το Κέβλαρ εμποτίζεται όπως και το υαλοΰφασμα με εποξειδικές ρητίνες αλλά το σύνθετο υλικό που αποκτάται είναι κατά 20% περίπου ελαφρύτερο από το αντίστοιχο με υαλοΰφασμα. Όλες οι μηχανικές ιδιότητες του σύνθετου με Κέβλαρ είναι πολύ καλές εκτός από την αντοχή του σε φορτία θλίψης όπου παρουσιάζει μικρές τιμές. Για τέτοιου είδους φορτία γίνονται υβριδικές συνθέσεις υφασμάτων Κέβλαρ και γραφίτη, ή υαλοϋφάσματος, με τις οποίες αποκτώνται οι επιθυμητές αντοχές. Το Κέβλαρ έχει μεγαλύτερη αντοχή στην κρούση από το υαλοΰφασμα, μεγάλη αντοχή στην κόπωση, καλή αντίσταση στην ανάπτυξη ρωγμών και καλή απόσβεση των κραδασμών. Σχήμα 2.1-4 : Διάφοροι τύποι πλέξης υφάσματος Κέβλαρ 49: α)απλή πλέξη, β)πλέξη μπάσκετ, γ) σατέν, δ) λινό Χρήση Το Κέβλαρ χρησιμοποιείται στις αεροπορικές κατασκευές για την κατασκευή δομικών στοιχείων και για την κατασκευή ελίκων οι οποίες γίνονται ελαφρύτερες από τις αντίστοιχες του αλουμινίου και έχουν μεγαλύτερη διάρκεια ζωής στην κόπωση. Επίσης το Κέβλαρ 49 χρησιμοποιείται στην κατασκευή πυραυλοκινητήρων με σημαντική μείωση του βάρους. - 18 -
Διαδικασία παραγωγής ενισχυτικών ινών πολυαμιδίου Μέθοδοι παραγωγής: Εκβολή (extrusion) ή περιδίνηση (spinning). Διαδικασία: Όξινο διάλυμα πολυμερούς υποβάλλεται σε εκβολή μέσω θερμαινόμενου καλουπιού που φέρει πολλές μικρές οπές για τη διευκόλυνση της εξαέρωσης του διαλύτη. Η αντοχή και η ακαμψία του προϊόντος βελτιώνονται με σύγχρονη επιβολή έκτασης (stretching). Σχήμα 2.1-5 : Διάταξη παραγωγής ινών πολυαμιδίου. Ιδιότητες Πίνακας 2.1-4: Χαρακτηριστικές ιδιότητες των ινών Kevlar. - 19 -
Πλεονεκτήματα χρήσης ινών πολυαμιδίου (Kevlar) ως μέρη αεροσκαφών: Όπως, όλα τα σύνθετα υλικά έχει πολύ λιγότερο ειδικό βάρος από τα αντίστοιχα μεταλλικά υλικά κατασκευής μερών αεροσκαφών, συνεπώς, επιτυγχάνεται λιγότερη κατανάλωση καυσίμου. Υλικό με πολύ στερεούς μοριακούς δεσμούς και την υψηλότερη σχέση αντοχής προς βάρος (σ/γ) από οποιοδήποτε άλλο ύφασμα. Υλικό με υψηλές μηχανικές ιδιότητες. Ιδιαίτερα υψηλές αποδόσεις κατά την αξονική διεύθυνση. Ελαστική συμπεριφορά κατά την εφελκυστική καταπόνηση. Οι πλαστικού τύπου αστοχίες, κατά την θλίψη, δεν είναι καταστροφικές για το υλικό, αλλά έχουν τη μορφή πτυχώσεων (kink bands). Υλικό ελαφρύτερο από τα υαλουφάσματα κατά 35% - 40% περίπου. Υλικό που έχει μεγαλύτερη ειδική τάση (σ/γ) και μεγαλύτερο ειδικό μέτρο ελαστικότητας (Ε/γ), από οποιοδήποτε υαλοΰφασμα. Έχει περίπου τον ίδιο συντελεστή θερμικής διαστολής με τον γραφίτη, επομένως μπορούν να συνεργαστούν σε υβριδικές συνθέσεις, κατά τις οποίες επιτυγχάνονται οι επιθυμητές θλιπτικές, μηχανικές ιδιότητες. Δεν μεταβάλλονται οι ιδιότητες του και τα μηχανικά του χαρακτηριστικά με την πάροδο του χρόνου. Έχει κατά δέκα φορές περίπου μεγαλύτερη ειδική τάση από το αλουμίνιο. Το Κέβλαρ έχει μεγαλύτερη αντοχή στην κρούση από το υαλοΰφασμα. Υλικό με μεγάλη αντοχή στην κόπωση. Υλικό με καλή αντίσταση στην ανάπτυξη ρωγμών και καλή απόσβεση των κραδασμών. Μειονεκτήματα χρήσης ινών πολυαμιδίου (Kevlar) ως μέρη αεροσκαφών: Όπως όλα τα σύνθετα υλικά είναι ανομοιογενές και ανισότροπο. Τα σύνθετα υλικά, δεν προμηθεύονται έτοιμα, αλλά κατασκευάζονται από τον εκάστοτε χρήστη, επομένως είναι πολύ πιθανό να παρουσιάζουν διαφορετικά τεχνικά χαρακτηριστικά από χρήστη σε χρήστη, αντίθετα τα μεταλλικά υλικά τα προμηθεύεται ο χρήστης έτοιμα από τον παραγωγό και πληρούν συγκεκριμένες προδιαγραφές. Φτωχή μηχανική συμπεριφορά κατά την εγκάρσια διεύθυνση. Πλαστική συμπεριφορά κατά την θλιπτική καταπόνηση. Μεγάλο οικονομικό κόστος παραγωγής. - 20 -
ΙΝΕΣ ΑΝΘΡΑΚΑ Οι ίνες γραφίτη είναι η επικρατέστερη ενίσχυση υψηλής αντοχής και υψηλού μέτρου ελαστικότητας, η οποία χρησιμοποιείται για την παρασκευή υψηλών επιδόσεων σύνθετων υλικών ρητινικής μήτρας. Γενικά, όταν απαιτείται ο βέλτιστος συνδυασμός μηχανικής συμπεριφοράς και ελάττωσης του βάρους, οι χρησιμοποιούμενες ίνες είναι, συνήθως, ίνες άνθρακα. Επίσης, οι ίνες άνθρακα προτιμούνται όταν η θερμική διαστολή ενός υλικού πρέπει να συγκρατηθεί σε χαμηλό επίπεδο ή όταν απαιτείται συμβατότητα των χαρακτηριστικών διαστολής δύο συνενωμένων διαφορετικών υλικών. Η υπεροχή αυτή των ανθρακονημάτων οφείλεται στη φύση του άνθρακα (ως στοιχείου) και τους ενδοατομικούς δεσμούς που σχηματίζει με άλλα άτομα άνθρακα. Ο γραφίτης αποτελείται από ανισότροπους πολυκρυσταλλίτες, των οποίων η ανισοτροπία εξαρτάται από τις συνθήκες παρασκευής τους. Αποτέλεσμα του ισχυρού προσανατολισμού των κρυσταλλιτών παράλληλα στο διαμήκη άξονα των ανθρακονημάτων είναι η υψηλή στιβαρότητα και αντοχή σε θραύση και ο χαμηλός συντελεστής θερμικής διαστολής κατά τη διεύθυνση αυτή. Στη γραφιτική δομή τα άτομα C διατάσσονται πολύ πυκνά με τη μορφή εξαγωνικών επιπέδων, βλ. Σχ.4.3.1-6. Ο ισχυρός δεσμός μεταξύ των ατόμων C στις επίπεδες αυτές εξαγωνικές στρώσεις οδηγεί σε εξαιρετικά υψηλό μέτρο ελαστικότητας. Αντίθετα, ο ασθενής τύπου Van der Waals δεσμός που υφίσταται μεταξύ γειτονικών στρώσεων, έχει ως αποτέλεσμα ένα χαμηλότερης τιμής μέτρο ελαστικότητας σε αυτή τη διεύθυνση. Τυπική δομή ανθρακονήματος, όπως έχει ληφθεί από ηλεκτρονικό μικροσκόπιο, παρουσιάζεται στο Σχ.2.1-7. Σχήμα 2.1-6 : Γραφιτική δομή. Σχήμα 2.1-7 : Τυπική δομή ανθρακονήματος. - 21 -
Τα ανθρακονήματα καθώς και τα υφάσματα τους είναι υλικά (οργανικά) τα οποία χρησιμοποιούνται στις κατασκευές όπου απαιτείται υψηλή αντίσταση στην παραμόρφωση, δηλαδή υψηλή τιμή του ειδικού μέτρου ελαστικότητας (Ε/γ). Τα ανθρακονήματα έχουν περισσότερο από το διπλάσιο ειδικό μέτρο ελαστικότητας από εκείνο του Κέβλαρ 49 και πάνω από τέσσερις φορές των υαλοϋφασμάτων. Είναι το ακριβότερο υλικό για σύνθετα, εφ' όσον κοστίζει περίπου πέντε φορές περισσότερο από το Κέβλαρ, το οποίο με τη σειρά του κοστίζει περίπου τρεις φορές περισσότερο από το υαλοΰφασμα. Τα σύνθετα υλικά που αποκτώνται με ανθρακονήματα παρουσιάζουν εξαιρετική αντίσταση στην παραμόρφωση, έχουν πολύ μεγάλη αντοχή στην κόπωση, αλλά είναι σχετικά εύθραυστα και δεν εμποδίζουν την ανάπτυξη ρωγμών. Η χρησιμοποίηση των ανθρακονημάτων και των υφασμάτων τους είναι πολύ δυσκολότερη από εκείνη των άλλων υφασμάτων, απαιτεί ειδικές μεθόδους εφαρμογής, μεγάλη εμπειρία, ειδικό τρόπο σχεδίασης ώστε να αποφεύγονται περιοχές συγκέντρωσης τάσεων και γνώσεις για υβριδικές συνθέσεις εφ' όσον θα χρειαστεί να συνδυαστούν οι ιδιότητες και τα μηχανικά τους χαρακτηριστικά μετά αντίστοιχα άλλων υφασμάτων. Χρήση Τα ανθρακονήματα χρησιμοποιούνται στην κατασκευή ισχυρών δομικών στοιχείων, για την κατασκευή των δοκών της πτέρυγας, στα αεροδιαστημικά οχήματα, αλλά και σε πολλές άλλες Βιομηχανικές εφαρμογές. Διαδικασία παραγωγής ενισχυτικών ινών από άνθρακα Στην παραγωγή ανθρακονημάτων, ως πρώτη ύλη χρησιμοποιούνται πολυμερικές ίνες πολυακρυλονιτρίλιου (PAN), ίνες τεχνητής μέταξας (rayon) και πίσσα. Η παραγωγή ινών γραφίτη από ίνες (PAN) πραγματοποιείται σε τρία στάδια (Σχ.4.3.1-8): Οξείδωση των ινών PAN στον αέρα και σε χαμηλή θερμοκρασία (100-200 ο C), με ταυτόχρονη εφαρμογή τάσης, η οποία είναι απαραίτητη για την ευθυγράμμιση των αλυσίδων του πολυμερούς. Πυρόλυση, υπό τάση, σε ουδέτερη ή αναγωγική ατμόσφαιρα και σε θερμοκρασία 1100-1500 ο C. Οι παραγόμενες ίνες στο στάδιο χαρακτηρίζονται ως ίνες άνθρακα υψηλής αντοχής (high strength carbon fibers) και η αντοχή τους φτάνει τα 3000 MPa. H θέρμανση σε ουδέτερη ή αναγωγική ατμόσφαιρα συνεχίζεται σε υψηλές θερμοκρασίες (2500-3000 ο C), οπότε πραγματοποιείται γραφιτίαση, με ταυτόχρονη ανακρυστάλλωση, που οδηγεί σε ισχυρό προσανατολισμό των κρυσταλλιτών. Οι παραγόμενες ίνες σε αυτό το στάδιο χαρακτηρίζονται ως ίνες άνθρακα υψηλού μέτρου ελαστικότητας (high module carbon fibers) και έχουν μέτρο ελαστικότητας περίπου 400 GPa, η δε διάμετρός τους είναι περίπου 10 μm. - 22 -
ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΕΙΣ Σε οξειδωτική ατμόσφαιρα, η μέγιστη θερμοκρασία χρήσης των ανθρακονημάτων περιορίζεται στους 500 ο C και για τους δύο τύπους ινών. Κατά το σχεδιασμό του συνθέτου πρέπει οπωσδήποτε να λαμβάνεται υπόψη και η μέγιστη θερμοκρασία χρήσης της μήτρας. Οι ιδιότητες των χρησιμοποιούμενων ανθρακονημάτων εξαρτώνται σημαντικά από την αρχιτεκτονική των ινών του PAN (μονοδιευθυντικές ίνες, δισδιάστατο πλέγμα, τρισδιάστατο πλέγμα). Ο τρόπος διευθέτησης των ινών αυτών καθορίζει και το βαθμό ανισοτροπίας των ανθρακονημάτων που προκύπτουν και μπορεί να ποικίλλει από την πλήρη ισοτροπία ως την πλήρη ανισοτροπία. Η δυνατότητα επιλογής, από ένα μεγάλο εύρος τιμών της θερμοκρασίας κάθε σταδίου παραγωγής ανθρακονημάτων, δίνει την ευχέρεια παραγωγής ανθρακονημάτων διαφορετικού βαθμού γραφιτίασης και διαφορετικών ιδιοτήτων (οι μηχανικές και οι φυσικές ιδιότητες, όπως η θερμική και η ηλεκτρική αγωγιμότητα, εξαρτώνται από το βαθμό γραφιτίασης και το βαθμο ανισοτροπίας). Γενικά, όσο καλύτερα προσανατολισμένες είναι οι ίνες και όσο υψηλότερη περιεκτικότητα σε γραφίτη διαθέτουν τόσο καλύτερες μηχανικές ιδιότητες επιδεικνύουν. Τέλος, το κόστος παραγωγής των ινών γραφίτη είναι δέκα φορές τουλάχιστον υψηλότερο από το κόστος παραγωγής των ινών γυαλιού. Σχήμα 2.1-8 : Παραγωγή ενισχυτικών ινών από άνθρακα. - 23 -
Ιδιότητες Στον παρακάτω πίνακα παρουσιάζονται τα χαρακτηριστικά ινών άνθρακα που έχουν παραχθεί σε δύο στάδια (οξείδωση και πυρόλυση) και σε τρία στάδια (οξείδωση, πυρόλυση, θέρμανση σε υψηλή θερμοκρασία), αντίστοιχα. Πίνακας 2.1-5 : Χαρακτηριστικές ιδιότητες των ινών άνθρακα. Πλεονεκτήματα χρήσης ινών άνθρακα ως μέρη αεροσκαφών: Όπως, όλα τα σύνθετα υλικά έχει πολύ λιγότερο ειδικό βάρος από τα αντίστοιχα μεταλλικά υλικά κατασκευής μερών αεροσκαφών, συνεπώς, επιτυγχάνεται λιγότερη κατανάλωση καυσίμου. Υλικό με υψηλή στιβαρότητα και αντοχή σε θραύση και χαμηλός συντελεστής θερμικής διαστολής στη διεύθυνση παράλληλα του διαμήκη άξονα των ινών. Τα ανθρακονήματα έχουν περισσότερο από το διπλάσιο ειδικό μέτρο ελαστικότητας από εκείνο του Κέβλαρ 49 και πάνω από τέσσερις φορές των υαλοϋφασμάτων. Παρουσιάζουν εξαιρετική αντίσταση στην παραμόρφωση και έχουν πολύ μεγάλη αντοχή στην κόπωση. Όσο καλύτερα προσανατολισμένες είναι οι ίνες και όσο υψηλότερη περιεκτικότητα σε γραφίτη διαθέτουν τόσο καλύτερες μηχανικές ιδιότητες επιδεικνύουν. Μειονεκτήματα χρήσης ινών άνθρακα ως μέρη αεροσκαφών: Όπως όλα τα σύνθετα υλικά είναι ανομοιογενές και ανισότροπο. Μικρό μέτρο ελαστικότητας κατά τον εγκάρσιο άξονα των ινών. Είναι τα ακριβότερο από τα σύνθετα υλικά. Είναι σχετικά εύθραυστα υφάσματα και δεν εμποδίζουν την ανάπτυξη ρωγμών. Η χρησιμοποίηση των ανθρακονημάτων και των υφασμάτων τους είναι πολύ δυσκολότερη από εκείνη των άλλων υφασμάτων, απαιτεί ειδικές μεθόδους εφαρμογής, μεγάλη εμπειρία, ειδικό τρόπο σχεδίασης ώστε να αποφεύγονται περιοχές συγκέντρωσης τάσεων και γνώσεις για υβριδικές συνθέσεις εφ' όσον θα χρειαστεί να συνδυαστούν οι ιδιότητες και τα μηχανικά τους χαρακτηριστικά μετά αντίστοιχα άλλων υφασμάτων - 24 -
Σε οξειδωτική ατμόσφαιρα, η μέγιστη θερμοκρασία χρήσης των ανθρακονημάτων περιορίζεται στους 500 ο C. Οι ιδιότητες των χρησιμοποιούμενων ανθρακονημάτων εξαρτώνται σημαντικά από την αρχιτεκτονική των ινών του PAN και ο τρόπος διευθέτησης των ινών αυτών καθορίζει και το βαθμό ανισοτροπίας των ανθρακονημάτων που προκύπτουν Σημείωση: Οι ίνες άνθρακα σε μήτρα άνθρακα χρησιμοποιούνται, ακόμη, και σε μέρη διαστημοπλοίων όπου απαιτούνται, υψηλές αντοχές και λειτουργίες μέχρι 3000 ο C. Σύνθετα στρωματοειδή υλικά (Σάντουιτς) Εκτός από τα σύνθετα υλικά που προκύπτουν με τον εμποτισμό σε ρητίνες των διαφόρων τύπων νημάτων και υφασμάτων, σύνθετα υλικά αποκτώνται και με κατάλληλο μηχανικό συνδυασμό εντελώς διαφορετικών υλικών. Ο γνωστότερος και επικρατέστερος μηχανικός συνδυασμός είναι εκείνος βάση του οποίου αποκτώνται σύνθετα υλικά υπό τη μορφή στρωμάτων. Σχήμα 4.3.1-9 : Σχηματική παράσταση σύνθετου στρωματοειδούς - σάντουιτς t: πάχος σάντουιτς, tε: πάχος επίστρωσης. Αυτά τα υλικά συνίστανται από ένα πυρήνα και τις επιστρώσεις των δύο κύριων επιφανειών του. Ο πυρήνας είναι από ελαφρύ υλικό που κύριο σκοπό έχει τη μεταφορά των διατμητικών τάσεων μεταξύ των δύο επιστρώσεων, οι οποίες με τη σειρά τους είναι από ισχυρότερο υλικό ανθεκτικό στις τάσεις εφελκυσμού και θλίψης εφαρμοσμένες στο επίπεδο τους. Οι επιστρώσεις είναι κολλημένες στις κύριες επιφάνειες του πυρήνα με κατάλληλο τρόπο που εξαρτάται από τον τύπο του στρωματοειδούς. Το υλικό και το πάχος των επιστρώσεων, το υλικό του πυρήνα, το πάχος του πυρήνα, δηλ. η απόσταση μεταξύ των δύο επιστρώσεων και το επικολλητικό μέσο, επιστρώσεων - πυρήνα, είναι οι παράμετροι που καθορίζουν τα μηχανικά χαρακτηριστικά του σύνθετου αυτού. - 25 -
Σχήμα 2.1-10 : Κατασκευή σύνθετου - σάντουιτς με κυψελοειδή πυρήνα. Εάν η επικόλληση δεν είναι ιδανική, τότε υπάρχει περίπτωση να παύσει η συνεργασία των επί μέρους υλικών και επομένως να απολεσθούν τα αναμενόμενα μηχανικά χαρακτηριστικά του σύνθετου στρωματοειδούς. Σκοπός της επικόλλησης είναι να μην επιτρέπει σχετικές κινήσεις μεταξύ επιστρώσεων και πυρήνα καθώς και την παρεμπόδιση δημιουργίας ρυτιδώσεων στην επίστρωση κατά την εφαρμογή θλιπτικού φορτίου. Οι επιστρώσεις γενικώς είναι πολύ λεπτές επιφάνειες (μεταλλικού ελάσματος, κοντραπλακέ, υαλοϋφάσματος κτλ.) και φυσικό είναι, να παρουσιάζουν εξαιρετικά χαμηλή αντοχή σε όλα τα φορτία που δεν εφαρμόζονται στο επίπεδο τους και υψηλή αντοχή στα φορτία που εφαρμόζονται στο επίπεδο τους. Επομένως, ο συνδυασμός του πυρήνα και των επιστρώσεων προς σχηματισμό του σύνθετου στρωματοειδούς υλικού έχει τα ακόλουθα θετικά αποτελέσματα: α)τα φορτία μεταφέρονται στο επίπεδο των επιστρώσεων, β)οι επιστρώσεις συγκρατούνται από τον πυρήνα ώστε τοπικά τουλάχιστον να παραμένουν επίπεδες, γ)η απόσταση μεταξύ των επιστρώσεων παραμένει σταθερή και δ) παρεμποδίζεται η δημιουργία κυματώσεων ή ρυτιδώσεων ένεκα θλιπτικών φορτίων στις επιστρώσεις, που γενικά είναι πολύ λεπτά ελάσματα. Έτσι αποκτάται ένα υλικό στο οποίο γίνεται πλήρης εκμετάλλευση των μηχανικών χαρακτηριστικών του πυρήνα και των επιστρώσεων. Στην περίπτωση που το φορτίο εφαρμόζεται συγκεντρωμένο "τοπικά", επί παραδείγματι μέσω κοχλιώσεων, τότε ο πυρήνας θα πρέπει να είναι τοπικά ενισχυμένος με ισχυρότερο υλικό από αυτόν, το οποίο θα αντέξει στη σύνθλιψη της κοχλίωσης. Συνήθως ο πυρήνας ενισχύεται τοπικά με έκχυση εποξειδικής κόλλας, ή με την εγκατάσταση χιτωνίου κατάλληλου για το φορτίο της κοχλίωσης. - 26 -
Κατά παρόμοιο τρόπο πρέπει να αντιμετωπίζεται και η περίπτωση των ηλώσεων οι οποίες διαφορετικά δεν επιτρέπεται να εκτελούνται επί των λεπτών επιστρώσεων. Παραδείγματα σύνθετων στρωματοειδών υλικών δίδονται στον παρακάτω πίνακα. Πυρήνας Επιστρώσεις Υλικό συγκόλ. Πολυουρεθ. Υαλοϋφασμα Εποξειδική Πολυστ. Foam >> Κόντρα-πλακέ >> >> Έλασμα αλουμ. - Ξύλο μπάλσα Κόντρα-πλακέ - >> Ελασμα αλουμ. - >> Υαλοϋφασμα - Κυψελ. αλουμ. Έλασμα αλουμ. - >> Υαλοϋφασμα - Κυψ. χάρ. Kraft Ελασμα αλουμ. - >> Υαλοϋφασμα - >> Χάρτης Kraft - Χάρτου Nomex Υαλοϋφασμα - Πίνακας 2.1-6 : Συνδυασμοί υλικών, πυρήνα και επιστρώσεων στα σύνθεταστρωματοειδή υλικά για αεροπορικές εφαρμογές. Σύνηθες στρωματοειδές αεροπορικό υλικό είναι το σύνθετο με πυρήνα από λεπτό έλασμα αλουμινίου (π.χ. AL 5056-Η39) με κυψελοειδή διαμόρφωση και επιστρώσεις από έλασμα αλουμινίου. Αυτός ο τύπος του σύνθετου χρησιμοποιείται για την κατασκευή δαπέδων αεροσκαφών, για την κατασκευή των πτερυγίων του στροφίου ελικοπτέρων, για επικαλύψεις της ατράκτου, της πτέρυγας ή του ουραίου πτερώματος, καθώς επίσης για τοπικές ενισχύσεις της επικάλυψης σε θυρίδες ή άλλες περιοχές όπου απαιτείται αυξημένη ακαμψία. Επίσης, σύνθετα με κυψελοειδή πυρήνα χάρτου Kraft ή άλλου παρόμοιου χάρτου και επίστρωση υαλοϋφάσματος πάχους 0.25 χλσ, χρησιμοποιούνται συχνά στις εσωτερικές επενδύσεις, τοιχώματα και οροφές, των επιβατικών αεροσκαφών. - 27 -
Η κατασκευή του κυψελοειδή πυρήνα γίνεται με τις ακόλουθες δύο μεθόδους: α) Με τη μέθοδο της ανάπτυξης ή του τεντώματος, όπου προβλέπεται η επάλειψη με κόλλα κατά λωρίδες των λεπτών μεταλλικών (ή μη μεταλλικών) ελασμάτων, τα οποία κομμένα στις επιθυμητές διαστάσεις τοποθετούνται το ένα επάνω στο άλλο ώστε να κολλήσουν κατά μήκος των λωρίδων και κατόπιν αφού κοπούν στο συγκεκριμένο πάχος τεντώνονται όπως το ακορντεόν, έτσι ώστε να σχηματισθεί ο κυψελοειδής πυρήνας. Με αυτή τη μέθοδο κατασκευάζονται κυψελοειδείς πυρήνες με ειδικό βάρος από 30 χλγ/μ 3 που είναι αρκετά χαμηλή τιμή έως και 190 χλγ/μ 3 που είναι σχετικά μέτρια τιμή. β) Η δεύτερη μέθοδος κατασκευής κυψελοειδή πυρήνα, ονομάζεται μέθοδος της ρυτίδωσης και συνίσταται στη διέλευση του ελάσματος μέσω οδοντωτών κυλίνδρων οι οποίοι του προσδίδουν ρυτιδωτή ή κυματοειδή μορφή, το οποίο αφού κοπεί στο επιθυμητό μήκος τοποθετείται προς κόλληση σε μπλοκ ρυτιδωμένων ελασμάτων απ' όπου αποκτάται ο κυψελοειδής πυρήνας. Για τις αεροπορικές εφαρμογές, ο πυρήνας καθώς και οι επιστρώσεις είναι από κράματα αλουμινίου, συνήθως AL5056-H39 ή AL2024-T3. Νεώτερο υλικό για κατασκευή πυρήνα, είναι ο εμποτισμένος σε κατάλληλες ρητίνες χάρτης Nomex της εταιρείας Dupont, ο οποίος, παρουσιάζει εξαιρετική αντοχή στις τοπικές φορτίσεις και δεν υπόκειται εύκολα σε μόνιμες παραμορφώσεις όπως συμβαίνει με τον πυρήνα αλουμινίου. Σύνθετα με πυρήνα Nomex χρησιμοποιούνται για τα εσωτερικά τοιχία και επενδύσεις των επιβατικών αεροσκαφών. Το ειδικό βάρος του πυρήνα Nomex ποικίλει από 24 χλγ/ μ 3 έως 144 χλγ/μ 3, το πάχος πλευράς της κυψέλης από 0,04 χλσ έως 0,13 χλσ και το άνοιγμα (διάμετρος) της κυψέλης από 3,3 χλσ έως 9,5 χλσ. Με ειδικό βάρος άνω των 70 χλγ/μ 3 χρησιμοποιείται για πατώματα αεροσκαφών. (Παραπομπή: «Τα σύνθετα υλικά στις αεροπορικές κατασκευές», ΕΑΒ-Τμήμα επισκευής σύνθετων υλικών.) Η επιλογή του πυρήνα, των επιστρώσεων και της κόλλας είναι τα δύσκολα βήματα στην κατασκευή του σύνθετου εφ' όσον υπάρχει περίπτωση να επιλεγεί πυρήνας αρκετά ελαστικός και επιστρώσεις αρκετά άκαμπτες, ή αντιστρόφως, με αποτέλεσμα να μην υπάρχει συνεργασία στην κατανομή των φορτίων μεταξύ πυρήνα και επιστρώσεων. Σε παρόμοιο αποτέλεσμα καταλήγει και η επιλογή της κόλλας που μπορεί να είναι πολύ ελαστική ή πολύ σκληρή και εύθραυστη. Εάν η κόλλα είναι ισχυρότερη από το υλικό του πυρήνα, τότε στην περίπτωση αναγκαστικής αποκόλλησης της επίστρωσης καταστρέφεται τμήμα του πυρήνα. Εάν η κόλλα είναι πολύ ελαστική, τότε θα επιτρέπει σχετικές κινήσεις μεταξύ πυρήνα και επίστρωσης με αποτέλεσμα μείωση της αντοχής του σύνθετου στην κάμψη. - 28 -
4.3.2. Ναυπηγική Μη μεταλλικά υλικά κατασκευής: Κυρίως, ίνες γυαλιού Ε σε μήτρα πολυεστερικής ρητίνης (πολυμερική μήτρα), πολύστρωτα και σάντουιτς υλικά. Ιδιότητες σύνθετων υλικών ως μέρη σκαφών: Οι ίνες γυαλιού είναι η πιο χρησιμοποιούμενη κατηγορία ενισχυτικών ινών στη ναυπηγική βιομηχανία. Το γυαλί είναι αδρανές υλικό, δεν απορροφά νερό και ως εκ τούτου δεν διογκώνεται και σαπίζει, έχει υψηλή αντοχή στη θερμότητα και δεν αναφλέγεται. Είναι, επομένως, ένα ιδεώδες υλικό για χρήση σε θαλάσσιο περιβάλλον. Οι ίνες γυαλιού που χρησιμοποιούνται περισσότερο είναι οι τύπου Ε, λόγω υψηλής αντοχής και ηλεκτρικής ειδικής αντίστασης. Οι ίνες αυτές, διατίθενται σε διάφορες μορφές, με πιο συχνά χρησιμοποιούμενες τη μορφή υαλοπιλήματος (Chopped Strand Mat, CSM) κατασκευασμένο από νημάτια γυαλιού κομμένα σε μήκος 6 έως 50 mm τα οποία συνδέονται με τη βοήθεια ειδικού συνδετικού (binder) σχηματίζοντας ένα χαλαρό ύφασμα με τυχαίο προσανατολισμό ινών (σχήμα ), τη μορφή υαλοϋφάσματος (Woven Roving, WR) κατασκευασμένο από μη στριμμένα νήματα πλεγμένα κάθετα μεταξύ τους δημιουργώντας ένα τραχύ και χοντροκομμένο ύφασμα. (σχήμα ) και τη μορφή μονοαξονικών υφασμάτων (Unidirectional Roving or Clothes, UD) κατασκευασμένα από παράλληλες ίνες που ράβονται ή συγκρατούνται παράλληλα μεταξύ τους με συνδετικό υλικό, προσανατολισμένες προς μία διεύθυνση. Οι πολυεστερικές ρητίνες που είναι και οι περισσότερο χρησιμοποιούμενες ρητίνες στη ναυπηγική, λόγω της ευκολίας χρήσης τους, του λογικού τους κόστους και της καλή τους συμπεριφοράς στο θαλάσσιο περιβάλλον, διατίθενται σε δύο τύπους, τους ορθοφθαλικούς πολυεστέρες που είναι πιο φθηνοί και χρησιμοποιούνται για μικρές βάρκες κυρίως, και τους ισοφθαλικούς πολυεστέρες που είναι πιο ακριβοί και έχουν καλύτερες ιδιότητες και αντοχή στο νερό. Σχήμα 4.3.2-1 : Ίνες γυαλιού σε μορφή υαλοπιλήματος (Chopped Stand Mat CSM). - 29 -
Σχήμα 4.3.2-2 : Ίνες γυαλιού σε μορφή υαλοϋφάσματος (Woven Roving WR). Χρήση Κυρίως, για τη γάστρα (κατώτατο βυθιζόμενο μέρος- εσωτερικά) του πλοίου καθώς και για άλλα δομικά μέρη, ανάλογα με το είδος του σκάφους. Διαδικασία παραγωγής ενισχυτικών ινών γυαλιού (Περιγράφεται αναλυτικά στο κεφάλαιο της αεροναυπηγικής). Ιδιότητες (Βλέπε κεφάλαιο αεροναυπηγικής). Πλεονεκτήματα χρήσης ινών γυαλιού Ε ως μέρη σκαφών: Το μεγαλύτερο πλεονέκτημα των κατασκευών από σύνθετα υλικά είναι το μικρό τους βάρος, πιστοποιούμενο από τις υψηλές ειδικές ιδιότητες (λόγος τιμής ιδιότητας προς ειδικό βάρος). Η δυνατότητα τοποθέτησης των ενισχυτικών ινών ακριβώς στα σημεία που χρειάζονται (π.χ. στις διευθύνσεις των επιβαλλόμενων φορτίων.), χρησιμοποιώντας με αυτόν τον τρόπο το λιγότερο αναγκαίο υλικό περιορίζει το βάρος της κατασκευής. Σημαντική αντοχή των υλικών αυτών στη διάβρωση, ιδίως στο θαλασσινό περιβάλλον, αφού τα ινώδη σύνθετα υλικά δε διαβρώνονται, δε σαπίζουν και γενικά δεν αλλοιώνονται με κανένα τρόπο. Μάλιστα, εμφανίζουν εξαιρετική συμπεριφορά έναντι χημικών ενώσεων (όπως οξέα, αλκάλια, ενυδατωμένα άλατα, οξειδωτικά μέσα και οργανικές ενώσεις). Παρουσιάζουν μηδενικό συντελεστή θερμικής διαστολής και πολύ χαμηλή θερμική αγωγιμότητα, εξαιρετική αντοχή σε κόπωση (ιδίως για ενίσχυση από ίνες άνθρακα). Είναι μονωτές του ηλεκτρισμού. Δεν απαιτούνται ραφές και συγκολλήσεις στις κατασκευές από σύνθετα μειώνοντας επομένως το κόστος. Έχουν πολύ καλά χαρακτηριστικά απόσβεσης περιορίζοντας τη μετάδοση ήχων και κραδασμών, σχετικά εύκολη επισκευασιμότητα, μικρή συντήρηση και σχετικά φθηνότερο μηχανολογικό εξοπλισμό για την παραγωγή κατασκευών σε σχέση με αυτόν που απαιτείται για μεταλλικές κατασκευές. Η μικρή δυσκαμψία που παρουσιάζουν (μικρό μέτρο ελαστικότητας) - 30 -
μπορεί να θεωρηθεί ως πλεονέκτημα, αν επιθυμούμε από το υλικό να απορροφά μεγάλα ποσά ενέργειας χωρίς να αστοχεί. Μειονεκτήματα χρήσης ινών γυαλιού Ε ως μέρη σκαφών: Η μικρή δυσκαμψία που παρουσιάζουν (μικρό μέτρο ελαστικότητας) μπορεί να θεωρηθεί ως μειονέκτημα, αν ζητείται σε κάποια σημεία της κατασκευής μεγάλη δυσκαμψία. Έλλειψη ολκιμότητας, λόγω της μηχανικής συμπεριφοράς τους στην οποία απουσιάζει πλαστική περιοχή. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα να μην υπάρχουν προειδοποιήσεις όταν η κατασκευή κοντεύει να αστοχήσει. Κατά την επιθεώρηση μιας κατασκευής από σύνθετα υλικά, πρέπει να επιθεωρείται ολόκληρη η επιφάνειά τους, λόγω των μη σταθερών συνθηκών κατασκευής, με αποτέλεσμα να απαιτείται μεγάλης έκτασης εργασία. Αρκετά σύνηθες είναι το φαινόμενο του ερπυσμού υπό συνθήκες υψηλής και συνεχούς φόρτισης. Η αντοχή σε τριβή είναι γενικά μικρή. Η σύνδεση και εγκατάσταση εξαρτημάτων απαιτεί προσεκτική σχεδίαση των κατασκευαστικών λεπτομερειών που αυξάνει το κόστος και τις πιθανότητες τοπικών αστοχιών. Η ευπάθεια σε φωτιά των σύνθετων υλικών είναι πολύ αυξημένη και οι μέθοδοι παραγωγής είναι πολύπλοκες (ιδιαίτερα στα σκάφη υψηλών απαιτήσεων), απαιτώντας ελεγχόμενες συνθήκες περιβάλλοντος και έμπειρο και εξειδικευμένο προσωπικό. Επίδραση θαλασσινού περιβάλλοντος: 1. βιολογική επίθεση. 2. γήρανση λόγω απορρόφησης νερού. 3. μηχανική καταστροφή λόγω στατικής φόρτισης κάτω από υδροστατική πίεση συνδυαζόμενη, πολλές φορές, από λυγισμό, δυναμική ή κρουστική φόρτιση. - 31 -
2.3. Υψηλής αντοχής προπέλες σκαφών Μη μεταλλικά υλικά κατασκευής: Ίνες καρβίδιου του πυριτίου (SiC) σε μήτρα κράματος χαλκού (Cu) (μεταλλική μήτρα). Ιδιότητες σύνθετων υλικών σε προπέλες: Ο κινητήρας, μαζί με την προπέλα, αποτελούν το σύστημα πρόωσης ενός σκάφους. Πέρα από την πρόωση, όμως ενός σκάφους, η προπέλα, συμβάλει και στη σταθερότητα, στην άνεση της πλεύσης, στην ταχύτητα, στην επιτάχυνση, στη μακροζωία του κινητήρα, στην κατανάλωση και, οπωσδήποτε, στην ασφάλεια. Όλα αυτά σε συνάρτηση με το γεγονός ότι κατά την πλεύση, η προπέλα δέχεται συνεχείς και επαναλαμβανόμενες καταπονήσεις, αλλά και κρουστικά φορτία και εργάζεται στο θαλασσινό και διαβρωτικό περιβάλλον, έκαναν επιτακτική την ανάγκη να κατασκευάζονται προπέλες από στιβαρά μεν υλικά, που αντέχουν στο χρόνο αλλά ταυτόχρονα και υλικά κατάλληλα να προωθούν την ευστάθεια, ταχύτητα και μειωμένη κατανάλωση και ακόμη, να μπορούν να λειτουργούν στο θαλασσινό περιβάλλον που προάγει την υγροθερμική κόπωση και τα φαινόμενα σπηλαίωσης και διάβρωσης με απόξεση ανάμεσα στο τριβοσύστημα πτερυγίου προπέλας-ρευστού. Οι ίνες SiC, όπως και όλες οι κεραμικές ίνες χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές υψηλών θερμοκρασιών. Χαρακτηρίζονται από υψηλή αντοχή, στιβαρότητα και θερμική ευστάθεια. Έρχονται, λοιπόν, να ενισχύσουν την στιβαρότητα των κραμάτων χαλκού που μέχρι τώρα χρησιμοποιούνταν ευρέως σε τέτοιες εφαρμογές, όμως ως μεταλλικό υλικό διαβρώνονταν εύκολα στο θαλασσινό περιβάλλον. Επίσης ο χαλκός είναι ένα μεταλλικό υλικό με μεγάλο ειδικό βάρος που, προφανώς, δεν βοηθάει ιδιαίτερα στην οικονομία κατανάλωσης καυσίμου. Μέθοδοι παραγωγής ινών SiC (α) Με χημική εναπόθεση ατμών (CVD) χλωριούχου σιλανίου σε ίνες άνθρακα. Οι παραγόμενες ίνες έχουν πυρήνα διαμέτρου 10 25 μm και εξωτερική διάμετρο 100 150 μm. (β) Από πολυμερικές ίνες (Nicalon). Θέρμανση σε κενό σε θερμοκρασία 850 ο C μετατρέπει την πολυμερική ίνα σε ανόργανο SiC, ενώ θέρμανση σε υψηλότερη θερμοκρασία (>1000 ο C) προκαλεί κρυστάλλωση σε β-sic. Οι παραγόμενες ίνες έχουν διάμετρο 10 15 μm. (γ) Τριχίτες SiC από φλοιό ρυζιού. Ο φλοιός του ρυζιού περιέχει ~15% κ.β. SiΟ 2. Θέρμανση σε θερμοκρασία 700 900 o C οδηγεί σε υπόλειμμα SiΟ 2 και ελεύθερο άνθρακα. Θέρμανση του υπολείμματος σε θερμοκρασία ~1500 o C και σε περιβάλλον αζώτου ή αμμωνίας οδηγεί στο σχηματισμό SiC. Οι παραγόμενοι τριχίτες έχουν διάμετρο ~0.1 1 μm και μήκος ~50 μm. - 32 -
Ιδιότητες Πίνακας 2.3-1 : Συγκριτικός πίνακας ιδιοτήτων ινών SiC (μέσες τιμές). Πλεονεκτήματα χρήσης ινών SiC ως μέρη σκαφών: Οι κεραμικές ίνες χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές υψηλών θερμοκρασιών. Χαρακτηρίζονται από υψηλή αντοχή, στιβαρότητα και θερμική ευστάθεια. Οι ιδιότητές τους διατηρούνται ακόµα και σε θερµοκρασίες κοντά στο σηµείο τήξης της µεταλλικής µήτρας. Η εισαγωγή ινών SiC στη μεταλλική µήτρα στερεού λιπαντικού υλικού µειώνει σηµαντικά το συντελεστή τριβής και οδηγεί στην παραγωγή επικαλύψεων µε αυτολιπαινόµενες ιδιότητες, η ικανότητα αυτολίπανσης των επιφανειών αυτών συνίσταται στο γεγονός ότι κατά την επιβολή δυνάµεων τριβής τα επιφανειακά στρώµατα του στερεού λιπαντικού, αποδεσµεύονται από το σώµα της µήτρας και καλύπτουν την επιφάνεια, µειώνοντας µε τον τρόπο αυτό το συντελεστή τριβής. Υλικό με αυξηµένη σκληρότητα και βελτιωμένη τριβολογική συμπεριφορά. Το SiC παρουσιάζει σταθερή μηχανική αντοχή ως τους 1400 ο C. Μεγαλύτερη ολκιμότητα και καλύτερες μηχανικές ιδιότητες, βελτίωση μηχανικών ιδιοτήτων του συνθέτου σε καταπονήσεις ασκούμενες σε διευθύνσεις διαφορετικές από αυτές του προσανατολισμού των ινών, βελτίωση της ακαμψίας και αύξηση του μέτρου ελαστικότητας του συνθέτου, μείωση της ευαισθησίας του συνθέτου στην παρουσία διαλυτών και διεύρυνση των θερμοκρασιακών ορίων χρήσης του συνθέτου και ευκολότερη σύνδεση τεμαχίων του συνθέτου υλικού (συγκόλληση, κόλληση), λόγω μεταλλικής μήτρας. Μειονεκτήματα χρήσης ινών SiC ως μέρη σκαφών: Μέγιστη επιτρεπτή θερμοκρασία χρήσης του, περιορίζεται στους 900 ο C, λόγω της σημαντικής δραστικότητάς του πάνω από τη θερμοκρασία αυτή. Οι μέθοδοι παρασκευής κεραμικών ινών είναι ιδιαίτερα δαπανηρές. Δημιουργία εύθραυστων μεσομεταλλικών ενώσεων στη διεπιφάνεια μετάλλου-ίνας που, συμβάλλουν στην αποκόλληση ινών από τη μήτρα που οδηγεί στη μικρορωγμάτωση και τη θραύση των ινών, μεγαλύτερη πυκνότητα και επομένως μεγαλύτερο βάρος της συνολικής κατασκευής, φαινόμενα διάλυσης ινών στη μήτρα, σε υψηλές θερμοκρασίες, ασυνέχεια της καμπύλης εφελκυσμού των συνθέτων υλικών στο όριο διαρροής της μήτρας, λόγω μεταλλικής μήτρας. - 33 -
2.4. Αυτοκινητοβιομηχανία Πρωτοπόρος στη χρήση συνθέτων υλικών είναι ο μηχανοκίνητος αθλητισμός. Στη φόρμουλα 1, όπου τα οχήματα κινούνται στο όριο και η ενεργητική και παθητική ασφάλεια είναι εξίσου σημαντικές, τα σύνθετα υλικά έχουν τον πρώτο λόγο. Το αμάξωμα και οι αεροτομές κατασκευάζονται από υφαντά ινών άνθρακα με ρητίνη (CFRP), με αποτέλεσμα να είναι ιδιαίτερα ελαφρύ ενώ ταυτόχρονα να έχει τη δυνατότητα να αντέχει στις πολύ υψηλές φορτίσεις που δέχεται την ώρα του φρεναρίσματος ή την ώρα που παίρνει μια στροφή με μεγάλη ταχύτητα. Τα συνθετικά ελαστικά που χρησιμοποιεί σε συνδυασμό με τα δισκόφρενα από κεραμικά σύνθετα υλικά δίνουν τη δυνατότητα στο μονοθέσιο να φρενάρει ακόμη και όταν έχει αυξηθεί η θερμοκρασία τους. Οι οδηγοί της φόρμουλα 1 φορούν κράνη και στολές που είναι ενισχυμένα με ίνες Kevlar και τους προστατεύουν από μια πιθανή σύγκρουση καθώς και από την φωτιά, αντίστοιχα. Φυσικά, η τεχνολογία και τα συστήματα που χρησιμοποιούνται στη φόρμουλα 1 δε σταματά εκεί. Οι μεγάλες αυτοκινητοβιομηχανίες επενδύουν πολλά χρήματα στο μηχανοκίνητο αθλητισμό προκειμένου να χρησιμοποιήσουν την τεχνολογία αυτή και να την αξιοποιήσουν στα αυτοκίνητα μαζικής παραγωγής. H «Porsche 911 GT2», ήταν το πρώτο εμπορικό αυτοκίνητο που χρησιμοποίησε κεραμικά δισκόφρενα με ενίσχυση άνθρακα για βέλτιστη απόδοση στο φρενάρισμα. Η Mercedes-Benz-Daimler κατασκευάζει μέρη του αμαξώματος αυτοκινήτων, όπως το Smart, από σύνθετα υλικά προκειμένου να μειώσει σημαντικά το βάρος τους και συνεπώς και την κατανάλωση καυσίμου. Σχήμα 2.4 : Μονοθέσιο αυτοκίνητο της F1, κατασκευασμένο εξ ολοκλήρου από σύνθετα υλικά. - 34 -
2.5. Έμβολα κινητήρων Diesel Τα έμβολα των κινητήρων, έχουν ως ρόλο να στεγανοποιούν το χώρο καύσης, να δημιουργεί υποπίεση στον κύλινδρο, να παραλαμβάνει την εκτονωτική πίεση των αερίων της καύσης και να τη μεταδίδει μέσω του διωστήρα στον στροφαλοφόρο άξονα, να έχει αντοχή στη θερμότητα της καύσης και να τη διαχέει γρήγορα και σε μεγάλο ποσοστό προς τα τοιχώματα του κυλίνδρου και η θερμική του διαστολή να είναι μικρή, αλλιώς υπάρχει κίνδυνος το έμβολο να κολλήσει στον κύλινδρο και τέλος, να είναι ελαφρύ, ώστε οι δυνάμεις αδράνειας να είναι μικρές. Τα έμβολα στις μηχανές Diesel καταπονούνται πολύ περισσότερα από τα έμβολα των βενζινομηχανών. Οι εφαρμοζόμενες σε αυτά κάθετες και πλευρικές πιέσεις κυμαίνονται μεταξύ 35 και 42 Kg/cm 2 και στις διάφορες φάσεις η θερμοκρασία φτάνει στους 2000 ο C περίπου. Έτσι, τα έμβολα των πετρελαιοκινητήρων πρέπει να είναι μεγαλύτερης μηχανικής αντοχής, πιο στιβαρά, χωρίς αυτό να σημαίνει αύξηση βάρους και κατανάλωσης, με μεγαλύτερη θερμική αντοχή και εξαιρετική τριβολογική συμπεριφορά. Όλα τα παραπάνω βρήκαν εφαρμογή με τη χρήση Al 2 O 3 /Al. Οι μονοκρυσταλλικές ίνες αλούμινας διαμέτρου 250 μm έχουν εξαιρετικές μηχανικές ιδιότητες και χαρακτηρίζονται από υψηλή αντοχή, στιβαρότητα και θερμική ευστάθεια. Λόγω της ισχυρής φύσεως των χημικών δεσμών, η σταθερότητα των μηχανικών τους ιδιοτήτων διατηρείται ως τους 800 ο C. Οι μονοκρυσταλλικές ίνες αλούμινας είναι εξαιρετικά ευαίσθητες έναντι επιφανειακής φθοράς που οδηγεί ταχύτατα σε αστοχία. Σημειώνεται ότι, οι μέθοδοι παραγωγής των ινών της αλουμίνας, είναι όμοιες με τις ίνες του καρβιδίου του πυριτίου και είναι εξαιρετικά δαπανηρές. Ιδιότητες Πίνακας 2.5-1 : Συγκριτικός πίνακας ιδιοτήτων ινών και τριχιτών SiC και Al 2 O 3. - 35 -
2.6. Κοπτικά εργαλεία Τα επονομαζόμενα cermet (ceramics + metals) αποτελούν στην πραγματικότητα μια ιδιαίτερη κατηγορία σκληρομετάλλων τα οποία εκτός από το καρβίδιο του βολφραμίου σε μήτρα κοβαλτίου (WC/Co), χρησιμοποιούν και άλλα σκληρά υλικά. Τέτοια είναι το καρβίδιο του τιτανίου και το νιτρίδιο του τιτανίου. Η σκληρή φάση αποτελείται σε μερικά υλικά και από το καρβίδιο του μολυβδαίνιου, ενώ ο μεταλλικός δεσμός των υλικών αυτών είναι συνήθως ένα κράμα κοβαλτίου-νικελίου σε περιεκτικότητες 3-20%. Τα cermets και τα σκληρομέταλλα έχουν παρόμοιες διαδικασίες παραγωγής. Μάλιστα, όσο η σύνθεση ενός σκληρομέταλλου γίνεται πιο περίπλοκη, τόσο η διαχωριστική γραμμή μεταξύ των δύο υλικών γίνεται περισσότερο ασαφής. Αν και η ανάπτυξη που εμφανίζεται τα τελευταία χρόνια στον τομέα των cermets βαίνει αυξανόμενη, παρ όλα αυτά επισκιάζεται από εκείνη που εμφανίζεται στο χώρο των σκληρομετάλλων. Τα cermet εμφανίζουν μεγαλύτερη αντοχή σε φθορά σε σχέση με τα υλικά που έχουν βάση το καρβίδιο του βολφραμίου. Η δυσθραυστότητα είναι συγκρίσιμη με αυτή των σκληρομετάλλων όπως και η αντοχή σε υψηλές θερμοκρασίες, ενώ ο μεταλλικός δεσμός αποτελεί τον καθοριστικό παράγοντα. Τα σκληρομέταλλα εμφανίζουν μεγαλύτερη σκληρότητα, αντοχή σε κόπωση και σε θερμικά σοκ έναντι των cermet. Σε μικρά συνεχή φορτία τα cermets υπερτερούν των σκληρομετάλλων σε αντοχή ακμής και μπορούν να φινιριστούν εύκολα προσφέροντας τελικές επιφάνειες υψηλής ποιότητας. Το μεγαλύτερό τους όμως πλεονέκτημα έναντι των σκληρομετάλλων είναι ότι μπορούν να λειτουργούν σε υψηλότερες ταχύτητες κοπής και ελαχιστοποιούν την τάση εμφάνισης ψευδοακμής. Τα σύνθετα υλικά cermets παρουσιάζουν αυξημένη ζήτηση καθώς μέσω της τεχνολογικής προόδου καθίστανται ολοένα και πιο ικανά να αντιμετωπίσουν τις σύγχρονες βιομηχανικές απαιτήσεις και να προσφέρουν κατεργασίες με υψηλή ακρίβεια και πολύ μικρά βάθη κοπής. Οι ιδιότητες αυτές καθιστούν τα cermet ιδανικά υλικά για διακοπτόμενες κατεργασίες κοπής όπως είναι οι κατεργασίες ημι-φινιρίσματος, προσφέροντας μια μεγάλη ποικιλία υλικών. Κοπτικά τα οποία παρασκευάζονται από cermets και σχεδιάζονται για κατεργασίες τόρνευσης, μπορούν να κατεργαστούν ανοξείδωτους χάλυβες και άλλα μεταλλικά υλικά υψηλής σκληρότητας. Μια ουσιαστική διαφορά των υλικών cermets έναντι των σκληρομετάλλων, είναι το μέγεθος των ινών που χρησιμοποιούνται στη σκληρή φάση. Εδώ τα cermets υπερτερούν εμφανίζοντας μια μεγάλη διαστασιολογική γκάμα έναντι των σκληρομετάλλων που παρασκευάζονται με τη χρήση πολύ λεπτών ινών στο πλέγμα τους. Η ποικιλία στο μέγεθος των ινών που χρησιμοποιούνται στα cermet περιορίζουν την εμφάνιση ρωγμών και ελαχιστοποιούν την πιθανότητα αστοχίας του υλικού. - 36 -
Σε ορισμένα από τα υλικά αυτά, η αύξηση της περιεκτικότητας σε υδρογόνο προσφέρει αυξημένη χημική σταθερότητα και δυνατότητα χρήσης συνδετικού μετάλλου σε μεγαλύτερο ποσοστό, αυξάνοντας τη σκληρότητα. Τα cermet παράγονται με τη μέθοδο της κονιομεταλλουργίας. Η αρχική κόνη αρχικά συμπιέζεται μαζί με το συνθετικό μέσο και έπειτα το μείγμα συντήκεται, παράγοντας την αρχική γεωμετρία των κοπτικών εργαλείων. Σχήμα 2.6-1 : Μικροδομή κεραμικού εργαλείου που αποτελείται από WC σε μήτρα κοβαλτίου (Co). - 37 -
2.7. Ιδιότητες ενισχυτικών ινών σύνθετων υλικών Πίνακας 2.7-1 : Συγκριτικός πίνακας μηχανικών ιδιοτήτων ενισχυτικών σύνθετων υλικών. - 38 -
2.8. Τεχνικές μορφοποίησης σύνθετων υλικών (Παραπομπή:Ι. Γεωργιάδης, «Νανοσωλήνες άνθρακα : Σύνθεση-Δομή- Ιδιότητες & Εφαρμογές», διπλωματική εργασία, ΕΜΠ 2010.) α) Ανοικτή μορφοποίηση (open molding) Τα υλικά ενίσχυσης περιλαμβάνουν συνεχείς ίνες σε μορφή υφασμάτων καθώς και κοντές ίνες. Η μήτρα γενικά είναι ρητίνη και μπορεί να εφαρμοστεί με ένα ρολό χεριού, με συσκευή ψεκασμού ή χειρονακτικά. Αυτή η διεργασία γενικά γίνεται σε θερμοκρασία περιβάλλοντος και σε ατμοσφαιρική πίεση. Δύο παραλλαγές της μορφοποίησης αυτής είναι η επίστρωση με το χέρι (Hand Lay-up) και η επίστρωση με ψεκασμό (Spray-up). Σχήμα.2.8-1 : Τεχνικές μορφοποίησης (α) επίστρωσης με το χέρι και (β) επίστρωσης με ψεκασμό. β) Μορφοποίηση με ασκό κενού (vacuum bag molding) Τα υλικά ενίσχυσης μπορούν να τοποθετηθούν στο κατώτερο τμήμα του καλουπιού γενικά σαν υφάσματα συνεχών ινών. Η μήτρα γενικά είναι μία ρητίνη. Η στρώση των ινών μπορεί να είναι προεμβαπτισμένη στην ρητίνη (prepreg) υφάσματος ή «unidirectional» (παράλληλων ινών μιας διεύθυνσης) υφασμάτων. Επιπλέον, το υγρό μητρικό υλικό εισάγεται στην στρώση των ινών. Έπειτα εφαρμόζεται το κενό στην εσοχή του καλουπιού. Αυτή η διεργασία μπορεί να εφαρμοστεί είτε σε θερμοκρασία περιβάλλοντος με ατμοσφαιρική πίεση ή υψηλότερη θερμοκρασία με ατμοσφαιρική πίεση να δρα πάνω στον ασκό κενού. Σχήμα 2.8-2 : Τεχνική μορφοποίησης με ασκό κενού. - 39 -
γ) Μορφοποίηση με αυτόκλειστο φούρνο (autoclave molding) Τα υλικά ενίσχυσης περιλαμβάνουν συνεχείς ίνες σε μορφή υφασμάτων. Σε κάποιες περιπτώσεις, ένα υμένιο ρητίνης τοποθετείται πάνω από το κατώτερο καλούπι και από πάνω τοποθετείται η ξηρή στρώση. Έπειτα, η διάταξη τοποθετείται μέσα στον αυτόκλειστο φούρνο. Η διαδικασία γενικά εφαρμόζεται σε υπερυψωμένη πίεση και θερμοκρασία. Η χρήση της υπερυψωμένης πίεσης διευκολύνει την αύξηση του ογκομετρικού κλάσματος και χαμηλή συγκέντρωση σε ατέλειες για μέγιστη δομική απόδοση. Σχήμα 2.8-3 : Τεχνική μορφοποίησης με αυτόκλειστο φούρνο δ) Μορφοποίηση με μεταφορά ρητίνης (resin transfer molding) Η ειδοποιός διαφορά της μορφοποίησης με μεταφορά ρητίνης είναι ότι τα υλικά ενίσχυσης τοποθετείται μέσα στην κοιλότητα και το καλούπι κλείνει πριν την εισαγωγή της ρητίνης. Η μορφοποίηση με μεταφορά ρητίνης περιλαμβάνει διάφορες παραλλαγές που διαφέρουν στην τεχνολογία που χρησιμοποιείται για την εισαγωγή στης ρητίνης στην κοιλότητα. Αυτές οι παραλλαγές περιλαμβάνουν τα πάντα από την διάχυση εν κενώ (vacuum infusion) μέχρι την μορφοποίηση μεταφορά ρητίνης υποβοηθούμενη με κενό (vacuum assisted resin transfer molding). Αυτή η διεργασία μπορεί να εφαρμοστεί είτε σε θερμοκρασία περιβάλλοντος είτε σε υπερυψωμένες θερμοκρασίες. Σχήμα 2.8-4 : Τεχνικές μορφοποίησης με μεταφορά ρητίνης - 40 -
ε) Άλλα είδη Μορφοποίησης Άλλα είδη μορφοποίησης είναι η μορφοποίηση με συμπίεση (compression molding), μορφοποίηση με έλξη (pultrusion), περιέλιξη ινών (filament winding), μορφοποίηση με φυγοκέντρηση (centrifugation casting). Σχήμα 2.8-5 : Τεχνικές μορφοποίησης με περιέλιξη ινών (filament winding) και με έλξη (pultrusion). - 41 -