ΤΟ ΣΚΙ ΩΣ ΣΥΝΘΕΤΟ ΥΛΙΚΟ (ΑΠΟ ΤΟ ΒΙΒΛΙΟ ΤΟΥ W.D. CALLISTER, JR., WILEY, NY, 1997). 8-0

ΤΟ ΣΚΙ ΩΣ ΣΥΝΘΕΤΟ ΥΛΙΚΟ (ΑΠΟ ΤΟ ΒΙΒΛΙΟ ΤΟΥ W.D. CALLISTER, JR., WILEY, NY, 1997). 8-0

8-1 8. ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ 8.1. ΕΝΙΣΧΥΜΕΝΑ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ Ως σύνθετο υλικό ορίζεται ο συνδυασµός δύο ή περισσοτέρων υλικών, όπου το καθένα έχει διαφορετικές ιδιότητες. Μερικά χαρακτηριστικά παραδείγµατα είναι: ο σύνδεσµος ινών γυαλιού µε ένα πολυµερές, η ανάµειξη σκόνης του καρβιδίου του βολφραµίου µε σκόνη κοβαλτίου, κλπ. Σε αυτές τις περιπτώσεις λαµβάνουµε ένα εξαιρετικό συνδυασµό ιδιοτήτων µε την ανάµειξη δύο ή περισσοτέρων υλικών. Αυτή η βελτιωµένη συµπεριφορά αναφέρεται σαν αρχή της συνδυασµένης δράσης. Ο σύγχρονος όρος σύνθετα υλικά αναφέρεται σε υλικά που προκύπτουν τεχνητά και όχι φυσικά. Επιπλέον οι δύο φάσεις του σύνθετου υλικού πρέπει να είναι χηµικά ανόµοιες και χωρισµένες µε διακριτή διεπιφάνεια. Για τους λόγους αυτούς δεν θεωρούνται ως σύνθετα υλικά το ξύλο (παρ όλο που αποτελείται από δυνατές και ευλύγιστες ίνες κυτταρίνης περιβαλλόµενες και κρατηµένες µαζί από σκληρότερο υλικό, τη λιγνίνη), ούτε τα οστά (παρ όλο που αποτελούνται από ανθεκτική και ταυτόχρονα µαλακή πρωτεΐνη, την κολλαγένη, και σκληρό ψαθυρό απατίτη), ούτε τα µεταλλικά κράµατα και τα περισσότερα κεραµικά (διότι οι πολλαπλές φάσεις τους σχηµατίζονται σα συνέπεια φυσικών φαινοµένων). Τα περισσότερα σύνθετα υλικά αποτελούνται από δύο φάσεις: τη µήτρα, που είναι συνεχής και περιβάλλει την άλλη φάση, και τη διεσπαρµένη φάση. Οι ιδιότητες του σύνθετου υλικού είναι συνάρτηση των ιδιοτήτων των δύο φάσεων, των σχετικών τους ποσοστών αναλογίας, και της γεωµετρίας της διεσπαρµένης φάσης. Η τελευταία σηµαίνει το σχήµα και το µέγεθος των διεσπαρµένων

8-2 σωµατιδίων, την κατανοµή τους, και τον προσανατολισµό τους. Τα χαρακτηριστικά αυτά φαίνονται στο Σχήµα 8.1. Σχήµα 8.1. ιάφορα γεωµετρικά χαρακτηριστικά που επηρεάζουν τις ιδιότητες σύνθετων υλικών: (α) συγκέντρωση, (β) µέγεθος, (γ) σχήµα, (δ) κατανοµή, (ε) προσανατολισµός. Τα σύνθετα υλικά ταξινοµούνται σε τρείς γενικές κατηγορίες (βλ. Σχήµα 8.2): (α) ενισχυµένα µε σωµατίδια, (β) ενισχυµένα µε ίνες, (γ) δοµικά σύνθετα. Κάθε κατηγορία έχει τουλάχιστον δύο υποδιαιρέσεις. Στην πρώτη περίπτωση η διεσπαρµένη φάση έχει ίδιες περίπου διαστάσεις σε όλες τις κατευθύνσεις. Στη δεύτερη περίπτωση, η διεσπαρµένη φάση έχει τη γεωµετρία ίνας (δηλ. µεγάλη αναλογία λόγου µήκους/διάµετρο). Στην τρίτη περίπτωση υπάρχει συνδυασµός σύνθετων και οµοιογενών υλικών. Με βάση αυτή την ταξινόµηση ακολουθεί η παρουσίαση.

8-3 Σύνθετα υλικά Ενισχυµένα µε σωµατίδια Ενισχυµένα µε ίνες οµικά σύνθετα Μεγάλα σωµατίδια Ενισχυµένα µε διασπορά Φύλλα Φύλλα σάντουιτς Συνεχή (παραταγµένα) Ασυνεχή (κοντές ίνες) παραταγµένα Τυχαία προσανατολισµένα Σχήµα 8.2. Ταξινόµηση των διαφόρων τύπων σύνθετων υλικών. 8.2. ΕΝΙΣΧΥΣΗ ΜΕ ΣΩΜΑΤΙ ΙΑ Όπως αναφέρθηκε υπάρχουν δύο τύποι ενίσχυσης µε σωµατίδια: (α) µε µεγάλα σωµατίδια, (β) ενισχυµένα µε διασπορά. Στην πρώτη περίπτωση, το σύνθετο υλικό προϋποθέτει ότι τα σωµατίδια έχουν διάµετρο µεγαλύτερη από 1 µm και το ποσοστό του όγκου τους είναι µεγαλύτερο από 25%. Στην περίπτωση αυτή, η εφαρµοζόµενη µηχανική τάση πάνω στο σύνθετο υλικό διαµοιράζεται και στη µήτρα και στα σωµατίδια του υλικού. Ορισµένα πολυµερή µε γέµιση αποτελούν σύνθετα υλικά µε σωµατιδιακή ενίσχυση. Άλλο παράδειγµα είναι το ενισχυµένο σκυρόδεµα, που θα το εξετάσουµε παρακάτω. Οι µαθηµατικές εκφράσεις που έχουν αναπτυχθεί για την περίπτωση σωµατιδιακής ενίσχυσης αφορούν το µέτρο ελαστικότητας του σύνθετου σε σχέση µε το µέτρο ελαστικότητας της κάθε φάσης. Ισχύει ο νόµος των µιγµάτων που καθορίζει το ανώτατο (upper) και το κατώτερο (lower) όριο του Ε, σύµφωνα µε τις σχέσεις

8-4 Ε c (u)=e m V m + E p V p (8.1) Ε c (l)=e m E p /(V m E p + V p E m ) (8.2) όπου Ε είναι το µέτρο ελαστικότητας, V είναι το ποσοστό όγκου, και οι δείκτες c, m, p αναφέρονται στο σύνθετο υλικό, τη µήτρα και τα σωµατίδια. Το Σχήµα 8.3 παρουσιάζει τις καµπύλες ανώτατου και κατώτατου ορίου για το σύνθετο υλικό χαλκού-βολφραµίου, στο οποίο το βολφράµιο αποτελεί τη διεσπαρµένη φάση. Τα πειραµατικά δεδοµένα εµπίπτουν µεταξύ των δύο οριακών καµπυλών. Σχήµα 8.3. Μέτρο ελαστικότητας µε % κ.ο. βολφραµίου για σύνθετο υλικό µε σωµατίδια βολφραµίου διεσπαρµένα σε µήτρα χαλκού. Τα σύµβολα είναι πειραµατικά δεδοµένα ενώ οι καµπύλες προέρχονται από τις εξισώσεις (8.1) και (8.2) για τα ανώτερα και κατώτερα όρια. Στην κατηγορία της σωµατιδιακής ενίσχυσης ανήκουν και τα σύνθετα υλικά κεραµοµέταλλα (cermets), που αποτελούνται από σύνθεση κεραµικών µε µέταλλα. Το πιο κοινό είναι το ενισχυµένο καρβίδιο, που αποτελείται από εξαιρετικά σκληρά σωµατίδια

8-5 πυρίµαχου κεραµικού καρβίδιου (π.χ. καρβίδιο του βολφραµίου ή του τιτανίου), µέσα σε µήτρα µετάλλου (π.χ. κοβαλτίου ή νικελίου). Τα σύνθετα αυτά χρησιµοποιούνται σαν κοπτήρες σκληρηνθέντα χάλυβα. Άλλη περίπτωση σωµατιδιακής ενίσχυσης αποτελεί η προσθήκη µικρών σφαιρικών κόκκων γραφίτη στο βουλκανισµένο καουτσούκ για την παραγωγή ελαστικών αυτοκινήτων. Τα σωµατίδια του γραφίτη έχουν διάµετρο 20 µε 50 nm (0.02 µε 0.05 µm) και συγκέντρωση 15 µε 30% κατ όγκο. Οµιλούµε για ενίσχυση µεταλλικών υλικών µε διασπορά σωµατιδίων, όταν τα σωµατίδια έχουν διάµετρο µικρότερη από 0.1 µm και όγκο 10-15% του όλου υλικού. Στην περίπτωση αυτή, η µεταλλική µήτρα δέχεται όλη την εφαρµοζόµενη µηχανική τάση. Ένα παράδειγµα σύνθετου υλικού µε ενίσχυση διασποράς είναι η κατανοµή αλουµίνας µέσα σε αλουµίνιο. Αν παρασκευάσουµε σύνθετο υλικό από µήτρα αλουµινίου στην οποία έχουµε εισάγει µε πυροσυσσωµάτωση µικρά σωµατίδια Al 2 O 3, τότε µπορούµε να αυξήσουµε την αντοχή σε διάφορους µηχανικούς ελέγχους του αλουµινίου και ιδιαίτερα σε υψηλές θερµοκρασίες. 8.3. ΕΝΙΣΧΥΣΗ ΜΕ ΙΝΕΣ Από όλα τα χρησιµοποιούµενα σύνθετα υλικά, τα πλέον γνωστά είναι εκείνα τα οποία αποτελούνται από πολυµερική µήτρα στην οποία έχουν εισαχθεί ίνες γυαλιού. Οι ιδιότητές τους επηρεάζονται από πολλές παραµέτρους, οι κυριότερες των οποίων είναι η γεωµετρία, ο προσανατολισµός, και η κατανοµή των ινών. 8.3.1. Επίδραση του µήκους της ίνας

8-6 Οι µηχανικές ιδιότητες του σύνθετου υλικού µε ινώδη ενίσχυση εξαρτώνται όχι µόνο από τις ιδιότητες της ίνας αλλά και από το βαθµό κατά τον οποίο η εφαρµογή ενός φορτίου µεταφέρεται στις ίνες µέσω της πολυµερικής µήτρας. Η µεταφορά αυτή εξαρτάται από το διεπιφανειακό δεσµό µεταξύ µήτρας και ίνας. Υπό την επίδραση τάσης, ο δεσµός αυτός παύει στα άκρα της ίνας, µε αποτέλεσµα να αναπτύσσεται πεδίο παραµόρφωσης στη µήτρα όπως φαίνεται στο Σχήµα. 8.4, όπου δεν µεταφέρεται φορτίο από τη µήτρα στα άκρα της ίνας. Σχήµα 8.4. Πεδίο παραµόρφωσης σε µήτρα που περιβάλλει ίνα, η οποία υφίσταται εφαρµοσµένη φόρτιση εφελκυσµού. Για την αποτελεσµατική ενίσχυση της µήτρας, χρειάζεται να υπάρχει κάποιο κρίσιµο µήκος της ίνας l c, που εξαρτάται από τη διάµετρο της ίνας d και την αντοχή σε εφελκυσµό σ, και από την αντοχή του δεσµού µήτρας-ίνας (ή αντίστοιχα το όριο διαρροής της µήτρας) τ c σύµφωνα µε τη σχέση l c d = σ 2τ c (8.3) Για αρκετούς συνδυασµούς ινών υάλου και ινών άνθρακα σε πολυµερική µήτρα, το κρίσιµο µήκος είναι της τάξης του 1 mm, το οποίο είναι περίπου µεταξύ 20 και 150 φορές η διάµετρος της ίνας.

8-7 Όταν τάση σ εφαρµόζεται σε ίνα κρίσιµου µήκους l c, προκύπτει το προφίλ τάσης-µήκους του Σχήµατος 8.5α. Το µέγιστο φορτίο επιτυγχάνεται στο κέντρο της ίνας. Καθώς το µήκος της ίνας αυξάνει, η ενίσχυση λόγω της ίνας γίνεται περισσότερο αποτελεσµατική. Αυτό φαίνεται στο Σχήµα 8.5β. Τέλος το Σχήµα 8.5γ δείχνει το προφίλ τάσης-µήκους όταν το µήκος της ίνας l < l c. Σχήµα 8.5. Προφίλ τάσης-µήκους όταν το µήκος της ίνας l (α) ισούται µε το κρίσιµο µήκος l c, (β) είναι µεγαλύτερο από το l c, (γ) είναι µικρότερο από το l c, σε εφελκυσµό µε τάση ίση µε την αντοχή εφελκυσµού της ίνας σ. Ίνες για τις οποίες ισχύει l >> l c (τυπικά l > 15l c ) θεωρούνται συνεχείς. Ίνες µε µικρότερο µήκος καλούνται ασυνεχείς ή κοντές. Όταν οι µήτρες έχουν ενίσχυση µε κοντές ίνες, τότε παραµορφώνονται χωρίς να µεταφέρουν τις τάσεις στις ίνες και εµφανίζονται σαν να έχουν µικρή ενίσχυση. Συµπεριφέρονται περισσότερο σαν τα σύνθετα

8-8 υλικά µε ενίσχυση σωµατιδίων. Για πραγµατική και αυξηµένη ενίσχυση, οι ίνες πρέπει να είναι συνεχείς. 8.3.2. Επίδραση του προσανατολισµού της ίνας και της συγκέντρωσης Η διευθέτηση ή προσανατολισµός των ινών σε µια πολυµερική µήτρα, η συγκέντρωσή τους, και η κατανοµή τους παίζουν βασικό ρόλο στην αντοχή και τις ιδιότητες του σύνθετου υλικού. Σχετικά µε τον προσανατολισµό υπάρχουν δύο ακραίες διατάξεις: (1) παράλληλη ευθυγράµµιση των ινών µε τον άξονα τους σε µία κατεύθυνση, και (2) τελείως τυχαία διευθέτηση. Οι συνεχείς ίνες είναι κανονικά ευθυγραµµισµένες (Σχήµα 8.6α), ενώ οι ασυνεχείς µπορεί να είναι ευθυγραµµισµένες (Σχήµα 8.6β), τυχαίως προσανατολισµένες (Σχήµα 8.6γ) ή µερικώς προσανατολισµένες. Για βελτιωµένες ιδιότητες του σύνθετου υλικού, απαιτείται οµοιόµορφη κατανοµή. Σχήµα 8.6. Κατανοµή των ινών σε σύνθετο υλικό µε πολυµερική µήτρα: (α) συνεχείς και ευθυγραµµισµένες ίνες, (β) ασυνεχείς και ευθυγραµµισµένες ίνες, (γ) ασυνεχείς και τυχαία προσανατολισµένες ίνες.

8-9 ΣΥΝΕΧΕΙΣ ΚΑΙ ΕΥΘΥΓΡΑΜΜΙΣΜΕΝΕΣ ΙΝΕΣ ιαµήκης Φόρτιση Οι ιδιότητες σύνθετου υλικού µε ίνες ευθυγραµµισµένες είναι άκρως ανισότροπες, δηλ. εξαρτώνται κυρίως από την κατεύθυνση µέτρησής τους. Ας θεωρήσουµε την επιβολή τάσης στην κατεύθυνση της ευθυγράµµισης των ινών, κατά µήκος του άξονα, βλ. Σχήµα 8.6α. Θεωρούµε επίσης ότι ο διεπιφανειακός δεσµός µήτρας-ινών είναι πολύ καλός, έτσι ώστε η παραµόρφωση µήτρας και ινών να είναι ίδια (ισοπαραµορφωτική φόρτιση). Υπό αυτές τις συνθήκες η ολική φόρτιση που υφίσταται το σύνθετο υλικό F c είναι ίση µε τη φόρτιση που υφίσταται η µήτρα F m και οι ίνες F, δηλ. F c = F m +F (8.4) Αντικατάσταση των δυνάµεων από τα γινόµενα των αντίστοιχων τάσεων σ και επιφανειών διατοµής Α δίνει σ c Α c = σ m Α m + σ Α (8.5) A A m σc = σm + σ (8.6) A A c Ο λόγος Α /Α c είναι το µέρος του σύνθετου υλικού που καταλαµβάνεται από τις ίνες. Σε αυτή την περίπτωση ο ίδιος λόγος είναι ισοδύναµος µε το µέρος του όγκου που καταλαµβάνουν οι ίνες V, γιατί τα µήκη του σύνθετου υλικού της µήτρας και των ίνων είναι όλα ίδια. Άρα µπορούµε να γράψουµε σ c = σ m V m + σ V (8.7) Η προηγούµενη παραδοχή της ισοπαραµορφωτικής φόρτισης σηµαίνει ότι όλες οι παραµορφώσεις ε για το σύνθετο υλικό, τη µήτρα και τις ίνες είναι ίσες, δηλ. ε c = ε m = ε (8.8) c

8-10 και όταν οι όροι της εξ. (8.7) διαιρεθούν µε τις αντίστοιχες παραµορφώσεις παίρνουµε σ c ε c σ σ m = Vm + V ε ε (8.9) m Αλλά η θεώρηση όλων των παραµορφώσεων σαν ελαστικών δίνει τα λόγο σ/ε=ε, το µέτρο ελαστικότητας. Εποµένως Ε cl = E m V m + E V (8.10) όπου Ε cl είναι το µέτρο ελαστικότητας του σύνθετου υλικού κατά µήκος του άξονα ευθυγράµµισης. Αλλά V m + V =1, αφού το σύνθετο υλικό αποτελείται µόνο από τη µήτρα και τις ίνες. Άρα Ε cl = E m (1-V )+ E V (8.11) Η τελευταία σχέση δείχνει ότι το µέτρο ελαστικότητας είναι το ζυγισµένο κατά κλάσµα όγκου άθροισµα των µέτρων ελαστικότητας των δύο φάσεων, µήτρας και ινών. Κατά τον ίδιο τρόπο εµφανίζονται να συσχετίζονται και άλλες ιδιότητες, όπως π.χ. η αντοχή σε εφελκυσµό. Αποδεικνύεται επίσης ότι για διαµήκη φόρτιση, ο λόγος φόρτισης στις ίνες µε εκείνο της φόρτισης της µήτρας δίνεται από F F m EV = (8.12) EV Εγκάρσια Φόρτιση Στην περίπτωση αυτή, σύνθετο υλικό ενισχυµένο µε συνεχείς και προσανατολισµένες ίνες φορτίζεται στην εγκάρσια κατεύθυνση, δηλ. η φόρτιση εφαρµόζεται σε γωνία 90 0 µε την κατεύθυνση της ευθυγράµµισης των ινών (βλ. Σχήµα 8.6α). Τότε η τάση σ που εφαρµόζεται είναι η ίδια και για το σύνθετο υλικό και για τις δύο φάσεις, της µήτρας και των ινών (ισοτασική φόρτιση). m m

8-11 σ c = σ m = σ = σ (8.13) Στην περίπτωση αυτή η παραµόρφωση του σύνθετου υλικού ε c είναι ε c = ε m V m + ε V (8.14) και εφ όσον ε=σ/ε, σ σ σ = E E V E V m + (8.15) ct m όπου Ε ct είναι το µέτρο ελαστικότητας στην εγκάρσια κατεύθυνση. ιαιρώντας µε το σ παίρνουµε 1 E ct V V m = + (8.16) E E m και µε περαιτέρω τροποποίηση E ct EmE = V E + V E m m EmE = ( 1 V ) E + V E m (8.17) Η τελευταία εξίσωση είναι ανάλογη µε την εξίσωση κατώτερου ορίου (8.2) που βρέθηκε να ισχύει στα σύνθετα υλικά µε σωµατιδιακή ενίσχυση. Συγκρίνοντας τις δύο µεθόδους φόρτισης του σύνθετου υλικού (διαµήκης µε εγκάρσια), εύκολα αποδεικνύεται ότι όταν η φόρτιση είναι παράλληλη προς τη διεύθυνση των ινών λαµβάνουµε µεγαλύτερο µέτρο ελαστικότητας του σύνθετου υλικού από αυτό που προκύπτει µε εγκάρσια προς τη διεύθυνση των ινών φόρτισή του. Το Σχήµα 8.7 δείχνει γραφικά το συµπέρασµα αυτό. Γενικά όµως η ισοπαραµορφωτική και η ισοτασική συνθήκη φόρτισης ενός σύνθετου υλικού µε ινώδη ενίσχυση αποτελούν τα δύο άκρα στο βιοµηχανικό σχεδιασµό των σύνθετων υλικών. Οι περισσότερες από τις βιοµηχανικές εφαρµογές περιλαµβάνονται µεταξύ των δύο αυτών ακραίων συνθηκών φόρτισης.

8-12 Ε Ε ισοπαραµορφωτική Ε ισοτασική Ε m Ε m Σχήµα 8.7. Το µέτρο ελαστικότητας του σύνθετου υλικού σαν συνάρτηση του επι % όγκου των ινών για τις δύο συνθήκες φόρτισης του σύνθετου υλικού. 0 0.5 1 % Όγκος των Ινών ΑΣΥΝΕΧΕΙΣ ΚΑΙ ΕΥΘΥΓΡΑΜΜΙΣΜΕΝΕΣ ΙΝΕΣ Παρά το γεγονός ότι ασυνεχείς ίνες παρέχουν µικρότερη ενίσχυση από τις συνεχείς ίνες, η σηµερινή αγορά σύνθετων υλικών χρησιµοποιεί µε αυξανόµενο ρυθµό ασυνεχείς και ευθυγραµµισµένες ίνες (βλ. Σχήµα 8.6β). Τη µεγαλύτερη συµβολή έχουν κοντοκοµµένες ίνες υάλου, αλλά χρησιµοποιούνται επίσης και ίνες άνθρακα και αραµιδίων (Kevlar). Τα παραγόµενα σύνθετα υλικά έχουν τιµές για το µέτρο ελαστικότητας και αντοχή σε εφελκυσµό που πλησιάζουν το 90% και 50% αντίστοιχα των σύνθετων µε συνεχείς ίνες. Στα σύνθετα υλικά µε ασυνεχείς ίνες, οι παράγοντες που επηρεάζουν τη µηχανική συµπεριφορά των υλικών αυτών είναι: (α) ο λόγος του µήκους/διάµετρο της ίνας, (β) η αντοχή σε διάτµηση του δεσµού µεταξύ ίνας και πολυµερικής µήτρας, και (γ) το ποσοστό των ινών µέσα στο σύνθετο υλικό.

8-13 Για την περίπτωση σύνθετου υλικού µε ασυνεχείς και ευθυγραµµισµένες ίνες µε οµοιόµορφη κατανοµή και µε l > l c, η διαµήκης αντοχή (TS) cd δίνεται από τη σχέση lc ' ( TS ) cd = ( TS) V 1 + ( TS ) m( 1 V ) (8.18) 2 l όπου (TS) και (TS) m αντιπροσωπεύουν τη αντοχή σε θραύση της ίνας και την τάση στη µήτρα όταν το σύνθετο υλικό χαλάει. Αν το µήκος της ίνας είναι µικρότερο από την κρίσιµη τιµή (l < l c ), τότε η διαµήκης αντοχή δίνεται από lτ c ' ( TS) ' ( ) ( ) d V TS V cd = + m 1 (8.19) όπου d είναι η διάµετρος της ίνας και τ c είναι η τάση διαρροής σε διάτµηση της µήτρας. ΑΣΥΝΕΧΕΙΣ ΚΑΙ ΤΥΧΑΙΑ ΠΡΟΣΑΝΑΤΟΛΙΣΜΕΝΕΣ ΙΝΕΣ Κανονικά ο προσανατολισµός των ινών είναι τυχαίος όταν χρησιµοποιούνται κοντές και ασυνεχείς ίνες, όπως φαίνεται στο Σχήµα 8.6γ. Στην περίπτωση αυτή µπορεί να χρησιµοποιηθεί ο νόµος των µιγµάτων, όπως για το µέτρο της ελαστικότητας (εξ. 8.10), αλλά γραµµένος ως εξής Ε cd = KE V + E m V m (8.20) όπου Κ λέγεται παράµετρος απόδοσης της ίνας, και εξαρτάται από το V και το λόγο Ε /Ε m. Συνήθως 0.1 < Κ < 0.6. Εποµένως στην περίπτωση των τυχαίων προσανατολισµών, το µέτρο ελαστικότητας αυξάνει και πάλι µε το κλάσµα όγκου των ινών, αλλά λιγότερο από την περίπτωση ευθυγραµµισµένων ινών. Οι αλλαγές στις µηχανικές ιδιότητες µη ενισχυµένου και ενισχυµένου πολυκαρβονυλίου (PC) παρατίθενται στον Πίνακα 8.1.

8-14 Πίνακας 8.1. Ιδιότητες ενισχυµένου και µη ενισχυµένου πολυκαρβονυλίου (PC) µε τυχαία προσανατολισµένες ίνες υάλου. Ιδιότητα Χωρίς ενίσχυση Ινώδης ενίσχυση (% κ.ο.) 20 30 40 Ειδική βαρύτητα 1.19-1.22 1.35 1.43 1.52 Αντοχή σε εφελκυσµό 59-62 110 131 159 (MPa) Μέτρο ελαστικότητας 2.24-2.345 5.93 8.62 11.6 (GPa) Επιµήκυνση (%) 90-115 4-6 3-5 3-5 Αντοχή σε κρούση κατά Izod (lb/in) 12-16 2.0 2.0 2.5 Τελικά, όπως φαίνεται από τα παραπάνω, σύνθετα ενισχυµένα µε ίνες παρουσιάζουν έντονη ανισοτροπία στις ιδιότητές τους. Με ευθυγραµµισµένες ίνες λαµβάνεται η µέγιστη αντοχή και ενίσχυση στη διαµήκη κατεύθυνση. Στην εγκάρσια κατεύθυνση, είναι µηδαµινή, και προκαλείται θραύση σε σχετικά µικρές τιµές των εφελκυστικών τάσεων. Για άλλες διευθύνσεις των τάσεων, η αντοχή των σύνθετων υλικών κείται µεταξύ των δύο προαναφερθέντων ακραίων ορίων. Ο Πίνακας 8.2 δείχνει την αποδοτικότητα της ινώδους ενίσχυσης σε διάφορες περιπτώσεις, όπου βέβαια µε 1 έχουµε το µέγιστο βαθµό ενίσχυσης για διαµήκη φόρτιση και 0 για εγκάρσια φόρτιση. Στην παραγωγή σύνθετων υλικών πρέπει να λαµβάνονται υπόψη ο τύπος και το µέγεθος των τάσεων που θα υποστεί το υλικό, καθώς και το κόστος παραγωγής του. Η παραγωγή σύνθετων υλικών ενισχυµένων µε κοντές ίνες (είτε ευθυγραµµισµένες είτε τυχαία προσανατολισµένες) είναι ταχεία, και µπορούν να κατασκευαστούν ποικίλα σχήµατα. Επίσης το κόστος παραγωγής είναι χαµηλότερο από το να χρησιµοποιηθούν µακρές, συνεχείς και ευθυγραµµισµένες ίνες.

8-15 Πίνακας 8.2. Αποδοτικότητα ενίσχυσης για σύνθετα υλικά µε ινώδη ενίσχυση για διάφορους προσανατολισµούς των ινών και διάφορες κατευθύνσεις των επιβαλλοµένων τάσεων. Προσανατολισµός Ινών Κατεύθυνση Τάσεων Αποδοτικότητα Ενίσχυσης Όλες οι ίνες παράλληλες Παράλληλη στις ίνες 1 Ίνες τυχαία και οµοιόµορφα κατανεµηµένες σε ένα επίπεδο Ίνες τυχαία και οµοιόµορφα κατανεµηµένες µέσα στον τρισδιάστατο χώρο Κάθετη στις ίνες 0 Οποιαδήποτε κατεύθυνση στο επίπεδο των ινών Οποιαδήποτε κατεύθυνση 3/8 1/5 8.3.3. Χαρακτηριστικά διαφόρων ινών Οι διάφορες ίνες που χρησιµοποιούνται για ενίσχυση σε πολυµερικές µήτρες κατατάσσονται µε βάση τη διάµετρο και τα χαρακτηριστικά τους σε: (α) τριχοειδείς ίνες, (β) ίνες, (γ) µεταλλικά σύρµατα. Οι κυριότερες ιδιότητές τους δίνονται στον Πίνακα 8.3. Οι τριχοειδείς ίνες είναι πολύ λεπτοί µονοκρύσταλλοι µε εξαιρετικά µεγάλο λόγο µήκος/διάµετρο. Λόγω του µικρού µεγέθους τους είναι κρυσταλλικά τέλειες χωρίς σχεδόν κανένα ψέγµα, και αυτό συµβάλλει στην υψηλή τους αντοχή. Είναι τα πιο ανθεκτικά υλικά που γνωρίζουµε µέχρι σήµερα, αλλά εξαιρετικά ακριβά σε κόστος. Οι ίνες είναι υλικά είτε πολυκρυσταλλικά ή άµορφα και έχουν µικρές διαµέτρους. Συνίστανται είτε από πολυµερή ή από κεραµικά (π.χ. πολυµερή αραµίδια, ύαλος, άνθρακας, βόριον, οξείδιο του αλουµινίου, και καρβίδιο του πυριτίου). Τα µεταλλικά σύρµατα έχουν σχετικά µεγάλες διαµέτρους. Χρησιµοποιούνται π.χ. σε ακτινική ενίσχυση λάστιχων αυτοκινήτων.

8-16 Πίνακας 8.3. Χαρακτηριστικά διαφόρων υλικών για ινώδη ενίσχυση. Υλικό Ειδική βαρύτητα Αντοχή σε εφελκυσµό (GPa) Τριχοειδείς ίνες Ειδική αντοχή (GPa) Μέτρο ελαστικό -τητας (GPa) Ειδικό µέτρο (GPa) Γραφίτης 2.2 20 9.1 700 318 Νιτρίδιο του πυριτίου 3.2 5-7 1.56-2.2 350-380 109-118 Οξείδιο του αλουµινίου 4.0 10-20 2.5-5.0 700-1500 175-375 Καρβίδιο του άνθρακα 3.2 20 6.25 480 150 Ίνες Οξείδιο του αλουµινίου 3.95 1.38 0.35 379 96 Αραµίδιο (Kevlar 49) 1.44 3.6-4.1 2.5-2.85 131 91 Άνθρακας 1.78-2.15 1.5-4.8 0.7-2.7 228-724 106-407 Ύαλος τύπου Ε 2.58 3.45 1.34 72.5 28.1 Βόριον 2.57 3.6 1.40 400 156 Καρβίδιο του πυριτίου 3.0 3.9 1.30 400 133 Ειδικό πολυαιθυλένιο 0.97 2.6 2.68 117 121 (UHMWPE - Spectra 900) Μεταλλικά σύρµατα Χάλυβας υψηλής αντοχής 7.9 20 0.30 210 26.6 Μολυβδένιο 10.2 20 0.22 324 31.8 Βολφράµιο 19.3 0.15 407 21.1 8.4. ΟΜΙΚΑ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ Με τον όρο δοµικά σύνθετα υλικά θεωρούµε υλικά που αποτελούνται από συνδυασµό οµοιογενών υλικών και άλλων σύνθετων υλικών, και οι ιδιότητες των οποίων εξαρτώνται όχι µόνο από τις ιδιότητες των κατά µέρος υλικών αλλά και από το γεωµετρικό σχεδιασµό των κατά µέρος δοµικών υλικών. ύο µεγάλες κατηγορίες δοµικών σύνθετων υλικών αναφέρονται πιο συχνά: (α) τα σύνθετα

8-17 φύλλα στρώσης (laminar composites) και (β) τα φύλλα τύπου σάντουιτς (sandwich panels). 8.4.1. Σύνθετα φύλλα στρώσης Με τον όρο σύνθετα φύλλα στρώσης θεωρούµε υλικά που αποτελούνται από διδιάστατα φύλλα ή τεµάχια µε συγκεκριµένη διεύθυνση υψηλής αντοχής και πλαστικά ενισχυµένα µε συνεχείς και ευθυγραµµισµένες ίνες. Τα διάφορα φύλλα στρώνονται και συγκολλούνται µαζί έτσι ώστε ο προσανατολισµός κάθε στρώσης να εναλλάσσεται (βλ. Σχήµα 8.8). Πολλές φορές χρησιµοποιούνται αντί για ίνες στην ενίσχυση, βαµβάκι, χαρτί, ή πλεγµένες ίνες γυαλιού στην πολυµερική µήτρα. Έτσι κατορθώνεται η ενίσχυση του σύνθετου υλικού σε διάφορες διευθύνσεις στο διδιάστατο επίπεδο. Τα µοντέρνα σκι είναι ένα παράδειγµα σύνθετου υλικού µε φύλλα στρώσης. Σχήµα 8.8. Στρώσιµο διαδοχικών φύλλων ενισχυµένων µε προσανατολισµένες ίνες για την παραγωγή σύνθετου υλικού µε φύλλα στρώσης. 8.4.2. Σύνθετα φύλλα τύπου σάντουιτς Με τον όρο σύνθετα φύλλα τύπου σάντουιτς θεωρούµε υλικά που αποτελούνται από δύο ισχυρά εξωτερικά φύλλα ή πλευρές, χωρισµένα µε ένα στρώµα υλικού λιγότερο πυκνού (που λέγεται και

8-18 κορµός) µε χαµηλότερη δυσκαµψία και αντοχή. Οι πλευρές υφίστανται τη µεγαλύτερη φόρτιση και τις εγκάρσιες τάσεις στρέψης. Τυπικά υλικά για τις πλευρές είναι κράµατα του αλουµινίου, πλαστικά ενισχυµένα µε ίνες, τιτάνιο, χάλυβας, και ξύλο κατασκευών. οµικά ο κορµός έχει δυαδική λειτουργία: (α) διαχωρίζει τις πλευρές και αντιστέκεται σε παραµορφώσεις κάθετες στο επίπεδο της πλευράς, (β) παρέχει κάποια ακαµψία κατά µήκος των επιπέδων που κείνται κάθετα στις πλευρές. Τυπικά υλικά για τον κορµό είναι διογκωµένα µε αφρό πολυµερή, συνθετικό καουτσούκ, και ξύλο. Μεγάλη χρήση σαν κορµός βρίσκει και η δοµή κυψέλης, που αποτελείται από λεπτά φύλλα σχηµατισµένα από εξαγωνικές διαπλεγµένες κυψελίδες, µε άξονες κάθετους στο επίπεδο των πλευρών. Τέτοιο σύνθετο υλικό δείχνει το Σχήµα 8.9. Σύνθετα φύλλα τύπου σάντουιτς χρησιµοποιούνται ευρέως σε στρώση οροφών, πατωµάτων, τοίχων κτιρίων, καθώς επίσης και στην εξωτερική επιφάνεια αεροπλάνων. Σχήµα 8.9. Κατασκευή σύνθετου υλικού µε φύλλα τύπου σάντουιτς και κορµό δοµής κυψέλης.

8-19 8.5. ΤΟ ΣΚΥΡΟ ΕΜΑ Το σκυρόδεµα είναι ένα σηµαντικό οικοδοµικό υλικό, που χρησιµοποιείται από τους αρχαίους χρόνους µέχρι σήµερα. Στην ουσία πρόκειται για σύνθετο υλικό µε µεγάλα σωµατίδια, αφού είναι µίγµα πολτού (αποτελούµενου από τσιµέντο, νερό και εγκλωβισµένο αέρα) µε ένα σύνολο σωµατιδίων, π.χ. άµµος. Σηµειωτέον ότι και η µήτρα και η διεσπαρµένη φάση είναι κεραµικά υλικά. Το σκυρόδεµα χαρακτηρίζεται από χαµηλή τιµή της εφελκυστικής τάσης, υψηλή τιµή της θλιπτικής τάσης, και έλλειψη µεγάλης ευελιξίας. Σήµερα χρησιµοποιούνται διάφοροι τύποι σκυρoδέµατος, οι οποίοι περιέχουν τσιµέντο διάφορης χηµικής σύστασης. Η πιο καλή ποιότητα τσιµέντου είναι αυτή του τύπου Πόρτλαντ. Το τσιµέντο Πόρτλαντ αποτελείται από τα ακόλουθα υλικά: CS 3CaOSiO. 3 2 CS 2CaOSiO. 2 2 CA 3CaOAlO. 3 2 3 CAF 4CaOAlO.. FeO 4 2 3 2 3 Το τσιµέντο σκληραίνει µε την προσθήκη νερού και τη δηµιουργία µιας χηµικής αντίδρασης (υδρόλυσης), η οποία έχει σαν αποτέλεσµα το σχηµατισµό µιας γλυώδους ουσίας (gel) και διαφόρων κρυστάλλων. 8.5.1. Ιδιότητες του σκυροδέµατος Το πλέον βασικό αίτηµα στην κατασκευή του σκυροδέµατος είναι η παρασκευή κατάλληλου τσιµέντου µε πολύ υψηλή µηχανική αντοχή αλλά µε ελάχιστο δυνατό κόστος. Η µηχανική αντοχή του σκυροδέµατος αυξάνεται µε τη µείωση του λόγου νερό/τσιµέντο.

8-20 41.4 27.6 Θλιπτική τάση σ (ΜΡα) 13.8 Με αέρα 28 µέρες 7 µέρες 3 µέρες Χωρίς αέρα 28 µέρες 7 µέρες 3 µέρες 1 µέρα 1 µέρα 0.4 0.5 0.6 0.4 0.5 0.6 Η 2 Ο/τσιµέντο Σχήµα 8.10. Η τάση θλίψης σα συνάρτηση του χρόνου για σκυρόδεµα που περιέχει και δεν περιέχει αέρα. Από τις καµπύλες του Σχήµατος 8.10, παρατηρείται ότι ο εγκλωβισµένος αέρας στο σκυρόδεµα µειώνει την τάση θλίψης του. Από µια άλλη σκοπιά όµως ο παγιδευµένος αέρας στο σκυρόδεµα του δίνει µεγαλύτερη χρονική διάρκεια χρήσης. Η χρήση του έχει µεγαλύτερη χρονική διάρκεια σε περιβάλλον κρύας ατµόσφαιρας και ψύχους. Η αποµάκρυνση της υγρασίας από την επιφάνεια των υλικών του σκυροδέµατος µειώνει την πιθανότητα να λάβει χώρα η αντίδραση της υδρόλυσης. Έχει παρατηρηθεί ότι µετά από 28 ηµέρες, σκυρόδεµα το οποίο παρασκευάστηκε σε ξηρή ατµόσφαιρα έχει το 50% της τάσης θλίψης από σκυρόδεµα το οποίο παρασκευάστηκε σε υγρή ατµόσφαιρα. Όπως συµβαίνει σε πολλές χηµικές αντιδράσεις, η αντίδραση υδρόλυσης του τσιµέντου ελευθερώνει ενέργεια, και ο ρυθµός της υδρόλυσης είναι υψηλότερος σε υψηλότερες θερµοκρασίες. Συνεπώς ο σωστός τύπος τσιµέντου, ο λόγος νερό/τσιµέντο, και η κατεργασία του

8-21 σκυροδέµατος για να αποκτήσει την απαιτούµενη µηχανική αντοχή, εξαρτώνται και από τη θερµοκρασία του περιβάλλοντος. Το φαινόµενο του ερπυσµού δεν είναι πάντοτε καταστρεπτικό στη µελέτη των ιδιοτήτων του σκυροδέµατος. Ο ερπυσµός µπορεί να ελευθερώσει µηχανικές τάσεις, οι οποίες αναπτύχθηκαν κατά τη διάρκεια της συστολής λόγω ξήρανσης του σκυροδέµατος. Γενικά, ο ρυθµός ερπυσµού του σκυροδέµατος µειώνεται στις ακόλουθες περιπτώσεις: (α) σε υψηλές τιµές µηχανικής τάσης του σκυροδέµατος, (β) σε µικρότερο όγκο του τσιµεντοπολτού, (γ) µε τη συµµετοχή µεγάλων σωµατιδίων. Το φαινόµενο της αντίστασης στη φθορά του σκυροδέµατος είναι ένας σηµαντικός τεχνολογικός παράγοντας στη µελέτη της κατασκευής δρόµων, οικιών, λιµένων, κλπ. Όπως αναµένεται, ισχυρότερο σκυρόδεµα έχει µεγαλύτερη αντίσταση στη φθορά, βλ. Σχήµα 8.11. 0.8 Βάθος φθοράς (cm) 0.6 0.4 0.2 0 13.8 27.6 41.4 Τάση θλίψης (ΜΡα) Σχήµα 8.11. Σκυρόδεµα µε µεγαλύτερη τάση θλίψης δείχνει και µεγαλύτερη αντίσταση στη φθορά.

8-22 Επίσης διάφοροι παράγοντες επηρεάζουν τη χρονική διάρκεια χρήσης του σκυροδέµατος, π.χ. µερικά εδάφη είναι πλούσια σε θειϊκές ρίζες. Για αυτά τα εδάφη, προτείνεται η χρήση του τσιµέντου Πόρτλαντ, τύπου C 3 Α, κατά την παρασκευή του σκυροδέµατος. Το θαλασσινό νερό, το αλάτι, η ψύξη, καθώς και το χιόνι µειώνουν τη χρονική διάρκεια χρήσης του τσιµέντου. Επίσης η ατµοσφαιρική ρύπανση επιδρά καταστρεπτικά στη χρονική διάρκεια του τσιµέντου και φυσικά του σκυροδέµατος. 8.5.2. Οπλισµένο σκυροδέµα Όπως µε τα ενισχυµένα µε ίνες σύνθετα υλικά, το σκυρόδεµα µπορεί να ενισχυθεί µε διάφορους τρόπους για να βελτιωθούν οι µηχανικές του ιδιότητες. Τότε λέγεται οπλισµένο σκυρόδεµα (ή µπετόν αρµέ, γαλ. beton armé). Ο συνηθέστερος τρόπος ενίσχυσης είναι µε σιδερένιες βέργες, σύρµατα, ή σιδερένια πλέγµατα, τα οποία εµπερικλείονται στο νωπό και πριν την στερεοποίησή του σκυρόδεµα. Η ενίσχυση αυτή έχει σαν αποτέλεσµα τη δυνατότητα του σκυροδέµατος να υφίσταται µεγαλύτερες εφελκυστικές, θλιπτικές, και διατµητικές τάσεις, ακόµα και σε περίπτωση που εµφανίζονται ρωγµές. Η χρήση χάλυβα είναι κατάλληλη γιατί έχει τον ίδιο περίπου συντελεστή θερµικής διαστολής όπως και το σκυρόδεµα. Επιπλέον ο χάλυβας δεν διαβρώνεται εύκολα στο περιβάλλον του σκυροδέµατος, οι δε δεσµοί πρόσφυσης του χάλυβα µε το σκυρόδεµα είναι αρκετά ισχυροί.