Material compozit

Țesătură de filament din fibră de carbon

În știința materialelor , un material compozit este un material eterogen, adică format din două sau mai multe faze cu proprietăți fizice diferite, ale căror proprietăți sunt mult mai bune decât cele ale fazelor care îl constituie ^[1] . De obicei, diferitele faze ale compozitului sunt alcătuite din diferite materiale, cum este cazul compozitelor din fibră de carbon și rășină epoxidică. Cu toate acestea, există excepții în care diferitele faze sunt realizate din același material, cum ar fi SiC / SiC ^[2] și polipropilenă auto-armată (SRPP) ^[3] . Materialele compozite pot fi atât artificiale, cât și naturale. Câteva exemple de materiale compozite naturale sunt lemnul , unde fibrele de celuloză sunt dispersate într-o fază ligninică și oasele, unde colagenul este întărit de apatit mineral.

fundal

Cele mai primitive materiale compozite de om au fost cărămizile , formate din paie și noroi combinate împreună; cartea biblică a Exodului vorbește despre israeliții oprimați de faraon care au fost obligați să pregătească cărămizi fără paie. Procesul antic de prelucrare a cărămizilor poate fi încă văzut pe picturile mormintelor egiptene din Muzeul Metropolitan de Artă .

Mai târziu au fost dezvoltate alte materiale compozite, inclusiv placaj , beton și combinația de beton și tije de fier (numite beton armat ).

Structura materialelor compozite

Structura unui material compozit armat cu fibre.

Materialele individuale care alcătuiesc compozite sunt numite constituenți și, în funcție de funcția lor, se numesc matrice și armare (sau umplutură ). ^[4]

Combinația acestor două părți constituie un produs capabil să garanteze proprietăți mecanice foarte ridicate (în acest scop fundamental este îngrijirea aderenței interfațiale între armătură și matrice) și o densitate decisiv scăzută: din acest motiv, compozitele sunt utilizate pe scară largă în aplicații unde ușurința este crucială, în primul rând aeronautica . ^[5]

Matrice

Matricea constă dintr-o fază omogenă continuă, care are sarcina de a:

închideți armătura, asigurând coeziunea materialului compozit (și a oricăror straturi din care este compus, în cazul compozitului laminat);
asigurați-vă că particulele sau fibrele de armare au dispersia corectă în interiorul compozitului și că nu există segregare.

În funcție de natura matricei, materialele compozite sunt împărțite în diverse categorii, inclusiv:

PMC ( Polymer-Matrix Composite ): compozite matriciale polimerice , de exemplu termoplastice (cum ar fi Nylon și ABS ) sau termorezistente (cum ar fi rășinile epoxidice );
MMC ( Metallic-Matrix Composite ): compozite matriciale metalice , în general aluminiu sau titan și aliajele acestora, mai rar magneziu sau altele;
CMC ( Ceramic-Matrix Composite ): compozite din matrice ceramică , în general carbură de siliciu sau alumină ;
compozite carbon-carbon: atât matricea, cât și armătura sunt realizate din carbon;
compozite hibride: conțin două sau mai multe tipuri de fibre.

În majoritatea cazurilor, matricele sunt polimerice, deoarece garantează o densitate scăzută (și, prin urmare, ușurința materialului final): cu toate acestea, au defectul de a reduce drastic performanța pe măsură ce temperatura crește.

În materialele compozite cu o matrice polimerică, de exemplu, rășinile epoxidice (aceleași utilizate în unele adezivi ) sau rășinile fenolice pot fi utilizate ca matrice, eventual cu aditivi cu alți polimeri (de exemplu PVB ) care ajută la îmbunătățirea caracteristicilor mecanice (p .es flexibilitatea) materialului compozit menținând în același timp aderența la armătură.

Armare

O fibră de carbon (mai întunecată și mai subțire) în comparație cu părul uman (mai deschis și mai gros).

Armătura este reprezentată de o fază dispersată, care este dispersată cu precizie în diferite moduri în interiorul matricei și are sarcina de a asigura rigiditatea și rezistența mecanică, luând asupra sa cea mai mare parte a sarcinii externe.

În funcție de tipul de armare, materialele compozite sunt împărțite în:

compozite de particule;
compozite armate cu fibre;
compozite structurate (de exemplu, panouri sandwich , compozite laminate și panouri compozite din aluminiu ).

Compozite cu fază dispersată de particule

În compozite de particule armarea constă din „particule”, care (spre deosebire de fibre) pot fi presupuse a fi echiaxate,

Proprietățile fizico-chimice ale materialelor compozite de particule depind de geometria sistemului de particule, adică:

dimensiunea și forma particulelor
concentrarea, distribuția și orientarea particulelor în faza matricei.

Compozite cu fază dispersată fibroasă

La rândul lor, compozitele armate cu fibre pot fi clasificate în:

compozite de fibre continue (sau lungi);
compozite discontinue (sau scurte) din fibre aliniate între ele;
compozite discontinue (sau scurte) din fibre dispuse aleatoriu.

Materialele compozite cu o fază dispersată fibroasă prezintă o anizotropie marcată. Această anizotropie nu se găsește (sau cel puțin este mult mai mică) în compozite de particule, în măsura în care particulele menționate sunt echiaxate. Anizotropia, dacă este controlată, poate fi un avantaj: materialul este întărit în acele direcții în care se știe că va fi încărcat și, prin urmare, performanțele sunt optimizate (ca în cazul compozitelor din fibre continue). Dacă, pe de altă parte, se datorează fenomenelor care sunt mai greu de controlat (de exemplu fluxul plastic al materialului într-o matriță, ca în cazul compozitelor scurte din fibre) devine problematic, deoarece orientarea direcțiilor maxime întărirea coincide cu greu cu cea dorită.

În cazul compozitelor armate cu fibre, armătura poate consta, de exemplu, din:

fibră de sticlă
fibra de carbon (formata din carbon grafitic si carbon amorf)
fibre ceramice (de exemplu, carbură de siliciu sau alumină )
Fibra de aramidă (cum ar fi Kevlar )
fibra de bazalt .

Compozite structurate

Mecanisme de adeziune a armăturii matriciale

Productia de materiale compozite

Pultruzie

Înfășurarea bobinei

Este o tehnică pentru producerea de componente goale simetrice cilindric (cum ar fi țevi, stâlpi, rezervoare). Se compune din înfășurarea fibrelor impregnate cu rășină cu vâscozitate redusă pe o bobină cu o mandrină rotativă. Este un proces rapid și economic și garantează proprietăți structurale bune compozitului. Cu toate acestea, procesul este limitat la obiecte în formă convexă, fără concavitate.

Înfășurarea cu filament este în general utilizată pentru a produce materiale compozite după cum urmează:

faza dispersată: în fibre de carbon, sticlă sau aramidă;
matrice: în rășini epoxidice, poliesterice, vinilesterice sau fenolice.

Turnare prin perfuzie cu rășină (RTM)

RTM (turnarea prin transfer de rășină) este un proces în care este utilizată o matriță cu două componente care modelează cele două fețe ale panoului. Partea inferioară este rigidă, partea superioară poate fi rigidă sau flexibilă. Matrițele flexibile pot fi realizate din material compozit, siliconi sau fire de polimer extrudat, cum ar fi nailon . Cele două părți se potrivesc împreună pentru a forma o cavitate de matriță. Particularitatea acestui proces este că materialele de armare sunt plasate în cavitate, iar matrița este închisă înainte de introducerea materialului care va compune matricea. RTM are numeroase varietăți care diferă în modul în care este introdusă rășina . Procesul poate avea loc atât la temperatură ridicată, cât și la temperatura camerei.

Laminare

Fibrele (în general sub formă de „covor”, fir tăiat sau țesătură), sunt așezate pe o matriță, pe care se toarnă ulterior rășina (de obicei poliester sau vinilester). Întărirea ("întărirea") matricei polimerice se realizează la temperatura camerei, în același timp trecând materialul compozit prin role, pentru a facilita impregnarea fibrelor. Este, în general, un proces adecvat pentru prelucrarea pieselor mari. Există, de asemenea, „Spray Lay Up” (laminare prin pulverizare), care constă în pulverizarea rășinii pe un strat de fibre. Această prelucrare are avantajul de a fi ușor automatizată, dar este posibilă doar obținerea de materiale compozite cu fibre discontinue orientate în mod aleatoriu (prin urmare nu este posibil să se obțină compozite cu fibre continue sau compozite cu fibre discontinue aliniate).

Laminare cu autoclavă

Același subiect în detaliu: Procesul de amenajare .

Acest proces este de obicei utilizat pentru a trata fibrele de carbon sau kevlar . Se taie primele straturi de fibre cu lungimea dorită; ulterior acestea sunt stivuite și lipite. Aceste blocuri sunt apoi introduse într-o autoclavă, unde sunt supuse unor programe de temperatură și presiune, la capătul cărora se obține laminatul întărit. În această prelucrare este foarte frecventă utilizarea prepregului (fibre pre-impregnate cu rășină), care asigură omogenitatea structurală a compozitului.

O variantă de producție pentru laminare constă în utilizarea unui film PVB fără solvent ^{[6] pentru a} fi interpus între straturile preimpregnatelor : prin controlul corespunzător al parametrilor de temperatură, presiune și timp, gradul de pătrundere a PVB în preimpregnat în funcție de proprietățile necesare compozitului finit. Avantajele utilizării acestor filme sunt legate în principal de absența solvenților, ușurința aplicării și proprietățile bune de aderență ale PVB la diferite tipuri de fibre utilizate în compozite (de exemplu , fibră de carbon , fibră de aramidă , sticlă ).

Exemple de materiale compozite și aplicații

Materialele compozite sunt solicitate de acele sectoare de producție în care este necesar să se îndeplinească cerințele cu greutate redusă și caracteristici mecanice ridicate.

Industriile aeronautice, navale și auto utilizează pe scară largă materialele compozite pentru construcția de structuri de aripi, fuzelaje, cărucioare, bărci , canoe , panouri de caroserie, șasiu " Formula 1 " și reparațiile acestora ^[7] , arbalete , părți ale motorului și diverse accesorii.

Industriile aerospațiale și de război folosesc aceste materiale pentru componentele structurale ale stațiilor de lansare și mașinilor autopropulsate din spațiu , precum și pentru căști și blindaje.

În domeniul sportului se utilizează materiale compozite pentru construcția schiului , bobului , rațului cu zăpada, tenisului , bicicletelor , pescuitului cu trestie, ascensorului pentru tir cu arcul și licitațiilor pentru săritura în înălțime.

În medicină , protezele sunt realizate din materiale compozite.

În sectorul ingineriei instalațiilor, acestea sunt utilizate pentru țevi și rezervoare.

Materialele compozite, pe măsură ce sunt produse, formează baza pentru pregătirea așa-numitelor materiale inteligente ( Materiale inteligente ): acestea sunt obținute prin înecarea în interiorul compusului, în faza de construcție, a fibrelor optice care, conectate la un computer , constituie senzorul capabil să transforme semnalele în funcție de stările de stres și deformare prezente. Un exemplu de aplicație ar putea fi șasiul mașinii, construit din material compozit inteligent, care ar putea fi monitorizat constant de un computer de bord. Cu acest tip de monitorizare, pilotul va putea evalua, în orice moment, eficiența structurii și apariția unor situații periculoase. ^{[ fără sursă ]}

Alte exemple de materiale compozite sunt reprezentate de materiale de pavaj rutier, constând din oțel și agregat armat de ciment Portland sau conglomerat de asfalt .

Caziile de duș și căzile de baie pot fi construite din fibră de sticlă . Suprafețele chiuvetelor și blaturilor de bucătărie care imită granitul sau marmura sunt, de asemenea, realizate din materiale compozite.

Unele materiale compozite sunt formulate pentru construcția de nave spațiale, care trebuie să reziste unor condiții deosebit de solicitante.

Un exemplu de material compozit de natură metalică este perlitul (format din ferită alfa și cementită ). ^[4]

Chiar și în natură există materiale compozite, de exemplu lemn (format în principal din celuloză dispersată în lignină ) sau oase (constând din colagen și apatit ); ^[4]

La rândul său, lemnul poate sta la baza altor materiale compozite, precum placaj și PAL.

Astronautul Malcolm Scott Carpenter examinează un material compozit structurat ( panou sandwich ) al capsulei Aurora 7 .
Mașină Formula Indy construită din fibră de carbon. Mașina nu a fost încă vopsită, așa că puteți vedea texturile fibrelor de carbon.
Chiuvetă din material compozit (polimer armat cu fibre naturale).
Placajul este un material compozit obișnuit.
Betonul este un material compozit.
„Durasteel”, un material compozit format din beton armat cu fibre acoperit cu foi de metal perforate.