Materiale compozite cu matrice polimerică

Introducere

Termenul de material compozit se referă la un material care în principiu diferă de materialele care sunt omogene la scară macroscopică. In mod obişnuit unii autori consideră drept materiale compozite aranjamente de fibre continue sau discontinue realizate dintr-un material existent, ranfortul, care este cufundat într-o matrice a cărei rezistenţă mecanică este mult mai scăzută. Matricea are rolul de a menţine distribuţia geometrică a fibrelor şi a le transmite solicitările la care este supusă piesa.

Alţi autori sunt mat puţin tranşanţi în a defini aceste materiale prezentandu-le prin proprietăţile generale sunt create artificial, prin combinarea voită, raţională, a diferitelor componente (sunt excluse aşadar compozitele naturale sau apărute fără intenţia de a crea un material compozit, de exemplu: lemnul, fontele cenuşii etc.):

- reprezintă o combinare a cel puţin două materiale deosebite din punct de vedere chimic, între care există o suprafaţă de separare distinctă, interfaţă.

- prezintă proprietăţi pe care nici un component luat separat nu le poate avea.

In mod elocvent se observa că în timp ce la materialele plastice, care posedă proprietăţi izotrope, sunt folosite tehnici de proiectare şi execuţie a pieselor atât de apropiate celor utilizate pentru metale, la materialele compozite trebuie construită structura care se cere. Rezultatul îl reprezintă un sistem care include:

-natura, textura şi forma ranfortului;

-concentraţia ranfortului;

-natura răşinii şi a şarjelor sau aditivilor;

-calitatea interfeţei ranfort-matrice;

-geometria piesei de realizat;

-procedeul de punere în lucru utilizat etc.

Scopul cercetării este deci de a orienta cât mai bine ranfodul în funcţie de eforturile sau modificările la care structura este supusă, cu alte cuvinte de a plasa materialul potrivit la locul potrivit şi nu peste tot ca şi în cazul materialelor omogene.

In clasificarea materialelor compozite care reprezintă o gamă foarte mare de produse, este necesar de a se lua în considerare mai multe criterii. Astfel, compozitele pot fi clasificate în categoriile prezentate în continuare:

a) După starea de agregare a matricei şi a materialului dispersat:

-compozite de tip 1ichid-solid (suspensii, barbotine);

-compozite de tip lichid-lichid (emulsii);

-compozite de tip gaz-solid (structuri „fagure", aerodispersii);

-compozite solid-solid (metal-carbon, metal-fibre, carbon-carbon, polimer-fibre etc).

b) După natura matricei:

-compozite cu matrice metalică (Al, Cu. Ni. Mg, aliaje);

-compozite cu matrice organică (polimeri);

-compozite cu matrice din carbon;

-compozite cu matrice ceramica (SiC, B4N3, Al2O3 etc.);.

c) După configuraţia geometrică a materialului complementar:

-compozite cu fibre discontinue (fibre scurte, mono sau multifuncţionale);

-compozite cu fibre continue;

-compozite cu particule mari (grafit, oxizi, nit run, carbon, aliaje) acestea având dimensiuni mai mari de 1 µm şi diferite forme: sferică, plată, elipsoidală, neregulată;

-compozite cu microparticule (la care materialul dispersat în matrice reprezintă 1-15%, iar diametrul mediu al particulelor nu depăşeşte de regulă 0,1 mm);

-compozite lamelare stratificate.

d) După modul de distribuţie a materialului complementar:

-compozite izotrope, care conţin elemente disperse de tip particule, granule metalice sau fibre scurte, uniform repartizate;

-compozite anizotrope (cu proprietăţi variabile cu direcţia, la care materialul complementar este sub formă de fibre continue (inserţii, împletituri), orientate unidirecţional în plan sau în spaţiu sau fibre scurte repartizate liniar;

-compozite stratificate, în cazul cărora elementele componente sunt bidimensionale;

-compozite cu o distribuţie dirijată a materialului dispersat, obţinute prin solidificarea unidirecţională sau deformare plastică la rece.

e) După modul de realizare a suprafeţei de contact:

-compozite integrate chimic, la care interacţiunile din suprafaţa de contact sunt de natură chimică (vitroceramul gama silicioasă, masele refractare fosfatice, cermeţii);

-compozite obţinute prin agregare, la care predomină forţele de adeziune şi coeziune între componenţi;

-compozite cu armură dispersă, care constau dintr-o matrice rigidă (ceramică) sau deformabilă (metale, aliaje polimeri), în care se înglobează materialul complementar, constituit din fibre sau particule, forţele de legătură fiind de natură fizică şi/sau chimică.

f) După mărimea materialului complementar:

-microcompozite la care materialul dispers este la scară microscopică sub forma de fibre continue (aliniate sau împletite), fibre scurte (aliniate sau nealiniate), (sferice, plate, elipsoidale, alte configuraţii), microparticule, structuri lamelare, reţele spaţiale, componente multiple;

-macrocompozite, categorie în care se încadrează compozitele stratificate macroscopic, materiale acoperite, materiale cu elemente de armare la scară macro.

Componentele materialelor compozite cu matrice polimeră

Pentru materialele compozite cu matrice polimeră se au în vedere următorii constituenţi (figura de mai jos):

-ranfortul, care constituie armătura sau scheletul asigurând rezistenţa mecanică (este de natură filamentară: fibre minerale sau organice);

-matricea, leagă ranfortul, repartizând eforturile asigurând protecţia chimică, totodată dă şi forma piesei, (este prin definiţie un polimer sau o răşină organică).

Interfaţa, asigură compatibilitatea ranfort-matrice, asigurând transmiterea eforturilor de la unul la celălalt fără o deplasare relativă (prezintă o bună aderenţă în strat subţire: de ordinul micronilor).

Fig.Modul de realizarea a interfeţei matrice - ranfort

Materiale compozite de mare difuziune (GD) şi de înaltă performanţă (HP)

Compozitele de „mare difuziune" (GD), mai cunoscute, provin cel mai adesea din cuplul fibre de sticlă E/răşină poliester sau sticlă E/tehnopolimeri, cu un procent de ranforsare aproape 30%.

Compozitele de „înaltă performanţă" (HP), încă puţin utilizate, provin din asocierea fibrelor lungi de sticlă R, carbon sau aramide cu răşini epoxidice având un procent de ranforsare peste 50%.

Proprietăţile lor mecanice cum ar fi rezistenţa şi modulul specific (R/d şi E/d) sunt net superioare materialelor convenţionale, depinzând numai de costurile care se menţin încă ridicate