Materiale Compozite

Introducere

De cele mai multe ori ignorate, intrate în cotidian, materialele au constituit şi continuă să rămână unul din factorii principali ai progresului, de cele mai multe ori reprezentând elementele de bază în iniţierea revoluţiilor tehnice. Astfel descoperirea metalelor a permis confecţionarea uneltelor şi a iniţiat evoluţia rapidă a societăţii omeneşti după câteva milioane de ani de stagnare în utilizarea pietrei şi a lemnului. Fonta a facilitat apariţia transportului feroviar. Siliciul stă la baza informaticii şi a electronicii moderne, iar compozitele au permis performanţele recente în domeniul tehnicii aerospaţiale ş. a.

Până în secolul al XIX-lea tot ce intra în posesia omului - casă, unelte, haine, alte bunuri, se baza pe opt materiale: metal, piatră, lemn, ceramică, sticlă, piele, corn şi fibră. În ultimii 150 de ani două noi materiale au creat posibilitatea lărgirii preocupărilor umane: cauciucurile şi materialele plastice. Ambele fac parte din marea familie a compuşilor macromoleculari. Treptat materialele polimere, ca atare sau asociate cu materiale tradiţionale, au început să le înlocuiască pe acestea din urmă, datorită consumului mai mic de energie în etapa de fabricare, transformare, exploatere şi a preţului de cost adesea mai convenabil. Dacă la început au fost substituite lemnul, hârtia, sticla, actual impactul îl suferă metalele (Fig.1).

Fig.1 Evoluţia utilizării materialelor

Actual, o accentuare a interesului producătorilor se constată în cazul materialelor complexe constituite prin asociere sau pseudoaliere, rezultat al evoluţiei tehnologice şi al cerinţelor crescânde pe piaţă pentru materiale de înaltă performanţă. În ultimele decenii s-a remarcat astfel o cerere crescută pentru compozite. Combinând proprietăţile performante cu o prelucrabilitate superioară şi o comportare bună în exploatare, ele au început prin a fi preferate pentru piese mici, puţin solicitate, pentru ca ulterior concurenţa să se extindă în domeniul elementelor de structură, în special în transporturi: automobile, construcţii navale, feroviare, tehnică aerospaţială (Tabel 1). Compozitele sunt deci rezultatul combinării performanţelor noii chimii cu o inginerie inteligentă, în concordanţă cu cererea pe piaţă.

Tabel 1. Substituţia materialelor tradiţionale de către polimeri şi

compozite polimere

Materiale tradiţionale Domeniu de utilizare Aplicaţii noi Materiale corespondente

Metale Produse prin formare în matriţă ambarcaţiuni, vase de pescuit, mobilier, structuri pentru avioane, elemente de caroserie

soclu aparatură electrocasnică

carcasă pentru maşină de scris

articole de uz sanitar compozite

tehnoplaste, compozite

PP

tehnoplaste

PMMA, compozite

Profile conducte (pentru transportul petrolului)

conducte încălzire, apă caldă

articole sportive, ţevi pentru irigaţii, drenaj PEhd, TDR

PEhd, PP

PVC, compozite

Ambalaje corpuri cave, butelii, containere

conserve rigide şi suple PEhd

PP, PET

Sticlă Materiale de protecţie, ambalaje,

produse optice geamuri de protecţie, far, protecţie bord,

butelii pentru băuturi gazoase,

lentile, fibre optice,

izolaţii PEPC, PMMA

PET

PMMA

spume poliuretanice sau polistiren expandat

Lemn Materiale construcţii uşi, cadru ferestre, mobilier

articole de sport PVC, compozite

tehnopolimeri şi compozite

Hârtie Produse de uz special suport impresionabil folie PP, PET

Piele Articole de îmbrăcă-minte şi încălţăminte înlocuitori piele poliuretani

Se poate spune că evoluţia în domeniul producţiei şi utilizării materialelor este astfel dominată în prezent de trei direcţii:

-exploatarea anizotropiei controlate, care a condus la materialele compozite;

-scăderea importanţei materialelor de structură în favoarea celor funcţionale cu proprietăţi

speciale, în concordanţă cu domeniul de utilizare;

-creşterea importanţei interacţiunii material - procedeu de prelucrare, materialele noi

impunând soluţii tehnologice noi.

2. Definire, componente, clasificare

Termenul de ompozit este utilizat pentru definirea unui sistem complex, alcătuit din mai multe materiale de natură diferită. Principiul de constituire a materialelor compozite este relativ simplu: asocierea unor materiale nemiscibile, din clase diferite, cu scopul de a asigura prin cumularea proprietăţilor componentelor performanţe adesea superioare materialelor iniţiale în ceea ce priveşte caracteristicile fizico-mecanice şi chimice sau facilităţile de prelucrare, la un cost de producţie cât mai scăzut,. Considerate drept materialele viitorului, ele constituie un exemplu pentru rezolvarea uneia din cerinţele actuale în producţia de bunuri - obţinerea de materiale adaptate funcţiei produsului finit. Soluţia în acest caz constă în selecţia componentelor funcţie de performanţele, respectiv caracteristicile impuse produsului finit, corelată cu alegerea procedeului de prelucrare optim, în concordanţă cu geometria produsului, volumul producţiei şi nivelul costurilor de producţie. Principalele componente ale compozitelor sunt matricea şi materialul de ranforsare, la care se adaugă materiale de umplutură şi aditivi (Fig. 2).