Materiale compozite - fibre continue - tehnologii, caracteristici și metode de obținere

Compozite armate cu fibre

Se poate spune, că scopul iniţial al realizării compozitelor a fost creşterea competitivităţii materialelor clasice, ale căror proprietăţi de rezistenţă şi de rigiditate nu mai puteau fi îmbunătăţite prin alte mijloace. Din acest punct de vedere se înţelege că eficienţa maximă a întăririi unui anumit material se obţine prin introducerea, în structura lui, a unor elemente de armare sub formă de fibre.

Reprezentând cea mai cunoscută categorie şi marcând începutul folosirii pe scară industrială a noilor materiale, compozitele cu fibre sunt imaginate mai ales sub formă de matrici plastice (polimerice) armate cu fibre (lungi) de sticlă, care vreme îndelungată (în deceniile de la mijloculveacului trecut) au fost singurul tip de compozite de largă recunoaştere. Aşa se explică faptul că, chiar şi în prezent, această clasă de materiale este adesea identificată în literatură cu însăşi noţiunea de compozit. Parcurgerea capitolelor următoare va arăta însă suficient de clar că această identificare a devenit cu totul anacronică şi că este recomandabil să se acţioneze pentru eliminarea ei.

Armarea cu monocristale filamentare

Principial, cu cât fibrele de armare au diametre mai mici, cu atât proprietăţile lor mecanice sunt mai bune, deoarece scade probabilitatea de apariţie a defectelor în materialul lor, precum şi mărimea probabilă a acestor defecte. Din acest motiv se poate spune că monocristalele filamentare – whiskerele – reprezintă o categorie cu totul specială de fibre, având şi proprietăţi foarte bune.

Obţinute prin creşterea dirijată a cristalelor, acestea au, în mod tipic, diametre cuprinse între 0,2 şi 15 μm şi lungimi de 10÷300 μm. Primele astfel de cristale au fost din oxid de aluminiu, fiind fabricate de firma americană General Electric, începând din 1960. Ulterior s-au produs şi cristale din alte materiale ceramice (oxid de beriliu, carbură de bor sau de siliciu s.a.), din carbon, dar şi din metale precum cupru, nichel, fier etc.

Ca orientare, tabelul 1 de mai jos, prezintă câteva dintre valorile tipice ale proprietăţilor unor monocristalelor filamentare.

Tab. 1.1. Proprietăţi fizico-mecanice ale unor fibre monocristaline [12]

Materialul Densitatea [g/cm3] Rezistenţa la tracţiune [GPa] Modulul de elast. [GPa] Temp. de top. (sublimare) [K]

Grafit 2,2 19,6 680 (3950)

Al2O3 4,0 22,3 420 2290

SiC 3,2 21,0 ∼700 ∼3000

BeO 3,0 24,8 133 2800

Fe 7,8 12,6 196 1800

Si 2,3 7,6 163 1680

Se poate observa cu uşurinţă că proprietăţile mecanice indicate în tabel au valori mult superioare celor ale aceloraşi materiale, atunci când sunt folosite în eşantioane „macroscopice”. În schimb, este important de subliniat că producerea materialelor sub formă de whiskere necesită costuri ridicate şi dotări tehnologice performante, încât folosirea acestor elemente de armare este justificată numai pentru domeniile de vârf ale tehnicii.

Clasificarea compozitelor cu fibre

Considerate global, principalele categorii de compozite armate cu fibre sunt următoarele :

1. Compozite cu matrice polimerică – de obicei sunt răşini termorigide (epoxidice, poliimide sau poliesterice) sau termoplastice, armate cu fibre de sticlă, de carbon, de bor sau aramidice (Kevlar), cu

monocristale ceramice sau, mai recent, cu fibre metalice.

Sunt folosite mai ales în aplicaţii care implică temperaturi relativ joase de lucru (ajungând, în mod excepţional, pentru termoplastice fabricate prin injecţie, la nivelul maxim de 400°C).

2. Compozite cu matrice metalică – cel mai frecvent se bazează pe aliaje de aluminiu, magneziu, titan sau cupru, în care se introduc fibre de bor, de carbon (grafit) sau ceramice (de obicei de alumină sau

carbură de siliciu). Temperatura de lucru (uzual de cel mult 800°C) a unui astfel de compozit este limitată de nivelul punctului de înmuiere sau de topire care caracterizează materialul matricei.

Dacă aplicaţia avută în vedere implică temperaturi mari, atunci se recomandă folosirea ca matrice a unor aliaje pe bază de nichel sau a unor superaliaje. Dezavantajul acestora este că au greutăţi specifice

mari, ducând la creşterea masivităţii structurii finale.

3. Compozite cu matrice ceramică – au fost dezvoltate în mod special pentru aplicaţiile cu temperaturi foarte ridicate de lucru (peste 1000°C); cele mai utilizate materiale de bază sunt carbura de siliciu (SiC), alumina (Al2O3) şi sticla, iar fibrele de armare uzuale sunt tot de natură ceramică (de obicei sub formă de fibre discontinue, foarte scurte).

4. Compozite “carbon-carbon” – cu matrice de carbon sau de grafit şi armare cu fibre sau ţesături de fibre de grafit; sunt foarte scumpe, dar şi incomparabile cu alte materiale prin rezistenţa la temperaturi înalte (de până la 3000°C), cuplată cu densitatea mică şi coeficientul mic de dilatare termică.

Cele mai răspândite sunt compozitele armate cu fibre lungi (de obicei din carbon, bor, sticlă, alumină sau carbură de siliciu), care mai sunt numite şi unidirecţionale. Acestea sunt caracterizate de o puternică anizotropie a proprietăţilor fizico-mecanice, fiind uşor de imaginat că proprietăţile cele

mai bune se realizează pe direcţia armării.