fibre

Materiale de armare pentru compozite performante

Materiale de armare

• Fibre pentru armare (obţinere, proprietăţi)

- Fibre vitroase

- Fibre de carbon si fibre de grafit

- Fibre naturale si fibre artificiale

- Alte fibre de armare

• Pulberi pentru armare (obţinere, proprietăţi)

Relatii de compatibilitate matrice-material de

armare in compozite performante


• Marea varietate a caracteristicilor precursorilor (matricile şi elementele de armare)explică numărul mare de combinaţii posibile, respectiv diversitatea acestei clase de materiale.

• O clasificare a materialelor compozite se poate face luând în considerare trei criterii importante, şi anume:

1. Natura matricei şi a componenţilor de armare

• Materialele utilizate pot fi deosebit de diverse, reprezentând atât materialele organice, cât şi anorganice

Tabelul prezentă tipurile principale de materiale ce pot avea rol de matrice, respectiv, elemente de armare pentru diferite tipuri de materiale compozite.

Natura fibrelor

Tipul matricei

Organică Ceramică Vitroasă Metalică Carbonică

Polimeri organici

(materiale plastice) X X X

Materiale ceramice

(oxidice sau neoxidice) X X X

Sticle oxidice X X X

Lianţi anorganici

(ipsos, ciment, beton) X X X X X

Metale sau aliaje X X


• 2. Configuraţia geometrică şi modul de distribuţie a materialelor de armare

(complementare)

• Pentru o definire riguroasă a configuraţiei geometrice a materialelor înglobate în

matrice se pot utiliza valorile indicilor de aplatizare (m) şi alungire (n). Ei reprezintă

raportul grosime (e)/lăţime (l), respectiv, lăţime (l)/lungime (L) şi pe baza lor se

realizează aşa-numitul pătrat al formelor lui Pavillon prezentat în fig. 4

• Pătratul formelor lui Pavillon


• Conform criteriului geometric considerat, materialele compozite pot avea

diferite caracteristici configuraţionale, prezentate sintetic în figură

• Clasificarea compozitelor în raport cu caracteristicile geometrice şi

dimensionale ale materialului de armare

MATERIALE COMPOZITE

COMPOZITE CU FIBRE COMPOZITE CU PARTICULE

STRATIFICATE

(LAMINATE) NESTRATIFICATE

PARTICULE MICI

(MICROPARTICULE) PARTICULE MARI

CU FIBRE

CONTINUE

CU FIBRE

DISCONTINUE

UNI-

DIRECŢIONALE

MULTI-

DIRECŢIONALE

ORIENTATE

PREFERENŢIAL

DISTRIBUITE ORIENTATE

PREFERENŢIAL DISTRIBUITE


• 3. Natura interacţiilor la interfeţele de contact, care pot reprezenta:

• - legături chimice;

• - forţe de adeziune (în compozite realizate prin presare);

• - forţe de legătură combinate, de natură fizică şi chimică (compozite cu armare continuă/dispersă).

• Aceste trei criterii, precum şi altele raportate în literatura de specialitate, ilustrează varietatea deosebită a materialelor compozite devenite indispensabile atât unor domenii industriale de vârf (aerospaţial, transport naval şi rutier, telecomunicaţii, etc.) cât şi vieţii casnice cotidiene.

• Dintre toate aceste materiale ponderea cea mai importantă este deţinută de compozitele armate cu fibre.


• Materiale compozite pe bază de fibre

• Armarea cu fibre are drept scop îmbunătăţirea proprietăţilor matricei (îndeosebi a celor fragile), fibrele având rolul de a prelua o mare parte din solicitările la care este supusă matricea.

• Pentru această clasă particulară de compozite, matriceapoate fi reprezentată de:

• - polimeri organici (materiale termoplastice sau termorigide);

• - sticle şi materiale ceramice (oxidice sau neoxidice);

• - lianţi anorganici (ciment, beton, ipsos);

• - metale, aliaje sau superaliaje.

• Fibrele folosite pentru armarea diferitelor matrici pot fi :

- naturale

- sintetice.


În prima categorie sunt incluse fibrele:

• minerale cristaline (azbestul crisolitic);

• vegetale: celuloză, iută, sisal, bumbac, etc.

Din grupa celor sintetice fac parte fibrele din:

• - polimeri organici;

• - sticle oxidice;

• - ceramici mono sau policristaline, oxidice sau neoxidice;

• - carbon sau grafit;

• - metale sau aliaje, inclusiv în stare vitroasă;

• Folosite la o scară mai redusă, fibrele naturale vegetale de celuloză, bumbac, iută sau sisal, sunt utilizate în special pentru armarea diferitelor tipuri de mase plastice.


• Varietatea tipurilor de fibre folosite la armarea compozitelor este ilustrată

mai jos

• Clasificarea fibrelor utilizate la producerea compozitelor

• Fibrele continue au raportul lungime/diametru mai mare ca 104 şi se pot

prezenta sub formă de monofilament atunci când au diametrul peste 100 m

sau de multifilamente (fire răsucite) în cazul în care diametrul lor este

cuprins între 5 şi 25 m

FIBRE

BIMATERIALESUPORT+ACOPERIRE

OMOGENECHIMIC

CONTINUE DISCONTINUE

Monofilament Multifilament Lungi Scurte Whiskeri


• Fibrele discontinue se pot produce ca atare sau rezultă prin tocarea fibrelor continue şi sunt caracterizate de raportul lungime/diametru:

300-1000 (fibrele discontinue lungi, a căror lungime este de ordinul milimetrilor, iar diametrul între 3-10 m;

circa 100, pentru fibrele discontinue scurte, cu lungimea 300 m şi diametrul de 3 m.

• Filamentele discontinue, cu d 1 m, reprezentând monocristale filiforme perfecte, sunt cunoscute sub denumirea de whiskeri.

• Acestea pot avea iniţial o structură vitroasă, pentru a microcristaliza în urma unui tratament termic dirijat.


• Când se urmăreşte obţinerea unor compozite cu proprietăţi mecanice de

mare performanţă se impune utilizarea pentru armare a unor asocieri de

fibre.

• Diverse posibilităţi de dispunere a fibrelor


• Rezultate de performanță au fost obţinute la testarea unor compozite armate cu fibre de sticlă de tip E şi AR, sau cu fibre de carbon şi aramidice

• Cu scopul de a obţine materiale cu performanţe deosebite sau pentru a se îmbunătăţi compatibilitatea chimică între matrice şi fibre se utilizează fibrele bimateriale, reprezentând ele însele un material compozit (materiale cu structură ierarhizată).

• Fibrele bimateriale sunt constituite dintr-un suport şi un strat de acoperire depus pe suprafaţa acestuia.

• Un exemplu îl constituie firele obţinute prin depunerea chimică în fază gazoasă a borului pe un suport reprezentat de un fir de wolfram cu diametrul de cca 12 m. Filamentele obţinute au diametrul de 100-140 m.


• Pentru o armare mai bună a sticlei de silice se pot utiliza fibre de carbon, obţinându-se o creştere a rezistenţei compozitului

• Pentru îmbunătăţirea acordului matrice vitroasă-fibre, acestea au fost acoperite cu un strat de SiC cu o grosime de 0,5 m.

• Dependenţa efort - deformare pentru o sticlă de silice armată cu fibre de carbon acoperite cu SiC


• Un alt exemplu de material cu structură ierarhizată îl constituie betonul armat: unul din precursori şi anume matricea, reprezentând betonul, este la rândul ei tot un material compozit

• Exemplu de compozit (betonul armat) cu o structură ierarhizată

MATERII PRIME

PENTRU OBTINEREA

BETONULUI

(MATRICEI)

- ciment

- nisip

- pietris- apã

- alte adaosuri

BETON

BETON

ARMAT

MATERIALE

DE ARMARE

Fibre de:

- otel

- sticlã

- azbest

- carbon

- polimeri organici

- etc.


• Din punct de vedere structural atât matricea, cât şi elementul de armare (fibre, bile, benzi) reprezintă materiale cu structură (poli)cristalină sau vitroasă.

• Se pot obţine compozite cu proprietăţi diferite în funcţie de tipul structural al materialelor precursoare.

• Combinaţiile structural posibile sunt sugerate în figură

• Tipuri structurale pentru precursorii compozitelor cu fibre;V – material vitros; C – material cristalin

MATRICE FIBRE

CV

C V


• În figură se prezintă dependenţe de tip efort-deformare pentru o serie de fibre de sticlă şi ceramice.

• În raport cu alte tipuri de produse din sticlă, fibrele prezintă o serie de particularităţi structurale care le conferă proprietăţi şi comportarespecifice la utilizare.

Fibre oxidice vitroasePARTICULARITĂŢILE STRUCTURALE

• Fibrele oxidice vitroase sunt materiale cu suprafaţa specifică mare (1500/3000 cm2/g, funcţie de diametru), obținute din topitură de sticlă prin tehnici speciale

• STRUCTURA FIBRELOR VITROASE• Structura fibrelor oxidice vitroase este similară cu cea a sticlei masive din care

provin, cu anumite particularități îndeosebi ale suprafeţei.

• O definiţie, provenind din domeniul spaţiilor topologice, consideră suprafaţa ca fiind mulţimea punctelor care formează frontiera dintre „volumul” unui solid şi mediul înconjurător.

• Hench (1975) divide această zonă în: suprafaţa exterioară (5 – 20 Å); suprafaţa apropiată (până la 0,5 m); suprafaţa îndepărtată (până la 10 m).

• Pentru sticlele oxidice, suprafaţa reprezintă o zonă superficială în care se regăsesc modificări importante ale caracteristicilor stereo – chimice în raport cu sticla de volum (miez).

• Aceste particularităţi sunt generate de condiţiile de procesare, utilizare, mediu şi timp.

• Noţiunea de suprafaţă se diferenţiază de aceea de interfaţă care desemnează o suprafaţă de demarcaţie între două faze aflate în aceeaşi stare fizică sau în stări diferite (de exemplu topitură – solid).

PARTICULARITĂŢILE STRUCTURALE ALE SUPRAFEŢEI DE STICLĂ

• Este unanim recunoscut faptul că structura suprafeţei solidelor diferă de cea din interior.

• La solidele cristaline parametrii de structură, în special distanţele între atomii din zona apropiată de suprafaţă pe o grosime până la 10 m, se deosebesc de cei din interiorul solidului prin faptul că atomii din aceste structuri superficiale au cifra de coordinare spre atomii învecinaţi totdeauna mai mică decât a atomilor aflaţi în interior.

• În stratul superficial se regăsesc şi modificări de compoziţie, de distanţe internucleare sau unghiuri de legătură.

• Această asimetrie structurală, existentă şi la sticle, este cauza diferenţelor dintre proprietăţile suprafeţei şi cele ale volumului sticlei.

• Aspecte de bază referitoare la caracteristicile suprafeţei sticlei au fost tratate printre alţii şi de Weyl , care analizează rolul straturilor superficiale în tehnologia sticlei, sugerând că:

- stratul superficial are o structură variabilă, iar gradul de modificare se micşorează de la suprafaţă spre interior;

- structura sa este rezultatul vibraţiilor determinate de asimetria existentă;

Din punct de vedere mecanic această structură este slabă şi este expusă formării microfisurilor Griffith;

PARTICULARITĂŢILE STRUCTURALE ALE SUPRAFEŢEI DE STICLĂ

• Entalpia liberă a zonei de suprafaţă este mai mare decât într-un strat, comparabil ca mărime, din interiorul sticlei, ceea ce arată că în stratul superficial se vor petrece schimbări care vor evolua către o stare stabilă corespunzătoare unei stări energetice minime.

• Suprafaţa sticlei prezintă particularităţi structurale care intervin cu o pondere însemnată în valoarea unor proprietăţi.

• Cauzele care le determină se datorează, în principal, condiţiilor de formare şi tratare a suprafeţei sticlei care conduc la diferenţieri importante în zonele superficiale faţă de cele de volum, la caracterul de interfaţă dintre două medii şi uneori la modificarea compoziţiei stratului superficial prin migrarea sau volatilizarea parţială a unor componenţi.

• Existenţa lor se constată atât la nivel atomic-molecular, cât şi la nivel microscopic, astfel încât se consideră că este vorba de un alt nivel structural, referitor la suprafaţă.

PARTICULARITĂŢILE STRUCTURALE ALE FIBRELOR OXIDICE

VITROASE

• Structura la nivel atomic-molecular se referă la ordinea apropiată, respectiv, la natura poliedrelor elementare. Ca urmare a dezechilibrului care există între legăturile intense ale atomilor către interior şi legăturile mai slabe către exterior, valoarea energiei libere din zonele superficiale va fi diferită de a zonelor de volum, ceea ce va conduce şi la diferenţierea structurii.

• Structura la nivel microscopic se referă la prezenţa microfisurilor şi a (eventual) microfazelor vitroase pe suprafaţa sticlei.

• Influenţa condiţiilor tehnologice are o importanţă esenţială la evaluarea proprietăţilor fibrelor şi acestea pot determina diferenţe în structura fibrei faţă de a sticlei masive cu aceeaşi compoziţie.

• Rezistenţa mecanică mărită a fibrelor de sticlă a fost atribuită temperaturii mari de tragere şi a vitezei mari de răcire care asigură "îngheţarea" structurii de la temperaturi înalte (relativ omogenă) şi previne desfăşurarea eventualelor procese de dezamestecare locală ce favorizează apariţia microfisurilor (defecte responsabile de micşorarea rezistenţei).

PARTICULARITĂŢILE STRUCTURALE ALE FIBRELOR OXIDICE

VITROASE

• Viteza de răcire variază în funcţie de diametrul fibrei, ceea ce determină dependenţa rezistenţei mecanice de diametru

• Privind particularităţi ale structurii fibrelor de sticlă, rezultă că:

- structura fibrelor de sticlă depinde în mod esenţial de parametrii procesului tehnologic, care pot determina în timpul formării (tragerii) anumite schimbări faţă de sticla masivă;

- unităţile structurale ale fibrelor de sticlă (ordinea apropiată) sunt în principiu aceleaşi ca în sticla masivă;

- ca şi la sticla masivă, stratul superficial al fibrelor prezintă proprietăţi particulare şi determină în cea mai mare parte comportare similară în contact cu alte substanţe.

Fibre oxidice vitroase- PROPRIETĂŢILE FIBRELOR VITROASE

• Într-o măsură mai mică sau mai mare, practic toate proprietăţile fibrelor de sticlă prezintă importanţă, fie în faza de realizare a materialului compozit, fie pentru determinarea caracteristicilor şi nivelului de calitate al produsului finit.

• În funcţie de domeniul concret de utilizare, unele sau altele dintre aceste proprietăţi se detaşează ca importanţă.

• Astfel, în cazul compozitelor cu matrice oxidică armate cu fibre de sticlă un rol determinant îl au proprietăţile proprietăţile elasto –mecanice, termice, chimice, electrice şi acustice.

• Proprietăţile compozitelor sunt determinate de:

- factori intrinseci

- factori extrinseci.

• Factorii intrinseci reprezintă natura şi proprietăţile componenţilor (matricea şi elementele de armare), raportul volumetric, tipul şi gradul de interacţiune între ei

• Factorii extrinseci se constituie din parametrii de procesare a componenţilor de start precum şi a compozitului însuşi.


• În cazul fibrelor vitroase, “calitatea” topiturilor şi parametrii tehnologici de prelucrare, influenţează în mare măsură caracteristicile lor fizico-mecanice, cu consecinţele asupra proprietăţilor compozitului în care se utilizează ca elemente de armare

Proprietăţile topiturilor oxidice vitroase

• Din punct de vedere tehnologic topiturile oxidice vitroase trebuie să se plaseze în anumite domenii impuse de valori ale unor proprietăţi, funcţie de particularităţile concrete ale procesului de fibrilizare.

• În acelaşi timp, „calitatea” topiturii influenţează în mod important proprietăţile fibrelor de sticlă elaborate.

• Principalele proprietăţi ale topiturilor, de interes în tehnologia fibrelor de sticlă sunt:

• tensiunea superficială;

• viscozitatea;

• omogenitatea;

• densitatea;

• coeficientul de dilatare volumic;

• conductivitatea termică şi electrică

Fibre oxidice vitroase - PROPRIETĂŢILE FIBRELOR VITROASE

• Dintre proprietăţile prezentate, tensiunea superficială, viscozitatea şi omogenitatea se detaşează ca importanţă, rolul lor fiind hotărâtor pentru realizarea unor fibre de calitate.

• Conductivitatea electrică prezintă interes pentru cazul în care topirea amestecului se face în cuptoare care utilizează energia electrică

• Tensiunea superficială, reprezintă un parametru important al procesului de filare (tragere) a fibrelor din topiturile de sticlă

• Influenţa ei se manifestă în mod deosebit asupra unghiului de contact între topitură şi peretele metalic al filierei care determină, împreună cu viscozitatea, limita de contracţie a topiturii.

• Depăşirea acestei limite conduce la întreruperea procesului de filare.

• Topiturile de sticlă caracterizate de tensiuni superficiale ridicate prezintă o tendinţă mare de a forma picături.


• Pentru patru tipuri de fibre oxidice vitroase sunt prezintate valori orientative pentru o serie de proprietăţi de interes practic.

• Pe lângă compoziţia chimică, valorile efective ale unor proprietăţi vor determina domeniul de utilizare a unui anumit tip de fibre.

Factori care influenţează valorile acestor proprietăţi:

• Compoziţia chimică a sticlei determină valori ale modulului de elasticitate între limite relativ largi.

• Sticlele au un modul de elasticitate mai ridicat când este mai mare ponderea oxizilor cu valori ridicate ale energiei de legătură şi/sau de numere de coordinare superioare ale formatorilor de reţea şi modificărilor în raport cu oxigenul (ZrO2 , BaO , Al2O3 etc)

Nr. crt. 1 2 3 4

Tipul sticlei E S C D

Diametrul mediu al fibrei ( m) 10 - 11,5 10 - -

Greutatea specifică ·10-3

(kg/m3) 2,52 - 2,55 2,48 – 2,5 2,48 – 2,5 2,15 – 2,16

Rezistenţa la tracţiune ·10-7

(Pa) 350 - 352 457 - 490 282 - 315 250 - 252

Modulul de elasticitate ·10-7

(Pa) 7300 - 7900 8700 - 9000 7000 - 7050 5100 - 5300

Punctul de înmuiere ( C) 846 970 749 -

Alungirea la 22 C (%) 4,8 5,4 - 4,7

Constanta dielectrică la 22 C şi

frecvenţa de 106 Hz

5,80 4,53 6,24 3,56

Tangenta unghiului de pierderi la

22 C şi la frecvenţe de 106 Hz

0,001 0,002 0,0052 0,0005

Indicele de refracţie la 22 C 1,547 1,523 - 1,470


• Sub influenţa temperaturii, forţele de legătură în sistemele vitroase se diminuează, ceea ce determină o scădere a valorilor modulilor.

• În acelaşi timp coeficientul lui Poisson, , creşte. La limită, în topiturile de sticlă (la volum constant), atinge valoarea maximă de 0,5.

• Pentru o sticlă borosilicatică se indică în influenţa temperaturii asupra unor proprietăţi elastice.

• Influenţa temperaturii asupra proprietăţilor elastice pentru o sticlă boro – silicatică


• Timpul este un alt factor ce influenţează comportamentul elastic al fibrelor. Influenţa lui este resimţită – alături de temperatură – în cadrul istoriei termice ce caracterizează procesul de obţinere.

• Influenţa temperaturii asupra deformării fibrelor de sticlă la diferite durate: 1 – 200oC; 2 –300oC; 3 – 400oC; 4 – 500oC


• Un factor particular de influenţă a proprietăţilor elastice ale fibrelor îl constituie diametrul acestora.

• Astfel, determinările experimentale alungire – tensiune pentru fibre de sticlă (fără alcalii) având diametre cuprinse între 6 şi 100 m relevă că la un acelaşi efort exterior, deformarea este mai mare în cazul fibrelor cu diametrul mai mare conform datelor prezentate în fig 11

• Fig. 11 Diagrama alungire – tensiune la fibre de sticlă fără alcalii, pentru diferite diametre:1 - 100 m; 2 -54 m; 3 – 19,3 m;

4 - 6 m.


Rezistenţa mecanică• Pentru sticle, rezistenţa mecanică se poate defini la mai multe nivele:

a) la un prim nivel la care se calculează rezistenţa mecanică a sticlelor ideale - rezistenţă teoretică;

b) la un nivel mai scăzut din punct de vedere valoric, determinat experimental, la care se plasează rezistenţa mecanică uzuală a sticlelor (rezistenţa mecanică reală).

• Pentru sticla de silice rezistenţa mecanică teoretică se calculează avându-se în vedere energia necesară ruperii legăturilor Si – O-.

• Cu toate că sticla este fragilă, o serie de calcule au indicat pentru rezistenţa mecanică teoretică a sticlei valori de 2,4.1010 Pa.

• Pentru o serie de fibre de sticlă, obţinute şi testate în condiţii strict controlate s-au determinat valori de rezistenţă mecanică de până la 1010 Pa

• Aceste cifre plasează în mod surprinzător sticlele în categoria materialelor cu mare rezistenţă mecanică.

• Din păcate, valorile reale de rezistenţă mecanică atât pentru fibrele, cât şi pentru produsele de sticlă, obţinute în condiţii normale de procesare sunt cu până la trei ordine de mărime mai mici.


• În figură se prezintă pe o scară orientativă rezistenţa mecanică (la tracţiune) pentru diverse categorii de sticle.

• Rezistenţa mecanică a fibrelor vitroase este influenţată de:.

• Factori intrinseci: compoziţia oxidicăeste cea mai importantă.

• Rezistenţa mecanică mai înaltă este favorizată de oxizi având energia de legătură ridicată şi număr de coordinare mic al cationului în raport cu oxigenul.

• Calculul rezistenţei mecanice pentru diverse tipuri de solicitări exterioare se poate face în funcţie de compoziţia oxidică cu o serie de relaţii de aditive. Acestea relevă faptul că nu se pot obţine creşteri importante de rezistenţă mecanică (de exemplu la tracţiune) numai din modificarea compoziţiei oxidice.

• Nivele de rezistenţă mecanică a sticlelor


Rezistenţa mecanică teoretică şi reală (practică) pentru diverse materiale.

Materialul Rezistenţa teoretică

MPa

Rezistenţa practică

MPa

Diamant 200.000 1.800

Grafit 1.400 15

Tungsten 86.000 3.000

Fier 40.000 1.100

MgO 37.000 100

Sticlă SiO2 2.200 150


• Pentru sticlele complexe influenţa unor factori extrinseci este de cele mai multe ori dominantă.

• Factorii extrinseci de influenţă sunt reprezentaţi de:

- condiţiile de procesare şi

- măsurare a rezistenţei mecanice.

• Astfel, cu cât viteza de încălzire a amestecului de materii prime este mai mică, topirea acestuia la temperaturi cât mai ridicate şi prelungirea duratei de menţinere în palier determină proprietăţi mecanice mai bune (influenţa istoriei topirii).

• De asemenea, tipul de cuptor de topire (electric sau cu combustibil), precum şi natura atmosferei din spaţiul de topire influenţează valorile de rezistenţă mecanică.

• Pe lângă condiţiile de elaborare a sticlei topite se manifestă şi influenţa parametrilor asociaţi procesului de obţinere a fibrelor din topitură.

•


• Influenţa temperaturii asupra rezistenţei mecanice este complexă:

• o creştere a temperaturii de la temperatura azotului lichid până la 100 – 200oC determină o scădere a rezistenţei mecanice.

• În unele cazuri tratamentele termice la temperaturi de peste 100oC conduc la o creştere a valorilor de rezistenţă mecanică.

• Scăderea iniţială de rezistentă este pusă pe seama accelerării procesului de coroziune datorită apei legată la suprafaţă. Efectul este diminuat prin evaporarea apei la temperaturi de peste 100oC. La temperaturi mai mari are loc o scădere a rezistenţei mecanice a fibrelor cât şi a benzilor de sticlă.

Fig. 1 Variaţia rezistenţei la tracţiune cu temperatura pentru fibre de sticlă cu diametre de 6 – 8 m

Fig. 2 Curbele de variaţie a rezistenţei la tracţiune cu temperatura, pentru benzi din fibre de sticlă şi alte materiale fibroase expuse timp de o oră


• Un tratament termic de recoacere a sticlei poate conduce la ridicarea rezistenţei mecanice. Efectul este generat de diminuarea tensiunilor interne remanente.

• Toţi parametrii tehnologici aferenţi procesului de tragere a fibrelor concură atât la stabilirea caracteristicilor structurale, cât şi a celor dimensionale.

• Caracteristicile dimensionale se referă la diametrul fibrei, precum şi la uniformitatea acestuia pe lungime şi ele pot influenţa rezistenţa mecanică.

• Un alt factor extrinsec îl reprezintă şi dimensiunile probelor de sticlă pe care se efectuează testarea rezistenţei mecanice.

• Un mare volum de date experimentale raportate în literatură atestă că:

• - fibrele de sticlă au valori mai ridicate ale rezistenţei mecanice decât sticla masivă de aceeaşi compoziţie oxidică (factorul de multiplicare fiind de 10 –100);

• - la aceeaşi lungime, fibrele cu diametru mai mic (suprafaţă specifică mare) prezintă rezistenţe mecanice mai mari;

• - creşterea diametrului fibrelor (scăderea suprafeţei specifice) determină o scădere a valorilor de rezistenţă mecanică.


• Explicarea diferenţelor mari între valorile teoretice şi practice ale rezistenţei mecanice a sticlei, ca şi dependenţa ei de mărimea probei rezultă, în principal, din particularităţile structurale ale stratului superficial.

• Griffith : existenţa la suprafaţa sticlei a unor microfisuri.

• Acestea acţionează ca pârghii de amplificare a efortului exterior exercitat, determinând ruperea sticlei la valori mult mai mici ale tensiunii decât cele evaluate teoretic.

• Dimensiunile, geometria şi numărul microfisurilor influenţează decisiv valorile de rezistenţă mecanică.

• Cauza apariţiei microfisurilor este reprezentată atât de caracterul microeterogen al structurilor vitroase cât şi a condiţiilor de procesare


• În condiţii reale, modul de obţinere a fibrelor din topitură, ca şi procesarea lor ulterioară, determină o scădere drastică a rezistenţei mecanice datorită înmulţirii numărului de defecte superficiale.

• Orientativ în tabel se prezintă o serie de proprietăţi mecanice ale unor fibre de sticlă şi de carbon folosite la obţinerea unor compozite

Fibre de armare a materialelor compozite şi proprietăţile lor.

Materialul

Diametrul

fibrei

( m)

Densitatea

·10-3

(kg/m3)

Rezistenţa la

tracţiune

·10-5

(Pa)

Modulul E

·10-10

(Pa)

Punctul de

înmuiere

(oC)

Alungirea

(%)

Fibre de sticlă

de tip E 9 2,55 30.000 7,3 850 5,3

Fibre de sticlă

de tip S 10 2,56 42.000 8,7 970 4,5

Fibre de sticlă

de cuarţ 5-8 2,2 9.100 5 - 9 - 1,0

Fibre de

carbon 1 1,6 1,6 2520 - 3100 13,3 - 16,6 2.000 0,6 - 0,7

Fibre de

carbon 2 1,7 1,7 1720 - 2410 34,5 - 41,2 2.000 0,5 - 1,5

Fibre de sticlă

cu ZrO2, AR,

(rezistente la

atacul alcalin)

6 2,5 20.000 - 700 2 - 3


• Oboseala statică şi dinamică

• O serie de date experimentale au evidenţiat faptul că natura mediului în care au loc determinările de rezistenţă mecanică influenţează valorile obţinute.

• Global, propagarea microfisurilor este un proces fizico – chimic, a cărui viteză este influenţată chiar de vaporii de apă din aerul ambiant.

• Cu creşterea concentraţiei vaporilor de apă se înregistrează o creştere a vitezei de propagare (creşterea este cu atât mai importantă cu cât pH-ul este mai mare).

• Se consideră că acţiunea chimică a mediului se manifestă prin ruperea unor legături chimice de la vârful fisurii, ceea ce echivalează cu o propagare a microfisurii chiar la valori subcritice ale factorului de intensitate a efortului.

• Această creştere subcritică reprezintă o manifestare a fenomenului de oboseală statică, fenomen ce nu are loc în vid sau la temperaturi foarte mici.

• Comportarea mecanică a sticlelor depinde şi de viteza de creştere a sarcinii (tensiunii) mecanice, aplicată probei în timpul încercării (Vt).

• Astfel, scăderea rezistenţei mecanice pe măsură ce Vt se micşorează evidenţiază aşa numita oboseală dinamică.

• Importanţa practică a oboselii dinamice apare mai ales în cazul în care se compară valori ale rezistenţei mecanice obţinute în condiţii de testare diferenţiate.

• Ţinând cont de fenomenul de oboseală (statică sau dinamică) se poate face o apreciere a duratei de viaţă a unor compozite armate cu fibre de sticlă.


• Proprietăţile termice: căldura specifică, conductivitatea termică şi dilatarea termică.

• Prezintă interes atât pentru procesul de fibrilizare a topiturilor, cât şi pentru stabilirea domeniilor de utilizare a compozitelor cu fibre.

• Căldura specifică, cp, a sticlelor se poate calcula în funcţie de compoziţia chimică şi de temperatura T .

• Conductivitatea termică, , pentru sticlele la temperaturi joase variază între 0,44 şi 1,4 W/m.K, valoarea cea mai ridicată fiind a sticlei de cuarţ.

• Conductivitatea termică a fibrelor de sticlă este redusă, ceea ce impune utilizarea lor în scopuri de izolare termică.

• Fibrele din sticla de cuarţ prezintă cea mai mare valoare a conductivităţii termice ( = 1,25 W/m·K).

• Diferitele produse obţinute din fibre de sticlă prezintă valori deosebit de mici ale coeficientului de conductivitate termică.

• Conductivitatea termică şi căldura specifică sunt doi dintre parametri ce determină durata de răcire a fibrelor trase din baghete sau prin filiere.

• Coeficientul de dilatare, , devine proprietatea hotărâtoare, pentru utilizarea lor în materialele compozite.

• Coeficientul de dilatare termică determină în mod important stabilitatea termică a sticlelor (rezistenţa la şoc termic)- interes pentru domeniul compozitelor


• Proprietăţi electrice: conductivitatea electrică; permitivitatea (constanta) dielectică, tangenta unghiului de pierderi dielectrice.

• Sunt importante atât pentru sticla rigidă determinând o serie de domenii de utilizare, cât şi pentru cazul în care topirea se face utilizând drept combustibil energia electrică.

• Fibrele de sticlă sunt caracterizate de o conductivitate electricăsuperficială, respectiv, una raportată la volum.

• Prima este generată de interacţiile umidităţii din atmosferă la suprafaţa fibrelor. La o umiditate relativă de 50 – 80% grosimea stratului de apă adsorbită la suprafaţă poate prezenta 1 – 10 molecule.

• Conductivitatea electrică superficială creşte atunci când umiditatea relativă a mediului este mai mare.

• Asemănător se manifestă şi influenţa conţinutului de alcalii în compoziţiasticlei. Astfel, valorile de conductivitate superficială creşte în seria: fibre de cuarţ, de tip E (boro-silicatice), de tip A (silico-calco-sodică).

• Valoarea inversă a conductivităţii de volum este reprezentată de rezistivitatea electrică.


• Permitivitatea dielectrică a sticlelor este puternic dependentă de:

- compoziţia oxidică,

- temperatură;

- frecvenţa la care se fac măsurătorile.

• În multe cazuri, pentru izolaţii electrice se pot utiliza fibre (ţesături) de sticlă de tip E, care la 23oC şi la o frecvenţă de 1010Hz au valoarea 6,2 pentru constanta dielectrică, iar tangenta unghiului de pierderi este 0,0039. La aceste tipuri de fibre (fire) creşterea temperaturii pe intervalul 50 – 250oC determină o modificare a tangentei unghiului de pierderi dielectrice de la 17/10-4 la 88·10-4

pentru factorul de frecvenţă 3·106 Hz.

• Fibrele de sticlă prezintă rezistenţă dielectrică ridicată şi constantă dielectrică scăzută. Pierderile dielectrice (tg ) pot avea valori de la 1,5·10-4

pentru fibrele din sticlă de SiO2, până la 19 – 32·10-4.

•

• În figură se prezintă dependenţa

pierderilor dielectrice (tg ) de temperatură

pentru ţesături de fibre de sticlă:

1 – sticlă cu K2O; 2 – sticlă cu Na2O;

3 – sticlă cu puţine alcalii; 4 – sticle fără alcalii.

• Pentru fibrele de sticlă cu diametru mai mare

se înregistrează pierderi dielectrice mai mari.


• Astfel, în figură se prezintă variaţia pierderilor dielectrice cu temperatura pentru sticla masivă (1) şi pentru fibre de aceeaşi compoziţie (2) (fără alcalii).

• Rigiditatea dielectrică a sticlelor se măsoară în kV/mm şi se determină în funcţie de tensiunea de străpungere şi grosimea dielectricului în punctul de străpungere.

• Fenomenul este ireversibil şi complex, fiind influenţat de un număr mare de factori.

• Pentru fibre de sticlă alumino – boro –silicatică (fără alcalii), rigiditatea dielectrică este de 4 – 5 kV/mm.

• Dacă ţesăturile din aceste fibre sunt impregnate, cu diverse răşini sau lacuri valoarea este de circa 10 ori mai mare.

fibre

Documents

oxidice sau

raport cu

fibre oxidice

elementele

fibrelor din

proprietile

rezistena

de tip