Structura si proprietatile compozitelor durificate cu fibre

Student : Havarneanu Bogdan-Andrei

Compozitele durificate cu fibre reprezinta o categorie moderna de materiale de interes deosebit pentru industria aerospatiala si energetica, in special pentru energetica nucleara. Aceste materiale, cu performante deosebite in privinta raportului ridicat intre rezistenta mecanica si greutate specifica (rezistenta specifica)siin mentinerea valorilor mari ale rezistentei mecanice la temperaturi inalte, sunt constituite dintr-o faza rezistenta si rigida dispersata sub forma de fibre aliniate intr-o matrice ductila. In conditiile existentei unei legaturi fibre - matricesia unei corecte alegeri a materialului fibrelorsial matricei, are loc un transfer al solicitarilor mecanice de la matrice la fibre; compozitul manifesta o rezistenta mecanica apropiata de a fibrelor fara a prezenta insa fragilitatea acestora.Pe acest principiu au fost realizate materiale compozite cu performante exceptionale, care isi gasesc utilizari industriale in pofida pretului lor uneori foarte ridicat, datorat tehnologiilor costisitoare de obtinere: compozite cu fibre de sticla si fibre de carbon incorporate in rasini sintetice (utilizate in constructia submersibilelor, caroseriilor auto, a compresoarelor avioanelor cu reactie;

compozite cu fibre de bor sau de carbura de siliciu in matrice de aluminiu (paletele elicopterelor, elemente de structura ale avioanelor etc.). Cele mai importante utilizari ale compozitelor sunt insa de asteptatin urma cercetarilor de incorporare a fibrelor ceramice intr-o matrice metalica rezistenta la oxidare la temperaturiinalte.De la aceste materiale se asteapta depasirea actualuluizid termiccare limiteaza la circa 900OC utilizarea materialelor metalice in conditii de solicitari mecanice mari in mediu oxidant.Asa cu rezulta din figura 1, in prezent aceasta limita de 900OC este atinsa doar de superaliajele pe baza de Co si Ni; otelurile aliate se situeaza la o limita joasa de circa 600OC, iar aliajele de titan si cele de aluminiu la 350OC, respectiv 150OC, ceea ce reprezinta doar 1/6 din temperatura absoluta de topire a metalului de baza.

1 Natura fibrelor durificatoareAsa cum s-a aratat caracteristica principala a compozitelor durificate cu fibre consta in faptul ca proprietatile celor doua componente ale ansamblului (fibre - F si matrice - M) sunt complementare, producand un efect sinergetic, de cooperare.In acest mod proprietatile ansamblului sunt superioare proprietatilor componentelor individuale, compozitul imbinand calitatile dar nu si defectele materialelor fibrelor, respectiv ale matricei, datorita unui mecanism special de transfer al sarcinii mecanice de la matrice la fibre.Un asemenea mecanism nu actioneaza, spre exemplu in materialele de tip cermeturi, care mentin intr-o anumita masura defectele componentelor, fiind, de exemplu vulnerabile la oxidare ca si metalele si la fel de fragile ca materialele ceramice.Materialeleceramice (alumina, oxidul de zirconiu, silicea, silicatii etc.) care constituie fibrele compozitelor in majoritatea materialelor de acest tip produse pana in prezent, poseda proprietati intrinseci exceptionale datorate, in principal legaturii interatomice covalente : rezistenta perfecta la oxidare, greutate specifica de doua - trei ori mai mica decat a otelurilor asociata cu valori ale modulului de elasticitate si ale rezistentei la rupere de circa trei ori mai mari decat a celor mai bune oteluri, si nu in ultimul rind pastrarea rezistentei mecanice la temperaruri ridicate.

Aceste calitati sunt insa neutilizabile in totalitate datorita defectelor interne si superficiale care favorizeaza fragilitatea materialelor ceramice.Cand aceste materiale sunt prelucrate sub forma de fibre subtiri, numarul si importanta defectelor interne si superficiale scade iar cand aceste fibre sunt incorporate intr-o matrice tenace ele sunt protejate de aparitia unor noi defecte.In compozitul durificat cu fibre daca anumite fibre defecte se rup, ruperea nu se propaga fiind oprita de plasticitatea matricei, iar sarcina mecanica este transmisade matrice celorlalte fibre.

Fig.1Rezistenta mecanica a diferitelor materiale metalice functie de temperatura

Propietatile mecanice ale principalelor tipuri de fibre Proprietatile mecanice ale principalelor tipuri de fibre Tabelul 10.1

Natura materialuluiRmdaN/mm2EdaN/mm2rr(in raport cu apa)Rm/rE/rFibre nemeatliceAzbestSticlaCuarttopitBor pe wolframGrafitNailon590370460690310100186207580690037920482704802.52.52.52.31.91.1240150180300160907450300027601649025410440Fibre metaliceOtel carbon, 0.9%COtel inoxidabil 18/8WolframTitan410210380220207002000034480103407.87.919.34.5503020502650253017902300Mono-cristale perfecte (whiskers)AluminaCarbura de siliciuGrafitFier2100207019701280483004830070330193004.0-2.27.83506509001601123015090319702470

Materialele metalice pot indeplini in conditii optime rolul de fibre durificatoare in compozite in cazul in care se afla sub forma de monocristale filiforme perfecte (whiskers).Fiind lipsite de defecte ale retelei cristaline aceste monocristale filiforme ating rezistente mecanice apropiate de valoarea teoretica,care este considerabil mai mare decat rezistenta materialelor tehnice obisnuite.In tabelul 10.1 sunt prezentate proprietatile mecanice ale principalelor tipuri de fibre folosite la producerea compozitelor durificate cu fibre.

14.2 Mecanismul durificarii cu fibre

Performantele exceptionale de rezistenta mecanica ale compozitelor se datoresc suportarii sarcini de catre fibre, carora le-a fost transmisa solicitarea de la matrice.In figura 14.2 a, se presupune o fibra incorporata in matrice dar fara o legatura la interfata fibra-matrice.La aplicarea unui efort asupra ansamblului, fiecare componenta se deformeaza independent conform modulului sau de elasticitate .

Presupunand insa ca la interfata fibra-matrice exista o buna legatura chimica, cele doua componente ale ansamblului devin solidare si (asa cum s-a considerat in figura 2 a, fibra cu modul deelasticitate mai mare decat al matricei) deformarea mtricei este micsorata de prezenta fibrei (v. fig.2 b) .La interfata deformarea matricei este mai mica fiind egala cu a fibrei, dar pe masura cresterii distantei fata de fibra, deformarea matricei creste, ajungand ca la distanta dminfluenta fibrei sa nu se mai exercite si matricea sa se deformeze liber;distanta dmreprezinta diametrul de actiune al fibrei.Din examinarea figurilor 2 a sib rezulta ca diferenta de alungire intre fibre si matrice, rezultata din diferenta dintre modulele de elasticitate ale celor doua componente reprezinta "pargia" prin care se transfera sarcina de la matrice la fibre in compozitul durificat.

Fig. 2Mecanismul transferului de sarcina de la matrice la fibraa - fibra nu este solidara cu matricea;b - fibra este solidara cu matricea

Comportarea solidara sub efort a ansamblului fibre - matrice, impusa de legatura existenta la interfata lor, da nastere unor tensiuni atat in materialul fibrelor cat si in materialul matricei: matricea care are tendinta de a se deforma mai mult induce infibre tensiuni de intindere, care prin reactiune provoaca in matrice tensiuni de forfecare in planele paralele cu axa fibrei; aceste tensiuni diminiueaza in intensitate pe masura indepartarii de fibra, iar la distanta dmdevin nule.Valoarea acestor tensiuni din matrice depinde de lungimea fibrelor. Acest lucru justifica constatarea ca in cermeturi mecanismul de transfer al sarcinii nu actioneaza.Justificarea acestei dependente este data tot de analiza prenentata infigura 2 .Se constata ca daca presupunem lungimea compozitului divizata in segmente egale, la mijlocul fibrei diferenta intre deformatia fibrei si a matricei este nula .Aceasta diferenta creste (matricea se deformeaza din ce in ce mai mult) pe masura ce lungimea considarata a fibrei creste.Rezulta deci ca o data cu cresterea lungimii fibrelor mecanismul de transfer al sarcinii de la matrice la fibra este mai eficient .Se poate demonstra,ca marirea lungimii fibrelor peste o valoare critica nu mai are efect.Acest lucru se atinge in cazul in care tensiunile in matrice depasesc limita de curgere.

Se definestegradul de transferal sarcinii ca raportul dintre modulele de elasticitate ale fibrei si matricei, iargradul de durificareal compozitului raportul dintre rezistenta la rupere a fibrei si a matricei.Intre aceste doua marimi exista o relatie de proportionalitate, raportul de proportionalitate fiind raportul volumelor de fibra si de material al matricei care formeaza compozitul:

Aceasta relatie poate fi interpreata ca exprimand faptul ca fibrele din compozit vor fi cu atat mai solicitate cu cat modulul lor de elasticitate este mai ridicat in raport cu al matricei si cu cat fractiain volum a fibrelor in compozit este mai mare. Relatia se reprezinta grafic sub forma diagramei Krock prezentata in figura 3.Examinarea acestei diagrame indica urmatoarele:- pentru realizarea unui grad de durificare propus, proportia necesara de fibre in compozit trebuie sa fie cu atat mai mare cu cat gradul de transfer al sarcinii este mai mic;-imbinarea de materiale cu un grad de durificaresf/smsubunitar nu formeaza un compozit durificat;- imbinarea de materiale cu un grad de transfer al sarcinii Ef/ Emsubunitar, de asemenea nu formeaza un compozit durificat.

Materialele situate in zona A pot forma compozite durificate, dar pretindo proportie mare de fibre in compozit; materialele din zona B pot realiza acelasi grad de durificare si utilizand proportii mai mici de fibre in compozit.Analiza rezentataa avut in vedere ipoteza ca fibrele compozitului au lungimea egala cu a materialului considerat (compozit cu fibre continui) . Aceasta conditie nu estestrict necesara, fiind posibila durificarea si cu fibre discontinui, a caror lungime este mai mica decat lungimea materialului.Fenomenul important in comportarea compozitului nu este aparitia fisurilor ci modul lor de propagare. Din acest punct de vedere trebuie facuta distinctia intre compozitele cu matrice fragila si compozitele cu matrice tenace.In cazul compozitelor cu matrice fragila fisura se propaga in aceasta pana intalneste o fibra, cand propagarea fisurii va fi oprita, sau reflectata de fibre.Acest lucru face ca in acest caz sa fie preferate fibrele sub forma de foi aliniate in loc de fibre cilindrice, deoarece fisurile nu vor traversa fibrele, ci vor fi intotdeauna reflectate.Considerand propagarea fisurilor intr-un compozit cu matrice metalica si fibre ceramice (compozitele care prezinta cel mai mare interes pentru utilizari la temperaturi inalte), spargerea unei fibre nu are efecte mari deoarece sarcina va fi preluata de celelate fibre iar propagarea fisurii va fi oprita prin deformarea plastica locala a matricei.Fragmentele rezultate ale fibrelor sparte preiau siele o parte a sarcinii;totodata se poate considera ca fragmentele fibrelor sparte vor fi acum lipsite de defecte, putand rezista acum la sarcini mai mari decat fibra intrega, dar cu defecte de suprafata.

O proprietate importanta a compozitelor esteenergia de smulgerea fibrelor.In conditiile existentei unei legaturi puternicela interfata fibre-matrice,efortul de intindere aplicat compozitului in directie longitudinala (adica pe lungimea fibrelor) are tendinta sa smulga fibrele discontinui.Acest lucru nu este posibil pentru ca matricea, solidara cu fibrele, se deformeaza plastic prin forfecare in toate planele paralele cu fibra;in acest mod smulgerea fibrei necesita un lucru mecanic denumit energia de smulgere a fibrelor.Aceasta reprezintao caracteristica noua a ansamblului compozit pe carenici matricea nici fibrele considerate separat nu o aveau.

3 Tehnologii de obtinere si structuri rezultate in compozitele durificate cu fibre

Prima problema care se pune la fabricarea compozitelor durificate cu fibre este alegerea materialelor componentelor in functie de conditiile de utilizare.Spre exemplu, pentru utilizari la temperaturi inalte fibrele trebuie sa prezinte rezistenta mecanica la cald, iar matricea rezistenta la uzare. Este foarte important faptul ca intr-un compozit solicitarile mecanice sunt suportate de fibre matricea avand rolul de a proteja fibrele contra oxidarii, coroziunii, a lovirilor si frecarilor.Este evident faptul ca procedeele de fabricatie trebuie sa asigure exercitarea acestui rol inca din momentul formarii compozitului.A doua problema este incorporarea fibrelor in matrice, operatie care trebuie sa raspunda la trei exigente fundamentale : distributia uniforma a fibrelor, alinierea acestora intr-o directie comuna si realizarea unei legaturi intre fibre si matrice.

Alinierea perfecta si distributia uniforma se obtin in majoritatea cazurilor prin operatii manuale. Se utilizeaza alte metode ca: pe tabla metalica ce va reprezenta matricea se corodeaza (printr-un procedeu fotorezistiv analog celui aplicat la fabricarea circuitelor integrate) pozitia fibrelor individuale, obtinandu-se siruri paralele de adancituri in care se plaseaza fibrele, care se asambleaza apoi in pachete tip sandvis.O alta metodaconsta in utilizarea matricei sub forma de tabla ondulata in ale carei adancituri se plaseaza fibrele.Acestea se asambleaza fie in spirala, figura 4 a, fie in pachet (v. fig. 4 b) si sunt apoi supuse extruziunii la cald, opratie executata astfel incat pozitia fibrelor sa nu fie modificata.Realizarea unei legaturi fibre - matrice este o problema dificila la utilizarea fibrelor de carbon sau a unor fibre ceramice intr-o matrice metalica.Dificultatea consta in a asigura udarea fibrelor de catre matrice fara a se forma la interfata straturi de difuzie care sa altereze caracteristicile fibrelor.Aceasta problema este rezolvata prin "imbracarea" fibrelor intr-un invelis metalic de Ti, Mo sau W sau prin utilizarea unor matrice cu tensiune superficiala mica in raport cu materialul fibrelor, ca de exemplu aliaje Ni - Ti cu continut ridicat de titan.

3.1Metode de incorporare indirecta a fibrelorFibrele sunt preparate separat, dupa aliniere si distribuire uniforma sunt incorporate in matrice prin una din metodele :A. Simpla lipire.Este cazul matricelor din rasini sintetice aplicate in straturi altermnante cu straturi de fibre.Metoda se utilizeaza la scara industriala pentru fabricarea compozitelor cu fibre de sticla sau cu fibre de carbon.

B. Infiltrarea.Fibrele sunt aliniate intr-o forma corespunzatoare piesei si printre ele se infiltreaza (sub vid sau sub presiunea unui gaz inert) materialul matricei in stare lichida. Metoda nu da intotdeauna rezultate deoarece matricea metalica lichida ataca fibrele (cu exceptia fibrelor ceramice).Rezultate convenabile s-au obtinut prin infiltrarea argintului lichid intre whiskers de safir.Fig.4Obtinerea compozitelor durificate cu fibre prin utilizareamatricei sub forma de tabla ondulata asamblataa- in spirala; b - in pachet