730 likes | 1.04k Views
Wydział Inżynierii Lądowej Politechniki Krakowskiej. JANUSZ GERMAN Katedra Wytrzymałości Materiałów Instytut Mechaniki Budowli http://limba.wil.pk.edu.pl/~jg MATERIAŁY KOMPOZYTOWE własności, zastosowania, perspektywy wykład habilitacyjny Kraków, 02.02. 2005. © 2005 JG.
E N D
Wydział Inżynierii LądowejPolitechniki Krakowskiej JANUSZ GERMAN Katedra Wytrzymałości Materiałów Instytut Mechaniki Budowli http://limba.wil.pk.edu.pl/~jg MATERIAŁY KOMPOZYTOWE własności, zastosowania, perspektywy wykład habilitacyjny Kraków, 02.02. 2005 Wykład habilitacyjny, Wydział Inżynierii Lądowej PK, Kraków 2 lutego 2005 © 2005 JG
TEMATYPodstawowe informacje (1) rura z fibrobetonu(PL, PK) samolot kompozytowy I-23 (GFRP, PL) Chevrolet Corvette Z51( CFRP, GFRP…) wzmocnienia belki teowej (CFRP) press Wykład habilitacyjny, Wydział Inżynierii Lądowej PK, Kraków 2 lutego 2005
TEMATYPodstawowe informacje (2) Instytut Materiałów i Konstrukcji Budowlanych WIL PK Pionierskie prace w dziedzinie drutobetonów prof. Zygmunt Jamrożyz zespołem Rura 140 cm, grubość ścianki 8 cm z wirowego drutobetonu (autor prof. J. Śliwiński) Wykład habilitacyjny, Wydział Inżynierii Lądowej PK, Kraków 2 lutego 2005
TEMATYPodstawowe informacje (3) • materiał kompozytowy • (łac. compositus = złożony) - materiał zbudowany z co najmniej dwóch różnych składników połączonych na poziomie makroskopowym w celu uzyskania nowego „lepszego” materiału • własności „wypadkowe” kompozytu zależą od: • własności faz składowych • udziału objętościowego faz • sposobu rozmieszczenia fazy rozproszonej w osnowie • cech geometrycznych fazy rozproszonej Wykład habilitacyjny, Wydział Inżynierii Lądowej PK, Kraków 2 lutego 2005
TEMATYPodstawowe informacje (4) • historia • Egipcjanie (od ok. 3600 lat p.n.e.) - sklejka drewniana • Izraelici (od XIII w. p.n.e.) – domy z bloków z mieszanki błotnej wzmocnionej słomą i końską sierścią • średniowiecze - miecze i tarcze zbudowane z warstw różnych materiałów • nowoczesne materiały kompozytowe • okres II wojny światowej - włókna szklane • lata 50-te XX wieku - niskomodułowe włókna węglowe • lata 60-te XX wieku - wysokomodułowe włókna węglowe • lata 70-te XX wieku włókna aramidowe (KEVLAR) Wykład habilitacyjny, Wydział Inżynierii Lądowej PK, Kraków 2 lutego 2005
TEMATYPodstawowe informacje (5) • dlaczego kompozyty ? • doskonałe parametry wytrzymałościowei sztywnościowe • doskonałe własności mechaniczne • mały ciężar właściwy Wykład habilitacyjny, Wydział Inżynierii Lądowej PK, Kraków 2 lutego 2005
TEMATYPodstawowe informacje (6) Wykład habilitacyjny, Wydział Inżynierii Lądowej PK, Kraków 2 lutego 2005
TEMATYPodstawowe informacje (7) powrót Wykład habilitacyjny, Wydział Inżynierii Lądowej PK, Kraków 2 lutego 2005
TEMATYTypy kompozytów (1) • składniki kompozytu • faza ciągła - matryca (osnową) • faza rozproszona - zbrojenie • typy kompozytów w zależności od rodzaju fazy rozproszonej • kompozyty zbrojone cząstkami • kompozyty zbrojone dyspersyjnie • kompozyty zbrojone włóknami Wykład habilitacyjny, Wydział Inżynierii Lądowej PK, Kraków 2 lutego 2005
warstwa kompozytowa matryca (osnowa) włókna TEMATYTypy kompozytów (1.5) press laminat kompozytowy press Wykład habilitacyjny, Wydział Inżynierii Lądowej PK, Kraków 2 lutego 2005
20 m TEMATYTypy kompozytów (1.6) • laminat krzyżowy [0/902]s matryca epoksydowa włókna 90° włókna 0° powrót Wykład habilitacyjny, Wydział Inżynierii Lądowej PK, Kraków 2 lutego 2005
TEMATYTypy kompozytów (1.7) • kompozyty zbrojone włóknami • element nośny - włóknaw objętości 45-70% objętości kompozytu • matryca (metalowa lub polimerowa) - spoiwo łączące włókna, zapewniające rozdział obciążenia zewnętrznego pomiędzy włókna, a także chroniące je przed czynnikami zewnętrznymi • największa efektywność spośród materiałów kompozytowych- najlepsze własności mechaniczne i wytrzymałościowe przy najmniejszym ciężarze właściwym • podstawowe znaczenie praktyczne: kompozyty włókniste o osnowach polimerowych zbrojonych włóknami węglowymi, grafitowymi, szklanymi, boronowymi i aramidowymi powrót Wykład habilitacyjny, Wydział Inżynierii Lądowej PK, Kraków 2 lutego 2005
TEMATYWłókna i matryce (1) • typy włókien • typy matryc • włókna szklane • włókna grafitowe • włókna węglowe • włókna organiczne • matryce metalowe • matryce polimerowe • matryce termoutwardzalne • matryce termoplastyczne Wykład habilitacyjny, Wydział Inżynierii Lądowej PK, Kraków 2 lutego 2005
TEMATYWłókna i matryce (2) Wykład habilitacyjny, Wydział Inżynierii Lądowej PK, Kraków 2 lutego 2005
TEMATYWytwarzanie kompozytów (1) • wytwarzanie kompozytów włóknistych • metoda kontaktowa • metoda natryskowa • metoda ciągła wytwarzania prętów, rur i kształtowników • metoda nawijania ciągłego włókien • z taśm prepreg (PRE – imPREGnated) Wykład habilitacyjny, Wydział Inżynierii Lądowej PK, Kraków 2 lutego 2005
budownictwo • sprzęt sportowo-rekreacyjny • maszty, słupy • wzmocnienia konstrukcji • zbiorniki, rurociągi (celowość stosowania GFRP, przykłady) • konstrukcje mostowe • lekkie samoloty sportowe (ILot Warszawa – I23) • kadłuby lekkich łodzi • baseny i brodziki • narty, deski, rakiety tenisowe, sprzęt golfowy • elementy nowoczesnych lekkich konstrukcji • samoloty wojskowe i eksperymentalne • elementy dla lotnictwa pasażerskiego • karoserie samochodowe • materiały i elementy dla medycyny TEMATYZastosowania (1) – główne dziedziny Wykład habilitacyjny, Wydział Inżynierii Lądowej PK, Kraków 2 lutego 2005
TEMATYZastosowania (7) – zbiorniki GFRP press Wykład habilitacyjny, Wydział Inżynierii Lądowej PK, Kraków 2 lutego 2005
TEMATYZastosowania (8) – separatory GFRP Wykład habilitacyjny, Wydział Inżynierii Lądowej PK, Kraków 2 lutego 2005
TEMATYZastosowania (9) – rury press Wykład habilitacyjny, Wydział Inżynierii Lądowej PK, Kraków 2 lutego 2005
TEMATYZastosowania (10) – rurociągi GFRP press powrót Wykład habilitacyjny, Wydział Inżynierii Lądowej PK, Kraków 2 lutego 2005
TEMATYZastosowania (15) • Celowość stosowania GFRP do produkcji rur i zbiorników • łatwość dostosowania funkcji, wymiarów i włas-ności wytrzymałościowych i odpornościowych do potrzeb klienta poprzez możliwość sterowania parametrami produkcyjnymi: - wytrzymałością na ciśnienie wewnętrzne - wytrzymałością na odkształcenia wywołane obciąże- niem zewnętrznym- odpornością na działanie mediów agresywnych - odpornością na ścieralność w przypadku przesyłania mediów zawierających zawiesiny Wykład habilitacyjny, Wydział Inżynierii Lądowej PK, Kraków 2 lutego 2005
TEMATYZastosowania (16) • duża trwałość i niezawodność (odporność na korozję, chemiczną, na starzenie wywołane np. promieniami UV). Badania trwałości czasowej laminatów (USA, Szwecja) dowiodły, że: - żywotność wynosi nie mniej niż 50 lat - degradacja własności wytrzymałościowych jest zbliżona do wartości uzyskanych dla żeliwa i betonu, a znacznie mniejsza niż w przypadku elementów stalowych • niski ciężar konstrukcji GFRP(ok. 10% ciężaru konstrukcji żelbetowej, ok. 20% ciężaru kon-strukcji stalowej i ok. 25% z żeliwa ciągliwego) Wykład habilitacyjny, Wydział Inżynierii Lądowej PK, Kraków 2 lutego 2005
TEMATYZastosowania (17) – rury i zbiorniki GFRP • niskie koszty eksploatacyjne i nakłady na przeglądy, konserwacje i naprawy - laminaty o prawidłowo dobranych pod kątem stykających się z nimi mediów komponentach, nie wymagają przeglądów ani renowacji - instalacje i zbiorniki laminatowe przeznaczone na media agresywne chemicznie muszą być poddawane okresowym przeglądom, zgodnie z wymaganiami Urzędu Dozoru Technicznego • wyroby proekologiczne • optymalizacja kosztów realizacji inwestycji szczególnie w obiektach o dużej kapitało-chłonności, z dużą ilością instalacji przemysło-wych i technologicznych Wykład habilitacyjny, Wydział Inżynierii Lądowej PK, Kraków 2 lutego 2005
TEMATYZastosowania (18) – rury i zbiorniki GFRP • Normy i wytyczne • ASTM D 3263, D3517, D 3754 • AWWA (American Water Works Association)C 950 • w oparciu o normy ASTM D 3263, D3517, D 3754 i AWWA C 950, przy udziale ich autorów opracowywane są obecnie normy międzynarodowe ISO oraz europejskie CEN • Polska- Wytyczne Urzędu Dozoru Technicz-nego DT-UC-90/WO-0 “Stałe zbiorniki ciśnieniowe z tworzyw sztucz-nych wzmocnionych włóknem szklanym” powrót Wykład habilitacyjny, Wydział Inżynierii Lądowej PK, Kraków 2 lutego 2005
TEMATYZastosowania (7.1) – zbiorniki GFRP • Zastosowania • podziemne zbiorniki poziome:- zbiorniki magazynowe dla wody p-poż., wody pitnej, ścieków bytowo-gospodarczych, przemysłowych z wyłączeniem mediów agresywnych chemicznie • podziemne zbiorniki pionowe:- zastosowania analogiczne jak dla poziomych- studnie wodomierzowe i kanalizacyjne- przepompownie, studnie technologiczne na sieciach podziemnych • naziemne zbiorniki poziome i pionowe:- zbiorniki magazynowe dla wody nieuzdatnionej oraz nieagresywnych chemicznie ścieków technologicznych - zbiorniki magazynowe dla mediów agresywnych- obudowy dla urządzeń przy procesach technologicznych z udziałem mediów płynnych, sypkich i gazowych nieagresywnych powrót Wykład habilitacyjny, Wydział Inżynierii Lądowej PK, Kraków 2 lutego 2005
TEMATYZastosowania (9.1) – rury GFRP • Zastosowania • rurociągi podziemne i naziemne • budowa zbiorników, osadników, studzienek • Parametry techniczne • średnice wewnętrzne 500÷2500 mm • rury bezciśnieniowe PN 1 (nominalne ciśnienia robocze do 1 bara) • rury ciśnieniowe PN 2.5, PN 4, PN 6, PN 10 • bezpieczne przenoszenie uderzeń hydraulicznych (krótkotrwałe wzrosty ciśnienia o wartości 40% ciśnienia nominalnego) • klasy sztywności obwodowej SN 1250, SN 2500, SN 5000 i SN 10000 (N/m2) • media: woda pitna i nieuzdatniona, ścieki sanitarne i przemysłowe, solanka kopalniana powrót Wykład habilitacyjny, Wydział Inżynierii Lądowej PK, Kraków 2 lutego 2005
TEMATYZastosowania (10.1) – rurociagi GFRP • Wykonywanie rurociągów długimi odcinkami(standardowe długości rur to 6 i 12 m) • mała ilość połączeń - skrócony czas montażu • Gładkie powierzchnie wewnętrzne rur • małe tarcie: małe straty ciśnienia w czasie transportu cieczy i możliwe mniejsze spadki rurociągu • znikome osadzanie się zanieczyszczeń - niskie koszty oczyszczania rurociągów • Dopracowana technologia montażu rur • systemy złączek i kołnierzy dostosowane do działa-jących obciążeń, transportowanych mediów i ich temperatury, temperatury otoczenia i in. • złączki stalowo-elastomerowe typu FLEX: doskonała szczelność połączeń, łatwość montażu, mała czaso i pracochłonność powrót Wykład habilitacyjny, Wydział Inżynierii Lądowej PK, Kraków 2 lutego 2005
TEMATYTypy kompozytów (1.1) • kompozyty zbrojone cząstkami Kompozyt ceramiczno-metalowy Al2O3/Cu powrót Wykład habilitacyjny, Wydział Inżynierii Lądowej PK, Kraków 2 lutego 2005
TEMATYTypy kompozytów (1.2) • kompozyty zbrojone cząstkami • obciążenie przenoszone przez obie fazy • mechanizm wzmocnienia: ograniczanie przez cząstki odkształceń matrycyw obszarze sąsia-dującym z powierzchnią każdej cząstki • wzmocnienie jest efektywne, jeśli: - udział cząstek przekracza 20% objętości kompozytu (niekiedy nawet 90%) - cząstki są równomiernie rozłożone w kompozycie - cząstki powinny mieć mniej więcej te same wymiary we wszystkich kierunkach i być małe powrót Wykład habilitacyjny, Wydział Inżynierii Lądowej PK, Kraków 2 lutego 2005
TEMATYTypy kompozytów (1.3) • kompozyty zbrojone dyspersyjnie Nanokompozyt ZrO2-Al2O3 -Fe powrót Wykład habilitacyjny, Wydział Inżynierii Lądowej PK, Kraków 2 lutego 2005
TEMATYTypy kompozytów (1.4) • kompozyty zbrojone dyspersyjnie • metalowa osnowa wzmocniona cząstkami cerami-cznymi lub metalicznymio średnicy 10÷100 nm w ilości do ok. 15% objętości kompozytu • obciążenie przenoszone jest głównie przez osnowę- zbrojenie dyspersyjne nie poprawia znacząco cech mechanicznych i wytrzymałościowych kompozytu w umiarkowanych temperaturach • mechanizm wzmocnienia: utrudnianie przez rozproszone cząstki ruchu dyslokacji w osnowie • wzmocnienie jest efektywne w wysokich temperaturach(do ok. 80% temp. topnienia) • niewielki udział cząstek znacznie poprawianp.odporność na pełzanie kompozytuw porównaniu z odpornością materiału osnowy powrót Wykład habilitacyjny, Wydział Inżynierii Lądowej PK, Kraków 2 lutego 2005
TEMATYWłókna i matryce (1.1) • włókna szklane • najstarsze spośród włókien „nowoczesnych”, najtańsze i najczęściej stosowane • typ „E” – gorsze własności mechaniczne (sprężyste, wytrzymałościowe, zmęczeniowe, udarnościowe, ter-miczne, reologiczne). niska cena, najczęściej stosowany • typ „S” – lepsze parametry, ale wysoka cena, włókna stworzone dla zastosowań militarnych • zastosowania: przemysł samochodowy, lotnictwo, elektrotechnika, szkutnictwo, budownictwo przemysłowe i in. powrót Wykład habilitacyjny, Wydział Inżynierii Lądowej PK, Kraków 2 lutego 2005
TEMATYWłókna i matryce (1.2) • włókna grafitowe • większością parametrów przewyższają włókna szklane, ale znacznie droższe • włókna „HS” – wysokowytrzymałe • włókna „HM” – wysokomodułowe • włókna „UHM” – ultrawysokomodułowe • nazwy handlowe: Toray, AS • zastosowania: przemysł samochodowy, lotnictwo, artykuły sportowe powrót Wykład habilitacyjny, Wydział Inżynierii Lądowej PK, Kraków 2 lutego 2005
TEMATYWłókna i matryce (1.3) • włókna węglowe • należą do włókien grafitowych, ale o mniej uporządkowanej strukturze właściwej dla krystalicznego grafitu • w włóknach węglowych występują obszary o zaburzonej sieci krystalicznej, a nawet całkowicie jej pozbawione • w porównaniu z włóknami grafitowymi mają one gorsze własności mechaniczne, ale są od nich tańsze powrót Wykład habilitacyjny, Wydział Inżynierii Lądowej PK, Kraków 2 lutego 2005
TEMATYWłókna i matryce (1.4) • włókna organiczne • najstarsze włókna kompozytowe: bawełna, juta, sizal, włókna bananów (słabe parametry mechaniczne) • nowoczesne włókna aramidowe (Nomex, Kevlar, Kevlar 29 i Kevlar 49) • zastosowania: przemysł samochodowy, lotnictwo, sprzęt sportowy (narty, łodzie wyczynowe, sprzęt golfowy) • włókna aramidowe wykazują najlepsze własności me-chaniczne, ale są najdroższe. Często używane łącznie z włóknami grafitowymi lub szklanymi typu E (rozsądny kompromis parametrów mechanicznych i ceny) powrót Wykład habilitacyjny, Wydział Inżynierii Lądowej PK, Kraków 2 lutego 2005
TEMATYWytwarzanie kompozytów (2) • metoda kontaktowa • "chałupnicza", ręczna metoda wytwarzania kompozytów włóknistych. • produkcja elementów powierzchniowych w krótkich seriach lub pojedynczych egzemplarzach, od których nie jest wymagana duża wytrzymałość i trwałość, ani też jednorodność kolejnych wytworzonych elementów. • zbrojenie: maty i tkaniny „przycięte” tak, aby odwzorowywały kształt produkowanego elementu. • kolejne warstwy tkaniny nasącza się żywicą poliestrową lub epoksydową i układa na sobie w odpowiedniej formie umożliwiającej uzyskanie pożądanego kształtu. • o jakości produktu finalnego decydują przede wszystkim jakość formy oraz kwalifikacje producenta powrót Wykład habilitacyjny, Wydział Inżynierii Lądowej PK, Kraków 2 lutego 2005
TEMATYWytwarzanie kompozytów (3) • metoda natryskowa • udoskonalona i zmechanizowana odmiana metody kontaktowej - formowanie ręczne zastąpiono formowa-niem przy użyciu pistoletu, umożliwiającego jednoczesne nanoszenie na formę zarówno żywicy, jak i włókien w odpowiednich proporcjach • włókna mają postać taśm składających się z wielu poje-dynczych włókien, połączonych specjalnym lepiszczem i pociętych na krótkie pasemka (tzw. cięty roving) • metoda efektywniejsza i prostsza w stosowaniu od metody ręcznej, ale wykazuje te same wady • elementy nie są jednorodne, mają stosunkowo małą wytrzymałość, a ich jakość jest trudna do przewidzenia powrót Wykład habilitacyjny, Wydział Inżynierii Lądowej PK, Kraków 2 lutego 2005
TEMATYWytwarzanie kompozytów (4) • metoda ciągła wytwarzania prętów, rur i kształtowników • automatyczna produkcja elementów o stałym przekroju • zbrojenie - taśmą składającą się z wiązki równoległych włókien połączonych lepiszczem (tzw. ciągły roving) • taśmy z rovingiem przechodzą przez wannę z żywicą termoutwardzalną, impregnującą włókna i pełniącą rolę matrycy i przeciągane są przez stalowy tłocznik, nadający elementowi wstępny kształt oraz kontrolujący właściwy skład kompozytu • "półprodukt" przeciągany jest przez kolejny, bardzo precyzyjny tłocznik nadający ostateczny kształt przekroju poprzecznego. Układ grzewczy tłocznika inicjuje proces utwardzania żywicy • prędkością produkcji sterują przeciągarki, ciągnące pręt (prędkość sięga kilkudziesięciu m/godz. ) powrót Wykład habilitacyjny, Wydział Inżynierii Lądowej PK, Kraków 2 lutego 2005
TEMATYWytwarzanie kompozytów (5) Linia produkcyjna rur z kompozytu GFRP (metoda nawijania ciągłego – technologia Drostholm, 1967) wiecej… Wykład habilitacyjny, Wydział Inżynierii Lądowej PK, Kraków 2 lutego 2005
TEMATYWytwarzanie kompozytów (6) Linia produkcyjna rur z kompozytu GFRP (metoda nawijania ciągłego – technologia Drostholm, 1967) powrót Wykład habilitacyjny, Wydział Inżynierii Lądowej PK, Kraków 2 lutego 2005
TEMATYWytwarzanie kompozytów (5.1) • metoda nawijania włókien • idea metody: ciągłe nawijanie włókien na obracający się rdzeń o kształcie bryły obrotowej, aby uzyskać pożądany układ geometryczny włókien • w zależności od kierunku obrotu rdzenia i sposobu prze-suwu tzw. sanek z bębnem z nawiniętym włóknem można wykonać nawijanie obwodowe, śrubowe i planetarne • regulowana prędkość przesuwu sanek i prędkość obroto-wa rdzenia umożliwia zmianę kąta nawijania w zakresie 5-85° • taśmy rovingu wstępnie nasyconego żywicą muszą być ogrzane przed nawinięciem na rdzeń, aby żywica przeszła w stan płynny • rdzeń jest ogrzewany w celu zapewnienia dokładnego powiązania ze sobą kolejnych nawijanych warstw powrót Wykład habilitacyjny, Wydział Inżynierii Lądowej PK, Kraków 2 lutego 2005
PARAMETRY LAMINACJI þ ciśnienie 0.75 MPa ogrzewanie do 120° C þ prędkość ogrzewania 2° C/min þ utwardzaniew 120° C ( 60 min) þ chłodzenie do 60° C pod ciśnieniem początkowym þ TEMATYWytwarzanie kompozytów (7) taśma „prepreg” kompozytu jednokierunkowegoCIBA-GEIGY VICOTEX NCHR 174B/37/132włókno węglowe Torayca T300 wosnowie epoksydowej tkanina teflonowa 8 warstwmaty szklanej tkanina teflonowa aluminium foil płyta stalowa warstwy laminatu płaszczyznaśrodkowa ciśnienie termopara panelsterujący spirala grzewcza powrót Wykład habilitacyjny, Wydział Inżynierii Lądowej PK, Kraków 2 lutego 2005
Hodgdon Brothers Inc. Gougeon Brothers Inc. TEMATYZastosowania (19) – łodzie motorowe i żaglowe powrót Wykład habilitacyjny, Wydział Inżynierii Lądowej PK, Kraków 2 lutego 2005
TEMATY Zastosowania (12) –Lockheed F-117A Lockheed F-117A Nighthawk Stealth Fighter Wykład habilitacyjny, Wydział Inżynierii Lądowej PK, Kraków 2 lutego 2005
TEMATYZastosowania (13) – Northrop B-2A Northrop B-2A Spirit Stealth Bomber powrót Wykład habilitacyjny, Wydział Inżynierii Lądowej PK, Kraków 2 lutego 2005
TEMATYZastosowania (14) – Voyager (1984) powrót Wykład habilitacyjny, Wydział Inżynierii Lądowej PK, Kraków 2 lutego 2005
TEMATY Zastosowania (17) –Chevrolet Corvette Model 1954 (włókno szklane) Model Z51 (2004) (różne kompozyty) Wykład habilitacyjny, Wydział Inżynierii Lądowej PK, Kraków 2 lutego 2005
TEMATY Zastosowania (18) –bolidy F1 Ferrari 2004 press McLaren/Mercedes po wypadku (v=345 km/h, 1999, M. Hakinen) press powrót Wykład habilitacyjny, Wydział Inżynierii Lądowej PK, Kraków 2 lutego 2005
TEMATY Zastosowania (15) –Airbus A380 European Aeronautic Defence and Space Company EADS N.V. jednoczęściowe drzwi (carbon/epoksyd) Wykład habilitacyjny, Wydział Inżynierii Lądowej PK, Kraków 2 lutego 2005
TEMATY Zastosowania (16) –Boeing 747-400 hamulce (carbon/epoksyd) panele podłogowe (carbon/epoksyd) lotka skrzydła „winglet” (grafit/epoksyd) powrót Wykład habilitacyjny, Wydział Inżynierii Lądowej PK, Kraków 2 lutego 2005