Tehnologia Materialelor Compozite

PREFAŢĂ

În contextul utilizării din ce în ce mai mari a produselor din

materiale neconvenţionale, lucrarea de faţă îşi propune prezentarea

câtorva aspecte referitoare la materialele compozite, o caracterizare şi o

analiză a comportării acestora în timpul prelucrării prin diferite procedee

specifice acestor materiale. De asemenea, sunt subliniate ramurile

industriale care ar putea asimila fabricarea şi realizarea unor produse din

materiale compozite.

Avantajele pentru care aceste materiale cuceresc piaţa de produse

sunt următoarele: greutate scăzută în comparaţie cu materialele clasice,

rezistenţa mare la uzură, coroziune, caracteristici mecanice în

concordanţă cu necesitatea ulterioară a produsului. Costul mai ridicat al

acestor materiale se justifică prin precizia, calitatea produselor obţinute,

iar funcţionarea acestora conduce la o mărire a fiabilităţii, mentenanţei,

şi dacă este vorba de industria automobilelor şi a aeronauticii, de un

consum scăzut de energie.

Ştiinţa materialelor compozite a apărut din necesitatea unor studii

multidisciplinare, pornind de la faptul că elaborarea acestora este

complexă, condiţiile de operare în care aceste materiale trebuie să

funcţioneze sunt severe, proprietăţile fizice, chimice, magnetice, electrice

şi mecanice sunt influenţate de compatibilitatea şi modul de dispunere a

elementelor componente.

Efortul oamenilor de ştiinţa se orientează către materialele noi, şi

implicit asupra tehnicilor de prelucrare şi proiectare analitică a

elementelor active necesare prelucrării acestora. Studiul unor tehnologii

au scos la iveală că acestea ar putea fi aplicate la scară industrială

pentru avantajele economice, performanţa şi simplitatea proiectării.

Această lucrare se adresează studenţilor Facultăţii de Mecanică,

de la specializarea Tehnologii şi Echipamente Neconvenţionale, precum

şi tuturor celor interesaţi de informaţii referitoare la materialele de

generaţie nouă utilizate în domeniul mecanic.

INTRODUCERE

Din punct de vedere istoric, conceptul de material compozit este

foarte vechi. În Egiptul antic cărămizile de argilă erau întărite cu paie; la

Muzeul Britanic din Londra, este expus un vas de depozitare din

perioada merovingienilor 900 d.H de pe teritoriul Scoţiei, realizat dintr-un

material format din fibră de sticlă întărită cu o răşină, ceea ce ar

corespunde astăzi unui compozit de tip răşină epoxidică întărită cu fibră

de sticlă.

În secolul al XIX-lea vergelele de fier erau folosite pentru zidărie

punându-se bazele materialelor armate pentru construcţii.

Prima ambarcaţiune din fibră de sticlă a fost realizată în 1942 şi de

asemenea, la acel timp, acest material a fost utilizat în aeronautică şi

pentru componentele electrice.

Primele fibre de bor şi de carbon, cu rezistenţă mare la rupere, au apărut

la sfârşitul anului 1960 fiind aplicate în materialele avansate folosite la

componente de avion, prin 1968.

Materialele compozite cu matrice metalică au fost introduse în

1970. Dupont a realizat fibrele de Kevlar (sau aramid) în 1973.

La sfârşitul anilor ‘70 materialele compozite s-au extins în aeronautică, la

automobile, articole sportive şi medicină.

Sfârşitul anilor 1980 a marcat o creştere semnificativă în utilizarea

materialelor cu fibre având modul de elasticitate ridicat, astfel, s-au

dezvoltat materiale care să răspundă cerinţelor funcţionării, deci s-a

introdus conceptul de proiectare a materialului plecând de la cerinţele

tehnice ale produsului.

În ultimii ani, pe de o parte datorită creşterii spectaculoase a

consumurilor de material şi, pe de altă parte, datorită rezultatelor

cercetării ştiinţifice, a studiilor privind proprietăţile intime ale unor

materiale, s-a trecut la realizarea materialelor compozite, numite de

specialişti “de generaţia a II-a” [8] care prezintă o serie de avantaje certe

pentru o mare gamă de produse, avantaje dintre care menţionăm:

-masa volumică mică în raport cu metalele (compozitele cu răşini

epoxidice armate cu fibre de Si, B, C, au masă volumică sub 2 g/cm3);

-rezistenţa la tracţiune sporită Rm (compozitul Kevlar are Rm de două ori

mai mare decât al sticlei);

-coeficient de dilatare mic în raport cu metalele;

-rezistenţa la şoc ridicată;

-durabilitate mare în funcţionare (în aceleaşi condiţii de funcţionare, 1kg

de Kevlar înlocuieşte 5 kg de oţel, la o durată egală de funcţionare);

-capacitate mare de amortizare a vibraţiilor;

-siguranţă mare în funcţionare (ruperea unei fibre dintr-o piesă din

compozit nu produce o amorsă de rupere a piesei, ca în cazul

materialelor clasice);

-consum energetic scăzut la elaborare, în comparaţie cu metalele; de

exemplu, pentru obţinerea polietilenei se consuma 23 kcal/cm3, iar

pentru oţel 158 kcal/cm3;

-rezistenţă la coroziune;

-stabilitate termică şi rezistenţă mare la temperatura ridicată (fibrele de

Kevlar, teflon, Hyfil sunt stabile până la 500 oC, iar fibrele ceramice tip

SiC, Si3Ni4, Al2O3 sunt stabile până la 1400 oC - 2000 oC.

În tabelul nr. 1 se prezintă câteva exemple de substituţie a materialelor

clasice cu diferite tipuri de materiale compozite.