KOMPOZITNI MATERIALI

Definicija: kompozita:

• je mešanica vsaj dveh različnih sestavin ali faz,
• so homogeni v makroskopskem in heterogeni v mikroskopskem merilu,
• delež, oblika, in razdelitev sestavin so vnaprej načrtovani,
• niso naravne tvorbe, pač pa delo človeških rok.
• posamezne sestavine mora biti vsaj 5 %.

Izjeme, ki jih med kompozitne materiale ne uvrščamo:

• Četudi imajo posamezne sestavine bistveno različne lastnosti, tako, da ima kompozit bistveno drugačne lastnosti od posameznih faz, umetne snovi z dodatki proti UV ne štejemo med kompozitne materiale.
• Umetne kompozite izdelujemo z namenskim dodajanjem in mešanjem sestavin, dvofazne zlitine nastale iz homogene taline ali po toplotnih obdelavah ne uvrščamo med kompozitne materiale.

{#fig:kompoziti_cross_section}

Armaturna delitev kompozitnih materialov

Kompozit je sestavljen iz osnovnega materiala (matrice), ki prenaša tlačne obremenitve, in armaturnih vlaken, ki prenašajo natezne sile. Vlakna so vgrajena v matrico in izboljšajo trdnost ter togost kompozita.

Glede na obliko armature ločimo kompozite z matrico, ki je ojačana z:

• delci ali
• z vlakni.

Poleg le teh, pa poznamo še kompozitne materiale s strukturirano teksturo.

{#fig:kompoziti_delitev}

Ojačitve z delci

{#fig:kompoziti_ojacitev_delci}

Ojačitve z mikroskopsko-majhnimi delci:

• preprečujejo plastično deformacijo (kovin)

Ojačitve z večjimi delci:

• izkoriščamo večjo trdoto armiranega materiala

{#fig:kompoziti_rezilna_orodja}

Najpomembnejša in najbolj znana uporaba kompozitov, ojačanih z delci, je volframov karbid (WC). To je vrsta cementiranega karbida, pri katerem je volframov karbid v kobaltovem vezivu. Tu je kobaltovo vezivo matrična faza, delci volframovega karbida pa ojačitve delcev.

Ojačitve z vlakni

• relativno enostavno lahko načrtujemo elastičnosti modul (E) v smeri vlaken
• materiali so anizotrpičeni:
  • različne fizikalne lastnosti v različnih smereh pri usmerjenih vlaknih
  • primer: armiran beton (npr.: ne smemo spremeniti balkona v ploščad)
• ali izotropični:
  • pri naključno razporejenih vlaknih (npr.: vlakna za beton)

Glede na usmeritev vlaken ločimo:

• usmerjena vlakna

{#fig:kompoziti_usmerjena_vlakna}

• naključno postavljena vlakna

{#fig:kompoziti_nakljucna_vlakna}

• neskončna usmerjena vlakna

{#fig:kompoziti_usmerjena_vl_linija}

{#fig:kompoziti_usmerjena_vl_vanos}

Strukturirani kompoziti

• med kompoziti najbolj skrbno načrtovani tehnološki postopki,
• odlično razmerje med $E/\rho$

{#fig:kompoziti_strukturirani}

Prednosti kompozitov

{#fig:kompoziti_prednosti}

Sestava kompozitnih materialov

Kompozitni materiali sestojijo predvsem iz dveh osnovnih sestavin:

• iz matice (osnove) in
• armature (sestavin za povečanje mehanskih lastnosti)

Kompozitni materiali sestojijo iz 5 najbolj razširjenih osnovnih skupin glede na obliko armature:

• kompoziti z vlakni
• kompoziti z delci
• kompoziti s kosmiči
• kompoziti z laminati, lističi
• kompoziti s polnilom.

Vlakna v kompozitih

Vlakna, ki se uporabljajo za armiranje kompozitov, naj imajo naslednje lastnosti:

• majhno gostoto
• veliko trdnost in modul elastičnosti pri vseh delovnih temperaturah
• minimalno topnost v matrici
• kemično obstojnost
• nimajo faznih transformacij
• primerna so za tehnološke postopke

Vlakna, ki se danes uporabljajo:

• imajo majhno gostoto,
• veliko trdnost jim zagotavlja kovalentna vez
• anizotropne mehanske lastnosti.

Najbolj uporabna vlakna so:

• steklena vlakna:
  • izdelana so iz stekel različne kemične sestave
  • 50% - 60% $SiO_2$ ter oksidi kalija, bora, natrija, aluminija in železa.
• ogljikova vlakna:
  • so izredno trdna, toga in lahka vlakna
  • izredno odporna na visoke temperature
• kovinska vlakna:
  • so iz volframa, berilija, molibdena in visokotrdnih ogljikovih in nerjavnih jekel

Vpliv vlaken na fizikalne lastnoati

niso odvisne le od materiala iz katerega so vlakna, pač pa tudi:

• kolikošna je njihova prisotnost (delež),
• kako velika vlakna so,
• kakšno obliko imajo,
• kako so razporejeni v matrici,
• in njihova orientacija.

{#fig:kompoziti_razporeditev_vlaken}

Matrica kompozitnega materiala

Matrica daje kompozitnemu materialu:

• obliko in
• monolitost
• določa položaj armature (vlaken)
• omogoča prenos obremenitve na vlakna, ki so vgrajena v matrico

Način povezave vlaken in matrice bistveno vpliva na:

• trdnost in
• žilavost kompozita
• togost (modul elastičnosti) se z armiranjem vlaken poveča.

Poznamo več vrst matric iz različnih materialov:

• keramične (CMC - ceramic matrix composite)
• polimerne (PMC - polymer matrix composite)
• kovinske (MMC - metal matrix composite)

Keramične matrice

• so trde in
• krhke (krhkost izboljšamo z vlakni)
• majhno toplotno prevodnost
• majhna natezna trdnost
• velik modul elastičnosti (ob majhnem raztezku se pojavijo velike notranje napetosti)
• manjšo gostoto (od kovin)
• odporne na zelo visoke temperature
• primer uporabe:
  • zavorni diski
  • lopatice v plinskih turbinah (reaktivni motorji)
  • toplotni ščit za vesoljska vozila
• Keramični matrični kompoziti

Polimerne matrice

• manjša trdnost
• manjši modul elastičnosti
  • obremenitev se že ob manjših obremenitvah dobro prenaša na vlakna
• niso odporne na višje temperature
• imajo izredno nizko gostoto
• veliko žilavost
• odporne proti kemikalijam in vodi
• postopek izdelave je enostaven in
• poceni
• primer.: epoksi smole, fenolne smole…

Kovinske matrice

• trdne
• žilave
• togost povečamo s togimi armiranimi vlakni
  • armirana vlakna z velikim modulom elastičnosti

Primeri uporabe

Letalska industrija

{#fig:kompoziti_primer_letalo}