Luku 16: Komposiitit Käsiteltäviä aiheita...

Esitys aiheesta: "Luku 16: Komposiitit Käsiteltäviä aiheita..."— Esityksen transkriptio:

1 Luku 16: Komposiitit Käsiteltäviä aiheita...
Komposiittien eri luokat ja tyypit Miksi komposiitteja käytetään metallien, muovien tai keraamien sijaan? Kuinka komposiittien jäykkyyttä ja lujuutta mitatataan? Mitkä ovat komposiittien tyypilliset käyttökohteet?

2 Komposiitit Yhdistetään eri materiaaleja, jotta saadaan paremmat käyttöominaisuudet esim. yhdistetään muovin joustavuus ja keveys keraamin lujuuteen – muovikomposiitti Lopputuloksena yleensä “hyvä” kompromissi Don’t always get what you want Ex: combine ferret (pet) + mink (fur) Desire a mink with good disposition but got a nasty ferret

3 Termit ja luokittelu • Komposiitti 0,5 mm • Matriisi • Lujite
monifaasinen materiaali, jossa merkittävä osuus jokaista faasia lujite- kuidut poikki- leikkaus 0,5 mm • Matriisi jatkuva faasi siirtää kuormituksen muihin faaseihin suojaa muita faaseja ympäristöltä luokittelu MMC, CMC, PMC (metal) (ceramic) (polymer) • Lujite parantaa matriisin “heikkouksia” MMC: parantaa sy, lujuus, virumiskest. CMC: parantaa Kc PMC: parantaa E, sy, lujuus, virumiskest. luokittelu: partikkeli, kuitu, rakenteellinen Reprinted with permission from D. Hull and T.W. Clyne, An Introduction to Composite Materials, 2nd ed., Cambridge University Press, New York, 1996, Fig. 3.6, p. 47.

4 Komposiittien rakenne
Adapted from Fig. 16.2, Callister 7e.

5 Komposiittien rakenne: partikkelit-I
Partikkelilujitus Kuitulujitus Rakenteellinen lujitus • Esim. Adapted from Fig , Callister 7e. (Fig is copyright United States Steel Corporation, 1971.) - sferoidiitti teräs matriisi: ferriitti (a) (sitkeä) partikelit: sementiitti ( Fe 3 C ) (hauras) 60 mm Adapted from Fig. 16.4, Callister 7e. (Fig is courtesy Carboloy Systems, Department, General Electric Company.) - WC/Co kovametalli matriisi: koboltti (sitkeä) partikkelit: WC (hauras, kova) V m : 10-15 til.%! 600 mm Adapted from Fig. 16.5, Callister 7e. (Fig is courtesy Goodyear Tire and Rubber Company.) - auton renkaat matriisi: kumi (joustava) partikkelit: C (jäykistäjä) 0.75 mm

6 Komposiittien rakenne: partikkelit-II
Partikkelilujitus Kuitulujitus Rakenteellinen lujitus Betoni – sora + hiekka + sementti miksi heikkaa ja soraa? - hiekka tiivistää kolot Raudoitettu betoni – lujitus terästangolla tai verkolla lujuus kasvaa, jopa sementtimatriisin säröillessä Esijännitetty betoni – betoniteräs vetojännityksessä betonivalun aikana - jännityksen laukeaminen aikaansaa puristusjännityksen betonirakenteeseen betoni paljon lujempi puristuksessa kuormitettaessa vetojännityksen ylitettävä puristusjännitys kierre- tanko mutteri Jälkijännitys – tankoon veto mutteria kiristämällä (betoniin puristus)

7 Komposiittien rakenne: partikkelit-III
Partikkelilujitus Kuitulujitus Rakenteellinen lujitus • Kimmokerroin, Ec (komposiitti) kaksi mallia c m yläraja E = V + p Data: Cu matriisi/ W partikkelit 20 4 6 8 10 150 250 30 350 til.% W E(GPa) (Cu) ( W) alaraja 1 E c = V m + p Adapted from Fig. 16.3, Callister 7e. (Fig is from R.H. Krock, ASTM Proc, Vol. 63, 1963.) • Mallin soveltaminen muihin ominaisuuksiin sähkönjohtavuus, se: korvataan E yhtälöissä se:llä lämmönjohtavuus, k: korvataan E yhtälöissä k:lla

8 Komposiittien rakenne: kuidut-I
Partikkelilujitus Kuitulujitus Rakenteellinen lujitus Kuidut ovat erittäin lujia lujittavat merkittävästi materiaalia esim. hiilikuitukomposiitti jatkuvia hiilikuituja polymeerimatriisissa kuidut antavat lujuuden polymeeri sitoo kuidut yhteen

9 Komposiittien rakenne: kuidut-II
Partikkelilujitus Kuitulujitus Rakenteellinen lujitus Kuitumateriaalit Whiskerit – ohuita erilliskiteitä – suuri pituus:halkaisija grafiitti, SiN, SiC vähän hilavikoja – kaikkein lujimpia materiaaleja hyvin kalliita Kuidut monikiteisiä tai amorfisia yleensä polymeerejä tai keraamisia esim. Al2O3 , aramidi, E-lasi, boori, UHMWPE Langat metallisia – teräs, Mo, W

10 yhdensuuntainen satunnainen
Kuidun suuntaisuus Adapted from Fig. 16.8, Callister 7e. yhdensuuntainen satunnainen epäjatkuva yhdensuuntainen jatkuva

11 Komposiittien rakenne: kuidut-III
• Yhdensuuntaiset jatkuvat kuidut • Esim. metalli: g'(Ni3Al)/a(Mo), eutektinen jähmettyminen keraami: lasi/SiC kuidut Elasi = 76 GPa ESiC = 400 GPa (a) (b) murto- pinta From F.L. Matthews and R.L. Rawlings, Composite Materials; Engineering and Science, Reprint ed., CRC Press, Boca Raton, FL, (a) Fig. 4.22, p. 145 (photo by J. Davies); (b) Fig , p. 349 (micrograph by H.S. Kim, P.S. Rodgers, and R.D. Rawlings). Used with permission of CRC Press, Boca Raton, FL. matrix: a (Mo) (ductile) kuidut: g ’ (Ni3Al) (hauras) 2 mm From W. Funk and E. Blank, “Creep deformation of Ni3Al-Mo in-situ composites", Metall. Trans. A Vol. 19(4), pp , Used with permission.

12 Komposiittien rakenne: kuidut-IV
Partikkelilujitus Kuitulujitus Rakenteellinen lujitus • Epäjatkuvat, satunnaiset 2D kuidut • Esim. hiili-hiili - valmistus: kuitu/piki, poltto noin 2500°C:ssa - käyttö: jarrulevyt, kaasu- turbiinin pakokaasuventiiili, nokkakartio (b) kuidut ovat tasossa kuva tasosta C kuidut hyvin jäykkiä hyvin lujia C matriisi vähemmän luja vähemmän jäykkä (a) • Muut sovellukset - epäjatkuva, satunnainen 3D - epäjatkuva 1D Adapted from F.L. Matthews and R.L. Rawlings, Composite Materials; Engineering and Science, Reprint ed., CRC Press, Boca Raton, FL, (a) Fig. 4.24(a), p. 151; (b) Fig. 4.24(b) p (Courtesy I.J. Davies) Reproduced with permission of CRC Press, Boca Raton, FL.

13 Komposiittien rakenne: kuidut-V
Partikkelilujitus Kuitulujitus Rakenteellinen lujitus • Kriittinen kuidun pituus tehokkaaseen jäykistykseen ja lujitukseen kuidun lujuus vedossa kuidun halkaisija kuitu-matriisi -rajapinnan leikkauslujuus • Esim. lasikuidulla tarvitaan kuidun pituus > 15 mm • Miksi? – pitkät kuidut kantavat kuorman tehokkaammin! lyhyt, paksu kuitu pitkä, ohut kuitu huonompi kuidun tehokkuus Adapted from Fig. 16.7, Callister 7e. parempi kuidun tehokkuus s (x)

14 Komposiittien jännitys-venymä -käyrä

15 Komposiittien lujuus: kuidunsuuntainen kuormitus
Jatkuvat kuidut – kuitulujitteisen komposiitin lujuuden ja jäykkyyden arviointi, kun lujitteena yhdensuuntaiset jatkuvat kuidut Jännitys pituussuunnassa (kuidun suunnassa) c = mVm + fVf mutta c = m = f tilavuusosuus sama venymä Ec = Em Vm + EfVf pituussuuntainen E f = kuitu m = matriisi

16 Komposiittien lujuus: poikittainen kuormitus
Poikittaisuunnassa kuidut kantavat vähemmän kuormaa – sama jännitys c = m = f =  c= mVm + fVf  poikittaissuuntainen E

17 Komposiittien lujuus Partikkelilujitus Kuitulujitus Rakenteellinen lujitus • Arvioidaan Ec and murtolujuus epäjatuville kuiduille - pätee, kun - kimmokerroin kuidun suunnaassa - murtolujuus kuidun suunnassa Ec = EmVm + KEfVf tehokerroin: - yhdensuunt. 1D: K = 1 (yhdensuunt. ) - yhdensuunt. 1D: K = 0 (yhdensuunt. ) - satunnainen 2D: K = 3/8 (2D isotropia) - satunnainen 3D: K = 1/5 (3D isotropia) Values from Table 16.3, Callister 7e. (Source for Table 16.3 is H. Krenchel, Fibre Reinforcement, Copenhagen: Akademisk Forlag, 1964.) (TS)c = (TS)mVm + (TS)fVf (yhdensuunt. 1D)

18 Kuitulujitteiden ominaisuuksia

19 Komposiittien valmistus
Pultruusio (suulakeveto) jatkuvat kuidut vedetään hartsisäiliön läpi ja esimuovataan ja kuivataan uunissa Adapted from Fig , Callister 7e.

20 Komposiittirn valmistus-II
Langan kelaus esim. paineastiat jatkuva kuitu kelataan tuurnan päälle Adapted from Fig , Callister 7e. [Fig is from N. L. Hancox, (Editor), Fibre Composite Hybrid Materials, The Macmillan Company, New York, 1981.]

21 Komposiittien rakenne: rakenteellinen lujitus
Partikkelilujitus Kuitulujitus Rakenteellinen lujitus • Kuitulujitteiset levyt pinotaan ja liitetään toisiinsa - pinousjärjestys esim. 0°/90° - edut: tasalaatuinen jäykkyys levyn tasossa Adapted from Fig , Callister 7e. • Kerrosrakenne - pieni tiheys, “hunajakenno” ydin - edut: pieni paino, suuri taivutusjäykkyys “hunajakenno” liitoslevy pintalevy Adapted from Fig , Callister 7e. (Fig is from Engineered Materials Handbook, Vol. 1, Composites, ASM International, Materials Park, OH, 1987.)

22 Komposiittien edut • CMC, parempi sitkeys MMC, parempi
• PMC: parempi E/r E(GPa) G=3E/8 K=E Tiheys, r [mg/m3] 0,1 0,3 1 3 10 30 0,01 2 metallit/ metalliseokset polymeerit PMC keraamit kuitulujitus lujittamaton partikkelilujitus Voima Taipuma Adapted from T.G. Nieh, "Creep rupture of a silicon-carbide reinforced aluminum composite", Metall. Trans. A Vol. 15(1), pp , Used with permission. MMC, parempi virumiskest. 20 30 50 100 200 10 -10 -8 -6 -4 6061 Al 6061 Al/ SiC whiskerit s (MPa) e ss (s-1)

23 Muovimatriisikomposiittien (PMC) ominaisuudet (epoksi/60% kuitu)

24 Metallimatriisikomposiittien (MMC) ominaisuksia

25 Keraamimatriisikomposiitti (CMC) Al2O3/SiC ominaisuudet

26 Yhteenveto • Komposiitit luokitellaan
- matriisin mukaan (CMC, MMC, PMC) - lujitetyypin mukaan (partikkeli, kuitu, rakenteellinen) • Komposiitilla saadut edut matriisiin verrattuna - MMC: sy, murtolujuus, virumiskest. paranee - CMC: Kc paranee - PMC: E, sy, murtolujuus, virumiskest. paranee • Partikkelilujitteinen komposiitti - kimmokerroin voidaan arvioida - isotrooppiset ominaisuudet • Kuitulujitteinen komposiitti - kimmokerroin ja murtolujuus voidaan arvioida kuidun suunnassa - ominaisuudet voivot olla istrooppisia tai anisotrooppisia • Rakenteellinen komposiitti - perustuu kerroslevyrakenteeseen

27 ANNOUNCEMENTS Reading: Core Problems: Self-help Problems: