Kap. 16, Kompositter

Transkript

1 Kap. 16, Kompositter Kombinere materialer for å få nye og bedre egenskaper Ex: fleksibilitet & vekt hos en polymer sammen med styrken og stivheten hos keram Naturlige kompositter Tre, ben Artifisielle kompositter Prinsipp om kombinert virke Blandning gir midlere egenskaper

2 Kap. 16, Kompositter, terminologi/klassifisering Kompositter: -- Multifas materialer med betydelig mengde av hver fase. Matrise: -- Den kontinuerlige fasen -- Rolle er å: - fordele spenning til andre faser - Beskytte andre faser fra omgivelser -- Klassifisering: MMC, CMC, PMC metall keram polymer woven fibers 0.5mm cross section view Dispergert fase: 0.5mm -- Rolle: forbedre egenskaper til matrise. MMC: økt sy, TS, sigemotstand. CMC: økt Kc PMC: økt E, sy, TS, sigemotstand. -- Klassifisering: Partikkel, fiber, strukturell

3 Dispergert fase Concentration Size Shape Distribution Orientation

4 Klassifisering av kompositter Composites Particle-reinforced Fiber-reinforced Structural Largeparticle Dispersionstrengthened Continuous (aligned) Discontinuous (short) Laminates Sandwich panels Aligned Randomly oriented

5 Partikkelkompositter-I Partikkelforsterket Fiberforsterket Strukturell Eksempler: - Sfæroidisert karbid I ståll matrix: ferrite (a) (ductile) 60 mm particles: cementite (Fe3C) (brittle) - WC/Co hardmetall matrix: cobalt (ductile) Vm: vol%! 600 mm particles: WC (brittle, hard) -Bildekk matrix: rubber (compliant) 0.75 mm particles: C (stiffer)

6 Partikkelkompositter-III Partikkelforsterket E-modul, Ec, hos kompositter: -- to muligheter. Data: Cu matrix w/tungsten particles E(GPa) upper limit: Fiber-reinforced E c = V m E m + V p E p rule of mixtures lower limit: 1 = V m + V p E c E m E p Structural (Cu) (W) vol% tungsten Andre egenskaper: -- Elektrisk ledningsevne, se: Erstatte E med se. -- Termisk ledningsevne, k: Erstatt E med k.

7 Partikkelkompositter-II Partikkelforsterket Fiber-reinforced Structural Betong singel + sand + sement - Sand pakkes inn i mellomrom i singel Armert betong - Stålstenger eller nett - Økning av styrke selv om sementmatrise er sprukket Forspennt betong- armere i trykkspenning under herding av betong. Betong under trykkspenning - Betong mye sterkere under trykkspenning. - Strekkspenninger må oversige trykkspenning threaded rod nut

8 Fiberkompositter-I Particle-reinforced Fiberforsterket Structural Fibrer høy styrke Betydelig økning I styrke hos materialet Ex: fiberglass kontinuerlig glass fiber i en polymermatrise Styrke fra fibrer Polymer for å holde fibrer på plass

9 Fiberkompositter-V Particle-reinforced Fiberforsterket Structural Kritisk fiberlegde for effektiv forstiving & forsterkning: fiber strength in tension Critical length l c = s f * d 2t c fiber diameter shear strength of fiber-matrix interface l>>l c continuous fibers (l normally>15xl c )

10 Fiberrettning Adapted from Fig. 16.8, Callister 7e. Opprettet kontinuerlig Opprettet tilfeldig diskontinuerlig

11 Sprø fiber - duktil matrise

12 Komposittstyrke: Langsgående belastning Kontinuerlige fibrer Bestem styrke av fiberforsterket kompositt med lange kontinuerlige fibrer Langsgående belastning s c = s m V m + s f V f men c = m = f volumfraksjon iso-tøying E ce = E m V m + E f V f langsgående (extensional) modulus F f = F m EfV E V m f m f = fiber m = matrix

13 Fiberkompositter-II Particle-reinforced Fiberforsterket Structural Fibermaterialer Whiskers Tynne enkrystaller stor lengde / diameter forhold grafitt, SiN, SiC Nesten perfekte enkrystaller ekstrem styrke Meget dyre materialer Fibrer polykrystalline eller amorfe normalt ploymerer eller keramer Ex: Al 2 O 3, Aramid, glass, karbon bor, UHMWPE Tråder Metall stål, Mo, W

14 Fiberforsterket materialer

15 Fiberkompositter-III Particle-reinforced Fiberforsterket Structural Opprettet kontinuerlige fibrer Eksempler: -- Metall: g'(ni3al)-a(mo) by eutectic solidification. -- Keram: Glass w/sic fibers formed by glass slurry matrix: a (Mo) (ductile) Eglass = 76 GPa; ESiC = 400 GPa. (a) fracture surface 2mm fibers: g (Ni 3 Al) (brittle) (b)

16 Fiberkompositter-IV Particle-reinforced Fiberforsterket Structural Diskontinuerlig, tilfeldig 2D fibers Eksempel: karbon-karbon -- bruk: skivebremser, gassturbiner, exhaust flaps, nose cones. (b) view onto plane C fibers: very stiff very strong C matrix: less stiff less strong Øvrige varianter: -- Diskontinuerlige, tilfeldige 3D -- Diskontinuerlige, 1D (a) fibers lie in plane

17 Produksjon av kompositter-i Profiltrekking, Pultrusion Kontinuerlige fibers trekkes gjennom tank med polymer, deretter forforming i dyse & herde i ovn Adapted from Fig , Callister 7e.

18 Prepreg Herdplast, kontinuerlige fibrer Delvis herdet produkt Lagres ved lav temp

19 Fiberspoling Produksjonsmetoder-II Ex: trykktank Kontinuerlige fibrer spoles Adapted from Fig , Callister 7e. [Fig is from N. L. Hancox, (Editor), Fibre Composite Hybrid Materials, The Macmillan Company, New York, 1981.]

20 Produksjonsmetoder: Strukturelle Particle-reinforced Fiber-reinforced Strukturelle Stablet og bundet fiber-forsterket skjikt -- stacking sequence: e.g., 0º/90º -- benefit: balanced, in-plane stiffness Sandwichpaneler -- low density, honeycomb core -- benefit: small weight, large bending stiffness face sheet adhesive layer honeycomb

21 Structurell kompositt

22 Fordeler med kompositter CMCs: Økt seighet Force un-reinf particle-reinf fiber-reinf Bend displacement MMCs: økt sigemotstand ss (s -1 ) Al Al w/sic whiskers 10 3 E(GPa) 10 2 PMCs: Økt E/r PMCs G=3E/8 K=E s(mpa) ceramics metal/ metal alloys polymers Density, r [mg/m 3 ]

23 Oppsumering Kompositter kan bli klassifisert I henhold til: -- Matrisematerialet (CMC, MMC, PMC) -- Forsterkningens geometri (partikler, fibrer, sjikt. Kompositter forbedrer egenskapene hos matrisen: -- MMC: forbedring av sy, TS, sigemotstand -- CMC: forbedring av Kc -- PMC: forbedring av E, sy, TS, sigemotstand Partikkelforsterket: -- E-modul kan beregnes. -- Egenskaper er isotrope. Fiberforsterket: -- E-modul og TS kan beregnes langs fiberretning -- Egenskaper kan være isotrope eller anisotrope. Strukturelle: -- Basert på sandwich sjikt