Nem fémes szerkezeti anyagok Kompozitok
Kompozitok A kompozitok vagy társított anyagok olyan szerkezeti anyagok, amelyeket két vagy több különböző anyag pl. fém- kerámia, kerámia - műanyag, kerámia - kerámia, fém - műanyag, műanyag - üveg stb. egyesítésével állítanak elő, és a köztük lévő kapcsolat a terhelés növelésével is megmarad.
Kompozitok A kompozitok alapvetően két részre bonthatók: • a befoglaló anyagra (mátrixra) • és az abba beépülő második fázisra (erősítő vagy társító anyagra)
Kompozitok • A kompozitok előállításánál a két anyag előnyös tulajdonságait kombináljuk. • A kompozitok szerkezetüket tekintve lehetnek: • • • •
részecskékből összetett ( diszperzió) szálas ( rövid vagy hosszúszálas) rétegelt felületi réteges ( bevonatos)
Részecskékből összetett, szemcsés kompozitok • A mátrixanyagba, 1µm-tól a mm-ig részecskék vannak beágyazva. • Ilyen pl. a beton, a keményfémek ( WC, TiC részecskék vannak a fém Co-ba beágyazva.), a fémkerámiák (cermet = ceramic + metals) oxidkerámiák pl. Al2O3 vagy ZrO2 van fémes mátrixba pl. Fe, Cr, Co, Mo ágyazva.
Szálas kompozitok • Ilyenek: az üvegszál erősítésű műanyagok, a polimerszál erősítésű műanyagok, a szénszál erősítésű műanyagok. A mátrix általában valamilyen duroplaszt. De lehetnek pl. Ni szálal erősített kerámiák A szálak irányításával az anyag izotróppá tehető. Igen fontos anyag a vasbeton.
Szálerősítésű kompozitok
Szálerősítésű kompozitok alapanyagai: szálak • Üvegszál: olvadt üvegből fokozatosan húznak 6…12 µm átmérőjű szálakat, melyeket köteg, paplan vagy szövet formában hoznak forgalomba • Grafit (karbon) szál: különféle karbonláncú vegyületeket tartalmazó alapanyagok pirolízisével, nyújtásával hoznak létre a szálirányban összefüggő grafit kristályokat
Szálerősítésű kompozitok alapanyagai: hordozó (mátrix) • A hordozóanyagok különféle, rendszerint két komponensű, hőre keményedő műgyanták • A műgyanta egyik komponense a folyékony polimer, amelyhez a térhálósító adalékokat hozzákeverve, majd a szálakat, töltőanyagokat bedolgozva kikeményítik
Szálerősítésű kompozitok jellegzetes példái • Leggyakrabban üveg- vagy karbon szál és műgyanta alapanyagból készülnek • Üvegszál erősítésű polimerek GFRP • Karbonszál erősítésű polimerek CFRP • Aromás poliamid (aramid) erősítésű polimerek Paraaramid – KEVLAR Metaaramid - NOMEX • Legősibb szálerősítésű kompozit a vályog tégla volt (Mezopotámia, 5-6000 éve)
Szálerősítésű kompozitból készült szerkezetek
CF/EP
Aramid/DuPont Nomex
CF/aramid/EP
Aramid/foam core
GFRP
CF/DuPont Nomex
Szálerősítésű kompozitból készült szerkezetek
Szálerősítésű kompozitok:
a szálak körüli feszültség mező
A szál és a hordozóanyag kötése egymáshoz (elérhető nyírófeszültség) A terhelés átadása a szál és a hordozó-anyag között (adhéziós kötéssel)
Szálerősítésű kompozitok:
a szálak körüli feszültség mező
Szálerősítésű kompozitok: az Rm és E változása a szálak mennyiségének függvényében
Szálerősítésű kompozitok:
az Rm és E változása az orientáció függvényében
Kompozit anyagból készült szerkezetek
Példa: kerékpár váz • Lehetséges váz anyagok: – Acél cső – Alumínium, titán cső – Kompozit anyag
• A kompozit váz alkalmazásakor az anyag, alak, méret és a gyártási mód összehangolása szükséges
Kompozit anyagból készült szerkezetek
Példa: versenyautó váz • A Forma-1 autók karosszériája karbon szál erősítésű kompozit anyagból készül • Előny: kis tömeg, nagy szilárdság, az egyedi gyártás viszonylagos olcsósága
Kompozit anyagból készült szerkezetek
Példa: széllovas (windsurf) • Test: több rétegű kompozit héj, belső merevítések, az üregeket kitöltő hab • Árbóc: üvegszállal erősített polimer (lehet fém-fém kompozit is) • Vitorla: rövid szálakkal erősített, szövött vagy öntött kompozit anyag (kevlar) • Uszony: üvegszállal erősített polimer • Árbóc gyök: poliuretán rugó
• a szerkezeti anyagok síkok mentén kapcsolódnak egymáshoz, és előállítsuk legtöbbször alakítással történik. • Pl.a szendvicsszerkezetű nagyszilárdságú alumínium vagy titánlemezek közötti teret méhsejtszerűen elhelyezett polimerekkel kitöltött repülőgép burkolóelemek, ajtók, az alumíniummal bevont papír, a lakkal bevont alumínium stb.
Réteges kompozitok
Réteges kompozitok: síléc
Réteges kompozitok: arall
Kompozit anyagból készült szerkezetek
Példa: versenyautó váz • A karosszéria merevségét a szendvics szerkezet fokozza (két sík réteg között méhsejt mintázatú összekötő cellák)
Fa alapú kompozitok: áttekintés 1. rétegelt lemez 2. farost lemez 3. Pozdorjalap 4. Faforgácslap 5. OSB lap 6. parafa
Fa alapú kompozitok (1) • Rétegelt lemez (furnér lemez) – Vékony falemezeket kötőanyaggal egyesítenek – A szálirány 90o-ban változó, emiatt az anizotrópia csökken, a szilárdság javul
• Farost lemez – Rostjaira bontott faanyag és formaldehid gyanta keveréke – Préshengerléssel formázzák végső méretre
Fa alapú kompozitok (2) • Pozdorja lap – Kender és len szártöredék és hőre keményedő műgyanta alkotja – A masszát táblákká sajtolják
• Faforgács lap – Szárított faforgácsot karbamid gyantával kötnek össze – Magas hőmérsékleten táblákká préselik és a felületeket csiszolják
Fa alapú kompozitok (3) • OSB lap – Irányított forgácsirányú falemez – rönkfából aprítanak rövid szalagokat, ezeket orientáltan helyezik el és gyantával összekötik – A lapokat nagy nyomáson, 215 Co hőmérsékleten sajtolják össze táblává
• Parafa – Parafa granulátumból sajtolnak különböző termékeket
Összefoglalás • A kompozit anyagok tetszőleges igények szerint alakíthatóak, mindig a szerkezet funkciójának és igénybevételének megfelelően • A szemcsés, szálas és rétegelt kompozitok önmagukban, és egymással kombinálva is használatosak.
