Polümeer Komposiitmaterjalide omadused. (0)

TL
MXX0050 Test 1 kordamine loenguslaidide põhjal .
Polümeer Komposiitmaterjalide omadused.
Kasutada omal vastutusel.

• Komposiitmaterjalid on kahest või enamast faasist koosnevad heterogeensed materjalid.
  
• Üks faasidest on kõva ja tugev nö vaik – maatriks .
  
• Teine elastne ja plastne – armatuur – süsinikkiud/ klaaskiud .
  
• Polümeerkomposiitide puhul on maatriks polümeerne aine. Polümeerne aine ise on selline milles olevad molekulid on seotud korduvate kovalentsete elementidega. Merevaik, plast, kumm , silikoon.
  
• Young´s Modulus ehk elastsusmoodul näitab elemendi jäikust. Teisisõnu materjali mingi pindalaühiku ja deformatsiooni suhet.
  
• Armatuurid kui ka maatriksid võivad olla nii metalsed , keraamilised kui ka polümeersed (plastikud).
  
• Looduses komposiidi näiteks puu ja luu.
  
• Polümeerkomposiidis on matriiksiks polümeer, mille omadused määravad enamiku komposiidi omadustest va tugevuse ja jäikuse.
  
• Maatriksi deformeeritavus peab olema suurem armatuuri deformeeritavusest. Lisaks peab maatriks hästi märgama ja „kleepima“ end armatuuri külge. Ei tohi kuivades eriti kahaneda ja peab kiiresti kõvenema. Üleüldiselt peaksid mõõtmed säilima kuivades. Muidu „kisub“ armatuuri kiud „ viltu “.
  
• Armatuur ehk näiteks süsinikkiud ja klaas määravad ära tõmbetugevuse, elastsusmooduli, jäikuse, roomekindluse, paindemooduli, survetugevuse, löögisitkuse ja muud sellist.
  
• Peamised polümeerid on reaktoplastid, ehk siis sellised mis temperatuuri muutudes sulavad. Epoksü, vinüül, polüester jne. Termoreaktiivsus näitab vastupanu temperatuurile.
  
• Kõik plastid on polümeerid, kuid kõik polümeerid pole plastid.
  
• Polümeerid võivad olla: amorfsed termoplastid – suht tavalised plastikud, kus makromolekulidel pole ristsidemeid . Pool kristalliinsed –suurema kohesiooniga kui eelmised. Reaktoplastid-kus makromolekulidel on palju ristsidemeid. Elastomeerid- harvade ristsidemetega ( kummid )
  
• Tüüpilised polümeermaatriksid on vaigud .
  
• Fenool -formaldehüüdvaigud (PF) , need on tugevad, vee ja kuumuskindlad (200C), ning jäigad.
  
• Resoolvaigud – liim-ja sideained .
  
• Novolakkvaigud- presspulbrite sideained, lakid ja emailid. Näiteks telefonid, autodetailid, korpused.
  
• Polüestervaigud (UP) – enamlevinud vaigud (60-80% komposiidi koostisest). Soodsad, lihtne kasutada, suurepärased mehaanilised omadused. Armeerimata tõmbetugevus 75 Mpa, armeeritud klaasplastil 120-350 Mpa. Negatiivsed aspektid, et kahaneb palju kõvenemisel ja on habras. Adhesioon täiteainega pole samuti väga hea.
  
• Aminovaigud (UF,MF), hea kriimustus -ja kuumuskindlus. Head elektriisolaatorid ja hästi toonitatavad. 28-69 Mpa tõmbetugevus.
  
• Epoksüvaigud – kõrgsoorituskomposiidid, armatuur ja maatriks pooleks. Sitked ja väikese mahukahanemisega. Üleüldiselt sitaks heade omadustega. Kasutatakse nii lennukite kui ka igasuguse muu tehnika peal. Klaaskiud komposiidis (60% kiudu ) tõmbetugevus 360-450Mpa) ja paindetugevus 550-690 Mpa.
  
• Armeering võib olla pidevarmeeritud, diskreetselt ehk ,et kiu suund on paigas kuid kiud on lühikesed, dispersioonarmeerimine ehk siis suht suvaliselt kiud loobitud ja kihtarmeeritud.
  
• Kiud omavad armeerivat jõudu kui nad on pikemad kui 0.2mm. Mõjuvad vaid teljesuunaliselt, vastupidi võivad isegi tugevust vähendada.
  
• Klaas, süsinik, boor ja grafiit on põhilised kiud kasutuses.
  
• Elastomeerides kasutatakse näiteks tahma ja ränihiibi.
  
• Mida peenem on kiud, seda tõenäolisem on et selles poel varjatud defekte, seetõttu on ka kiud ülimalt peenikesed ja puntras kokku.
  
• Mida suurem pikkuse ja läbimõõdu suhe, seda parem koormuse ülekandmine.
  
• Struktuuri järgi jaotatakse armeerivad kiud monokristalseteks, polükristalseteks ja amorfseteks.
  
• Kiude kedratakse: märgketrus, kuivketrus, ketrus sulamassist, kuiv juga+märgketrus.
  
• Ketruse puhul põhimõtteliselt toimib asi nagu valupressi puhul, mass surutakse vormi, ehk siis avadesse ja see tõmmatakse sealt välja, seejuures see kohe avast välja tulles jahutatakse, mõnikord määritakse, siis võidakse veel venitada ja lõpuks keritakse või punutakse.
  
• Klaas tekib sobiva viskoosusega homogeense ja amorfse sulanud materjali väga kiirel jahutamisel. 2000 kraadi juures.
  
• Klaaskiudu toodetakse klaasimassist. Sulatatakse üles, rafineeritakse(peenendamine) ja siis tõmmatakse välja.
  
• Klaas kas keritakse rulli või tehakse villa.
  
• Tüüpilise klaaskiu Elastsusmoodul on E=70Gpa.
  
• Boorkiud saadakse fluoriidide ja boromiidide lagundamisega vesiniku keskkonnas.
  
• Grafiit on erinevalt teemantist seotud kovalentsidemetega vaid kolme aatomiga põhitasandis. See tasand on ilgelt tugev aga kuna vertikaaltasandil on nõrgad sidemed, siis on nihkedeformatsioonid kerged tulema. Head antifriktsiooniomdused seega. Piduriklotsid ja autokummid .
  
• Süsinikkiu teoreetiline tugevus on 100 000 N/mm2 ja elastsusmoodul 1060 000 N/mm2. Tegelikkuses saadakse 70 % elastsusmoodulist ja 5-7% tugevusest.
  
• Süsinikkiud jaotatakse kõrgsitketeks HT ja kõrgelastsusmooduliga HM.
  
• Lisaks veel üldkasutatavad GPCF, kõrgpüsivad HPCP ja aktiveeritud ACF.
  
• Kõrge elastsusmooduliga on pigikiud, mis saadakse kuumutades 1400 -1800 kraadi juures. Suure tugevusega PAN kiud saadakse alla 1400 kraadise kuumutamisega.
  
• Orgaanilistest ainetest saadakse kiudusid kui viiakse aine viskoosest olekust voolavasse, siis formeeritakse kiud, siis fikseeritakse kiud, siis venitatakse tugevusomaduste parandamiseks.
  
• Aramdiidkiud – kevlar . Aatomid on seotud jäikades aromaatsetes rõngasahelates, kui need oirenteerida piki kuidu, on võimalik saada suur tugevus ja jäikus.
  
• Käsilamineerimine. Ühepoolne vorm. Odav, lihtne, kuid aeglane. Kvaliteet sõltub oskustest. Vannid paadid , basseinid.
  
• Pihustusmeetodipuhul pihustatakse vaigu ja kiu segu. Kuna vaiku on rohkem siis on puuduseks suur mass ja kiu orientatsiooni määrata ei saa. Kiire ja odav iseenesest.
  
• Mähkimise puhul keerleb vorm ja kiud tõmmatakse ümber vormi. Kiud immutatakse vaigus enne peale kerimist. Saadakse tugevad ja kontrollitud orientatsiooniga komposiidid.
  
• Kuivmähkimise puhul kasutatakse preprege, eelimmutatud kangast . Märgmähkimise puhul tehakse seda vahetult enne.
  
• Teiplamineerimist kasutatakse palju lennunduses. Robot asetab eelimmutatud ribad. Toimib mähkimisele sarnaselt. Võib ka toimuda erinevatest teibi tükkidest. Pinnageomeetria on taaskord piiranguks.
  
• Vaakumvormimise vahe seisneb selles et avaldatakse rõhku või temperatuuri laminaadile. Parem märgumine. Kuid rohkem jäätmeid tekib lihtsalt.
  
• Injektorvormimine on nagu eelmine, kuid vaik surutakse survega vormi, selle asemele et vaakumiga see vormi imeda. Selle puhul on protsessi lihtsam automatiseerida. Armatuur tuleb eelvormida, et ei tekiks surve tõttu nihkeid. Survet kastuatades saab lühikesi tsükli aegu. Armatuur kuni 75%, sest vaigu kogust saab minimiseerida. Autotööstus.
  

• Reaktsioonivalu ehk RIM. Kasutatakse kahte lähteainet, mis surve all segatakse viimasel hetkel kokku. 2-6 sekundiga tardub. Paar minutit on vormimisaeg. Väga madal tsükliaeg, madal rõhk, kujutäpsed detailid. Suur elastsus . Madal elastsusmoodul, väike tugevus, kallid seadmed . Suure elastsuse ja löögisitkusega tooted – autopamperid, aga muidu nõrgad.
  
• Survevalu on enamlevinud meetod. Lähtematerjal enamasti graanulite kujul. Vormis kuni paar minutit. Rõhud on väga suured. 40-200Mpa. Termoplastide vorme jahutatakse. Termorektiivid omi kuumutatakse. Graanulid sulatatakse, pressitakse vormi ja hoitakse seal. Siis tõugatakse välja. Head ühtlase struktuuriga tooted. Keerulised kujud. Suurte objektide tegemine aga kallis.
  
• Tekstuur on reeglina suunatud plasti voolu suunale.
  
• Tsentrifugaalvalu korral asetatakse armatuur toru sisse ja see pannakse pöörlema. Seejärel pihustatakse maatriks torusse. Tsentrifugaaljõud suruvad õhumullid välja. Torusid ja mahuteid saab teha. Ühtlane välispind tekib erinevalt mähkimisest.
  
• Otsepressimis meetodil pannakse tooraine otse pressi ja surutakse siis kokku erinevalt survevalust, kus see sulatatakse eelnevalt sulakambris.
  
• BMC – presspulber - tainas . Isoftaalvaigud. Tainasarnane mass visatakse lihtsalt kahe vormipoole vahele ja surutakse kokku. Kõvenemine toimub pressimise käigus. Auto esilatern näiteks. Rõhk 10-15 Mpa. Saab ka survevalu ja siirdpressimis meetoditel kasutada. Tasub ka väiksemate koguste puhul ära. Kasutab väikest klaaskiudu tavaliselt.
  
• SMC Sheet – kasutatakse prepeg matte. Rõhud 5-10 Mpa. Üsna täpsed kogused peavad olema. Püramiidikujuliselt laotakse tavaliselt. Vormi pinnatempertauur peab olema väga ühtlane! Tasub ära vaid suurseeria puhul. Lamedamad detailid ja ka pikemad kiud. Kallis meetod, kuid kiirelt tehtav .
  
• GMT – glass mat reinfored – termoplastne prepeg. 40% plastne sideaine , 30% armatuur ja 30% mineraalne täiteaine. Tükid asetatakse üksteise peale, kuumutatakse ahjus ja alles siis pressitakse. Maatriksi kõvenemine ei toimu vormis. Põhimõtteliselt saab kuidagi hästi keerulisi tooteid teha.
  
• Siirdpressimise puhul asetatakse „tainas“ kuumutatud silindrisse ja see silinder surutakse kokku, mille abil liigub tainas vormi. Vorm on eelnevalt suletud. Palju ülejääki tekib, kuid odavam kui survevalu vormimine , sest pole mingisugust graanulsulatusahju. Vormimine võtab kauem aega.
  
• Vormide puhul mängib suurt rolli, vahekaugused ja sulgumiskiirused. Temperatuuri ebaühtlane muutus toob alati defekte kaasa.
  
• Märgvormimise puhul armatuur paigutatakse vormi ja vaigusegu pannakse sinna eraldi peale. Siis pressitakse kokku. Kui vorme kuumutatakse on tegu kuumpressimisega. Kui ei tehta midagi on tegu külmpressimisega.
  
• Vormimisaja poolest on aeglasemast-kiiremaks – külmsurve-kuumsurve-bmc-smc-gmt.
  
• Kolm defektiliiki:ebaühtlase paksusega servad – liiga vähe rõhku, või tooriku pindala liiga väike, liiga aeglane sulgumine , liiga kõrge temperatuur,
  
• Toote mõõtmed liiga väikesed, õhk ei pääse välja, mass liiga väike.
  
• Põlemisjälgede puhul ei pääsenud õhk välja.
  
• Pultrusioonmeetodi puhul lõpmata pikad kiud venitatakse läbi vaigu matriitsi. Matriits annab kuju ja selles toimub kõvenemine. Kiud peavad vastu pidama tõmbamisele, mida tõmbemehhanism tekitab. Kiu orientatsioon ühes suunas vaid. Matriitsid ise kallid. Muidu hea suure tootlikusega mõõduka hinnaga värk.
  
• Vorme luues tuleb arvestada sarja suurust, rõhkusid, maksumust, jäikust, soojuseralduvust, soojuspaisumist ja palju muud.
  

• Vormid tehakse nii, et tehase algvorm näiteks vahust. See asetatakse plaadile, ja ümber ehitatakse kast. Vorm kaetakse lakiga et konarused katta. Õõnsused tuleb kinni panna ja et teravaid nurki vormi ei tekiks. Vormivaha pannakse igale poole, et vältida vaigu kinni jäämist. Sinna peale kantakse vaiku kõvendiga ja õhuke kiht armatuuri , et tekiks kõva kiht vormi peale. Võidakse ka lamineerida paar kihti enne kui vorm täitematerjaliga täidetakse. Lõpus kallatakse veelvaigusegu, see fikseerib kogu täitematerjali.
  
• Maksimaalne maatriksi sisaldus on 91%, sest ümarate kiudude vahele jääb alati 9% ruumi, kui neid just kokku suruda ei saa. Praktililine armatuuri sisaldus on 65-70%
  
• Komposiidi tihedus=Esimese komponendi ruumala * tihedus + teise vastavad väärtused.
  
• Mass pindala ühiku kohta = mass / tihedus + teise komponendi omad
  
• Poorsus esineb alati reaalsetes komposiitides. Mullid või augud jäävad komposiiti ja nõrgestavad seda ja niiskus võib samuti laminaadi vahele pääseda. Poorsust võib esineda kuni 15% ja seda saab ka optiliselt teel määrata.
  
• Poorsust iseeenesest saab arvutada põhimõtteliselt vist teoreetilise ruumala ja tegeliku ruumala-massi vahest. Kui ühesõnaga õhumull sees on, siis on kas ruumala suurem või mass väiksem komposiidil.
  
• ROM – rule of mixture, mille järgi saab arvutada Youngi mooduli, tiheduse ja soojuspaisumisteguri. Sigma l on pinge purunemise hetkel. Sigma t on tõmbetugevus. V-d on mahud.
  

• Teisisõnu- tõmbetugevus= armatuuri maht (armatuuri tõmbetugevus – maatriski pinge purunemisel ) + maatriksi pinge purunemisel.
  
• Tegelikkuses purunevad kiud ebaühtlaselt ja maatriks sisaldab defekte ning sidemete tugevus pole piisav. Seega ei saada teoreetilist tugevust kunagi.
  
• Tuleb kasutada statistilise purunemise mudelit, et reaalne tulemus saada. See arvestab seda et kiud võivad haprad olla ja purunevad kergemini. Arvestab ka kiu ebaefektiivset pikkust ja üksiku ja kimbus oleva kiu tugevuse erinevust.
  
• Komposiit tõõtab nihkepingetele. Iga kiud põhjustab hõõret. Mida rohkem kiudu, seda rohkem hõõrduvat pinda ja seda suurem vastupanu tõmbele.
  
• Kiu kriitiline pikkus on selline kiu pikkus, mille korral kiud on täielikult koormatud, toimub kiu purunemine ja see määrabki komposiidi tugevuse.Saab kasutada ROM-i. Teise variandi puhul ei ületata kriitilist tõmbetugevust ja kiud tõmmatakse lihtsalt maatriksist välja.
  
• Kriitiline pikkus kasvab faasidevahelise sideme nõrgenemisel. Kiudude läbimõõdu ja nende tugevuse kasvamisel. Põhimõtteliselt on vaja vist pikemaid kuide kui läbimõõt kasvab või faasid on nõrgad ja purunevad.
  
• Armeerimise mõju suurendamiseks on vaja, et armatuuri maht ja kriitline maht oleksid väikesed.
  
• Survele alludes toimub kaks erinevat purunemismehhanismi. Esimese korral kaotavad kõrvuti asetsevad kiud püsivuse ja tõmbepingete tõttu toimub risti kiu teljele purunemine. Toimub vähese armatuuri sisalduse korral.
  
• Teisel juhul puruneb maatriksi materjal nihkepingete tõttu. Juhtub suure armatuurisisalduse korral.
  
• Komposiidi tõmbetugevus on suurem, mida suurem on armatuuri sisaldus. Maatriks on komposiidis nõrk pool ühesõnaga. Üldiselt armatuuri sisaldus 70-75%. Sõltub märgamisest.
  
• Armeerimise efekt on survekoormuse puhul väiksem kui tõmbekoormusel.
  
• Jämedamad kiud tagavad suurema survetugevuse.
  
• Plastide soojuspaisumistegurid on suuremad kui metallidel. Kiud eriti ei muutu temperatuuri all. Süsinik ja armadiid tõmbuvad üldse kokku hoopis.
  
• Kõik vaigud imavad niiskust, aramiidkiud imavad ka niiskust. Absorbtsioonikiirus sõltub keskonna niiskussisaldusest ja temperatuurist.
  
• Niiskus komposiidis kutsub esile sisepingeid. Sest eri kihid ei saa vabalt paisuda ega kahaneda. Takistus on ees.
  
• Laminaadid väsivad nagu metalgi. Pidev mikrokahjustumine ja selle toimel lõpuks purunemine. Kui koormus(temperatuur + niiskus) langeb maatriksile siis pole väsimus nii oluliselt mõjutatud kui see langeb kiule.
  
• Klaaskiu lineaarne väsimustugevus 100 000 tsükli kanti . Süsinik 1 000 000 tsükli kanti. See tähendab et peale seda algab mittelineaarne väsimus deformatsioon ja deforamtsioon kiireneb oluliselt.
  
• Aramiidkiud väsib juba neljakohalise arvu tüsklite korral.