2.Σύνθετα Υλικά Flashcards
Κατηγορίες ΣΥ
1) Ινώδη
2) Σωματιδίων
3) Πολύστρωτα
Ινώδη ΣΥ - Γενικά
συνδυασμός μήτρας (ρητίνης) και ινών (είτε άτακτα κατανεμη μένών, είτε με συγκεκριμένη πλέξη)
ίνες => υψηλές ιδιότητες μόνο σε εφελκυσμό
μήτρα => συνδετικό υλικό των ινών (αρχικά σε υγρή μορφή, στερεοποιείται στη συνέχεια με τη
διαδικασία στερεοποίησης)
Ιδιότητες και σκοπός Ινών
- Υψηλές ιδιότητες σε εφελκυσμό
- Πολύ καλύτερες ιδιότητες από υλικό σε ογκώδη μορφή (ευθυγράμμιση κρ. δομής)
- Φορείς φορτίου και κύριο μέσο ενίσχυσης
Ιδιότητες και σκοπός ρητίνης
- υποστηρίζει στη θέση τους και προστατεύει τις ίνες
- μέσο διανομής φορτίου ανάμεσα στις ίνες
- μεταφορά φορτίου από τη μία στην άλλη μέσω διατμητικών τάσεων (σημαντικό για θραύση)
Πολύστρωτα ΣΥ
-αποτελούνται από τουλάχιστον δύο στρώσεις σ.υ., που κολλιούνται μεταξύ τους
-πιθανός διαφορετικός προσανατολισμός τών στρώσεών => χαρακτηριστικά ορθοτροπικότητας ή
ανισοτροπικότητας του πολύστρώτου
Είδη ρητινών
- Θερμοπλαστικές
- Θερμοσκληρυνόμενες
Θερμοπλαστικές ρητίνες
- μαλακώνουν σε υψηλές θερμοκρασίες για μορφοποίηση
- λίγες εφαρμογές
Θερμοσκληρυνόμενες ρητίνες
- σκληραίνουν μόνιμα κατά τον πολυμερισμό
- πολυεστερικές, βινυλεστερικές, εποξικές, φαινολικές
Πολυεστερικές ρητίνες
-χρησιμοποιούνται περισσότερο
-λογικό κόστος, ευκολία χρήσης, καλή συμπεριφορά
-ορθοφθαλικές (φθηνές, μικρά σκάφη)
-ισοφθαλικές (πιο ακριβές, καλύτερες ιδιότητες)
-εξώθερμη διαδικασία πολυμερισμού
ανεξέλεγκτα υψηλές θερμοκρασίες => καταστροφή της κατασκευής
-6 έως 12 μήνες shelf life
-λίγα λεπτά έως μερικές ώρες pot life
-έλεγχος του ιξώδους με προσθήκη fillers
Βινυλεστερικές ρητίνες
- καλυτερη αντίσταση στο νερό και σε χημικά
- καλυτερες ιδιότητες σε υψηλές θερμοκρασίες
- καλυτερη συμπεριφορά σε κρούση και κόπωση
- πιο όλκιμες
Εποξικές ρητίνες
-καλυτερη αντίσταση στο νερό
-καλυτερες μηχανικές ιδιότητες
-ανάγκη επιβολής αυξημένης θερμοκρασίας για πολυμερισμό => αυτοματοποιημένες μέθοδοι
παραγωγής
΄-υψηλό κόστος
Φαινολικές ρητίνες
-πολύ καλή συμπεριφορά σε φωτιά (υψηλή θερμοκρασία ανάφλεξης, μικρή διάδοση της φλόγας, χαμηλή
εκπομπή καπνού)
-χρήση σε καταστρώματα και φρακτές
-μεγάλη απορρόφηση νερού => μικρή μακροπρόθεσμη ανθεκτικότητα
-καλες μηχανικές ιδιότητες
συγκρίσιμο κόστος
Ίνες γυαλιού (είδη πλέξεων, χαρακτηριστικά ινών γυαλιού)
-νήματα 200 ινών μήκους 4-20 μm
Χαρακτηριστικά
- υψηλή αντοχή
- χαμηλή δυσκαμψία
- χαμηλό κόστος (τύπος Ε, ο S ειναι ακριβος)
-Μορφές
CSM,WR,woven clothes, UD
Chopped Strand Mat
- τυχαία διατεταγμένα νήματα γυαλιού 6-50 mm
- χαλαρό ύφασμα 300-900g/m2
Woven Roving
- πλεξίδες μη στριμμένων νημάτων
- πλεγμένες κάθετα->WR
- balanced or biased
- 200-900 g/m2
Υφάσματα πυκνής πλέξης
- νήματα με περιστροφή
- για ψηλές απαιτήσεις αντοχής
- 200-340 g/m2
- πιο ακριβό
Μονοαξονικά υφάσματα
- Παράλληλες ίνες συγκρατούμενες με συνδετικό υλικό
- Αντοχή σε μία μόνο διεύθυνση
Πεπλεγμένα υφάσματα
- ίνες και στη διεύθυνση του πάχους
- αντοχή σε αποχωρισμό των στρώσεων
- επίπεδες ίνες αντί για κατσαρωμένες
Ίνες άνθρακα και γραφίτη
- μεγάλο κόστος
- ίνες υψηλής αντοχής (HS) και υψηλού μέτρου ελαστικότητας (ΗΜ)
- σ: 1500- 4500 MPa Ε:200-830 GPa κόστος από £20 έως £3200/kg
- ίνες γραφίτη => C > 99%
- ίνες άνθρακα => 80% < C < 95%
- σε πολύ εξειδικευμένες εφαρμογές
- διαθέσιμες ως νήματα, πλεξίδες, υφάσματα πυκνής πλέξης και λωρίδες
Ίνες Aramid
- Kevlar 49: στα FRP
- Kevlar 29: σε καλώδια ή ενισχυτικά ελαστικού
- μικρό γ=>υψηλές ειδικές ιδιότητες
- χαμηλή αντοχή σε θλίψη και κάμψη
- καλή απόσβεση κραδασμών=>δυναμικά φορτιζόμενες κατασκευές
- κόστος λίγο μεγαλύτερο από ινών άνθρακα
Πυρήνες sandwich από PVC
χρησιμοποιείται ευρέως
linear PVC : μεγάλη ολκιμότητα αλλά χαμηλές ιδιότητες
cross-linked PVC :> υψηλές ιδιότητες αλλά ψαθυρός
πυκνότητες
-45 έως πάνω από 200 kg/m3
-μικρή απορρόφηση νερού, -καλή θερμική και ηλεκτρική μόνωση, καλά χαρακτηριστικά απόσβεσης
ήχου και κραδασμών
-κακή συμπεριφορά σε υψηλές θερμοκρασίες ( > 50 οC)
-διατίθεται σε μορφή πλακών ή ενωμένων μικρών τεμαχίων
Πυρήνες sandwich από PU
- χαμηλότερες μηχανικές ιδιότητες από τον PVC
- καλύτερη συμπεριφορά σε υψηλές θερμοκρασίες
- έχουν σχεδόν πλήρως αντικατασταθεί από τους αφρούς PVC
Πυρήνες sandwich από συντακτικούς αφρούς
- υψηλή αντοχή σε θλίψη
- ανάμιξη μικρών σφαιρών γυαλιού και ρητίνης
- υλικό άντωσης
- διατίθεται και σε ψεκάσιμη μορφή
Ξύλινοι πυρήνες sandwich (Ξύλο Balsa)
-πολύ αποτελεσματικό και σχετικά φθηνό υλικό πυρήνα
-μικρό βάρος και εξαιρετική δυσκαμψία
-καλή αντοχή δεσμών με τα περιβλήματα
-μεγάλο πρόβλη μα η πιθανή απορρόφηση νερού => φούσκωμα => αποκόλληση των περιβλημάτων
σάπισμα
-περιορίζεται από τα περιβλήματα
-δεν συνιστάται για την κυρίως γάστρα
-πολύ καλή λύση για εσωτερικές φρακτές και καταστρώματα
-διατίθεται με τη μορφή πλακών ή ενωμένων μικρών τεμαχίων
-ίδια χαρακτηριστικά και το κόντρα πλακέ θαλάσσης (plywood)
Κυψελοειδείς πυρήνες sandwich
-αλουμίνιο, FRP, εμποτισμένο με ρητίνη χαρτί
-πολύ ακριβά υλικά => περιορισμένες εφαρμογές
-δυσκολία διαμόρφωσης καμπύλων επιφανειών, -κακή απόκριση σε κρουστικά φορτία => σπάνια
χρησιμοποιούνται στην κυρίως γάστρα
-μεγαλύτερες εφαρμογές σε αγωνιστικά σκάφη
Μηχανική συμπεριφορά των ΣΥ
-πολύ μικρότερη δυσκαμψία από τα μέταλλα => για ίση αντοχή πολύ
μεγαλύτερες παραμορφώσεις => εν δυνάμει πρόβλημα στις ναυπηγικές κατασκευές
-σταδιακός τρόπος αστοχίας των σύνθετων υλικών
-σταδιακή αστοχία μεμονωμένων στρώσεων (αποκόλλησή τους)
-δεν υπάρχει μετάβαση από την ελαστική σε πλαστική συμπεριφορά
ελαστική συμπεριφορά μέχρι τη θραύση
-διαφορετικές ιδιότητες σε εφελκυσμό, θλίψη και κάμψη
-ιδιότητες σε κάμψη υψηλότερες
Κύριοι παράγοντες που επηρεάζουν τις ιδιότητες των ΣΥ
1)Ιδιότητες ινών ρητίνης
2)Μέθοδος κατασκευής
-προηγμένες μέθοδοι =>-μικρές μεταβολές ιδιοτήτων
απλές μέθοδοι (hand lay-up) : περιορισμένη ποιότητα => μεγάλη μεταβλητότητα ιδιοτήτων
-συνθήκες αποθήκευσης πρώτων υλών
-ρυθμός στερεοποίησης
-συνθήκες θερμοκρασίας και υγρασίας
3) Ανθρώπινος Παράγοντας
- επιδεξιότητα τεχνίτη
- λάθος ευθυγράμμιση των ινών
- κακή κατανομή της ρητίνης
- κενά αέρα (voids)
- πτυχώσεις των στρώσεων
- ξένα εγκλείσματα
- αποχωρισμός στρώσεων (delamination)
Πλεονεκτήματα των ΣΥ
- μικρό βάρος
- αντοχή στη διάβρωση (δε διαβρώνονται/σαπίζουν =>μικρή συντήρηση)
- δυνατότητες ενίσχυσης όπου χρειάζεται (διευθύνση μέγιστων τάσεων μόνο άρα εξοικονόμηση υλικού)
Μειονεκτήματα των ΣΥ
-Μικρή δυσκαμψία (-πρόβλημα όταν ζητάμε μεγάλη δυσκαμψία και μικρές παραμορφώσεις, πχ εδράσεις μηχανών, ανασταλτικός παράγοντας για μεγάλα σκάφη)
-Έλλειψη ολκιμότητας
(ελαστικά ως τη θραύση, άρα δε συμβαινει ανακατανομή τάσεων λόγω τοπικής διαρροής)
-Δυσκολία στην επιθεώρηση
(έλλειψη τυποποιημένων κατασκευαστικών στοιχείων=>ανάγκη επιθεώρησης όλης της κατασκευής)
Κατασκευαστική διαμόρφωση πολύστρωτων
- στοιβάδα στρώσεών, η μία πάνω στην άλλη
- κάθε στρώση μπορεί να έχει οποιονδήποτε προσανατολισμό ινών
- οι στρώσεις μπορούν να είναι διαφορετικές
- δεν είναι απαραίτητη η συμμετρία ως προς τη μέση επιφάνεια
- οι στρώσεις κολλιούνται μεταξύ τους με τη ρητίνη
Μορφοποίηση με απλή επαφή
1) Προετοιμασία καλουπιού
- αρσενικο προτυπο(μπορει και διαιρετο)
- στρωσεις GRP ->καλούπι
- απομακρυνση GRP καλουπιου
- επιστρωση με κερι και release agent
2)Επίστρωση
-πρώτα gel coat με χρωστική για προστασία από νερό
-πριν στερεοποιηθεί το gel coat:
hand lay up ή spray up
Μορφοποίηση με απλή επαφή- spray up
- κομμένες πλεξίδες (rovings) γυαλιού (από 25 έως 50 mm)
- ταυτόχρονος ψεκασμός των πλεξίδων με τη ρητίνη
- ανάμιξη με καταλύτη και επιταχυντή στο πιστόλι ψεκασμού
- τελική μορφοποίηση με πίεση με ρολούς
- περιεκτικότητα κατά βάρος σε ίνες από 0.25 έως 0.3
- ημιαυτοματοποιη μένη μέθοδος => λιγότερα εργατικά
- για πολλές μικρές κατασκευές χαμηλών απαιτήσεων
Μορφοποίηση με απλή επαφή- hand lay-up
-εναπόθεση και άπλωμα υγρής ρητίνης (αναμεμιγμένης με καταλύτη και επιταχυντή) με πινέλο ή ψεκασμό
-άπλωμα επάνω στην υγρή ρητίνη της στρώσης των ενισχυτικων ινών
-δυνατότητα παράλληλων λωρίδων με μικρή επικάλυψη
-πλήρης διαβροχή των ενισχυτικων ινών από τη ρητίνη, μέσω ειδικού ρολού ή πινέλου
-περιεκτικότητα κατά βάρος σε ίνες από 0.25 έως 0.35 για CSM και από 0.45 έως 0.55 για WR
-μεγαλύτερη ευελιξία (δυνατότητα προσανατολισμού των στρώσεων)
καλής ποιότητας κατασκευές
αυτοματοποιημένες μέθοδοι για μεγάλες κατασκευές
Πλεονεκτήματα hand lay-up
- παραγωγή μεγάλων και πολύπλοκων κατασκευών
- μικρή επένδυση σε εξοπλισμό
- εύκολη εκπαίδευση ανειδίκευτων εργατών
- ευελιξία στη σχεδίαση
- δυνατότητα εισαγωγής ένθετων εξαρτη μάτων κατά την παραγωγή
- δυνατότητα παραγωγής κατασκευών sandwich
Μειονεκτήματα hand lay-up
- απαιτούνται πολλές εργατοώρες
- μεγάλοι χρόνοι στερεοποίησης (στερεοποίηση εν ψυχρώ)
- η ποιότητα εξαρτάται από την επιδεξιότητα του τεχνίτη
- συνήθως μη ομοιόμορφες κατασκευές
- μεγάλη φόρα υλικού
Μορφοποίηση με πίεση-περιγραφή
-επιβολή πίεσης και πρόσδοση θερμότητας στο μη στερεοποιημένο πολύστρωτο
-αυξημένη περιεκτικότητα σε ίνες (απο μάκρυνση μέσω της πίεσης της περίσσειας ρητίνης) και -μείωση
των κενών αέρα
επιτάχυνση της στερεοποίησης
περιορισμένες εφαρμογές στη ναυπηγική
Μορφοποίηση με πίεση-vacuum bag moulding
- επικάλυψη του πολύστρωτου με ελαστικό διάφραγμα
- δημιουργία κενού κάτω από το διάφραγμα
- πρόσδοση θερμότητας μέσω θερμαινόμενου καλουπιού ή τοποθέτησης σε φούρνο
- δυνατή η χρήση καλουπιού της hand lay-up
Μορφοποίηση με πίεση-pressure bag moulding
- επιβολή πίεσης πάνω από το διάφραγμα
- απαιτεί ανθεκτικό καλούπι που να μπορεί να αντέξει τη διαφορά πίεσεης
Autoclave moulding
- εφαρμογή vacuum/ pressure bag σε θάλαμο που είναι φούρνος και δοχείο πίεσης
- υψηλές πιέσεις 5-15 bar =>πιο περιεκτικό σε ίνες=>καλύτερες μηχ. ιδιότητες
Πλεονεκτήματα μορφοποίησης με πίεση
-πολύ καλή ποιότητα Pressure
-ομοιομορφία παραγωγής (διατήρηση ποιότητας από
προ’ι’όν σε προ’ι’όν)
Μειονεκτήματα μορφοποίησης με πίεση
- υψηλό κόστος απαιτούμενου εξοπλισμού
- περιορισμός του μεγέθους των προϊόντων
Μέθοδος περιέλιξης ινών-Περιγραφή
- περιέλιξη ενισχύτικών ινών γύρω από αξονικό καλούπι (mandrel)
- προεμποτισμένες με ρητίνη πλεξίδες νημάτων
- ελικοειδής ή πολική περιέλιξη
- στερεοποίηση εν ψυχρώ ή μέσα σε φούρνο
- χαλύβδινα καλούπια με μικρή κωνικότητα (ή διαιρετά)
Μέθοδος περιέλιξης ινών-Πλεονεκτήματα
- προϊόντα πολύ υψηλής ποιότητας
- υψηλοί ρυθμοί παραγωγής
Μέθοδος περιέλιξης ινών-Μειονεκτήματα
- δυσκολία περιέλιξης επιφανειών με ανάποδη καμπυλότητα
- δυσκολία περιέλιξης σε μικρές γωνίες
- όχι πολύ καλή ποιότητα εξωτερικής επιφάνειας
Μέθοδος περιέλιξης ινών-Εφαρμογές
-υποθαλάσσιοι αγωγοί και δίκτυα σωληνώσεων
-δεξαμενές αποθήκευσης νερού και πετρελαίου
-δοχεία πεπιεσμένου αέρα
πλωτήρες
-θόλους ραντάρ και ηχοβολιστικών
-κυλινδρικά κελύφη (π.χ. για τορπίλες)
-γάστρες για υψηλών απαιτήσεων υποβρύχια οχήματα
Μέθοδος έκχυσης ρητίνης
-για κατασκευές με υψηλές απαιτήσεις γεωμετρικών ανοχών και λείες επιφάνειες παντού
δύο καλούπια, ένα αρσενικό και ένα Θηλυκό
-οι ενισχυτικές ίνες τοποθετούνται στο ανοιχτό καλούπι ξηρές
κλείνει το καλούπι
έκχυση ρητίνης με πίεση (ή και με ταυτόχρονη δη μιουργία κενού στο εσωτερικό)
-ροή της ρητίνης ανάμεσα στις ενισχυτικές ίνες και εμποτισμός τους
Ποιότητα σκαφών από μέθοδο έκχυσης ρητίνης
-αρκετά υψηλή περιεκτικότητα σε ίνες
μικρή περιεκτικότητα σε κενά αέρα
-για μαζική παραγωγή ομοειδών τεμαχίων με πολύ καλή ποιότητα
