Skip to main content

Kompozyty wokół nas

{flike=222}

Kompozyt to materiał składający się z dwóch lub większej liczby różnych materiałów: celowo zmieszanych i możliwych do wyodrębnienia metodami mechanicznymi, rozłożonych w kontrolowany sposób w celu nadania optymalnych własności, posiadających właściwości wyjątkowe i lepsze niż indywidualne składniki. Składnik ciągły kompozytu nazywany jest osnową lub matrycą. W osnowie osadzone są włókna lub ziarna (cząstki) nazywane odpowiednio do zastosowania: wypełniaczem, wzmocnieniem lub zbrojeniem. W celu uzyskania efektu wzmocnienia, w kompozycie musi znajdować się określona ilość zbrojenia, nie mniej niż 10% objętości. Mikroskopowy widok kompozytu przedstawiony jest na poniższym rysunku.

1

Rozwijająca się dynamicznie technika oraz ciągle rosnące potrzeby i wymagania przemysłu wymuszają opracowywanie nowych materiałów, które obniżałyby koszty produkcji a jednocześnie charakteryzowałyby się lepszymi właściwościami fizycznymi i/lub chemicznymi od materiałów tradycyjnych. Dzięki coraz większej wiedzy na temat zależności, jakie występują pomiędzy technologią produkcji, składem chemicznym użytych do produkcji składników a strukturą i właściwościami gotowych produktów w ostatnich dwóch dziesięcioleciach opracowane zostały liczne nowe stopy metali, tworzywa sztuczne oraz materiały ceramiczne.

Poszukiwanie nowych materiałów, dzięki uzyskaniu w czasie ich produkcji pożądanych właściwości, przeznaczonych do konkretnych zastosowań przemysłowych doprowadziło do gwałtownego rozwoju badań nad szeroko pojętym zagadnieniem inżynierii materiałowej, jakim są materiały kompozytowe. Również postęp w metodach badań nieniszczących dotyczących kompozytów, zarówno na etapie prefabrykacji jak i diagnostyki ustrojów nośnych sprzyja rozpowszechnieniu tego materiału w zastosowaniach konstrukcyjnych.

Unikatowe właściwości kompozytów polimerowych doceniane są przez coraz większą liczbę odbiorców. Poprawa bezpieczeństwa i ekonomiki użytkowania jest głównym motywem stojącym za ich rosnącym wykorzystaniem w przemyśle. Z wciąż powiększającej się rodziny materiałów kompozytowych korzysta obecnie wiele gałęzi przemysłu, m.in. budownictwo, przemysł samochodowy, szynowy, lotniczy czy zbrojeniowy.

Szeroko rozumiane kompozyty są to materiały składające się, z co najmniej dwóch składników o różnych właściwościach, połączonych w taki sposób, że materiał końcowy uzyskuje nowe właściwości w porównaniu z właściwościami materiałów składowych. Kompozyty polimerowe zbrojone włóknami składają się ze zbrojenia w postaci specjalnie przygotowanych dla tej technologii włókien oraz spoiwa w skład którego wchodzi żywica, przyspieszacze reakcji, utwardzacze oraz wypełniacze i inne dodatki. Przez połączenie struktury włóknistej, z żywicą (materiał izotropowy) uzyskujemy materiał anizotropowy, który z kolei w związku z technologiami wytwarzania możemy kształtować w dokładnie taki sposób, na jakim nam zależy.

 

2

Na przestrzeni ostatnich lat produkcja kompozytów polimerowych zbrojonych włóknami rozwinęła się na tyle, że obecnie uważa się je za samodzielną grupę tworzyw konstrukcyjnych, które znajdują zastosowanie w najbardziej wymagających aplikacjach. Na skalę przemysłową stosuje się trzy typy włóknistych kompozytów polimerowych:

  • o zbrojone włóknami szklanymi (GFRP – z ang. Glass Fiber Reinforced Plastics);
  • o zbrojone włóknami węglowymi (CFRP – z ang. Carbon Fiber Reinforced Plastics);
  • o zbrojone włóknami aramidowymi (AFRP – z ang. Aramid Fiber Reinforced Plastics).

Zdecydowanie najpowszechniejszym materiałem są kompozyty wzmacniane włóknami szklanymi (GFRP). Cechuje je relatywnie niska cena (koszt włókna szklanego to 2-3Eur/kg) oraz najmniej skomplikowany proces produkcji. Na drugi, znacznie mniejszy, a zarazem bardzo dynamicznie rozwijający się segment składają się kompozyty wzmacniane włóknami węglowymi (CFRP). Ponieważ charakteryzuje je znacznie większa wytrzymałość niż kompozyty GFRP wykorzystywane są w bardziej wymagających aplikacjach. Odpowiednio wyższa jest jednak również ich cena (koszt włókna węglowego to ok. 140Eur/kg). Jeszcze słabiej rozpowszechnione są kompozyty polimerowe wzmocnione włóknami aramidowymi (koszt włókna aramidowego to ok. 100Eur/kg). Włókna aramidowe najczęściej używane są do produkcji komponentów, których zadaniem jest odpowiednia absorpcja bardzo dużej energii (np. w produkcji kamizelek kuloodpornych lub osłon balistycznych).

Kompozyty o osnowie polimerowej zaliczane są do materiałów o najwyższej relacji wytrzymałości do masy. W literaturze amerykańskiej często różne materiały porównywane są ze sobą na podstawie tzw. „parametrów specyficznych” – czyli parametrów mechanicznych w odniesieniu do gęstości danego materiału. Na rysunkach poniżej pokazano, że kompozyty zbrojone włóknami są doskonałą alternatywą dla materiałów klasycznych, takich jak stal.

3

4

Łączna wartość światowego rynku kompozytów o osnowie polimerowej szacowana jest na ok. 60 mld $. i z roku na rok rośnie w tempie przekraczającym wzrost globalnego PKB. Jednak, gdy porówna się aktualną skalę produkcji kompozytów oraz tradycyjnych materiałów, można się zorientować, że jest to wciąż działalność niszowa. Podczas gdy globalna produkcja stali kształtuje się na poziomie ok. 1,5 mld ton/rok, wolumen kompozytów GRP, dostarczany przez producentów na całym Świecie kształtuje się w granicach zaledwie 4-5 mln ton/rok.

Właściwości kompozytów polimerowych zależą głównie od gatunku i rodzaju włókien i zastosowanej żywicy. To one decydują o wytrzymałości, sztywności, trwałości i innych własności wynikających z potrzeb określonego zastosowania konstrukcyjnego. Najwyższą wytrzymałość kompozytów polimerowych uzyskuje się w przypadku rozciągania wzdłuż osi włókien, udział spoiwa w przenoszeniu rozciągania wzdłuż włókien jest minimalny. 

5

Zalety kompozytów zbrojonych włóknami to m.in.: 

  • mała gęstość;
  • dobry wygląd zewnętrzny;
  • możliwość kształtowania w temperaturze pokojowej;
  • wysoka odporność antykorozyjna i chemiczna;
  • możliwość klejenia; o przenikalność dla fal elektromagnetycznych;
  • możliwość produkcji jednostkowej;
  • izolacyjne własności cieplne i elektryczne.

Wady kompozytów zbrojonych włóknami:

  • łatwość uszkodzenia powierzchni;
  • niska odporność cieplna (do 220ºC);
  • długi czas formowania wyrobów;
  • wysoki koszt materiału.

Zastosowanie materiałów kompozytowych

  • budownictwo (profile konstrukcyjne, struktury przekładkowe, konstrukcje sklepień hal wystawowych i pawilonów, elementy nośne kładek dla pieszych, elementy wzmacniające konstrukcje stalowe i betonowe, inżynieria bezwykopowa, baseny, zbiorniki, pręty zbrojeniowe, itp);
  • okrętownictwo i szkutnictwo (kadłuby łodzi, jachtów, motorówek, kutrów, drzwi okrętowe i chłodnicze, pontony i pływaki, rury wyrzutni torpedowych i pocisków rakietowych, tarcze ochronne, maszty antenowe, osłony i anteny radarów, itp.);
  • lotnictwo (elementy płatowców pasażerskich, konstrukcje szybowcowe itp.);
  • kolejnictwo i przemysł motoryzacyjny ( obudowy wagonów i lokomotyw, zabudowy wagonów – ściany i sufity, zbiorniki na wodę, zespoły kabin umywalkowych, wagoniki kolejek linowych, karoserie samochodów, szoferki ciężarówek, dachy i przody autobusów, obudowy skuterów i wozów ciężarowych, przyczepy campingowe itp.);
  • przemysł chemiczny, petrochemiczny i spożywczy (rurociągi, zbiorniki, wanny galwanizerskie, wyciągi, kominy, obudowy pomp i wentylatorów, mieszalniki, itp.);
  • elektrotechnika i przemysł maszynowy (obudowy urządzeń i silników elektrycznych, osłony i obudowy tablic rozdzielczych i skrzynek gazowych, obudowy obrabiarek, wentylatorów, pokrywy, itp.;
  • sprzęt sportowy - łuki, tyczki do skoków, narty, kijki narciarskie, rakiety tenisowe, wędki, maszty, łodzie sportowe i wyczynowe, itp.;
  • inne zastosowania – elementy małej architektury – donice, rzeźby, sztuczne kamienie, ścianki wspinaczkowe, itp.

Bibliografia

E. J. Barbero, Introduction to Composite Materials Design - Second Edition, New York: CRC Press, 2011.

A. K. Jürgen H. Aurer, Unsaturated Polyester Resins, Büfa Reaktionsharze GMbH & Co. KG and DSM Composite Resins AG, 2003.

W. Królikowski, Polimerowe kompozyty konstrukcyjne, Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN, 2012.

„US Composites,” [Online]. Available: www.uscomposites.com.

Second Edition, Dearborn (Michigan): Society of Manufacturing Engineers, 2008.

„http://www.chemiaibiznes.com.pl,” 6 2012. [Online]. Available: http://www.chemiaibiznes.com.pl/artykuly/pokaz/143.html.

wikipedia, „www.pl.wikipedia.org,” [Online]. Available: http://pl.wikipedia.org/wiki/Materia%C5%82_kompozytowy.

Jeśli chcesz otrzymywać powiadomienia o nowościach na naszej stronie  raz w miesiącu oraz mieć wgląd do archiwum:

Dołącz do Newslettera

 

Pawel Tryzna

Konsultant Techniczny
Menadżer Produktów z grupy Żywice, Formy, Modele
Koordynator do spraw wdrożeń
Biuro w Giżycku
kom. 691 999 599
fax 58 691 01 85
e-mail:Ten adres pocztowy jest chroniony przed spamowaniem. Aby go zobaczyć, konieczne jest włączenie w przeglądarce obsługi JavaScript.

tryzna p 120