Materiale de armare - anvelope

Materiale de armare - anvelope

Generalitati:

• Forma materialului utilizat pentru armarea atat a rasinilor termorigide cat si a celor termoplaste este, in general, fibra sau filamentul;
• Proprietatile mecanice ale unui material compozit sunt influentate in mod decisiv de tipul, forma si orientarea materialului de armare;
• O fractiune ridicata a fibrelor de armare intr-o structura compozita, determina o rezistenta ridicata la tractiune, ce creste odata cu cresterea lungimea fibrelor.
• O fractiune ridicata a fibrelor intr-un compozit nu confera automat si o rigiditate ridicata unei structuri;
• Echilibrul dintre fractiunea volumica a rasinii si cea a fibrelor reprezinta un factor hotarator in determinarea proprietatilor unei structuri compozite polimerice armate cu fibre.
• Prin orientarea fibrelor se poate realiza o anizotropie mecanica a componentelor, astfel incat se poate ajunge la un echilibru intre rezistenta si solicitare.

6.1. Fibre. Propietati de baza.

6.2. Caracteristicile structurale ale materialelor carbonice compozite

6.2.1. Structura cristalina a carbonului

modificari amorfe. A mai fost raportata si existenta unei a treia forme de carbon, carbinele Carbonul se poate converti dintr-o forma in alta. Punctul triplu al diagramei de faza corespunzand echilibrului diamant-grafit-carbon lichid, se observa la o temperatura de 3800°C la o presiune de 12,5-13GPa. Echilibrul grafitului in stare de vapori la presiune atmosferica normala MPa) apare la 3270°C. Daca presiunea creste la Mpa, temperatura de echilibru se ridica la 3700°C. Temperatura punctului triplu (grafit-lichid-vapori) este 3750^oC±50°C la o presiune de GPa.

Grafitul are o structura hexagonala. Atomii de carbon formeaza un aranjament hexagonal regulat in orice plan. Atomii sunt dispusi in nodurile hexagoanelor regulate, strans impachetate, similar moleculei benzenului. Astfel de plane sunt numite plane bazale. Fiecare atom dintr-un plan bazal este legat la trei atomi adiacenti, spatiul dintre ei fiind 0.1415 nm. Energia legaturii intre atomii de carbon este 710 kJ/mol.

Planele bazale in cristalul de grafit sunt paralele unele fata de altele, dar pot alterna in secvente diferite, ce rezulta in doua modificari cristaline ale grafitului, hexagonal si romboedral. Primul este caracterizat prin deplasarea straturilor cu 0,1418nm relativ unul fata de celalalt, fiecare al treilea strat avand acelasi aranjament atomic ca primul. Straturile adiacente sunt dispuse dedesubtul si deasupra acestora, in centrului fiecarui hexagon existand intr-un strat alaturat (dispunere ABAB),

Fig. 48. - Structura cristalului ce grafit in care este ilustrara secventa de

impachetare ABAB si celula elementara

Fortele de interactiune van der Waals, intre planele bazale, sunt slabe. Energia legaturilor intre plane este de 4,2 - 18,2 kJ/mol si spatiul dintre acestea fiind 0,3354 nm. Datorita fortelor de legatura slabe intre planele bazale, ultimele pot fi plane principale de forfecare, unde pot aparea stratificarea si alunecarea cristalitelor.

Aparitia defectelor variate in structura grafitilor sintetici este inerenta. Acestea includ suprapunerea defectuoasa a straturilor, dublarea, rasucirea si dislocatiile marginale, goluri in retea (absenta unui grup de atomi sau a unui singur atom), atomi si elemente interstitiale. Defectele aduc variatii pe intreg domeniul proprietatilor mecanice, termofizice, semiconductiei si altor proprietati practice importante ale materialelor carbonice. Unele proprietati sunt de asemenea afectate de heteroatomii prezenti in materialele carbonice, drept componenti ai grupelor functionale dispuse pe fetele prismatice ale cristalului de grafit.

Proprietatile carbonilor sintetici sunt in mare masura dependente de distributia spatiala a atomilor sai constituenti in matricea cristalului, care, depinzand de natura materiei prime si metodei de fabricatie, variaza intr-un domeniu larg, de la o dispributie foarte dezordonata la una de inalta ordonare.

Carbonii negrafitizati constau din straturi polimerizate planare, similare straturilor grafitice. Straturile sunt aranjate in pachete mici, in interiorul carora nu exista nici un argument de ordonare relativa intre plane. Intr-un material negrafitizat distanta interstrat este 0,344 nm si diametrul straturilor (diametrul regiunilor coerente) este mai mic de 2 nm. Distanta medie intre pachete este de aproximativ 2,5 nm. Unii carboni amorfi sau dezordonati sunt prezenti alaturi de altii ordonati.

Unele materiale carbonice cu deficit de hidrogen si exces de oxigen au in structura lor legaturi bine dezvoltate intre retelele de carbon, care impiedica rearanjarea elementelor structurale, necesare producerii structurii grafitice prin tratamentul la temperatura inalta. in material se formeaza o porozitate structurala ce impiedica cresterea cristalitelor. in materialele negrafitizate doar o parte a compusilor din compozitie capata structura grafitica la tratamentul termic. Toate acestea desigur sunt destul de conventionale: in experimentari de orientare fortata a straturilor de tip grafit, in stadiul carbonizarii sub presiune (20MPa) a rasinii fenol-formaldehidice, care se considera a fi negrafitizabila pana la 3000°C, aceasta a fost grafitizata ca un cocs de petrol. Materialele carbonice usor grafitizabile sunt obtinute, ca o regula, din materii prime sarace in oxigen si bogate in hidrogen (petrol si cocs de smoala).

In stadiul initial, materialele carbonice grafitizabile sunt structuri constand din straturi carbonice hexagonale destul de mari, cu un numar mare de curbari, goluri ca si un numar considerabil de heteroatomi. Exista regiuni de plane separate cu un aranjament aproape de paralel. Astfel de grupari planare pot fi aranjate in forma unor formatiuni liniare extinse sau sferice.

Anizotropia structurala, ca de exemplu aranjamentul relativ al retelei carbonice in materialul initial, predetermina capacitatea acestuia de ordonare tridimensionala sau grafitizare la tratamentul termic la temperatura inalta. Aranjamentele paralele ale straturilor in pachete si relativa lor dezorientare mica a unuia fata de celalalt, promoveaza indreptarea si agregarea acestora in gupe. In acest caz un material carbonic este usor grafitizabil.

Aranjamentul atomilor in carbonii grafitizati corespunde sistemului hexagonal. Primii nuclei ai cristalelor structurii hexagonale apar in grafitizarea substantelor carbonice usor grafitizabile incepand cu 1500°C. In mod natural, formarea cristalitelor presupune plecarea dintr-o distributie spatiala regulata. Disturbari ale periodicitatii structurilor spatiale apar nu numai in procesul formarii sale; acestea mai pot fi create si artificial, de exemplu prin actiuni mecanice etc., deci, defectelor atomice de orice natura in materialele carbonice, au ca rezultat deformarea dispunerii spatiale a atomilor, schimbarea distantelor interatomice in directii variate si deformarea geometriei retelei cristalului.

6.2.2. Textura

X (DRX).

Textura acestor materialelor poate varia pe un domeniu larg, depinzand de materia prima si tehnologia de obtinere a grafitului. Pentru o serie de materiale grafitice structurate, cea mai inalta texturabilitate si de aici anizotropia proprietatilor, este prezentata de grafitul pirolitic, a carui textura se schimba puternic la un tratament termomecanic (actiunea simultana a temperaturii si incarcarii). Acest efect a fost atribuit intinderii straturilor de tip grafitic, rezultand o elongare remanenta a probelor tratate termic. Pe de alta parte, o anizotropie scazuta a particulelor cocsului de petrol regular, de asemenea, a predeterminat o anizotropie scazuta a proprietatilor termice si rezistentei electrice a materialelor grafitice produse din acest cocs. Actiunea temperaturii si presiunii pe astfel de grafiti, schimba indexul X-ray al texturii si de aici, anizotropia proprietatilor materialului.

In concluzie, textura materialelor carbonice poate varia pe un domeniu larg, depinzand de tipul materiei prime, metoda de presare a prefabricatului, tratamentul termic si termomecanic.

6.2.3. Structura de pori

Suprafata specifica este calculata pe baza conceptului adsorbtiei macromoleculare, prin metoda BET.

Studiind SAXS pe materialele carbonice, este posibila determinarea distributiei marimii porilor intr-un domeniu cuprins intre 1-100 nm, si suprafata specifica.

Conform indicatiilor mai multor cercetatori, materialele carbonice contin atat macropori cat si micropori, a caror dimensiune a fost estimata a fi moleculara (de aproximativ 0,4 nm in diametru). Microporozitatea se formeaza la carbonizare si are un maxim la 900°C, conform datelor de adsorptie, dupa care volumul microporilor descreste treptat. Se crede ca microporii sunt dispusi la interfata dintre cristalite. Calcularea distantei intre cristalitele adiacente a rezultat a fi intre 0,3 - 0.6 nm. care coincide in ordinea marimii cu cea a porilor, determinata in materialele carbonice

La tratamentul termic superior, 900 - 1000°C, porii devin practic inaccesibili pentru toate substantele adsorbite. Numarul acestor pori creste in cazul cocsului

La tratamentul termic superior, 900 - 1000°C, porii devin practic inaccesibili pentru toate substantele adsorbite. Numarul acestor pori creste in cazul cocsului negrafitizabil, descrescand usor doar peste 1500°C. O modificare (un declin) a volumului porilor inaccesibili in cocsul grafitizabil si partial grafitizabil incepe sa apara la temperaturi mai joase decat in cazul cocsurilor negrafitizabile. Dependenta porozitatii inaccesibile, de temperatura tratamentului termic, pentru cocsurile grafitizabile si cele negrafitizabile este diferita.

Comparatii ale datelor obtinute in experimentele de absorbtie si studiile SAXS au demonstrat ca microporii inaccesibili pentru moleculele adsorbite au fost formati in cocs. Acestea au rezultat din diferentele intre valorile suprafetei specifice determinate prin utilizarea diferitelor substante pentru adsorbtie.

In concluzie, existenta porozitatii in materialele carbonice afecteaza multe din proprietatile lor. Rezistenta mecanica, modulul de elasticitate, rezistenta electrica, conductivitatea termica si alte proprietati, sunt dependente unele sau altele de porozitate si caracteristicile sale.

6.2.4. Proprietatile mecanice

Unele din cele mai importante caracteristici ale materialelor carbonice compozite sunt rezistenta mecanica superioara si abilitatea de a-si pastra aceastp rezistenta la temperaturi ridicate. Responsabile pentru rezistenta excelenta vazuta la compozitele carbon-carbon sunt fibrele de carbon. Cand un compozit este combinat cu fibrele de carbon, utilizand tehnologia carbon-carbon, acesta capata proprietati performante.

Aceste proprietati, pe langa densitatea scazuta (< 2 g/cm³) fac din compozitele carbon-carbon un material comparabil cu otelul (Modul Young: 200 GPa) si titanul (rezistenta la tractiune: 900 MPa) (fig. 49). Proprietatile mentionate fac ca acest compozit sa fie o excelenta alegere de material in aplicatiile structurale. Oricum, principalul motiv pentru care aceste compozite sunt utilizate ca materiale, este abilitatea de a-si mentine nivelul acestor rezistente la temperaturi mai mari de 2000°C. La aceste temperaturi ridicate, rezistenta este asemanatoare cu cea la temperatura camerei. Deasupra temperaturii de 2000°C, apare deformarea plastica, scazand rezistenta. Cu toate acestea, proprietatile se mentin foarte bune pana la 3000°C.

Materialul precursor matricei si metoda de realizare are un impact deosebit asupra rezistentei compozitului. Pentru a obtine un compozit puternic este necesara o densificare suficienta si uniforma. In general, modulul de elasticitate este foarte ridicat de la GPa pentru compozitele umplute cu fibre - 3D, la GPa pentru acelea fabricate cu straturi de fibre unidirectionale.

6.2.5. Proprietatile termice

Proprietatile termice, mai exact coeficientul de expansiune termica (CTE) si conductivitatea termica sau fluxul termic, confera proprietati excelente compozitelor carbonice, raportate la o serie de materiale clasice fig. 50.

CTE-ul CCC (1-2X10^-6 K axial; 20.X10^-6 K perpendicular) este mai mic decat al majoritatii metalelor (5-25x10^-6 K^-1), ceramicilor (0,5-15x10^-6 k^-1) si polimerilor (50-300X10^-6 K ). O valoare mica a CTE determina o expansiune termica mica

Conductivitatea termica a CCC (75 Wm^-1K^-1), de nivel mediu pe scara valorilor, pe un domeniu mediu de temperatura, este comparabila cu a metalelor care sunt bune conductoare termice si cu a ceramicilor si polimerilor care sunt buni izolatori.

Coeficientul mic de expansiune termica si conductivitatea termica medie a acestor materiale, fac ca acestea sa fie o buna alegere de material in aplicatii de temperatura inalta, cum ar fi protectia rachetelor spatiale. Aceste dispozitive de protectie sunt localizate in varful rachetei si pe muchiile aripilor acesteia, unde temperaturile pot atinge 1650°C.

Fig. 50. Comparatie intre densitatea si coeficientul de dilatare al fibrei de carbon si materiale precum otelul, aluminiul sau fibra de sticla

6.2.6. Proprietatile electrice

Datorita electronilor p_z delocalizati in planul aromatic, carbonul este un bun conductor electric pe directia planara. In afara planelor aromatice, conductivitatea este scazuta datorita legaturilor van der Waals existente in aceasta directie. Din aceasta cauza, conductivitatea electrica a materialelor carbonice depinde intr-o foarte mare masura de gradul orientarilor preferentiale ale straturilor carbonice. Acest grad este imbunatatit de tratamentul termic, inalta grafitizabilitate a materialelor precursoare si aliniamentul unitatilor carbonice, ca de exemplu fibrele de carbon intr-un material compozit, in timpul procesarii. Ca un rezultat al acestor aspecte, materialele carbonice prezinta un domeniu variat de conductivitati electrice, drept urmare permitand o varietate de aplicatii cu caracter electric.

Coeficientul mic de expansiune termica si conductivitatea termica medie a acestor materiale, fac ca acestea sa fie o buna alegere de material in aplicatii de temperatura inalta, cum ar fi protectia rachetelor spatiale. Aceste dispozitive de protectie sunt localizate in varful rachetei si pe muchiile aripilor acesteia, unde temperaturile pot atinge 1650°C.

6.2.7. Proprietatile chimice

A alta caracteristica a compozitelor carbonice este 'gradul ridicat de inertie la majoritatea agentilor chimici, cum ar fi acizii puternici, alcalii si agentii reducatori'. Aceste trasaturi chimice, alaturi de porozitate, fac din materialul compozit carbon-carbon o excelenta alegere pentru implanturile chirurgicale si protezele medicale: 'datorita biocompatibilitatii acestuia si porozitatii controlate, acesta reprezinta un inlocuitor pentru metalele utilizate in implanturile chirurgicale'. Aceasta proprietate insa sufera un puternic declin cu cresterea temperaturii, datorata oxidarii.