Capitolul 1



Yüklə 84,62 Kb.
tarix26.10.2017
ölçüsü84,62 Kb.
#14788


CAPITOLUL 1

MATERIALE COMPOZITE – PREZENTARE GENERALĂ




1.1 Proliferarea şi diversificarea materialelor compozite
Materialele compozite au fost folosite cu mult înainte de a fi fost definite (piatra, lemnul, iar mai târziu, dar cu peste o sută de ani în urmă, betonul).

Au trecut aproape 60 de ani de când materialele plastice armate cu fibre de sticlă au fost utilizate pentru prima oară datorită calităţilor lor deosebite în comparaţie cu ale materialelor clasice.

Performanţele tot mai înalte cerute structurilor de rezistenţă în general, dar mai ales celor destinate aeronauticii şi aplicaţiilor militare, impun acestora condiţii foarte severe în timpul funcţionării.

În general, prioritare sunt considerentele aerodinamice de optimizare funcţională a profilelor structurilor aeronautice şi satisfacerea condiţiilor restrictive legate de: rezistenţe mecanice deosebite într-un interval larg de valori ale temperaturii ambientale, vibraţii, rezistenţă la oboseală, rigiditate, greutate minimă şi fiabilitate maximă.

Ca urmare, apar tot mai frecvent situaţii în care materialele tradiţionale nu pot satisface în totalitate multitudinea restricţiilor menţionate iar cum configuraţia geometrică a structurilor este în general impusă, singura pârghie unde se poate acţiona, rămâne cea a utilizării de materiale noi, cu calităţi deosebite.

Pentru o structură mecanică cu configuraţie geometrică şi condiţii de lucru cunoscute, este necesar să se proiecteze şi să se realizeze materialul adecvat din care aceasta să fie confecţionată.



Au apărut astfel materialele compozite, care sunt o nouă clasă de materiale ce prezintă o mare importanţă tehnologică şi ale căror aplicaţii cunosc în prezent o dezvoltare intensă în mai multe domenii [1].

Materialele compozite fac parte din categoria „noilor materiale” şi sunt create special pentru a răspunde unor exigenţe deosebite în ceea ce priveşte:

- rezistenţa mecanică şi rigiditatea;

- rezistenţa la coroziune;

- rezistenţa la acţiunea agenţilor chimici;

- greutatea scăzută;

- stabilitatea dimensională;

- rezistenţa la solicitări variabile, la şoc şi la uzură;

- proprietăţile izolatoare şi estetica.

Principalul avantaj al acestor materiale este raportul ridicat între rezistenţa şi greutatea lor volumică.




Fig. 1.1 Consumul de materiale compozite
Aceste caracteristici nu numai că au asigurat utilizarea pe scară din ce în ce mai largă a materialelor compozite, dar au stimulat cercetările pentru descoperirea unor noi tipuri de materiale compozite cu proprietăţi îmbunătăţite. Preocupări majore şi realizări de materiale compozite performante există în toate ţările dezvoltate, ca urmare a dorinţei de a continua procesul de dezvoltare tehnologică, prin utilizarea unor materiale calitativ superioare şi posibil de realizat prin procedee şi tehnologii eficiente şi nepoluante. În figura 1.1 se prezintă consumul unor asemenea materiale până în anul 2010, în comparaţie cu materialele clasice ori cu produsele naturale [2]. În Japonia, producţia de materiale compozite a anului 2002 s-a ridicat la aproximativ trei miliarde de dolari.

Materialele compozite constituie o soluţie tot mai des adoptată în realizarea structurilor performante, cu aplicabilitate în toate ramurile industriale. Implementarea acestora în diverse domenii, ca alternative avantajoase ale materialelor clasice, sau pentru obţinerea de noi aplicaţii, altfel greu sau imposibil de realizat, ridică însă şi o serie de probleme generate de structura deosebit de complexă a acestora şi de posibilităţile de obţinere, de comportamentul încă insuficient cunoscut la diverse solicitări.


În toate ţările industrializate, materialele compozite reprezintă un domeniu prioritar, situat în avangarda procesului continuu de inovare tehnologică.

Apariţia acestor materiale şi utilizarea lor în realizarea unor structuri de rezistenţă a impus atât determinarea caracteristicilor elastice şi de rezistenţă ale compozitelor, cât şi efectuarea unor calcule de rezistenţă, diferite (ca mod de realizare) de la un material la altul.

Un interes aparte este acordat, printre altele, determinării deteriorărilor ce pot să apară sub sarcină, a efectului lor asupra capacităţii portante a structurilor, precum şi analizei comportării compozitelor în condiţii dificile de lucru (variaţii de temperatură şi umiditate, vibraţii, acţiunea agenţilor chimici etc). Acestea reprezintă numai o parte din aspectele abordate în ultimul timp de către cercetătorii în domeniu, multitudinea lucrărilor apărute demonstrând că problemele sunt departe de a fi rezolvate.
1.2 Clasificarea materialelor compozite
Materialele compozite suscită din partea specialiştilor din cercetare, învăţământ şi producţie un interes crescând, interesând mai ales comportarea lor în diferite condiţii de exploatare (solicitări mecanice simple sau complexe şi acţiunea mediului).

Materialele compozite se definesc ca fiind sisteme de corpuri solide, deformabile, obţinute prin combinaţii la scară macroscopică ale mai multor materiale.

R. M. Jones clasifică materialele compozite astfel [3]:

-materiale compozite fibroase, obţinute din materiale sub formă de fibre, introduse într-un material de bază numit matrice;

-materiale compozite laminate, rezultând din straturi suprapuse din diferite materiale;

-materiale compozite speciale, alcătuite din particule introduse în matrice.

N. Cristescu prezintă o altă clasificare a materialelor compozite [4]:

-materiale compozite armate cu fibre (fibroase) - fibre lungi plasate într-un aranjament prestabilit sau fibre scurte plasate aleatoriu;

-materiale compozite hibride, alcătuite din mai multe fibre;

-materiale compozite stratificate, realizate din mai multe straturi, lipite între ele;

-materiale compozite armate cu particule.



1.2.1 Materiale compozite fibroase
Aceste materiale sunt obţinute din fibre de diverse forme şi dimensiuni înglobate într­-o matrice, fiind utilizate într-o largă varietate [5], [6]:

a) fibre naturale (iută şi sisal), utilizate cu ani în urmă şi înlocuite în prezent cu fibre sintetice.

b) fibre sintetice organice termoplastice (polipropilenă, nylon, poliester) şi termorigide (aramide) având densitate şi rigiditate scăzute, dar rezistenţă ridicată.

c) fibre sintetice anorganice (sticlă, bor, carbon etc.), fibrele de sticlă fiind cele mai utilizate datorită preţului scăzut.

Fibrele sunt în general mult mai rezistente la întindere decât acelaşi material aflat în formă masivă, datorită structurii interne a fibrei cât şi datorită purităţii materialului ei. Spre exemplu, sticla, care în forma sa obişnuită nu rezistă decât la tensiuni de ordinul a câtorva zeci de MPa, sub formă de fibre rezistă la tensiuni de ordinul a 104 MPa. Uneori, în locul fibrelor lungi, sunt utilizate fibre scurte "whiskers", în care raportul lungime/diametru este relativ mic, fibrele fiind fără defecte şi deci foarte rezistente la întindere.

Curba caracteristică - la solicitarea de întindere pentru aceste fibre este liniară, excepţie făcând poliesterul. Această dependenţă între tensiuni şi deformaţii nu va mai exista în cazul unui material compozit armat cu astfel de fibre, datorită răspunsului neliniar al materialului din care este alcătuită matricea.

Matricea reprezintă al doilea element de bază al materialelor compozite. Aceasta uneşte fibrele într-un corp continuu, include fibrele, le protejează, transferă tensiunea, redistribuie eforturile când unele fibre se rup. Matricea are în general densitate mai mică şi rezistenţă mult mai mică decât fibrele.

Matricele pot fi organice, metalice şi ceramice.

Matricele organice au densităţi şi rezistenţe relativ scăzute iar relaţia dintre tensiuni şi deformaţii este neliniară. Sunt cele mai utilizate matrice, întrucât au avantajul că pot fi fabricate mai uşor şi pot încorpora un număr mai mare de fibre decât cele metalice sau ceramice.

1.2.2 Materiale compozite stratificate
Materialele compozite stratificate (laminate) sunt constituite din straturi din cel puţin două materiale lipite împreună printr-un adeziv. Din această categorie fac parte [4], [5]:

a) Materialele stratificate, obţinute din materiale care pot fi saturate cu diverse substanţe plastice şi apoi tratate în mod corespunzător.

b) Materialele compozite fibroase şi stratificate, cunoscute şi sub denumirea de materiale compozite stratificate şi armate cu fibre (stratificate), realizate dintr-o succesiune de straturi (lamine) suprapuse astfel încât fibrele unui strat să fie paralele şi fiecare strat să fie orientat în mod corespunzător, pentru a obţine o cât mai bună rezistenţă şi rigiditate.

c) Bimetalele, obţinute din două metale diferite, cu coeficienţi de dilatare termică semnificativ diferiţi. La schimbarea temperaturii bimetalul se deformează şi poate fi folosit ca mijloc de măsurare a temperaturii.

d) Metalele de protecţie, rezultate în urma acoperirii unui metal cu un alt metal, obţinându-se astfel un material compozit cu anumite proprietăţi îmbunătăţite faţă de materialul de bază.

e) Sticla laminată (securitul), material compozit care se obţine prin lipirea unui strat de polivinil între două straturi de sticlă.




1.2.3 Materiale compozite armate cu particule
Această categorie de materiale compozite constă din înglobarea într-o matrice a unuia sau mai multor materiale.

Particulele şi matricea pot fi metalice sau nemetalice în următoarele variante [4], [5]:

a) Particule nemetalice în matrice nemetalică.

Un exemplu din această categorie de materiale îl constituie cel rezultat din particule de nisip şi rocă într-un amestec de ciment şi apă, care reacţionează chimic şi se întăreşte. Alt exemplu îl constituie şi particulele de mică sau de sticlă, înglobate într-o matrice de material plastic.

b) Particule metalice în matrice nemetalică.

Un astfel de material compozit îl reprezintă carburantul pentru rachete, alcătuit din pudră de aluminiu şi anumiţi oxizi încorporaţi într-o legătură organică flexibilă (poliuretan sau cauciuc polisulfid).

c) Particule metalice în matrice metalică.

În această categorie putem include materialul compozit rezultat din înglobarea unor particule de plumb într-o matrice realizată dintr-un aliaj de cupru sau oţel. Pentru realizarea unor materiale ductile şi rezistente la temperaturi ridicate se recomandă armarea unei matrice metalice cu particule de tungsten, crom sau molibden.

d) Particule nemetalice în matrice metalică.

Particulele nemetalice (particule ceramice) înglobate într-o matrice metalică dau naştere unui material compozit numit cermet.

Atunci când în matrice se introduc particule de oxizi se obţin cermeţi pe bază de oxizi, ce au rezistenţă mare la uzură şi temperaturi înalte.

În urma înglobării în matrice metalice a unor particule de carburi de tungstem, crom sau titan se obţin cermeţi pe bază de carburi. Când matricea este din cobalt se obţine un material caracterizat printr-o duritate ridicată şi prin rezistenţă mare la uzură şi coroziune.



1.3 Clasificarea materialelor compozite după numărul de constante elastice prin care sunt caracterizate
Materialele compozite stratificate şi armate cu fibre sunt considerate din punct de vedere macroscopic, ca fiind omogene şi anizotrope, adică au proprietăţi distincte pe direcţii diferite, ce pornesc dintr-un acelaşi punct. Sub sarcină, materialele compozite pot fi considerate ca fiind corpuri liniar-elastice, deci relaţiile dintre tensiuni şi deformaţii specifice sunt cele corespunzătoare legii lui Hooke.

Legea lui Hooke generală, se scrie sub forma [7], [8]:


(1.1)

unde:


- {} - reprezintă vectorul tensiunilor;

- [D] - (dij) i, j = 1,...,6 este matricea de elasticitate;

- {} - reprezintă vectorul deformaţiilor specifice.

Prin inversarea relaţiei (1.1) se obţine:


(1.2)
unde [S] = (sij) i, j = 1,...,6 reprezintă matricea complianţelor.

Componentele vectorilor {} şi {} sunt prezentate în tabelul 1.1, atât în notaţie tensorială cât şi în notaţie contractată.



Tabelul 1.1 Notaţii ale componentelor vectorilor {} şi {}

Notaţia tensorială

Notaţia contractată

Notaţia tensorială

Notaţia contractată

11

1

11

1

22

2

22

2

33

3

33

3

23 = 23

23

23 = 223

23

31 = 31

31

31 = 231

31

12 = 12

12

12 = 212

12

Relaţiile de legătură dintre deformaţii specifice şi deplasări sunt [9], [10], [16]:


(1.3)
unde u, v, w sunt deplasările pe direcţiile x, y şi z.

Din relaţiile (1.1) şi (1.2) se poate observa că pentru caracterizarea unui material elastic, omogen şi anizotrop, în cazul cel mai general, sunt necesare 36 constante elastice independente.

Relaţia (1.1) scrisă sub formă desfăşurată devine, într-un prim caz particular [11], [12], [13]:
(1.4)
Un material a cărui comportare este descrisă de relaţia (1.4) se mai numeşte şi material triclinic. Numărul mare de constante elastice cu ajutorul cărora este caracterizat un asemenea material, îngreunează atât determinarea acestora, cât mai ales calculul de rezistenţă al unor structuri realizate din materiale de acest tip.

Dacă materialul prezintă o simetrie în raport cu un plan normal pe direcţia 3 (fig. 1.2), relaţia între tensiuni şi deformaţii specifice devine [7], [8]:






Fig. 1.2 Material monoclinic
(1.5)

Se observă că pentru un asemenea material sunt necesare 13 constante elastice independente şi materialul este cunoscut sub denumirea de material monoclinic.

Dacă materialul prezintă două plane de simetrie, ortogonale între ele (fig 1.3), acesta se numeşte ortotrop.

Comportarea elastică a unui asemenea material este descrisă de 12 constante elastice independente, relaţia între tensiuni şi deformaţii fiind [7], [8]:


(1.6)
În cazul în care materialul prezintă trei plane de simetrie, ortogonale între ele (fig. 1.4), materialul este de asemenea ortotrop iar matricea de elasticitate are forma [7], [8], [15]:

(1.7)
Cele nouă constante elastice independente care caracterizează comportarea elastică a unui asemenea material sunt [7], [11], [12]:

(1.8)
unde:

(1.9)

- E1, E2 şi E3 sunt moduli de elasticitate longitudinali ai materialului pe direcţiile 1, 2 şi 3;

- G12 , G13 şi G23 sunt moduli de forfecare ai compozitului;




Fig. 1.4 Material ortotrop

cu izotropie transversală
- 12, 13 şi 23 sunt coeficienţi de contracţie transversală în planele definite de direcţiile (1-2), (1-3) şi (2-3).

Când în orice punct al materialului există un plan în care proprietăţile mecanice sunt aceleaşi pe toate direcţiile, acest material se numeşte ortotrop cu izotropie transversală (fig. 1.4). Din această clasă de materiale fac parte materialele compozite stratificate şi armate cu fibre.

Matricea de elasticitate conţine cinci constante elastice independente şi se obţine particularizând matricea de elasticitate a materialului ortotrop, după cum urmează:
E2 = E3;
G12 = G13; (1.10)

12 = 13.

Numărul mai mic de constante elastice prin care sunt caracterizate materialele compozite stratificate şi armate cu fibre, permite efectuarea cu multă precizie a unor calcule de rezistenţă la nivel macro şi micromecanic.

1.4 Legea lui Hooke pentru un material ortotrop


Legea lui Hooke generală, scrisă dezvoltat pentru un material ortotrop, în raport cu axele sale de ortotropie are următoarea formă [8], [10], [11]:
(1.11)
În aceste relaţii sunt satisfăcute condiţiile:
(1.12)
După cum se observă, caracterizarea unui material ortotrop impune cunoaşterea a nouă constante elastice independente în cazul general. Relaţiile (1.11) şi (1.12) permite determinarea elementelor matricei de elasticitate menţionate în (1.8).

Când materialul este modelat sub forma unei plăci plane (modelare în plan) rămân patru constante elastice independente (E1, E2, 12, G12).

1.5 Domenii de utilizare ale materialelor compozite
Datorită caracteristicilor lor deosebite, materialele compozite au numeroase aplicaţii în diverse domenii, cum ar fi: construcţia structurilor aerospaţiale şi aeronautice, construcţia de maşini, automobile şi nave, medicină, chimie, electronică şi energetică, bunuri de larg consum, optică etc., aşa cum se poate observa şi din figura 1.5 [1], [8], [13].


Fig. 1.5 Domenii de utilizare ale materialelor compozite

1.5.1 Aplicaţii în construcţia aerospaţială
Greutate scăzută, rigiditate ridicată, coeficient de dilatare termică scăzut şi stabilitate dimensională în timpul duratei de viaţă, reprezintă câteva din cerinţele uzuale pe care trebuie să le îndeplinească aplicaţiile militare. Se cunosc trei mari categorii de asemenea aplicaţii [14], [15]:

- sisteme de proiectile-rachetă tactice;

-sisteme de proiectile-rachetă strategice;

-sisteme de proiectile-rachetă defensive.

Componentele structurale ale primei categorii sunt de obicei uşoare si mici iar în timpul funcţionării trebuie să reziste la acceleraţii foarte mari şi la vibraţii în condiţii de lucru foarte severe (umiditate ridicată, nisip, sare şi substanţe chimice). Carcasele motoarelor acestor rachete trebuie să funcţioneze la presiuni ridicate şi să aibă o rigiditate axială mare. De aceea, majoritatea componentelor rachetelor tactice sunt realizate din metal, materialele compozite fiind doar înlocuitori ai metalelor.

Rachetele strategice au în general componentele de dimensiuni foarte mari, nu lucrează la temperaturi ridicate iar carcasa motorului funcţionează la presiuni scăzute. Datorită gabaritului lor aceste componente sunt realizate în mod obişnuit din filamente de carbon înfăşurate, cu scopul reducerii greutăţii.

Componentele rachetelor defensive trebuie să fie uşoare şi rezistente la variaţii mari de temperatură. În plus, acestea sunt supuse unor acceleraţii foarte mari la lansare, precum şi unor solicitări de şoc, vibraţii etc. Una dintre cele mai severe cerinţe ale acestor rachete este aceea de a rezista la radiaţiile nucleare şi de a corespunde din punct de vedere structural şi aerodinamic atunci când sunt supuse presiunilor ridicate datorate exploziilor nucleare. Datorită acestor cerinţe cea mai mare parte a componentelor rachetelor defensive sunt realizate din materiale compozite.

Protecţia termică joacă un rol foarte important, cu precădere la intrarea în atmosferă a navelor spaţiale. La naveta aerospaţială NASA (USA) se utilizează garnituri din compozit carbon – carbon, siliciu – siliciu şi piese structurale din bor - aluminiu (fig. 1.6). Temperatura de utilizare este de 300 C, dar poate ajunge şi la 600 C.

Partea centrală este protejată de plăcuţe din compozite ceramice siliciu – siliciu, care constituie un scut termic radiant. Ele sunt separate printr-un perete dintr-un aliaj uşor sau un stratificat bor – aluminiu dar şi printr-un sandwich din fetru şi naylon neinflamabil (silicon – fagure de albină).

În ceea ce priveşte fibrele, o largă utilizare în această industrie o au fibrele de sticlă (sticla E şi S), fibrele aramide şi cele de carbon - grafit.

Sticla E este folosită la izolaţii iar sticla S la confecţionarea carcaselor motoarelor rachetelor.

Fibrele aramide introduse în aplicaţii pentru prima dată la începutul anilor '70, sunt utilizate la fabricarea carcaselor motoarelor rachetelor strategice şi tactice ca şi pentru rezervoarele sub presiune ale navetelor spaţiale şi ale sateliţilor.






Fig. 1.6 Componente ale navetei aerospaţiale NASA

realizate din materiale compozite

Fibrele de carbon, introduse în aplicaţii curente tot prin anii '70, sunt utilizate pe scară largă în structurile ce necesită o bună stabilitate structurală şi rigiditate foarte mare. Aceste fibre sunt folosite sub formă de filamente înfăşurate la realizarea structurii de rezistenţă şi a carcasei rachetelor strategice.

Răşinile cele mai utilizate în aplicaţiile aerospaţiale sunt cele epoxidice. Acestea au o bună comportare atât la temperaturi ridicate (120-180C). cât şi la temperaturi scăzute (-90C). Răşinile epoxidice răspund bine şi altor cerinţe cum ar fi: tenacitate şi rezistenţă mare la rupere, propagare foarte lentă a fisurilor.

Alte tipuri de răşini utilizate mai recent în acest domeniu îl reprezintă răşinile poliimidice şi termoplastice. Răşinile poliimidice au performanţe foarte bune la temperaturi cuprinse între 200 şi 300C şi se utilizează cu precădere la realizarea rachetelor tactice, dar au dezavantajul unei tehnologii dificile de prelucrare şi un preţ de cost mult mai mare decât cel al răşinilor epoxidice.



1.5.2 Aplicaţii în industria aeronautică
Un scurt istoric ne permite să observăm că cerinţele unei mase mici aliate cu robusteţea au dirijat foarte devreme constructorii de avioane către materialele compozite [2]:

- în 1938 avionul Morane 406 (Franţa) utiliza panourile sandwich cu miez de lemn acoperit cu plăci de aliaj uşor;

- în 1943 se utilizau la Spitfire (Marea Britanie), pentru lonjeron şi piese componente ale fuselajului, compozite cu matrice fenolică ranforsate cu fibre de cânepă;

- compozitul sticlă-răşină se utilizează începând din anul 1950, el permiţând realizarea unor carenaje complexe;

- piese cu structură de carbon – epoxy au fost folosite începând din 1970;



Fig. 1.7 Avionul F-18

În prezent, marea majoritate a industriei aeronautice a S.U.A. foloseşte ca materiale de bază compozitele armate cu fibre de carbon. Acestea se prezintă sub formă de benzi preimpregnate - denumite "prepreg" - şi sunt folosite pe scară largă de firmele Boeing, McDonnell Douglas, General Dynamics şi Northrop.

Cele mai multe aplicaţii ale acestor materiale sunt destinate programelor militare, ce reprezintă mai mult de 40% din industria totală de aviaţie [14]. În anul 1985 concernul McDonnell Douglas a utilizat 181500 kg materiale compozite pentru avioanele de luptă F-18 şi AV-8B. Circa 26% din greutatea structurii avionului AV-8B o reprezintă materialele compozite, ceea ce contribuie la o reducere a greutăţii acestuia cu aproape 225 kg. Sunt realizate din materiale compozite următoarele elemente: chesonul aripii, fuselajul din faţă, stabilizatorul orizontal, profundorul, flettnerul, carenajul şi alte suprafeţe de control. Învelişurile aripilor sunt alcătuite din mai multe plăci stratificate puse cap la cap şi îmbinate într-o structură tip multilonjeron.

Pentru avionul F-18, 10,3% din greutatea sa şi mai mult de 50% din suprafaţa sa sunt realizate din compozite armate cu fibre de carbon (fig. 1.7). Aceste materiale sunt îndeosebi folosite pentru învelişul aripilor, pentru suprafeţele de comandă de pe aripă şi ampenaje, frâna aerodinamică, cât şi pentru prelungirea bordului de atac. Învelişurile aripilor acestui avion sunt realizate din plăci stratificate a căror grosime variază de la bază spre vârf având grosimea minimă de 2 mm.

Bombardierul B-18 utilizează un număr mare de componente ale structurii realizate din materiale compozite.






Fig. 1.8 Componente ale bombardierului

B-18 realizate din materiale compozite

În figura 1.8 sunt prezentate câteva din aceste componente. Acestea includ lonjeroanele din spate, uşa gondolei armamentului şi flapsurile. Toate aceste materiale, inclusiv adezivii, sunt tratate termic la 175C. Aceste componente includ stratificatele, structuri în fagure precum şi structuri sandwich (plăci compozite cu miez de aluminiu).
Uşile gondolelor armamentului sunt realizate din materiale sandwich la care miezul este alcătuit din structură de tip fagure de aluminiu iar învelişul din foi de carbon - epoxy. Datorită faptului că uşile sunt aşezate într-o poziţie vulnerabilă, putând fi supuse la deteriorări, acestea sunt prevăzute cu straturi exterioare alcătuite din răşini fenolice armate cu fibre aramide, realizându-se astfel o rezistenţă la penetrare foarte ridicată. Pentru fiecare avion se folosesc 3040 kg. materiale compozite, rezultând o scădere a greutăţii de circa 1360 kg.

Firma Gruman Aerospace a realizat, plecând de la un compozit armat cu fibre de bor, stabilizatoare orizontale pentru avionul de luptă F-14A.

Firma General Dynamics utilizează un compozit armat cu fibre de carbon pentru stabilizatorul orizontal şi vertical.

Aripile avionului de atac A-6 sunt realizate în prezent din materiale compozite foarte uşoare, cu proprietăţi mecanice îmbunătăţite şi cu o mai bună rezistenţă la coroziune.

Elicopterele constituie o categorie mai puţin dezvoltată decât avioanele, dar ţinând cont de specificul acestor aparate, cadenţa de implementare a materialelor compozite este mai ridicată şi ocupă procentaje mai importante decât în cazul avioanelor.

În figura 1.9 sunt prezentate câteva dintre componentele elicopterului Aerospatiale, realizate din materiale compozite.






Fig. 1.9 Componente ale elicopterului Aerospatiale

realizate din materiale compozite


Elicopterul V-22 are fuselajul realizat din compozite, aceste materiale contribuind la o reducere a greutăţii cu aproximativ 50%.

Tendinţele actuale indică foarte clar că, materialele compozite vor fi utilizate din ce în ce mai mult, atât în industria comercială cât şi în tehnica militară.

1.5.3 Materialele compozite în construcţia automobilului
Cerinţele actuale şi de viitor în domeniul autovehiculelor privesc creşterea eficienţei motorului, reducerea emisiilor nocive, reciclarea materialelor componente etc. Acestea impun schimbări tehnologice importante, precum şi apariţia unei noi clase de autovehicule, care să fie ecologice, eficiente din punct de vedere al vânzării şi economice în utilizare.

Pentru respectarea acestor cerinţe, domeniile în care sunt necesare noi tehnologii sunt [2]:

- dezvoltarea de motoare de tracţiune cu randamentul mărit – consum scăzut de carburant însoţit de creşterea puterii motorului la capacitate cilindrică mică;

- reducerea greutăţii totale a autovehiculului cu până la 40%, obţinută în special prin reducerea greutăţii caroseriei şi a structurii interioare;

- reducerea coeficientului aerodinamic al autovehiculului, printr-o formă corespunzătoare a caroseriei.

O parte dintre cerinţele de mai sus pot fi satisfăcute prin utilizarea în structura caroseriei a materialelor noi şi în special a materialelor compozite polimerice.

O structură modernă a caroseriei unui autovehicul este constituită dintr-un şasiu de rezistenţă din oţel înalt aliat sau din aliaje de aluminiu, la care se adaugă panourile de caroserie (exterioare şi interioare) realizate din compozite polimerice. Există şi varianta folosirii unor panouri exterioare din aliaje de aluminiu sau din oţel inoxidabil, dar care din cauza preţului de cost ridicat se utilizează doar în cazuri cu totul speciale.

Compozitele polimerice care se utilizează în acest caz au drept elemente de ranforsare structuri din fibră de sticlă sau mai rar fibre de carbon şi aramide, lungi şi scurte.

Ca matrice a compozitului se utilizează materialele termoplastice, care sunt reciclabile şi mai rar materialele termorigide.

Marile societăţi constructoare de autovehicule precum FORD, ROVER, RENAULT, CHRYSLER, FIAT, GENERAL MOTORS, MERCEDES etc., folosesc în mod uzual, cu foarte bune rezultate, materialele compozite polimerice în construcţia autovehiculelor.





Fig. 1.10 Componente ale unui autovehicul FORD

realizate din materiale compozite

Materialele compozite au fost introduse progresiv în construcţia autovehiculelor, volumul actual de utilizare fiind deosebit de mare. Ca exemplu, în figura 1.10 se prezintă aria de utilizare a compozitelor în cazul unui autovehicul construit de firma FORD.

În România, ARO Câmpulung – Muscel foloseşte compozitele polimerice în construcţia caroseriei autovehiculelor de teren.

Deşi există şi factori care pot opri folosirea pe scară largă a materialelor compozite (costuri ridicate, programe de cercetare complicate, lipsa standardelor de testare etc.) totuşi, având în vedere avantajele create de utilizarea acestor materiale, se va constata, la nivel mondial, o sporire considerabilă a aplicaţiilor realizate din materiale compozite.

Perspectiva folosirii pe scară largă a unor asemenea materiale în România impune efectuarea unor cercetări care să completeze informaţiile accesibile din literatura de specialitate.

Numărul mare de lucrări apărute în acest domeniu este datorat nu numai importanţei pe care o au materialele compozite ci, mai ales, complexităţii problemelor lor de rezolvat.



Bibliografie
1. Hadăr, A., Probleme locale la materiale compozite, Teză de doctorat, U.P.B., 1997

2. Pavel, R., Contribuţii privind implementarea materialelor compozite în construcţia de maşini, Teză de doctorat, Bucureşti, 1999

3. Jones, R. M., Mechanics of Composite Materials, Scripta Book, Washington D. C., 1975

4. Cristescu, N., Mecanica materialelor compozite, Vol.1, Universitatea Bucureşti, 1983

5. Alămoreanu, E., Negruţ, C., Jiga, G., Calculul structurilor din materiale compozite, U.P.B, 1993

6. Geier, M., Duedal, D., Guide practique des materiaux composites, Technique et Documentation Lavoisier, Paris, 1985

7. Tsai, S. W., Hahn, H. T., Introduction to Composite Materials, Westport, 1980

8. Gay, D., Matériaux composites, Editions Hermes, Paris, 1991

9. Buzdugan, Gh., Rezistenţa materialelor, Editura Academiei, Bucureşti, 1987

10. Malmeister, A. K., Tamuj, V. P., Teters, G. A., Soprotivlenie polimernîh i compozitnîh materialov, Zinatne Riga, 1980

11. Reddy, J. N., Mechanics of Composites Structures, Mc Graw Hill, New York, 1980

12. Wei, J., Zhao, J. H., Three-Dimensional Finite Element Analysis on Interlaminar Stresses of Symmetric Laminates, Computers and Structures, Vol. 41, nr. 4, 1991

13. Gheorghiu, H., Hadăr, A., Constantin, N., Analiza structurilor din materiale izotrope şi anizotrope, Editura Printech, Bucureşti, 1998

14. Anglin, J. M., Aircraft Applications, Engineered Materials Handbook – Composites, Vol. 1, 1989

15. Hadăr, A., Structuri din compozite stratificate, Editura Academiei şi Editura AGIR, Bucureşti, 2002

16. Constantinescu, I.N., Picu, C., Hadăr, A., Gheorghiu, H., Rezistenţa materialelor pentru ingineria mecanică, Editura BREN, Bucureşti, 2006







Yüklə 84,62 Kb.

Dostları ilə paylaş:




Verilənlər bazası müəlliflik hüququ ilə müdafiə olunur ©muhaz.org 2022
rəhbərliyinə müraciət

    Ana səhifə