Chapter 16

Kap. 16, Kompositter
• Kombinere materialer for å få nye og bedre
egenskaper
– Ex: fleksibilitet & vekt hos en polymer sammen
med styrken og stivheten hos keram
• Naturlige kompositter
– Tre, ben
• Artifisielle kompositter
• Prinsipp om kombinert virke
– Blandning gir “midlere” egenskaper
Chapter 16 -
Kap. 16, Kompositter, terminologi/Klassifisering
• Kompositter:
-- Multifas materialer med betydelig
mengde av hver fase.
woven
fibers
• Matrise:
-- Den kontinuerlige fasen
-- Rolle er å:
0.5 mm
- fordele spenning til andre faser
- Beskytte andre faser fra omgivelser
-- Klassifisering:
MMC, CMC, PMC
metall keram
cross
section
view
polymer
• Dispergert fase:
0.5 mm
-- Rolle: forbedre egenskaper til matrise.
MMC: økt sy, TS, sigemotstand.
CMC: økt Kc
PMC: økt E, sy, TS, sigemotstand.
-- Klassifisering: Partikkel, fiber, strukturell
Chapter 16 -
Dispergert fase
Concentration
Distribution
Size
Shape
Orientation
Chapter 16 -
Klassifisering av kompositter
Composites
Particle-reinforced
Largeparticle
Dispersionstrengthened
Fiber-reinforced
Continuous
(aligned)
Structural
Discontinuous
(short)
Aligned
Laminates
Sandwich
panels
Randomly
oriented
Chapter 16 -
Partikkelkompositter-I
Partikkelforsterket
Fiberforsterket
• Eksempler:
- Sfæroidisert matrix:
ferrite (a)
karbid I ståll
(ductile)
60 mm
matrix:
- WC/Co
hardmetall cobalt
(ductile)
Vm :
10-15 vol%!
-Bildekk
Strukturell
particles:
cementite
(Fe3 C)
(brittle)
particles:
WC
(brittle,
hard)
600 mm
matrix:
rubber
(compliant)
particles:
C
(stiffer)
0.75 mm
Chapter 16 -
Partikkelkompositter-III
Partikkelforsterket
Fiber-reinforced
Structural
• E-modul, Ec, hos kompositter:
-- to muligheter.
E(GPa)
350
Data:
Cu matrix 30 0
w/tungsten 250
particles
20 0
150
upper limit: “rule of mixtures”
Ec = VmEm + VpEp
0
lower limit:
1 Vm Vp
=
+
Ec Em Ep
20 40 60 80
(Cu)
10 0 vol% tungsten
(W)
• Andre egenskaper:
-- Elektrisk ledningsevne, se: Erstatte E med se.
-- Termisk ledningsevne, k: Erstatt E med k.
Chapter 16 -
Partikkelkompositter-II
Partikkelforsterket
Fiber-reinforced
Structural
Betong – singel + sand + sement
- Sand pakkes inn i mellomrom i singel
Armert betong - Stålstenger eller nett
- Økning av styrke – selv om sementmatrise er sprukket
Forspennt betong- armere i trykkspenning under herding av betong.
Betong under trykkspenning
- Betong mye sterkere under trykkspenning.
- Strekkspenninger må oversige trykkspenning
threaded
rod
nut
Chapter 16 -
Fiberkompositter-I
Particle-reinforced
Fiberforsterket
Structural
• Fibrer høy styrke
– Betydelig økning I styrke hos materialet
– Ex: fiberglass
• kontinuerlig glass fiber i en polymermatrise
• Styrke fra fibrer
• Polymer for å holde fibrer på plass
Chapter 16 -
Fiberkompositter-V
Particle-reinforced
Fiberforsterket
Structural
• Kritisk fiberlegde for effektiv forstiving & forsterkning:
fiber strength in tension
Critical length
s *f d
lc =
2t c
l>>lc continuous fibers
fiber diameter
shear strength of
fiber-matrix interface
(l normally>15xlc)
Chapter 16 -
Fiberrettning
Adapted from Fig.
16.8, Callister 7e.
Opprettet
kontinuerlig
Opprettet
tilfeldig
diskontinuerlig
Chapter 16 -
–Sprø fiber - duktil matrise
Chapter 16 -
Komposittstyrke:
Langsgående belastning
Kontinuerlige fibrer – Bestem styrke av fiberforsterket
kompositt med lange kontinuerlige fibrer
• Langsgående belastning
sc = smVm + sfVf
volumfraksjon

Ece = Em Vm + EfVf
Ff
EfVf
=
Fm EmVm
men
c = m = f
iso-tøying
langsgående (extensional)
modulus
f = fiber
m = matrix
Chapter 16 -
Fiberkompositter-II
Particle-reinforced
Fiberforsterket
Structural
• Fibermaterialer
– Whiskers – Tynne enkrystaller – stor lengde / diameter forhold
grafitt, SiN, SiC
• Nesten perfekte enkrystaller – ekstrem styrke
• Meget dyre materialer
– Fibrer
• polykrystalline eller amorfe
• normalt ploymerer eller keramer
• Ex: Al2O3 , Aramid, glass, karbon bor, UHMWPE
– Tråder
• Metall – stål, Mo, W
Chapter 16 -
Fiberforsterket materialer
Chapter 16 -
Fiberkompositter-III
Particle-reinforced
Fiberforsterket
• Opprettet kontinuerlige fibrer
• Eksempler:
-- Metall: g'(Ni3Al)-a(Mo)
Structural
-- Keram: Glass w/SiC fibers
by eutectic solidification.
formed by glass slurry
Eglass = 76 GPa; ESiC = 400 GPa.
matrix: a (Mo) (ductile)
(a)
fracture
surface
2 mm
fibers: g ’ (Ni3Al) (brittle)
(b)
Chapter 16 -
Fiberkompositter-IV
Particle-reinforced
Fiberforsterket
• Diskontinuerlig, tilfeldig 2D fibers
• Eksempel: karbon-karbon
-- bruk: skivebremser, gassturbiner, exhaust flaps, nose
cones.
(b)
• Øvrige varianter:
(a)
Structural
C fibers:
very stiff
very strong
C matrix:
less stiff
view onto plane less strong
fibers lie
in plane
-- Diskontinuerlige, tilfeldige 3D
-- Diskontinuerlige, 1D
Chapter 16 -
Produksjon av kompositter-I
• Profiltrekking, Pultrusion
– Kontinuerlige fibers trekkes gjennom tank med
polymer, deretter forforming i dyse & herde i ovn
Adapted from Fig.
16.13, Callister 7e.
Chapter 16 -
Prepreg
• Herdplast, kontinuerlige fibrer
– Delvis herdet produkt
– Lagres ved lav temp
Chapter 16 -
Produksjonsmetoder-II
• Fiberspoling
– Ex: trykktank
– Kontinuerlige fibrer spoles
Adapted from Fig. 16.15, Callister 7e. [Fig.
16.15 is from N. L. Hancox, (Editor), Fibre
Composite Hybrid Materials, The Macmillan
Company, New York, 1981.]
Chapter 16 -
Produksjonsmetoder: Strukturelle
Particle-reinforced
Fiber-reinforced
Strukturelle
• Stablet og bundet fiber-forsterket skjikt
-- stacking sequence: e.g., 0º/90º
-- benefit: balanced, in-plane stiffness
• Sandwichpaneler
-- low density, honeycomb core
-- benefit: small weight, large bending stiffness
face sheet
adhesive layer
honeycomb
Chapter 16 -
Structurell kompositt
Chapter 16 -
Fordeler med kompositter
• CMCs: Økt seighet
Force
particle-reinf
• PMCs: Økt E/r
103
E(GPa)
PMCs
102
10
fiber-reinf
1
un-reinf
Bend displacement
10 -4
6061 Al
ss (s-1)
• MMCs:
10 -6
økt sigemotstand
10 -8
10 -10
ceramics
6061 Al
w/SiC
whiskers
20 30 50
metal/
metal alloys
.1 G=3E/8 polymers
.01 K=E
.1 .3 1 3 10 30
Density, r [mg/m3]
s(MPa)
100 200
Chapter 16 -
Oppsumering
• Kompositter kan bli klassifisert I henhold til:
-- Matrisematerialet (CMC, MMC, PMC)
-- Forsterkningens geometri (partikler, fibrer, sjikt.
• Kompositter forbedrer egenskapene hos matrisen:
-- MMC: forbedring av sy, TS, sigemotstand
-- CMC: forbedring av Kc
-- PMC: forbedring av E, sy, TS, sigemotstand
• Partikkelforsterket:
-- E-modul kan beregnes.
-- Egenskaper er isotrope.
• Fiberforsterket:
-- E-modul og TS kan beregnes langs fiberretning
-- Egenskaper kan være isotrope eller anisotrope.
• Strukturelle:
-- Basert på sandwich sjikt
Chapter 16 -