Kompozyty i Ich Zastosowanie

19 września 2022
Wydaje nam się, kompozyty to bardzo „młody” materiał. Nic bardziej mylnego - tak naprawdę towarzyszą nam od tysięcy lat, z tą różnicą, że wtedy nie nazywano ich kompozytami. Zatem już 4 tysiące lat przed naszą erą wzmacniano bloki błota podczas budowy domów trawami lub włosiem końskim w celu zwiększenia wytrzymałości. Tworzono w ten sposób kompozyt. Definicja pozwoli tę kwestię rozjaśnić.

 

Kompozyt - to materiał utworzony z co najmniej dwóch komponentów (faz) o różnych właściwościach w taki sposób, że ma własności różne od możliwych do uzyskania w każdym z komponentów osobno i lepsze od wynikających z prostego sumowania tych własności.

W kompozytach osnową (czyli tym co otacza napełniacz, zbrojenie) mogą być metale, ceramika, szkło i polimery.

W przetwórstwie tworzyw jako osnowy można wykorzystywać wszystkie rodzaje tworzyw: termoutwardzalne, chemoutwardzalne oraz termoplastyczne, choć z tej ostatniej grupy najczęściej kompozyty wytwarza się z tworzyw o strukturze częściowo-krystalicznej.

  • Faza ciągła zwana osnową (matryca),
  • Faza rozproszona, zwana zbrojeniem, otoczona osnową polimerową.

Zastosowana osnowa polimerowa pełni bardzo ważne funkcje:

  • pozwala na przeniesienie obciążenia przez mocniejszą, bardziej wytrzymałą fazę wypełnienia,
  • oddziela od siebie cząsteczki napełniacza i zapobiega rozprzestrzenianiu się pęknięć w przekroju kompozytu,
  • przeciwdziała zużywaniu ściernemu w przypadku stosowania włókien szklanych,
  • izoluje napełniacz od warunków atmosferycznych, co jest istotne w przypadku higroskopijnych wypełnień (talk, kreda, włókna pochodzenia roślinnego itp.)

Tworząc nowe materiały kompozytowe warto zastanowić się nad celem jaki chcemy uzyskać w takim materiale. Tworzymy je najczęściej z myślą o uzyskaniu większej sztywności, wytrzymałości mechanicznej, ale również lepszego przewodnictwa cieplnego, mniejszego tarcia, zwiększenia odporności na naciski powierzchniowe i inne cechy użytkowe. Bardzo często tworzymy kompozyty w celu zmniejszenia ilości tworzywa w całkowitej objętości formowanych przedmiotów. W takich przypadkach tworzywa wypełniane są tanimi materiałami, które pełnią tylko funkcję wypełniacza. Obecnie taka modyfikacja fizyczna i stosowanie różnych wypełniaczy stała się bardzo popularna wśród przetwórców – wszystko ze względu na stale rosnące ceny tworzyw sztucznych. 

Wypadkowa własności każdego kompozytu  jest zależna od wielu czynników, między innymi od:

  • właściwości faz składowych (tego z jakich materiałów został on wytworzony),
  • ich udziału objętościowego (ilość osnowy do ilości wzmocnienia wpływa w zasadniczym stopniu na właściwości i wcale czym więcej tym lepiej nie zawsze się sprawdza. Po przekroczeniu pewnej granicznej wartości właściwości zaczynają spadać, ponieważ spada zwilżalność wzmocnienia materiałem osnowy. Ponad to wraz z zawartością fazy rozproszonej spadają możliwości przetwórstwa),
  • sposobu rozmieszczenia fazy rozproszonej w osnowie (sposób rozmieszczenia determinuje występowanie anizotropii właściwości. Zupełnie inaczej będą rozmieszczone małe cząstki napełniacza w odróżnieniu do tkanin czy długich włókien),
  • cech geometrycznych fazy rozproszonej (kształt geometryczny zastosowanego wzmocnienia determinuje mocno właściwości fizyczne. Są one równie mocno uzależnione od sposobu przetwarzania kompozytu).

Wspomniane cechy geometryczne są zależne od współczynnika kształtu, który mówi o rozmiarach cząstek fazy rozproszonej w kierunku X, Y i Z. Czym mniejsza różnica w tych wymiarach tym mniejsza różnice we właściwościach podczas formowania metodami gdzie występuje zróżnicowany przepływ (np. wtryskiwanie).

Przykładowe materiały stosowane jako faza rozproszona:

  • włókna krótkie, włókna długie, maty, tkaniny (węglowe, szklane, bazaltowe, aramidowe (Kevlar), grafitowe)
  • materiały pochodzenia roślinnego: włókna konopi, juty, bananowca, ananasa, kokosa, lnu, trociny, mączka drzewna
  • napełniacze mineralne: kaolin, mika, kreda, talk, glinki, nanonapełniacze mineralne

Zastosowania kompozytów w przetwórstwie tworzyw sztucznych są bardzo szerokie i zależą od stosowanych materiałów na osnowę. W lotnictwie i budowie łodzi i jachtów najczęściej stosuje się kompozyty na osnowie tworzyw chemoutwardzalnych. W budowie maszyn i zastosowaniach termicznych – tworzywa termoutwardzalne. Natomiast w produkcji masowej w branżach samochodowej, elektronice, medycynie, technicznej i wszędzie w produkcji masowej – najczęściej osnową są tworzywa termoplastyczne. 

Jak widać poprzez dodanie do tworzyw termoplastycznych różnych napełniaczy o różnych właściwościach i kształtach możemy znacząco i dowolnie modyfikować ich właściwości. Jednak zawsze przy przetwarzaniu kompozytów należy pamiętać, że pewne cechy nowego materiału wzmacniamy, jednak inne (często równie ważne) możemy osłabiać.

Autor: Eksperci GA
Źródło: Eksperci GA