Materiale compozite

INTRODUCERE

Istoric, conceptul de material compozit este foarte vechi. În Egiptul antic

cărămizile de argilă erau întărite cu paie; la Muzeul Britanic din Londra, este expus

un vas de depozitare din perioada merovingienilor 900 d.H de pe teritoriul Scoției,

realizat din fibră de sticlă întărită cu o rășină, ceea ce ar corespunde astăzi unui

compozit de tip rășină epoxidică armat cu fibră de sticlă. Prima ambarcațiune din

fibră de sticlă a fost realizată în 1942 și de asemenea, la acel timp, acest material a

fost utilizat în aeronautică și pentru componente electrice. Primele fibre de bor și de

carbon, cu rezistență mare la rupere, au apărut la sfârșitul anului 1960 fiind aplicate

în materialele avansate folosite la componente de avion, prin 1968. Sf â rș it u l

a n ilo r 1 9 8 0 a ma r c a t o c re ș t e re s emn if ic a t i vă în u t il i za re a ma t e ria le lo r

cu f ibre, având modulul de elast icitate ridicat , ast fel, s -au dezvoltat

ma t e ria le c a re s ă ră s p u n d ă cerințelor funcționării, deci s-a introdus conceptul

de proiectare a materialului plecând de la cerințele tehnice ale produsului. În ultimii

ani, pe de o parte datorită creșterii spectaculoase a consumurilor de material ș i, p e

d e a lt ă p a rt e , d a t o rit ă re zu lt a t e lo r c e rc e t ă ri i ș t iin ț if i c e , a s t u d ii lo r

p ri v in d p ro p rie t ă ț i le intime ale unor materiale, s-a trecut la realizarea materialelor

compozite, numite de specialiști ―de generația a II-a‖ care prezintă o serie de

avantaje certe pentru o mare gamă de produse,avantaje dintre care menționăm:

- masa volumică mică în raport cu metalele (compozitele cu rășini epoxidice

armate cu fibrede Si, B, C au masă volumică sub 2 g/cm3 );

- rezistența la tracțiune sporită Rm (compozitul kevlar are Rm de două ori mai

mare decât al sticlei);

- coeficient de dilatare mic în raport cu metalele;

- rezistența la șoc ridicată;

- durabilitate mare în funcționare (în aceleași condiții de funcționare, 1kg de

kevlar înlocuiește 5 kg de oțel, la o durată egală de funcționare);

- capacitate mare de amortizare a vibrațiilor;

- siguranță mare în funcționare (ruperea unei fibre dintr-o piesă din compozit nu

produce o amorsă de rupere a piesei, ca în cazul materialelor clasice);

- consum energetic scăzut la elaborare, în comparație cu metalele: de

exemplu, pentru obținerea polietilenei se consumă 23 kcal/cm3, iar pentru oțel 158

kcal/cm3 ;

- rezistență la coroziune; stabilitate termică și rezistență mare la temperatura

ridicată (fibrele de kevlar, teflon, Hyfil sunt stabile până la 500 șC, iar fibrele ceramice

tip SiC, Si3Ni4, Al2O3 sunt stabile până la 1400 șC ÷ 2000 șC [1].

Obținerea de noi materiale a reprezentat dintotdeauna o necesitate determinată

de evoluția dinamică a producției de bunuri materiale. În momentul de față, atât

producerea de noi materiale, cât și renunțarea la altele vechi, reprezintă un proces

extrem de activ,fără precedent. În general, aproape orice material solid cu destinație

tehnică se poate încadra în una din următoarele categorii:

- materiale și aliaje;

- ceramică și minerale;

- sticle (nemetalice și metalice);

- textile;

- polimeri;

- compozite.

Necesitatea fabricării de noi materiale a condus în ultimele decenii la

dezvoltarea spectaculoasă a acestora. La ora actuală sunt cunoscute și studiate o

varietate mare de materiale, diferite unele de altele, dar care prezintă o caracteristică

comună: sunt fabricate pentru a fi destinate anumitor tipuri de aplicații. Mitul l al

materialului universal, bun la toate, a căzut și în consecință se poate vorbi de o

specializare a materialelor pe domenii de utilizare. Aceasta, nu exclude posibilitatea

folosirii aceluiași tip de material în mai multe aplicații.

Materialele compozite cu matrice metalică, cunoscute și sub denumirea de

MMC sau MMC's (Metal-Matrix-Composites), sunt o clasă de materiale cu o utilizare

relativ recentă, deși ele au fost fabricate șii studiate încă din anii 60...70.

Apărute inițial datorită nevoii de materiale metalice ușoare, dar capabile însă de

performanțe ridicate, MMC au cunoscut o dezvoltare fără precedent în ultimul

deceniu. Fără a înlocui aliajele metalice clasice, dar preluând tehnicile lor de

fabricare, MMC s-au impus în scurt timp nu numai prin performanțele lor, dar și din

punct de vedere economic. Posibilitatea utilizării tehnologiilor de procesare specifice

metalurgiei pulberilor sau adaptarea acestora la condițiile specifice de fabricare a

materialelor compozite a permis obținerea lor la prețuri scăzute și a condus în scurt

timp la rapida lor dezvoltare. În plus, anumite tehnici de procesare specifice

compozitelor au fost transferate tehnologiilor "mamă". Putem vorbi de o dezvoltare

interactivă a tehnologiilor de procesare utilizate în domeniul fabricării materialelor

compozite, pe de o parte, și a aliajelor metalice, pe de altă parte [2].

Materialele compozite cu matrice metalică pot fi considerate, ca având o

anumită motivație în a fi, într-o măsură mai mare, mai ușor "acceptate". Acestea, se

prelucrează ca și aliajele metalice. În consecință, și între anumite limite, ele pot fi

considerate "aliaje metalice" și deci reticența față de ele poate dispărea, dar cu o

singură condiție: cunoașterea îndeajuns a lor.

Este foarte posibil ca, în scurt timp, materialele compozite cu matrice metalică

să devină materiale comune, așa cum sunt aliajele de aluminiu - spre exemplu - și

termenul de "avansat" sau "neconvențional" să-și piardă sensul.

Proprietățile și comportarea unui material sunt strâns legate de structura

acestuia. Structura electronică și cristalină, ca și defectele structurale determină

caracteristicile fizico-chimice și mecanice ale materialului: temperatura de topire;

modulul de elasticitate; densitatea; rezistivitatea chimică; conductivitatea electrică și

termică; duritatea; rezistența mecanică la rupere; alungirea; tenacitatea etc.

Structura, pe de altă parte, poate să constituie un criteriu de clasificare. Astfel,

materialele pot fi grupate din acest punct de vedere în 3 categorii și anume:

1) materiale cristaline, care pot fi:

- policristaline (aliaje feroase și neferoase);

- monocristaline (metale, oxizi, carburi, nitruri, materiale semiconductoare și

optoelectronice);

- microcristaline (aliaje supuse unor tratamente termice, cum ar fi călirea);

- semicristaline (materiale polimerice).

2) materiale amorfe ( metalice și nemetalice);

3) materiale compuse care pot fi:

- compozite dispersate reciproc;

- agregate de pulberi presate;

- materiale compuse rezultate prin acoperirea suprafețelor cu substrate metalice

sau nemetalice;

- stratificate (obținute prin asamblare succesivă sau simultană).

[1] F. Ștefănescu, G. Neagu, M. Alexandrina, Materialele viitorului se fabrică astăzi -

Materiale compozite, Ed. Didactică și Pedagogică București, 1996, ISBN 973-30-4628-0, pp.

86-88.

[2] I., Sinclair, P.J., Gregson, Structural Performance of Discontinous Metal Matrix

Composites, Material Science and Technology, 3 (1997), pp.709-725.

[3] I., Grecu, Chimie anorganică, Editura Didactică și Pedagogică, București, 1964, pp.

59-63.

[4] M.I., Pech-Canul, R.N., Katz, M.N., Makhlouf, Journal of Materials Processing and

Technology, 108 (2000), pp. 68-77.

[5] Handbook of chemistry and physics, 53rd edition, 1972 - 1973, Editor Robert C.

Weast The chemical Rubber C.O., C.R.C. Press, Cleveland Ohio, pp. C 753.

[6] Jumolea, A.G., Arghir, G., Brȃndușan, L., Caracterizarea liantului folosit pentru

formarea prin injecție a materialelor composite cu matrice din aluminiu și particule de

carbora de siliciu și grafit, Știință și inginerie, an XV, Vol. 28/2015, pp. 391-396.

[7] Abolhasani, H., Muhamad, N., Anew starch - based binder for metal injection

molding, Journal of Materials Processing Technolgy, 210 (2010), pp. 961-968.

[8] V., Păunoiu, Tehnologia pieselor sinterizate, Universitatea ―Dunărea de Jos, Galați,

2010, pp. 66-74.

[9] L., Geiger, M., Jackson, Advanced Materials Processing, 136 (7), 1989, pp. 23-28.

[10] D.W., Chung, B.O., Rhee, M.Y., Cao, C.X., Liu, Requirements of Binder for Powder

Injection Molding, Advances in Powder Technology, 3 (1989), pp. 67-78.

[11] R. Carlson, The shaping of engineering ceramics, Materials and Design, 10 (1989),

pp. 10-14.

[12] Shubin Ren, Xuanhui Qu, Jia Guo, Xinbo He, Mingli Qin, Xiaoyu Shen, Net-shape

forming and properties of high volume fraction SiCp/Al composites, Journal of Alloys and

Compounds, 484 (2009), pp. 256- 262.

[13] P. Ravindran, K. Maniseka, P. Rathik, P. Narayanasamy, Tribological properties of

powder metallurgy - Processed aluminium selflubricating hybrid composites with SiC

additions, Materials and Design, 45 (2013), pp. 561- 570.

[14] Y.B., Liu, S.C., Lim, L., Lu, M.O., Lai, Recent development in the fabrication of

metal-matrix particulate composites using powder metallurgy techniques, Journal of Material

Sciences, 29 (1994), pp. 1999-2007.

[15] H. Abolhasani, N. Muhamad, A new starch-based binder for metal injection molding,

Journal of Materials Processing Technology, 210 (2010), pp. 961- 968.

[16] O. Petreuș, I. Petreuș, Materiale compozite, Ed. Gh. Asachi Iași, 1999, ISBN 973-

99210-4-3, pp. 35-43.

[17] S. V. Atre, S.-J. Park, Process simulation of powder injection moulding: identification

of significant parameters during mould filling phase, Powder Metallurgy, 50(2007):76-85.

[18] Christoph Schmitz, Handbook of aluminium recycling, Deutsche Nationalbibliothek,

ISBN 10: 3 - 8027 - 2936 - 6, pp. 62 - 95.

[19] M. Harja, M. G. Ciobanu, Materiale compozite anorganice, Matrix Rom București.

2004, ISBN 973-685-701-8, pp. 88-98.

[20] J. Hashim, L. Looney, M.S.J. Hashmi, Particle distribution in cast metal matrix

composites—Part I, Journal of Materials Processing Technology, 123 (2002), pp. 251- 257.

113

[21] Alina Georgeta JUMOLEA, George ARGHIR, Liviu BRÂNDUȘAN , Amestecuri

pentru formarea prin injecție a materialelor compozite cu Al/SiCp și grafit, Conferinta ―Dorin

Pavel‖, Sebes, 2010, Vol. 18, pp. 465.

[22] Alina Georgeta JUMOLEA, George ARGHIR, Liviu BRÂNDUȘAN, Formarea prin

injecție a pulberilor, Conferinta ―Dorin Pavel‖, Sebes, 2009, Vol. 16, pp. 517.

[23] Alina Georgeta JUMOLEA, George ARGHIR, Liviu BRÂNDUȘAN, Gabriel BATIN,

Burak GŰNEY, Mustafa ÇEKICI, Pregătirea materialelor compozite din aluminiu armate cu

particule de SiC și grafit pentru injectare, Conferinta nationala ―Ion D. Lȃzărescu‖

fondatorul școlii românești de teoria așchierii, Cugir, 2014, Vol. 2, pp. 667.

[24] L. Brândușan, Xiao Ping An, Formarea prin injecție a pulberilor, Editura Todesco,

2008, pp. 124-128.

[25] B. Stojanovi, M. Babi, S. Mitrovi, A. Vencl, N. Miloradovi, M. Panti, Tribological

Characteristics of aluminium hybrid composites reinforced with silicon carbide and graphite,

a review,Journal of the Balkan Tribological AssociationVol. 19, No 1, 83- 96 (2013).

[26] Kenichi Yoshikawa, Hitoshi Ohmori, Outstanding features of powder injection

molding for micro parts manufacturing, Riken Review, 34(2001): 13-18.

[27] Juan, M., Adames, Characterization of polymeric binders for metal injection

moulding (MIM) process, dissertation thesis, Universitatea Akron, December 2007, pp.

1112-1116.

[28] S. V. Hoa, Fundamentals of Constituents for Composites Manufacturing, DEStech

Publications, 2009, ISBN: 978-1-932078-26-8, pp. 208-212.

[29] F., Ștefănescu, G., Neagu, Aluminum Matrix Composites with Graphite Dispersed

Particles, First International Congress in Materials Science and Engineering, Iași, 1994, pp.

68-92.

[30] A., Jumolea, Stadiul actual al formării prin injecție a materialelor compozite cu

matrice din aluminiu și particule de carbură de siliciu și grafit, Raport științific nr. 1, Cluj-

Napoca, 2015, pp. 27-30.