Proiect Materiale compozite

Cuprins

Capitolul 1. Introducere..................................................................................................................3 Capitolul 2. Materiale compozite compozite cu aplicații în industria industria militară…………… militară………………..……………...6 …..……………...6 2.1. Materiale compozite pentru blindaje……………………………………… blindaje…………………………………………………7 …………7 2.2. Material Materialee compozite compozite folosite folosite în construc construc ția de aeronave aeronave militare..............................14 2.3. Materiale compozite compozite folosite folosite în construc construc ția rachetelor cu combustibil combustibil solid……….19 solid……….19 2.4 Humv Humvee, ee, mașina de de război război elicopter-avion..................................................................22 Capitolul 3. Concluzii....................................................................................................................24 Bibliografie....................................................................................................................................25

The world’s largest digital library

Try Scribd FREE for 30 days to access over 125 million titles without ads or interruptions! Start Free Trial Cancel Anytime.













Proiect Structuri Compozite

Capitolul 1. Introducere

Definit în sens larg, un material compozit este un ansamblu de materiale distincte, care are caracteristici pe care nu le au materialele constituente în parte. În multe cazuri, materialele, natura naturale le sau sintet sintetice ice,, se găsesc găsesc în combin combinaţi aţiee cu alte alte materi materiale ale şi nu acţio acţionân nândd în mo modd individual. Este cazul corpului uman, construit din carne şi oase sau al betonului armat, unde cimentul este turnat pe un cadru metalic. Compozitele sintetice au apărut prima oară în industria aerosp aerospaţi aţială ală,, din din necesi necesitat tatea ea contro controlăr lării ii şi îmbu îmbunăt nătăţi ăţirii rii propri proprietă etăţil ţilor or materi materiale alelor lor,, în conformitate cu cerinţele impuse de destinaţie. Există mai multe variante de definiţie a materialelor compozite. Cea mai cuprinzătoare, caracterizând cel mai bine natura acestora este cea dată de P. Mallick. Conform lui Mallick, ”un material compozit este o combinaţie între două sau mai multe materiale diferite din punct de vedere chimic, cu o interfaţă între ele. Materialele constituente îşi menţin identitatea separată (cel puţin la nivel macroscopic) macroscopic) în compozit, totuşi combinarea lor generează ansamblului proprietăţi şi caracteristici diferite de cele ale materialelor componente în parte. Unul din materiale se numeşte matrice şi este definit ca formând faza continuă. Celălalt element principal poartă numel numelee de ranfo ranforsa rsare re (armat (armatura ura)) şi se adaugă adaugă ma matri tricei cei pentru pentru a-i îmbun îmbunătă ătăţi ţi sau mo modi dific ficaa proprietăţile. proprietăţile. Ranforsarea reprezintă faza discontinuă, discontinuă, distribuită distribuită uniform în întregul volum al matricei.” Fibrele sunt elementul care conferă ansamblului caracteristicile de rezistenţă la solicitări. În comparaţie cu matricea, efortul care poate fi preluat este net superior, în timp ce alungirea corespunzătoare este redusă. Matricea prezintă o alungire şi o rezilienţă la rupere mult mai mari, care asigură asigură că fibrele fibrele se rup înainte ca matricea să cedeze. Trebuie Trebuie insa subliniat subliniat faptul faptul că materialul compozit este un ansamblu ansamblu unitar, unitar, în care cele două faze acţionează acţionează împreună, împreună, aşa cum sugerează curba efort – alungire pentru compozit. materiale compozite compozite pot Sistemele Sistemele de ranforsa ranforsare re pentru pentru materiale pot fi obţinu obţinute te utiliz utilizând ând toate toate














stabilitatea dimensională, la proprietăţile mecanice impuse, precum şi la proprietăţile de drapaj / formabilitate ale sistemului de ranforsare. Avantajele materialelor compozite sunt următoarele: •

greutate scăzută în comparaţie cu materialele clasice

•

rezistenţa mare la uzură, coroziune

•

caracteristici mecanice în concordanţă cu necesitatea ulterioară a produsului. produsului.

Costul mai ridicat al acestor materiale se justifică prin precizia, calitatea produselor obţinute, iar funcţionarea acestora conduce la o mărire a fiabilităţii, mentenanţei, şi dacă este vorba de industria automobilelor şi a aeronauticii, de un consum scăzut de energie. Ştiinţa materialelor compozite a apărut din necesitatea unor studii multidisciplinare, pornind de la faptul că elaborarea acestora este complexă, condiţiile de operare în care aceste materiale trebuie să funcţioneze sunt severe, proprietăţile fizice, chimice, magnetice, electrice şi mecanice sunt influenţate de compatibilitatea şi modul de dispunere a elementelor componente. Efortul oamenilor de ştiinţa se orientează către materialele noi, şi implicit asupra tehnicilor de prelucrare şi proiectare analitică a elementelor active necesare prelucrării acestora. Studiul unor tehnologii au scos la iveală că acestea ar putea fi aplicate la scară industrială pentru avantajele economice, performanţa şi simplitatea proiectării. Din punct de vedere 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 Scoţiei, realizat dintr-un material format din fibră de sticlă întărită cu o răşină, ceea ce ar corespunde astăzi unui compozit de tip răşină epoxidică întărită cu fibră de sticlă. În secolul al XIX-lea vergelele de fier erau folosite pentru zidărie punându-se bazele materialelor armate pentru construcţii. construcţii. Prima ambarcaţiune din fibră de sticlă a fost realizată în 1942 şi de asemenea, la acel timp, acest material a fost utilizat în aeronautică şi pentru componentele componentele electrice.














cu matrice metalică au fost introduse în 1970. Dupont a realizat fibrele de Kevlar (sau aramid) în 1973. Materialele compozite

La sfârşitul anilor ‘70 materialele compozite s-au extins în aeronautică, la automobile, articole sportive şi medicină. Sfârşitul anilor 1980 a marcat o creştere semnificativă în utilizarea materialelor cu fibre având modul de elasticitate ridicat, astfel, s-au dezvoltat materiale care să răspundă cerinţelor funcţionării, deci s-a introdus conceptul de proiectare a materialului plecând de la cerinţele tehnice ale produsului. produsului. În ultimii ani, pe de o parte datorită creşterii spectaculoase a consumurilor de material şi, pe de altă parte, datorită rezultatelor cercetării ştiinţifice, a studiilor studiilor privind proprietăţile intime ale unor materiale, s-a trecut la realizarea materialelor compozite, numite de specialişti “de generaţia a II-a” care prezintă o serie de avantaje certe pentru o mare gamă de produse, avantaje dintre care menţionăm: •

•

masa volumică mică în raport cu metalele (compozitele cu răşini epoxidice armate cu fibre de Si, B, C, au masă volumică sub 2 g/cm3); g/cm3); rezistenţa la tracţiune sporită Rm ( compozitul Kevlar are Rm de două ori mai mare decât al sticlei);

•

coeficient de dilatare mic în raport cu metalele;

•

rezistenţa la şoc ridicată;

•

•

•

durabilitate mare în funcţionare (în aceleaşi condiţii de funcţionare, 1kg de Kevlar înlocuieşte 5 kg de oţel, la o durată egală de funcţionare); capacitate mare de amortizare a mortizare a vibraţiilor; siguranţă mare în funcţionare (ruperea unei fibre dintr-o piesă din compozit nu produce o amorsă de rupere a piesei, ca în cazul materialelor clasice); consum consum energ energeti eticc scăzut scăzut la elabor elaborare are în compar comparaţi aţiee cu metale metalele le (pent (pentru ru obţin obţinere ereaa














•

stabilitate termică şi rezistenţă mare la temperatura ridicată (fibrele de Kevlar, teflon, Hyfil sunt stabile până la 500 oC, iar fibrele ceramice tip SiC, Si3Ni4, Al2O3 sunt stabile până la 1400 oC – 2000 2000 oC.














În industria militară se folosesc urmatoarele tipuri de fibre: conţin 80…95% C, sunt uşoare, rezistente la acţiunea agenţilor chimici şi a mediului înconjurător, stabile la temperaturi înalte, bune conducătoare de căldură şi electricitate şi rezistente la tracţiune şi compresiune. – Fibrele de carbon

Se obţin din materii prime solide (cărbune amorf, asfalt de petrol, fibre organice), lichide (gudron, petrol, uleiuri aromatice) sau gazoase (acetilenă, hidrocarburi) care se supun unui proces de combustie incompletă (piroliză con-trolată). Dacă arderea are loc la 1000…1500 oC se obţin fibre de înaltă rezistenţă, iar la 1.800…2.000 oC se obţin fibre cu module de elasticitate foarte bune. Fibrele de carbon se utilizează în construcţia avioanelor militare şi a vehiculelor de înaltă performanţă (discuri de frână), a articolelor sportive (undiţe de pescuit, crose de golf, rachete de tenis, schiuri, arcuri de tir, cadre de biciclete), precum şi a filtrelor de gaze pentru temperaturi înalte. – Fibrele de aramide aramide provin

din poliamide poliamide aromatice şi au fost introduse introduse pe piaţă piaţă în 1973 de către firma DuPont, sub numele de kevlar . Sunt rezistente la tracţiune, la şoc şi la abraziune. De asemenea, sunt rezistente la foc şi la căldură (nu se topesc), precum şi la acţiunea solvenţilor organici. Se folosesc în construcţii aeronautice cu aplicaţii militare, la fabricarea unor ambarcaţiuni uşoare uşoare sau piese piese pentr pentruu vapoar vapoaree (cârm (cârme, e, catarg catarge, e, rezerv rezervoar oaree şi spărgă spărgăto toare are de valuri valuri), ), la fabricarea vestelor antiglonţ şi a căştilor de protecţie. – Fibrele de bor au

fost obţinute în 1959 de firma Texaco din SUA şi utilizate pentru armarea unor compozite folosite de aviaţia militară. Ele au un miez de wolfram pe care se depune, prin vaporizare, un strat subţire de bor şi prezintă rezistenţe la rupere şi la compresiune foarte bune, precum şi un modul de elasticitate înalt şi o rezistenţă la oboseală excepţională. Utilizarea lor este limitată de costul ridicat, de fragilitatea şi duritatea care au valori mari. Duritatea ridicată îngreunează prelucrările mecanice ulterioare care necesită scule armate cu





























permanentă a calităţii accesoriilor purtate de aceştia ac eştia dar şi a materilelor menite a atenua efectele diferitelor mijloace mijloace de atac. Dezvoltarea rapidă a tehnicii începând cu secolul XIX, conflictele armate precum şi amplele mişcări sociale care au caracterizat secolul XX încă din primele decenii, au determinat apariţia şi diversificarea protecţiei individuale prin vestă antiglonţ, impunându-se totodată în mod substanţial şi implicarea industriei constructoare de maşini în dotarea structurilor militare cu maşini maşini de inter interven venţie ţie şi tehni tehnică că de luptă, luptă, dotat dotatee coresp corespunz unzăto ătorr pentru pentru a asigu asigura ra protec protecţia ţia luptătorilor [3]. Trebuie subliniat faptul că principalele calităţi ale unui astfel de mijloc intervenţie nu constau numai în gradul de mobilitate şi capacitatea sa de deplasare în orice teren, ci şi în posibilităţile posibilităţile acestuia de protecţie împotriva împotriva armelor de foc. foc. Pentru Pentru realiz realizare areaa protec protecţie ţieii maşini maşinilor lor de inter interven venţi ţiee împotr împotriva iva armelo armelorr de foc, foc, este este necesar ca acestea să fie înzestrate cu un blindaj relativ rezistent şi uşor. Aceste două proprietăţi – mobilittea şi protecţia prin blindaj – par la prima vedere contradictorii, deoarece pentru a avea o rezistenţă mare placa de blindaj trebuie să fie groasă, iar pentru a fi cât mai uşoară ea trebuie să aibă grosimea cât mai redusă. Problema poate fi rezolvată numai prin realizarea blindajului din materiale de foarte bună calitate, cu rezistenţă ridicată la impact [4]. În timpul războiului din Golf s-a dovedit însă că vehiculele blindate uşoare de luptă dotate cu o protecţie prin blindaj suficientă pentru trupele transportate la bord, au fost în general pe roţi, acest tip de propulsie propulsie având un randament scăzut în condiţiile de deşert cu un nisip fin. Pe de altă parte, vehiculele blindate grele întâmpină dificultăţi la executarea marşurilor pe














vanadiu şi crom. Între cele două plăci de oţel se interpune o placă din materiale ceramice sau materiale plastice armate cu fibră de sticlă [5]. Prin intermediul blindajului multistrat s-a realizat o protecţie eficientă atât împotriva proiectilelor proiectilelor perforante, cât şi a celor cumulative. Există blindaje de acest tip, în care stratul nemetalic interpus între cele două straturi de oţel este “inert”, de tipul masă plastică armată cu fibră de sticlă sau cauciuc special, dar există şi variante în care stratul din mijloc este o folie de exploziv. Acest din urmă tip de blindaj este denumit reactiv-exploziv datorită faptului că jetul muniţiilor cumulative trase asupra blindajului provoacă explozia acestui strat din interior şi, prin interacţiune, are loc perturbarea, devierea şi reducerea în mare măsură a capacităţii de penetrare a jetului cumulativ în interiorul interiorul carcasei tancului. Această soluţie dă rezultate bune împotriva împotriva loviturilor cu energie chimică şi, mai recent, împotriva proiectilelor cu penetrator de tip săgeată (cu energie cinetică). Din categoria materialelor compozite cu destinaţie militară se numără şi o parte din ulti ultime mele le prod produs usee ale ale firm firmei ei Am Amer eric ican an Tech Techno nolo logy gy Ap Appl plic icat atio ions ns Kn Know owle ledg dgee (ATA (ATAK) K) Incorporated [8]. ATAK Inc. are ca obiect de activitate obţinerea unor noi materiale compozite avansate bazate pe fibre ranforsate, cu matrice polimerice folosite în industria de apărare pentru forţele terestre, maritime, dar şi aeriene (fig.2.1.1) [8].














Din categoria materialelor compozite cu destinaţie militară realizate de firma ATAK Inc., sunt sunt de menţio menţionat nat următ următoar oarele ele:: ATAK-M ATAK-MATAT-1, 1, ATAK-M ATAK-MATAT-2, 2, ATAK-M ATAK-MATAT-3, 3, ATAKATAKBLAST-1 şi ATAK-BLAST-2. Astfel, produsul ATAK-MAT-1 este un material compozit cu matrice polimerică, armat cu fibre, rezistent la coroziune şi la foc, fiind gândit special pentru aplicaţii unde rezistenţa la rupere, la perforare, precum şi fiabilitatea ridicată sunt caracteristici cerute simultan, depăşind cu mult condiţiile impuse de standardul MIL-L-46197 MIL-L-46197 (fig.2.1.2) [8].














Fig. 2.1.3 - Caracteristicile blindajului blindajului compozit ATAK-MAT-2 [8]

ATAK-BLAST-1 este un compozit superior celor menţionate mai sus, produs tot de firma ATAK Inc. Acest material compozit cu matrice polimerică armată cu fibre, a fost conceput special pentru blindajul podelei vehiculelor blindate. Pe lângă toleranţa înaltă la şocuri, acesta a fost proiectat pentru a rezista fragmentării minelor cu efect prin suflu şi schije (fig.2.1.4) [8].
















Obţinerea unor materiale stratificate cu destinaţie specială utilizând procedeul de placare prin explozie explozie După cum este cunoscut, datorită efectului lor distructiv, materialele explozive sunt folosite cu precădere în domeniul militar [11]. Astfel, ele intră ca elemente principale în diferite tipuri de muniţie, rachete, în mine terestre sau marine sau ca elemente ele mente cu rol divers în construcţia focoaselor. De asemenea, explozivii pot fi utilizaţi la distrugerea unor construcţii, fortificaţii, poduri, linii linii de cale ferată etc. În jurul anilor 40, cercetarea ştiinţifică a fost atrasă de posibilitatea folosirii explozivilor în scopuri tehnologice, tehnologice, la operaţiile de prelucrare a metalelor. Ca urmare, s-au elaborat mai multe tehnologii tehnologii noi printre care şi procedeul de sudare şi placare prin explozie. Procedeul de sudare şi placare prin explozie (în care se încadrează şi placarea prin explozie a unor straturi metalice subţiri), prezintă o serie de avantaje incontestabile: posibilitatea sudării unor combinaţii metalice "incompatibile" prin alt procedeu, rapiditate de execuţie (deci posibili obţinerii unei productivităţi productivităţi ridicate), dar şi posibilit realizării în ţară














Fig. 2.1.5 - Reprezentarea Reprezentarea schematică şi principială a procedeului procedeului de sudare prin explozie explozie



























datori datorită tă propri proprietă etăţil ţilor or pe care care le deţin, deţin, pot pot satisf satisface ace în mare mare măsur măsurăă cerin cerinţel ţelee impuse impuse de beneficiari.














Grumman X-29 (fig. 2.2.1) sau Suhoi Su-47 Berkut (fig. 2.2.2), nu ar fi putut fi posibilă fără existenţa unor materiale care să prevină deformarea capetelor de plan la viteze mari.

Fig. 2.2.1 Avion Grumman X-29

Fig. 2.2.2 Avion Suhoi Su-47 Berkut

Compozitele sunt cele mai importante materiale adoptate în construcţiile aeronautice
















Fig. 2.2.3 Avionul Grumman F-14 Tomcat La nivelul anului 1981, avionul cu decolare scurtă şi aterizare a terizare verticală British Aerospace McDonnell Douglas AV-8B Harrier II (fig. 2.2.4) avea deja 25% din structura sa din materiale compozite.














Compozitele prezintă însă şi unele dezavantaje majore – sunt scumpe, deoarece fabricaţia lor implică manoperă multă şi maşini scumpe, inspecţia defectelor este dificilă, iar în caz de deteriorare este necesară înlocuirea imediată. Prin comparaţie, componentele din aluminiu sunt mult mai uşor de fabricat şi reparat. Totuşi, datorită avantajelor pe care le prezintă materialele compozite şi perfecţionării tehnologiilor de fabricaţie, utilizarea acestora în construcţiile aeronautice a luat amploare în ultimele decenii.





























































































































































Proiect Materiale compozite

Recommend Documents