ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ
Τα σύνθετα υλικά είναι μια σχετικά καινούργια κατηγορία μηχανολογικών υλικών. Δεν βρίσκονται αυτούσια στη φύση όπως π.χ. τα μεταλλικά υλικά, αλλά αποτελούνται από δύο ή περισσότερα υλικά με διαφορετικές μηχανικές ιδιότητες. Αυτά τα υλικά συνδυάζονται μεταξύ τους και το τελικό προϊόν έχει ιδιότητες βελτιωμένες σχετικά με τα επιμέρους υλικά που το αποτελούν.
Αποτελούνται από τη μήτρα και την ενίσχυση. Η μήτρα -η οποία στην περίπτωση που εξετάζουμε είναι η ρητίνη- αποτελεί το υλικό που εγκλείει το ενισχυτικό υλικό. To ενισχυτικό υλικό στην περίπτωσή μας είναι υαλονήματα (είτε σε μορφή CSM-chopped strand mat, είτε σε μορφή υφάσματος), ύφασμα αραμιδίου (kevlar) ή ύφασμα ανθρακονημάτων (carbon) που είναι και τα πιο διαδεδομένα. Με το συνδυασμό μήτρας και ενίσχυσης, επιτυγχάνονται ισχυροί δεσμοί μεταξύ των επιφανειών επαφής τους και το αποτέλεσμα είναι ένα υλικό με πολύ καλές μηχανικές ιδιότητες.
ΕΝΙΣΧΥΤΙΚΟ ΣΩΜΑ
Υπάρχουν 3 είδη ενισχυτικών υλικών ή εγκλεισμάτων, όπως αποκαλούνται. Αυτά που βρίσκονται σε μορφή κόκκων, ινών και στρωμάτων. Εμάς μας ενδιαφέρουν εκείνα που είναι σε μορφή ινών.
Τα είδη των ινών είναι τα ακόλουθα:
α) E-Glass
Οι ίνες γυαλιού κατασκευάζονται με την τήξη κόκκων γυαλιού και αφού το υλικό αυτό περαστεί μέσα από πολυάριθμες μικροσκοπικές οπές στις οποίες το υλικό ψύχεται και τελικά παίρνει την τελική μορφή των ινών. Αυτές οι ίνες λεπτύνονται περαιτέρω αφότου δεχτούν εφελκυστικές τάσεις την ώρα που οδηγούνται σε κυκλικές κουλούρες.
Οι μεμονωμένες ίνες γυαλιού έχουν 2-3 φορές μεγαλύτερη αντοχή από το ατσάλι. Αφότου όμως αυτές οι ίνες πλεχθούν σε ένα ύφασμα, χάνουν μέρος από την αρχική τους αντοχή λόγω της ιδιόμορφης τοποθέτησής τους μέσα στο ύφασμα.
Πλεονεκτήματα:
1) Χαμηλό κόστος
2) Υψηλή αντοχή σε εφελκυσμό
3) Υψηλή αντίσταση σε χημικές "επιθέσεις"
4) Πολύ καλές μονωτικές ιδιότητες
Μειονεκτήματα:
1) Σχετικά χαμηλό μέτρο ελαστικότητας σε εφελκυσμό
2) Υψηλή πυκνότητα
3) Ευαισθησία στη χάραξη
4) Υψηλές τιμές σκληρότητας
Το αρνητικό των ινών γυαλιού σε σχέση με το ατσάλι είναι η χαμηλή τους ακαμψία. Αν και αντέχουν μεγάλες δυνάμεις μέχρι να σπάσουν, οι δυνάμεις αυτές τους προκαλούν σχετικά μεγάλες παραμορφώσεις.
β) Carbon
Η ίνα άνθρακα παράγεται από το πολυακρυλονιτρίλιο (PAN) το οποίο ύστερα από ειδική κατεργασία (spinning-stretching) για συγκεκριμένο χρόνο και σε συγκεκριμένη θερμοκρασία παίρνει τη μορφή κλωστής η οποία ύστερα από θέρμανση στους 1000-2000 παράγεται η καρβονική ίνα. Ανάλογα με τον τύπο της τελευταίας διαδικασίας το τελικό προιόν θα διαφέρει στις μηχανικές ιδιότητες. Έτσι μπορούμε να παράγουμε υψηλής αντοχής (HS-high strenth carbon fiber), αλλά σχετικά χαμηλής ακαμψίας, ίνα, ή υψηλής ακαμψίας αλλά σχετικά χαμηλής αντοχής ίνα (ΗΜ-high modulus carbon fiber).
Πλεονεκτήματα:
1) Εξαιρετικά υψηλή σχετική αντοχή σε εφελκυσμό (για δεδομένο βάρος)
2) Υψηλό σχετικό μέτρο ελαστικότητας (για δεδομένο βάρος)
3) Πολύ χαμηλό δείκτη γραμμικής θερμικής παραμόρφωσης
4) Υψηλή αντοχή σε κόπωση
5) Υψηλή θερμική αγωγιμότητα ( υψηλότερη ακόμη και από εκείνη του χαλκού!! )
Μειονεκτήματα
1) Χαμηλή αντοχή σε χτυπήματα (impact resistance), γι'αυτό και όταν τρακάρει ένα μονοθέσιο της F1, το ανθρακόνημα γίνεται χίλια κομμάτια.
2) Υψηλή ηλεκτρική αγωγιμότητα.
Ακόμη κι όταν οι ίνες άνθρακα βρίσκονται εντός της σχετικά αδύναμης μήτρας (ρητίνης), το τελικό προιόν έχει υψηλότερη αντοχή από το ατσάλι και μόνο ελαφρώς χαμηλότερη ακαμψία, όταν συγκρίνονται με βάση τον όγκο τους. Όταν δε συγκριθούν με βάση το βάρος η διαφορά υπέρ του ανθρακονήματος είναι τεράστια!
β) Aramid (kevlar)
Το kevlar είναι αρωματικές ενώσεις πολυαμιδίου και οι ίνες του προσφέρουν την υψηλότερη σχετική αντοχή σε εφελκυσμό από όλες τις ίνες. Χρησιμοποιείται στα αλεξίσφαιρα γιλέκα!
Πλεονεκτήματα:
1) Χαμηλή πυκνότητα
2) Υψηλή σχετικέ αντοχή σε εφελκυσμό για δεδομένο βάρος
3) Υψηλή αντοχή σε χτυπήματα (impact resistance)
4) Ολκιμότητα - το τελικό προιόν από kevlar όταν συγκρούεται έχει τις ιδιότητες μετάλλου και δεν κομματιάζεται όπως το carbon.
Μειονεκτήματα:
1) Χαμηλή αντοχή σε θλίψη
2) Δυσκολία στην κοπή των ινών.
ΥΦΑΝΣΗ ΙΝΩΝ
Υπάρχει μεγάλη ποικιλία διαφορετικών υφάνσεων για όλες τα είδη των ινών. Διαφοροποιείται ο αριθμός των ινών σε κάθε δέσμη, πόσος ελεύθερος χώρος υπάρχει μεταξύ δεσμών, ο τρόπος ύφανσης μεταξύ των δεσμών και διάφοροι άλλοι παράγοντες.
Μερικά υφάσματα έχουν τις ίνες να διατρέχουν το ύφασμα κατά μόνο μία διεύθυνση. Αυτά τα υφάσματα ονομάζονται unidirectional και διατηρούν τα μηχανικά τους χαρακτηριστικά μόνο κατά τη διεύθυνση των ινών.
Το θετικό των unidirectional είναι ότι οι ίνες μπορούν να τοποθετηθούν πολύ κοντά μεταξύ τους, ελαχιστοποιώντας την ποσότητα της ρητίνης που θα χρειαστεί. Μπορεί να επιτευχθεί πάνω από 75% ινών κατά βάρος σε ένα αντικείμενο! Τα προϊόντα που παράγονται με uni υφάσματα έχουν τη μέγιστη αντοχή και ακαμψία, όμως μπορούν να δεχτούν δυνάμεις μόνο κατά μία διεύθυνση.
Το ύφασμα "plain weave" χαρακτηρίζεται από το ότι μία δέσμη περνά κάτω από μία κάθετή της δέσμη κ.ο.κ. Πρόκειται για απλή και φθηνή ύφανση, όμως λόγω του ότι οι δέσμες παίρνουν μεγάλες γωνίες στο ύφασμα, οι ίνες παρουσιάζουν προβλήματα λυγισμού.
Πιο συνηθισμένη είναι η "twill weave" ή αλλιώς 2x2.
Εδώ η γωνίες των δεσμών είναι σημαντικά μειωμένες και έχουμε 2 δέσμες πάνω, δύο δέσμες κάτω.
Από κει και πέρα υπάρχουν οι satin υφάνσεις που είναι πιο πολύπλοκες όπως φαίνεται και στην παραπάνω εικόνα.
Όσον αφορά το fiberglass και μόνο, υπάρχει η παλιά κλασική "χύμα" εκδοχή η οποία ονομάζεται chopped strand mat (CSM) η οποία παρουσιάζει κατώτερες μηχανικές ιδιότητες, όμως το κόστος του είναι πολύ χαμηλό. Οι χύμα ίνες συγκρατούνται με μια ειδική χημική ένωση η οποία διασπάται όταν ενωθεί με τη ρητίνη.
Το συνημμένο 1493907812_chopped_strand_mat.jpg δεν είναι πλέον διαθέσιμο