บทนาเกยวกบวสดผสมบทนาเกยวกบวสดผสม

ใ ใ วสดผสมทสาคญในงานวศวกรรมวสดผสมทสาคญในงานวศวกรรม

• 1. Particle-reinforced composites

• 2 Fiber-reinforced composites2. Fiber reinforced composites

• 3. Structural composites

2

เปนระบบของวสดทประกอบดวยของผสม หรอเปนการรวมกนของสารเปนระบบของวสดทประกอบดวยของผสม หรอเปนการรวมกนของสาร

ตงแต 2 ชนดขนไปทงในขนาด ไมโคร (Micro) หรอ แมคโคร (Macro) ก

ได ทองคประกอบทางเคมแตกตางกนและจะตองไมละลายเขาดวยกนได ทองคประกอบทางเคมแตกตางกนและจะตองไมละลายเขาดวยกน

วสดผสมทไดจะมคณสมบตดเปนพเศษ หรอ ใหมลกษณะทสาคญบางอยาง

แตกตางไปจากเดม

3

4

COMPOSITE SURVEY: Particle

Particle-reinforced Fiber-reinforced Structural

• Examples:-Spheroidite

steelmatrix: ferrite (α)

particles: cementite

F Csteel

(ductile) ( Fe3 C)

(brittle)60 μm

-WC/Co cemented

matrix: cobalt (ductile)

particles: WC (brittle carbide (ductile) (brittle, hard)Vm:

10-15vol%! 600 μm

-Automobile tires

matrix: rubber (compliant)

particles: C ( tiff )

5

(compliant) (stiffer)

0.75 μm

1.1 ขอมลทวไปเกยวกบคอนกรต

1 2 ปนซเมนตพอรตแลนด (Portland Cement 1.2 ปนซเมนตพอรตแลนด (Portland Cement

Concrete)1.3 คอนกรตเสรมแรง และพรสเตรสคอนกรต 1.3 คอนกรตเสรมแรง และพรสเตรสคอนกรต

(Reinforced and Pre-stressed Concrete)

6

ใ เปนวสดผสมประเภทเซรามคทมอนภาคหยาบของวสดฝงตวอยในเมทรกซแขงของเนอ

ซเมนตโ ป ป ไป ป โดยปกตจะประกอบไปดวยปนซเมนตพอรตแลนด 7-15% นา 14-21% อากาศ 0.5-8%

สวนผสมทละเอยดเปนผง 24-30% และสวนผสมทเปนอนภาคหยาบ 31-51%

นาไปใชงานหลกในการกอสราง สะพาน อาคาร เขอน กาแพง ถนน

งายตอการออกแบบและเปลยนแปลง สามารถหลอได

ไ ไประหยด ราคาถก ทนทาน ปองกนไฟได

ป ไ สามารถประกอบและสรางทบรเวณงานได

ขอเสยคอ ม t il t th ตา มความออนตวและความเหนยวตา มการหดตวบาง7

ขอเสยคอ ม tensile strength ตา มความออนตวและความเหนยวตา มการหดตวบาง

8

ประกอบไปดวยปนขาว (Cao) ซลกา (Sio ) อะลมนา (Al o ) และเหลกออกไซด ประกอบไปดวยปนขาว (Cao) ซลกา (Sio2) อะลมนา (Al2o3) และเหลกออกไซด

(Fe2o3)

Type I: ปนซเมนตพอรตแลนดทใชทวไป ไมถกกบดนและนาทมซลเฟตสง มกใชทาคอนกรตเสรม

ทางเทา อาคารคอนกรตเสรมแรง สะพาน ทอระบายนา แทงคนา และอางเกบนา

Type II: ใชกบงานทมซลเฟตปานกลาง เชนทางระบายนาทมความเขมขนของซลเฟตในนาบาดาล

สงกวาปกต และยงใชในสภาพทรอนของโครงสรางใหญ เชน ตอมอใหญ กาแพงเกบกกนาใหญสงกวาปกต และยงใชในสภาพทรอนของโครงสรางใหญ เชน ตอมอใหญ กาแพงเกบกกนาใหญ

Type III: มความแขงแรงสงกวาดงเดม ใชทาคอนกรตทตองเอาโครงสรางออกเรว เพอใหไดงาน

เรวขน

Type IV: ใชกบงานทาคอนกรตทเปนโครงสราง โดยใชซเมนตจานวนมากๆ เชน สรางเขอนใหญๆType IV: ใชกบงานทาคอนกรตทเปนโครงสราง โดยใชซเมนตจานวนมากๆ เชน สรางเขอนใหญๆ

Type V: ตานทานการทาลายจากซลเฟต จงใชกบงานทาคอนกรตทตองถกกบดนและนาบาดาลท

9

Type V: ตานทานการทาลายจากซลเฟต จงใชกบงานทาคอนกรตทตองถกกบดนและนาบาดาลท

มซลเฟตสง

10

(R i f d )คอนกรตทรบแรงดง

เชน คานคอนกรต

คอนกรตเสรมแรง (Reinforced concrete)

โดยทวไปความทน

แรงดงของคอนกรต

เชน คานคอนกรต

จะมเหลกเสรมแรง

อยในคาน เรยกวา

เหลกทเสรมแรงใน

คานคอนกรตอาจจะแรงดงของคอนกรต

จะตากวาคอนกรต

แรงอดประมาณ 10-

อยในคาน เรยกวา

คอนกรตเสรมแรง

(Reinforced

อยในรปของแทง

เหลก เหลกเสน

แรงอดประมาณ 10

15 เทา

(Reinforced

concrete) ซงจะทน

แรงดงและตานทาน

ตะแกรงเหลก หรอ

ตาขายเหลก เปนตนแรงดงแล ตานทาน

การโคงไดด

11

12

เปนคอนกรตททาใหเกด

ใ

การใหแรงอดไมวาจะเปน

pretension หรอ post tension ความเคนในเหลกท

เสรมแรงกอน

pretension หรอ post tension

สามารถเพมความทนทานตอแรงดง

ของคอนกรตเสรมแรงได

เหลกทใชเสรมแรงในกรณกรณ pretension เทนดนสจะอยในรปของ

ไ โเหลกทใชเสรมแรงในกรณ

นเรยกวา เทนดนส

(tendons)

สายเคเบลทไดจากลวดหลายเสนพนกน โดย

ยดปลายไวทจดยดและแมแรง พรอมทงมการ

ใหแรงกอนเทคอนกรต เมอคอนกรตแขงตวจะ(tendons) ใหแรงกอนเทคอนกรต เมอคอนกรตแขงตวจะ

ไดความเคนเพมขนในคอนกรต

ในกรณทเปน post tension จะมการใสเหลกเทนดนสลงไปในทอกลวง ท

มการยดในลกษณะเดยวกบ pretension จากนนเทคอนกรตจนแขงตว

แลวจงอดปนซเมนตเขาไปใหเตมทปลายหนงดวยความดนสง ปนจะทาให

13

แลวจงอดปนซเมนตเขาไปใหเตมทปลายหนงดวยความดนสง ปนจะทาให

คอนกรตรบแรงกด และสามารถโคงงอไดมากขน

14

Pretension

Post tension

15

Ali d C ti fib

Fiber-reinforcedParticle-reinforced Structural

• Aligned Continuous fibers• Examples:

--Metal: γ'(Ni3Al)-α(Mo)--Glass w/SiC fibers

formed by glass slurryby eutectic solidification.

formed by glass slurryEglass = 76GPa; ESiC = 400GPa.

matrix: α (Mo) (ductile)

(a) fracture surface

2 μm

surface

(b)fibers:γ’ (Ni3 Al) (brittle)

16

17

Di ti d 2D fib

Fiber-reinforcedParticle-reinforced Structural

• Discontinuous, random 2D fibers• Example: Carbon-Carbon

--process: fiber/pitch, thenC fibers: very stiff p p

burn out at up to 2500oC.--uses: disk brakes, gas

turbine exhaust flaps, nose

(b)

yvery strongC matrix: less stiff turbine exhaust flaps, nose

cones.fibers lie in plane

view onto plane less strong

• Other variations:Di ti d 3D

(a)

--Discontinuous, random 3D--Discontinuous, 1D

18

• เสนใยเสรมแรง 3 ประเภท

1 เสนใยแกว (GFRP) 1. เสนใยแกว (GFRP)

2. เสนใยคารบอน (CFRP)

3. เสนใยอะรามด

19

ใยแกวทนามาใชเสรมแรงพลาสตก เพอใหมโครงสรางแบบ

ส ส ใ ส Fib lวสดผสมและใชสาหรบทาแมพมพ เชน Fiberglass

มลกษณะเฉพาะทดคอ มความแขงแรงสง มรปทรงทเสถยร

เปนฉนวนความรอน-เยนทด ไมดดความชน ทนทานตอการผ

ป ไฟฟ ป กรอน เปนฉนวนไฟฟาทด ขนรปงาย และมราคาคอนขางถก

แกวทใชทาใยแกวทสาคญม 2 ประเภท คอ E (electrical)

glass และ S (High-strength) glasses

20

GFRP

21

เปนใยแกวทใชกนมากทสดและใชกบกระบวนการผลตแบบตอเนอง

ไ ป Li l i b iliไดจากสารประกอบของ Lime-aluminum-borosilicate

SiO2 (52-56%) Al2O3 (12-16%) CaO (16-25%) B2O3 (8-13%)

E glass บรสทธม tensile strength 3.44 GPa และ Modulus of

22elasticity 72.3 GPa

มคาอตราสวนของ strength ตอนาหนกสงกวาและราคาแพงกวา E glass

ใ ใ ในยคแรกถกใชทางทหารและอวกาศ

มองคประกอบคอ SiO (65%) Al O (25%) MgO (10%) มองคประกอบคอ SiO2 (65%) Al2O3 (25%) MgO (10%)

ม tensile strength 4.48 GPa และ Modulus of elasticity 85.4 GPa

23

E glass fiber S glass fiber

24

เสนใยคารบอน (carbon fiber) ทามาจากวตถดบ 2 ชนด คอ พอลอะครโลไนไทรล

(Polyacrylonitrile PAN) และยางมะตอย รวมกนเรยกวา PAN–precursor กอนทจะ(Polyacrylonitrile, PAN) และยางมะตอย รวมกนเรยกวา PAN precursor กอนทจะ

นาไปผลตเปนเสนใยคารบอนตอไป

เสนใยคารบอนมกถกนาไปใชเสรมแรงใหกบพลาสตกเรซน เชน อพอกซ

จะไดวสดทมนาหนกเบา แขงแรงสง แขงตว ไมโคงงองาย

มกใชในงานดานยานอวกาศ เครองบน และเนองจากราคาสงจงไมคอยมการนาไปใชใน

งานอตสาหกรรมรถยนตงานอตสาหกรรมรถยนต

ม tensile strength 2.34-3.17 GPa และ Modulus of elasticity 193-413 GPa

25และจะมคาเพมขนอยางตอเนองเมอใชอณหภมในการเผาเพมมากขน

CFRP

26

เปนชอทวไปของเสนใยอะโรมาตกพอลอะไมดไฟเบอร โดยมชอทางการคาวา เคบลาร (Ke lar) เปนชอทวไปของเสนใยอะโรมาตกพอลอะไมดไฟเบอร โดยมชอทางการคาวา เคบลาร (Kevlar)

โดยทวไปมนาหนกเบา ความแขงแรงและเหนยวสง ทนทานตอการชารด ความลา

เคบลารทขายกนมอย 2 แบบคอ เคบลารเบอร 29 (ความหนาแนนตา มความแขงแรงสง

ใ ออกแบบมาเพอใชปองกนกระสน ขปนาวธเชอก สายเคเบล และ เบอร 49 (ความหนาแนนตา ม

ความแขงแรงและมอดลสสง มกใชในการเสรมแรงพลาสตก สรางเครองบน เรอ รถยนต และ

ประยกตใชในอตสาหกรรมอนๆ)ประยกตใชในอตสาหกรรมอนๆ)

หนวยยอยทางเคมของโซเคบลารพอลเมอร คอ อะโรมาตก พอลอะไมด ทมพนธะไฮโดรเจนสราง

27พนธะดานขวาง โดยรวมแลวเสนใยจะมความแขงแรงสงตามยาวจะไมแขงแรงตามขวาง

28

29Aramid

• ใยแกวม tensile strength และ Modulus of elasticity ตากวาใย

คารบอน และใยอะรามด แตมคาความยดและความหนาแนน

มากกวา

• ใยแกวเปนทนยมใชมากทสดในการเสรมแรงพลาสตกเพราะมราคา

ถก

30

โ วสดผสมโลหะเมทรกซ (Metal – Matrix Composite, MMCs)

เปนวสดโลหะผสมทไดรบการเสรมแรง

เปนวสดทมความแขงแรงมากตออตราสวนโดยนาหนก

ส ใ ใ ส ( ส ใ ) สวนมากใชในงานอตสาหกรรม (เชนสรางเครองยนตในรถยนต) และการพฒนา

เครองบน

ไ โดยทวไปม MMCs ทสาคญ 3 แบบ คอ

1. เสรมแรงดวย continuous fiber

2. เสรมแรงดวย discontinuous fiber

3 เสรมแรงดวยอนภาค particulate reinforced

31

3. เสรมแรงดวยอนภาค particulate reinforced

- เสนใยทยาวมากๆ เมอนามาทา MMCs จะชวยปรบปรงความแขงและความแขงแรงของ MMCs ใหดยงขน

ใ โ - อะลมเนยมผสมเมทรกซทเสรมแรงดวยใยโบรอนเปน MMCs ชนดแรกทถกพฒนาขน โดยอาศยกระบวนการอดรอนเสนใยโบรอนระหวางแผนบางๆ ของอะลมเนยม ทาใหแผนอะลมเนยมเขาไปลอมรอบเสนใยโบรอน ทาใหเกดพนธะอะลมเนยม ทาใหแผนอะลมเนยมเขาไปลอมรอบเสนใยโบรอน ทาใหเกดพนธะระหวางกนขน ได continuous-B-fiber-aluminum alloy matrix

- continuous fiber อนๆ เชน continuous-fiber SiC, แกรไฟตอะลมนา, เสนๆ , ,ใยทงสเตน

- การนา continuous-fiber SiC มาเสรมแรงโลหะผสมไทเทเนยมอลมไนดเมท

รกซ เพอสรางเครองบนความเรวเหนอเสยง เชน The National Aerospaceplane

32

33

- มขอไดเปรยบทางวศวกรรมกวาโลหะผสมทไมมการเสรมแรง

ทงในดานความแขง ความแขงแรง และความเหนยว และมใน น ว ม ข ว ม ข ร ล ว ม นยว ล ม

รปทรงทเสถยรกวา

- หลกการผลตคลายกบกรณตอเนอง ตางกนทสงทนาไป

เสรมแรงเสรมแรง

- สวนใหญเมอพดถง MMCs จะเนนไปท Aluminum alloy มก

ใชทาจรวดนาวถ ลกสบรถยนต

34

Silicon Carbide

35

36

เปนวสดเซรามกผสมทไดรบการเสรมแรง

เปนวสดทมความแขง ความแขงแรง และความเหนยวทดขน

โดยทวไปม CMCs ทสาคญ 3 แบบ คอ

• 1. เสรมแรงดวย continuous fiber

• 2. เสรมแรงดวย discontinuous fiber

• 3. เสรมแรงดวยอนภาค particulate reinforced

37

- เสนใยทใชคอซลกอนคารไบด (SiC) และอะลมเนยมออกไซด (Al2O3)

ใ ป - กระบวนการคอนาเสนใยมาถกเปนผนเสอแลวทา Chemical VaporDeposition หรอใชเสนใยหมดวยวสดแกว-เซรามก

- ใชในการทาหลอดแลกเปลยนความรอน ระบบปองกนความรอน วสดปองกนการกดกรอนในสงแวดลอม

- สามารถชวยเพมความทนทานของเซรามกสามารถชวยเพมความทนทานของเซรามก

- การใชเสนใยทสนและอนภาคทาใหไดเปรยบทสามารถทาในอตสาหกรรมไดดวยกระบวนการเซรามกธรรมดา เชน h t i t ti

38

อตสาหกรรมไดดวยกระบวนการเซรามกธรรมดา เชน hot isostaticpressing (Hiping)

Silicon carbide ceramic

39

ใ ใ • เรมตนจากการดงแกวทกาลงหลอมอยในเตาใหออกมาเปน

เสนเลกๆ แลวนามาปนดวยกนทาเปนเกลยวเสนเลกๆ แลวนามาปนดวยกนทาเปนเกลยว

• นาเสนใยทไดมาทาถก ทอ เปนใยแกวประเภทตางๆ ท• นาเสนใยทไดมาทาถก ทอ เปนใยแกวประเภทตางๆ ท

เหมาะแกการใชงานทแตกตางกน

40

กระบวนการผลตใย

แกวในอตสาหกรรม

41

42

P lt i ( ป)Pultrusion (การดงยดขนรป)

43

Prepreg production Filament Prepreg production process

Filament winding

44

Prepreg production process

45

Filament windingg

46

COMPOSITE SURVEY: Structural

StructuralFiber-reinforcedParticle-reinforced

• Stacked and bonded fiber-reinforced sheets-- stacking sequence: e.g., 0/90

benefit: balanced in plane stiffness-- benefit: balanced, in-plane stiffness

• Sandwich panels-- low density, honeycomb core-- benefit: small weight large bending stiffnessbenefit: small weight, large bending stiffness

h badhesive layer

face sheet

honeycomb

47

Sandwich Panels

Laminar Composites

48

• Composites are classified according to:-- the matrix material (CMC, MMC, PMC)-- the reinforcement geometry (particles, fibers, layers).

• Composites enhance matrix properties:• Composites enhance matrix properties:-- MMC: enhance σy, TS, creep performance-- CMC: enhance Kc

-- PMC: enhance E, σy, TS, creep performance• Particulate-reinforced:

-- Elastic modulus can be estimated-- Elastic modulus can be estimated.-- Properties are isotropic.

• Fiber-reinforced:-- Elastic modulus and TS can be estimated along fiber dir.-- Properties can be isotropic or anisotropic.

• Structural:

49

• Structural:-- Based on build-up of sandwiches in layered form.