บทที่ 14 Composite materialpersonel.eng.cmu.ac.th/~wasawat/14 Composite material.pdf ·...
Transcript of บทที่ 14 Composite materialpersonel.eng.cmu.ac.th/~wasawat/14 Composite material.pdf ·...
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.