Komposiitit
Komposiitit Useamman materiaalin / materiaaliryhmän yhdistelmä Materiaalin ja rakenteen välimaastossa Matriisi lujite (tai funktionaalisesti valitut materiaalit)
Materiaali Rakennesuunnittelu Kudotut rakenteet Functionally graded Komposiitit ALM Vaahdot 31.3.2016 4
Jatkumo Materiaali Mikrorakenne Komposiitit Monimateriaalirakenteet Rakenne 31.3.2016 5
31.3.2016 6
Laaja kirjo materiaaleja Paljon materiaaleja => Paljon paljon yhdistelmiä n materiaalia => n! mahdollista eri yhdistelmää 31.3.2016 7
Materiaaliyhdistelmät Matriisi Lujite Muovi Keraami (hiilikuitu, lasikuitu) Keraami Muovi (muovilujitetut keraamit) Muovi Metalli (esim. hiontarakeet) Metalli Keraami (kovametallit, MMC) Keraami Metalli (teräsbetoni) 31.3.2016 8
"Korkeamman asteen komposiitit" Vaahtoydinrakenteet Ply-steel 31.3.2016 9
Kevytrakennetekniikka "Perinteiset" komposiitit Hiilikuitu epoksi / polymeeri Lasikuitu epoksi / polymeeri Aramid ym. polymeerikuitu 31.3.2016 10
Kulutusta kestävät kohteet Leikkaimet, kulutuspinnat, TBC-pinnoitteet, jne. Metallimatriisikomposiitit Kovametallit 31.3.2016 11
Matriisi vs. lujite Venymien tulee olla jatkuvia rajapinnalla Kimmokerrointen sopivuus Lämpölaajenemiskertoimien sopivuus 31.3.2016 12
Timo Kiesi 13
Timo Kiesi 14
Timo Kiesi 15
Terminologiaa Komposiitit Monifaasisia materiaaleja, joissa merkittävä määrä kyseisiä faaseja Matriisi Jatkuva, yhtenäinen faasi Tarkoitus: - siirtää kuormitus toisiin faaseihin - suojata sisäosan usein hauraita faaseja ympäristöltä Jaetaan ryhmiin matriisin mukaan: - Metalli- (MMC), polymeeri- (PMC) ja keraamimatriisikomposiitit (CMC) Lujite Tarkoitus. Parantaa matriisin ominaisuutta - MMC: lujuus, viruminen - PMC: jäykkyys, lujuus, viruminen - CMC: sitkeys, kuluminen woven fibers 0.5mm cross section view 0.5mm Reprinted with permission from D. Hull and T.W. Clyne, An Introduction to Composite Materials, 2nd ed., Cambridge University Press, New York, 1996, Fig. 3.6, p. 47. Timo Kiesi 16
Lujitemateriaali komposiitissa periaatteellisella tasolla: a) määrä, b) koko, c) muoto d) Jakauma & e) suunta Timo Kiesi 17
Timo Kiesi 18
E c u = E m V m + E p V p WC-Co cermet (kovametalli) Wolframikarbidia kobolttimatriisissa E m E p E c l = E m V p + E p V m Timo Kiesi 19
Auton rengas: synteettinen kumi lujitettuna erittäin hienojakoisella (20 50 nm) hiilellä ( hiilimusta ) Kuvan suurennos 80 000 X Timo Kiesi 20
Timo Kiesi 21
Yleisimpiä kuitumateriaaleja: (huomaa GPa)! Timo Kiesi 22
Matriisin ja kuidun rajapinta siirtää kuormituksen matriisista kuitumateriaaliin Timo Kiesi 23
Jotta kuormitus siirtyy tehokkaasti kuituun, tulee kuidun olla riittävän pitkä l c = σ f d 2τ c Timo Kiesi 24
Timo Kiesi 25
Komposiitin kimmokerroin - suunnatut, jatkuvat kuidut Kuitu on jatkuva kun: l l c yleensä l > 15 l c Kimmokerroin kuitujen suuntaan: E cl = E m V m + E f V f Kimmokerroin kuitujen poikkisuuntaan: E ct = E me f E f V m +E m V f Timo Kiesi 26
t16_01_pg592 Timo Kiesi 27
Suunnattu, jatkuva Suunnattu, epäjatkuva Ei suunnattu, epäjatkuva Timo Kiesi 28
Komposiitin murtolujuus Pitkittäinen suunta, jatkuva ja suunnattu kuitu: σ cl = σ m 1 V f + σ f V f Pitkittäinen suunta, epäjatkuva ja suunnattu kuitu (l > l c ): σ cd = σ f V f 1 l c + σ 2l m 1 V f Pitkittäinen suunta, epäjatkuva ja säikeinen kuitu (l < l c ): σ cd = lτ c d V f + σ m 1 V f Timo Kiesi 29
Lasikuidun ominaisuudet Timo Kiesi 30
Timo Kiesi 31
Timo Kiesi 32
Timo Kiesi 33
Timo Kiesi 34
Muita komposiitteja Metallimatriisikomposiitit Erityisesti korkean käyttölämpötilan kohteita, rakenteiden keventäminen Keraamimatriisikomposiitit Esimerkiksi whiskerilujitetut, sitkeyden parantaminen Hiili-hiili-komposiitit Erittäin korkean lämpötilan kohteet Timo Kiesi 35
31.3.2016 36
Timo Kiesi 37
Laminoidut kerrosrakenteet Kuitumatot eri orientaatiossa kerroksittain Timo Kiesi 38
Sandwitch-rakenteet Keveät, jäykät rakenteet Timo Kiesi 39
Pinta esim. metallit Täyte esim. vaahto Saadaan yhdistelmärakenteita, joilla saadaan jäykkiä, mutta keveitä rakenteita. Timo Kiesi 40
By José A. Montes (Flickr: Boeing 787 Dreamliner N787BX) [CC-BY-2.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/2.0)], via Wikimedia Commons US Marine Corps Flickr image, used under Creative Commons license. Timo Kiesi 41
Timo Kiesi 42
Yhteenveto 31.3.2016 43
Kurssin oppimistavoitteet Ennen Nyt Kiderakenne Mikrorakenne
Ennen Nyt 31.3.2016 45
Ennen Nyt Ominaisuudet E Lujuus Metalli Muovi Keraami Koostumus Mikrorakenne Vauriomuodot Korroo sio Väsym inen Väsym inen 31.3.2016 46
Show me the money! 31.3.2016 47
Tärkeää koska Materiaalinvalintapäätöksillä kauaskantoisia seurauksia Yleistason käsitys materiaaleista Huijarisuoja Riskiarvio 31.3.2016 48
... ja lisäksi Pohja jatko-opinnoille Peruskäsitteet materiaaliopista 31.3.2016 49
31.3.2016 50