Composites

Composites

1 May 2020 Off By Sdbamie

16) Composites

 

16.1 Introduction

The idea is that by combining two or more distinct materials one can engineer a new material with the desired combination of properties (e.g., light, strong, corrosion resistant). The idea that a better combination of properties can be achieved is called the principle of combined action.
New – High-tech materials, engineered to specific applications
Old – brick-straw composites, paper, known for > 5000 years.
A type of composite that has been discussed is perlitic steel, which combines hard, brittle cementite with soft, ductile ferrite to get a superior material.
Natural composites: wood (polymer-polymer), bones (polymer-ceramics).
Usual composites have just two phases:

  • matrix (continuous)
  • dispersed phase (particulates, fibers)

Properties of composites depend on

  • properties of phases
  • geometry of dispersed phase (particle size, distribution, orientation)
  • amount of phase

Classification of composites: three main categories:

  • particle-reinforced (large-particle and dispersion-strengthened)
  • fiber-reinforced (continuous (aligned) and short fibers (aligned or random)
  • structural (laminates and sandwich panels)

Particle-reinforced composites

These are the cheapest and most widely used. They fall in two categories depending on the size of the particles:

  • large-particle composites, which act by restraining the movement of the matrix, if well bonded.
  • dispersion-strengthened composites, containing 10-100 nm particles, similar to what was discussed under precipitation hardening. The matrix bears the major portion of the applied load and the small particles hinder dislocation motion, limiting plastic deformation.

16.2 Large-Particle Composites

Properties are a combination of those of the components. The rule of mixtures predicts that an upper limit of the elastic modulus of the composite is given in terms of the elastic moduli of the matrix (Em) and the particulate (Ep) phases by:
Ec = EmVm + EpVp
where Vm and Vp are the volume fraction of the two phases. A lower bound is given by:
Ec = EmEp / (EpVm + EmVp)

modulus of composite of WC particles in Cu matrix vs. WC concentration.

 

Concrete

The most common large-particle composite is concrete, made of a cement matrix that bonds particles of different size (gravel and sand.) Cement was already known to the Egyptians and the Greek. Romans made cement by mixing lime (CaO) with volcanic ice.
In its general from, cement is a fine mixture of lime, alumina, silica, and water. Portland cement is a fine powder of chalk, clay and lime-bearing minerals fired to 1500o C (calcinated). It forms a paste when dissolved in water. It sets into a solid in minutes and hardens slowly (takes 4 months for full strength).
Properties depend on how well it is mixed, and the amount of water: too little – incomplete bonding, too much – excessive porosity.
The advantage of cement is that it can be poured in place, it hardens at room temperature and even under water, and it is very cheap. The disadvantages are that it is weak and brittle, and that water in the pores can produce crack when it freezes in cold weather.
Concrete is cement strengthened by adding particulates. The use of different size (stone and sand) allows better packing factor than when using particles of similar size.
Concrete is improved by making the pores smaller (using finer powder, adding polymeric lubricants, and applying pressure during hardening.
Reinforced concrete is obtained by adding steel rods, wires, mesh. Steel has the advantage of a similar thermal expansion coefficient, so there is reduced danger of cracking due to thermal stresses. Pre-stressed concrete is obtained by applying tensile stress to the steel rods while the cement is setting and hardening.
When the tensile stress is removed, the concrete is left under compressive stress, enabling it to sustain tensile loads without fracturing. Pre-stressed concrete shapes are usually prefabricated. A common use is in railroad or highway bridges.

 

Cermets

are composites of ceramic particles (strong, brittle) in a metal matrix (soft, ductile) that enhances toughness. For instance, tungsten carbide or titanium carbide ceramics in Co or Ni. They are used for cutting tools for hardened steels.

 

Reinforced rubber

is obtained by strengthening with 20-50 nm carbon-black particles. Used in auto tires.

 

16.3 Dispersion-Strengthened Composites

Use of very hard, small particles to strengthen metals and metal alloys. The effect is like precipitation hardening but not so strong. Particles like oxides do not react so the strengthening action is retained at high temperatures.

 

Fiber-reinforced composites

In many applications, like in aircraft parts, there is a need for high strength per unit weight (specific strength). This can be achieved by composites consisting of a low-density (and soft) matrix reinforced with stiff fibers.
The strength depends on the fiber length and its orientation with respect to the stress direction.
The efficiency of load transfer between matrix and fiber depends on the interfacial bond.

 

16.4 Influence of Fiber Length

Normally the matrix has a much lower modulus than the fiber so it strains more. This occurs at a distance from the fiber. Right next to the fiber, the strain is limited by the fiber. Thus, for a composite under tension, a shear stress appears in the matrix that pulls from the fiber. The pull is uniform over the area of the fiber.
This makes the force on the fiber be minimum at the ends and maximum in the middle, like in the tug-ofwar game.
To achieve effective strengthening and stiffening, the fibers must be larger than a critical length lc, defined as the minimum length at which the center of the fiber reaches the ultimate (tensile) strength sf, when the matrix achieves the maximum shear strength tm:
lc = sf d /2 tm

Since it is proportional to the diameter of the fiber d, a more unified condition for effective strengthening is that the aspect ratio of the fiber is l/d > sf /2 tm.

 

16.5 Influence of Fiber Orientation

The composite is stronger along the direction of orientation of the fibers and weakest in a direction perpendicular to the fiber. For discontinuous, random fibers, the properties are isotropic.

 

16.6 Polymer Matrix Composites

Largest and most diverse use of composites due to ease of fabrication, low cost and good properties.
Glass-fiber reinforced composites (GFRC) are strong, corrosion resistant and lightweight, but not very stiff and cannot be used at high temperatures. Applications include auto and boat bodies, aircraft components.
Carbon-fiber reinforced composites (CFRC) use carbon fibers, which have the highest specific module (module divided by weight). CFRC are strong, inert, allow high temperature use. Applications include fishing rods, golf clubs, aircraft components.
Kevlar, and aremid-fiber composite (Fig. 17.9) can be used as textile fibers. Applications include bullet-proof vests, tires, brake and clutch linings.

Wood: This is one of the oldest and the most widely used structural material. It is a composite of strong and flexible cellulose fibers (linear polymer) surrounded and held together by a matrix of lignin and other polymers. The properties are anisotropic and vary widely among types of wood. Wood is ten times stronger in the axial direction than in the radial or tangential directions.

16.1 परिचय

विचार यह है कि दो या अधिक विशिष्ट सामग्रियों के संयोजन से एक नई सामग्री को गुणों के वांछित संयोजन (जैसे, प्रकाश, मजबूत, संक्षारण प्रतिरोध) के साथ इंजीनियर कर सकते हैं। यह विचार कि गुणों का एक बेहतर संयोजन प्राप्त किया जा सकता है, संयुक्त कार्रवाई का सिद्धांत कहा जाता है।
नई – उच्च तकनीक सामग्री, विशिष्ट अनुप्रयोगों के लिए इंजीनियर
ओल्ड – ईंट पुआल कंपोजिट, कागज, के लिए 5000 साल> में जाना जाता है।
एक प्रकार के सम्मिश्रण की जिस पर चर्चा की गई है, वह है प्रतिगामी स्टील, जो एक बेहतर सामग्री प्राप्त करने के लिए नरम, नमनीय फेराइट के साथ कठोर, भंगुर सीमेंट को जोड़ती है।
प्राकृतिक कंपोजिट: लकड़ी (बहुलक-बहुलक), हड्डियां (पॉलिमर-सिरेमिक)।
सामान्य कंपोजिट में दो चरण होते हैं:

  • मैट्रिक्स (निरंतर)
  • फैलाव चरण (पार्टिकुलेट, फाइबर)

कंपोजिट के गुण निर्भर करते हैं

  • चरणों के गुण
  • छितरी हुई चरण की ज्यामिति (कण आकार, वितरण, अभिविन्यास)
  • चरण की राशि

कंपोजिट का वर्गीकरण: तीन मुख्य श्रेणियां:

  • कण-प्रबलित (बड़े-कण और फैलाव-मजबूत)
  • फाइबर-प्रबलित (निरंतर (गठबंधन) और छोटे फाइबर (गठबंधन या यादृच्छिक)
  • संरचनात्मक (टुकड़े टुकड़े और सैंडविच पैनल)

कण-प्रबलित कंपोजिट

ये सबसे सस्ते और व्यापक रूप से उपयोग किए जाते हैं। वे कणों के आकार के आधार पर दो श्रेणियों में आते हैं:

  • बड़े-कण कंपोजिट, जो मैट्रिक्स के आंदोलन को रोककर कार्य करते हैं, अगर अच्छी तरह से बंधुआ हो।
  • फैलाव-सुदृढ़ कंपोजिट, जिसमें 10-100 एनएम कण होते हैं, जैसा कि वर्षा सख्त करने के तहत चर्चा की गई थी। मैट्रिक्स प्लास्टिक लोड को सीमित करते हुए लागू लोड के प्रमुख हिस्से और छोटे कणों को अव्यवस्था की गति में बाधा डालता है।

16.2 लार्ज-पार्टिकल कम्पोजिट

गुण उन घटकों में से एक संयोजन हैं। मिश्रणों का नियम भविष्यवाणी करता है कि मिश्रित के लोचदार मापांक की एक ऊपरी सीमा मैट्रिक्स (इम) और
पार्टिकुलेट (एपिक ) चरणों के लोचदार मापांक के संदर्भ में दी गई है: Ec = EmVm + EpVp :
Vm और Vp हैं दो चरणों की मात्रा अंश। निम्न सीमा इसके द्वारा दी गई है:
Ec = EmEp / (EpVm + EmVp)

घन मैट्रिक्स बनाम डब्ल्यूसी एकाग्रता में डब्ल्यूसी कणों के समग्र के मापांक।

ठोस

सबसे आम बड़े-कण मिश्रित ठोस है, एक सीमेंट मैट्रिक्स से बना है जो विभिन्न आकार (बजरी और रेत) के कणों को बांड करता है। सीमेंट पहले से ही मिस्र और ग्रीक के लिए जाना जाता था। रोमनों ने ज्वालामुखीय बर्फ के साथ चूना (CaO) मिलाकर सीमेंट बनाया।
इसके सामान्य में, सीमेंट चूना, एल्यूमिना, सिलिका और पानी का एक अच्छा मिश्रण है। पोर्टलैंड सीमेंट चाक, क्ले और लाइम-बेयरिंग खनिजों का एक अच्छा पाउडर है जिसे 1500o C (कैलक्लाइंड) में निकाल दिया जाता है। यह पानी में घुलने पर एक पेस्ट बनाता है। यह मिनटों में एक ठोस में बदल जाता है और धीरे-धीरे कठोर हो जाता है (पूरी ताकत के लिए 4 महीने लगते हैं)।
गुण इस बात पर निर्भर करते हैं कि यह कितनी अच्छी तरह मिश्रित है, और पानी की मात्रा: बहुत कम – अधूरा बंधन, बहुत अधिक – अत्यधिक छिद्र।
सीमेंट का लाभ यह है कि इसे जगह में डाला जा सकता है, यह कमरे के तापमान पर और यहां तक ​​कि पानी के नीचे भी कठोर होता है, और यह बहुत सस्ता है। नुकसान यह है कि यह कमजोर और भंगुर है, और छिद्रों में पानी ठंड के मौसम में जमा होने पर दरार पैदा कर सकता है।
पार्टिकुलेट्स को जोड़कर कंक्रीट को मजबूत किया जाता है। विभिन्न आकार (पत्थर और रेत) का उपयोग समान आकार के कणों का उपयोग करते समय बेहतर पैकिंग कारक की अनुमति देता है।
कंक्रीट को छिद्रों को छोटा करके (महीन पाउडर का उपयोग करके, पॉलिमरिक स्नेहक जोड़कर, और सख्त करने के दौरान दबाव डालकर) बेहतर बनाया जाता है।
प्रबलित कंक्रीट स्टील की छड़, तारों, जाल को जोड़कर प्राप्त किया जाता है। स्टील में एक समान थर्मल विस्तार गुणांक का लाभ होता है, इसलिए थर्मल तनाव के कारण दरार होने का खतरा कम होता है। सीमेंट की छड़ और सख्त होने के दौरान स्टील की छड़ पर तन्य तनाव लगाने से पूर्व-ठोस कंक्रीट प्राप्त होता है।
जब तन्य तनाव को हटा दिया जाता है, तो कंक्रीट को संपीड़ित तनाव के तहत छोड़ दिया जाता है, जिससे यह फ्रैक्चर के बिना तन्य भार को बनाए रखने में सक्षम होता है। पूर्व-तनावपूर्ण ठोस आकृतियाँ आमतौर पर पूर्वनिर्मित होती हैं। एक आम उपयोग रेल या राजमार्ग पुलों में होता है।

cermets

एक धातु मैट्रिक्स (नरम, नमनीय) में सिरेमिक कणों (मजबूत, भंगुर) के कंपोजिट हैं जो क्रूरता को बढ़ाते हैं। उदाहरण के लिए, सह या नी में टंगस्टन कार्बाइड या टाइटेनियम कार्बाइड सिरेमिक। उनका उपयोग कठोर स्टील्स के लिए उपकरण काटने के लिए किया जाता है।

प्रबलित रबर

20-50 एनएम कार्बन-काले कणों के साथ मजबूत करके प्राप्त किया जाता है। ऑटो टायर में इस्तेमाल किया।

16.3 फैलाव-सुदृढ़ कंपोजिट

धातुओं और धातु मिश्र धातुओं को मजबूत करने के लिए बहुत कठोर, छोटे कणों का उपयोग। प्रभाव वर्षा की तरह कठोर होता है लेकिन इतना मजबूत नहीं होता। आक्साइड जैसे कण प्रतिक्रिया नहीं करते हैं इसलिए उच्च तापमान पर मजबूत क्रिया को बनाए रखा जाता है।

फाइबर-प्रबलित कंपोजिट

विमान के पुर्जों की तरह कई अनुप्रयोगों में, प्रति यूनिट वजन (विशिष्ट शक्ति) उच्च शक्ति की आवश्यकता होती है। यह कम घनत्व (और नरम) मैट्रिक्स से मिलकर कंपोजिट द्वारा प्राप्त किया जा सकता है जो कठोर तंतुओं के साथ प्रबलित होता है।
ताकत फाइबर की लंबाई और तनाव दिशा के संबंध में इसकी अभिविन्यास पर निर्भर करती है।
मैट्रिक्स और फाइबर के बीच लोड ट्रांसफ़र की दक्षता इंटरलासियल बॉन्ड पर निर्भर करती है।

16.4 फाइबर लंबाई का प्रभाव

आम तौर पर मैट्रिक्स में फाइबर की तुलना में बहुत कम मापांक होता है, इसलिए यह अधिक खींचता है। यह फाइबर से कुछ दूरी पर होता है। फाइबर के ठीक बगल में, फाइबर द्वारा खिंचाव सीमित है। इस प्रकार, तनाव के तहत एक समग्र के लिए, एक कतरनी तनाव मैट्रिक्स में दिखाई देता है जो फाइबर से खींचता है। फाइबर के क्षेत्र पर पुल एक समान है।
इससे फाइबर पर बल न्यूनतम और मध्य में अधिकतम होता है, जैसे टग-इनवर गेम में।
प्रभावी मजबूती और कठोरता प्राप्त करने के लिए, फाइबर एक महत्वपूर्ण लंबाई lc से बड़ा होना चाहिए, जिसे न्यूनतम लंबाई के रूप में परिभाषित किया गया है, जिस पर फाइबर का केंद्र अंतिम (तन्यता) शक्ति sf तक पहुँचता है, जब मैट्रिक्स अधिकतम कतरनी शक्ति tm: lc प्राप्त करता है।
= sf d / 2 tm

चूंकि यह फाइबर डी के व्यास के आनुपातिक है, प्रभावी मजबूती के लिए एक अधिक एकीकृत स्थिति यह है कि फाइबर का पहलू अनुपात एल / डी> एसएफ / 2 टीएम है।

16.5 फाइबर ओरिएंटेशन का प्रभाव

समग्र फाइबर के उन्मुखीकरण की दिशा में मजबूत है और फाइबर के लिए लंबवत दिशा में सबसे कमजोर है। असंतृप्त, यादृच्छिक फाइबर के लिए, गुण आइसोट्रोपिक हैं।

16.6 पॉलिमर मैट्रिक्स कंपोजिट

निर्माण की आसानी, कम लागत और अच्छे गुणों के कारण कंपोजिट का सबसे बड़ा और सबसे विविध उपयोग।
ग्लास-फाइबर प्रबलित कंपोजिट (जीएफआरसी) मजबूत, संक्षारण प्रतिरोधी और हल्के होते हैं, लेकिन बहुत कठोर नहीं होते हैं और उच्च तापमान पर उपयोग नहीं किए जा सकते हैं। अनुप्रयोगों में ऑटो और नाव निकाय, विमान घटक शामिल हैं।
कार्बन-फाइबर प्रबलित कंपोजिट (सीएफआरसी) कार्बन फाइबर का उपयोग करते हैं, जिनमें उच्चतम विशिष्ट मॉड्यूल (वजन से विभाजित मॉड्यूल) होता है। CFRC मजबूत, निष्क्रिय हैं, उच्च तापमान उपयोग की अनुमति देते हैं। अनुप्रयोगों में मछली पकड़ने की छड़, गोल्फ क्लब, विमान घटक शामिल हैं।
केवलर, और aremid- फाइबर समग्र (चित्र। 17.9) का उपयोग कपड़ा फाइबर के रूप में किया जा सकता है। अनुप्रयोगों में बुलेट-प्रूफ निहित, टायर, ब्रेक और क्लच लाइनिंग शामिल हैं।

लकड़ी:  यह सबसे पुरानी और सबसे व्यापक रूप से उपयोग की जाने वाली संरचनात्मक सामग्री है। यह लिग्निन और अन्य पॉलिमर के एक मैट्रिक्स द्वारा घिरे और एक साथ मजबूत और लचीली सेल्यूलोज फाइबर (रैखिक बहुलक) का एक संयोजन है। गुण अनिसोट्रोपिक हैं और लकड़ी के प्रकारों में व्यापक रूप से भिन्न हैं। रेडियल या स्पर्शरेखा दिशाओं की तुलना में लकड़ी अक्षीय दिशा में दस गुना मजबूत है।

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