Universitatea Transilvania din Brașov

Transcription

1 Investeşte în oameni! FONDUL SOCIAL EUROPEAN Programul Operaţional Sectorial Dezvoltarea Resurselor Umane Axa prioritară 1 Educaţie şi formare profesională în sprijinul creşterii economice şi dezvoltării societăţii bazate pe cunoaştere Domeniul major de intervenţie 1.5. Programe doctorale şi post-doctorale în sprijinul cercetării Titlul proiectului: Burse doctorale pentru dezvoltare durabila BD-DD Numărul de identificare al contractului: POSDRU/107/1.5/S/76945 Beneficiar: Universitatea Transilvania din Braşov Universitatea Transilvania din Brașov Școala Doctorala Interdisciplinară Departament: Inginerie mecanică Ing. Vasile GHEORGHE STRUCTURI CU RIGIDITATE RIDICATĂ, DIN MATERIALE COMPOZITE, UTILIZATE ÎN CONSTRUCŢIA DE AUTOVEHICULE HIGH STIFFNESS COMPOSITE STRUCTURES USED IN AUTOMOTIVE ENGINEERING Conducător ştiinţific Prof. univ. dr. ing. mat. Sorin VLASE BRASOV,

2 MINISTERUL EDUCAŢIEI NAŢIONALE UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAŞOV BRAŞOV, B-DUL EROILOR NR. 29, , TEL , FAX RECTORAT D-lui (D-nei)... COMPONENŢA Comisiei de doctorat Numită prin ordinul Rectorului Universităţii Transilvania din Braşov Nr din Preşedinte: Conducător ştiinţific: Referenți: Prof. univ. dr. ing. Ioan Călin ROŞCA DECAN - Facultatea de Inginerie Mecanică Universitatea Transilvania din Braşov Prof. univ. dr. ing. mat. Sorin VLASE, Universitatea Transilvania din Brasov Prof. univ. dr. ing. Polidor BRATU, Universitatea Dunărea de Jos din Galați Prof.dr.ing. Iuliu NEGREAN, Universitatea Tehnică din Cuj-Napoca Cercet. st. pr. I, dr.mat. Ventura CHIROIU, Institutul de Mecanica Solidelor al Academiei Române Data, ora şi locul susţinerii publice a tezei de doctorat: , ora 12:00, Colina Universității, corp C, sala CP8 Eventualele aprecieri sau observaţii asupra conţinutului lucrării vă rugăm să le transmiteţi în timp util, pe adresa: ghesile@yahoo.com Totodată vă invităm să luaţi parte la şedinţa publică de susţinere a tezei de doctorat. Vă mulţumim. 2

3 CUPRINS Pag. Pag. teză rezumat 1. INTRODUCERE Industria autovehiculelor rutiere. Materiale clasice şi componente. Principiile proiectării end of life cycle Obiectivele şi oportunitatea prezentei cercetări STADIUL ACTUAL AL CERCETĂRILOR ÎN DOMENIUL PRODUCERII ŞI UTILIZĂRII MATERIALELOR COMPOZITE Definirea materialelor compozite Structura materialelor compozite, clasificare Tehnologia de obţinere a materialelor compozite şi a componentelor fabricate din acestea Utilizări industriale ale materialelor compozite PROPRIETĂŢILE MATERIALELOR COMPOZITE Proprietăți mecanice ale compozitelor Valori ale proprietăților materialelor compozite Durabilitatea componentelor din materiale compozite și efectul mediului asupra acestora Posibilitatea de reciclare DETERMINAREA EXPERIMENTALĂ A PROPRIETĂŢILOR MATERIALELOR COMPOZITE LA SOLICITĂRILE DIN EXPLOATARE Caracteristicile solicitărilor mecano-termice Pregatirea epruvetelor şi determinarea proprietăţilor materialelor compozite Pregatirea epruvetelor Prelucrarea epruvetelor Forma şi dimensiunile epruvetelor Metodica de experimentare Modul de încercare al epruvetelor Calculul şi exprimarea rezultatelor Stand de încercare Stand de încercare la încovoiere

4 Construcția standului de încercare la încovoiere Funcționarea standului de încercare la încovoiere Stand de încercare la anduranță Construcția standului de încercare la anduranță Funcționarea standului de încercare la anduranță Instalaţia de determinare a coeficientului de conductivitate termică Construcția instalaţiei de determinare a coeficientului de conductivitate termică Funcționarea instalaţiei de determinare a coeficientului de conductivitate termică Rezultatele încercărilor la încovoiere a structurii compozite Tipuri de epruvete utilizate Rezultatele încercărilor la încovoiere Moduri de rupere a epruvetelor Rezultatele încercărilor la anduranta a structurii compozite Tipuri de epruvete utilizate Rezultatele încercărilor la anduranță Moduri de rupere a epruvetelor Rezultatele încercărilor de determinare a coeficientului de conductivitate termică Tipuri de epruvete utilizate Rezultatele încercărilor de determinare a coeficientului de conductivitate termică Concluzii Concluzii referitoare la încercarea de rupere la încovoiere Concluzii referitoare la încercarea de anduranță la încovoiere Concluzii referitoare la determinarea coeficientului de conductivitate termică COMPONENTE AUTO DIN MATERIALE COMPOZITE Realizarea unei fețe exterioare de portieră auto Realizarea unei rame interioare de portieră auto Realizarea unei portiere auto CERCETAREA EXPERIMENTALĂ A COMPONENTELOR REALIZATE DIN MATERIALE COMPOZITE Modelarea matematică a structurii auto Realizare stand de încercare a structurii auto

5 6.3. Funcționarea standului de solicitare a portierei Cercetare experimentală a unei structuri clasice din metal Cercetare experimentală a unei structuri realizate din materiale compozite Optimizarea structurii realizate din materiale compozite Evaluarea comparativă a componentelor din materiale clasice şi compozite Concluzii CONCLUZII FINALE ŞI PRINCIPALELE CONTRIBUŢII ALE TEZEI DE DOCTORAT. OPORTUNITĂŢI DE DEZVOLTARE A CERCETĂRII BIBLIOGRAFIE ANEXE Anexa 1. Rezumat Anexa 2. Curriculum Vitae 5

6 TABLE OF CONTENTS Pag. Pag. teză rezumat 1. INTRODUCTION Road vehicle industry. Conventional materials and components. Principle of end of life cycle design Objectives and opportunity of the research work CURRENT STAGE OF RESEARCH IN THE FIELD OF PRODUCING AND USE OF COMPOSITE MATERIALS Defining composite materials Structure of composite materials, classification Producing technologies of composite materials and parts Industrial use of composite materials PROPERTIES OF COMPOSITE MATERIALS Mechanical properties of composites Measures of the composite properties Durability of the components made of composite materials and environmental impact Recycling capability EXPERIMENTAL IN OPERATION MEASUREMENT OF COMPOSITES PROPERTIES Characteristics of thermo-mechanical stress Preparation of the test specimens and measurement of the composite material properties Preparation of the test specimens Processing of the test specimens Form and dimensions of the test specimens Experimental procedure Testing of specimens Calculation and interpretation of results Testing facilities Bending testing bench

7 Design of bending testing bench Operation of bending testing bench Endurance testing bench Design of endurance testing bench Operation of endurance testing bench Installation for the measurement of thermal conductivity Design of the measurement installation for thermal conductivity Operation of the measurement installation for thermal conductivity Results of the bending stress for the composite structure Types of test specimens used Results of the bending tests Fracture patterns of the test specimens Results of the endurance test for the composite structure Types of test specimens used Results of the endurance tests Fracture patterns of the test specimens Results of the tests for measuring the thermal conductivity Types of test specimens used Results of the thermal conductivity measurements Conclusions Conclusions of the bending fracture test Conclusions of the endurance bending test Conclusions of the measurement of the thermal conductivity AUTOMOTIVE COMPONENTS MADE OF COMPOSITE MATERIALS Manufacturing of the outer panel for the car door Manufacturing of the inner frame for the car door Manufacturing of the car door EXPERIMENTAL RESEARCH OF COMPOSITE COMPONENTS Mathematical modelling of the automotive structure Design of the bench for the testing of automotive structure Operation of the bench for the testing of car door Experimental research of a conventional metal structure Experimental research of a composite structure Optimization of the composite structure Comparative evaluation of the conventional and composite materials

8 6.8. Conclusions FINAL CONCLUSIONS AND MAIN CONTRIBUTIONS OF THE THESIS. RESEARCH DEVELOPMENT OPPORTUNITIES REFERENCES APPENDIX Appendix 1. Abstract Appendix 2. Curriculum Vitae 8

9 Capitolul 1. INTRODUCERE 1.1. Industria autovehiculelor rutiere. Materiale clasice şi componente. Principiile proiectării end of life cycle Industria constructoare de autovehicule este cea mai mare consumatoare de materiale din economie. Această industrie utilizează și integrează produsele obținute în aproape toate industriile moderne: metalurgie, chimie, electronică, textile etc. fiind principalul consumator pentru cele mai multe din aceste industrii. Pe durata funcționării, autovehiculele reprezintă un important consumator de produse petroliere și de fluide industriale. Astfel progresul tehnic, concurența din acest domeniu și exigențele impuse autovehiculelor necesită cunoașterea proprietăților materialelor, dezvoltarea de noi materiale, de noi tehnologii de prelucrare. În etapa actuală de dezvoltare a economiei mondiale bazată pe legile economiei de piață, alegerea și utilizarea corectă a materialelor și proceselor de prelucrare a acestora trebuie să se facă conform rigorilor științifice, pentru a răspunde unor exigențe din ce în ce mai mari. În proiectare, alegerea optimă a materialelor se face în funcție de condițiile de utilizare, de solicitările existente, de procesele de prelucrare, de forma, dimensiunile și performanțele produselor, de reglementările în vigoare și nu în ultimul rând de cost. Alegera materialelor și proceselor de prelucrare a acestora, este o etapă dificilă dar foarte importantă pentru performanțele și costul produsului. Alegerea are la bază promovarea de materiale ieftine și ușor de achiziționat, valorificarea optimă a proprietăților tehnologice. La ora actuală ponderea în industria constructoare de autoturisme o au materialele metalice, dar prognozele arată că aceste materiale vor fi înlocuite de materiale compozite. Înlocuirea materialelor metalice utilizate până în prezent, în industria constructoare de automobile, a condus la creșterea duratei de funcționare, a sporirii absorbției zgomotului și vibrațiilor pentru izolarea exterioară și intercompartimentală a autovehiculelor precum și pentru preluarea energiei cinetice a șocurilor în caz de accidente. În domeniul jantelor auto se preconizează utilizarea materialelor compozite care asigură o flexibilitate și o rezistență mai mare în condițiile reducerii inerției corespunzătoare turațiilor ridicate cu care rulează în general roțile autoturismelor performante. Este de menționat de asemenea utilizarea tehnologiei compozitelor de vârf în domeniul sistemelor de frânare fabricate din materiale ceramice pe suprafețele active de către constructorii MERCEDES BENZ, PORSCHE, FERRARI. 9

10 Perfecționarea constructivă a subansamblurilor autovehiculelor clasice este legată de utilizarea unor materiale cu calități superioare și de extinderea acționării prin intermediul echipamentelor electronice asigurând controlul continuu al funcționării tuturor componentelor. Într-o măsură deosebit de mare, siguranța în funcționare este condiționată de trei factori: concepția constructivă, materialele utilizate și controlul electronic. Se constată că cu fiecare generație de autovehicule se mărește volumul de mase plastice armate cu fibră de carbon și a materialelor compozite concomitent cu evoluția spectaculoasă a calității acestor materiale. Pe fondul necesităţii unei resurse sustenabile de materii prime, precum şi a problemelor de mediu cauzate de materialele plastice şi cele metalice, greu degradabile, producători de automobile sunt mereu în căutarea unor noi materiale, în special cele compozite, cu impact redus asupra mediului, care după încheierea ciclului de viaţă să fie uşor reciclabile şi biodegradabile, care să asigure aceleaşi performanţe, dar să fie produse întru-un mod cât mai ecologic posibil. În căutarea de soluţii ştiinţa şi industria la rândul ei, au luat în considerare materiale noi. Mari firme din industria auto ca Volkswagen, grupul Audi, BMW, Opel, Ford folosesc materiale compozite [104]. Proiectarea ecologică este o metodologie folosită pentru proiectarea produselor ce are ca scop reducerea amprentei acestora asupra mediului înconjurător dar cu menţinerea unui nivel de performanţă şi a unor functionalităţi similare. Evoluţiile industriale şi standardizarea metodologiei de analiză ciclului de viaţă sunt factorii care contribuie la dezvoltarea proiectării ecologice. Mediul înconjurător ocupă un loc foarte important în societate. Simultan, catastrofe ecologice şi constatări cum ar fi epuizarea resurselor naturale au condus la sensibilizarea populaţiei cu privire la amprenta produselor şi serviciilor asupra mediului. Prin urmare aceste noi comportamente contribuie la apariţia pe piaţă a produselor verzi. Originea acestor acte este legată de noţiunea de dezvoltare durabilă, apărută pentru prima dată într-un raport oficial în 1987 [19]. În plus faţă de preocuparea privind resursele lăsate generaţiilor viitoare, acest concept este reprezentat ca intersecţia a trei sfere ce desemnează mediul înconjurător, societatea şi economia (fig.1.1.1) Proiectarea ecologică poate fi definită prin considerarea mediului înconjurător în etapa de proiectare a unui produs, pentru a-i reduce amprenta asupra mediului pe întreaga durată a ciclului său de viaţă cu păstrarea identică a performanţelor calitative şi funcţiilor produsului sau serviciului oferit. O posibilitate pentru a dezvolta eco-proiectarea reprezintă folosirea metodologiei Analiza Ciclului de Viaţă (ACV) aşa cum este ea descrisă în normele internaţionale [51,52]. 10

11 Mediul înconjurător Societatea Dezvoltare durabilă Economi Fig Reprezentarea clasica a dezvoltării durabile Primul concept al acestei metodologii, cunoscut sub sloganul de la leagăn la mormânt a fost urmat de un altul, de la leagăn la leagăn [61]. În anumite sectoare industriale, metodologia ACV poate fi folosită ca şi criteriu permițând proiectantului alegerea materialelor [62]. O altă metodă, este promovarea şi dezvoltarea produselor cu amprentă asupra mediului diminuată. Dar analiza trebuie făcută pe durata întregului ciclu de viaţă al produsului, folosind instrumente cum ar fi metodologia ACV. Aceasta a doua abordare se numeşte abordarea produs. Evident, în cadrul aplicării oricărei dintre metode: se impune evaluarea amprentei asupra mediului înconjurător. Impactul poate fi clasificat în trei categorii principale: - Epuizarea resurselor, atât materialele regenerabile cât şi cele neregenerabile și energiile neregenerabile, obţinute cu ajutorul combustibililor fosili; - Poluarea datorită activităţilor umane, ce poate fi măsurată în aer, în apă şi în sol; aceasta poluare generează diferite impacturi ce se pot identifica şi măsura la scară locală şi globală; - Toxicitate şi riscuri cu privire la sănătatea umană, ce se pot datora accidentelor sau folosirii unor substanţe periculoase (chimice). In concluzie: - Oțelul și fonta au constituit,,inima progresului din principalele sectoare industriale; - Tendința pe termen lung este de a utiliza materiale mai ușoare, mai rezistente și mai durabile; - O problemă importantă o constituie utilizarea rațională a materiilor prime; - Inginerii din domeniul automobilelor se preocupă de alegerea optimă a combinării materialelor și a tehnologii specifice care se impune, în condițiile unor cheltuieli 11

12 minime, a îmbunătățirii constante a calității, prin procedee nepoluante pentru mediul înconjurător Obiectivele lucrării Conform Planului Naţional de Cercetare Dezvoltare Inovare , proiectul se încadrează în: Domeniul 7 Materiale, procese şi produse inovative. Subdomeniul 7.5 Aria Tematică 1 Produse şi tehnologii inovative destinate transporturilor şi producţiei de automobile. Produse şi tehnologii care sporesc eficienţa energetică a mijloacelor de transport şi reduc efectele poluante; Obiectivele operaţionale ale tezei sunt: 1. Analiza critică a stadiului actual în construcţia structurilor utilizate în industria auto; 2. Realizarea modelului matematic pentru analiza unei structuri auto cu rigiditate ridicată ; 3. Modelarea şi optimizarea virtuală a unei structuri auto realizată cu ajutorul materialelor compozite; 4. Dezvoltarea şi optimizarea prototipului structurii auto cu rigiditate ridicată realizată cu ajutorul materialelor compozite; 5. Diseminarea şi valorificarea rezultatelor. Pentru îndeplinirea obiectivelor s-a realizat o cercetare bibliografică, motivată de faptul că literatura în domeniu creşte, în ultimii ani, exponenţial. Informațiile din domeniul producerii și utilizării materialelor compozite este extrem de vast. Pentru început s-a realizat o analiză a domeniului materialelor compozite şi al utilizărilor acestora. Studiul analizează stadiul actual, cât și al posibilităţilor de dezvoltare ale acestei ramuri moderne. S-a făcut o trecere în revistă a principalelor tipuri de materiale compozite şi a principalelor aplicaţii. S-a insistat în special pe compozitele cu o mai mare răspândire în aplicaţiile tehnice. Analiza critică privind materialele compozite are ca scop o alegere a acestora pentru realizarea structurilor cu rigiditate ridicată, utilizate în construcţia de autovehicule. O evaluare a proprietăţilor mecanice ale compozitelor s-a realizat cu ajutorul standurilor de încercări. În acest sens s-au construit dispozitive de adaptare cu ajutorul cărora epruvetele au putut fi încecate pe sandurile și instalațiile existente la INSTITUTUL DE AUTOVEHICULE RUTIERE INAR Brașov și în cadrul Laboratorului de Încercare a Materialelor al Catedrei de 12

13 Mecanică a UNIVERSITĂŢII TRANSILVANIA Braşov. S-a realizat un stand, folosin o caroserie de autoturism, cu ajutorul căruia s-a putut solicita structura auto construită din materiale compozite. S-au realizat plăci, din materiale compozite, de diferite dimensiuni, folosind mai multe tipuri de constituienți. Materialele folosite pentru armarea plăcilor sunt fibra de sticlă și fibra de carbon. Din aceste plăci s-au debitat epuvetele necesare realizării încercărilor pe stand. Stabilirea caracteristicilor materialelor compozite alese pentru utilizarea la construcţia structurilor auto s-a făcut în urma încercărilor de rupere la încovoiere şi de anduranță la încovoiere, pe stand cu ajutorul, epruvetelor realizate. Datele înregistrate în timpul încercărilor au permis alegerea materialelor pentru realizarea unei structuri auto. Structura auto realizată este o portieră de autoturism. Portiera este realizată din două repere, o față exterioară și o ramă interioară. Ambele repere au fost construite din materiale compozite. Fața exterioară a fost realizată din fibră de carbon, iar rama interioară din fibră de sticlă. Alegerea materialelor din care s-au realizat cele două repere ale portiereie auto s-a făcut pornind de la caracteristicile materialelor compozite analizate, dar tinând cont și de posibilitățile de construcție ale reperlor. S-a analizat comportarea structurii auto realizate din materialele compozite alese, cu ajutorul metodei elementelor finite pentru determinarea solicitărilor din structură. S-au efectuat verificări experimentale în scopul validării modelului propus şi a relaţiilor de calcul folosite. Diseminarea rezultatelor obţinute în urma testelor de laborator a presupus participarea la conferinţe naţionale şi internaţionale. 13

14 Capitolul 2. STADIUL ACTUAL AL CERCETĂRILOR ÎN DOMENIUL PRODUCERII ŞI UTILIZĂRII MATERIALELOR COMPOZITE 2.1. Definirea materialelor compozite Materialul compozit reprezintă o combinație între doi sau mai mulți constituienți de același tip, sau diferiți, din punct de vedere fizic și chimic. Materialele își mențin identitatea separată în compozit. Combinarea lor oferă materialului compozit proprietăți și caracteristici diferite de cele ale constituienților. Materialul de bază se numește matrice. Celălalt constituient poartă numele de armătură. Armătura poate fi sub formă de fibre sau particule și se adaugă matricei pentru a-i îmbunătăți calitățile. În compoziția materialului compozit găsim și adaosuri tehnologice. Funcţia unei matrice, a unui material compozit, este de a asigura un mediu relativ rigid care este capabil să transfere efortul la componenţii fibroşi ai materialului. Matricea înglobează armătura. Funcţia armăturii dintr-un material compozit este de a prelua efortul încărcării transferat prin matrice. Încărcarea trebuie astfel să fie distribuită între matrice şi armătură [xx]. Armătura este inclusă de către materialul matricei. În formarea compozitelor, un aspect important al combinării matricei şi armăturii este formarea unei legături chimice. Adaosurile tehnologice au rol de catalizator, de accelerator, de ignifugare, de protecție împotriva razelor ultravioletelor, etc. Materialele compozite fac parte din categoria noilor materiale şi sunt create pentru a răspunde unor exigenţe în ceea ce priveşte: - rezistenţa la acţiunea agenţilor chimici; - rezistenţa la coroziune; - rezistenţa mecanică şi rigiditatea; - rezistenţa la solicitări variabile; - rezistenţa la şoc şi la uzură; - stabilitatea dimensională; - greutatea scăzută. 14

15 2.2. Structura materialelor compozite, clasificare Structura materialelor compozite este schematizată în figura Armătură Matrice Material compozit Adaosuri tehnologice Figura Structura materialelor compozite Atât matricea cât și armătura unui material compozit, pot fi obținute din diferite tipuri de materiale. Clasificarea materialeleor compozite se poate face în funcție de tipul materialului matricei, materialul de armare, modul de realizare a compozitului, utilizare, proprietățile mecanice, fizice sau chimice, etc. [101]. Funcție de tipul materialul matricei, se disting trei clase de materialele compozite. Astfel se poate vorbi despre: - Materiale compozite cu matrice polimerică sau Polymer Matrix Composites (PMC) - sunt materialele a căror matrice este realizată dintr-o răşină polimerică; - Materiale compozite cu matrice metalică sau Metal Matrix Composites (MMC) - sunt materialele a căror matrice este realizată din aluminiu; - Materiale compozite cu matrice ceramică sau Ceramic Matrix Composites (CMC) sunt materialele a căror matrice este realizată dintr-o carbură de siliciu SiC, nitrură de siliciu Si 3 N 4, oxid de aluminiu Al 2 O 3, etc. Funcție de tipul materialului de armare [85], se disting două mari clase de materialele compozite: - Materiale compozite armate cu particule la care dimensiunea principală a componentei de armare este mică în comparaţie cu dimensiunile structurii; - Materiale compozite armate cu fibre la care dimensiunea principală a componentei de armare este de acelaşi ordin de mărime cu dimensiunile structurii. 15

16 Materialele compozite armate cu fibre se împart, la rândul lor, în două clase, după forma și dimensiunile relative ale materialului de armare: - Materiale compozite nestratificate stratificate la care una dintre dimensiunile componentei de armare este de acelaşi ordin de mărime cu dimensiunile structurii. - Materiale compozite stratificate (ˮtip sandwichˮ) la care două dimensiuni principale ale constituenţilor sunt de acelaşi ordin de mărime cu dimensiunea structurii. În figura este ilustrată o schemă de clasificare a materialelor compozite funcție de forma și dimensiunile relative ale materialului de armare MATERIALE COMPOZITE Compozite cu fibre Compozite cu Particule Stratificate Nestratificate Microparticule Particule mari Cu fibre continue Cu fibre discontinue Unidurecționale Multidirecționale Orientate Neorientate Orientate preferențial Orientate aleatoriu Figura Clasificare a materialelor compozite, după materialul de armare 2.3. Tehnologia de obţinere a materialelor compozite şi a componentelor fabricate din acestea Pentru realizarea materialelor compozite este nevoie de producerea constituienților. Materialele pentru matrice și materialele pentru armare au moduri diferite de obținere. După cum s-a menționat anterior, cele mai utilizate materiale pentru matrice sunt rășinile. Răşinile folosite pentru realizarea materialelor compozite polimerice sunt materiale artificiale de sinteză, de natură organică. Ele pot fi polimerizate prin intermediul unui compus chimic numit întăritor. Materialele de armare, funcție de natura lor, au procedee diferite de obținere. 16

17 Schematic, procesul de obținere al fibrei de sticlă este ilustrat în figura Materia primă, formată din nisip, caolin, piatră de var și dolomit, se amestecă și se topesc în cuptorul de topire. Amestecul topit este transformat în filamente cu ajutorul duzelor de filare. Filamentele sunt răcite cu ajutorul aerului și apoi înfășurate pe rolă. Fibrele de carbon sunt mai rezistente decât oţelul, mai rigide decât titanul şi mai uşoare decât aluminiul prezentând cea mai ridicată rigiditate specifică. Fibrele de carbon au o rezistenţă foarte ridicată atât la tracţiune cât şi la compresiune. Rezistenţa la impact a acestor fibre este mai redusă decât cea a fibrelor de sticlă sau aramidice, astfel încât fibrele de carbon sunt combinate cu aceste fibre pentru a forma structurile stratificate hibride. Schema procesului de producţie al fibrelor de carbon este schematizat în figura Siloz materiale de carieră 2. Cuptor de topire; 3. Duze de filare; 4. Instalație de răcire; 5. Instalație de apretare; 6. Rolă de înfășurare; 7. Filamente; 8. Fibră. Figura Schema procesului de producţie a fibrei de sticlă 8 17

18 Fibre pe bază de PAN, gudron, celuloză Oxidare (stabilizare) C Carbonizare C Grafitizare C Fibre de carbon HT Fibre de carbon HM Figura Schema procesului de producţie a fibrelor de carbon Obţinere materialelor compozite constă în procesul de unire, pe cale chimică şi mecanică, a straturilor materialului de armare cu cel al matricei. Metodele şi procedeele de formare a pieselor compozite se aleg în funcţie de natura materialului matricei şi a armăturii. Procedeele de obţinere a materialelor compozite sunt variate și depind de mai mulți factori: tipul de materiale folosite, de proprietăţile acestora, numărul de repere de realizat, domeniul de utilizare al reperelor construite, de exigenţele cerute produsului de executat, condiții de calitate, preț de producție, etc. Printre procedeele de obținere a reperelor din materiale compozite cele mai utilizate sunt: - formarea prin turnare; - formarea prin contact; - formarea prin pulverizare simultană; - formarea în sac; - formarea prin injecție sub vid; - formarea prin presare la rece; - formarea prin presare la cald; - formarea premixurilor; - formarea prin stratificare continuă; - formarea prin pultruziune; - formarea corpurilor de revoluție prin răsucire filamentară; - formarea corpurilor de revoluție prin centrifugare; - formarea materialelor termoplastice. 18

19 2.4. Utilizări industriale ale materialelor compozite Materialele compozite sunt folosite la realizarea structurilor performante. Avantajul principal al acestora este raportul ridicat între rezistența și greutatea lor volumică. În figura se prezintă consumul unor asemenea materiale până în anul 2010, în comparaţie cu materialele clasice ori cu produsele naturale Consumul x t Produse naturale Materiale compozite Metale Anul Figura Consumul materialelor până în 2010 Sfera aplicaţiilor acestor materiale este foarte largă (figura 2.4.2), fiind prezente în toate sectoarele activităţii economice. În domeniul electronicii şi electrotehnicii, compozitele pe bază de răşini poliamidice, policarbonaţi, sulfură de polifenilenă, oxid de polifenilenă, siliconi, polibutilen tereftalat, etc., se folosesc pentru izolatoare de înaltă tensiune, suporturi pentru circuite, întrerupătoare, carcase, conductoare, platforme, cabine, corpuri de iluminat etc. Circuitele integrate, microprocesoarele şi memoriile folosite în domeniul calculatoarelor sunt sisteme hibride stratificate compuse dintr-un număr de materiale care au diferite funcţii [85]. Din punct de vedere mecanic, o atenţie deosebită trebuie acordată durabilităţii sub acţiunea factorilor de mediu. 19

20 Recipienţi sub presiune Proteză Elemente de Oglindă construcţie telescopică Utilaj chimic Ortopedie Microcalculator Construcţii Optică Chimie Medicină Electronică Container Ambalaje APLICAŢII Energetică Generator eolian Schiuri Materiale sportive Electrotehnică Aparate Tractor Maşini agricole Construcţii de maşini Material rulant Ascensor Maşini de ridicat Autovehicule Iaht Construcţii navale Ambarcaţiuni Planor Construcţii aeronautice Dispozitiv de hipersustenţie Elicopter Avion Aripi Eleron Ampenaj Stabilizator Fuselaj Cabină Deflector Structură portantă Motor cu reacţie Figura Schema aplicațiilor materialelor compozite Industria auto este una din cele mai importante ramuri economice şi totodată generează un impuls pentru alte ramuri. Un autovehicul se realizează dintr-o multitudine de repere. În figura este un exemplu de componență a unui autoturism Volkswagen Golf 2. 20

21 Figura Componența unui autoturism Reperele din componența unui autovehicul sunt realizate dintr-o paletă largă de materiale (metalic, plastic, textil). Materialelul de bază, până nu demult, era metalul. Materialele plastice și compozite erau utilizate inițial doar pentru realizarea unui număr redus de repere, cu precădere elemente de decor. Apariţia pe piaţa de materiale a unui mare număr de mase plastice a condus la o largă dezvoltare a acestora în industria automobilelor, în special prin armarea cu fibră de sticlă sau carbon. Pe măsura dezvoltării compozitelor, numărul reperelor executate din aceste materiale a început să crească și elemente de structură din construcția autovehiculelor au început să fie executate din compozite. Materialele compozite sunt soluţia pentru dezvoltarea de vehicule eficiente din punct de vedere energetic. Înlocuiriea metalelor cu materiale compozite duce la reducerea greutății autovehiculelor, ceea ce implică reducerea consumului de carburant al acestuia, deci, o reducere a poluării dar și la o creștere a performanțelor. Până în 2010 circa 10% din masa automobilului era construită din mase plastice armate. Tendința este ca acest procentaj să crească în anii următori. Cele mai multe utilizări ale materialelor compozite polimerice, 56%, îl constituie construcţia elementelor de caroserie ale autovehiculelor: aripi, uşi, pavilioane, capote etc. Elemente din structura șasiului, din sistemul de suspensie, repere ale motorului și ale transmisiei sunt realizate din materiale compozite. În figura sunt prezentate o serie de repere ce se realizează din materiale compozite. 21

22 Capac rezervor Eleron spate Trapă Plafon Cadru ușă Oglindă retrovizoare Stopuri spate Mască climatizare Bară spate Capotă motor Scut spate Mască față Capac roată Bară față Mânere uși Suport număr Praguri Lămpi față Panou ușă Protecție laterală Lampi laterale Aripă față Flapsuri laterale Scut Figura Repere ce se realizează din materiale compozite Materiale compozite prezintă proprietăţi mecanice superioare materialelor plastice obişnuite. Compozitele se impun datorită greutății scăzute, rezistentei la coroziune şi radiaţii, proprietăților termoizolante, uşurința cu care se pot prelucra. Ford Motor Company, un lider în domeniu, foloseşte materiale compozite pentru a reduce greutatea și pentru a reduce costurile. O nouă aplicație este un scut termic pentru a izola rezervorul de combustibil de temperatura înaltă generată de sistemul de evacuare a gazelor arse ale motorului. Reperul este un laminat realizat prin turnare din rășină AOC (SMC) armat cu fibre de sticlă scurte. Acesta a fost special realizat pentru că scutul trebuie să beneficieze de proprietăţi mecanice superioare, fiind expus la temperaturi ridicate sau coroziune. Mahle produce, de asemenea, sisteme de admisie a aerului, din polipropilenă (PP), pentru cele mai noi motoare pe benzina ale firmei Volkswagen. Este prima utilizare a unui material de PP în această aplicație. Se spune că această construcţie duce la economii de greutate de până la 15%, rezistență mare la solicitari mecanice, precum și stabilitate termică ridicată, performanță acustică mai bună. Vehiculele electrice şi hibride sunt văzute ca vehicule care nu au de a face cu petrolul sau emisia de noxe. Si aceste vehicule sunt dependente de folosirea materialelelor compozite, deoarece trebuie compensată creşterea greutăţii autovehiculului datorată utilizării bateriilor. Cercetatorii de la Imperial College din Londra, inclusiv Volvo Corp, au dezvoltat un prototip de vehicul electric, din fibră de carbon, la care stocarea energiei electrice se face în 22

23 materialul compozit din care este realizată caroseria. Cele mai recente nanomateriale fabricate din fibre extrem de subțiri și puternice de carbon inlocuiesc panourile caroseriei din oțel ale autovehiculului si pot fi folosite la realizarea plafonului, ușilor, capotelor și a podelei. Compozitul, patentat, format din fibre de carbon și rașină polimerică, ar putea schimba construcţia de vehiculele electrice hibride. Materialul este proiectat pentru a stoca și a furniza uşor energie electrică, dar este suficient de rezistent pentru a fi folosit la realizarea de componente structurale sau panouri de caroserie. Mașina, în sine, ar putea deveni o baterie. Materialul este capabil să stocheze și să furnizeze cantități mari de energie, mult mai rapid decât bateriile convenționale. Procesul de reîncărcare nu implică nici una din reacțiile chimice care provoacă degradarea bateriile în timp (figura ). Figura Elemente de caroserie din material compozit generator de energie În concluzie, materialele compozite sunt utilizate din ce în ce mai mult. Calitățile lor le impun în fața materialelor clasice fiind mai uşoare, mai fiabile, uşor de realizat. În industria auto, folosirea acestor materiale duce la creșterea rezistenței concomitent cu scăderea greutății vehiculelor, ceea ce se traduce prin reducerea consumului de combustibil și creşterea performanțelor. 23

24 Capitolul 3. PROPRIETĂŢILE MATERIALELOR COMPOZITE Materialele compozite fac parte din categoria noilor materiale. Ele nu există în stare naturală, ci sunt create artificial pentru a răspunde unor exigenţe bine definite. Printr-o alegere corespunzătoare, atât calitativ, cât și cantitativ a materialelor constituente se pot realiza materiale compozite cu prorietăți superioare materialelor tradiționale Proprietati mecanice ale compozitelor Materialele compozite sunt realizate prin combinarea, la scară macroscopică, a cel puţin doi constituenţi. Legăturile mecanice şi chimice, ce apar între matricea și armătura compozitului dau naștere unui material al cărui ansamblu de proprietăţi este superior celui al constituenţilor luaţi separat. Din acest motiv proprietăţile materialelor compozite sunt influenţate de proprietăţile materialelor constituente, de fracţiunea volumică a componentei de armare, de orientarea armăturii în compozit, etc. Pentru materialelor compozite polimerice armate cu fibre, orientarea fibrelor armăturii, generează proprietăţi diferite pe direcţii diferite de solicitare ale materialului (anizotropia). Aceasta este una dintre caracteristicile fundamentale ale materialelor compozite. Printr-o orientare judicioasă a fibrelor, compozitul poate prelua sarcinile din exploatare Valori ale proprietăților materialelor compozite Cele mai multe termoplaste posedă proprietăţi bune la compresiune ceea ce face ca limitările impuse în utilizarea lor, să fie rare. În tabelul se prezintă rezistenţele la compresiune a unor termoplaste [128]. Temperatura materialului influențează proprietățile de tracțiune ale răşinilor. Temperatura ridicată duce la scăderea modulului de elasticitate la tracţiune, a rezistenţelor de curgere şi rupere, iar alungirile la curgere şi rupere cresc. Figurile și prezintă curbele de variaţie a modulului de elasticitate şi a rezistenţei la tracţiune în funcţie de temperatură pentru trei tipuri de materiale. 24

25 Tabelul Tipul răşinii Rezistenţa la compresiune [MPa] Acrilonitril-butadien-stiren (ABS) 48 ABS armat cu 20% fibre de sticlă 62 Poliamidă PA 6/6 34 Policarbonat (PC) 86 Policarbonat (PC) armat cu 10% fibre de sticlă 96 Polipropilenă (PP) 21 Polieterul de fenilen (PPE) modificat ptr. impact 110 Polistiren (PS) de uz general 83 Polistiren (PS) modificat ptr. impact Poliamidă 11 Poliamidă 6/6 PVC E [N/mm2] T [K] Figura Variaţia modulului de elasticitate în funcţie de temperatură Proprietăţile la încovoiere ce caracterizează un material oarecare sunt: - Rezistenţa la încovoiere reprezintă tensiunea maximă la încovoiere în fibrele exterioare ale unei epruvete, la momentul ruperii; - Modulul de elasticitate la încovoiere este raportul, determinat la încovoiere, dintre tensiune şi alungire, în interiorul limitei de elasticitate. 25

26 Poliamidă 11 Poliamidă 6/6 PVC σt [N/mm2] T [K] Figura Variţia rezistenţei la rupere în funcţie de temperatură În tabelul sunt prezentate proprietăţile la încovoiere a unor termoplaste [129]. Tipul răşinii Rezistenţa la încovoiere [MPa] Tabelul Modulul de elasticitate la încovoiere [GPa] Acrilonitril-butadien-stiren (ABS) 69 2,2 Poliamidă PA 6/6 91 2,6 Amestec PC/ABS 92 2,8 Policarbonat (PC) 83 2,4 Polistiren (PS) de impact ridicat 96,5 2,5 Polistiren (PS) de uz general 52 2,1 Polioxidul de fenilen (PPO) 69 2,4 Stiren-acrilonitril (SAN) Coeficientul Poisson, determinat la 23 C, pentru diferite răşini termoplaste este prezentat în tabelul Tabelul Tipul răşinii Coeficientul Poisson la 23 C Policarbonat (PC) 0,39 Amestec PC/ABS 0,36 Acrilonitril-butadien-stiren (ABS) 0,35 Polistiren (PS) de impact ridicat 0,34 26

27 În tabelul sunt prezentate câteva caracteristici ale celor mai utilizate fibre [x48]. Rezistență la tracțiune σ Modul de elasticitate E Densitate ρ Rezistență specifică k σ Modul specific k E Tabelul Diametrul fibrei [GPa] [GPa] [kg/m3] [μm] Alumină 2,4-4, Aramidă 3,5-5, Bazalt 3,0-3, Bor 2,5-3, Bor- carbid 2,1-2, Bor-nitrid 1, Carbon cu modul înalt 2, Carbon de înaltă rezistență 2, , Cuarț 6, Kevlar 2, , Polietilenă 2,6-3, Sticla 3,1-5, Sticla-E 3,5 72, , Sticla-S 4,6 85, , Titan 1, Durabilitatea componentelor din materiale compozite și efectul mediului asupra acestora Datorită faptului că materialele compozite au un raport rezistenţă-greutate redus, o rezistenţă bună la uzură și coroziune acestea au început să înlocuiască din ce în ce mai mult materialele tradiționale. Integritatea structurală a materialului compozit asigură performanţe ridicate. Caracteristicile materialelor compozite stratificate armate cu fibre se reduc din cauza concentratorilor de tensiuni, ca şi la metale, dar și din cauza deteriorărilor. Acestea sunt numeroase, dar şi diferite față de cele ale metalelor. Deteriorările materialelor compozite pot fi de două tipuri: - deteriorări proprii compozitului, apărute în timpul realizării compozitului; - deteriorări dobândite, cauzate de solicitările la care sunt supuse reperele realizate din aceste materiale. 27

28 Deteriorările proprii, apărute în timpul realizării compozitului, sunt legate de defecțiunile materialelor constituente, dar țin și de tehnologia de fabricație. Aceste deteriorări sunt produse de neuniformități ale grosimii straturilor, lipsa paralelismului între fibre, întreruperi ale fibrelor, goluri (pungi de aer) sau alte imperfecţiuni în structură, delaminări, dar și din cauza sculelor neadecvate, sau incorect folosite. Deteriorările dobândite sunt produse de sarcinile ce acționează asupra pieselor realizate din materialele compozite, sau de acțiunea factorilor de mediu. Deteriorările ce apar la un material compozit stratificat, armat cu fibre, pot fi [57]: - fisurarea sau crăparea matricei compozitului; - creşterea golurilor din matrice; - delaminarea; - ruperea fibrelor; - dezlipirea de matrice a fibrelor orientate pe direcţii diferite de cea de încărcare; - desprinderea de matrice a fibrelor orientate pe direcţia încărcării. Aceste deteriorări pot apare din cauza solicitărilor statice de întindere compresiune, încovoiere, forfecare sau torsiune, dar și din cauza oboselii structurii. Defectele pot apărea instantaneu sau pot fi rezultatul cedării progresive a materialului Posibilitatea de reciclare În componență unui autovehicul (figura 3.4.1) intră multe tipuri de materiale: metalice, plastice, textile, etc. Procentele sunt variate funcție de tipul autovehiculului, destinația acestuia, zona climatică în care va fi exploatat, performanțelor pe care le dezvoltă, sau clasei sociale căreia i se adresează. În lume sunt fabricate anual peste 50 milioane de autoturisme, în SUA, 15 milioane, în Europa în jur de 10 milioane iar restul în Asia. Peste 50 milioane tone de resurse sunt consumate doar pentru fabricarea acestor autovehicule. Materiile prime sunt totuși limitate. Se preconizează că rezervele actuale ar mai ajunge pentru 45 de ani, în cazul petrolului, 120 de ani pentru cele de fier, 30 de ani pentru cupru, 21 de ani pentru rezervele de plumb. Din masa totală a maşinilor scoase din uz 75% se reciclează, iar 25% rămâne praf rezidual. Dintr-un autoturism se reciclează: 70,1% materiale feroase; 3,4% materiale neferoase; 1,5% echipamente electrice. 28

29 Praful rezidual, ceea ce nu se recuperează din autoturisme, este compus din: 8,5% plastice; 4,6% cauciuc; 3,5% sticla; 3% echipament electric; 2,9% altele; 1% ulei și unsori; 1% textile; 0,5% hârtie. Figura Componența unui autovehicul Din masa prafului rezidual 70% este alcătuită din fibre şi plastic. Reciclarea maselor plastice şi a cauciucurilor se face într-un procent redus. Fibrele nu se pot încă recicla. Sticla reprezintă 40 de kilograme din greutatea totală a maşinii iar procentul de reciclare al acesteia este mic. Se preconizează că circa 85% din masa automobilelor (cele care ies din funcțiune la data menționată) să fie reciclabilă iar pentru cele noi proiectate procentul să fie 90%. Pe un termen mai lung se preconizează că în procent de 95% din masa automobilului să fie reciclabilă. Din aceste punct de vedere, tot mai multe firme constructoare de autovehicule încep să-și regândească modul de dezvoltare al produselor. În figura 3.4.2, cu culoarea galbenă sunt evidențiate reperele pe care firma Opel le realizează din materiale reciclate. Figura Repere reciclate 29

30 Capitolul 4. DETERMINAREA EXPERIMENTALĂ A PROPRIETĂŢILOR MATERIALELOR COMPOZITE LA SOLICITĂRILE DIN EXPLOATARE 4.1. Caracteristicile solicitărilor mecano-termice Utilizarea materialelor compozite pentru construcția de piese supuse la solicitări mecanice, termice şi chimice, impune cunoaşterea caracteristicilor acestor materiale. Principalele caracteristici mecanice şi fizice ale fibrelor sunt: - σ u - rezistenţa la tracţiune; - E - modulul de elasticitate longitudinal; - ρ - densitatea sau greutatea specifică. Rezistenţa maximă la tracţiune, σ u, şi modulul de elasticitate longitudinală, E, pentru câteva fibre tipice utilizate în compozitele avansate se determină prin încercarea la întindere (la tracţiune), în urma căreia rezultă curbe caracteristice liniare ca în fig Pe lângă acestea, în literatura de specialitate [110], sunt definite rezistenţa specifică şi rigiditatea specifică. Rezistenţa specifică este defintă ca raport între rezistenţa de tracţiune şi densitatea materialului: k σ = σ u / ρ (4.1.1) unde: k σ - rezistenţa specifică; σ u - rezistenţa la tracţiune; ρ - densitatea sau greutatea specifică. Rigiditatea specifică numită şi modulul specific se defineşte similar cu rezistenţa specifică, prin raportul între modulul de elasticitate E şi densitatea materialului: k E = E / ρ (4.1.2) unde: k e - rigiditatea specifică; E - modulul de elasticitate longitudinal; ρ - densitatea sau greutatea specifică. Aceste proprietăţi sunt citate adesea ca indicatori ai eficienţei structurale a unui material [x47]. 30

31 4.2. Pregatirea epruvetelor şi determinarea proprietăţilor materialelor compozite Pentru a se obţine rezultate reproductibile şi comparabile ale încercărilor este necesar să se utilizeze anumite metode de preparare şi de condiţionare [85] și să se respecte normativele existente Pregatirea epruvetelor În cazul materialelor pentru formare şi stratificare, se realizează o placă în conformitate cu ISO 1268 sau în orice alt mod de lucru precizat. Din placă se decupează epruvete individuale sau seturi de epruvete. În cazul produselor finite (de exemplu, pentru controlul calităţii în fabricare sau la livrare), epruvetele se prelevează din zonele plane. Parametrii de prelucrare ai epruvetelor sunt prevăzuţi în ISO Prelucrarea epruvetelor Pentru realizarea epruvetelor, în timpul prelucrărilor, se are în vedere următoarele: - Prelucrarea epruvetelor trebuie făcută în condiţii care să nu creeze o creştere puternică a căldurii în epruvetă (se recomandă a utiliza un lichid de răcire). Dacă este utilizat un astfel de lichid, epruvetele se usucă imediat după prelucrare; - Toate suprafeţele prelucrate ale epruvetei trebuie să fie lipsite de defecte de prelucrare. Dacă nu este posibilă prelevarea epruvetelor din obiectul finit, se pregătesc foi sau plăci care reproduc pe cât posibil modul de fabricare al produsului considerat. Dacă materialul prezintă diferenţe importante ale caracteristicilor la încovoiere pe două direcţii principale, trebuie supus încercării pe ambele direcţii Forma şi dimensiunile epruvetelor Indiferent de epruvetă, grosimea în partea centrală, pe o treime din lungime, nu trebuie să varieze cu mai mult de 2% din valoarea sa medie. Variaţia maximă corespunzătoare pentru lăţime este de 3%. Secţiunea transversală trebuie să fie dreptunghiulară iar margile să nu fie marginile rotunjite. Pentru materialele care au proprietăţi fizice diferite, funcție de direcţia fibrelor materialului de armare, epruvetele trebuie alese astfel încât, în cursul încercării, tensiunea de 31

32 încovoiere să fie aplicată pe aceeaşi direcţie ca aceea în care produsele sunt solicitate în funcționare [85]. Atunci când materialul prezintă o diferenţă semnificativă a proprietăţilor de încovoiere pe două direcţii principale, acesta trebuie încercat pe cele două direcţii. Orientarea epruvetelor în raport cu direcţiile principale trebuie notată. Dacă într-o aplicaţie materialul este supus unei tensiuni pe o direcţie specifică faţă de direcţia principală, se recomandă ca materialul să fie încercat pe această direcţie Metodica de experimentare Maşina de încercare trebuie să fie conform ISO Maşina de încercare trebuie să fie capabilă să menţină viteza de încercare pe parcursul probei. Poziţia epruvetei la începutul încercării este prezentată în figura Raza R 1 a poansonului semisferic şi raza R 2 a suporţilor trebuie să fie următoarele: - R 1 = 5,0 mm ± 0,1 mm; - R 2 = 2,0 mm ± 0,2 mm pentru grosimi ale epruvetei mai mici sau egale cu 3 mm; - R 2 = 5,0 mm± 0,2 mm pentru grosimi ale epruvetei mai mari de 3 mm. Deschiderea L trebuie să fie reglabilă. Eroareade măsurare pentru forţa indicată nu trebuie să depăşească ±1%, iar pentru săgeata indicată nu trebuie să depăşească ±1% pe toată scara. Se va utiliza un dispozitiv de măsurare cu exactitate de cel puţin 0,01 mm. Figura Poziţia epruvetei la începutul încercării 32

33 Modul de încercare al epruvetelor Epruvetele folosite la încercările de rupere la încovoiere pe stand sunt de tipul celor din fiura 4.2.7, unde s-au notat cu: - A, Lungimea epruvetei: - B, Lățimea epruvetei; - C, Grosimea epruvetei. C A B Figura Forma epruvetelor folosite Se măsoară lăţimea B a epruvetei cu exactitatea de 0,1 mm, în secţiunea centrală a epruvetei. Se fac trei măsurări ale grosimii C şi se utilizează media aritmetică pentru calculele ulterioare. Se ajustează lungimea între suporturi, L. Se măsoară lungimea între reazeme cu exactitatea de 0,5%. Se aşează epruveta simetric în raport cu suporturile paralele asigurându-se că lungimea epruvetei este perpendiculară pe aceste suporturi. Se asigură poziţionarea capului de apăsare central exact la mijlocul distanţei dintre suporturi şi se aplică forţa pe epruvetă cu o viteză uniformă, evitându-se şocurile. Dacă trebuie determinat modulul de elasticitate, se citesc simultan valorile forţei şi ale săgeţii, suficient de frecvent pentru a se putea trasa o curbă forţă-săgeată precisă. Este preferabil să se înregistreze continuu forţa şi săgeata sau să se traseze curba forţă săgeată. Încercarea se desfășoară până se produce ruperea epruvetei Calculul şi exprimarea rezultatelor Rezistențî la încovoiere, σ f, în timpul solicitării unei epruvete, pe stand, se calculează cu ajutorul formulei: unde: σ f - rezistența la încovoiere, în [MPa]; M - este momentul de încovoiere solicitant, în [Nm]; W - este modulul de inerţie al secţiunii drepte, în [mm 3 ]. M σ f = (4.2.1) W 33

34 Momentul de încovoiere se calculează cu formula: F L M = (4.2.2) 4 unde: M - este momentul de încovoiere solicitant, în [Nm]; F forța de apăsare pe epruvetă, în [N]; L - este distanța dintre suporturile pe care se sprijină epruveta, în [mm]. Modulul de inerţie al secţiunii drepte, W este dat de formula: 2 b h W = (4.2.3) 6 unde: W- este modulul de inerţie al secţiunii drepte, în [mm 3 ]; b - este lățimea secțiunii epruvetei, în [mm]; h - este grosimea secțiunii epruvetei, în [mm]. Rezultă că rezistența la încovoiere se poate calcula cu relaţia: 3F L σ f = (4.2.4) 2 2b h unde: σ f - rezistența la încovoiere, în [MPa]; F forța de apăsare pe epruvetă, în [N]; L - este distanța dintre suporturile pe care se sprijină epruveta, în [mm]. b - este lățimea secțiunii epruvetei, în [mm]; h - este grosimea secțiunii epruvetei, în [mm]. Pentru determinarea modulului de elasticitate la flexiune E b, se trasează curba Forţă- Săgeată, se înregistrează cel puţin cinci valori ale săgeţii şi forţei din zona rectilinie a acestei curbe valori ce se introduc în formula: 3 L 2bh E b = 2 unde: E b - este modulul de elasticitate, în [MPa]; L - este distanța dintre suporți, în [mm]; b h F - este lăţimea epruvetei, în [mm]; - este grosimea epruvetei, în [mm]; - variaţia forţei pe partea rectilinie iniţială a curbei forţă săgeată, în [N]; F d d - variaţia săgeţii corespunzătoare variaţiei forţei F, în [mm]. (4.2.5) 34

35 Sarcina de încovoiere este aceea care corespunde suprafeţei epruvetei, presupunând linia neutră situată la mijlocul grosimii. Aceste relații vor fi folosite împreună cu datele experimentale pentru determinarea caracteristicilor materatialelor compozite încercate Stand de încercare Caracteristicile materialelor, mai ales a celor compozite, trebuie să se determine și experimental. În acest sens sunt realizate standuri cu ajutorul cărora, se pot supune la probe epruvetele realizate din materialalele de încercat. Epruvetele pot fi supuse la diverse solicitări. Ele pot fi încercate la întindere, la compresiune, la încovoiere, la torsiune, etc. Tipul de solicitare se alege funcție de rolul pe care trebuie să-l îndeplinească structura realizată din aceste materiale. În cazul de față s-a dorit studierea comportării unor materiale compozite supuse la solicitări de încovoiere. S-au determinat forțele maxime la care au rezistat epruvetele realizate din materialele compozite, săgețile maxime de deformare a epruvetelor, până în momentul ruperii acestora. Pentru unele materiale s-au făcut și probe de anduranță la încovoiere, pentru a se vedea comportamentul materialului în timp. Aceste probe au fost realizate cu ajutorul unor standuri adaptate pentru încercări de încovoiere sau pentru încercări de anduranță Stand de încercare la încovoiere Standul pentru încercarea epruvetelor la încovoiere în trei puncte are rolul de a determina forțele care apar și săgețile la care se deformează epruvetele în timpul solicitărilor Construcția standului de încercare la încovoiere Standul a fost realizat pornindu-se de la o instalație existentă destinată încercărilor de tracțiune sau compresiune. Instalația este folosită pentru realizarea probelor de tracțiune și compresiune. Ea poate dezvolta o forță maximă de tracțiune-compresiune de 25 kn. Schema de principiu a acestei instalații este prezentată în figura Instalația este compusă din trei părți: - postul de lucru; - postul de comandă; - postul de înregistrare a datelor. 35

36 Postul de lucru este o maşină de tracţiune cu două coloane (1). Postul de lucru este compus dintr-o masă (2) pe care sunt montate două coloane verticale (3). Pe aceste coloane poate culisa în sus și în jos o traversă (4) pe care este montat traductorul de forță (5). Pe masa mașinii este montat un cilindru servohidraulic (6) de al cărui piston este atașat un traductor de cursă (7). Pistonul cilindrului servohidraulic acționează asupra dispozitivului (8) de solicitare a epruvetei (9). Postul de comandă este un dulap electric de comandă, măsură și control (10). În acest dulap se află toată instalația electrică și electronică necesară acționării și controlării postului de lucru. Tot în acest dulap se află un generator de semnal (11) cu ajutorul căruia se poate controla mișcarea pistonului cilindrului servohidraulic de acționare după anumite funcții impuse Maşină cu două coloane; 2. Masă de lucru; 3. Coloane; 4. Traversă mobilă; 5. Traductor de forţă; 6. Cilindru servohidraulic de acţionare; 7. Traductor de cursă înglobat în cilindru; 8. Dispozitiv de solicitare a epruvetei; 9. Epruveta; 10. Dulap electric de comandă, măsură şi control; 11. Generator de rampă; 12. Amplificator semnal traductor forţă; 13. Voltmetru digital; 14. Înregistrator X-Y. Figura Instalaţie servohidraulică de 25 kn pentru tracţiune-compresiune 36

37 Postul de înregistrare a datelor este compus din echipamentul electric și electronic cu ajutorul cărora se amplifică semnalele primite de la traductoare (12), se afișează (13) și se înregistrează (14). Pentru a realiza solicitare de încovoiere, s-a construit dispozitivul de solicitare a epruvetei. Dispozitivul de solicitare a epruvetei este format dintr-un împingător şi două reazeme. Figura Montajul epruvetei Montajul epruvetei în dispotitivul de solicitare este prezentat în figura Se vede că epruveta este sprijinită la ambele capete pe reazemele cilindrice, iar la jumătatea acesteia acţionează împingătorul. Epruveta nu este încastrată la nici unul din capete, permiţând o încovoiere pură Funcționarea standului de încercare la încovoiere Schema de solicitare la încovoiere în trei puncte a epruvetei este prezentată în figura 37

38 50 F f h N N Figura Schema de solicitare la încovoiere în trei puncte a epruvetei După cum se vede în figura epruveta se așează pe cele două rezeme cilindrice aflate la 80 mm unul de celălalt, iar pe mijlocul părții superioare acționează împingătorul. Sub acțiunea forței F de apăsare epruveta se defomează cu săgeata f. După ce proba a fost fixată, se comandă acționarea cilindrului servohidraulic. Deplasarea pistonului cilindrului servohidraulic de acționare este înregistrat de traductorul de cursă atașat pistonului, iar forța de solicitare este înregistrată de traductorul de forță de pe traversă. Semnalele emise de traductoare sunt amplificate și apoi colectate de dispozitivul de înregistrare Stand de încercare la anduranță Standul de încercare la anduranță are rolul de a supune epruveta unor cicluri de solicitare la încovoiere, pentru a studia comportamentul acesteia în timp. Standul, realizat, asigură o solicitare alternant simetrică, alternant asimetrică, sau pulsatorie Construcția standului de încercare la anduranță O descriere generală a standului de anduranță este prezentată în figura Standul este compus din trei părți: - postul de lucru; - postul de comandă - postul de înregistrare a datelor. Postul de lucru este alcătuit dintr-un șasiu (1), pe care se află mecanismul bielă-manivelă (2), culisa (6), dispozitivul de solicitare a epruvetei (3), brațul oscilant (7), traductorul de forță (8) și traductorul de cursă (9). 38

39 Postul de comandă este alcătuit din dulapul electric de comandă (2), unde se află partea electrică de acționare a standului și un contor pentru ciclurile de solicitare electromecanic (10). Postul de înregistrare a datelor este alcătuit din aparatura de măsură și control (11) Stand; 2. Dulap electric de commandă; 3. Dispozitivul de solicitare a epruvetei; 4. Mecanism bielă manivelă; 5. Excentric pentru reglarea amplitudinii; 6. Culisă 7. Braţ oscilant; 8. Traductor de forţă; 9. Traductor de cursă; 10. Contor cicluri de solicitare; 11. Aparatură de măsură şi control. Figura Standul de anduranță la încovoiere Solicitarea epruvetelor se va realiza cu ajutorul unui dispozitiv, construit special în acest scop. El este format din două părți, una fixă și una mobilă. 39

40 Funcționarea standului de încercare la anduranță În figura este schema de solicitare a epruvetei la încercare de anduranță. Forţa va acţiona perpendicular pe suprafaţa epruvetei solicitând-o la încovoiere. 2f F Figura Schema de solicitare a epruvetei la încercare de anduranță Fixarea epuvetelor se face în dispozitivul de solicitare. Astfel, dacă în momentul în care standul este oprit în poziția de zero şi mijlocul epruvetei se află în linie cu capetele acesteia, solicitare va fi alternant simetrică. Dacă mijlocul epruvetei nu se află în linie cu capetele acesteia, fiind dezaxat faţă de linia care uneşte cele două capete ale epruvetei solicitare va fi: - alternant asimetrică, dacă dezaxarea este mai mică decât amplitudinea de solicitare; - pulsatorie, dacă această dezaxare este egală cu amplitudinea de solicitare; - oscilantă, dacă dezaxarea este mai mare decât amplitudinea de solicitare. Standul este prevăzut cu traductor de forţă pentru înregistrarea solicitării epruvetei şi cu traductor de cursă pentru înregistrarea deformaţiei acesteia. Standul este echipat şi cu un contor ce va înregistra numărul de cicluri efectuate de fiecare epruvetă supusă la încercare. Pentru că se știe că solicitarea alternant simetrică este cea mai distructivă pentru epruvetă, standul a fost reglat ca încercările de anduranță să fie realize în acest regim Instalaţia de determinare a coeficientului de conductivitate termică Instalaţia de determinare a coeficientului de conductivitate termică al materialelor izolatoare plane, omogene, microporoase, fibroase sau sub formă de particule este instalația Dr. Bock. Domeniul de lucru al acestei instalații este = 0, ,977 W ( mk) λ. 40

41 Construcția instalaţiei de determinare a coeficientului de conductivitate termică Schema de principiu a acestei instlații este prezentată în figura [x45] a a 1. Ceas; 2. Epruvetă; 3. Placă rece; 4. Placă încălzitoare; 5. Termocuplu; 6. Termometre placă rece; 7. Termometre placă încălzitoare; 8. Micrometre; 9. Termostat circuit răcire; 10. Termostat circuit încălzire; 11. Transformator; 12. Milivoltmetru; 13. Contor electric; 14. Reostat; 15. Termometru apă; 16. Robinet; 17. Debitmetru; 18. Robinet; 9a. Termoregulator; 10a.Termoregulator. Fig Schema de principiu a instalaţiei pentru determinarea coeficientului de conductivitate termică 41

42 Funcționarea instalaţiei de determinare a coeficientului de conductivitate termică Determinarea coeficientului de conductivitate termică se bazează pe metoda plăcii încălzitoare cu un singur corp de probă. Proba de material (2) se aşează între două plăci metalice plane, cea superioară (4) cu o temperatură mai mare - constantă, denumită încălzitoare, prevăzută cu o rezistență electrică, iar cea inferioară (3) cu o temperatură mai scăzută - constantă, denumită rece, care cedeză căldura. Temperatura plăcii de protecţie este menținută constantă prin conectarea ei la circuitul de încălzire al termostatului (10) prevăzut cu termoregulatorul (10a). Menţinerea constantă a temperaturii plăcii reci se realizează cu ajutorul circuitului de răcire al termostatului (9) prevăzut cu termoregulatorul (9a). Apa de răcire, care circulă prin serpentina termostatelor, pe al cărei traseu se află termometrul (15) şi debitmetrul (17), reduce inerţia termică a apei de termostatare în termostatul plăcii calde şi preia căldura cedată către placa rece şi respectiv către termostatul aferent ei. Cu ajutorul termometrelor (7) se determină valoarea medie a temperaturii agentului termic în placa de protecție. Termometrele (6) determină valoarea medie a temperaturii agentului termic din placa rece. Cu aceste termometre se poate calcula căderea de temperatură în probă. În circuitul rezistenței electrice este intercalat reostatul cu douăsprezece poziţii (14). Menţinerea constantă a temperaturii plăcii superioare pe toată suprafaţa de contact cu proba de material este realizată de termocuplul (5), care este conectat la milivoltmetrul (12). Consumul de energie electrică furnizată plăcii încălzitoare este înregistrat de un contor electric (13) amplasat în circuitul rezistenţei electrice. În circuitul de alimentare de la reţea este amplasat transformatorul variabil cu şapte poziţii (11). Plăcile metalice sunt înconjurate în timpul măsurătorilor de o cutie protectoare, care are rolul de a reduce pierderile de căldură în exterior. Cu ajutorul a patru micrometre (8) fixate pe placa superioară se măsoară grosimea probei de material. Aceste standuri au fost realizate pentru a fi folosite la încerările efectuate pe epruvetele realizate din materiale compozite Rezultatele încercărilor la incovoiere a structurii compozite Epruvetele pentru încercările experimentale au fost obținute din materiale realizate de către SC COMPOZITE SRL Brașov. Încercările experimentale de solicitare la încovoiere au fost realizate în cadrul INSTITUTULUI DE AUTOVEHICULE RUTIERE INAR Brașov și în cadrul 42

43 Laboratorului de Încercare a Materialelor al Catedrei de Mecanică a UNIVERSITĂŢII TRANSILVANIA Braşov Tipuri de epruvete utilizate Epruvetele au fost prelevate din diferite tipuri de materiale compozite. Pentru că s-au efectuat numai încercări de solicitare la încovoiere, epruvetele au fost realizate conform schiței din figura C A B Figura Forma epruvetelor folosite - Lungimea epruvetei (A) este de 100mm; - Lățimea epruvetei (B) este între 10 și 15mm; - Grosimea epruvetei (C) este funcție de grosimea plăcii din care s-au obținut epruvetele Principiul de lucru este următorul: Epruveta, se sprijinită ca o pârghie, pe două rezeme și este supusã la încovoiere cu viteză constantă, pânã la rupere. În timpul încercãrii sunt măsurate forța aplicată pe epruvetă si săgeata de deformație a acesteia (deplasarea unui punct situat la mijlocul distantei dintre punctele de sprijin). Aceste măsurători sunt materializate într-un grafic Forță-Săgeată. Epruveta se consideră ruptă la prima cădere a graficului Forță-Săgeată Rezultatele încercărilor la încovoiere Materialele compozite, utilizate pentru obținerea epruvetelor, au fost realizate sub forma unor plăci plane, de grosimi diferite. Pentru primele epruvete încercate la rupere prin încovoiere, s-a realizat o placă din material compozit, din fibră de sticlă. Materialul compozit realizat este din rășină poliesterică, armat cu 5 straturi de ţesătură din fibră de sticlă, RT 800, cu masa specifică de 845g /m 2. După depunerea celor cinci straturi, materialul a fost lăsat să polimerizeze la temperatura mediului ambiant. Din această placă s-au obținut, prin debitare, 20 de epruvete, având dimensiunile următoare: - lungime 100 mm; 43

44 - lăţime 10 mm; - grosime 4,5 mm. Epruvetele au fost numerotate şi marcate pentru identificare cu numere de la 1 la 20. Înainte de începerea încercării, epruvetelor li s-au măsurat dimensiunile. Încercarea de rupere la încovoiere s-a făcut pentru nouă epruvete. Au fost supuse la încercarea de rupere la încovoiere epruvetele cu numererele 1, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 12 şi 14. Viteza de apăsare a epruvetei este de 0,1mm/s, la temperatura mediului ambiant de 20ºC. Epruvetele au aceeași temperatură ca și mediul. În figura se vede deformarea epruvetei în timpul încercării de încovoiere pe stand. Figura Încercarea epruvetei, din RT-800, pe stand Pentru fiecare epruvetă încercată s-a realizat un grafic Forţă-Săgeată. Pe axa orizontală este înregistrată săgeata de deformare a epruvetei, în milimetri, iar pe verticală este înregistrată forţa de apăsare, în dan Epruveta nr. 12 RT-800 Inregistrarea primei rupturi Forţă [dan] Săgeată [mm] Figura Graficul Forță-Săgeată înregistrat pentru solicitarea epruvetei 12 din RT

45 În figura este reprezentat graficul Forță-Săgeată înregistrat în timpul solicitării de încovoiere a epruvetei cu numărul 12. Punctul de rupere al epruvetei este considerat primul punct în care apare o cădere a forței de solicitare înregistrată grafic. În figura este reprezentat graficul Forță-Săgeată, cumulat, pentru solicitarea de încovoiere a celor nouă epruvete. RT-800 Forţă [dan] Epruveta nr. 1 Epruveta nr. 2 Epruveta nr. 3 Epruveta nr. 4 Epruveta nr. 5 Epruveta nr. 6 Epruveta nr Săgeată [mm] Epruveta nr. 12 Epruveta nr. 14 Figura Graficul Forță-Săgeată cumulat pentru solicitarea epruvetelor din RT-800 Valorile maxime înregistrate în timpul solicitării de rupere la încovoiere pentru cele nouă epruvete încercate, dimensiunile acestora, cât și valorile calculate pentru sarcina de încovoiere [σ] și modulul de elasticitate [E b ], sunt prezentate în tabelul Tabelul RT-800 Forţa de apăsare Săgeată Dimensiuni epruvetă Sarcina de încovoiere Modulul de elasticitate Lățime Grosime σ E b [dan] [mm] [mm] [mm] [MPa] [MPa] Epruveta nr. 1 50,00 5,40 10,00 4,30 32, ,67 Epruveta nr. 2 57,00 5,30 10,10 4,40 34, ,04 Epruveta nr. 3 43,00 4,50 9,80 4,30 28, ,76 Epruveta nr. 4 40,50 4,00 10,00 4,50 24, ,22 Epruveta nr. 5 47,00 5,40 9,90 4,40 29, ,05 Epruveta nr. 6 35,50 3,75 9,90 4,40 22, ,86 Epruveta nr. 8 61,50 7,85 9,80 4,40 38, ,24 Epruveta nr ,50 4,30 9,70 4,30 25, ,02 Epruveta nr ,30 6,25 10,10 4,40 32, ,75 45

46 Un alt material compozit utilizat la încercările de încovoiere este realizat tot din rășină poliesterică, dar având în componență 7 straturi de ţesătură din fibră de sticlă, cu masa specifică de 845g /m 2, codificat 107. Din placa realizată s-au debitat 25 de epruvete, cu dimensiunile: - lungime 100 mm; - lăţime 10 mm; - grosime 6 mm. Și aceste epruvete au fost numerotate şi marcate cu numere de la 1 la 25. Epruvetele au fost măsurate dimensional. Rezultatele măsurătorilor au fost înregistrate în fișa de măsurători. Încercarea de rupere la încovoiere s-a făcut doar pentru trei epruvete. La încercarea de rupere la încovoiere au fost supuse doar trei epruvete și anume cele cu numerele 10, 11 şi 12. Proba s-a realizat la o viteză de apăsare de 0,1mm/s, la temperatura de 20ºC. În figura este reprezentat graficul Forță-Săgeată, cumulat, pentru solicitarea de încovoiere a celor trei epruvete Forţă [dan] Săgeată [mm] Epruveta 10 Epruveta 11 Epruveta 12 Figura Graficul Forță-Săgeată cumulat pentru solicitarea epruvetelor, din materialul compozit 107 În tabelul sunt înregistrate valorile maxime, dimensiunile și valorile calculate pentru sarcina de încovoiere [σ] și modulul de elasticitate [E b ], pentru cele trei epruvete încercate. Pentru încercarea de rupere la încovoiere s-a realizat o placă din material de tip "sandwich", având în componenţă un strat de coremat. Corematul este un material utilizat la laminatele compozite, realizat dintr-o pâslă, sub formă de coală, ce se pune între straturile de 46

47 fibră de sticlă. Corematul este de aproximativ 4 mm şi este impregnat cu răşină poliesterică prin pensulare. Placa de material compozit a fost realizată la o grosime de 8 mm. Materialul a fost polimerizat 24 de ore la o temperatură de aproximativ 20 C. Tabelul Material compozit 107 Forţa de apăsare Săgeată Dimensiuni epruvetă Sarcina de încovoiere Modulul de elasticitate E Lățime Grosime σ E b [dan] [mm] [mm] [mm] [MPa] [MPa] Epruveta nr ,13 8,15 10,10 5,70 23,45 538,48 Epruveta nr ,50 5,02 9,90 5,80 25,40 930,63 Epruveta nr ,11 5,11 10,10 5,90 24,27 858,70 Pentru încercarea de rupere la încovoiere s-a realizat o placă din material de tip "sandwich", având în componenţă un strat de coremat. Corematul este un material utilizat la laminatele compozite, realizat dintr-o pâslă, sub formă de coală, ce se pune între straturile de fibră de sticlă. Corematul este de aproximativ 4 mm şi este impregnat cu răşină poliesterică prin pensulare. Placa de material compozit a fost realizată la o grosime de 8 mm. Materialul a fost polimerizat 24 de ore la o temperatură de aproximativ 20 C. Materialul compozit a fost realizat din rășină poliesterică, având următoarea succesiune de straturi: - Gelcoat, care este un strat de răşină pigmentată; - MAT din fibră de sticlă cu masa specifică 450g /m 2 ; - Firet Coremat XX de 4 mm; - MAT din fibră de sticlă cu masa specifică 450g /m 2 ; - 2 straturi RT 800 ţesătură din fibră de sticlă cu masa specifică de 845g /m 2 ; - 1strat RT 500 ţesătură din fibră de sticlă cu masa specifică de 485g /m 2 ; Din acestă placă s-au tăiat zece epruvete cu dimensiunile: - lungime 100 mm; - lăţime 15 mm; - grosime 8 mm. Dimensiunile epruvetelor au fost înregistrate în fișa de măsurători. Încercarea de rupere la încovoiere s-a făcut pe șase epruvete. La încercarea de rupere la încovoiere au fost supuse epruvetele marcate cu numererele 2, 5, 6, 7, 8 şi 9. În figura este redat graficul, cumulat, pentru solicitarea de încovoiere a celor șase epruvete. 47

48 COREMAT Forţă [dan] Epruveta nr. 2 Epruveta nr. 5 Epruveta nr. 6 Epruveta nr. 7 Epruveta nr. 8 Epruveta nr ,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 Săgeată [mm] Figura Graficul Forță-Săgeată cumulat pentru solicitarea de încovoiere a epruvetelor Valorile maxime înregistrate în timpul solicitării de rupere la încovoiere, dimensiunile și valorile calculate pentru sarcina de încovoiere [σ] și modulul de elasticitate [E b ], sunt prezentate în tabelul 4.4.3, pentru cele șase epruvete încercate. Tabelul COREMAT Forţa de apăsare Săgeată Dimensiuni epruvetă Sarcina de încovoiere Modulul de elasticitate Lățime Grosime σ E b [dan] [mm] [mm] [mm] [MPa] [MPa] Epruveta nr. 2 60,00 2,02 14,80 7,60 8,42 585,09 Epruveta nr. 5 67,00 1,68 15,00 7,80 8,81 718,44 Epruveta nr. 6 64,04 1,40 14,90 8,00 8,06 769,12 Epruveta nr. 7 61,00 3,20 14,90 7,90 7,87 332,62 Epruveta nr. 8 63,00 2,00 15,00 8,10 7,68 505,37 Epruveta nr. 9 49,50 2,16 15,10 8,20 5,85 353,05 S-a realizat o placă de material compozit din rășină poliesterică armată cu 15 straturi de împâslitură (MAT din fibră de sticlă cu masa specifică 450g /m 2 ). Grosimea plăcii este de 12 mm. Polimerizarea a avut loc la temperatura de 20ºC. Din acestă placă s-au tăiat 20 de epruvete cu dimensiunile: - lungime 100 mm; 48

49 - lăţime 14,5 mm; - grosime 12 mm. Epruvetelor li s-a întocmit o fișă de măsurători. Încercarea de rupere la încovoiere s-a făcut pe șase epruvete. La încercarea de rupere la încovoiere au fost supuse epruvetele cu numererele 1, 2, 3, 4, 5, și 6. În figura este reprezentat graficul Forță-Săgeată, cumulat, pentru solicitarea de încovoiere a celor șase epruvete. Împâslitură 12mm Forţă [dan] Epruveta 1 Epruveta 2 Epruveta 3 Epruveta 4 Epruveta 5 Epruveta Săgeată [mm] Figura Graficul Forță-Săgeată cumulat pentru solicitarea de încovoiere a epruvetelor Valorile maxime înregistrate în timpul solicitării de rupere la încovoiere pentru cele trei epruvete încercate, dimensiunile și valorile calculate pentru sarcina de încovoiere [σ] și modulul de elasticitate [E b ], sunt prezentate în tabelul Epruvetele realizate din acest material au fost supuse unui proces de încălzire pentru a se vedea cum le variază rezistența la rupere, la încovoiere, funcție de temperatură. Pentru aceasta, nouă epruvete au fost introduse într-o etuvă, unde au fost încălzite. Etuva a fost programată să încălzească epruvetele la o temperatură de 50ºC. 49

50 După ce epruvetele au atins temperatura de 50ºC, trei epruvete au fost scoase, pe rând, și supuse încercării de rupere la încovoiere. Temperatura epruvetei a fost verificată, pe stand, cu ajutorul unui termometru electronic (figura 4.4.8). Tabelul ÎMPÂSLITURĂ Forţa de apăsare Săgeată Dimensiuni epruvetă Sarcina de încovoiere Modulul de elasticitate Lățime Grosime σ E b [dan] [mm] [mm] [mm] [MPa] [MPa] Epruveta nr ,00 3,05 14,50 11,20 21,64 675,71 Epruveta nr ,00 3,19 14,50 11,40 23,69 694,83 Epruveta nr ,00 3,31 14,50 11,10 22,84 663,02 Epruveta nr ,00 2,94 14,50 11,80 22,41 688,95 Epruveta nr ,00 3,05 14,50 11,90 22,27 654,37 Epruveta nr ,00 2,95 14,50 11,90 22,15 673,00 Încercarea s-a realizat la aceeași viteză de apăsare a epruvetei de 0,1mm/s, la temperatura mediului ambiant de 20ºC, dar epruvetele se aflau la temperatura de 50ºC. Încercarea de rupere la încovoiere s-a făcut pe trei epruvete, și anume epruvetele marcate cu numerele 7, 8 și 9. Fig Verificarea, pe stand, a temperaturii de 50ºC a epruvetei, cu ajutorul termometrului electronic În figura este reprezentat graficul Forță-Săgeată, cumulat, pentru solicitarea de încovoiere a celor trei epruvete. 50

51 300 Împâslitură 12mm 50ºC Epruveta 7 Forţă [dan] Epruveta 8 Epruveta Săgeată [mm] Figura Graficul Forță-Săgeată cumulat pentru solicitarea de încovoiere a epruvetelor În tabelul sunt prezentate valorile maxime înregistrate în timpul solicitării de rupere la încovoiere pentru cele trei epruvete încercate. ÎMPÂSLITURĂ LA 50ºC Forţa de apăsare Săgeată Dimensiuni epruvetă Sarcina de încovoiere Tabelul Modulul de elasticitate Lățime Grosime σ E [dan] [mm] [mm] [mm] [MPa] [MPa] Epruveta nr ,34 5,96 14,50 11,10 17,15 276,33 Epruveta nr ,00 6,49 14,50 11,00 16,41 245,11 Epruveta nr ,00 6,53 14,50 11,60 17,10 240,94 Cele șase epruvete rămase în etuvă, au fost încălzite la o temperatură de 65ºC. Când epruvetele au atins temperatura de 65ºC, alte trei epruvete au fost scoase, pe rând, și supuse încercării de rupere la încovoiere. Temperatura epruvetei a fost verificată și de această dată cu ajutorul termometrului electronic. Încercarea de rupere la încovoiere, la temperatura de 65ºC a epruvetei, s-a făcut pe epruvetele marcate cu numerele 10, 11 și

52 În figura este reprezentat graficul Forță-Săgeată, cumulat, pentru solicitarea de încovoiere a celor trei epruvete supuse încercărilor la temperatura de 65ºC. 160 Împâslitură 12mm 65ºC Forţă [dan] Epruveta 10 Epruveta 11 Epruveta Săgeată [mm] Figura Graficul Forță-Săgeată cumulat pentru solicitarea de încovoiere a epruvetelor Valorile maxime înregistrate în timpul solicitării de rupere la încovoiere, pentru cele trei epruvete încercate, dimensiunile acestora, cât și valorile calculate pentru sarcina de încovoiere [σ] și modulul de elasticitate [E b ], sunt prezentate în tabelul Tabelul ÎMPÂSLITURĂ LA 65ºC Forţa de apăsare Săgeată Dimensiuni epruvetă Sarcina de încovoiere Modulul de elasticitate Lățime Grosime σ E b [dan] [mm] [mm] [mm] [MPa] [MPa] Epruveta nr ,84 3,17 14,50 12,00 1,49 41,69 Epruveta nr ,77 4,02 14,50 11,00 2,31 55,77 Epruveta nr ,13 3,84 14,50 10,80 2,14 55,00 Ultimele trei epruvete rămase în etuvă au fost încălzite la o temperatura de 100ºC, apoi au fost lăsate să se răcească până la temperatura mediului ambiant, după care s-au reluat încercările 52

53 de rupere la încovoiere. S-a dorit să se vadă influență temperaturii asupra comportamentului acestui material. La încercarea de rupere la încovoiere au fost supuse epruvetele 13, 14 și 15. Epruvetele au avut temperatura de 20ºC, aceeași ca a mediului ambiant, după ce au fost încălzite la 100 ºC. În figura este reprezentat graficul Forță-Săgeată, cumulat, pentru solicitarea de încovoiere a celor trei epruvete. 400 Împâslitură 12mm încălzită la 100ºC, răcită la 20ºC Forţă [dan] Epruveta 13 Epruveta 14 Epruveta Săgeată [mm] Figura Graficul Forță-Săgeată cumulat pentru solicitarea de încovoiere Valorile maxime înregistrate pentru cele trei epruvete încercate, dimensiunile și valorile calculate pentru sarcina de încovoiere [σ] și modulul de elasticitate [E b ], sunt prezentate în tabelul Tabelul ÎMPÂSLITURĂ LA 100ºC Forţa de apăsare Săgeată Dimensiuni epruvetă Sarcina de încovoiere Modulul de elasticitate Lățime Grosime σ E b [dan] [mm] [mm] [mm] [MPa] [MPa] Epruveta nr ,00 3,34 14,50 11,70 22,25 606,45 Epruveta nr ,92 3,53 14,50 11,90 19,51 495,60 Epruveta nr ,00 3,69 14,50 11,30 21,19 542,62 53

54 Un alt material compozit utilizat la încercările de încovoiere este realizat din rășină epoxidică armată cu fibre de carbon. S-a realizat o placă din șase straturi de țesătură din fibră de carbon, cu masa specifică 300g/m 2 și un strat exterior de poliester. Din această placă s-au debitat zece epruvete, având dimensiunile următoare: - lungime 100 mm; - lăţime 15 mm; - grosime 3 mm. Epruvetele au fost numerotate şi marcate pentru identificare cu numere de la 1 la 10 (figura ). Figura Epruvete folosite Dimensiunile epruvetelor au fost măsurate înainte de testare. Rezultatele măsurătorilor au fost înregistrate într-o fișă de măsurători. Încercarea de rupere la încovoiere s-a făcut pentru cinci epruvete. Au fost supuse la încercarea de rupere la încovoiere epruvetele cu numărerele 1, 2, 3, 4 şi 5. Pentru fiecare epruvetă încercată s-a realizat un grafic Forţă-Săgeată. Pe axa orizontală este înregistrată săgeata de deformare a epruvetei, în milimetri, iar pe verticală este înregistrată forţa de apăsare, în dan. În figura este reprezentat graficul Forță-Săgeată, cumulat, pentru solicitarea de încovoiere a celor cinci epruvete. 54

55 Carbon Forţă [dan] Epruveta 1 Epruveta 2 Epruveta 3 Epruveta 4 Epruveta Săgeată [mm] Figura Graficul Forță-Săgeată cumulat pentru solicitarea epruvetelor din carbon Valorile maxime înregistrate în timpul solicitării de rupere la încovoiere pentru cele cinci epruvete încercate, dimensiunile acestora, cât și valorile calculate pentru sarcina de încovoiere [σ] și modulul de elasticitate [E b ], sunt prezentate în tabelul Tabelul FIBRE DE CARBON Forţa de apăsare Săgeată Dimensiuni epruvetă Sarcina de încovoiere Modulul de elasticitate Lățime Grosime σ E b [dan] [mm] [mm] [mm] [MPa] [MPa] Epruveta nr. 1 46,00 7,17 14,30 2,70 52, ,71 Epruveta nr. 2 52,00 7,50 14,30 2,60 64, ,01 Epruveta nr. 3 51,50 6,53 14,30 2,70 59, ,02 Epruveta nr. 4 58,00 7,22 14,30 2,50 77, ,67 Epruveta nr. 5 57,00 7,13 14,30 2,80 61, , Moduri de rupere a epruvetelor Epruvetele realizate din rășină poliesterică armată straturi RT 800 din ţesătură din fibră de sticlă au suferit ruperi în zona mediană, în timpul încercării de rupere la încovoiere. 55

56 epruvete. În figurile sunt prezentate detalii ale zonelor de rupere suferite de aceste Figura Detaliu al zonei de rupere a epruvetei supuse la încovoiere Figura Detaliu al zonei de rupere a epruvetei supuse la încovoiere Figura Detalii ale zonelor de rupere ale epruvetelor supuse la încovoiere În figura este un detaliu al modului de rupere al epruvetelor cu coremat. 56

57 Figura Detaliu al zonei de rupere a epruvetei supuse la încovoiere Un detaliu al modului de rupere al epruvetelor din împâslitură, după ce au fost supuse încercării de rupere, este prezentat în figura Figura Detaliu al zonei de rupere a epruvetei din împâslitură supuse la încovoiere În figura se prezintă un detaliu al ruperii epruvetelor din fibre de carbon. Figura Detaliu al zonei de rupere a epruvetei din fibre de carbon 57

58 4.5. Rezultatele încercărilor la anduranta a structurii compozite Epruvetele folosite la încercările de anduranță au fost prelevate din materiale realizate de către SC COMPOZITE SRL Brașov. Încercările experimentale de sanduranță la solicitarea de încovoiere au fost realizate în cadrul INSTITUTULUI DE AUTOVEHICULE RUTIERE INAR Brașov, pe standul construit special pentru aceste încercări Tipuri de epruvete utilizate Încercările de anduranță s-au efectuat tot pentru solicitarea de încovoiere. Epruvetele folosite au fost identice cu cele utilizate la încercările de rupere la încovoiere Rezultatele încercărilor la anduranta Solicitarea epruvetelor la încovoiere se realizeaza cu ajutorul dispozitivului construit special în acest scop şi montat pe stand. În figura este prezentată prinderea epruvetei pe stand în dispozitivul de solicitare Epruvetă; 2. Suport fix; 3. Suport mobil 4. Şurub de fixare Figura Prinderea epruvetei pe stand în dispozitivul de solicitare Epruvetele folosite la încercarea de anduranță la încovoiere, pe stand, au fost prelevate din placă de material compozit realizat din rășină poliesterică armat cu 5 straturide ţesătură din fibră de sticlă, RT 800, cu masa specifică de 845g /m 2. 58

59 Dintre acestea, epruvetele cu numererele 1, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 12 şi 14 au fost supuse la încercarea de rupere la încovoiere. Valorile înregistrate ale săgeților de rupere, la încercarea de rupere la încovoiere, au fost cuprinse între 3,75 și 7,85 mm. Astfel, s-a convenit ca epruvetele să fie supuse la încercarea de anduranță, alternant simetrică, pentru trei valori diferite ale săgeții de încovoiere. Cea mai mare săgeată de deformare, la care au fost supuse la încovoiere alternant simetrică patru epruvete, a fost de ±3,5 mm. Alte patru epruvete au fost supuse la o săgeată de deformare de ±2 mm. Trei epruvete au fost încercate la anduranță pentru o săgeată de deformare de ± 1 mm. În tabelul sunt prezentate valorile înregistrate pentru cele patru epruvete încercate la anduranță la o săgeată de ±3,5 mm. Tabelul Nr. crt. Index contor Tensiune masurata + - Cicluri partiale Cicluri totale Tensiuni inregistrate (V) Forta masurata (dan) ,9 3, ,75 37, ,8 3, ,65 36, ,7 2, ,70 27, ,9 1, ,85 18, ,3 1, ,28 12, ,2 1, ,17 11, ,91 0, ,89 8, ,87 0, ,83 8, ,71 0, ,76 7, ,67 0, ,71 7, ,61 0, ,65 6, ,51 0, ,62 6, ,5 0, ,60 6, ,46 0, ,56 5, ,45 0, ,54 5, ,45 0, ,54 5, ,4 0, ,50 5,00 Tabelul Nr. crt. Index contor Tensiune masurata + - Cicluri partiale Cicluri totale Tensiuni inregistrate (V) Forta masurata (dan) ,41 4, ,79 37, , ,95 29, ,75 0, ,79 7, ,67 0, ,71 7, ,52 0, ,58 5, ,35 0, ,36 3,60 59

60 Tabelul Nr. crt. Index contor Tensiune masurata + - Cicluri partiale Cicluri totale Tensiuni inregistrate (V) Forta masurata (dan) , ,60 36, ,18 2, ,32 23, ,27 1, ,50 15, ,12 1, ,38 13, ,04 1, ,28 12, ,96 1, ,17 11, ,9 1, ,09 10, ,81 1, ,95 9, ,8 1, ,94 9, ,83 1, ,01 10, ,71 1, ,88 8, ,63 0, ,80 8, ,57 0, ,77 7, ,54 0, ,70 6, ,58 0, ,76 7, ,54 0, ,66 6, ,47 0, ,54 5, ,49 0, ,54 5, ,5 0, ,63 6, ,51 0, ,61 6, ,47 0, ,56 5, ,43 0, ,54 5,35 Tabelul Nr. crt. Index contor Tensiune masurata + - Cicluri partiale Cicluri totale Tensiuni inregistrate (V) Forta masurata (dan) ,9 3, ,80 38, ,9 3, ,75 37, ,65 2, ,78 27, ,1 1, ,95 19, ,35 1, ,38 13, ,25 1, ,18 11, , ,05 10, ,88 0, ,84 8, ,85 0, ,88 8, ,8 0, ,85 8, ,75 0, ,78 7, ,78 0, ,75 7, ,51 0, ,61 6, ,46 0, ,56 5, ,45 0, ,54 5, ,42 0, ,53 5, ,41 0, ,48 4, ,41 0, ,46 4, ,4 0, ,45 4,50 60

61 ,4 0, ,45 4, ,4 0, ,45 4, ,4 0, ,45 4, ,41 0, ,45 4, ,41 0, ,45 4, ,4 0, ,45 4, ,41 0, ,45 4, ,4 0, ,45 4,50 Folosind datele din tabelele 4.5.1, 4.5.2, 4,5,3 și se poate reprezenta cumulat graficele celor patru epruvete supuse incercării de anduranță la încovoiere pentru o săgeată de deformare de ± 3,5 mm (figura 4.5.2). 40 Forţă solicitare [dan] Epruveta nr. 11 Epruveta nr. 7 Epruveta nr. 17 Epruveta nr Cicluri solicitare Figura Reprezentarea grafică a încercării de anduranță la încovoiere de ± 3,5 mm În tabelul sunt înregistrate valorile forțelor maxime, inițiale și a celor minime, finale pentru cele patru epruvetele supuse la încercarea de anduranță la o săgeată de încovoiere de ± 3,5 mm. Tabelul Epruveta nr Săgeată ±3,5 mm Forță [dan] Max 37,50 37,90 36,00 38,00 Min 5,00 3,60 5,35 4,45 Scădere procentuală 86,67% 90,50% 85,14% 88,29% Număr cicluri solicitare După realizarea încercării de anduranță la încovoiere pentru cele patru epruvete solicitate la o săgeată de deformare de ±3,5 mm, s-a trecut la încercarea epruvetelor la anduranță la încovoiere pentru o săgeată de deformare de ±2 mm. 61

62 În tabelul sunt prezentate valorile înregistrate pentru cele patru epruvete încercate la anduranță la o săgeată de ±2 mm. Nr. crt. Index Tensiune masurata contor + - Cicluri partiale Cicluri totale Tensiuni inregistrate (V) Tabelul Forta masurata (dan) ,7 2, ,72 27, ,52 2, ,66 26, ,42 2, ,46 24, ,28 2, ,34 23, ,27 2, ,16 21, ,35 2, ,21 22, ,38 2, ,28 22, ,3 1, ,10 21, ,15 2, ,09 20, ,27 2, ,21 22, ,2 2, ,20 22, ,21 2, ,15 21, ,2 2, ,16 21, , ,10 21, ,8 1, ,78 17, ,85 1, ,70 17, ,93 1, ,76 17, ,78 1, ,71 17, ,83 1, ,73 17, ,84 1, ,79 17, ,85 1, ,78 17, ,78 1, ,74 17, ,84 1, ,58 15, ,86 1, ,56 15, ,89 1, ,62 16, ,81 1, ,66 16, ,63 1, ,46 14, ,67 1, ,48 14, ,52 1, ,39 13, ,52 1, ,39 13, ,5 1, ,43 14, ,55 1, ,53 15, ,5 1, ,42 14, ,45 1, ,43 14, ,41 1, ,42 14, ,55 1, ,43 14, ,44 1, ,42 14, ,42 1, ,32 13, ,53 1, ,44 14, ,55 1, ,36 13,60 Nr. crt. Index Tensiune masurata contor + - Cicluri partiale Cicluri totale Tensiuni inregistrate (V) Tabelul Forta masurata (dan) ,07 2, ,15 21, ,1 1, ,00 19,95 62

63 ,99 1, ,95 19, ,78 1, ,84 18, ,95 1, ,88 18, , ,85 18, ,8 1, ,80 18, ,81 1, ,81 18, ,96 1, ,84 18, , ,85 18, ,01 1, ,85 18, ,08 1, ,88 18, ,08 1, ,88 18, ,1 1, ,87 18, ,08 1, ,88 18, ,06 1, ,84 18, ,08 1, ,87 18, ,08 1, ,84 18, ,07 1, ,85 18, ,02 1, ,79 17, ,06 1, ,83 18, ,03 1, ,83 18, ,03 1, ,82 18, ,01 1, ,80 18, ,01 1, ,78 17, ,01 1, ,78 17, ,98 1, ,74 17, ,98 1, ,76 17, ,98 1, ,77 17, ,97 1, ,76 17, ,96 1, ,74 17, , ,75 17, ,98 1, ,75 17, ,98 1, ,75 17, ,94 1, ,74 17, ,93 1, ,73 17, ,96 1, ,74 17, ,95 1, ,73 17, ,96 1, ,73 17, ,96 1, ,74 17, ,95 1, ,73 17, ,91 1, ,72 17, ,91 1, ,72 17, ,91 1, ,72 17, ,9 1, ,71 17, ,91 1, ,72 17, ,89 1, ,71 17, ,9 1, ,71 17, ,9 1, ,71 17, ,9 1, ,71 17, ,9 1, ,70 17, ,89 1, ,70 16,95 63

64 Nr. crt. Index Tensiune masurata contor + - Cicluri partiale Cicluri totale Tensiuni inregistrate (V) Tabelul Forta masurata (dan) ,6 3, ,84 28, ,31 2, ,59 25, ,21 2, ,50 24, ,08 2, ,39 23, ,06 2, ,36 23, , ,32 23, ,96 2, ,28 22, ,91 2, ,23 22, ,9 2, ,22 22, ,85 2, ,13 21, ,81 2, ,12 21, ,79 2, ,11 21, ,82 2, ,13 21, ,86 2, ,15 21, ,73 2, ,08 20, ,82 2, ,12 21, ,78 2, ,11 21, ,78 2, ,12 21, ,78 2, ,09 20, ,77 2, ,09 20, ,76 2, ,09 20, ,75 2, ,08 20, ,78 2, ,08 20, ,72 2, ,06 20, ,67 2, ,99 19, ,62 2, ,99 19, ,56 2, ,94 19, ,62 2, ,98 19, ,61 2, ,98 19, ,65 2, ,00 19, ,66 2, ,98 19, ,62 2, ,95 19,50 Nr. crt. Index Tensiune masurata contor Cicluri partiale Cicluri totale Tensiuni inregistrate (V) Tabelul Forta masurata (dan) ,8 3, ,94 29, ,42 2, ,65 26, ,5 2, ,63 26, ,38 2, ,55 25, ,25 2, ,47 24, ,21 2, ,43 24, ,15 2, ,38 23, ,13 2, ,37 23, ,09 2, ,34 23, ,05 2, ,27 22, ,04 2, ,25 22, ,03 2, ,24 22, ,01 2, ,22 22,20

65 , ,22 22, ,89 2, ,16 21, ,9 2, ,16 21, ,87 2, ,15 21, ,84 2, ,15 21, ,78 2, ,09 20, ,78 2, ,09 20, ,77 2, ,09 20, ,75 2, ,08 20, ,7 2, ,04 20, ,72 2, ,06 20, ,7 2, ,03 20, ,65 2, ,03 20, ,7 2, ,01 20, ,68 2, ,01 20, ,68 2, ,00 20, ,71 2, ,01 20, ,67 2, ,99 19, ,62 2, ,94 19, ,62 2, ,87 18, ,61 2, ,86 18, ,62 2, ,86 18, , ,81 18, , ,80 18,00 Datele înregistrate în tabelele 4.5.6, 4.5.7, 4,5,8 și sunt prezentate cumulat în figura 4.5.3, pentru cele patru epruvete supuse incercării de anduranță la încovoiere pentru o săgeată de deformare de ± 2 mm. 40 Forţă solicitare [dan] Epruveta nr. 15 Epruveta nr. 9 Epruveta nr. 10 Epruveta nr Cicluri solicitare Figura Reprezentarea grafică a încercării de anduranță la încovoiere de ± 2,5 mm În tabelul sunt înregistrate valorile forțelor maxime și a celor minime pentru cele patru epruvetele supuse la încercarea de anduranță la o săgeată de încovoiere de ± 2 mm 65

66 Tabelul Epruveta nr Săgeată ±2 mm Forță [dan] Max 27,15 21,50 28,40 29,35 Min 13,20 16,95 19,40 18,00 Scădere procentuală 51,38% 21,16% 31,69% 38,67% Număr cicluri solicitare După realizarea încercării de anduranță la încovoiere pentru cele patru epruvete solicitate la o săgeată de deformare de ±2 mm, s-a trecut la încercarea epruvetelor la anduranță la încovoiere pentru o săgeată de deformare de ±1 mm. În tabelul sunt prezentate valorile înregistrate pentru cele trei epruvete incercate la anduranță la o săgeată de ±1 mm. Nr. crt. Index Tensiune masurata contor Cicluri partiale Cicluri totale Tensiuni inregistrate (V) Tabelul Forta masurata (dan) ,98 2, ,12 10, ,99 2, ,06 10, ,02 1, ,01 10, ,03 2, ,07 10, , ,06 10, ,13 1, ,04 10, ,11 1, ,04 10, ,07 1, ,01 10, ,9 1, ,92 9, ,99 2, ,00 10, ,94 2, ,98 9, , ,99 9, ,98 1, ,97 9, , ,96 9, ,9 1, ,91 9, ,9 1, ,93 9, ,94 1, ,95 9, ,9 1, ,93 9, ,9 1, ,91 9, ,9 1, ,91 9, ,92 1, ,90 9, ,94 1, ,90 9, ,02 1, ,92 9, ,9 1, ,88 9, ,97 1, ,88 9, ,94 1, ,87 9, ,93 1, ,87 9, ,91 1, ,85 9, ,93 1, ,86 9, ,89 1, ,88 9, ,86 1, ,85 9,25

67 ,89 1, ,85 9, ,83 1, ,84 9,18 Nr. crt. Index contor Tensiune masurata + - Cicluri partiale Cicluri totale Tensiuni inregistrate (V) Tabelul Forta masurata (dan) ,17 2, ,14 10, ,65 1, ,79 8, ,62 2, ,82 9, ,7 1, ,75 8, ,5 2, ,78 8, ,55 1, ,77 8, ,57 1, ,77 8, ,61 2, ,82 9, ,55 2, ,81 9, ,56 2, ,81 9, ,53 2, ,80 8, ,32 2, ,77 8, ,39 2, ,80 8, ,35 2, ,77 8, ,44 2, ,79 8, ,38 2, ,77 8,85 Nr. crt. Index contor Tensiune masurata + - Cicluri partiale Cicluri totale Tensiuni inregistrate (V) Tabelul Forta masurata (dan) ,2 2, ,20 11, ,2 2, ,20 11, ,2 2, ,15 10, ,14 2, ,13 10, ,23 2, ,17 10, , ,11 10, , ,11 10, , ,10 10, ,1 1, ,03 10, , ,03 10, ,98 2, ,00 10, , ,00 9, ,98 1, ,98 9, ,96 1, ,98 9, ,95 1, ,96 9, ,9 1, ,94 9, ,94 1, ,96 9, ,92 1, ,94 9, ,91 1, ,93 9, ,9 1, ,91 9, ,92 1, ,91 9, ,94 1, ,91 9, ,96 1, ,90 9, ,9 1, ,88 9,38 67

68 ,97 1, ,87 9, ,95 1, ,87 9, ,93 1, ,86 9, ,92 1, ,85 9, ,93 1, ,86 9, ,9 1, ,85 9, ,86 1, ,85 9, ,87 1, ,84 9, ,83 1, ,84 9, ,84 1, ,82 9, ,83 1, ,82 9, ,81 1, ,81 9, ,82 1, ,81 9, ,8 1, ,80 9, ,8 1, ,79 8, ,77 1, ,79 8,93 În figura sunt prezentate cumulat reprezentarea grafică a datelor înregistrate în tabelele , , și pentru cele trei epruvete supuse incercării de anduranță la încovoiere pentru o săgeată de deformare de ± 1 mm Forţă solicitare [dan] Epruveta nr. 16 Epruveta nr. 13 Epruveta nr Cicluri solicitare Figura Reprezentarea grafică a încercării de anduranță la încovoiere de ± 1 mm În tabelul sunt înregistrate valorile forțelor inițiale și a celor finale pentru cele trei epruvetele supuse la încercarea de anduranță la o săgeată de încovoiere de ± 1 mm, iar în figura este o reprezentare grafică a acestor date. 68

69 Epruveta nr Tabelul Săgeată ±1 mm Forță [dan] max 10,58 10,68 11,00 min 9,18 8,75 8,93 Scădere procentuală 13,24% 18,03% 18,86% Număr cicluri solicitare Toate datele înregistrate în timpul acestor încercări de anduranță sunt prezentate, cumulat, în graficul din figura Forţă solicitare [dan] Epruveta nr. 16 Epruveta nr. 7 Epruveta nr. 17 Epruveta nr. 18 Epruveta nr. 15 Epruveta nr. 9 Epruveta nr. 10 Epruveta nr. 19 Epruveta nr. 16 Epruveta nr. 13 Epruveta nr Cicluri solicitare Figura Reprezentarea grafică cumulată a încercării de anduranță la încovoiere Moduri de rupere a epruvetelor Epruvetele folosite la încercarea de anduranță la încovoiere pentru o săgeată de deformare de ± 3,5 mm și-au pierdut rigiditatea, dar nu s-au rupt. Rășina din zona mediană s-a distrus. După cum se vede în figura rășina este plină de fisuri transversale în zona de mijloc a epruvetei. Diferențele dintre forțele inițiale de solicitare și cele finale sunt mari. Forțele de solicitare ale epruvetelor supuse la încovoiere cu o săgeată de deformare de ± 3,5 mm au scăzut cu procente cuprinse între 85,14% și 90,50%. 69

70 Figura Fisurile apărute în epruvetele încercate la anduranță la încovoiere Nici epruvetel încercate la anduranță la încovoiere pentru săgeata de solicitare de ± 2 mm nu s-au rupt în urma probelor, dar și ele și-au pierdut rigiditatea. Și pe suprafața acestor epruvete au apărut fisuri transversale în rășină. Forțele de solicitare la încovoiere ale celor patru epruvete supuse la o săgeată de deformare de ± 2 mm au scăzut cu procente între 21,16% și 51,38%. Și pe cele trei epruvetele supuse încercării de anduranță la o săgeată de ± 1 mm au apărut câteva fisuri transversale în zona mediană. Rigiditatea acestor epruvete poate fi considerată nemodificată deoarece, forțele de solicitare au avut scăderi de 13,24% până la 18,86% Rezultatele încercărilor de determinare a coeficientului de conductivitate termică Epruvetele pentru încercările experimentale au fost realizate din materiale fabricate de către SC COMPOZITE SRL Brașov. Încercările de determinare a coeficientului de conductivitate termică au fost realizate în cadrul Laboratorului de Încercare a Materialelor al UNIVERSITĂŢII TRANSILVANIA Braşov Tipuri de epruvete utilizate Epruvetele folosite în cadrul acestor încercări au fost obținute dintr-o placă [x45] realizată din rășină poliesterică, armată cu 15 straturi de împâslitură de fibră de sticlă (MAT din fibră de sticlă cu masa specifică 450g /m 2 ). Epruvetele au fost realizate conform schiței din figura Lungimea epruvetei (A) este de 250 mm; - Lățimea epruvetei (B) este de 250 mm; 70

71 - Grosimea epruvetei (C) este de 12 mm (funcție de grosimea plăcii din care s-au prelevat epruvetele). B A C Figura Forma epruvetelor folosite Principiul de lucru este următorul: Proba de material se aşează între două plăci metalice plane, cea superioară cu o temperatură mai mare - constantă, denumită încălzitoare, prevăzută cu o rezistență electrică, iar cea inferioară cu o temperatură mai scăzută - constantă, denumită rece, care cedează căldura. Cu ajutorul termometrelor se determină valoarea medie a temperaturii agentului termic în placa încălzitoare și în placa rece. Cu aceste termometre se poate calcula căderea de temperatură în probă. Epruvetele încercate în cadrul acestei lucrări au fost decupate dintr-o placă realizată din 15 straturi de împâslitură din fibre de sticlă. Grosimea plăcii din fibră de sticlă este de aproximativ 12 mm, dar pentru că placa a fost mulată liber în matriță deschisă, grosimea acesteia nu este constantă, iar una dintre suprafete acesteia (cea care nu a fost în contact cu matrița) nu este plană. Epruvetele utilizate trebuie să aibă ambele fețe plane și paralele. Epruvetele trebuie să aibă grosime constantă, pentru a putea sta în contact perfect cu plăcile de lucru ale instalației. Din acest motiv epruvetele realizate au fost supuse unei prelucrări de frezare Rezultatele încercărilor de determinare a coeficientului de conductivitate termică Coeficientul de conductivitate termică caracterizează proprietatea materialelor de a conduce fluxul termic. Conductivitatea termică a materialelor solide are valori foarte diferite, funcţie de natura şi proprietăţile materialelor [x43]. 71

72 Coeficientul de conductivitate termică este numeric egal cu fluxul termic [x44], care traversează unitatea de suprafaţă a unei plăci de grosime unitară, când diferenţa de temperatură între suprafeţele exterioare este egală cu unitatea. Deci: q δ λ = t Determinarea acestui coeficient presupune măsurarea experimentală a mărimilor q, δ şi Funcţie de valoarea λ, solidele se împart în: W mk - materiale izolante: λ = 0,02 0,15 [W/(mK)]; - materiale refractare: λ = 0,60 3,50 [W/(mK)]; - materiale metalice: λ = 8, [W/(mK)]. Epruvetele realizate au fost folosite pentru determinarea experimentală a conductivității termice a materialului compozit. În urma frezării epruveta cu numărul 1 a ajuns la o grosime de 10,5 mm, iar epruveta cu numărul 2 la o grosime de 9,50 mm. Epruvetele au fost montate, pe rând, între plăcile de lucru ale instalației. După intrarea instalaţiei în regim staţionar de funcţionare, se fac următoarele determinări, din 15 în 15 minute (0,25 ore), care se înregistrează: - ora şi minutele indicate de ceas; - indicaţia contorului de energie electrică; - temperatura agentului termic citită la termometrele amplasate la intrare şi la ieşire din placa superioară (t ci, t ce ), respectiv la termometrele ale plăcii inferioare (t ri, t re ); - temperatura încăperii; - temperatura apei de răcire; - se măsoară grosimea probei la sfârşitul experimentului cu ajutorul celor patru micrometre. Pentru epruveta cu numărul 1 datele înregistrate sunt redate în tabelele și 4.6.2, iar în tabelul sunt prezentate datele calculate [x42].. t. Tabelul Epruveta nr. 1 Material Fibră de sticlă Data 2013 Citirea nr Timp Temperatura camerei TR Citirea de pe contor E Intrare placa de incalzire protectoare tci Iesire placa de incalzire protectoare tce , , , , , ,833 31,58 31,72 31,62 31,65 31,71 31,72 31,55 31,58 31,53 31,52 31,6 31,6 72

73 Intrare placa de racire tri Iesire placa de racire tre Treapta de putere 22,24 22,65 23,05 23,4 23,62 23,78 22,05 22,42 22,84 23,19 23,35 23,55 9 ΔE 0,013 0,012 0,011 0,01 0,009 0 Δζ 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25 ΔE/Δζ 0,05 0,047 0,042 0,04 0,036 0 Tabelul Micrometre Masurare Eroare Valoare corectata δ1 [ mm ] 10,31 0,01 10,3 δ2 [ mm ] 10,55 0,01 10,54 δ3 [ mm ] 10,53 0,01 10,52 δ4 [ mm ] 10,48 0,01 10,47 Σδ1-4 [ mm ] 41,83 Σδ1-4/4 [ mm ] 10,4575 Marimi calculate Tabelul Σtci= 190,0000 Σtci/m= 31,6667 a= 31, Σtce= 189,3800 Σtce/m= 31,5633 b= 31, Σtri= 138,7400 Σtri/m= 23,1233 c= 23, Σtre= 137,4000 Σtre/m= 22,9000 d= 45, a+b= 63,1000 m= 6 c+d= 45,8433 (a+b)-(c+d)= 17,2567 Δt= 8,6283 tm= 27,2358 ΣΔE= 0,0537 ΣΔζ= 1,2500 ΣΔE/ΣΔζ= 0,0430 q= 108,8684 qxw= 0,1217 δ= 0,0105 λ=qxδ/(δt-qxw)= 0, [kcal/(hmgrad)] λ=qxδ/(δt-qxw)= 0, [W/(mK)] Pentru epruveta cu numărul 2 datele înregistrate sunt redate în tabelele și 4.6.5, iar în tabelul sunt prezentate datele calculate. Tabelul Epruveta nr. 2 Material Fibră de sticlă Data 2013 Citirea nr Timp Temperatura camerei TR 20 73

74 Citirea de pe contor E Intrare placa de incalzire protectoare tci Iesire placa de incalzire protectoare tce Intrare placa de racire tri Iesire placa de racire tre Treapta de putere 556, , , , , , , , , , , , , ,7 31,65 31,62 31,8 31,63 31,61 31,6 31,6 31,75 31,65 31,73 31,58 31,7 31,58 31,55 31,59 31,61 31,55 31,53 31,51 31,52 31,61 31,59 31,64 31,51 31,61 22,2 22,48 22,7 22, ,2 23,4 23,57 23,74 23,88 24,04 24,22 24,2 21,96 22,25 22,45 22,64 22,7 22,91 23,16 23,32 23,5 23,58 23,73 23,86 23,9 9 ΔE 0,0111 0,0104 0,0088 0,0091 0,0086 0,0083 0,0074 0,0065 0,007 0,0056 0,0061 0, Δζ 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25 ΔE/Δζ 0,0444 0,0416 0,0352 0,0364 0,0344 0,0332 0,0296 0,026 0,028 0,0224 0,0244 0, Micrometre Masurare Eroare Valoare corectata δ1 [ mm ] 9,52 0,01 9,51 δ2 [ mm ] 9,7 0,01 9,69 δ3 [ mm ] 9,53 0,01 9,52 δ4 [ mm ] 9,53 0,01 9,52 Σδ1-4 [ mm ] 38,24 Σδ1-4/4 [ mm ] 9,56 Tabelul Tabelul Marimi calculate Σtci= 411,6200 Σtci/m= 31,6631 a= 31, Σtce= 410,4000 Σtce/m= 31,5692 b= 31, Σtri= 303,5300 Σtri/m= 23,3485 c= 23, Σtre= 299,9600 Σtre/m= 23,0738 d= 46, a+b= 63,1023 m= 13 c+d= 46,2423 (a+b)-(c+d)= 16,8600 Δt= 8,4300 tm= 27,3362 ΣΔE= 0,0941 ΣΔζ= 3,0000 ΣΔE/ΣΔζ= 0,0314 q= 79,4888 qxw= 0,0889 δ= 0,0096 λ=qxδ/(δt-qxw)= 0, [kcal/(hmgrad)] λ=qxδ/(δt-qxw)= 0, [W/(mK)] 4.7. Concluzii Analizând modul de comportare, în timpul încercărilor, al epruvetelor realizate din materialele compozite încercate, se pot formula câteva aprecieri. 74

75 Concluzii referitoare la încercarea de rupere la încovoiere Materialele compozite, folosite pentru realizarea epruvetelor, au fost realizate din constituienți diferiți și în diferite combinații. Pentru unele din materialele realizate s-a folosit țesătură din fibră de sticlă, de tip roving. Aceste ţesături sunt utilizate, în general, pentru armarea răşinilor poliesterice şi epoxidice şi prezintă proprietăţi bune de impregnabilitate. Au o grosime de 0,75 mm și o masă specifică de 845 g/m 2. Fibra de sticlă a fost folosită și sub formă de straturi de împâslitură. Straturile de împâslitură aveau grosimea de 0,8 mm. Un alt constituent utilizat este corematul. Corematul este un material utilizat la laminatele compozite, realizat dintr-o pâslă, sub formă de coală, ce se pune între straturile de fibră de sticlă. Este un material mai vâscos. Este folosit pentru a absorbi surplusul de rasină. Tot pentru armare s-au folosit și țesături din fibre de carbon. Astfel, primul material testat, prezentat în capitolul anterior a fost realizat din rășină poliesterică, armat cu 5 straturi de ţesătură din fibră de sticlă cu masa specifică de 845g /m 2, RT 800. Al doilea material încercat a fost realizat tot din rășină poliesterică, armat cu 7 straturi de ţesătură din fibră de sticlă cu masa specifică de 845g /m 2, codificat 107. Aceste două tipuri de materiale au fost realizate din aceiași constituienți, diferind doar numărul de straturi de țesătură din fibră de sticlă folosite. Din primul material s-au realizat epruvete având o grosime de 4,5 mm. Epruvetele realizate din cel de-al doilea material au avut o grosime de 6 mm. În urma încercărilor, epruvetele obținute din materialele realizate din 5 sau 7 straturi de ţesătură din fibră de sticlă s-au rupt parțial. Câteva straturi, din cele solicitate la întindere, s-au rupt în întregime. La nici una dintre epruvete nu a apărut o desprindere între straturi, cu excepția zonei mediene, unde s-a produs ruperea. Sarcina de încovoiere la rupere, σ, a variat între 22,23 și 38,90 [MPa]. Al treilea material supus încercărilor de rupere la încovoiere a fost un material din rășină poliesterică, de tip "sandwich", din straturi de țesătură de fibră de sticlă, dar având în componenţă și coremat. Epruvetele obținute din acest material au o grosime de 8 mm. Aceste epruvete au suferit deteriorări ale stratului de coremat, înainte de a se produce ruperea propriuzisă. Absolut toate epruvetele au suferit desprinderi între straturile constituiente din cauza stratului de coremat incorporat. Sarcina de încovoiere la rupere pentru aceste epruvete, a avut valori mult mai mici decât față de cea a epruvetelor care nu conțineau coremat, și a variat între 5,85 și 8,81 [MPa]. 75

76 Fibra de sticlă sub formă de împâslitură a fost folosită pentru armarea unei plăci din rășină poliesterică, din care s-au debitat epruvete având o grosime de 12 mm. Pentru realizarea acestei plăci de material compozit s-au folosit 15 straturi de împâslitură. Epruvetele din acest material au fost supuse la încercarea de rupere la încovoiere, în mai multe condiții. Cele încercate la rupere la încovoiere, la temperatura mediului ambiant (20ºC), au prezentat rupturi ale straturilor supuse la întindere. Sarcina de încovoiere la rupere a variat între 22,15 și 23,69 [MPa], valori comparabile cu cele obținute pentru epruvetele fără coremat. Epruvetele din acest material, încercate la o temperatură de 50ºC, au suferit ruperi tot ale straturilor supuse la intindere. Sarcina de încovoiere la rupere pentru epruvetele încercate la temperatura de 50ºC, a avut valori mai mici decât valorile înregistrate pentru ruperea epruvetelor aflate la temperatura mediului ambiant, și a variat între 16,41 și 17,15 [MPa]. Epruvetele supuse la încercarea de rupere la încovoiere la o temperatură de 65ºC, au suferit ruperi ale straturilor supuse la intindere, dar și desprinderi multiple între straturi. În timpul acestor încercări, desprinderile dintre straturi au apărut cu mult înainte ca epruvetele să se rupă. Practic, rășina a permis alunecarea straturilor de împâslitură, unul fașă de altul. Sarcina de încovoiere înregistrată la rupere, σ, a avut valori foarte mici, între 1,49 și 2,31 [MPa]. Din acest material, trei epruvete au fost încălzite până la temperatura de 100ºC, după care au fost lăsate să se răcească până la temperatura mediului ambiant, când a avut loc încercarea de rupere la încovoiere. Deși au fost încălzite, epruvetele s-au comportat asemănător cu cele care nu au fost deloc încălzite. Sarcina de încovoiere la rupere pentru epruvetele încălzite la temperatura de 100ºC și încercate la temperatura mediului ambiant, a avut valori între 19,51 și 22,25 [MPa]. Ruperea s-a produs tot la straturile supuse la întindere și au apărut și desprinderi între straturi, în zona mediană. În figura sunt reprezentatate grafic înregistrările din timpul încercărilor de rupere la încovoiere, pentru cîte o epruvetă realizată din împâslitură, solicitată în cele patru condiții de încercare. Din acest grafic se observă că epruvetele încercate la temperatura mediului ambiant (înregistrarea cu culoarea albastră) au același comportament cu epruvetele încălzite la 100ºC și lăsate să se răcească la temperatura mediului ambiant, când au fost încercate (înregistrarea de culoare verde). Tot din acest grafic reiese că rezistența epruvetelor realizate din rășină poliesterică, armată cu împâslitură din fibră de sticlă, scade cu creșterea temperaturii rășinii. Dintre constituenții materialului compozit, matricea, a fost afectată de creșterea temperaturii. Ultimul material încercat a fost realizat din rășină epoxidică, armat cu cinci straturi din țesături din fibre de carbon și un strat din poliester. Aceste epruvete au suferit ruperi totale, una singură prezentând și desprideri între straturi. S-ar putea spune, mai degrabă, că aceste epruvete 76

77 s-au spart în timpul încercărilor de încovoiere. Sarcina de încovoiere înregistrată la rupere pentru aceste epruvete încercate a avut valori între 52,95 și 77,87 [MPa]. Împâslitură 12mm Forţă [dan] Epruveta la 20ºC Epruveta la 50ºC Epruveta la 65ºC Epruveta 100ºC la 20ºC Săgeată [mm ] Figura Graficele înregistrate în condiții de încercare diferite În tabelul sunt prezentate valorile pentru sarcinile de încovoiere înregistrate pentru toate tipurile de epruvete încercate. Tabelul Temperatura de încercare Material Mod de realizare ºC Sarcina de încovoiere la rupere σ[mpa] min max Țesătură din fibre la 20 22,23 38,90 Țesătură + coremat la 20 5,85 8,81 la 20 22,15 23,69 Fibră de sticlă la 50 16,41 17,15 Strat de împâslitură la 65 1,49 2,31 de la 100 la 20 19,51 22,25 Fibră de carbon la 20ºC 52,95 77,87 77

78 Din tabelul reiese că materialul compozit realizat din fibră de sticlă, atât țesătură, cât și strat de împâslitură, are valori apropiate pentru σ, sarcina de încovoiere, la temperatura mediului ambiant (20ºC). Chiar dacă utilizarea corematului în structura materialului compozit prezintă multe avantaje, din punct de vedere economic, prezența acestuia diminuiază performanțele materialului compozit. 90 Sarcina la încovoiere σ[mpa] la 20ºC la 20ºC la 20ºC la 50ºC la 65ºC la 100ºC- 20ºC la 20ºC Sarcina de încovoiere la rupere, σ[mpa] min Sarcina de încovoiere la rupere, σ[mpa] max Țesătură din fibre Țesătură + coremat Strat de împâslitură Fibră de sticlă Fibră de carbon Figura Reprezentarea grafică a σ înregistrată în încercările efectuate Valorile înregistrate în tabelul sunt reprezentate grafic în figura Analizând graficul din figura se constată că materialul compozit realizat cu țesătură din fibre de carbon suportă cea mai mare încărcare. Și materialul compozit realizat din fibre de sticlă suportă o încărcare considerabilă dacă se află în condiții normale de temperatură și dacă nu are în componență materiale ce-i pot deteriora structura omogenă Concluzii referitoare la încercarea de anduranță la încovoiere După cum am prezentat în capitolele anterioare, 11 epruvete din material compozit realizat din rășină poliesterică și țesătură din fibră de sticlă, RT-800, au fost supuse încercărilor de anduranță la încovoiere, pe stand. Epruvetele au fost supuse la o solicitare alternant simetrică. Patru epruvete au fost solicitate cu o săgeată de încovoiere de ±3,5 mm, alte patru epruvete au fost la o săgeată de solicitate de ±2 mm și ultimele trei la o săgeată de ±1 mm. În timpul 78

79 încercării de anduranță, săgeata de deformație a epruvetei a fost constantă. Pentru că înregistrarea datelor nu s-a putut face continuu, și pentru că încercarea a durat în timp, standul a fost oprit periodic pentru citirea datelor urmărite. Încercarea a fost oprită, de fiecare dată, atunci când forța nu a mai prezentat modificări majore. Datele înregistrate pentru toate epruvetele încercate sunt prezentate în tabelul Tabelul Săgeată ±3,5 mm ±2 mm ±1 mm Epruveta nr Forță max 37,50 37,90 36,00 38,00 27,15 21,50 28,40 29,35 10,58 10,68 11,00 [dan] min 5,00 3,60 5,35 4,45 13,20 16,95 19,40 18,00 9,18 8,75 8,93 Număr cicluri Încă de la prima acționare a standului, încercarea era însoțită de zgomote de distrugere a matricei. Imediat după începerea încercărilor de anduranță la încovoiere, pe suprafața epruvetelor, au apărut mici fisuri în rășină, în zona mediană a acestora, chiar dacă încercarea a avut loc în domeniul elastic al materialului epruvetelor. Pe măsură ce încercarea continua, mai ales pentru săgețile de deformare de ±3,5 mm și ±2 mm aceste fisuri au crescut ca dimensiune, dar și ca număr. În acest timp forța de încărcare a epruvetei a scăzut. După un timp, rășina din zona mediană a epruvetei și-a pierdut rigiditatea, fiind distrusă de fisurile apărute, epruveta nemaiopunând rezistență. Forța de solicitare s-a stabilizat. Epruvetele nu s-au rupt, ele păstrânduși integritatea datorită straturilor de țesătură din fibre de sticlă din componență. Dacă, la începutul încercării epruveta se comporta ca un arc lamelar, spre sfărșitul probei aceasta se comporta mai degrabă ca o articulație Concluzii referitoare la determinarea coeficientului de conductivitate termică Coeficientul de conductivitate termică caracterizează proprietatea materialelor de a conduce fluxul termic. Acesta este o constantă fizică ce depinde de caracteristicile materialelor și de condițiile în care se găsesc aceste materiale. Coeficientul de conductivitate termică creşte cu creşterea gradului de umiditate al corpului. Coeficientul de conductivitate termică este redus în cazul materialelor poroase datorită conţinutului mare de aer din structura poroasă (aerul are un coeficient de conductivitate termică foarte scăzut - 0,024W mk ). Coeficientul de conductivitate termică crește cu creșterea densității materialelor. 79

80 Valoarea coeficientului de conductivitate termică, obţinută prin determinare experimentală, se poate compara cu valorile coeficientului pentru alte materiale din tabelele termodinamice, tabelul Astfel, materialul poate fi încadrat într-o anumită categorie de materiale izolatoare. Tabelul Materiale metalice λ [W/(m.K)] Materiale nemetalice λ [W/(m.K)] Gaze λ [W/(m.K)] Alamă 113 Azbest 0,15-0,21 Aer 0,0234 Aluminiu 207 Azbociment 0,35 Amoniac 0,0200 Argint 416 Beton 1,28 Azot 0,0243 Bronz 189 Cărămidă 0,69 0,81 Clor 0,0072 Cadmiu 94 Lemn de fag 0,23 0,41 Dioxid de sulf 0,0077 Cupru 378 Lemn de brad 0,17 0,35 Hidrogen 0,1594 Fontă 49 Nisip uscat 0,35 0,81 Oxid de carbon 0,0215 Grafit 151 Plută 0,04 0,05 Oxigen 0,0234 Nichel 59 Polistiren 0,04 Oţel (1%C) 45 Poliuretan 0,04 Oţel inox 16 Rumeguş 0,07 0,09 Plumb 33 Sticlă 0,70 0,81 Staniu 59 Vată minerală 0,07 Tantal 55 Vată de sticlă 0,03 0,07 Zinc 110 Zgură 0,22 0,29 Pentru epruveta cu numărul 1, valoarea obținută pentru coeficientul de conductivitate termică este λ=0, [kcal/(hmgrad)] sau λ=0,156 [W/(mK)], iar pentru epruveta cu numărul 2, este de λ=0, [kcal/(hmgrad)] sau λ=0,106 [W/(mK)]. Pentru că valorile obținute sunt se încadrează în intervalul 0,02 0,15 [W/(mK)], se poate spune că materialul compozit încercat se comportă ca un material izolant. 80

81 Capitolul 5. COMPONENTE AUTO DIN MATERIALE COMPOZITE REALIZATE EXPERIMENTAL Multe repere din componența autovehiculelor de astăzi sunt realizate din materiale compozite. Materialele compozite din care se realizează aceste repere se aleg funcție de rolul pe care aceste componente îl au în ansamblul autovehiculului. La alegerea materialului utilizat pentru realizarea reperelor auto un rol important îl are și tehnologia de obținere a acestor componente. Reperele pot fi realizate din unul sau mai multe subansamble, din acelașii tip de material compozit, sau din materiale diferite, demontabile sau nedemontabile. În cadrul tezei de doctorat s-a optat pentru realizarea experimentală a unei portiere de autoturism. Varianta aleasă a fost o portieră dreapta față pentru un autoturism GOLF 3 în cinci uși. Pentru construirea portierei auto a fost nevoie de realizarea a două repere: - o față exterioară; - o ramă interioară. S-a optat pentru un model de portieră existent și din metal pentru a se putea face încercări comparative. Având în vedere rezultatele obținute în timpul încercărilor realizate pe epruvetele din diferite materiale compozite s-a stabilit ca fața exterioară a portierei să se realizeze din fibră de carbon, iar rama interioară din fibră de sticlă. Componentele necesare realizării portierei auto au fost executate la sediul SC COMPOZITE SRL Brașov și sediul Institutului de Autovehicule Rutiere INAR Brașov Realizarea unei fețe exterioare de portieră auto Prima fază în realizarea feței exterioare a portierei a constat în prelevarea dimensională a unei portiere de autoturism, de același tip, realizată din metal. Cu ajutorul acestor date s-a realizat un desen de execuție al acestei fețe de portieră, care va fi folosit și pentru realizarea modelului 3D al acestui reper. În figura este ilustrat desenul realizat cu datele prelevate. În figura se vede fața exterioară a portierei realizate din răsină epoxidică armată cu două straturi de țesătură din fibră de carbon și un strat din poliester, la interior. În figura este prezentat modelul 3D al feței exterioare a portiere. Modelarea s-a realizat folosind dimensiunile din desenul de execuție din figura

82 Figura Desenul feței exterioare a portierei auto Figura Fața portierei realizată din fibre de carbon Figura Modelul 3D al feței exterioare a portierei auto 82

83 5.2. Realizarea unei rame interioare de portiera auto Execuția ramei interioare a portierei auto a început tot cu o acțiune de prelevare dimensională a portierei auto metalice. Cu ajutorul acestor date s-a realizat un desen de execuție al ramei interioare a portierei, care va servi și pentru realizarea modelului 3D al acestui reper. Desenul realizat cu datele prelevate este prezentat în figura În figura se vede rama interioară a portierei realizate din răsină poliesterică armată cu două straturi de împâslitură din fibră de sticlă. Figura Desenul ramei interioare a portierei auto Figura Rama interioară a portierei realizată din fibră de sticlă Modelul 3D al ramei interioare a portierei, realizat pe baza desenului de execuție din figura 5.2.1, este prezentat în figura

84 Figura Modelul 3D al feței exterioare a portierei auto 5.3. Realizarea unei portiere auto Portiera realizată din materiale compozite trebuie să fie conform desenului de ansamblu realizat, cu datele prelevate de la portiera din metal. Ansamblul portierei este realizat prin montarea împreună a feței exterioare a portierei și a ramei interioare a portierei. Desenul de ansamblu este prezentat în figura Figura Desenul de ansamblu al portierei realizată din materiale compozite Rama interioară și fața exterioară s-au fixat una de cealaltă pentru a forma portiera autoturismului cu ajutorul unor șuruburi, de M4, pe intreg conturul, pentru a permite montarea și demontarea de câte ori va fi nevoie în timpul probelor pe stand. Portiera realizată nu se va monta pe un autoturism, ci va fi montata pe un stand, unde va fi supusă unor probe de rezistență la deformații, comparativ cu o portieră de același tip, dar realizată din tablă de oțel. 84

85 Portierei din materiale compozite i s-au montat bara antiîmpănare, o pereche de balamale și un mecanism de inchidere, identice cu cele ale variantei din tablă de oțel. În figura se vede portiera realizată din materiale compozite, după asamblare și vopsire cu alb mat a feței exterioare. Figura Portiera montată Figura prezintă modelul 3D al portierei, ce a fost realizat pornind de la desenul de execuție din figura Figura Modelul 3D al portierei auto 85

86 Capitolul 6. CERCETAREA EXPERIMENTALĂ A COMPONENTELOR REALIZATE DIN MATERIALE COMPOZITE 6.1. Modelarea matematica a structurii auto Modelele 3D realizate ale elementelor portierei au servit pentru realizarea analizei cu element finit. Metoda Elementului Finit (MEF): este o metodă numerică de determinare a unor soluții aproximative la probleme de condiții la limită. Folosește metode variaționale de minimizare a funcției eroare și de obținere a unei soluții stabile. Condiția la Limită (Boundary Condition) este o ecuație diferențială care împreună cu un set de condiții suplimentare definește matematic un sistem fizic. Soluția acestei ecuații este și soluția problemei definite prin condițiile de limită. Metoda elementelor finite s-a dezvoltat foarte mult odată cu apariția și perfecționarea calculatoarelor electronice, în ultimii ani reușindu-se dezvoltarea unor sisteme mecanice complete exclusiv virtual. Analiza modală este studiul caracterului dinamic al unui sistem mecanic, definit independent de încărcarea externă aplicată și de răspunsul sistemului. Mod Propriu (al unui sistem dinamic) este un model de mișcare al tuturor componentelor unui sistem, mișcarea se realizează în fază și la aceeași frecvență. Pentru discretizarea modelului CAD s-a folosit suita software Hyperworks / Hypermesh. În urma analizei făcute s-au determinat zece Moduri Proprii. În figura este reprezentarea grafică pentru Modul 10, la frecvența de Hz. Figura Reprezentarea Modului 10 86

87 6.2. Realizare stand de încercare a structurii auto Cercetarea experimentală a portierei auto construită, din materiale compozite, se poate realiza cu ajutorul unui stand. Standul trebuie să reproducă, cât mai fidel, modul de fixare a portierei pe autoturism. Din acest motiv, pentru realizarea standului s-a folosit o caroserie, a unui autoturism Volkswagen Golf 3, în cinci uși, pe care portiera realizată din materiale compozite să se poată monta. Pe caroserie nu sunt montate portierele, capota, hayonul spate, prbrizul. Caroseria nu dispune de sistemul de suspensie, direcție sau grupul de forță. Standul a fost realizat pe platforma metalică a Laboratorului de încercări din cadrul INSTITUTULUI DE AUTOVEHICULE RUTIERE INAR Brașov. Pentru ca portiera să se poată monta exact ca pe autoturism, pe caroserie s-au păstrat garnitura de etanșare a portierei (chederul), balamalele portierei, sistemul de zăvorâre al acesteia. Pe stand portierele, atât cea metalică, dar și cea din materiale compozite au fost solicitate static și dinamic. Schema de principiu a standului este prezentată în figura Platformă metalică; 2. Caroserie de autoturism; 3. Montant; 4. Suport mecanism de încărcare; 5. Piuliță; 6. Tijă mecanism de încărcare; 7. Traductor de forță; 8. Portieră. 9. Difuzor fără membrană; 10. Sonometru; 11. Camere ale sistemului VIC; 12. Trepied; 13. Unitate de calcul. Figura Schema dispozitivului de încărcare statică 87

88 Pentru monitorizarea suprafeţei din structura portierei supusă solicitărilor, s-a utilizat Metoda Corelării Digitale a Imaginilor VIC (Video Image Correlation), prin utilizarea sistemului produs de compania ISI-Sys GmbH, Kassel, Germania (11). Pentru această încercare, portierele auto, atât cea metalică, cât și cea din materiale compozite au fost acoperite, pe fața exterioară, cu un strat de vopsea alb mat. Peste acest strat de vopsea alb, în zona monitorizată, se vor aplica, prin pulverizare, pete cu dimensiuni, formă şi distribuţie aleatoare, care vor asigura un bun contrast şi o identificare ulterioară uşoară pentru camarele sistemului VIC. Pentru înregistrarea comportamentului portierei în regim dinamic se utilizează un sonometru Funcționarea standului de solicitare a portierei Pe caroseria de autoturism, fixată pe platforma laboratorului, se vor monta, pe rând, portiera din metal și cea din materiale compozite pentru a fi solicitate atât static, cât și dinamic. Pentru monitorizarea suprafeţei portierei supusă solicitării statice, se utilizează Metoda Corelării Digitale a Imaginilor VIC (Video Image Correlation). care permite efectuarea unor investigaţii experimentale de mare precizie (de ordinul micronilor, μm). Aceasta este o metodă optică de investigaţie, fără contact direct cu suprafaţa piesei analizate și nu este dependentă nici de materialul acesteia. Nu intervine în procesul intim al modificării câmpului de deplasări şi de deformaţii al structurii sub acţiunea unor factori de influenţă externi, la care piesa ar fi supusă sau interni. Aplicarea acestei metode a fost posibilă prin utilizarea sistemului produs de compania ISI-Sys GmbH, Kassel, Germania [124,125] și un soft-ware de la Correlated Solutions, USA [94]. Metoda se bazează pe utilizarea a două camere video, aflate la o distanță una de cealaltă, ale căror imagini înregistrate simultan oferă o imagine spaţială a obiectului analizat, asemănător ochiului uman. Părţile principale ale sistemul VIC-3D sunt: - două camere video de înaltă rezoluţie; - un trepied rigid - o unitate de calcul. Cele două camere (1) sunt dispuse pe traversă (2) astfel, încât să vadă obiectul analizat sub aceleaşi unghiuri, dispuse simetric (figura 6.3.1). Obiectul analizat este vopsit cu pete de 88

89 dimensiuni, formă şi distribuţie aleatoare, care pe fundalul alb al suprafeței portierei, vor asigura un bun contrast şi o identificare ulterioară uşoară ale acestora. Mecanismul de solicitare statică a portierei funcționează pe principiul șurubului-piuliță. Astfel, rotind piulița (5) din figura 6.2.2, se produce o deplasare orizontală a tijei mecanismului (6), care, la rândul ei solicită portiera, prin intermediul traductorului de forță (8). În timp ce traductorul de forță înregistrează forța de apăsare sau de tragere aplicată pe fața portierei, sistemul VIC înregistrează deformațiile care apar pe suprafața acesteia Cameră video de înaltă rezoluție; 2. Suport; 3. Trepied; 4. Lampă LED. Figura Elementele de bază ale sistemului VIC-3D Pentru analizarea comportării portierelor în timpul solicitărilor dinamice, pe acestea se va monta, cu ajutorul dispozitivului realizat, difuzorul fără membrană. Acesta este alimentat, prin intermediul unui amplificator, de un generator de semnal, ai cărui parametri sunt controlați. cu ajutorul unui sonometru, amplasat în dreptul portierei, se va înregistra reacția acesteia Cercetare experimentala a unei structuri clasice din metal Pentru portiera metalică s-au făcut înregistrări pentru 12 frecvențe diferite de solicitare. Frecvențele utilizate la solictarea portierei au fost: 80Hz, 90Hz, 100Hz, 115Hz, 130Hz, 160Hz, 170Hz, 200Hz, 250Hz, 360Hz, 500Hz și 600Hz. 89

90 Pentru fiecare frecvență, cu ajutorul sonometrului s-au realizat cîte două grafice, unul de nivel de zgomot și celălalt pentru spectru de frecvențe. Prima frecvență de solicitare a portierei metalice a fost de 80 Hz. Înregistrările grafice pentru nivelul de zgomot pentru această frecvență se găseste în figura #1 Leq 1s A THU 07/11/13 08h24m dB THU 07/11/13 08h24m dB Spectrum 24m10 24m20 24m30 24m40 24m50 25m00 Figura Nivelul de zgomot pentru frecvența de 80 Hz portierei. In figura este ilustrat spectrul de frecvențe pe care-l dezvoltă fața exterioară a #1 Hz;(dB[2.000e-05 Pa], PWR) k 2 k 4 k 8 k 16 k Figura Spectrul pentru frecvența de 80 Hz Astfel de grafice s-au realizat și pentru celelalte frecvențe analizate. Deformările panoului portierei metalice, solicitat static au fost puse în evidență cu ajutorul sistemului VIC-3D. O astfel de înregistrare este ilustrată în figura

91 Figura O imagine 3D a deformației panoului portierei metalice, la apăsare În rezumat, din lipsă de spațiu nu se pot prezenta toate îregistrările realizate. 6.5.Cercetare experimentala a unei structuri realizate din materiale compozite Pentru portiera din materiale compozite s-au făcut înregistrări pentru 8 frecvențe diferite de solicitare. Frecvențele utilizate la solictarea portierei au fost: 80Hz, 100Hz, 130Hz, 160Hz, 200Hz, 250Hz, 500Hz și 600Hz. Și în acest caz, pentru fiecare frecvență s-au realizat cîte două grafice, unul de nivel de zgomot și celălalt pentru spectru de frecvențe. Prima frecvență de solicitare a portierei metalice a fost tot de 80 Hz. Înregistrările grafice pentru nivelul de zgomot pentru această frecvență se găseste în figura Astfel de grafice s- au realizat și pentru celelalte frecvențe analizate. #1 Leq 1s A THU 07/11/13 03h36m dB THU 07/11/13 03h36m dB m10 36m20 36m30 36m40 36m50 37m00 Spectrum Figura Nivelul de zgomot pentru frecvența de 80 Hz Deformările panoului portierei din maeriale compozite, solicitat static au fost puse în evidență cu ajutorul sistemului VIC-3D. O astfel de înregistrare este ilustrată în figura

92 #1 Hz;(dB[2.000e-05 Pa], PWR) k 2 k 4 k 8 k 16 k Figura Spectrul pentru frecvența de 80 Hz Figura O imagine 3D a deformației panoului portierei din compozite, la apăsare 6.6. Optimizarea structurii realizate din materiale compozit Analizând modurile de vibrație ale structurii s-a ajuns la concluzia că suprafața feței exterioare se poate rigidiza prin realizarea unui cheson, pe interior, din materiale compozite, ca în figura Chesonul se poate realiza cu ajutorul unui reper ondulat, din fibră de sticlă, lipit pe partea interioară a feței portierei, peste care se mai lipește încă un strat neted de fibră de sticlă. Figura Chesonul realizat din materiale compozite 92