3.5.2. Compozite cu matrice polimerică

Numite şi mase plastice ranforsate, compozitele polimerice reprezintă între primele materiale compozite produse industrial. Încă din 1941 s-a realizat un material bazat pe răşini fenolformaldehidice ranforsate cu fibră de bumbac, cunoscut sub numele de textolit iar la sfârşitul celui de-al doilea război mondial s-a început producerea de materiale polimerice ranforsate cu fibră de sticlă cu aplicaţii ale acestor materiale extinse în construcţia de avioane, nave, maşini, în industria bunurilor de larg consum, devenind unele dintre cele mai utilizate materiale structurate uşoare.

Există două tipuri principale de materiale compozite polimerice: ranforsate cu fibre scurte şi ranforsate cu fibre continue. Primele sunt de obicei ranforsate cu fibră de sticlă şi au aplicaţii majore în industria bunurilor casnice, a materialelor de construcţii şi automobilelor. Al doilea tip de compozite conţine fibre lungi, dure, aliniate în matricea polimerică (fibre carbon de exemplu) şi sunt utilizate cu precădere în industria aeronautică şi de explorare a spaţiului cosmic.

Compozitele polimerice cu fibră de sticlă sunt materiale uşoare, necorodabile şi ieftine. Ele au o rezistenţă remarcabilă pe un interval larg de temperatură, de la cca. -40^oC până la 260^oC şi un coeficient de dilatare mic ceea ce permite utilizarea lor în mediu exterior, ca înlocuitori de materiale de construcţie tradiţionale (ţigle), pentru repere auto dar şi în construcţia de rezervoare de apă caldă şi de abur. Materialele de acest tip au o inerţie chimică remarcabilă, ceea ce permite utilizarea lor în fabricaţia de utilaj chimic. Matricea polimerică este constituită din mase plastice termoreactive sau termoplastice cum sunt răşinile de poliesteri nesaturaţi, răşinile epoxidice, fenolice, siliconice, uneori amestecate cu materiale de umplutură cum sunt pulberile de cretă, (CaCO₃) sau de aluminosilicaţi, (Al₂SiO₅). Filamentele de sticlă sunt suple, rezistente, incasabile şi se pot prezenta sub formă de mănunchiuri numite roving, sub formă de fire sau sub formă de ţesături.

Compozitele polimerice ranforsate cu fibre lungi, pentru industria aero-spaţială, se obţin mai ales din polimeri termoplastici şi fibre carbon şi se prezintă în două forme şi anume cu fibrele orientate statistic, respectiv cu fibrele într-o ţesătură unidirecţională. Acestea sunt materiale noi care se obţin pe baza unor procedee moderne de termoformare şi turnare rapidă sub presiune, sub formă de laminate ce se utilizează la obţinerea de materiale stratificate.

Fibrele carbon, (fibre C) sunt utilizate pentru obţinerea de materiale compozite polimerice cu proprietăţi speciale. Ele sunt caracterizate de rigiditate, rezistenţă mare, densitate mică şi un coeficient negativ de dilatare termică longitudinală; au o stabilitate termică extraordinară fiind singurul agent de ranforsare cunoscut care are un domeniu termic de utilizare peste 1300^oC. Prima sinteză de fibră carbon i se datorează lui T.A. Edison care în 1879 a carbonizat mătase artificială pentru filamentele utilizate la lămpile cu incandescenţă. Tehnologiile moderne datează însă de după 1950 când s-a pornit de la filamente de mătase artificială sau PNA care au fost grafitizate. Fibre ieftine, cu performanţe medii s-au obţinut şi din asfalt sau din smoală. Fibrele au structura unor cristalite cu forma lamelară a grafitului, cu planul de clivaj orientat longitudinal de-a lungul axului fibrei.

Compozitele de tip grafit-răşină epoxi se utilizează inclusiv la obţinerea de structuri primare ale avioanelor cum sunt aripile sau coada. Compozitele clasice de acest tip sunt însă casante şi în timp pot suferi procesul de delaminare care duce la scăderea proprietăţilor mecanice ale materialului. Cu proprietăţi superioare este un material compozit al ultimilor ani, grafit - PEEK poli(etercetonă).

Cele mai directe efecte ale ranforsării sunt îmbunătăţirea rezistenţei la rupere, s_r, şi a rigidităţii materialului, reflectată în creşterea valorii modulului Young, E, a creşterii rezistenţei la oboseală şi la vibraţii. Materialele de acest tip au, comparativ cu masa plastică fără umplutură, temperaturi de înmuiere, T_î, mai ridicate şi coeficienţi liniari de dilatare termică reduşi. În Tabelul 3.6 sunt prezentate valorile unor proprietăţi termice şi mecanice corespunzătoare unei compozite de referinţă, în care fracţia volumică de material de umplutură este  F = 0,2, comparativ cu valorile aceloraşi proprietăţi pentru polimerii termoplastici neranforsaţi.

Alături de fibrele carbon, se pot utiliza ca agenţi de ranforsare fibrele aramid.

Aramid este termenul generic pentru poliamidele aromate. Ele conţin lanţuri macromoleculare extinse şi sunt rigide iar fibrele se produc cu lanţurile orientate de-a lungul axei fibrei. Fibrele aramid au cea mai mare rezistenţă specifică cunoscută dintre toate fibrele, sunt foarte uşoare şi tenace şi se utilizează de aceea în fabricarea de compozite polimerice utilizate în industria aeronautică, în fabricarea de echipamente sportive şi dispozitive electronice. Fibrele aramid au compatibilitate mai bună cu răşinile polimerice, comparativ cu fibrele carbon dar majoritatea proprietăţilor lor sunt sub cele ale acestora din urmă.

Utilizarea şi a altor forme de materiale de umplutură a fost dezvoltată în ultimii ani. Un exemplu sunt microfibrele safir care conduc la obţinerea unor compozite cu proprietăţi mecanice remarcabile.

Tabel 3.6 Proprietăţi mecanice şi termice ale unor materiale termoplastice ranforsate cu fibre scurte.

Un fenomen care poate modifica profund proprietăţile unei compozite cu matrice polimerică este transcristalizarea. Transcristalizarea îmbunătăţeşte mult aderenţa fibrelor la matricea polimerică şi proprietăţile mecanice interfaciale deoarece împiedică formarea unui strat bogat în impurităţi şi deci cu rezistenţă scăzută. S-au propus de aceea metode de inducere a transcristalizării, prin tratarea superficială a fibrelor cu substanţe care au unitatea structurală similară cu a matricei polimerice pentru a favoriza formarea de nuclee de cristalizare care apoi, printr-un control riguros al temperaturii, pot fi lăsate să dezvolte regiuni cristaline de amploarea dorită.