Materiale compozite inteligente

CAPITOLUL I

MATERIALE COMPOZITE.GENERALITĂȚI

1.1. Definirea materialelor compozite

Materiale compozite reprezintă cea mai avansată clasă de materiale inventate și produse de om în epoca modernă precum și o provocare pentru viitor în domeniul performanței științifice și tehnologice. Ele sunt constituie din cel puțin două faze de natură diferită, care sunt astfel combinate încât să formeze un material nou cu o combinație superioară de proprietăți. În general, sunt materiale cu performanțe neobișnuite în privința raportului dintre proprietăți și greautatea specifică [1].

Deoarece materialele omogene sunt greu de întâlnit în natură și sunt procesate cu dificultate de către om, s-a stabilit că materialele compozite sintetice sunt numai acelea care se obțin print-un efort special de influențare a fenomenelor de la interfață. Multe aliaje deși au în structura lor faze cu proprietăți foarte diferite, nu sunt considerate materiale compozite, deoarece acestea apar la solidificare fără o intervenție specială din partea omului. Fontele și oțelurile, aliajele neferoase, indiferent de forma grafitului, a lamelor de cementită, a lamelor de soluții solide sau de compuși chimici, nu sunt incluse în categoria materialelor compozite [2].

Definit în sens larg, un material compozit este un ansamblu de materiale distincte, care are caracteristici pe care nu le au materialele constituente în parte. În multe cazuri, materialele, naturale sau sintetice, se găsesc în combinație cu alte materiale și nu acționând în mod individual. Este cazul corpului uman, construit din carne și oase sau al betonului armat, unde cimentul este turnat pe un cadru metalic. Compozitele sintetice au apărut prima oară în industria aerospațială, din necesitatea controlării și îmbunătățirii proprietăților materialelor, în conformitate cu cerințele impuse de destinație.

Există mai multe variante de definiție a materialelor compozite. Cea mai cuprinzătoare, caracterizând cel mai bine natura acestora este cea dată de P. Mallick. Conform lui Mallick, „un material compozit este o combinație între două sau mai multe materiale diferite din punct de vedere chimic, cu o interfață între ele”.

Materialele constituente își mențin identitatea separată (cel puțin la nivel macroscopic) în compozit, totuși combinarea lor generează ansamblului proprietăți și caracteristici diferite de cele ale materialelor componente în parte. Unul din materiale se numește matrice și este definit ca formând faza continuă. Celălalt element principal poartă numele de ranforsare (armatura) și se adaugă matricei pentru a-i îmbunătăți sau modifica proprietățile. Ranforsarea reprezintă faza discontinuă, distribuită uniform în întregul volum al matricei [3].

1.2. Istoria materialelor compozite

Studiul compozitelor este un subiect cu o istorie lungă, care a atras interesul unora dintre cei mai mari oameni de știință.

Lemnul, într-un sens larg, este un material compozit natural, fiind alcătuit dintr-o mulțime de elemente anatomice (fibre, celule parenchimatice, traheide axiale etc), sau din câțiva constituenți chimici principali (celuloza, hemiceluloza, lignina, pectine etc), sau chimic, din carbon, hidrogen și oxigen. De aceea toate produsele lemnoase (cherestea, semifabricate, bușteni, așchii, fibre etc) pot fi considerate intrinsec materiale compozite. Același lucru se poate spune și despre alte materiale cum este sticla sau metalul, dar, în contextul de față prin materiale compozite înțelegem numai combinația dintre două sau mai multe materiale distincte. Primul compozit lignocelulozic a fost cărămida din lut cu paie, numit chirpici, folosit o perioadă îndelungată de timp la construcția caselor, dar primul compozit care a avut ca baza de plecare lemnul a fost hârtia.

Hârtia a fost realizata pentru prima dată meșteșugarește de anticii egipteni în anul 105 e.n., din coajă de dud [3]. Industrial însă hârtia a fost realizată mult mai târziu, în Franța în jurul anului 1800, prin realizarea unei mașini cu funcționare continuă.

Un alt compozit vechi a fost placajul, folosit tot de anticii egipteni. Dupa 1818, prin realizarea primului derulor, se pun bazele industriale ale realizării placajelor. Prima apariție a PAL-ului a fost in anul 1887, în Germania, când Hubbard a realizat din faină de lemn și adezivi pe bază de albumină o placă sub acțiunea presiunii și temperaturii. În 1905 Watson în SUA realizează plăci din particule subțiri și late, care constituie începuturile fabricației plăcilor din așchii late (waferboad sau flakeboard). Placajul cu miez din așchii, sau plăcile Comply au începuturile în 1918. În anul 1935, se obțin primele plăci din așchii lungi orientate, respectiv OSB.

Mai târziu romanii au amestecat tuful vulcanic cu var și nisip și au obținut un compozit asemănător betonului de astăzi [4]. Demne de menționat sunt și corăbiile romane placate cu table de cupru, scuturile triburilor mongolice din piele armată cu fibre din intestine de animale, palisadele de apărare din lemn, piatră și pământ.