17 października 2021


Stale rosnące wymagania w stosunku do ekstremalnie obciążonych konstrukcji lekkich, szczególnie w przemyśle samochodowym i lotniczym, w coraz większym stopniu wymuszają stosowanie materiałów lekkich, wytrzymałych i niezawodnych. Takie wymagania spełniają kompozyty na osnowie metali lekkich wzmocnionych włóknami ciągłymi, które dzięki dopasowaniu ich właściwości posiadają wyraźnie większe możliwości aplikacyjne..

Werner Hufenbach, Andrzej Czulak, Piotr Malczyk, Andreas Gruhl

Metale lekkie takie jak magnez, aluminium oraz ich stopy zyskały popularność dzięki wielu zaletom m.in: niskiej gęstości, wysokiej wytrzymałości i sztywności, dobrej stabilności wymiarowej, zdolności tłumienia drgań, wysokiej odporności na pełzanie, wysokiej udarności, dobrej skrawalności oraz wysokiej przewodności elektrycznej i cieplnej. Dzięki temu są one stosowane do produkcji części w wielu gałęziach przemysłu, gdzie odpowiedzialność elementów oraz ich masa są najważniejsze. Mimo swoich wyjątkowych właściwości, materiały te posiadają nieliczne wady, takie jak niska odporność na korozję oraz wysoka reaktywność.
Dla wykazania zalet wytworzonych kompozytów niezbędne jest zbadanie charakterystyki mechanicznej materiału oraz charakteryzacja metody infiltracji gazowej (GPI), oferującej bardzo dobrą jakość, korzystną dla produkcji małoseryjnej i prototypowej. Metoda GPI – której niewątpliwymi zaletami są prostota obsługi, niezawodność oraz niska cena przezbrojenia – pozwala na zwiększenie elastyczności produkcji oraz pełną kontrolę procesu wytwarzania.

Wybór osnowy i wzmocnienia
Właściwości kompozytów na osnowie metalowej wzmacnianych włóknem węglowym (CF-MMC) są wysoce zależne od rodzaju granicy międzyfazowej pomiędzy osnową, a wzmocnieniem. Słaba zwilżalność włókna węglowego przez osnowę metalową jest podstawowym problemem w wytwarzaniu CF-MMC o zwiększonych parametrach wytrzymałościowych. Ponadto, dodatkowe komplikacje wprowadza reaktywność powierzchni włókna węglowego z osnową, co może prowadzić do degradacji włókna, a tym samym do spadku właściwości mechanicznych kompozytów [5].
Zaprojektowanie kompozytu wzmocnionego włóknem węglowym o odpowiednich właściwościach jest zależne od wyboru rodzaju włókien oraz od typu powstającego interfejsu. Odbywa się to w sposób kontrolowany poprzez zmianę stopu osnowy, rodzaju wzmocnienia oraz parametrów procesu. Do wytwarzania kompozytów w układzie CF/Mg zostały zastosowane dwa typowe, odlewnicze stopy magnezu: AM50 oraz AJ62 (tab. 1).

tab.-1
Tab. 1 Skład chemiczny wybranych stopów magnezu

Zgodnie z literaturą [2] pokrywanie włókien SiO2 i PyC (pyrolityczny węgiel) znacznie polepsza ich zwilżalność. Od pokrycia oczekuje się również pozytywnego wpływu na reaktywność z infiltrującym stopem. Dla sprawdzenia własności mechanicznych wynikających z infiltracji z wymienionymi stopami magnezu zostały wybrane następujące rodzaje włókien:

  • M40 (Torayca)
  • T800 (Torayca)
  • HTS5631 (Toho Tenax) z pokryciem PyC.