of 67
/67
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display. Chapter 11 Composite Materials PowerPoint Presentation to accompany
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.
Chapter 11
Composite Materials
PowerPoint Presentation to accompany
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.
CO 11
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.
Figure 11.1a
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.
Figure 11.1b
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.
Fibers for reinforce plastic composite materials
1.Glass fibers for reinforcing plastic resins
-High strength to weight ratio
-Good dimensional stability
-Good resistance to heat, cold, moisture, and corrosion
-Good electrical insulation properties
-Ease of fabrication
-Relatively low cost
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.
Fibers for reinforce plastic composite materials
E-glass (electrical) most commonly used glass.
(lime-aluminum borosilicate glass with zero or low Na and K
level)
Tensile strength 500 ksi (3.4 GPa)
E = 10.5 Msi (72.3 GPa)
S-glass (high strength) higher strength to weight ratio and more
expensive. Used for military and aerospace applications.
Tensile strength 650 ksi (4.5 GPa)
E = 12.4 Msi (85.4 GPa)
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.
Fabrication of Glass fibers
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.
(a)ใยแกว้ท่ีท าเป็นเส้นส าหรับทอ (b)ใยแกว้ท่ีทอเป็นแผน่ (c)ใยแกว้ท่ีมว้นกนัอยา่งต่อเน่ือง (d)ใยแกว้ท่ีทอเป็นผนื
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.
(a)เส้นใยท่ีทอติดต่อกนัเป็นผนื (b) แสดงผวิของผนืใยแกว้ (c) ใยแกว้ท่ีตดัเป็นท่อนๆ ท าเป็นผนื (d) เส้นใยแกว้ท่ีน าไปทอเป็นผนืรวมกบัแผน่ใยแกว้ท่ีท าจากใยแกว้ท่ีตดัเป็นท่อน
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.
Property of glass fibers
Comparing with carbon fiber and aramid fiber, Glass
fiber has lower tensile strength and tensile modulus, but More elongation. However, Cost is lowest.!
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.
Carbon fibers for reinforced plastics
-Light
-High strength
-Hard and high resistance to bending
Good for aerospace
Applications.
Polyacrylonitrile
Or Pitch (Precursor)
Oxidation
Reduce O2, H2, N2 in inert gas aymostphere
Crystal structure like graphite
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.
A tow about 6000 carbon fibers
รูป แสดงภาพถ่ายของกลุ่มเส้นใยคาร์บอน(tow) ประมาณ 6000 เส้น
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.
Monomer of Kevlar (Aromatic polyamide)
Aramid fibers for reinforcing plastic resins
KEVLAR
Hydrogen bonding bonds the polymer chains together in the transverse
direction. Thus, collectively these fibers have high strength in the longitudinal direction and weak strength in the transverse direction Kevlar aramid is used for high performance composite applications where light weight, high strength and stiffness, damage resistance and resistance to fatigue
and stress rupture are important. One special interest is that Kevlar-epoxy materials is used for various parts of the space shuttle.
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.
Comparison of tensile properties.
รูป แสดงลกัษณะของ Stress – Strain
ของเส้นใยเสริมแรงแบบต่างๆ
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.
Comparison between tensile strength and stiffness
รูป แสดงความสัมพนัธ์ของ tensile strength จ าเพาะ(tensile strength / density) กบั tensile modulus จ าเพาะ (tensile modulus /density) ของเส้นใยเสริมแรงแบบต่างๆ
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.
Fiber-reinforced-plastic composite materials
2 of the most important plastic resins for fiber-reinforce plastics
is
1. Unsaturated polyester
2. Epoxy
Polyester resins are lower in cost but are usually not as strong as
the epoxy resins.
Boat hulls, building panels, structure panels for automobile, aircraft
and appliances
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.
Cross sectional of a unidirectional fiberglass polyester composite
รูป แสดงภาพถ่ายตดัขวางของเส้นใยแก้วที่อยู่ในทิศทางเดยีวดนัของวสัดุผสมเส้นใยแก้ว - พอลเิอสเทอร์
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.
• The strength of fiber glass-reinforced plastic is mainly related
to the glass content of the materials and the arrangement of the
glass fibers.
• In general, the higher the weight percent glass in the composite, the stronger the reinforced plastic is.
• Parallel stand fiber glass stronger than woven fiber glass.
• Chopped fiber glass has lower strength but isotropy.
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.
Fatigue properties of carbon fiber reinforced epoxy composite materials.
รูป แสดงสมบัตคิวามล้า (ความเค้นสูงสุด v.s จ านวนไซเคลิจนเกดิการแตกหัก) ส าหรับวสัดุผสมของเส้นใยคาร์บอน – อพีอกซีที่เป็นการจดัแบบทิศทางเดยีว โดยเปรียบเทียบกบัสมบัตคิวามล้าของวสัดุผสมอืน่ๆบางชนิด และดลหะผสมอะลูมิเนียม 2024-T3. R
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.
Unidirectional and multi directional laminate plies for a composite laminate
รูป แสดงการประกอบของแผ่นลามเินตทีเ่ป็นทศิทางเดยีวกนั และหลายทศิทางส าหรับวสัดุผสมลามเินต
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.
Five-layer bidirectional composite of carbon fiber-epoxy composite materials
รูป แสดงภาพถ่ายวสัดุผสมที่ประกอบด้วย 5 ช้ันในสองทิศทางของเส้นใยคาร์บอน-อพีอกซี
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.
Equation for elastic modulus of a lamellar continuous-fiber-plastic matrix composite.
Isostrain
Ec = EfVf + EmVm
For finding elastic
modulus of composite
materials
รูป แสดงโครงสร้างของวดัสุที่ประกอบด้วยช้ันของเส้นใย และเมทริกซ์ (matrix layer) ภายใต้สภาวะความเครียดเท่ากนั (ปริมาตรของวสัดุผสม Ve = area Ae x ความยาว Le)
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.
Isostress condition
รูป แสดงโครงสร้างของวดัสุที่ประกอบด้วยช้ันของเส้นใย และเมทริกซ์ (matrix layer) ภายใต้สภาวะความเค้นเท่ากนั (ปริมาตรของวสัดุผสม Vc = area Ac x ความยาว Lc)
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.
Figure 11.16 เป็นกราฟท่ีแสดงของ tensile elastic modulus ท่ีเป็นฟังกช์นักบัเศษส่วนของปริมาตรของเส้นใยในพลาสติกเมทริกซ์เสริมแรงดว้ยเส้นใยท่ีอยูใ่นทิศทางเดียวกนัของวสัดุผสมลามิเนต ภายใตส้ภาวะความเครียดเท่ากนัและความเคน้เท่ากนั ส าหรับเศษส่วนโดยปริมาตรเส้นใยท่ีก าหนดใหท่ี้สภาวะความเครียดเท่ากนั ค่า modulus สูงกวา่
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.
Open mold processes for fiber-reinforced plastic composite materials
Hand Lay-up process
รูป แสดงวธีิการท าด้วยมือโดยการเอาวสัดุผสมพลาสตกิเสริมแรงด้วยเส้นใยวางลงไปกบัแบบ (a) เทเรซินลงในแบบ
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.
Use of a roller to densify the laminate to remove the entrapped air
รูป แสดงวธีิการท าด้วยมือโดยการเอาวสัดุผสมพลาสตกิเสริมแรงด้วยเส้นใยวางลงไปกบัแบบ (b) .ใช้ลูกกลิง้ๆ ไปให้ทั่วแผ่นลามิเนต ให้หนาตามต้องการ และไล่อากาศออก
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.
Spray-up method for molding fiber-reinforced-plastic
composite materials
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.
This process is used to produced high-performance laminates usually of fiber-reinforce-epoxy systems.
Process: 1. lay out a long and wide thin sheet on a table.
2. pieces of the prepreg are cut out and placed on top of each other on a shape tool to form a laminate.
3. after the laminate is constructed, the tooling and the attached laminate are vacuum-bagged, removing of entrapped air from the laminate part.
4. vacuum bag enclosing the laminate and the tooling is put into an autoclave for the final curing of the epoxy resin.
(for example, carbon-fiber-epoxy composite material is usually heated at about 190deg at a pressure of about 100 psi.
5. after removed from the autoclave, the composite part is stripped from its tooling and is ready for further finishing operations.
Vacuum Bag-Autoclave Process
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.
Carbon-fiber-epoxy prepreg sheet being cut
รูป แสดงการเตรียมแผ่นอพีอกซีเสริมเส้นใยคาร์บอน ซ่ึงจะถูกดดัด้วยเคร่ืองตดัที่ควบคุมด้วยคอมพวิเตอร์ที่บริษทั Mc. Donal Douglas.
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.
Tooling
รูป แสดงเคร่ืองมอืเพือ่ใช้เป็นแบบท าลามเินตหลายๆช้ันของวสัดุผสมพลาสติกเสริมแรงด้วยเส้นใยทีม่โีครงสร้างโค้งๆ และมผีวิเรียบ
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.
Autoclave
รูป แสดงส่วนของปีกเคร่ืองบิน AV-8B ซ่ึงลามิเนตด้วยอพีอกซีเสริมเส้นใยคาร์บอน และน าเข้าบ่มในเคร่ืองออโตเคลบที่โรงงานผลติเคร่ืองบินของบริษทั McDonell
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.
Figure 11.22 แสดงกระบวนการป่ันเสน้ใยส าหรับท าวสัดุผสมพลาสติกเสริมดว้ยเสน้ใย เร่ิมตน้การท าให้เสน้ใยเปียกชุ่มดว้ยพลาสติกเรซิน แลว้พนัรอบแกน(mandrel) โดยเสน้ใยจะออกมาจากหวัลอ้หมุน(Carriage) เคล่ือนท่ีไปมาเพื่อปูเสน้ใยลงท่ีmandrel
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.
Rolling of KEVLAR 49 and Epoxy Resin
รูป แสดงการมว้นเวน้ใย Kevlar 49 และอีพอกซีท่ีใชท้ าถงับรรจุมอเตอร์จรวด
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.
• 1.Compression and Injection molding
• 2. Sheet Molding Compound (SMC)
New process for automobile parts…
Good for large amount and large dimension.
Close mold processes for fiber-reinforced
plastic composite materials
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.
Sheet Molding Compound (SMC)
mandrel
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.
Figure 11.25
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.
Continuous Pultrusion Process
This process is used in fabrication shape of constant dimension or
beam. Product has high strength because of large number of fiber
and longitudinal parallel direction of fibers.
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.
• Ease for design
• Castable
• Low cost
• Durable
• Low tensile strength
• Low ductility
Concrete; ceramic composite.
Portland+water+air+fine mat+ coarse mat
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.
Fabrication process of portland cement;
Lime (Cao) Silica(SiO2) Alumina (Al2O3) and Fe2O3
Heat at 1400-1650ºC in Rotary kiln Cement clinker
Cement clinker + Gypsum
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.
Concrete:
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.
Solidification of portland cement
Hydration reaction of tricalcium silicateand dicalcium silicate
2C3S + 6H2O C3S2·3H2O + 3Ca(OH)2 fast
2C2S + 4H2O C3S2·3H2O + Ca(OH)2 slow
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.
Figure 11.29
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.
Figure 11.30
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.
Figure 11.31
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.
Figure 11.32
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.
Reinforced and prestressed concrete
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.
Figure 11.34
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.
• Hydrocarbon materials
• Mechanical property like thermoplastic
• C 80-86%, H2 9-10%, O2 2-8%, S 0.5-7%, N
• Used with aggregates Asphalt mix
Bitumen
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.
Timber : Natural composite materials between
Cellulose and Lignin (polymer)
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.
• ไมเ้น้ืออ่อน ตน้ไมท่ี้มองเห็นเมลด็ หรือ เมลด็แยกออกมา เขียวตลอดปี เฟอร์ ต้นสน ไม้ยาง มะม่วง ฉ าฉา มะยม • ไมเ้น้ือแขง็ เมลด็ถูกห่อหุม้ ผลดัใบ โอ๊ก เมเปิล เชอร่ี ไม้สัก ประดู่ แดง มะค่า เตง็ ชิงชัง
Softwoods and Hard woods
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.
Annual growth rings
Only in soft woods
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.
Axes of symmetry for wood
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.
Microstructure of Softwoods
Tracheids and Lumen
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.
Microstructure of Hardwoods
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.
Figure 11.40
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.
Figure 11.41
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.
Figure 11.42
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.
Figure 11.43
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.
Figure 11.44
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.
Figure 11.45
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.
Figure 11.46a
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.
Figure 11.46b
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.
Figure 11.47a
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.
Figure 11.47b
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.
Figure EP11.6
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.
Figure 11.48
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.
Figure EP11.8
