Abstract: In this paper presents sterilities the composite materials in auto vehicle industry in last years, materials that benefit about superior physical-chemical properties comparative with classic materials (steel, cast iron, plastic-mass, aluminum, etc.)

Introducere

De la inceputul erei industriale, otelul si fonta au constituit „inima” progresului din principalele sectoare industriale. In timp ce in tarile dezvoltate se inregistreaza deja o tendinta pe termen lung de reducere a cererii pentru produsele din industriile material - intensive, precum si un declin al intensitatii materiilor prime utilizate, consumul redus de materiale devine un element esential al tehnologiilor de fabricatie din aceste tari; se manifesta nevoia de materiale mai usoare, mai rezistente si mai durabile. Exista problema ridicata de consumul mare de energie inglobata in aceste materiale, dar si de pretul uneori prea ridicat al acestora. In ultimul timp s-a conturat ideea ca extinderea utilizarii a materialelor compozite in sensul aplicarii lor pentru noi subansamble in industria automobilelor nu este posibila, fara a se apela la plasticele armate de inalta calitate.

1. Materiale composite si utilizarea lor in industria autovehiculelor

Materialele compozite, in viitor vor juca din ce in ce mai mult un rol important in executia organelor importante, de greutate mica, specifica pieselor de motor, dar si de transmisie, suspensie. Pentru unele elemente de structura din constructia autovehiculelor, se vor utliza unele materiale laminate mixte din metal-materiale plastice denumite si tip „sandwich” (simplu sau multistratificat).

Aceste laminate se compun dintr-un material plastic cuprins intre doua straturi metalice (otel sau aluminiu) , laminarea realizandu-se la cald, sub presiune. Sunt destinate a inlocui otelul, fiind in competitie cu aluminiul, pentru ca acestea reprezinta o combinatie intre greutatea redusa a materialului plastic (polipropilena sau polietilena) si rezistenta, rigiditatea ale otelului respectiv a aluminiului. Se poate obtine o reducere a greutatii cu 50%, pentru o majorare a grosimii laminatului cu 10%. Poseda bune proprietati anticorozive si de izolare termica, rezistenta la caldura, la produsele chimice sau petroliere dar si o reducere a pretului de 2...3 ori fata de otel.

Analizand implicatiile inlocuirii metalelor cu astfel de materiale trebuie mentionat ca avantajul nu se rezuma numai la reducerea greutatii, ci de multe ori si la o functionare egala sau superioara.

Se preconizeaza astfel ca pana in anii 2005-2010 circa 10% din masa automobilului vor fi mase plastice armate. Se estimeaza o reducere a greutatii cu circa 10% pana in anul 2005.

O problema foarte importanta o constituie utilizarea rationala a materiilor prime. Si din acest punct de vedere se impune reducerea masei automobilului, pentru a reduce consumul de materiale si a creste procentul din masa reciclabila a acestuia.

In prezent circa 75 % din masa automobilului este reciclabila ( 5,4% materiale neferoase: 3% Al, 0,4% Cu, Zn, 2% echipamente electrice; 70,1% materiale feroase: 13% fonta, 13% piese forjate, 39% tabla, 5,1% echipamente mecanice). Raman nerecuperate (reziduuri): 24,5% materiale: 8,5% plastice, 3,5% sticla, 1% textile, 0,5% hartie, 2,8% altele, 3% echipament electric, 4% cauciuc, 1% ulei si unsori.

Se preconizeaza ca pana in 2005 circa 85% din masa automobilelor (cele care ies din functiune la data mentionata) sa fie reciclabila iar pentru cele noi proiectate procentul sa fie 90%. Pe un termen mai lung se preconizeaza ca in procent de 95% din masa automobilului sa fie reciclabila.

Materialele compozite se dovedesc a fi competitive atat sub aspectul pretului cat si al posibilitatilor de inlocuire si/sau completare cu succes a materialelor traditionale (metal, ceramica, sticla). Cercetarile in vederea utilizarii materialelor compozite au ca scop nu numai inlocuirea acestor materiale traditionale dar si aplicatii specifice datorate proprietatilor particulare pe care le prezinta.

In determinarea proprietatilor fizice ale materialelor compozite se utilizeaza legea amestecurilor, scrisa sub forma generala:

P c = ∑ ii P w , unde : P = proprietatile materialului compozit; c

P = proprietati ale componentelor; i

w = fractia de volum a componentelor.

In cazul proprietatilor mecanice, in aceasta ecuatie trebuie inclusi parametrii care sa i

tina seama de dimensiunea particulelor agentului de umplutura, orientarea, geometria de impachetare, interactiile specifice intre matrice si agentul de umplutura si de efectele de-a lungul interfetei. Din aceste motive, proprietatile fizice si chimice ale compozitelor nu pot fi descrise printr-o ecuatie unica.

In tabelul de mai jos se pot urmari caracteristicile mecanice ale unor materiale plastice compozite, precum si cauzele limitarii utilizarii lor in comparatie cu materialele clasice: otel si aluminiu.

Tabel nr 1.

Caracteristici mecanice pentru materiale compozite, otel, aluminiu Modul E

Material Rezistenta Tractiune Densi- tate

Axial Transversal Rezist- enta Axial Axial Forfecare

Mat.epoxidic/ HM grafit	220	7	4,8	1200	34	70	1,60
Mat.epoxidic/ UHM grafit	303	7	6,6	760	28	50	1,68
Mat.epoxidic/ Kevlar 49	85	5,5	2,1	1500	28	40	1,38
Mat.epoxidic/ fibra sticla	50	14	3,4	1800	40	70	2,00
Otel	210	210	79	415	415	240	7,83
Aluminiu 6061T6	70	70	26	290	290	270	-

Aluminiu, datorita densitatii sale reduse si a rezistentei mari la oxidare progresiva, este materialul care a capatat cea mai mare extindere ca matrice a materialelor compozitelor utilizate in realizarea de repere ce intra in constructia unui autovehicul (tabelul nr.2).

 

 

Tabel nr.2 Compusi ai aluminiului si folosirea lor in industria de

automobile

Sistemul	Aplicatii	Caracteristici speciale
Al/Sic	Pistoane; discuri frana; cuzineti; arbori cotiti	Rezistenta la rupere si la uzare; rigiditate
Al/Al2O3	Componente pentru motor(scaune supapa, opritori)	Rezistenta la uzare
Al/TiC	Pistoane; biele	Rezistenta la solicitari mecanice ciclice si la uzare
Al/Grafit	Piese pentru autovehicule	Proprietatea de autolubrifiere

Materialele Al/Al₂O₃ si Mg/ Al₂O₃ au o rigiditate si rezistenta la uzare mari, cuplate cu o rezistenta mare la temperaturi inalte, fiind aplicabile in realizarea unor componente pentru automobile.De altfel, in industria de autovehicule s-au impus materialele compozite metalice pentru fabricarea diverselor repere din cadrul motorului, suspensiilor, sistemelor de directie si franare. (tabelul 3.3.). Aplicatiile se refera in special la echipamentul mobil (biele, pistoane, axul pistonului) si la piesele solicitate la oboseala termodinamica.

Tabel nr. 3.

Utilizarea materialelor compozite in industria de automobile. Sistem Componente Proprietati imbunatatite

Cap de piston Rezistenta la temperaturi inalte

Motor Brat oscilant Greutate; rigiditate; uzare

Canal segment piston Greutate; uzare

Valva (supape) Rezistenta la temperaturi inalte

Bolt piston Uzare; rigiditate; fluaj

Camasi cilindru Frecare; greutate; uzare

Biela Rigiditate; greutate

Lagare Frecare; uzare; greutate

Carcase Lagar cutie de viteze

Lagar diferential Greutate; uzare

Frana Disc Uzare; greutate

Suspensii Lonjeroane Rigiditate; rezistenta la uzare

Furci de debreiere Uzare; greutate

Axul cardanic Rigiditate; rezistenta la oboseala

Directie Roti dintate Greutate; uzare

Roti Greutate

Inginerii din domeniul automobilelor se preocupa de alegerea optima a combinarii materialelor si a tehnologiei specifice care se impune, in conditiile unor cheltuieli minime, a imbunatatirii constante a calitatii, prin procedee nepoluante pentru mediul inconjuraor.

Firma Du Pont din Nemours a realizat un material plastic, original, celular, NOMEX, care are un raport optim intre rezistenta si greutate, si cu o rezistenta la comprimare cu 50%

mai mare decat otelul. Materialul este folosit in industria aerospatiala, datorita calittiilor sale deosebite, dar se prevede ca, in viitorul apropiat domeniul de aplicabilitate al acestuia se va deplasa spre constructia mijloacelor de transport terestre.

In ultimul timp, s-a ajuns la concluzia ca fibrele sintetice sunt o sperantaentru domeniile de varf ale tehnicii, dintre care Kevlarul devine din ce i ce mai omniprezent, ca fiind exponentul „generatiei a doua” de materiale compozite. Inventat in 1965 de firma Du Pont, Kevlarul este o fibra care poate ajunge la o finite de cateva sutimi de milimetru, care apoi sunt filate si tesute pe masini textile conventionale, usor modificate, conform particularitatilor Kevlarului.

Folosirea materialelor compozite in compartimentul motor al autovehiculelor se face in mod precaut, intr-un ritm se pare mai lent decat pentru elementele exterioare. Acesta, in are masura, pentru ca elementele componente respective sunt supuse simultan unor solicitari importante de tip mecanic, termic si chimic.

Firma „Tokyo Yokyo Co. Ltd.”, a realizat un material compozit din carbura de siliciu

si aluminiu. Materialul consta din 20% carbura de siliciu si din 80% alumina si este armat cu pulbere de carbura de siliciu. Poate fi comparat cu materialul compozit conventional armat cu ceramica. Legatura SiC-Al este foarte asemanatoare cu legatura metal-metal, aceasta facand materialul compozit mai rezistent. Materialul este usor, rezistent la uzura si la oboseala, si arerezistenta la tractiune de 45 kg/mm². Termorezistenta este cu 30% mai mare decat a aluminiului. Poate fi fabricat prin diferite metode ca: extrudare, forjare, laminare si turnare sub presiune, sub forma a diferitelor piese de masini (pistoane, axe cu came si invelisuri pentru transmisii).

Pe baza polipropilenei realizate de firma Exxon Cehmical, Farmington Hill,s-a obtinut un nou material compozit termoplastic, care se poate stanta, isi gaseste largi domenii de utilizare inlocuind metalul la realizarea podelelor pentru compartimentul bagajelor , ecrane antizgomot pentru motoare, bare de directie fata si spate de la automobile, piese interioare ale usilor de automobile, structuri de rezistenta pentru banchete, tavi pentru baterii si suporti de pedala de frana.

Procedeul umed folosit pentru producerea materialului compozit este similar cu procedeul prin care este fabricata hartia: sunt amestecate fibre cu lungime de 30 mm cu apa, pentru a se produce o dispersie uniforma, dupa care este uscata pe un fetru care nu are puncte slabe.

Produsele sub forma de foi sunt realizate prin comprimarea fibrelor uscate cu materialul plastic folosit ca retea, ceea ce conduce la cresterea sansei de a obtine materiale neuniforme de la un lot la altul. Un alt avantaj al omogenitatii ridicate a produsului realizat de Exxon il constituie reciclabilitatea completa.

O familie de materiale compozite de tip polipropilena termoplastica armate cu fibre lungi din sticla si de material plastic cu dimensiuni mari din constructia de automobile. Sunt utilizate de catre Peugeot, Renault si alti fabricanti europeni de automobile, Taffen STC (materiale compozite termoplastice structurale) realizat de Exxon Chemical Co., este remarcabila in ceea ce priveste reducerea greutatii, consolidarea pieselor, rezistenta la coroziune, economia de costuri si eficienta procesului de productie.

O familie de materiale compozite de tip polipropilena termoplastica armate cu fibre lungi din sticla si de material plastic cu dimensiuni mari din constructia de automobile. Sunt utilizate de catre Peugeot, Renault si alti fabricanti europeni de automobile, Taffen STC (materiale compozite termoplastice structurale) realizat de Exxon Chemical Co., este remarcabila in ceea ce priveste reducerea greutatii, consolidarea pieselor, rezistenta la coroziune, economia de costuri si eficienta procesului de productie.

STC este utilizat in diverse aplicatii: la suporturi pentru panouri de instrumente, perne pentru genunchiere, rafturi pentru portpachete in spate, suporturi pentru coloane de ghidare, structuri frontale complete.

La obtinerea materialelor cu matrice organica pentru sistemele de frictiune cum sunt discurile, sabotii, garniturile, ambreialjele au fost folosite fibre de azbest.

Din cauza actiunii toxice asupra sanatatii producatorilor s-a propus inlocuirea fibrelor de azbest cu cele de sticla. Din experimentari s-a constatat ca astfel de compozitii de frana ar fi acceptabile, insa adaosurile de fibre de sticla au tendinta de a se aglomera, si dea reduce uniformitatea materialului de frictiune. S-a incercat posibilitatea in care fibrele de sticla functioneaza in pereche cu contracorpuri de otel, dar s-au constatat uzuri inacceptabile.

In domeniul motoarelor cu ardere interna la institutul de incercari al firmei FORD, POLIMOTOR RESEARCH INC. din New Jersey s-au realizat mai multe motoare din materiale compozite, folosind pentru armare fibre de grafit (care se recomanda pentru piese de performante deosebite, la temperaturi ridicate). S-a urmarit, in mod special, reducerea apreciabila a greutatii motorului de baza, din metal, reusindu-se aplicarea materialelor compozite in constructia a circa 90% din elemente, sa se reduca la jumatate, 77 kg..

Materialul de baza al chiulasei este un material compozit armat cu fibre de grafit. Biela, pistonul, axul pistonului, talerele arcurilor, camele, pompa de apa se executa din material compozit armat cu fibre.

De aici s-a dedus ca reducerea greutatii sistemului de distributie favorizeaza functionarea motorului cu o turatie mai ridicata:

- adoptarea unor materiale compozite pentru piesele mecanismului motor contribuie reducerea cu 60% a greutatii acestora;

- datorita constructiei din material compozit al pistonului, conductivitatea termica se reduce, determinand o eficienta majorata a arderii;

- segmentii din material compozit favorizeaza autolubrifierea, iar greutatea lor redusa impiedica vibratia lor la turatii ridicate.

Materialele compozite folosite au rezistenta la rupere cu 40% mai mare ca a celor monolitice, iar frecarile cu 40% mai mici sI greutatea cu 60% mai redusa.

Turbosuflantele ce echipeaza motoarele autoturismelor au un timp de raspuns nesatisfacator la schimbarile bruste ale turatiei si sarcinii. Inlocuirea rotorului metalic al turbinei cu unul ceramic din carburi sau nitruri de siliciu sinterizate sub presiune, care are o densitate de trei ori mai redusa comparativ cu cel clasic, asigura o micsorare a inertiei lui si o diminuare a timpului de reactie cu 0,8...1,4 secunde.

In Angia, firma RUBERY OWEN (care asigura 80% din piata engleza a suspensiilor grele si 30% din piata europeana ) impreuna cu BRISTOL Composite Materials Engineering and Mathweb fabrica arcuri din mase plastice epoxidice 25%, armate cu fibre de sticla 65%, si cu fibre de carbon 10% pentru suspensiile autovehiculelor. Un astfel de arc cantareste 22,5kg. fata de cel obisnuit care atinge 90 kg.

Fima FORD - Anglia a echipat tipul CORTINA de 1,3l cu colectorul din materiale plastice armate, care inlocuiesc aluminiul traditional. Cu toate ca lucreaza intr-un mediu agresiv, aceasta a fost posibil atat prin folosirea unor materiale plastice armate noi, adecvate, cat mai ales prin elaborarea unei tehnologii de formare ingenioase (metoda formarii pe un miez fuzibil din aliaj Sn-Bismut). Materialul utilizat este un compozit pe baza de poliester armat, care face fata conditiilor si mediilor diferite cu care vine in contact (apa calda, hidrocarburi, antigel), prezentand stabilitate dimensionala la regimuri termice variabile.

Firma MAHLE din Germania studiaza asa-zisele „pistoane flotante”: corpul pistonului este despartit de cap, fiind legate intre ele doar prin intermediul axului pistonului. Aceasta solutie constructiva permite un joc redus intre corpul pistonului sI peretele camasii cilindrului si, mai ales, ofera posibilitatea utilizarii unei combinatii mai variate de materiale, decat in alte

constructii. Firma MAHLE poseda o versiune experimentala la care corpul este din material plastic armat cu fibre, iar capul este din aliaj de aluminiu de rezistenta mare.

Printre produsele la care s-ar putea folosi noile materiale compozite sunt: capote pentru automobile, capace pentru automobile, etc. Capotele sau capacele de automobile reprezinta asemenea aplicatii, deoarece produsul final poate fi format prin suflare inainte de racirea materialului, accelerand procesul de productie. Este de subliniata si posibilitatea de vopsire a compozitelor pentru aplicatii la automobile. Ca dezavantaj il reprezinta pretul de cost mai ridicat.

Rulmentii de debreiere ai ambreiajelor in cazul autoturismului Opel Omega trebuie sa functioneze fiabil la temperaturi de durata de pana la 120ºC, iar valorile de varf sunt mai mari. Sarcinile axiale intermitente intre 50 si 2700 N, la deplasari axiale de 15 mm trebuie preluate fara frecare si cu uzura redusa.

Abaterile de coaxialitate ale mansonului de ghidare, pe care alunca rulmentul de debreiere trebuie compensate. Unitatile trebuie atat de etanse, incat lubrifiantul sa nu poata ajunge in spatiul ambreiajului.

Rulmentul de debreiere din material compozit otel si mase plastice are o greutate redusa, proprietati de alunecare superioare, amortizarea mai buna a zgomotului si costuri reduse de fabricatie. Intreaga unitate este montata pe un inel de ghidare din poliamida armata cu fibre de sticla. La partea din spate, inelul de ghidare este astfel format, incat sa se poata monta parghia de debreiere. Un inel de acoperire peste inelul exterior al rulmentului mentine axial unitatea.

Noul rulment de debreiere a ambreiajului este etans, nu necesita intresinere si emite un zgomot foarte redus. Aceleasi materiale compozite din otel si material plastic au dat bune rezultate de asemenea si la rolele de intindere a curelelor, rotilor de intindere si de deviere ale mecanismului motor.

2. Avantajele si dezavantajele utilizarii materialelor compozite comparativ cu materialele clasice in industria autovehiculelor

Avantaje:

- densitate mica in raport cu metalele. Compozitele din rasini epoxidice armate cu

fibra de Si, B si C au densitate sub 2kg/dm3. Rasinile epoxidice armate cu fibre de sticla sunt cu 83% mai usoare decat otelul. Materialul plastic armat cu fibre de sticla hyfil are densitatea de 1,8 kg/dm³.

- rezistenta la tractiune R_m sporita. Rezistenta materialelor compozite cu whiskers- uri este de 5... 30 ori mai mare decat a matricei, pe o directie paralela cu directia de orientare a whiskers-urilor. Rezistenta la tractiune a fibrelor de sticla este 19000...39000 daN/cm². Materialul compozit Kevlar are R_m de doua ori mai mare decat cea a sticlei.

- consum energetic scazut, si instalatii mai putin costisitoare in procesul de obtinere,

in raport cu metalele. Materialele plastice armate cu fibre de sticla pot fi usor realizabile, procedeele aplicate uzual putand fi: laminarea, pulverizarea, extrudarea si injectarea. Materialele compozite pe baza de materiale plastice sunt mai putin energointensive decat otelul, aluminiu si cuprul.

- rezistenta practic nelimitata la actiunea proceselor determinate de agentii atmosferici si de mediu (oxidare, coroziune, microorganisme);

- capacitate ridicata de amortizare a vibratiilor, de trei ori mai mare decat cea a aluminiului;

- coeficient de dilatare foarte mic in raport cu metalele;

- durabilitate mare in functionare. In aceleasi conditii de functionare 1 kg. de kevlar

inlocuieste 5 kg. de otel, la o durata egala de functionare.

- stabilitate chimica si rezistenta mare la temperaturi redicate. Fibrele de Kevlar, teflon si hyfil isi pastreaza proprietatile pana la o temperatura de 500 ºC, iar fibrele ceramice de tip SiC, Si₃N₄ si Al₂O₃ pana la temperaturi cuprinse intre 1400 ºC si 2000 ºC

Dezavantaje:

- uzarea prin frecare reprezinta un proces distructiv al materialelor compozite

echivalent cu cel a ruperii sau al deformarii.

- oxidarea si/sau coroziunea sunt procese care duc la degradarea progresiva si rapida

a suprafetei produselor si deci la uzarea lor avansata. Oxidarea devine mai periculoasa la temperaturi inalte, insa depinde in mare masura de natura matricei si a materialului complementar. Coroziunea se produce la temperaturi joase si inalte, in zona de contact dintre componente (coroziunea galvanica, din cauza diferentei de potential electrochimic dintre matrice si faza complementara).

- cedarea materialului sub actiunea solicitarilor mecanice ciclice se datoreaza aparitiei, cresterii si propagarii fisurilor sau dezlipirilor. Starea de tensiune insa zone de desprindere (goluri) la capetele fibrelor de ramforsare, si care se propaga sub forma unor striuri in regiunea neramforsata.

 

 

 

BIBIOGRAFIE

1. Ganea, I.- Materiale sintetice noi. Ed. Militara Bucuresti 1979.

2. Huba, G., Iovu, H.,- Materiale compozite. Editura Tehnica 1999.

3. Ciunel,S. –Studiul documentar privind stadiul actual si tendintele de utilizare a materialelor compozite in industria de automobile. Referat nr. 1 Doctorat 2001 Craiova

4. Iordache, Gh., altii - Componente de masini din materiale polimerice. Ed. Tehnica Bucuresti 1996.

5. Moisescu, T.,E., Timis, L.- Materiale compozite. Ed. Tehnica, Bucuresti 1989.

6. * * * - Colectia Materials Engineering USA 1989 - 2001

7 * * * - Colectia Automotive Engineering International 1999 - 2001

8 * * * - Colectia Automotive Engineering International 1999 - 2001

9 * * * - Machine Design pag. 152. 4/1991