Właściwości mechaniczne kompozytów opisują, jak materiał zachowuje się pod obciążeniem: czy się odkształca, pęka, ulega zmęczeniu, jak reaguje na uderzenie i jak długo zachowuje parametry w czasie. W praktyce to one decydują o tym, czy element kompozytowy będzie lekki i trwały, czy zacznie tracić sztywność, delaminować lub pękać.
Kompozyty różnią się od metali tym, że ich właściwości można projektować (dobierając włókno, żywicę i układ warstw), ale jednocześnie są one kierunkowe (anizotropowe). To największa przewaga i największe „ryzyko” jednocześnie.
1) Z czego wynikają właściwości mechaniczne kompozytów?
W uproszczeniu, kompozyt to układ:
- zbrojenie (włókna / tkaniny / maty) – odpowiada głównie za nośność,
- osnowa (żywica / matryca) – spaja zbrojenie, przenosi obciążenia między włóknami, chroni przed środowiskiem,
- interfejs włókno–żywica – decyduje, czy obciążenie faktycznie „przechodzi” na włókna.
Na parametry wpływają m.in.:
- typ włókna (szkło, węgiel, aramid),
- rodzaj żywicy (epoksydowa, poliestrowa, termoplast),
- objętościowy udział włókien,
- orientacja warstw (lay-up),
- porowatość i defekty (pęcherze, suche miejsca),
- jakość utwardzania (temperatura, czas, docisk).
2) Najważniejsze właściwości mechaniczne kompozytów
Sztywność (moduł sprężystości)
Sztywność mówi, jak bardzo materiał ugnie się pod obciążeniem. W kompozytach sztywność można „ustawić” układem warstw.
- włókno węglowe daje bardzo wysoką sztywność (CFRP),
- włókno szklane daje niższą sztywność, ale jest tańsze (GFRP).
W praktyce: wysoka sztywność = mniejsze ugięcia, lepsza stabilność wymiarowa.
Wytrzymałość na rozciąganie
To zdolność do przenoszenia obciążenia „na zerwanie” w rozciąganiu.
W kompozytach w kierunku włókien decyduje głównie zbrojenie, a poprzecznie – osnowa i przyczepność.
Dlatego element może być ekstremalnie mocny w jednym kierunku, a znacznie słabszy w innym.
Wytrzymałość na ściskanie
To jedna z ważniejszych cech w konstrukcjach. Kompozyty mogą mieć bardzo dobre parametry, ale mechanizmy zniszczenia są inne niż w metalach (np. mikropofałdowanie włókien, lokalne wyboczenie, pęknięcia osnowy).
Wytrzymałość na zginanie
W zginaniu górna część elementu pracuje na ściskanie, dolna na rozciąganie.
Dlatego wytrzymałość na zginanie zależy:
- od właściwości w rozciąganiu i ściskaniu,
- od układu warstw,
- od jakości laminatu (delaminacje mocno obniżają parametry).
Wytrzymałość na ścinanie
Kluczowa m.in. w:
- połączeniach klejowych,
- strukturach sandwich,
- strefach wokół otworów i mocowań.
Ścinanie jest często „cichym zabójcą” kompozytów, bo to właśnie ono inicjuje delaminację.
Odporność zmęczeniowa (fatigue)
Kompozyty często wypadają bardzo dobrze w zmęczeniu, ale zależy to od:
- poziomu naprężeń,
- jakości wykonania,
- środowiska (wilgoć, temperatura),
- rodzaju obciążenia (ciągłe vs zmienne).
W praktyce: dobre zmęczenie = dłuższa żywotność przy cyklicznych obciążeniach (łopaty wiatrowe, sprężyny, elementy samochodowe).
Udarność i odporność na uszkodzenia
Kompozyty potrafią być odporne na uderzenia, ale często problemem są uszkodzenia niewidoczne: mikropęknięcia i delaminacje, które obniżają nośność bez wyraźnego śladu na powierzchni.
Dlatego w aplikacjach krytycznych stosuje się:
- toughened żywice,
- warstwy „odpornościowe” (np. aramid),
- kontrolę NDT (ultradźwięki).
3) Anizotropia – klucz do zrozumienia kompozytów
W metalach własności są zwykle podobne w każdym kierunku.
W kompozytach własności zależą od kierunku włókien.
Co to oznacza praktycznie?
- jeśli obciążenie idzie „po włóknach” – materiał jest bardzo mocny,
- jeśli obciążenie idzie poprzecznie – nośność spada, a zniszczenie inicjuje osnowa lub interfejs,
- zły lay-up = szybkie pękanie lub delaminacja mimo „dobrego materiału”.
4) Typowe mechanizmy zniszczenia kompozytów
Kompozyty rzadko pękają jak szkło „na raz”. Często degradują stopniowo:
- pękanie osnowy,
- odspajanie włókno–żywica,
- delaminacja między warstwami,
- zerwanie włókien,
- wyboczenie włókien przy ściskaniu.
To ważne, bo oznacza, że jakość wykonania (porowatość, ułożenie warstw) ma ogromny wpływ na realną wytrzymałość.
5) Co najbardziej podnosi (albo psuje) wytrzymałość kompozytów?
Podnosi:
- wysoki udział włókien (ale w kontrolowany sposób),
- dobrze dobrana żywica do procesu i obciążeń,
- prawidłowy lay-up,
- niski poziom porowatości,
- poprawne utwardzanie.
Psuje:
- pęcherze i suche miejsca,
- zbyt mało żywicy (lub zbyt dużo),
- błędy ułożenia warstw,
- słabe połączenia/klejenia,
- brak kontroli procesu.
6) Podsumowanie
Właściwości mechaniczne kompozytów wynikają z połączenia materiału (włókna + osnowa), geometrii (układ warstw) i jakości wykonania. To materiały, które mogą oferować świetną wytrzymałość i sztywność przy niskiej masie, ale wymagają świadomego projektowania i kontroli procesu.
➡️ W kolejnych artykułach na kompozyty.net omówimy projektowanie struktur kompozytowych
