บทที่ 1 1 วัสดุรวม

1. บทที่ 11วัสดุรวม Composites 1302 212Engineering materials Assistant Professor Sukangkana Lee

2. จุดประสงค์การเรียนรู้จุดประสงค์การเรียนรู้ • นิยามวัสดุรวม (composite) • จำแนกประเภทของวัสดุรวม • อธิบายคุณสมบัติของวัสดุรวม และการใช้งาน • บอกกรรมวิธีการผลิตวัสดุรวมได้ • ตะหนักถึงความสำคัญของวัสดุรวม ในงานทางด้านวิศวกรรม และในชีวิตประจำวัน

3. พี่ๆ ลองทายซิครับว่าพวกเราผลิตมาจากวัสดุอะไร? แม่นแล้ว ไฟเบอร์กลาส

4. Electric Mobility Cart Body: fiber glass Windshield: laminated glass Ceiling: fiber glass ceiling, Seats: soft seat and softened arm seat Floor: leather Instrument panel: fiber glass, www.impexol.cn/2005/1-15/08530234967.html

5. ไฟเบอร์กลาส เรซิ่น

6. Composite (วัสดุรวม) • เป็นวัสดุผสมตั้งแต่ 2 กลุ่มวัสดุหลักขึ้นไป โดยที่วัสดุผสมจะต้องไม่ละลายซึ่งกันและกัน โดยที่มีวัสดุชนิดหนึ่งเป็นหลัก (matrix) และวัสดุอีกชนิดหนึ่งหรือหลายชนิดกระจาย แทรกตัวอยู่ในเนื้อวัสดุหลัก • คุณสมบัติ จะเป็นการรวมคุณสมบัติที่ดีของวัสดุแต่ละชนิดที่ใส่เข้าไป

7. ส่วนประกอบ 1. ส่วนเมตริกซ์ (Matrix phase)ซึ่งส่วนนี้จะเป็นองค์ประกอบหลักเป็นส่วนที่มีความต่อเนื่อง ( Continuous phase ) เมตริกซ์ที่นิยมใช้ คือ พอลิเมอร์ โลหะ ฯลฯ 2. ส่วนเสริมแรง ( Reinforcement phase )เป็นส่วนที่ทำให้วัสดุคอมโพสิตมีความแข็งแรงมักเป็นส่วนที่ไม่ต่อเนื่อง ( Discontinuous phase ) ซึ่งอาจมีลักษณะเป็นแผ่นอนุภาคเล็ก ๆ หรือ เส้นใยก็ได้วัสดุเสริมแรงที่นิยมใช้ได้แก่ เส้นใยแก้ว หรือเส้นใยธรรมชาติ เป็นต้น

8. การแบ่งประเภท แบ่งตามลักษณะเสริมแรง ได้ 3 ลักษณะ • Particle-Reinforces Composite เสริมแรงด้วยอนุภาค • Fibrous Composite เสริมแรงด้วยเส้นใย • Other Composite Structuresเสริมแรงด้วยโครงสร้าง

9. แบ่งตามประเภทของ matrix 1. Metal Matrix Composites (MMC) MMC are composed of a metallic matrix (aluminum, magnesium, iron, cobalt, copper) and a dispersed ceramic (oxides, carbides) or metallic (lead, tungsten, molybdenum) phase. 2. Ceramic Matrix Composites (CMC) CMC are composed of a ceramic matrix and embedded fibers of other ceramic material (dispersed phase). 3. Polymer Matrix Composites (PMC) PMC are composed of a matrix from thermoseting (Unsaturated Polyester (UP), Epoxiy (EP)) or thermoplastic (Polycarbonate (PC), Polyvinylchloride, Nylon, Polysterene) and embedded glass, carbon, steel or Kevlar fibers (dispersed phase).

10. Classification of Composite 1. Particle-Reinforces Composite 2. Fibrous Composite Matrix Matrix Particles Fiber วัสดุเสริมสามารถมีได้หลายรูปร่าง และหลายขนาด เช่น

11. 3. Other Composite Structures • Conventional Laminar Composite Structure • Sandwich Structure – Foam Core • Sandwich structure using honeycomb core

12. Fibrous Composite เป็นการเสริมด้วยวัสดุที่มีค่าสัดส่วนความยาวต่อเส้นผ่าศูนย์กลางสูง อาจจะเป็นเส้น หรือ แถบ ก็ได้ คุณสมบัติของวัสดุร่วมที่ได้ จะขึ้นกับหลายปัจจัย ดังนี้ 1. ปริมาณของใยเสริม 2. ตัวประสานระหว่างใยเสริม 3. ชนิดของ Matrix ที่ใช้ 4. การกระจายตัวของ วัสดุเสริม

13. max min min max 4. ทิศทางของการเสริม หากเป็นการเสริมด้วยเส้นใย ความเค้นจะสูงสุดในทิศทางขนานกับเส้นใย และต่ำสุดใ นทิศตั้งฉาก ถ้าต้องการให้แข็งแรงในทุกทิศทางก็จะเสริมใยในทุกทิศทาง Strength 0 90 มุมระหว่างทิศทางแรง และทิศทางไฟเบอร์

14. Carbon Fiber Glass Fiber

15. 3-D weave for fiber-reinforced composite Multilayered composite

16. Advantages • lightweight • The fiber/resin mix can be customized to meet stiffness, strength and manufacturing requirements • Part consolidation means a reduced number of assemblies and a reduced fastener count • Reduced machining • Tapered sections and compound contours easily accomplished • Resistant to corrosion • Resistant to fatigue damage with good damping characteristics • Low coefficient of thermal expansion

17. disadvantages • Complex manufacturing process • Some part are cost consumption • No able to recycle • Difficult to repair or replacement

18. คุณสมบัติทางกลของวัสดุรวมคุณสมบัติทางกลของวัสดุรวม • วัสดุเสริม:ปริมาตร =VP, Elastic Modulus = EP • วัสดุหลัก (Matrix) :ปริมาตร = 1- VP=Vm , Elastic Modulus = Em ค่าสูงสุดของ Elastic Modulus of Composite, EC max EC max =VPEP+ VmEm และค่าต่ำสุดของ Elastic Modulus of Composite, EC min EC min =EPEm/(VmEP+ VPEm) • Ec มักจะอยู่ระหว่างค่า ECmaxและ EC minทั้งสอง

19. Strength of Continuous Composites Fiber Fracture Stress Composite Matrix Fracture Strain

20. ตัวอย่าง Fiberglass reinforced plastic คือพลาสติกเสริมใยแก้ว เป็นวัสดุผสมระหว่างพลาสติกที่เสริมแรงด้วยเส้นใยแก้วที่ทอเป็นผืน หรือตัดเป็นชิ้นเล็กๆ วัตถุประสงค์:เป็นการประสานคุณสมบัติความแข็งของเส้นใยแก้วผสมความยืดหยุ่นของโพลิเมอร์

21. พลาสติกที่นิยมใช้เป็นวัสดุหลัก เช่น โพลีเอสเตอร์เรซิน (UP) หรือ อีปอกซีเรซิน (EP) • เส้นใยแก้วที่เสริมโดยทอเป็นผืน หรือตัดเป็นชิ้นเล็กๆ

22. ตารางความแข็งแรงของวัสดุเสริมใยตารางความแข็งแรงของวัสดุเสริมใย

23. ผลิตภัณฑ์

24. กรรมวิธีการผลิตวัสดุร่วมกรรมวิธีการผลิตวัสดุร่วม • ฉีดใยเรซิน ใยแก้วจะผ่านอุปกรณ์ตัดให้เป็นเศษเล็กๆ แล้วถูกเป่าด้วยแรงดันพร้อมกันกับการฉีดพ่นพลาสติกเหลวไปกระทบกระสวนกลายเป็นแผ่น

25. 2. การม้วนเปียก (Filament Winding)เส้นใยจะถูกดึงผ่านพลาสติกเหลว จากนั้นเส้นใยเคลือบจะถูกม้วนให้ซ้อนเป็นชั้นๆ ใช้ในการผลิตท่อ

26. 3. การหล่อเหวี่ยง ใช้ในการผลิตท่อและภาชนะทรงกลม โดยที่ท่อฉีดเส้นใย และเรซินตลอดเวลาและเบ้าก็จะเหวี่ยงเกิดการอัดตัวที่ผนังของเบ้า ไม่มีฟองอากาศ

27. 4. The pultrusion processการดึงเสันใยผ่านอ่างพลาสติกเหลว เป็นการผลิต Fiber-reinforcedplastic composite materials

28. ตัวอย่างผลิตภัณฑ์และการใช้งานตัวอย่างผลิตภัณฑ์และการใช้งาน สายเคเบิลโทรศัพท์ สำหรับเดินภายนอก ชนิดมีสายสะพานในตัว

29. Power cable PE Cu PVC

30. วัสดุสะท้อนแสง พลาสติก เส้นใยแก้ว ขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง 9-70 ไมครอน

33. Metal metrix composite MMC are composed of a metallic matrix (aluminum, magnesium, iron, cobalt, copper) and a dispersed ceramic (oxides, carbides) or metallic (lead, tungsten, molybdenum) phase. • D:\Documents\web 1302 212\Metal matrix composites.mht

34. Plastic matrix composite PMC are composed of a matrix from thermoseting (Unsaturated Polyester (UP), Epoxiy (EP)) or thermoplastic (Polycarbonate (PC), Polyvinylchloride, Nylon, Polysterene) and embedded glass, carbon, steel or Kevlar fibers (dispersed phase).

36. http://www.hsc.csu.edu.au/engineering_studies/aero_eng/2579/polymer_composites.htmlhttp://www.hsc.csu.edu.au/engineering_studies/aero_eng/2579/polymer_composites.html

37. Ceramic matrix composite CMC are composed of a ceramic matrix and embedded fibers of other ceramic material (dispersed phase). แท่นเจาะน้ำมันมี ฐานเป็นคอนกรีตเสริมเหล็ก

38. What is Concrete? Concrete is basically a mixture of two components: • Aggregates • Paste (or binder)

39. Hydration of cement • ‘Hydration’ is the chemical reaction of the cementitious materials and water. • The result is the paste become solid and bind the aggregates. • ซีเมนต์กับน้ำ จะทำปฏิกิริยาอย่างช้าๆ จากผิวนอกสู่ด้านใน ถ้าได้รับน้ำอย่างต่อเนื่อง เช่น 2(2CaO SiO2) + 4H2O 3CaO.2SiO2.3H2O+Ca(OH)2

40. Hydration + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 2. Hydrated cement containing capillary pores 1. Unhydrated cement&water 3. Extra water filled pores 4. Cement completely hydrated

41. Concrete Mixtures • Aggregates (sand and gravel or crushed stone)หรือเรียกว่า ‘วัสดุมวลรวม’ จะต้องสะอาด แข็งแกร่ง และมีขนาดต่างๆกันเพื่อให้ได้คอนกรีตที่มีความหนาแน่นสูง สามารถแบ่งได้เป็น 2 กลุ่ม คือ

42. 1.1 Fine aggregates • Consist of Sand with particle sizes ranging from dust-size up to 3/8 inch. ต้องสะอาด ไม่มีสารเคมี หรือ อินทรีย์วัตถุเจือปน ไม่มีดินโคลน • ทรายที่ใช้ทั่วไปในงานก่อสร้างจะมี 3 ขนาด คือ • ทรายหยาบ จะมีเม็ดทรายใหญ่ แข็งแรงเหมาะกับงานที่ต้องรับภาระสูง • ทรายหยาบปานกลาง เหมาะกับงานทั่วไป • ทรายเม็ดละเอียด เหมาะกับงานผิวละเอียด ตกแต่ง ฉาบ

43. 1.2 Coarse aggregatesได้แก่ • กรวด และหินปูนบด particles ranging in size from 0.05 to 6 in. ไม่มีหินผุ ตัวอย่างการใช้งาน • ผนังกั้นห้อง แผ่นพื้น แผ่นครีบ ขนาดไม่เกิน 2 cm • งานปูพื้นทั่วไป หรือ ผิวจราจร ขนาดประมาณ 2.5 ถึง 3.75 cm. • งานหล่อฐานราก ขนาดไม่เกิน 4 cm

44. 2. Cement Paste • Cements เป็นสารประกอบอนินทรีย์ อยู่ในรูปของผงบดละเอียด (ขนาด 10-100 m) และจะแข็งตัวเมื่อผสมกับน้ำในสัดส่วนที่เหมาะสม • ได้จากการเผาดินขาว ดินดำ และศิลาแลง ที่ 1,450°C ให้เป็น Silica และ Alumina แล้วบดละเอียดผสมกับ Gypsum

45. Cement process 1. Quarry 2. Crusher 3. Conveyor 7. Preheater 6. Filter bag 8. Kiln : 1000-2000 C 4. Mixing bed 9. Cooler 5. Raw mill 11. Cement mill 10. Clinker silo 12. Logistics

46. Cement process • animation : How we make cement • http://www.essroc.com/default.aspx?pageid=183

47. History • ชาวโรมัน เป็นชนชาติแรกที่ใช้วัสดุผสมทำด้วยเถ้าภูเขาไฟผสมกับทราย น้ำแ ละ ปูนขาว • Cement ถูกค้นพบโดยชาวอังกฤษในปีคศ. 1824 โดยผลิตจาก ปูนขาวผสมกับดินเหนียวที่มาจากเมือง Portland และสารประกอบบดละเอียด • ปัจจุบัน ซีเมนต์ที่ใช้มากทั่วไปเรียกว่า “Portland cement”

48. Types of Cements 1. Portland Cements:is a hydraulic cement which means that it sets and hardens due to a chemical reaction with water. Consequently, it will harden under water.ส่วนประกอบหลัก คือ • Lime-CaCO3 (calcium carbonate) หรือปูนขาว ซึ่งที่มีขายในท้องตลาดอยู่ในรูปของผงสีขาว • SiO2 (Silica) • Al2O3 (Alumina) • Fe2O3 (Ferrite)

49. ASTM: Portland cements มี 5 ชนิด: Type I Normalใช้สำหรับงานทั่วไป และสำหรับงานคอนกรีตเสริมเหล็ก (ตราช้าง,ตราเพชร, ตราพญานาค) Type II Modified low heatใช้สำหรับงานที่ต้องใช้คอนกรีตบริเวณกว้าง และมาก Type III Quick setting ใช้สำหรับงานที่ต้องการความแข็งแรงสูง และแห้งเร็ว (ตราสามเพชร, เอราวัณ) เช่น เสาเข็ม Type IV Low heat จะแห้งช้าที่สุด ใช้สำหรับงานสร้างเขื่อน หรือสะพาน (ตรานกอินทรีย์) Type Vใช้สำหรับงานที่สำผัสกับน้ำใต้ดิน หรือทะเล

50. 2. Blended hydraulic cementcontains additional ingredients, such as fly ash, or blast furnace slag directly in the cement. Presently, most concrete for use in pavement is made with a portland cement, but use of blended hydraulic cements appears to be increasing.