1    Composite Materials; Unit‐II;        MMCs and PMCs

METAL MATRIX COMPOSITES (MMC)  Introduction  Metal  matrix  composites  (MMCs),  as  the  name  implies,  have  a  metal  matrix.  Examples  of  matrices  in  such  composites  include  aluminum,  magnesium,  and  titanium.  Typical  fibers  include  carbon  and  silicon  carbide.  Metals  are  mainly  reinforced to increase or decrease their properties to suit the needs of design.  For example, the elastic stiffness and strength of metal scan be increased and  large coefficients of thermal expansion and thermal and electric conductivities  of metals can be reduced, by the addition of fibers such as silicon carbide.  Advantages  Metal  matrix  composites  are  mainly  used  to  provide  advantages  over  monolithic  metals  such  as  steel  and  aluminum.  These  advantages  include  higher specific strength and modulus by reinforcing low‐density metals, such as  aluminum and titanium; lower coefficients of thermal expansion by reinforcing  with  fibers  with  low  coefficients  of  thermal  expansion,  such  as  graphite;  and  maintaining  properties  such  as  strength  at  high  temperatures.  MMCs  have  several  advantages  over  polymer  matrix  composites.  These  include  higher  elastic properties; higher service temperature; insensitivity to moisture; higher  electric  and  thermal  conductivities;  and  better  wear,  fatigue,  and  flaw  resistances.  The  drawbacks  of  MMCs  over  PMCs  include  higher  processing  temperatures and higher densities.  Do any properties degrade when metals are reinforced with fibers?  Yes, reinforcing metals with fibers may reduce ductility and fracture toughness.  Ductility  of  aluminum  is  48%  and  it  can  decrease  to  below  10%  with  simple  reinforcements of silicon carbide whiskers. The fracture toughness ofaluminum  alloys is 18.2 to 36.4 (20 to 40 ) and it reduces by 50% or more when reinforced  with silicon fibers.  MMC‐ Manufacturing  Fabrication methods for MMCs are varied. One method of manufacturing them  is  diffusion  bonding,  which  is  used  in  manufacturing  boron/aluminum  composite  parts  (Figure).  A  fiber  mat  of  boron  is  placed  between  two  thin  aluminum foils about 0.002 in. (0.05 mm) thick. A polymer binder or an acrylic  adhesive  holds  the  fibers  together in the mat.  Layers  of these  metal foils are  stacked  at  angles  as  required  by  the  design.  The  laminate  is  first  heated  in  a 

2    Composite Materials; Unit‐II;        MMCs and PMCs

vacuum  bag  to  remove  the  binder.  The  laminate  is  then  hot  pressed  with  a  temperature of about 932°F (500°C) and pressure of about 5 ksi (35 MPa) in a  die to form the required machine element. 

 

Application (MMC)  Space:  The  space  shuttle  uses  boron/aluminum  tubes  to  support  its  fuselage  frame.  In  addition  to  decreasing  the  mass  of  the  space  shuttle  by  more  than  320  lb  (145  kg),  boron/aluminum  also  reduced  the  thermal  insulation  requirements because of its low thermal conductivity. The mast of the Hubble  Telescope uses carbon‐reinforced aluminum.  Military:  Precision  components  of  missile  guidance  systems  demand  dimensional  stability  —  that  is,  the  geometries  of  the  components  cannot  change during use. Metal matrix composites such as SiC/aluminum composites  satisfy  this  requirement  because  they  have  high  micro  yield  strength.*  In  addition,  the  volume  fraction  of  SiC  can  be  varied  to  have  a  coefficient  of  thermal expansion compatible with other parts of the system assembly.  Transportation:  Metal  matrix  composites  are  finding  use  now  in  automotive  engines  that  are  lighter  than  their  metal  counterparts.  Also,  because  of  their  high  strength  and  low  weight,  metal  matrix  composites  are  the  material  of  choice for gas turbine engines. 

 

3    Composite Materials; Unit‐II;        MMCs and PMCs

MICROMECHANICS  Basic definitions  Structural  materials  possess  a  great  number  of  physical,  chemical  and  other  types  of  properties,  but  at  least  two  principal  characteristics  are  of  primary  importance.  These  characteristics  are  the  stiffness  and  strength  that  provide  the  structure  with  the  ability  to  maintain  its  shape  and  dimensions  under  loading or any other external action.  High  stiffness  means  that  material  exhibits  low  deformation  under  loading.  However,  by  saying  that  stiffness  is  an  important  property  we  do  not  mean  that it should be necessarily high. The ability of a structure to have controlled  deformation  (compliance)  can  also  be  important  for  some  applications  (e.g.,  springs; shock absorbers; pressure, force, and displacement gauges).  Lack  of  material  strength  causes  an  uncontrolled  compliance,  i.e.,  in  failure  after  which  a  structure  does  not  exist  anymore.  Usually,  we  need  to  have  as  high  strength  as  possible,  but  there  are  some  exceptions  (e.g.,  controlled  failure  of  explosive  bolts  is  used  to  separate  rocket  stages).  Thus,  without  controlled  stiffness  and  strength  the  structure  cannot  exist.  Naturally,  both  properties depend greatly on the structure’s design but are determined by the  stiffness and strength of the structural material because a good design is only a  proper utilization of material property.  It is natural to characterize material strength by the ultimate stress  Stress =  σ = F A Where F is force causing the failure 

  Stress is measured as force divided by area, i.e., according to international (SI)  units,  in  pascals  (Pa)  so  that  1  Pa  =1N/m2.  Because  the  loading  of  real  structures induces relatively high stresses, we also use kilopascals (1 kPa = 103 

4    Composite Materials; Unit‐II;        MMCs and PMCs

Pa), megapascals (1MPa = 106 Pa), and gigapascals (1GPa = 109 Pa). Conversion  of  old  metric (kilogram per square centimeter)and  English  (pound  per  square  inch) units to pascals can be done using the following relations: 1 kg/cm2 = 98  kPa and 1 psi = 6.89 kPa.  Specific strength of a material is defined as  

Kσ =

σ ρ

 

If  we  use  old  metric  units,  i.e.,  measure  force  and  mass  in  kilograms  and  dimensions in meters, substitution of Eq. (1.1) into Eq. (1.2) yields kσ in meters.  Thisresult has a simple physical sense, namely kσ is the length of the vertically  hanging fiberunder which the fiber will be broken by its own weight.  The stiffness of the bar shown in Figure can be characterized by an elongation  ∆ corresponding to the applied force F or acting stress σ = F/A. However,  ∆ is  proportional to the bar’s length L0.   To evaluate material stiffness, we introduce strain 

ε=

∆ L0  

Since ε is very small for structural materials, the ratio is normally multiplied by  100, and ε is expressed as a percentage.  Naturally, for any material, there should be some interrelation between stress  and strain, i.e.,  ε = f(σ) or σ = f(ε)   These  equations  specify  the  so‐called  constitutive  law  and  are  referred  to  as  constitutive equations.  The work performed by force F in Figure is accumulated in the bar as potential  energy,  which  is  also  referred  to  as  strain  energy  or  elastic  energy.  Consider  some  infinitesimal  elongation  d ∆ and  calculate  the  elementary  work  performed by the force F in Fig. 1.1 as dW = Fd ∆ .  Then, work corresponding to point 1 of the curve in Fig. 1.2 is  ∆1

W = ∫ Fd ∆   0

5    Composite Materials; Unit‐II;        MMCs and PMCs

  where ∆1  is the elongation of the bar corresponding to point 1 of the curve. The  work W is equal to elastic energy of the bar which is proportional to the bar’s  volume and can bepresented as  ε1

E = L0 A∫ σ d ε   0

Where  σ = F A , ε = ∆ L , and ε1 = ∆1 L   0 0 ε1

Now  the  integral    U = ∫0 σ d ε is  a  specific  elastic  energy  (energy  accumulated  in  a  unit  volume  of  the  bar)  that  is  referred  to  as  an  elastic  potential. It is important that U does not depend on the history of loading. This  means  that  irrespective  of  the  way  we  reach  point  1  of  the  curve  in  Fig.  1.2  (e.g., by means of continuous loading, increasing force F step by step, or using  any  other  loadingprogram),  the  final  value  of  U  will  be  the  same  and  will  depend only on the value of final strain ε1 for the given material.  A very important particular case of the elastic model is the linear elastic model  described by the well‐known Hooke’s law (see Fig. 1.3)  σ = Eε  Here, E is  the  modulus of elasticity.  It follows that  E = σif ε = 1, i.e., if L = L0.  Thus,  the  modulus can  be interpreted as  the  stress  causing elongation  of  the  bar  in  Fig.  1.1  to  be  the  same  as  the  initial  length.  Since  the  majority  ofstructural  materials  fail  before  such  a  high  elongation  can  occur,  the  modulus is usuallymuch higher than the ultimate stress σ. 

6    Composite Materials; Unit‐II;        MMCs and PMCs

    Similar to specific strength kσ in Eq. (1.2), we can introduce the corresponding  specific modulus 

KE = E   ρ which describes a material’s stiffness with respect to its material density.  Hooke’s  law  describes  rather  well  the  initial  part  of  stress–strain  diagram  for  the  majority  of structural materials.  However, under  a relatively  high  level  of  stress or strain, materials exhibit nonlinear behavior.  One of the existing models is the nonlinear elastic material model introduced  above  (see  Fig.  1.2).  This  model  allows  us  to  describe  the  behavior  of  highly  deformable rubber‐type materials.  Another  model  developed  to  describe  metals  is  the  so‐called  elastic–plastic  material model. The corresponding stress–strain diagram is shown in Fig. 1.5.  In contrast to an elastic material (see Fig. 1.2), the processes of active loading  and  unloading  are  described  with  different  laws  in  this  case.  In  addition  to  elastic strain, εe, which disappears after the load is taken off, the residual strain  (for the bar shown in Fig. 1.1, it is plastic strain, εp) remains in the material. As  for an elastic material, the stress–strain curve in Fig. 1.5 does not depend on  the  rate  of  loading  (or  time  of  loading).  However,  in  contrast  to  an  elastic  material,  the  final  strain  of  an  elastic–plastic  material  can  depend  on  the  history of loading, i.e., on the law according to which the final value of stress  was reached.  Thus,  for  elastic  or  elastic–plastic  materials,  constitutive  equations  do  not  include  time.  However,  under  relatively  high  temperature  practically  all  the  materials  demonstrate  time‐dependent  behavior  (some  of  them  do  it  even 

7    Composite Materials; Unit‐II;        MMCs and PMCs

under room temperature). If we apply some force F to the bar shown in Fig. 1.1  and keep  it constant,  we can see  that  for a time‐sensitive  material the  strain  increases under a constant force. This phenomenon is called the creep of the  material. So, the most general material model that is used in this book can be  described with a constitutive equation of the following type:  ε = f(σ,t,T) 

  where  t  indicates  the  time  moment,  whereas  σ  and  T  are  stress  and  temperature, corresponding to this moment. In the general case, constitutive  equation,  ε  =  f(σ,t,T)  ,  specifies  strain  that  can  be  decomposed  into  three  constituents corresponding to elastic, plastic and creep deformation, i.e., 

ε = εe + εp + εc  However,  in  application  to  particular  problems,  this  model  can  be  usually  substantially simplified. To show this, consider the bar in Fig. 1.1 and assume  that a force F is applied at the moment t = 0 and is taken off at moment t = t1  as shown in Fig. 1.6a.  

8    Composite Materials; Unit‐II;        MMCs and PMCs

  At  the  moment  t  =  0,  elastic  and  plastic  strains  that  do  not  depend  on  time  appear,  and  while  time  is  running,  the  creep  strain  is  developed.  At  the  moment  t  =  t1,  the  elastic  strain  disappears,  while  the  reversible  part  of  the  creep  strain,  ε c ,  disappears  with  time.  Residual  strain  consists  of  the  plastic  t

strain, εp, and residual part of the creep strain,  ε c .  r

The  mechanics  of  fiber‐reinforced  composite  materials  are  studied  at  two  levels:  1.  The  micromechanics  level,  in  which  the  interaction  of  the  constituent  materials is examined on a microscopic scale. Equations describing the elastic  and  thermal  characteristics  of  a  lamina  are,  in  general,  based  on  micromechanics  formulations.  An  understanding  of  the  interaction  between  various  constituents  is  also  useful  in  delineating  the  failure  modes  in  a  fiber‐ reinforced composite material.  2.  The  macromechanics  level,  in  which  the  response  of  a  fiber‐reinforced  composite  material  to  mechanical  and  thermal  loads  is  examined  on  a  macroscopic scale. The material is assumed to be homogeneous. Equations of  orthotropic elasticity are used to calculate stresses, strains, and deflections.  Volume Fractions  Consider a composite consisting of fiber and matrix. Take the following symbol  notations: 

vc , v f , vm  = volume of composite, fiber, and matrix, respectively 

9    Composite Materials; Unit‐II;        MMCs and PMCs

ρc , ρ f , ρ m  = density of composite, fiber, and matrix, respectively.  Now define the fiber volume fraction Vf and the matrix volume fraction Vm as 

 

‐‐‐‐ (1) 

Note that the sum of volume fractions is   

‐‐‐‐ (2) 

And we have from (1) and (2)   

‐‐‐‐ (3) 

Mass Fractions  Consider  a  composite  consisting  of  fiber  and  matrix  and  take  the  following  symbol  notation:  mc , m f , mm =  mass  of  composite,  fiber,  and  matrix,  respectively.  The  mass  fraction  (weight  fraction)  of  the  fibers  (Wf)  and  the  matrix (Wm) are defined as 

Mf =

mf mc

and M m =

mm

mc  

‐‐‐‐ (4) 

Note that the sum of mass fractions is 

M f + Mm =1 

‐‐‐‐ (5) 

And from (4) and (5), we have 

m f + mm = mc  

‐‐‐‐ (6) 

From the definition of density, we have 

mc = ρ c vc , m f = ρ f v f and mm = ρ m vm   Substituting (7) in (4), we get 

‐‐‐‐ (7) 

10    Composite Materials; Unit‐II;        MMCs and PMCs

Mf =

ρf ρ V f and M m = m Vm   ρc ρc

‐‐‐‐ (8) 

in terms of the fiber and matrix volume fractions.  

Density  The sum of mass fractions is given from equation (6) as 

m f + mm = mc

‐‐‐‐ (9) 

 

Using (7) in the above equation, we have   

‐‐‐‐ (10) 

 

‐‐‐‐ (11) 

and 

Now, consider that the volume of a composite vc is the sum of the volumes of  the fiber vf and matrix (vm):    Using  (10),  The  density  of  the  composite  in  terms  of  mass  fractions  can  be  found as 

 

‐‐‐‐ (12) 

Problem  A  glass/epoxy  lamina  consists  of  a  70%  fiber  volume  fraction.  The  density  of  the fiber is ρf = 2500 kg/m3, density of the matrix is ρm=1200 kg/m3. Determine  the following  1. Density of lamina  2. Mass fractions of the glass and epoxy 

11    Composite Materials; Unit‐II;        MMCs and PMCs

3.  (a)  Volume  of  composite  lamina  if  the  mass  of  the  lamina  is  4  kg  and  (b)Volume and (c) mass of glass and epoxy.  1)        2)  The fiber and matrix mass fractions are 

Mf =

ρf 2500 Vf = ( 0.7 ) = 0.8294   2100 ρc

Mm =

ρm 1200 Vm = ( 0.3) = 0.1706   ρc 2110

Note that the sum of the mass fractions, 

M m + M m = 0.8294 + 0.1706 = 1.0   3)The volume of composite is 

vc =

mc

ρc

=

4 = 1.896 ×10−3 m3   2110

The volume of the fiber is    The volume of the matrix is   

12    Composite Materials; Unit‐II;        MMCs and PMCs

  FIBER–MATRIX INTERACTIONS IN A UNIDIRECTIONAL LAMINA  We  consider  the  mechanics  of  materials  approach  [1]  in  describing  fiber– matrix interactions in a unidirectional lamina owing to tensile and compressive  loadings.  The  basic  assumptions  in  this  vastly  simplified  approach  are  as  follows:  1. Fibers are uniformly distributed throughout the matrix.  2. Perfect bonding exists between the fibers and the matrix.  3. The matrix is free of voids.  4. The applied force is either parallel to or normal to the fiber direction.  5.  The  lamina  is  initially  in  a  stress‐free  state  (i.e.,  no  residual  stresses  are  present in the fibers and the matrix).  6. Both fibers and matrix behave as linearly elastic materials.  Theoretical  formulas  for  finding  the  stiffness,  strength,  and  hygrothermal  properties  of  a  unidirectional  lamina  are  a  function  of  fiber  volume  fraction.  Measurements of the constituents are generally based on their mass, so fiber  mass  fractions  must  also  be  defined.  Moreover,  defining  the  density  of  a  composite  also  becomes  necessary  because  its  value  is  used  in  the  experimental determination of fiber volume and void fractions of a composite.  LONGITUDINAL TENSILE LOADING  In this case, the load on the composite lamina is a tensile force applied parallel  to the longitudinal direction of the fibers.  Unidirectional Continuous Fibers:  Assuming a perfect bonding between fibers and matrix, we can write   

‐‐‐‐ (1) 

13    Composite Materials; Unit‐II;        MMCs and PMCs

 

 

  Comparing  Equation  3.2  with  Equation  3.3  and  noting  that 

Ef>Em, 

we 

conclude that the fiber stress  σ f  is always greater than the matrix stress  σ m .  The tensile force Pc applied on the composite lamina is shared by the fibers  and the matrix so that 

Pc = Pf + Pm  

 

‐‐‐(4) 

14    Composite Materials; Unit‐II;        MMCs and PMCs

Equ ation  (7)  is  called  the  rule  of  mixtures.  This  equation  shows  that  the  longitudinal  modulus  of  a  unidirectional  continuous  fiber  composite  is  intermediate between the fiber modulus and the matrix modulus; it increases  linearly with increasing fiber volume fraction; and since Ef>Em, it is influenced  more by the fiber modulus than the matrix modulus.  The fraction of load carried by fibers in longitudinal tensile loading is 

 

‐‐‐‐‐(8) 

Equation (8) is plotted in Figure 3.2 as a function ofEf/Em ratio and fiber volume  fraction. In polymer matrix composites, the fiber modulus is much greater than  the  matrix  modulus.  In  most  polymer  matrix  composites,Ef/Em>  10.  Thus,  evenfor vf =0.2, fibers carry >70% of the composite load. Increasing the fiber  volume fraction increases the fiber load fraction as well as the composite load.  Although  cylindrical  fibers  can  be  theoretically  packed  to  almost  90%volume  fraction, the practical limit is close to ~80%. Over this limit, the matrix will not  be able to wet the fibers.   

15    Composite Materials; Unit‐II;        MMCs and PMCs

   

POLYMER MATRIX COMPOSITES  Polymer matrix composites (PMCs) consist of a polymer (e.g., epoxy, polyester,  urethane)  reinforced  by  thin  diameter  fibers  (e.g.,  graphite,  aramids,  boron).  For example, graphite/epoxy composites are approximately five times stronger  than  steel  on  a  weight‐for‐weight  basis.  The  reasons  why  they  are  the  most  common  composites  include  their  low  cost,  high  strength,  and  simple  manufacturing principles.  Drawbacks  of  polymer  matrix  composites:  The  main  drawbacks  of  PMCs  include low operating temperatures, high coefficients of thermal and moisture  expansion and low elastic properties in certain directions.    Fiber materials (reinforcement phase) used in PMC  1. Glass Fiber  Glass  is  the  most  common  fiber  used  in  polymer  matrix  composites.  Its  advantages  include  its  high  strength,  low  cost,  high  chemical  resistance,  and  good  insulating  properties.  The  drawbacks  include  low  elastic  modulus,  poor  adhesion  to  polymers,  high  specific  gravity,  sensitivity  to  abrasion  (reduces  tensile strength), and low fatigue strength.  Manufacturing:  Glass  fibers  are  made  generally  by  drawing  from  a  melt  as  shown in Figure 1.9. The melt is formed in a refractory furnace at about 2550°F  (1400°C) from a mixture that includes sand, limestone, and alumina. The melt  is stirred and maintained at a constant temperature. It passes through as many  as  250  heated  platinum  alloy  nozzles  of  about  10μm  diameter,  where  it  is  drawn into filaments of needed size at high speeds of about 25 m/s.    

16    Composite Materials; Unit‐II;        MMCs and PMCs

   

      These fibers are sprayed with an organic sizing solution before they are drawn.  The  sizing  solution  is  a  mixture  of  binders,  lubricants,  and  coupling  and  antistatic  agents;  binders  allow  filaments  tobe  packed  in  strands,  lubricants  prevent  abrasion  of  filaments,  and  coupling  agents  give  better  adhesion  between the inorganic glass fiber and the organic matrix.  Fibers are then drawn into strands and wound on a forming tube. Strands are  groups  of  more  than  204  filaments.  The  wound  array  of  strands  is  then  removed  and  dried  in  an  oven  to  remove  any  water  or  sizing  solutions.  The  glass strand can then be converted into several forms as shown in Figure.   

Schematic  of  manufacturing  glass  fibers  and  available  glass  forms.  (From  Bishop,  W.,  in  Advanced  Composites,  Partridge,  I.K.,  Ed.,  Kluwer  Academic  Publishers, London, 1990, Figure 4, p.177.     

17    Composite Materials; Unit‐II;        MMCs and PMCs

2. Graphite fiber  Graphite  fibers  are  very  common  in  high‐modulus  and  high‐strength  applications  such  as  aircraft  components,  etc.  The  advantages  of  graphite  fibers  include  high  specific  strength  and  modulus,  low  coefficient  of  thermal  expansion,  and  high  fatigue  strength.  The  drawbacks  include  high  cost,  low  impact resistance, and high electrical conductivity.  Manufacturing:   Graphite  fibers  are  generally  manufactured  from  three  precursor  materials:  rayon,  polyacrylonitrile  (PAN),  and  pitch.  PAN  is  the  most  popular  precursor.  The  precursor  is  drawn  into  long  strands  or  fibers  and  then  heated  to  a  very  high temperature with‐out allowing it to come in contact with oxygen. Without  oxygen, the fiber cannot burn. 

  In  the  first  process,  called  stabilization,  the  fiber  is  passed  through  a  furnace  between 392 and 572°F (200 and 300°C) to stabilize its dimensions during the  subsequent high‐temperature processes.  In  the  second  process,  called  carbonization,  it  is  pyrolized  in  an  inert  atmosphere of nitrogen or argon between 1832 and 2732°F (1000 and 1500°C).  The  high  temperature  causes  the  atoms  in  the  fiber  to  vibrate  violently  until  most  of  the  non‐carbon  atoms  are  expelled.  This  process  is  called  carbonization.   In  the  last  process,  called  graphitization,  it  is  heat  treated  above  4532°F  (2500°C). The graphitization yields a microstructure that is more graphitic than  that produced by carbonization. The fibers may also be subjected to tension in  the  last  two  heating  processes  to  develop  fibers  with  a  higher  degree  of  orientation. 

18    Composite Materials; Unit‐II;        MMCs and PMCs

At  the  end  of  this  three‐step  heat  treatment  process,  the  fibers  are  surface  treated  to  develop  fiber  adhesion  and  increase  laminar  shear  strength  when  they are used in composite structures. They are then collected on a spool.  3. Aramid fiber  An aramid fiber is an aromatic organic compound made of carbon, hydrogen,  oxygen, and nitrogen. Its advantages are low density, high tensile strength, low  cost,  and  high  impact  resistance.  Its  drawbacks  include  low  compressive  properties and degradation in sunlight.  Types: The two main types of aramid fibers are Kevlar 29® and Kevlar49®. Both  types of Kevlar fibers have similar specific strengths, but Kevlar49 has a higher  specific  stiffness.  Kevlar  29  is  mainly  used  in  bulletproof  vests,  ropes,  and  cables. High performance applications in the aircraft industry use Kevlar 49.   Manufacturing:  The  fiber  is  produced  by  making  a  solution  of  proprietary  polymers and strong acids such as sulfuric acid. The solution is then extruded  into hot  cylinders at 392°F  (200°C), washed, and dried  on spools.  The  fiber  is  then stretched and drawn to increase its strength and stiffness. 

MATRIX phase in PMC  Polyesters:  The  advantages  are  low  cost  and  the  ability  to  be  made  translucent;  drawbacks  include  service  temperatures  below  170°F  (77°C),  brittleness, and high shrinkage of as much as 8% during curing.   Phenolics:  The  advantages  are  low  cost  and  high  mechanical  strength;  drawbacks include high void content.   Epoxies: The advantages are high mechanical strength and good adherence to  metals and glasses; drawbacks are high cost and difficulty in processing.  Epoxy  Epoxy  resins  are  the  most  commonly  used  resins.  They  are  low  molecular  weight organic liquids containing epoxide groups. Epoxide has three members  in its ring: one oxygen and two carbon atoms. The reaction of epichlorohydrin  with phenols or aromatic amines makes most epoxies. Hardeners, plasticizers,  and fillers are also added to produce epoxies with a wide range of properties of  viscosity, impact, degradation, etc.  The main reasons why epoxy is the most used polymer matrix material are 

19    Composite Materials; Unit‐II;        MMCs and PMCs

¾ High strength  ¾ Low  viscosity  and  low  flow  rates,  which  allow  good  wetting  of  fibers and prevent misalignment of fibers during processing  ¾ Low volatility during cure  ¾ Low  shrink  rates,  which  reduce  the  tendency  of  gaining  large  shear stresses of the bond between epoxy and its reinforcement  ¾ Available  in  more  than  20  grades  to  meet  specific  property  and  processing requirements 

Manufacturing of PMC  Polymer‐matrix  composites  are  much  easier  to  fabricate  than  metal‐matrix,  carbon‐matrix,  and  ceramic‐matrix  composites,  whether  the  polymer  is  a  thermoset or a thermoplastic. This is because of the relatively low processing  temperatures  required  to  fabricate  polymer‐matrix  composites.  For  thermosets,  such  as  epoxy,  phenolic,  and  furfuryl  resin,  the  processing  temperature  typically  ranges  from  room  temperature  to  about  200°C;  for  thermoplastic  polymers,  such  as  polyimide  (PI),  polyethersulfone  (PES),  polyetheretherketone  (PEEK),  polyetherimide  (PEI),  and  polyphenyl  sulfide  (PPS), the processing temperature typically ranges from 300 to 400°C.  Autoclave forming:   . This method of manufacturing a high‐performance polymer‐matrix composite  laminate  containing  continuous  fibers  commonly  involves  prepreg  sheets.  Aprepreg is a sheet of continuous oriented fibers that have been impregnated  with a polymer or a polymer precursor. First, a peel ply made out of nylon or  cellophane  coated  with  Teflon  is  placed  on  the  mold.  Teflon  is  used  for  easy  removal  of  the  part  and  the  peel  ply  achieves  a  desired  finish  that  is  smooth  and wrinkle free. Replacing Teflon by mold releasing powders and liquids can  also accomplish removal of the part. Prepregs of the required number are laid  up one ply at a time by automated  means or  by  hand. Each ply is pressed  to  remove  any  entrapped  air  and  wrinkles.  The  lay‐up  is  sealed  at  the  edges  to  form a vacuum seal. Now one establishes the bleeder system to get rid of the  volatiles and excess resin during the heating and vacuum process that follows  later.  The  bleeder  system  consists  of  several  bleeder  sheets  made  of  glass  cloth. These are placed on the edges and the top of the lay‐up. Then, vacuum  connections  are  placed  over  the  bleeders  and  the  lay‐up  is  bagged.  A  partial  vacuum is developed to smooth the bag surface. The whole assembly is put in  an auto clave (Figure 1.18), where heat and pressure are applied with an inert 

20    Composite Materials; Unit‐II;        MMCs and PMCs

gas  such  as  nitrogen.  The  vacuum  system  is  kept  functioning  to  remove  volatiles  during  the  cure  cycle  and  to  keep  the  part  conformed  to  the  mold.  The cure cycle may last more than 5 h.  One  method  of  forming  unidirectional  fiber  composite  parts  with  a  constant  cross‐section  (e.g.,  round,  rectangular,  pipe,  plate,  I‐shaped)  is  pultrusion,  in  which fibers are drawn from spools, passed through a polymer resin bath for  impregnation,  and  gathered  together  to  produce  a  particular  shape  before  entering a heated die.  One method of forming continuous fiber composites in the shape of cylinders  or  related  objects  is  filament  winding,  which  involves  wrapping  continuous  fibers  from  a  spool  around  a  (commonly  cylindrical)  mandrel.  The  fibers  are  wound in various predetermined directions (e.g., 90°) relative to the axis of the  mandrel.  The  winding  pattern  is  a  part  of  the  composite  design.  Since  the  composite  is  very  strong  in  the  fiber  direction,  filament  winding  results  in  a  cylindrical article that resists radial expansion, as needed for pressure vessels.  The  fibers  can be  impregnated with  a  resin  before  or after  winding.  Filament  winding  is  used  to  make  pressure  tanks  and  pipes.  The  temperature  of  the  mandrel,  the  impregnation  temperature  of  the  resin,  the  impregnation  time,  the tension of the fibers, and the pressure of the fiber winding are processing  parameters that need to be controlled.  Difference in processing thermoset and thermoplastic Polymers  The processing of polymer‐matrix composites typically requires heating. In the  case  of  a  thermosetting  resin,  the  heating  is  to  cause  the  completion  of  polymerization  (cross‐linking)  of  the  resin.  In  the  case  of  a  thermoplastic  matrix,  the  heating  is  done  to  soften  or  melt  the  thermoplastic  matrix  (The  melting  temperature  is  higher  than  the  softening  temperature  but  it  allows  more extensive flow). As the polymerization process is a reaction, it takes time.  In contrast, the softening or melting is a phase transition that occurs once the  appropriate temperature is reached. As a result, the processing time tends to  be considerably longer for a thermoset‐matrix composite than a thermoplastic‐ matrix composite. 

metal matrix composites (mmc) -

Introduction. Metal matrix composites (MMCs), as the name implies, have a metal matrix. Examples of matrices in such composites include aluminum, ...

531KB Sizes 3 Downloads 187 Views

Recommend Documents

pdf-0751\introduction-to-metal-matrix-composites-fabrication-and ...
Try one of the apps below to open or edit this item. pdf-0751\introduction-to-metal-matrix-composites-fabrication-and-recycling-by-yoshinori-nishida.pdf.

Intermetallic Matrix Composites
solution of the corresponding boundary value problem was obtained; in the first ... elasticity 1n terms of analytic potentials, the following equations govern t e ...

Intermetallic Matrix Composites
Rockwell International Science Center, Thousand Oaks, California, U.S. .... corresponding to these data demonstrates that the relatively small microcrack, with.

mmc cross.pdf
Page 1 of 1. mmc cross.pdf. mmc cross.pdf. Open. Extract. Open with. Sign In. Main menu. Displaying mmc cross.pdf.

MMC Resume 2005
Focus in Organizational Strategy & Development - GPA: 3.60/4.00 ... Build Accountability Today” (The Learning Rap: Training & Development Blog, 2006, 2007).

MMC - MACURH Charter.pdf
Download. Connect more apps... Try one of the apps below to open or edit this item. MMC - MACURH Charter.pdf. MMC - MACURH Charter.pdf. Open. Extract.

MMC - MACURH Charter.pdf
Association of College and University Residence Halls (NACURH), Inc., and pursuant to Article XII of the. National Bylaws of supplementary thereto, do hereby ...

Composites
'J3 U8 CU II! lrll IJI 'III 2!! I.“ {J1 IQ». - j-__T';|,'_. ..... Growth in Fiber Reinforced Ceramics," Journal of tire Mechanics and Physics. ofSoiids, Vol. 40, No. 1, pp.

Composites
Apr 15, 2011 - E-mail: [email protected]. Prof. K. Schulte. Institute .... Afterwards, the PPA/CB solution was stirred at 160 8C during additional 2 h. The rest of ... The bulk sample, under argon and air atmosphere, was heated from 100 to ...

2015-2016 MMC CSD Calendar.pdf
2015-2016 MMC CSD Calendar.pdf. 2015-2016 MMC CSD Calendar.pdf. Open. Extract. Open with. Sign In. Main menu. Displaying 2015-2016 MMC CSD ...

Hindustan Composites Limited (HINDCOMPOS) - NSE
May 18, 2017 - Office : Exchange Plaza, Bandra Kurla Complex, Bandra (E), Mumbai ... effective for all outstanding balances of the security as on May 26, 2017 ...

Sulfonated polyoxadiazole composites containing ...
Oct 22, 2008 - The development of high-performance polymers has been a de- mand from the ... Technological applications have also been reported in connection with the ... of their relative low cost and availability in larger scale [28,29], their larg

2006_J_d_M&S_peled_Properties of fabric–cement composites ...
2006_J_d_M&S_peled_Properties of fabric–cement composites made by pultrusion.pdf. 2006_J_d_M&S_peled_Properties of fabric–cement composites made by pultrusion.pdf. Open. Extract. Open with ... Displaying 2006_J_d_M&S_peled_Properties of fabric–

wagner-meters-mmc-205-210-220-manual.pdf
3. Page 3 of 12. wagner-meters-mmc-205-210-220-manual.pdf. wagner-meters-mmc-205-210-220-manual.pdf. Open. Extract. Open with. Sign In. Main menu.

Audiobook Download Fiber-Reinforced Composites ...
Download PDF Fiber-Reinforced Composites: Materials, Manufacturing, and Design, Third Edition (Mechanical Engineering) Free Online "P.K. Mallick", Download Fiber-Reinforced Composites: Materials, Manufacturing, and Design, Third Edition (Mechanical E

MMC Course Book 2014-2015.pdf
There was a problem previewing this document. Retrying... Download. Connect more apps... Try one of the apps below to open or edit this item. MMC Course ...

MMC academic chart 2017-18 - Jackson Area Career Center.pdf ...
There was a problem previewing this document. Retrying... Download. Connect more apps... Try one of the apps below to open or edit this item. MMC academic ...

Shape your metal industry with sheet metal shaping.pdf
shaping. The growth in sheet metal industries are increasing rapidly in market. There is. a whole new different world of such business industries today. Thus, the.