Pracovní diagram vláken

Transkript

1 Druhy vláken

2 Rozdělení přednášky Základní vlastnosti vláken a nanovláken Přírodní vlákna Skleněná vlákna Uhlíková a grafitová vlákna Aramidová a silonová vlákna Keramická vlákna Kovová vlákna Whiskery

3 Pracovní diagram vláken

4 Průměry různých vláken

5 Rozdělení vláken Do průměru 100 nm nanovlákna 0,1 až 1 µm mikrovlákna whiskery 1 až 10 µm střední vlákna uhlíková, skleněná, textilní Nad 10 µm hrubá vlákna B, TiB2, SiC a p.

6 Nanovlákno a vlas

7 Štíhlost nanovláken Většina nanovláken má štíhlost nad 100 Délka nanovláken nad 0,1 mm V kompozitu se chovají jako vlákna dlouhá

8 Monofil a multifil Jedno vlákno - monofil Spředená textilní vlákna - multifil 1 tex - hmotnost 1 km vlákna v g údaj o tloušťce T (tex g/km) m = ρ*v. Plocha vlákna S = 10-9 * T / ρ Lépe S = 10-3 * T / ρ ( mm2, tex, g/cm3 ) Pro kruhový průřez d =18 * T / ρ ( µm, tex, g/cm3 ) Pro jednotkovou hustotu (plasty) 1 tex ~ 1000 µm2 ~ 18 µm Pro pevnost vláken platí 1 N / tex = s GPa, kde s je hustota v g/cm3, pro jednotkovou hustotu 1 N / tex = 1 GPa Monofil Multifil - spojitá vlákna Multifil - krátká vlákna

9 Mikrostruktura multifilu

10 Vzhled multifilu Pozor je možné dělat multifil i z nanovláken!

11 Přírodní vlákna Len, bavlna, kokosová vlákna, sisal a p. Základem je celuloza Pevnost okolo 0,9 GPa Youngův modul okolo 100 GPa Moderní celulozová nanovlákna např rozvlákněním dřeva Velmi aktuální pro rozvojové země Dobré i pro ekologii přirozeně degradují

12 Bavlněné vlákno Vlevo mikrosnímek, vpravo struktura. K kutikula (povrchová ochranná vrstva), P, S, T primární, sekundární a terciární vrstva lamel, L lumen centrální dutina ve vlákně. F ukázka fibrilární struktury lamely. Samo vlákno je kompozit.

13 Vlastnosti přírodních vláken Vlákno : Hustota g/cm3) : Mez pevnosti (MPa) : Tažnost (%) : 460 Youngův modul (GPa) : 70 Konopí 1,5 Juta 1, ,0 Len 1, ,8 Bavlna 1, ,7

14 Nanovlákna Tencel, Lyocell celulozová nanovlákna vytvářená rozvolněním dřeva Dále nanovlákna keratinová a želatinová Zpravidla musí být monofil

15 Druhy skleněných vláken Označe Použití ní skla E Elektrické izolace Složení v % : Pevnos t (GPa) 3 Prodlouže ní při lomu (%) 3 S Vysokopevn. kompozity 65 SiO2, 25 Al2O3, 10 MgO 5 5 A Tepelné izolace 72 SiO2, 1 Al2O3, 3 MgO, 10 CaO, 14 K2O C (Pyrex) Chemické aplikace 65 SiO2, 4 Al2O3, 6 B2O3, 3 MgO, 14 CaO, 9 K2O SiO2, 11 Al2O3, 6 B2O5, 18 CaO, 5 MgO

16 Výroba skleněných vláken

17 Pevnosti skleněných vláken Vlákno S sklo E sklo Pyrex (C) Pevnost výchozí GPa Pevnost po zpracování GPa Prodloužení při lomu % 7 3, ,8 1,

18 Tepelné vlastnosti materiál E sklo hliník Ocel Tepelná vodivost W/mK 10, Tepelná 5 roztažnost 10-6 K-1

19 Další vlastnosti Hustota okolo 2,5 g / cm3 Tuhost zhruba jako hliník 1/3 tuhosti oceli E = 80 až 100 GPa Běžné lahvové sklo A sklo Malá odolnost skelných vláken únavě Rozpor mezi vysokou pevností a malou smáčivostí Průměr zpravidla v mikrometrech Monofil, může být i multifil

20 Skleněná nanovlákna Bioaktivní materiál

21 Vliv povrchových činidel To, co zvýší pevnost, sníží smáčivost.

22 Uhlíková a grafitová vlákna Mají asi desetinásobnou tuhost a poloviční hustotu proti skleněným Pevnost nižší než u skla nebo aramidu Vynikající tepelné vlastnosti, pokud jsou chráněna před oxidací Stabilní do 1000 oc, při ochraně před oxidací do 2000 oc Minimální teplotní roztažnost, dokonce někdy smrštivost Do 1000 oc jsou chemicky inertní Na rozdíl od skla velká odolnost únavě

23 Další vlastnosti Uhlíková vlákna jsou elektricky vodivá Nejlevnější stojí dvojnásobek proti sklu, nejkvalitnější až stonásobek Jsou velmi silně anizotropní ve směru osy a kolmo na osu A = 100 Obsahují různé procento grafitu Běžné průměry několik mikrometrů Velmi často multifil.

24 Vývoj použití uhlíkových vláken

25 Vývoj ceny uhlíkových vláken

26 Výrobci C vláken

27 Krystalická struktura grafitu

28 Tabulka základních vlastností Vlastnost : Délka vazby nm El. vodiv. 1/Ωm Tep. vod. W/mK Tep. roztaž. 1/K diamant 0, ,8*10-6 Grafit c 0, ,5*10-6 Grafit a 0,334 0, *10-6 E GPa Tvrdost Mohs Hustota g / cm , ,5-1 2,265 36,5 0,5-1 2,265 Grafit c v bazální rovině, Grafit a ve směru kolmém

29 Úhlová závislost pro E

30 Struktura grafitového vlákna

31 Produkty z uhlíkových vláken

32 PAN výchozí surovina

33 Postup výroby Prekursor PAN vlákna Stabilizace oxidace 1 2 hodiny při oc na vzduchu Karbonizace vteřin při 1200 až 1500 oc v dusíku Grafitizace vteřin při 2000 až 3000 oc v dusíku s argonem Povrchová úprava leptání kyselinou dusičnou

34 Vliv teploty na vlastnosti

35 Základní vlastnosti grafitových vláken Vlákna vysokopevnostní vysokomodulová označení HT HM Ru GPa 3,1 2,1 E GPa Prodl. % 1,2 0,5

36 Grafitová nanovlákna

37 Pyrograf III

38 Uhlíkové nanotrubičky Mechanické vlastnosti se silně liší podle výrobců. Dále udány průměrné hodnoty. Youngův modul okolo 1000 GPa. Mez pevnosti v tahu 30 až 50 GPa. Tažnost 6 až 12 %

39 Youngův modul C nanotrubiček

40 Ohyb C nanotrubiček

41 Krut uhlíkových nanotrubiček

42 Tlakové namáhání C nanotrubiček

43 Deformace při tahu vyšší teploty

44 Deformace při stlačování TEM

45 Možné porušení tahem

46 Různá nanovlákna

47 Nanovlákna křemíku - TEM

48 Aramidová a nylonová vlákna Polyamid - nylon Aromatický polyamid aramid- kevlar

49 Kevlarová vlákna Pevnost okolo 2,8 GPa Při hustotě 1,44 g/cm3 vynikající poměrná pevnost pětinásobek oceli Deformace při lomu poněkud menší než u skla, ale větší než u grafitu Při dlouhodobém zahřívání nad 175 oc degradují vlastnosti Mají záporný koeficient teplotní roztažnosti Jsou v zásadě chemicky odolná, napadána jen silnými kyselinami a louhy Degradují v UV záření za přítomnosti kyslíku

50 Základní vlastnosti porovnání vlákno s g/cm3 Ru GPa E GPa Prodl. % Nylon 1,14 1,02 5,62 18 Kevlar 1,44 2,81 63,3 4 Kevlar49 1,45 2,81 133,6 2,4 E-sklo 2,54 3, ocel 7,

51 Polymerová nanovlákna Jsou vyráběna prakticky ze všech typů polymerů A nepovlakované PAN vlákno B povlak SnO 2 C povlak TiO2 D povlak TiO2, trojnásobná doba

52 Keramická vlákna Velká teplotní odolnost a stabilita Použití v MMC a CMC pro vysoké teploty Vysoká tuhost Malá tepelná roztažnost Malá závislost pevnosti na teplotě Na rozdíl od uhlíku a aramidu vydrží i větší tlak Jsou k dispozici jako monofil, textilní vlákna nebo whiskery

53 Poměr velikostí keramických vláken

54 Základní vlastnosti Vlákno Ru GPa E GPa Mezní deformace % s g/cm3 křemen 5,8 72,5 11 2,19 SiC 2, ,55 korund 1, ,9 spinel 2, ,2

55 Keramická nanovlákna

56 Keramická nanovlákna - druhy Oxidy : Al2O3, TiO2, SiO2, ZrO2 Nitridy : TiN Další sloučeniny : Li4Ti5O12 Nově pokusy o keramické nanotrubičky

57 Keramické nanotrubičky Nejde o keramiku nejsou polykrystalické, vlastně jedna molekula. Nnanotrubičky, které nejsou z jednoho prvku (C, B). NASA Langley, 2009 : nanotrubičky BN Mechanické vlastnosti, NIMS 2010 : - mez pevnosti MPa (superpevné slitiny nad 1500 MPa) - Youngův modul 900 GPa (ocel 210 GPa)

58 Vliv štíhlosti Keramická vlákna mívají často malou štíhlost To snižuje dosažitelnou pevnost kompozitu Znatelný vliv má pokles štíhlosti až pod 5, pak již nejde o vlákna, ale spíše tyčinky Velké průměry u monofilu zlepšují pevnost v tlaku

59 Kovová vlákna Jedna z nejlacinějších Ocelová vlákna pro zpevnění lehkých slitin Wolframová vlákna na zpevňování žáropevných materiálů, ale těžká Velmi zajímavá jsou borová vlákna, ale nesnadná výroba. Velmi lehká Nový výzkum vláken z kovových skel

60 Borová vlákna Vyrábějí se chemickou depozicí z par BCl3 na W drát vydrží do 450 oc, pak oxidace povrchu Borsic obrázek vedle vydrží do 700 oc Rozměry na obrázku v µm

61 Základní vlastnosti Vlákno Ru GPa E GPa s g/cm3 bor 2, ,63 wolfram 4, ,3 berylium 1, ,83 ocel 1, ,8

62 Kovová nanovlákna Platina Pokusy o nanotrubičky bor Whiskery

63 Borové nanotrubičky Podobné strukturou i vlastnostmi uhlíkovým Složitější struktura B nevytváří stabilní šestiúhelníky Do středu některých přídavný atom

64 Whiskery Průměr pod 1 µm, délka 3 4 mm, štíhlost nad 1000 Tedy na rozmezí nanovláken Speciální způsob pěstování obsahují jen jednu šroubovou dislokaci uprostřed Lze získat z řady látek kondenzací z par. Nutno rozeznávat od monokrystalických vláken Pevnost se blíží teoretické hodnotě desetina Youngova modulu Přírodní whiskery některých keramik - asbest

65 Pracovní diagram whiskeru Ruw mez pevnosti whiskeru Rum mez pevnosti monokrystalu εu mezní deformace Má extremně vysokou pevnost, po jejím překročení se chová jako normální krystal

66 Základní vlastnosti whiskerů whisker s g/cm3 Ru GPa E GPa Korund 3, SiC 3, Si3N4 3, C 2,

67 Porovnání všech vláken E Gpa Ru Gpa s g/cm3 bod tání prodl % spec Ru spec E e-sklo 72,4 2,4 2, , ,50394 s-sklo 85,5 3,1 2, ,25 34,47581 HM grafit 400 2,1 1, ,5 1, ,5263 HT grafit 240 3,1 1, ,2 1, ,3158 bor 385 2,8 2, , ,3878 křemen 72,5 5,8 2, , ,10502 wolfram 414 4,2 19, , ,45078 berylium 240 1,3 1, , ,1475 nylon 5,7 1 1, , kevlar ,8 1, kevlar ,8 1,5 2,4 1, ,33333 ocel 210 1,5 7, , ,92308 korund-wh , , ,6869 SiC - wh , , ,265 Si3N4 - wh , , ,4969

68 Porovnání různých vláken s uhlíkovou nanotrubičkou