ÚVOD DO MODELOVÁN V MECHANICE

Transkript

1 ÚVOD DO MODELOVÁN V MECHANICE MECHANIKA KOMPOZITNÍCH MATERIÁLŮ - 1 Přednáška č. 6 Prof. Ing. Vladislav Laš, CSc. 1

2 Kompozitní materiál skládá se ze dvou nebo více různých složek každá složka má jiné vlastnosti (mechanické, chemické) každá složka plní jinou funkci výsledné vlastnosti (výhody i nevýhody) jsou dány kombinací vlastností dílčích složek 2

3 ADOBE Hlína + sláma = vepřovice sláma působí jako zpevňující složka navíc kyseliny uvolněné ze slámy hlínu vytvrzují až 3x vyšší pevnost oproti samotné nepálené hlíně 3

4 Stavby z nepálené hlíny Huaca del Sol, Peru, 450 AD Tambo Colorado, Peru Huaca de la Luna, Peru 4 Citadela Arg-e Bam, Írán, 500 BC 2003 AD

5 Přírodní kompozity srdeční céva tkáně živočichů svaly, cévy, kosti, schránky pletivo rostlin dřevo kmen ořešáku ulita loděnky 5

6 Kompozity na bázi dřeva dřevovláknité desky (dřevotříska, sololit) lisované, lepené třísky, piliny překližky lepené vrstvy dřeva Egypt 3500 BC pykrete piliny v ledu 2. světová válka De Havilland Mosquito Habakkuk 6

7 CERMET Kompozity na bázi keramiky keramická matrice + kovová výztuž keramika tepelná odolnost kov tažnost (nikl, molybden, kobalt) zubní výplně protézy, elektronické součástky, povrch raketoplánu, jaderné reaktory Atlantis 7

8 MMC Kompozity na bázi kovů matrice: hliník, hořčík, titan, ocel tepelná vodivost výztuha: vlákna z uhlíku, boronu, SiC tuhost, pevnost Porsche Boxter auto-brzdy, bloky motoru, vrtáky, rámy kol Specialized S-Works 8

9 FRP Kompozity na bázi polymerů matrice (s různými příměsmi) termoplasty (lze opakovaně tepelně zpracovávat) polyetylen, polystyren, PVC, PET termosety (nelze opakovaně tepelně zpracovávat, pevnější, použití za vyšších teplot) epoxidová, polyimidová, polyesterová, fenolická pryskyřice, bakelit (1907) výztuha (s různými povlaky) dřevo, sklo (1922), uhlík (1964), kevlar / aramid (1965), hliník, bor vlákna krátká, dlouhá (kontinuální) částice tkaniny (1D), 2D, 3D Airbus A380 Aston Martin DBR9 9

10 Produkty 10

11 Speciální kompozity uhlík-uhlík (RCC) vysoká tepelná odolnost uhlíková nanovlákna (CNT) vylepšují vlastnosti matrice BMC Bugatti Veyron Columbia 1 kg = $

12 Osobní automobil HONDA 12

13 Kompozity obecně = Materiály složené ze dvou či více složek přírodních či umělých složek majících rozdílné mechanické vlastnosti přírodní (dřeva, kosti, zuby, atd.) umělé = Materiály cíleně složené z vhodných materiálů složkových: Pojiva (matrice) Plniva (částice, zrna, kuličky, vločky) Kompozity umělé Výztuže (vlákna krátká, dlouhá, nekonečná) 13

14 Proč vůbec vláknové kompozity? Vlákna mají v podélném směru nejvyšší specifické pevnosti a specifické moduly pružnosti Základní trik návrhu dílu z vláknového kompozitu: Dát vlákna tam kde je třeba, kolik je jich třeba, orientovaná do směru hlavního napětí. 14

15 Výhody a nevýhody FRP + nízká hmotnost + vysoká tuhost a pevnost + směrově orientované vlastnosti + tepelná, chemická odolnost, ohnivzdornost + nižší tepelná roztažnost + elektrická a tepelná vodivost cena konstrukční návrh, výroba spoje, opracovatelnost, recyklace defektoskopie, opravy 15

16 Vývoj Kompozitní materiály 19. století výztuž zdiva ocelovými tyčemi předepjatý beton poč. 20. století fenolové pryskyřice + azbestová vlákna 1942 první laminátový člun (letectví, elektrotechnika) 1946 metoda vinutých vláken 1950 zavedení vinutých vláken do raketové techniky 1960 vlákna z vysokopevnostního C 1970 kompozity s kovovými matricemi (bor, hliník,..) 70. léta expanze kompozitních materiálů v letectví, automobilovém průmyslu, sportovním průmyslu, aj. 21. století 16

17 Kompozity lze rozdělit dle specifických vlastností jejich výztuže: - podle velikosti výztuže: - makrokompozity (velikosti řádově v mm až cm) - mikrokompozity (řádově v µm) - nanokompozity (řádově v nm) - podle orientace výztuže: - preferovaná - náhodná - podle tvaru výztuže: - částicové (izometrický či anizometrický tvar) - vláknové (kontinuální či diskontinuální vlákna) 17

18 částicový kompozit - izometrický částicový kompozit anizometrický (vločkový) vláknový kompozit 18

19 Základní pojmy Vlákna Pevnost vlákna je vždy významně větší než pevnost stejného materiálu v kompaktní formě. Příčinou je: a) malý příčný průřez vláken, v tenkých vláknech jsou minimalizovány rozměry vrozených vad materiálu a také nebezpečnost povrchových vad je při malých příčných rozměrech menší (menší průměr = menší povrch), existující vady jsou mikroskopické a orientovány v podélném směru vlákna. b) přednostní nasměrování pevných kovalentních meziatomových vazeb v podélném směru vlákna Existují tři široce používané druhy vláken: a) skleněná b) aramidová (známá pod obchodním označením kevlar) c) uhlíková 19

20 Vlákna Vlákna lze obecně vyrábět z několika druhů materiálů o různých průměrech: - skleněná průměr vlákna 5 15 µm - uhlíková 4 8 µm - polymerní 5 15 µm - keramická - kovová - přírodní Aramidové, uhlíkové a skleněné vlákno 20

21 Vlákna Orientace vláken v matrici a) jednosměrné uspořádání kontinuálních vláken b) dvouosá orientace, křížově položené jednosměrné prepregy nebo tkanina c) rohož, nahodilá orientace kontinuálních nebo krátkých vláken (netkaná textilie) d) víceosá výztuž z kontinuálních vláken (sešité jednosměrné vrstvy nebo tkaniny) a c b d 21

22 Vlákna Základní mechanické vlastnosti Typ vlákna Sklo Aramid HS - uhlík HM - uhlík Modul pružnosti v podélném směru E fl (MPa) Modul pružnosti v příčném směru E ft (MPa) Modulu pružnosti ve smyku G flt (Mpa) Pevnost v tahu σ fl (MPa) Hustota (kgm -3 ) ρ

23 Matrice Čtyři hlavní typy polymerních pryskyřic tvořící matrici jsou používány pro výrobu kompozitních materiálů: - epoxidové - polyesterové - fenolové - polyamidové Hlavní funkce matrice (pryskyřice) jsou: a) udržet vlákna ve správných pozicích b) pomáhat distribuovat napětí c) chránit vlákna před poškozením abrazí d) kontrolovat elektrické a chemické vlastnosti e) zajišťovat interlaminární pevnost 23

24 Matrice Ve vytvrzeném kompozitu jsou požadovány tyto vlastnosti: - adhezivní pevnost - teplotní odolnost - únavová pevnost - chemická odolnost a odolnost proti vlhkosti - vysoký poměr deformace a pevnosti 24

25 Matrice Základní mechanické vlastnosti Druh pryskyřice Epoxidové Polyesterové Fenolové Polyimidové Modul pružnosti E m (MPa) Poissonova konst. ν m ( - ) Modulu pružnosti ve smyku G m (MPa) Pevnost v tahu σ pm (MPa) Hustota ρ (kgm -3 ) Maximální teplota T max ( o C)

26 Klasifikace Rozdělení kompozitů 26

27 Lamináty - tah [0 2 /90 2 ] [+45 2 / 45 2 ] 27

28 Sendvičové materiály Tvoří značnou část kompozitních materiálů využívaných k konstrukci. Slepením nebo svařením dvou tenkých vrstev spolu s lehkým jádrem. Vlastnosti: Nevýhody: - velmi lehké - vysoká ohybová pevnost a tuhost - velmi dobrá teplená izolace - nízká odolnost proti ohni - riziko ztráty stability 28

29 Kontakní formování Váleček Výztuž: sklo, kevlar Matrice: polyesterová pryskyřice Separátor + gel coat 29

30 Lisování protikus Výztuž + matrice forma Separátor + gel coat 30

31 Vakuování Těsnicí tmel Krycí fólie Atmosférický tlak Plsť Vývěva Laminát Separátor 31

32 Vstřikování (termosety) Vyhřívaná forma Směs vláken + termosetická pryskyřice Protikus formy 32

33 Vstřikování (termoplasty) Topné těleso Směs vláken + termoplastická pryskyřice 33

34 Navíjení vláken (1) Vlákno, tkanina Topné těleso (polymerizace) 34

35 Navíjení vláken (2) Sklo, kevlar Pryskyřice 35

36 Tváření profilů - pultruze Pryskyřice Skelná tkanina, vlákno Polymerizační pec 36

37 Základní pojmy MKM Vztah mezi napětím a deformací u jednosměrného kompozitu σ L Při působení : ε L 1 = σ L ; E L ε T = ν LT ε T = ν E LT L σ L L longitudinal T transverse σ T Obdobně při působení : ε T 1 = σ T ; E T ε L = ν TL ε T = ν TL σ T E T Při namáhání na smyk σ γ LT = G LT LT 37

38 38 Při působení a současně Maticově T T TL L L L E E σ ν σ ε = 1 T T L LT T E E σ ν ε 1 + = LT LT LT σ σ γ 1 = = LT T L LT T L LT T TL L LT T L E E E E σ σ σ σ ν ν γ ε ε = = = S C Cε, σ σ, S ε L σ T σ, LT σ