Druhy vláken. Nanokompozity

Transkript

1 Druhy vláken Nanokompozity Pro 5. ročník nanomateriály Fakulta mechatroniky Katedra materiálu Strojní fakulty Technická univerzita v Liberci Doc. Ing. Karel Daďourek, 2010

2 Druhy různých vláken Přírodní vlákna Skleněná vlákna Uhlíková a grafitová vlákna Aramidová a silonová vlákna Keramická vlákna Kovová vlákna Whiskery Nanovlákna

3 Průměry různých vláken

4 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.

5 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

6 Mikrostruktura multifilu

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

8 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

9 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.

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

11 Nanovlákna Tencel, Lyocell celulozová nanovlákna vytvářená rozvolněním dřeva Dále nanovlákna keratinová a želatinová

12 Druhy skleněných vláken Označení Použití skla Složení v % : Pevnost Prodloužení (GPa) při lomu (%) E Elektrické izolace 55 SiO2, 11 Al2O3, 6 B2O5, 18 CaO, 5 MgO 3 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 SiO2, 4 Al2O3, 6 B2O3, 3 MgO, 14 CaO, 9 K2O 2 2 C (Pyrex) Chemické aplikace

13 Výroba skleněných vláken

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

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

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

17 Skleněná nanovlákna Bioaktivní materiál

18 Vliv povrchových činidel

19 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

20 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

21 Grafitová nanovlákna

22 Pyrograf III

23 Vývoj použití uhlíkových vláken

24 Vývoj ceny uhlíkových vláken

25 Krystalická struktura grafitu

26 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

27 Úhlová závislost pro E

28 Struktura grafitového vlákna

29 Produkty z uhlíkových vláken

30 PAN výchozí surovina

31 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

32 Vliv teploty na vlastnosti

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

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

35 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

36 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,

37 Polymerová nanovlákna Jsou vyráběna prakticky ze všech typů polymerů A nepovlakované PAN vlákno B povlak SnO2 C povlak TiO2 D povlak TiO2, trojnásobná doba

38 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

39 Poměr velikostí keramických vláken

40 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

41 Keramická nanovlákna

42 Keramická nanovlákna - druhy Oxidy : Al2O3, TiO2, SiO2, ZrO2 Nitridy : TiN Další : Li4Ti5O12

43 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

44 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

45 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 o C Rozměry na obrázku v µm

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

47 Kovová nanovlákna Platina

48 Whiskery Průměr pod 1 µm, délka 3 4 mm, štíhlost nad 1000 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

49 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

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

51 Porovnání všech vláken E G pa R u G pa s g/c m 3 bod e-s k lo 72,4 2,4 2,54 s -s k lo 85,5 3,1 2,48 HM grafit 400 2,1 1,9 HT grafit 240 3,1 1,9 bor 385 2,8 2,63 k řem en 72,5 5,8 2,19 wolfram 414 4,2 19,3 bery lium 240 1,3 1,83 ny lon 5,7 1 1,14 k evlar ,8 1,4 k evlar ,8 1,5 oc el 210 1,5 7,8 k orund-wh ,96 S ic - wh ,17 S i3n4 - wh ,18 tání prodl % s pec Ru s pec E 3 0, , ,25 34, ,5 1, ,5263 1,2 1, ,3158 1, , , , , , , , , ,4 1, , , , , ,6869 6, ,265 3, ,4969