Definice a rozdělení

Transkript

1 Definice a rozdělení

2 Cíle přednášky 1. Úloha kompozitů mezi technickými materiály 2. Základní požadavky a vlastnosti technických materiálů - homogenita - izotropie 3. Definice kompozitů a nanokompozitů 4. Historické příklady 5. Rozdělení kompozitů 6. Anizotropie kompozitů

3 Technické materiály

4 Specifická tuhost (Ashby) Kompozity kombinují různé vlastnosti

5 Rozdělení podle struktury

6 Co musí splnit technický materiál?

7 Co je to technický materiál Spojitá pevná látka o stálých rozměrech a tvaru kontinuum Ve všech místech stejné vlastnosti - homogenita Ve všech směrech stejné vlastnosti izotropie Z představy homogenního izotropního kontinua vychází základní technické discipliny mechanika, pružnost a pevnost

8 Kontinuální materiál Technický materiál musí mít stálý tvar a rozměry, nesmí být lehce dělitelný na části Základem musí být nejméně jedna pevná fáze. Pro složený (kompozitní) materiál jsou možné dva systémy : - jedna spojitá pevná fáze matrice, v ní další nespojité fáze - nejméně dvě pevné fáze vzájemně se pronikající

9 Základní případy - vláknový kompozit - částicový kompozit - deskový kompozit

10 Homogenita materiálu Prakticky nikdy není zcela splněno - záleží na měřítku a rozlišitelnosti Materiál musí být homogenní v porovnání s rozměry součásti. Mikrostruktura běžné oceli

11 Velikost nehomogenit Nesmíme se dostat do oblasti chemie nebo atomární fyziky Nehomogenity materiálu musí být dostatečně velké v porovnání s rozměry atomů a délkou jejich vazeb pak jde o kompozity nebo nanokompozity.

12 Rozložení nehomogenit Aby bylo možno považovat materiál za homogenní, musí být nespojité části materiálu v něm rozloženy přibližně rovnoměrně a jejich počet musí být veliký (teoreticky nekonečný). Systémy, v nichž je počet nespojitostí malý, označujeme jako kompozitní systémy. Příklad multivrstva. Řada závěrů pro kompozitní materiály platí i pro kompozitní systémy.

13 Izotropie materiálu Materiály svou povahou izotropní sklo U kovů a keramiky krystality anizotropní, ale náhodné rozdělení orientace velkého množství krystalitů jako celek izotropní. Izotropii mohou slabě narušit vnější vlivy tváření za studena, válcování zpravidla rozdíl vlasností v různých směrech do 10 %.Rovněž plasty slabě anizotropní. Celkově je možné běžné technické materiály považovat za izotropní

14 Izotropie kompozitů Většina typických kompozitů (především vláknových) je uspořádána tak, že je anizotropní. Anizotropie kompozitů velmi silná řádově větší než u jiných materiálů. V různých směrech silně odlišné vlastnosti. Někdy je možné anizotropii využít : luky, lyže. Pokud potřebujeme izotropní materiál, umělé vyrovnání anizotropie lamináty : vlastně kompozitní systém složený z několika anizotropních kompozitů, zpravidla různě orientovaných.

15 Problémy s homogenitou kompozitů Složeny z několika jasně oddělených fází - nehomogenní, jako celek je ale chceme považovat za homogenní chceme s kompozitem počítat jako s celkem. Proto je nutné zavádět hodnoty pro kompozit jako celek v řadě případů vlastně fiktivní hodnoty.

16 Fiktivní hustota Hustota pěnového hliníku 0,18 g/cm3 Sám hliník má hustotu 2,7 g/cm3 Kompozitní materiál 7 % hliníkové matrice a 93 % disperze pórů. Ve vodě se potopí. Alporas Rozdíl polystyren má hustotu 1,1 g/cm3, EPS má hustotu 0,1 g/cm3. EPS se ale ve vodě nepotopí. Důvod tvar pórů.

17 Deformace kompozitu Pro každou složku kompozitu musí platit při pružné deformaci Hookův zákon : R = S * E, R napětí, S deformace, E Youngův modul. Pokud ale nemají složky stejný Youngův modul, nemůže v nich být současně stejné napětí i deformace.

18 Fiktivní napětí Pro práci s kompozitem definujeme napětí v něm jako poměr síly a průřezu R = F/S. Částice SiC E = 415 GPa, okolí je Al E = 68 GPa. V částicích musí být pro stejnou deformaci šestkrát větší napětí (poměr E). Kompozit se ale deformuje jako celek. Napětí v kompozitu je mezi napětími v částicích a hliníku je pouze fiktivní. Kompozit hliník plněný částiceni SiC

19 Základní úloha modelů Fyzikální vlastnosti jednotlivých složek kompozitu jsou reálné mikromechanikasložek kompozitu. Fyzikální vlastnosti kompozitu jako celku jsou fiktivní, ale nutné pro použití kompozitu makromechanika celého kompozitu. Je třeba pro konstrukci z kompozitu. Určení makromechaniky z mikromechaniky jsou nutné modely chování kompozitů. Často je nutné několikanásobné řešení několik různých modelů - lamináty, např. GLARE kompozitní systémy.

20 GLARE Kompozitní systém vyvinutý pro Airbus

21 Definice kompozitu - problémy Nejstarší : jakýkoliv vícefázový materiál dřevo, litina, beton. Novější fáze si ponechají své vlastnosti, ale v systému se uplatní jejich přednosti a potlačí nedostatky. Fáze rovnoměrně rozděleny v objemu ne vždy Experti EU : fáze se musí vyskytovat odděleně a kompozit je vytvořen jejich kombinací to vyloučí např. usměrněné tuhnutí Někdy se požaduje jen umělý systém, jindy rozdělení na umělé a přírodní kompozity.

22 Moderní definice (USA) Definice MIL NASA (USA) : Kombinace dvou nebo více materiálů, lišících se v makroměřítku tvarem nebo složením. Složky si zachovají svou identitu (ani jejich rozpouštění, ani jejich reakce), ale na okolí působí ve vzájemné součinnosti (synergie). Každá složka může být fyzikálně identifikována a mezi ní a dalšími složkami je jasné rozhraní.

23 Moderní definice (EU) Definice G. F. Miltona, Cambridge, UK : Materiály s nehomogenitami mnohem většími než atomární rozměry (což nám umožní použít pro ně rovnice klasické fyziky u nanokompozitů ne vždy), které jsou ale v makroskopickém měřítku přirozeně (statisticky) homogenní. Nic nemluví o původu umělé i přirozené. Dřevo kompozit.

24 Užívaná zjednodušená definice Pro naši potřebu postačí Pevná látka složená ze dvou nebo více fází, přirozená nebo umělá. V celku dosahujeme vlastností, které nemají složky a nedají se dosáhnout ani jejich sumací synergický efekt. efekt

25 Příklad synergického efektu Grafit má velkou pevnost, oxiduje, Hliníková slitina neoxiduje, ale její pevnost rychle klesá s teplotou. Kompozit do 500 oc odolný oxidaci. Výhoda navíc lze nahradit Al slitinu čistým hliníkem. 3 slitina hliníku AlMgSi 1, 2 tatáž slitina s různými C vlákny

26 Definice nanokompozitu Pro naši potřebu není ustálená Musí jít o kompozit, v němž je charakteristický rozměr disperze (zpravidla ten nejmenší) pod 100 nm (zpravidla desítky nm). Charakteristický rozměr : - pro vlákna a jednorozměrné částice střední příčný průměr - pro dvojrozměrné částice střední tloušťka - pro trojrozměrné částice střední průměr částice - pro deskový kompozit střední tloušťka tenčích desek

27 Historické příklady kompozitů Vysušená hlína s vlákny slámy odkazy v Bibli nálezy v Izraeli 800 let PNL pevnost 7 MPa Mongolské laminované luky - dřevo, šlachy a rohovina - tatarské nájezdy (dostřel 300 m) Damascénská ocel - střídavé plátky vysokouhlíkové a nízkouhlíkové oceli

28 Historický nanokompozit Lykurgovy poháry Poháry z období Římské říše Běžné sklo s malým množstvím nanočástic elektronu (slitina 30 % Au, 70 % Ag) Pohled ve vnějším (odraženém) světle Zdroj světla je uvnitř Způsob výroby není znám Ze 4. stol. Našeho letopočtu Britské muzeum, Londýn

29 Fáze v kompozitu Nejméně jedna spojitá fáze, která drží kompozit pohromadě matrice Další fáze, nespojité, podle možnosti rovnoměrně rozptýlené - disperze

30 Druhy podle typu disperze Kompozit Prvního druhu Druhého druhu Třetího druhu Pevná disperze Kapalná disperze Plynná disperze Samomazná Ložiska Dřevo Pěnové hmoty Některé rohože Kompozity s nanovlákny Nanopěny (aerogel) Většina nanokompozitů

31 Třetí druh kovová pěna

32 Dřevo přírodní kompozit Mikrosnímek struktury dřeva Umělý model Struktury dřeva

33 Kompozity prvního druhu V technice nejdůležitější Podrobnější rozdělení podle matrice : PMC s plastovou matricí MMC s kovovou matricí CMC s keramickou matricí Dnes nejčastější s plastovou matricí Skleněnou matrici počítáme mezi CMC.

34 Dělení podle tvaru disperze Vlákna zanedbatelná ohybová tuhost spojitá po celé délce dlouhá plně využitá jejich pevnost krátká pevnost není plně využita Částice izometrické (3D) globule, krychle dvojrozměrné (2D) destičky (příčné rozměry ne po celé šířce) jednorozměrné (1D) jehličky, tyčinky Desky speciální případ mizí rozdíl mezi matricí a disperzí

35 Deskový kompozit Zaniká rozdíl mezi červenou a zelenou fází Žádná fáze není zcela spojitá Tvar udržují obě fáze současně Pro modely libovolná volba, co je matrice a co disperze zpravidla matrice to, čeho je více

36 Vlákna a jednoosé částice Spojitá vlákna jsou jasně definovaná Někdy vznikají pochybnosti, co je kratší vlákno a co jednoosá částice (jehlička, tyčinka) Rozhodující je ohybová tuhost u vláken je vždy zanedbatelná proti tuhosti v tahu tlaku. U jednoosých částic zanedbatelná není (na jednoosé částici nelze udělat uzel) Tuhost síla potřebná k určité deformaci, zpravídla úměrná modulu pružnosti.

37 Jednoosé uspořádání vláken Vlákna nebo jehličky s osami v jednom směru Označení 1D kompozit - jednorozměrné uspořádání vláken Směr vláken směr délky kompozitu - označení L nebo x1 Všechny směry kolmé na vlákna jsou nerozeznatelné Pro desku z kompozitu označujeme směr šířky S nebo x3 a směr tloušťky T nebo x2.

38 Dosažení jednoosého uspořádání Princip stáčení os vláken v proudící viskozní kapalině. Vlákna se nesmějí sbalovat nutná dobrá smáčivost. Spojitá nebo dostatečně dlouhá vlákna je možné na konci fixovat Časté je také použití tkaniny nevýhody : vlákna nejsou zcela natažená ve směru délky je jen asi 50 % vláken Z tenkých kratších vláken lze vyrobit nit - multifil

39 Symetrie jednoosého uspořádání V podélném směru se vlákna projeví nejvíce - hlavní směr Pokud je matrice izotropní, je chování kompozitu ve všech směrech kolmých na vlákna stejné - příčná rovina izotropie Kompozit je příčně izotropní

40 Rovinné uspořádání vláken Náhodné rozházení jehliček na vodorovnou rovinu zápalky na stole. Osy vláken jsou rovnoběžné s jednou rovinou hlavní rovina. Dvourozměrné 2D uspořádání vláken nebo jehliček, příp tyčinek.

41 Anizotropie rovinného uspořádání vláken Vzhledem k náhodnému uspořádání os vláken v hlavní rovině je to rovina izotropie. Všechny směry jsou od sebe nerozeznatelné. Všechna vlákna jsou kolmá na normálu hlavní roviny v tomto směru vlastnosti výrazně jiné hlavní směr. Opět jde tedy o příčně izotropní kompozit jako délku označíme směr normály hlavní roviny. Zpravidla opačný význam hlavní osy pro 1D strukturu nejlepší, pro 2D strukturu nejhorší.

42 Porovnání 1D a 2D struktur Řez strukturou 1D v rovině izotropie Řez strukturou 2D v rovině izotropie

43 Uspořádání nanovláken zpravidla 1D nebo 2D

44 Rovinné uspořádání destiček Destičky poházeny po vodorovné rovině - hlavní rovina. Normála k hlavní rovině představuje hlavní směr. Pro destičky nejjednodušší uspořádaná orientace. Opět příčně izotropní kompozit.

45 Základní symetrie kompozitu Všechny předchozí případy - příčně izotropní kompozit. Kompozit můžeme natočit o libovolný úhel kolem hlavní osy, aniž by se změnily jeho vlastnosti Mluvíme o jedné nekonečné ose symetrie. Jde o symetrii např. rotačního elipsoidu. Stejnou symetrii musí mít i všechny vlastnosti kompozitu. Nezaměňovat s ortotropií! Ortotropní je např kvádr, nebo obecný (nerotační) elipsoid.

46 Neuspořádané (izotropní) kompozity V kompozitu s izometrickými částicemi jsou všechny směry ekvivalentní. Rovněž v kompozitu s destičkami nebo jehlicemi s náhodně uspořádanými osami ve všech třech základních směrech. U vláken je poměrně obtížné dosáhnout rovnoměrné rozdělení vláken tak, aby jejich osy směřovaly náhodně do všech směrů 3D struktury vláken (vlákna mohou tvořit klubíčka).