Predikce vlastností kompozitů s. Technická univerzita v Liberci

Transkript

1 Predikce vlastností kompozitů s textilní výztuží Optimalizace výrobního procesu Ing.. Blanka Tomková, Ph.D. Technická univerzita v Liberci Katedra textilních materiálů

2 Kompozitní materiály nejdynamičtěji ji se rozvíjej jející skupina nových materiálů heterogenní materiály složen ené ze dvou nebo více v fází, f, které se vzájemn jemně výrazně liší svými mechanickými, fyzikáln lními a chemickými vlastnostmi Matrice Obvykle spojitá fáze v kompozitu spojitá Výztuž Zpravidla nespojitá fáze V porovnání s matricí má výztuž obvykle výrazně vyšší mechanické vlastnosti (modul pružnosti, pevnost, tvrdost atd.) Synergický efekt vlastnosti kompozitu jsou vyšší než by odpovídalo dalo pouhému poměrn rnému sečten tení vlastností jednotlivých složek

3 Výztuž ve formě vláken Kompozity s textilní výztuží skleněná,, uhlíkov ková,, keramická, čedičová... vysoká tuhost, pevnost a teplotní stabilita pojena nejčast astěji polymerní matricí termosety (polyestery, epoxidy, fenolické pryskyřice) termoplasty (polypropylen, polyamid, aromatické termoplasty) Nové výrobky zcela unikátn tních vlastností kombinující synergicky vlastnosti výztuže e se snadností zpracování polymerů moderním m konstruktérům m dávajd vají možnost překonat p konstrukční omezení nejrozší šířenějších materiálů kovy, beton a ostatních tradičních materiály V praxi je ovšem třeba t kromě výhod pečliv livě zvážit i případnp padné "nevýhody" kompozitů

4 Některé z nich nejsou skutečnými nevýhodami vyjadřuj ují významnou odlišnost ve způsobu zpracování kompozitních materiálů v porovnání s materiály tradičními kompozitní materiál je většinouv vyráběn n v jednom kroku s konečným ným produktem laminace sportovních lodí,, tažen ení profilů, navíjen jení tlakových nádob, n části proudových motorů,, apod. to může e působit p jisté komplikace při p i konstruování nových výrobků je obtížné oddělit vlastnosti materiálu od užitných u vlastností výrobku snadné u tradičních konstrukčních materiálů podstatně jednoduššíší optimalizace a spolehlivost konstrukčních postupů

5 Velmi omezená databáze konstrukčních dat pro samotné kompozity Matematické modely v technické praxi simulace umožň žňující predikci vlastností navrhovaných kompozitních systémů na základz kladě znalosti vlastností vyztužuj ujících ch vláken a kompozitních matric Do výpočtu vstupuje složit itá vnitřní geometrie kompozitního systému, která závisí jednak na typu použit ité textilní výztuže e (jednosměrn rně uložen ené kabílky lky,, tkaniny, pleteniny, 3D splétan tané výztuže e apod.) jednak na technologii přípravy p pravy kompozitu výběr r optimáln lního časově-teplotního režim imu vytvrzování matrice

6 Predikce vlastností kompozitů Vlastnosti kompozitních materiálů funkce řady parametrů: vlastnosti matrice a výztuže, délka vláken výztuže soudržnost matrice a výztuže,objemový podíl a uspořádání výztuže

7 Vlastnosti matric

8 Analýza struktury kompozitů Modely tkaninových laminátů obrazová analýza vnitřní struktury materiálu důkladné studium vnitřní struktury kompozitu snaha o zohlednění parametrů reáln lné struktury Zdroj strukturních dat mikrofotografie přímé vyhodnocení morfologie výztuže, matrice i dutin řešeny eny následujn sledující otázky: které geometrické parametry měřm ěřit jak tato data zpracovat jak je využít t pro popis vztahu mezi technologií výroby, vlastnostmi materiálu a jeho strukturou

9 Kompozity s textilní výztuží heterogenní materiály se složitou, většinou v porézn zní strukturou ani na úrovni mikrostruktury zde nenajdeme homogenní materiál Výpočet materiálových vlastností těchto kompozitů vícestupňové strukturní modely struktura a vlastnosti materiálu počítány postupně na nano-, mikro-, mezo- a makroúrovni rovni cílem numerické simulace je dosažen ení předpovědi di s co možná největší přesností taková predikce umožň žňuje ušetu etření času a finančních prostředk edků při řízení,, ovládání,, vývoji a výrobě kompozitních materiálů pro konkrétn tní aplikace

10 Fotografie mikrostruktury kompozitu C/C Rozlišen ení 1,7 µm/px Výztuž Uhlíkov ková tkanina v plátnov tnové vazbě vlákna Toray T800 Prekurzor matrice fenolická pryskyřice UMAFORM LE Pórovitost 25 30%

11 Vícestupňový strukturní model Předpoklady pro tvorbu vícestupňového strukturního modelu: 1. Pro danou kompozitní technologii jsou základnz kladní vlastnosti vláken a matrice v kompozitu jednoznačně definované. 2. V průběhu přípravy p pravy kompozitu se vlastnosti vláken v nanopohledu (např.. uspořádání grafenových rovin ve struktuře e uhlíkových vláken) prakticky nemění. 3. Matrice se v průběhu výroby formuje do podoby izotropního uhlíku, který se strukturou a vlastnostmi blíží struktuře e tzv. skelného uhlíku. 4. Kompozitní technologie ovlivňuje zejména mikro- a mezostrukturu materiálu, kdy při p i prosycování pryskyřic icí,, lisování a následnn sledném tepelném m zpracování kompozitu dochází ke změnám m rozložen ení vláken v kabílku a ke změnám struktury kabílk lků ve vyztužuj ující textilii.

12 Přestup tepla v kompozitní desce Termofyzikáln lní parametry kompozitní desky fináln lní hodnoty získanz skané pomocí prezentovaného modelu

13 Výpočtový modul pro simulaci přenosu p tepla

14 Definice vstupních parametrů a okrajových podmínek Diferenciáln lní rovnice pro nestacionárn rní vedení tepla: Materiálov lové parametry základnz kladních složek kompozitu: Počáte teční podmínka: T (x,t 0 ) = T 0 (x) Rozložen ení teploty ve vzorku v čase t 0 [s]

15 TP studované kompozitní desky Ověř ěření věrohodnosti výsledků získaných MKP experimentáln lní měření (použití tzv. Impulzní metody) Porovnání vypočtených hodnot s hodnotami zjištěnými experimentáln lně při i teplotě 25 C parametry základnz kladních kompozitních složek byly stanoveny pro tuto teplotu

16 Aplikovatelnost na širokou škálu materiálů vytvořen ení geometrického modelu řešené úlohy kvalitní mikrofotografie jejich struktury teoretický model struktury stanovení materiálových parametrů vstupních složek zadání okrajových podmínek Software FemLab řešení řady inženýrských úloh v oblasti fyziky, průmyslov myslové chemie, pružnosti a pevnosti, akustiky, elektromagnetismu, prostupu tepla, proudění tekutin, optoelektroniky a další ších zdroj informací při i návrhu n složen ení nových materiálů určen ení hodnot žádaných materiálových parametrů grafické výstupy simulující odezvu materiálu na aplikované zatížen ení Návrhy materiálů pro konkrétn tní aplikace Návrhy technologie jejich přípravyp pravy

17 Technologie přípravy p pravy textilních kompozitů Mechanické mísení jednotlivých složek charakteristické pro kompozity tím se liší např. od slitin, které jsou rovněž heterogenní jednotlivé fáze vznikají fázovými přeměnami např. při tuhnutí Způsoby výroby kompozitních dílů dělení dle typu formy rozhoduje o odpařování reaktivního rozpouštědla pryskyřice důležité u levných (UP a VE) pryskyřic prepregy s reaktoplastickou matricí už rozpouštědlo neobsahují Otevřená (jednodílná) forma Uzavřená (dvoudílná) forma

18 Nejpoužívan vanější termoplasty polypropylen a polyamidy výztuž Vytvrzovací proces krátk tká vlákna lze zpracovat vstřikov ikováním m jako běžb ěžné plasty kontinuáln lní vlákna výroba desek tvarovatelných za tepla časově neomezená možnost skladování,, recyklovatelnost horší smáčivost vláken Nejpoužívan vanější reaktoplasty nenasycené polyesterové,, vinylesterové a epoxidové pryskyříce Vytvrzování reaktoplastů proces sestávaj vající z několika etap vytvořen ení prostorové makromolekuly s nekonečnou nou molárn rní hmotností vytvrzování probíhá při i určit ité teplotě rychlostí závisí na druhu pryskyřice a typu tvrdidla

19 Vytvrzovací reakce pryskyřice Kinetika vytvrzovacích ch procesů specifické nároky dle typu výrobní technologie při různých teplotách znázorn zorněnana v diagramu TTT time-temperature temperature- transformation pro čisté pryskyřice (bez rozpouštědla) Doba gelace (želatinace) důležitá charakteristika vytvrzovacího procesu viskózn zní pryskyřice se změní v elastickou tuhou hmotu s nízkým n modulem pružnosti (kaučukovit ukovité chování) pryskyřice ztrácí schopnost protékat a vzlínat mezi vlákny výztuže

20 Diagram TTT ( time( time-temperature- transformation )

21 Proces přípravy p pravy dlouhovláknov knového prepregu

22 Průběhy tepelného zpracování kompozitní desky

23 Projektování kompozitu Každý kompozitový materiál l vzniká až během zhotovování výrobku skutečné materiálov lové vlastnosti jsou silně determinované použitými složkami, skladbou a procesem zpracování mohou být stanoveny aža ex-post, na hotovém výrobku tato primárn rní neurčitost přinp ináší obtíže e do jakéhokoliv konstruování a pevnostního návrhu Příprava velmi individuáln lních materiálů šitých namíru přesnp esně pro dané účely výrobek přesně přizpůsobený předem zadaným požadavk adavkům výběr r vhodných materiálů složek, spolu se správným tvarováním m a dimenzováním m součást stí a konstrukce široké spektrum mechanických, fyzikáln lních a ostatních výsledných vlastností

24 Konstruování z kompozitů důkladné porozumění anizotropii struktury použit itého materiálu, včetně všech možnost ností jejího uspořádání znalost vlivu prostřed edí na vlastnosti materiálu a namáhání dané konstrukce, včetnv etně vlivu na její odezvu Koncepce návrhu n kompozitu s textilní výztuží Vytvořit systém m kde materim ateriál, dimenzování,, tvarování, technologické zpracování,, funkčnost, nost, životnost a bezpečnost jsou uvažov ovány společně jako nedíln lné aspekty jediné záležitosti použit ití pokročilých matematických nástrojn strojů a moderní výpočetn etní techniky příprava prava kompozitních vzorků,, testování jejich vlastností

25 Děkuji za pozornost Hubert Ing.. Blanka Tomková, Ph.D. Technická univerzita v Liberci Katedra textilních materiálů