PMC - kompozity s plastovou matricí

Transkript

1 PMC - kompozity s plastovou matricí

2 Rozdělení PMC PMC částicové vláknové Matrice elastomer Matrice elastomer Matrice termoplast Matrice termoplast Matrice reaktoplast Matrice reaktoplast

3 Částice v polymeru Částice plniva v polymeru přestávají mít vliv při rozměrech strukturních nehomogenit polymeru obvykle to je 10 až 100 nm Částice nad 10 µm přestávají hrát roli armujících (zpevňujících) center a stávají se koncentrátory napětí škodí Tedy obvyklý rozsah velikostí částic 0,1 až 10 µm. Neplatí pro nanočástice.

4 Zvýšení tuhosti částicemi Izometrické částice zvyšují tuhost polymeru 2 až 3 krát, mez pružnosti ale ne Destičkovitá usměrněná plniva (kaolin, slída) zvýší navíc mez pružnosti zhruba na dvojnásobek

5 Vliv částic na houževnatost Houževnatost roste s klesající vzdáleností mezi částicemi, dokud se nepřekryjí jejich napěťová pole

6 Částice v elastomerech Jsou velmi časté Zvyšují pevnost elastomeru 10 až 20 % SiO2 nebo C (saze), jíl, talek Příklad pryž pneumatik nanočástice pod 100 nm výjimka - elastomery jsou velmi homogenní bez defektů Typické disperzní zpevnění okolo 15 % částic asi 100 nm

7 Částice v termoplastech Často slouží jen snížení ceny Snížení smrštění a dosmrštění Zvýšení tuhosti a potlačení viskoelasticity (malé) Tlumení zvuku PS a celuloza (piliny a p.) ABS + krátká vlákna zvýšení tuhosti, pevnosti, tvrdosti Chlorovaný polyether + sádra + grafit náhrada bronzu, lepší chemická odolnost PE + 75 % Pb ochrana proti RTG a γ záření PA + 20 % Ni tepelná a elektrická vodivost

8 Částice v reaktoplastech Možnost zvýšit pevnost asi o 10 % (nepodstatné), totéž u tuhosti účinnější vlákna, ale není anizotropní Potlačení vrubového účinku, tlumení růstu trhlin - křemen (SiO2 ) pro zvýšení elektroizolačních schopností - izolátory Grafit pro zvýšení elektrické vodivosti - textilní průmysl Hydratovaný Al2O3 (meziprodukt z bauxitu) uvolňuje asi 1/3 vody, samozhášivost

9 Vlákna a viskoelasticita Viskoelastické chování vlákna potlačí pro normálové napětí ve směru vláken, především pro tah Zůstane pro podélný smyk a všechna příčná namáhání Standardní model viskoelastického chování plastu

10 Příklad potlačení viskoelasticity Polyester se spojitými 1D skleněnými vlákny (0). Krátkodobá tahová zkouška (105). Zkouška relaxace po 105 hodin při pokojové teplotě

11 Vlákna v elastomeru Pro zvýšení odolnosti tahovému namáhání dopravní pásy Často přírodní vlákna juta, sisal Poslední trend rozvlákňování na jednotlivá celulozová nanovlákna i ze dřeva

12 Vlákna v reaktoplastu Nejstarší kompozity prvý patent z roku sklolaminát Matrice epoxid, polyester, fenolplast, melaminoplast Nejrozšířenější vlákna sklo okolo 90 % Dnes i uhlík, bor, keramika, kov, aramid, juta, sisal Optimum je 70 až 80 % vláken, zpravidla spojitá vlákna, často jako tkanina Standard je 50 % vláken V řadě případů desky (prepregy) pro lamináty - snaha potlačit anizotropii Dnes nejlepší pyrrony do 550 oc, pevnost 76 MPa, E = 5 GPa

13 Vlákna v termoplastu Matrice PA, PE, PP, PC Používá se okolo 40 % vláken sklo, C, aramid Zvýšení pevnosti, tuhosti a houževnatosti Potlačení viskoelastického chování ale anizotropně C vlákna sníží koeficient tření na 30 % Pro sklo je lkrit = 0,2 mm, nejkratší použitelné 0,7 mm, od 1,5 mm již dlouhá vlákna 40 % skla v PA zvýší pevnost 3x, tuhost 8x a zůstane ještě 3 % deformace při lomu. Velmi často užívaný kompozit Možnost použití buď spojitých, nebo dlouhých nespojitých vláken

14 Tuhost kompozitu polyamid s uhlíkovým vláknem Youngův modul Kompozit nylon - uhlíkové vlákno % vláken Zhruba lineární růst Voigtův model 40 50

15 Pevnost kompozitu polyamid s uhlíkovým vláknem Kompozit nylon - uhlíkové vlákno pevnost ohyb 20 0 tah smyk % vlákna Vlákna nemají vliv na smykové chování

16 Kombinované kompozity částice a vlákna - pevnost Kombinace skleněných vláken a dutých skleněných kuliček dohromady 40 %. Vlákna jsou účinnější než kuličky. Kompozit nylon - sklo pevnost tah ohyb % skelných vláken Samé kuličky Bez kuliček

17 Kombinované kompozity částice a vlákna - tuhost Kombinace skleněných vláken a dutých skleněných kuliček dohromady 40 %. Opět vlákna účinnější než kuličky. Youngův modul Kompozit nylon - sklo % skelných vláken 40 50

18 Výroba ruční kladení Gelcoat povrchová a separační vrstva Velmi univerzální Málo produktivní, špatně automatizovatelné Typické pro reaktoplasty epoxid, polyester

19 Výroba kompozitů - nástřik Zde pro reaktoplasty, s ohřevem i pro termoplasty

20 Výroba kompozitů - navíjení

21 Příklad navíjeného kompozitu PAN vlákna se nejprve po navinutí grafitizují, pak se nanese matrice lépe tvarovatelý je PAN. Vlákna Ru = 3860 MPa, E = 242 GPa Kompozit Ru = 1150 MPa, E = 115 GPa, S = 1,7 g/cm3

22 Grafitizace PAN firma Zoltec Před karbonizací PAN (bílý) Po karbonizaci uhlík Následuje nanesení plastové matrice

23 Výroba kompozitů - pultruze Různé možnosti : Reaktoplast v nádrži Vstřikování Zalisování

24 Příklad pultruzní linky Vlákna obalování polymerem tažné stanice

25 Tažené profily EXTREN Prefa Brno Pultruze profilů I, T, U, L a trubek Polyester se spojitým skleněným vláknem Obsah vláken 45 až 65 % Pevnost v tahu, tlaku i ohybu ve směru vláken 206,8 MPa Pevnost v tahu kolmo na vlákna 48,3 MPa Pevnost v ohybu kolmo na vlákna 68,9 MPa Pevnost v tlaku kolmo na vlákna 103,4 MPa Modul pružnosti 17,9 GPa Poissonovo číslo 0,33 Hustota 1,7 až 1,9 g / cm3

26 Ukázka profilů EXTREN

27 Ukázky konstrukcí z EXTRENu

28 Výroba kompozitů - RTM Resin Transfer Molding

29 Výroba kompozitu - VARTM Vacuum Assisted Resin Transfer Molding

30 Výroba kompozitu - RFI Resin Film Infusion

31 Výroba kompozitu - IM Injection Molding - vstřikování