Adhezní síly v kompozitech

Transkript

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

2 Vazby na rozhraní Mezi fázemi v kompozitu jsou rozhraní mezifázové povrchy. Možné vazby na rozhraní : Mechanická vazba Fyzikální vazba Chemická vazba

3 Vlastně mechanické zaklínění záleží na složitosti povrchu Mechanická vazba Žluté části matrice drží částici na jejím místě konvexní obálka jako bychom částici obklopili gumou Měřítko mechanického zaklínění - velikost povrchu částice dělená velikostí povrchu konvexní obálky Proto nemají být částice a vlákna zcela hladká

4 Fyzikální vazba - Působí na vzdálenosti 0,3 až 0,5 nm Její teoretická pevnost je 0,7 až 7 GPa Úzce souvisí se smáčivostí obou materiálů Dá se vyjádřit povrchovým napětím nebo povrchovou energií Je-li možná vzájemná difuze, vytváří se silněji vázaná difuzní mezivrstva bor v oceli U difuzního spojení je nebezpečí, že se malé částice disperze zcela rozpustí - zmizí

5 Chemická vazba Vzniká tehdy, jestliže matrice a disperze spolu mohou chemicky reagovat Vytváří se mezivrstva chemické sloučeniny s chemickou vazbou Možnost, že celá disperze zreaguje - disperze tím ale nezmizí, ale bude jiná Chemické vazby působí na vzdálenost 0,1 až 0,3 nm Jejich teoretická pevnost je 7 až 70 GPa

6 Příčiny špatné soudržnosti Jak je patrné, vazební síly na rozhraní jsou dostatečně velké, pokud nejsou narušené : Nedostatečné smáčení povrchy nejsou v účinné vzdálenosti, nebo jen část Nedostatečně čistý povrch mastnota, oxidy Pnutí na rozhraní důsledek různé tepelné roztažnosti a fázových přeměn Hlavní roli hraje vzájemná smáčivost

7 Smáčivost základní pojmy Povrchové napětí síla, potřebná ke zvětšení obvodu povrchu o jednotku. γ [N/m] - vektor Povrchová energie energie, potřebná ke zvětšení plochy povrchu o jednotku. E [J/m 2 ] - skalár Obě veličiny jsou si číselně rovny (ale ne typ) Základní rovnováha pro smáčení povrchu : G okolní plyn, S pevná látka, L smáčející kapalina

8 Schema smáčení v kompozitu S je povrch disperze L je kapalná matrice G je okolní plynné prostředí Silová rovnováha: γ GS = γ LS + γ GL * cos θ

9 Smáčivé povrchy Povrch je smáčen pro γ GS > γ LS, pak při růstu rozhraní LS na úkor GS klesá povrchová energie. To je tedy pro θ < π/2 Kapalina vytváří tvar podle obrázku θ = 0.. Dokonalá smáčivost, rozliv po povrchu, souvislá vrstvička θ = π/2. Mezní případ, polokoule

10 Nesmáčivé povrchy Povrch není smáčen pro γ GS < γ LS, tedy θ > π/2 Kapalina vytváří tvar podle obrázku, dělá jednotlivé kapičky θ = π.. Dokonalá nesmáčivost, úplná kapka na povrchu, dotek v jednom bodu θ = π/2. Mezní případ, polokoule

11 Vliv drsnosti povrchu Faktor drsnosti D = skutečný povrch / ideální povrch, vždy D > 1 Platí cos φ drsne = D * cos φ idealni Smáčivé. cos φ > 0, klesající, φ drsne < φ idealni - drsnost zlepšuje adhezi Nesmáčivé. cos φ < 0, rostoucí, φ drsne > φ idealni - drsnost zhoršuje adhezi Příklad aplikace - pokyny pro lepení : smáčivá lepidla - plochu spoje zdrsnit nesmáčivá lepidla - plochu spoje vyhladit

12 Určování smáčivosti Je možné experimentálně měřit úhel smáčení Pro každou pevnou látku je možné určit kritické povrchové napětí γ krit takové, že Kapaliny s γ GL < γ krit smáčejí její povrch Kapaliny s γ GL > γ krit nesmáčejí její povrch Povrchové úpravy ke zvětšení smáčivosti zvětšují γ krit apretace, lubrikátory Běžné u skelných a uhlíkových vláken

13 Tabulky povrchových napětí Povrchové napětí kapalin : kapalina ether líh benzen olej glycerin voda rtuť γ (mn/m) Kritické povrchové napětí pevných látek Pevná látka plast organ. sklo kov keramika γ krit (mn/m) Uhlík 100 Příklad - plasty jako taveniny dobře smáčejí, jako pevné látky jsou ale smáčeny velmi špatně (jednotky mn/m... milinewtony na metr)

14 Způsoby měření adhezních (mechanických) napětí Je nutné rozeznávat tečné a normálové adhezní napětí, obě napětí jsou na sobě nezávislá Možnost výpočtu ze smáčivosti obtížné, je nutné mít mnoho předpokladů Měření na masivních vzorcích Měření adheze vrstvy na podložce Měření adheze technologické metody Měření přímo na kompozitech

15 Měření adheze - masivní vzorky Tahový test normálové adhezní napětí Smykový test tečné adhezní napětí Ohybový test tečné adhezní napětí delaminace, spoj musí být v neutrální rovině. Ohyb tlustých, krátkých vzorků

16 Měření adheze vrstva na podložce Scratch test odtržení vrstvy Rockwellovým hrotem, měřítkem je síla k odtržení Mřížkový (vrypový) test dvakrát 10 vrypů kolmo na sebe, měřítkem je procento vypadlých čtverečků po odtržení izolepou Pouze porovnávací testy Komplexní hodnocení adhezních napětí

17 Měření adheze technologické metody Odlupovací zkouška velmi častá pro ohebné plastové vrstvy Často i pro tlusté vrstvy pružných laků Vytrhávací zkouška - jedna ze základních zkoušek pro vláknový kompozit V vytržená vlákna P přetržená vlákna Uprostřed kritická délka vlákna l k

18 Měření adheze přímo na kompozitu Příčný test určuje normálové adhezní napětí Podélný test s výřezy určuje tečné adhezní napětí Složité namáhání složitý výpočet napětí, proto jen přibližné

19 Měření adheze posouzení dobré adheze kompozitu Pozorování konců vláken při tahovém zatížení kompozitu Sledování porušení při přestřižení kompozitu

20 Adheze a posouzení lomu