Adhezní síly v kompozitních materiálech

Transkript

1 Adhezní síly v kompozitních materiálech

2 Obsah přednášky Adhezní síly, jejich původ a velikost. Adheze a smáčivost. Metoty určování adhezních sil.

3 Adhezní síly na rozhraní Mezi fázemi v kompozitu jsou rozhraní mezifázové povrchy. Možné soudržné (adhezní) síly na rozhraní : Mechanická vazba Fyzikální vazba Chemická vazba Normálové a tečné síly normálová a tečná adeheze.

4 Mechanická vazba Vlastně mechanické zaklínění záleží na složitosti povrchu 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

5 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 (tuhý roztok a p) bor v oceli U difuzního spojení je nebezpečí, že se malé částice disperze zcela rozpustí zmizí. Tuhý roztok a kompozit rozdíly.

6 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. Chemické vazby působí na vzdálenost 0,1 až 0,3 nm. Jejich teoretická pevnost je 7 až 70 GPa. Problém se posouvá- adheze matrice sloučenina a sloučenina disperze.

7 Příčiny špatné soudržnosti Jak je patrné, vazební síly na rozhraní jsou vždy 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

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

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

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

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

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

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

14 Tabulky povrchových napětí Povrchové napětí kapalin : kapalina γ (mn/m) ether 15 líh 20 benzen 30 olej 33 glyceri n 64 voda 73 rtuť 480 Kritické povrchové napětí pevných látek Pevná látka γ krit (mn/m) plast organ uhlík 100 sklo kov keramika Příklad - plasty jako taveniny dobře smáčejí, jako pevné látky jsou ale smáčeny velmi špatně Jednotky mn/m milinewton na metr

15 Smáčení uvnitř pevných látek Stýkají-li se tři zrna, musí platit AA = 2* AB *cos( /2) Pro stejnou smáčivost zrn A A i A B musí platit = 120 o Je-li A-B smáčivější, je < 120 o Je-li A-B méně smáčivé, je > 120 o

16 Chování smáčivé fáze Fáze se snaží být na rozhraní zrn s ostrými rohy. Úhly v rozích jsou pod 120 o, tím menší, čím je smáčivost lepší. Tendence ke vzniku síťoví po hranicích zrn. Tavenina zatéká do všech kapilár a štěrbin polyfil. Při difuzi snaha o vytváření konkavních hranic zrn síťoví.

17 Chování nesmáčivé fáze Fáze se snaží být na rozhraní zrn, téměř kulovitá. Úhly v rozích jsou nad 120 o, tím větší, čím je smáčivost horší. Tendence ke spojování zrn koagulace. Tavenina nezatéká bubliny, póry. Při difuzi snaha k vytváření konvexních hranic zrn jejich růst.

18 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

19 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

20 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

21 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

22 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

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

24 Adheze a posouzení lomu