Definice a rozdělení

Transkript

1 Definice a rozdělení Nanokompozity Pro 5. ročník nanomateriály Fakulta mechatroniky Katedra materiálu Strojní fakulty Technická univerzita v Liberci Doc. Ing. Karel Daďourek, 2010

2 Rozdělení tech. materiálů

3 Jiné používané rozdělení

4 Rozdělení podle struktury

5 Specifická tuhost - Ashby

6 Možné vady materiálu

7 Vlastnosti technického materiálu 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 aplikace 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 kompozity možné dva systémy : - jedna spojitá pevná fáze matrice, v ní další nespojité fáze - nejméně dvě pevné fáze vzájemně se pronikající tak, že tvoří jeden kontinuální celek

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

10 Homogenita materiálu 1 Prakticky nikdy není zcela splněno - záleží na měřítku a rozlišitelnosti Materiál musí být homogenní v porovnání s rozměry součásti.

11 Homogenita materiálu 2 Nesmíme se dostat do oblasti chemie nebo atomární fyziky Nehomogenity materiálu musí být dostatečně velké v porovnání s rozměry atomů a délkou jejich vazeb nanokompozity. Jinak jde o jiné části nanotechnologií.

12 Homogenita materiálu 3 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 Celkově je možné běžné technické materiály považovat za izotropní

14 Izotropie kompozitů Většina typických kompozitů je uspořádána tak, že je anizotropní. Anizotropie kompozitů velmi silná až o několik řádů větší než u jiných materiálů. Někdy je možné anizotropii využít : luky, lyže. Pokud potřebujeme izotropní materiál, umělé vyrovnání anizotropie lamináty : vlastně kompozitní systém složený z několika kompozitů.

15 Problém homogenity kompozitů Složeny z několika jasně oddělených fází - nehomogenní, jako celek ale považovány za homogenní chceme s kompozitem počítat jako s celkem. Proto fiktivní hodnoty např. : napětí v kompozitu deformace kompozitu elektrická vodivost kompozitu hustota kompozitu pěnohliník má hustotu okolo 0,1 g/cm3, ale neplave.

16 Základní úloha modelů Fyzikální vlastnosti jednotlivých složek kompozitu jsou reálné mikromechanika Fyzikální vlastnosti kompozitu jako celku jsou fiktivní, ale nutné pro použití kompozitu makromechanika Určení makromechaniky z mikro mechaniky nutné modely. Často několikanásobné řešení lamináty, GLARE kompozitní systémy.

17 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 vytvořen jejich kombinací vyloučí usměrněné tuhnutí Někdy se požaduje jen umělý systém, jindy rozdělení na umělé a přírodní kompozity.

18 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 rozpouštění, ani slučování), ale na okolí působí v součinnosti (synergie). Každá složka může být fyzikálně identifikována a mezi ní a dalšími složkami je rozhraní.

19 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.

20 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

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

22 Příklad synergického efektu Grafit má velkou pevnost, oxiduje Hliník neoxiduje, ale pevnost rychle klesá s teplotou Kompozit do 500 oc odolný oxidaci 3 slitina hliníku AlMgSi 1, 2 tatáž slitina s různými C vlákny

23 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

24 Historie 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

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

26 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

27 Příklad kovová pěna

28 Dřevo - kompozit Mikrosnímek struktury dřeva Umělý model Struktury dřeva

29 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.

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

31 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

32 Vlákna a jednoosé částice Spojitá vlákna jsou jasně definovaná Někdy vznikají pochybnosti, co je krátké 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)

33 Jednoosé uspořádání vláken Vlákna nebo jehličky s osami v jednom směru Označení 1D - jednorozměrné uspořádání vláken Směr vláken směr délky kompozitu - označení L nebo x1 Směr kolmý na vlákna směr šířky - označení T nebo x2 Třetí směr směr tloušťky - označení S nebo x3

34 Dosažení jednoosého uspořádání Princip stáčení os vláken v proudící viskozní kapalině Vlákna se nesmějí sbalovat 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 nit - multifil

35 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

36 Rovinné uspořádání vláken Náhodné rozházení jehliček na vodorovnou rovinu Osy vláken jsou rovnoběžné s jednou rovinou hlavní rovina. Dvourozměrné 2D uspořádání vláken nebo jehliček

37 Anizotropie rovinného uspořádání vláken Vzhledem k náhodnému uspořádání os vláken v hlavní rovině je to rovina izotropie. 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

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

39 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

40 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!

41 Neuspořádané (izotropní) kompozity V kompozitu s izometrickými částicemi jsou všechny směry ekvivalentní. Rovněž v kompozitu s destičkami nebo jehlicemi s náhodně uspořádanými osami. 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).