Nauka o materiálu. Přednáška č.14 Kompozity

Transkript

1 Nauka o materiálu

2 Úvod Technické materiály, které jsou určeny k dalšímu technologickému zpracování zahrnují širokou škálu možného chemického složení, různou vnitřní stavbu a různé vlastnosti. Je nutno se v nabízené škále orientovat a vybrat správný materiál pro design dané strojní součásti. Dnes se zaměříme na skupinu kompozitů.

3 Úvod

4 Úvod Výroba kompozitních materiálů je cestou, jak vhodně kombinovat vlastnosti dvou nebo i více typů materiálů a tak ve srovnání s ostatními skupinami mají kompozitní materiály jak velmi dobré pevnostní vlastnosti, tak i vysokou houževnatost, a to při nízké hustotě a vysoké konstrukční tuhosti. Nevýhodou kompozitních materiálů je obtížná zpracovatelnost a poměrně vysoká cena. Dále pak odlišnost technologie výroby konstrukčních součástí.

5 Částicové kompozity Za částicové kompozity lze považovat všechny materiály, jejichž struktura je tvořená matricí zpevněnou jemnými částicemi (obvykle o rozměrech menších než 1 µm). Matrice může být: kovová, keramická, polymerní. Jemné částice mohou být: kovy, kysličníky kovů, konstrukční keramika.

6 Částicové kompozity Obecnou zásadou při konstrukci částicových kompozitů je dodržení podmínky minimálního rozdílu koeficientu teplotní roztažnosti obou složek, který by neměl přesahovat K -1. Při nedodržení této podmínky dochází za zvýšených teplot k vnitřnímu pnutí, které výrazně redukuje pevnost těchto materiálů.

7 Částicové kompozity Částicové kompozity s kovovou matricí se připravují: povrchovou oxidací mletého kovového prášku a následným lisováním a sintrovaním, vnitřní oxidací kovu ve zředěném tuhém roztoku, selektivní redukcí mechanické směsi kysličníku kovů matrice a dispergovaných částic a následným zmonolitněním, mechanickým smíšením kovového prášku matrice a prášku jiného kovu a následným tepleným zmonolitněním. Mezi nejčastěji vyráběné částicové kompozity s kovovou matricí patří systémy na bázi: Al s částicemi Al 2 O 3 nebo SiC, Cu s dispergovanými částicemi AlSiO 5 nebo SiO 2, Ni zpevněného ThO 2, Co s WC, TaC, TiC, Ti s Al 2 O 3.

8 Částicové kompozity Disperzní zpevnění kovových matric kysličníky kovů, popř. jinou keramikou je velice účinné a to např. i za vysokých teplot. Částicové kompozity s Al nebo Ti matricí se např. používají pro výrobu strojních součástí vystavených za provozu vysokým teplotám. Svými vlastnostmi se vyrovnají ocelím se zaručenou mezí kluzu při zvýšených teplotách. Naproti tomu však mají další výhody oproti ocelím: menší hustotu a vysokou korozní odolnost. Disperzně zpevněná měď SiC se pro svou výbornou elektrickou vodivost a odolnost proti opotřebení využívá na výrobu lamel vysokootáčkových motorů. Některé částicové kompozity na bázi Ni, Fe a Co se používají pro výrobu nejnámahanějších součástí energetických zařízení a svými pevnostními parametry za vysokých teplot překonávají žáropevné oceli. Slinuté prášky Co, WC a TiC se pro svou vysokou tvrdost, která dosahuje až 1700 HV a pro vynikající pevnostní vlastnosti za vysokých teplot používají při výrobě vysoce namáhaných nástrojů.

9 Částicové kompozity Za částicové kompozity na bázi keramiky lze považovat i porcelán. (Obsahuje jemné dispergované částice mullitu, ale i větší částice (5 µm) křemene). Mezi nejvýznamnější částicové kompozity na bázi plastů patří pryže. Základní surovinou je kaučuk. Plněním sazí nebo SiO2 (40-50% hmotnostních dílů) se dosahuje až 10-ti násobného zvýšení pevnosti. Např. SBR (styren butadien kaučuk) plněný 50% hmotnostním díly sazí dosahuje pevnosti 26 MPa s modulem pružnosti E = 4,6 MPa a tažnosti 520%. Plněním plastů jemnými částicemi minerálů, keramiky nebo kovů vede většinou ke zvýšení jejich tuhosti, modulu pružnosti a někdy i pevnosti. Houževnatost je však ve srovnání s matricí poněkud menší. Některá plniva zlepšují další vlastnosti plastů, jako. dimenzionální stabilitu během tvarování, tepelnou, elektrickou vodivost, creepové vlastnosti a ve většině případů snižují také cenu finálních výrobků.

10 Granulární kompozity Základní matrice je plněna částicemi většími než 1 µm, obvykle však většími než 10 µm. Mezi nejběžnější kompozity patří beton (matrice: cementový tmel, plnivo: písek, štěrk). Lze ho tedy považovat (zjednodušeně) za třífázový strukturní systém. Základní složky betonu mají poměrně vysoké pevnosti v tlaku (cementový gel cca MPa, přírodní kámen cca MPa). Beton jen cca MPa. Důsledek složitého napjatostní stavu uvnitř betonu a veliká pórovitost cementového tmelu po zatuhnutí. Pro zvýšení pevnosti např. přídavek prášku termoplastu. Polymerbetony Také porézní skelná keramika (porcelán, kamenina a pálené cihly) obsahují částice větší než 1 µm a lze je proto považovat za granulární kompozity.

11 Vláknité kompozity Vláknité kompozity jsou nejperspektivnější konstrukční materiály. Pro výrobu komponenty (jež má určitý tvar a je nějakým způsobem namáhaná) se přímo navrhuje vhodná kombinace matrice a vlákna a samozřejmě i vhodná technologie výroby prvku. Vláknité kompozity lze rozdělit do tří základních skupin: kompozity s kovovou matricí, kompozity s keramickou, skelnou a nebo silikátovou matricí, kompozity s polymerní matricí. Kovová matrice Výhody elektrická a tepelná vodivost, nehořlavost, vysoká pevnost ve smyku, vysoká houževnatost, rezistence proti opotřebení nebo povrchovému poškození. Nevýhoda podstatně vyšší cena než u kompozitů s polymerní matricí. Použití letecká a raketová technika, automobilový průmysl.

12 Vláknité kompozity Keramická matrice Vysoká pevnost v ohybu i za vysokých teplot, nízká měrná hmotnost, vynikající odolnost proti oxidaci. Nevýhodou může být nízká houževnatost. Částečně odstranit použitím kovových výztužných vláken. Polymerní matrice Matrice: termoplasty PA, PE, PP, PC, PS a akrylolaminát. Větší odolnost proti poklesu pevnosti za vyšších teplot mají kompozity na bázi reaktoplastů. Rovněž se dosahuje velmi dobrého únavového chování.

13 Vláknité kompozity Keramická matrice Vysoká pevnost v ohybu i za vysokých teplot, nízká měrná hmotnost, vynikající odolnost proti oxidaci. Nevýhodou může být nízká houževnatost. Částečně odstranit použitím kovových výztužných vláken. Polymerní matrice Matrice: termoplasty PA, PE, PP, PC, PS a akrylolaminát. Větší odolnost proti poklesu pevnosti za vyšších teplot mají kompozity na bázi reaktoplastů. Rovněž se dosahuje velmi dobrého únavového chování.