Kompozitní materiály. přehled

Transkript

1 Kompozitní materiály přehled

2 Porovnání vlastností

3 Porovnání vlastností (2) dřevo nemá konkurenci jako lehká tuhá konstrukce

4 Porovnání vlastností (3) dobře tlumí slitiny Mg Cu a vlákny zpevněné plasty

5 Definice kompozitu Kompozity jsou vždy složeny z několika jasně oddělených fází, jsou tedy ve své podstatě nehomogenní, jako technický materiál se však musí považovat za homogenní. Jde o pevnou látku, složenou nejméně ze dvou fází, přírodní i umělou. V celku je dosahováno vlastností, které nemají složky a nedají se dosáhnout ani jejich sumací synergický (spolupracující) efekt.

6 Příklad synergického efektu Grafitové vlákno má velmi dobré mechanické vlastnosti, ale oxiduje. Hliníkové slitiny neoxidují, ale jejich pevnost rychle klesá s teplotou. Kompozit do 500 C pevný a odolný oxidaci.

7 Základní pojmy Kompozit musí obsahovat nejméně jednu spojitou fázi, která ho drží pohromadě matrice. Další fáze, nespojité, které by měly být v kompozitu rovnoměrně rozptýlené, jsou disperze.

8 Druhy kompozitů Kompozity prvního druhu pevná fáze disperze druhého druhu kapalná fáze disperze třetího druhu plynná fáze disperze

9 Kompozity třetího druhu Pěnové hmoty pěnový polystyren Pěnokeramika pěnokorund Kovové pěny hliníková pěna Speciální systémy z vláknových desek Keramické tepelné izolace

10 Kompozity druhého druhu některé materiály samomazných ložisek, spékaný kov s disperzí oleje spékané kovy pro ložiska vodních strojů přírodní častěji dřevo jako systém trubic s mízou

11 Kompozity prvního druhu nejdůležitější, zabýváme se téměř výhradně jimi rozdělení podle tvaru disperze: vlákna -spojitá (po celé délce), dlouhá a krátká částice jednorozměrné (jehličky, tyčinky) vrstevnaté (destičky) izometrické (globule) desky (ztrácí se rozdíl mezi matricí a disperzí)

12 Adhezní síly síly, které drží matrici a disperzi pohromadě na rozhraní mezi fázemi může existovat: mechanická vazba (představuje vlastně mechanické zaklínění disperze v matrici) fyzikální vazba chemická vazba

13 Adhezní síly (2) fyzikální vazba úzce souvisí se smáčivostí obou materiálů dá se vyjádřit povrchovým napětím nebo povrchovou energií je-li možná difuze, vytváří se silněji vázaná difúzní mezivrstva (bor v oceli) malé částice disperze se nesmí zcela rozpustit chemická vazba vzniká, reagují-li chemicky vzájemně matrice a disperze -> mezivrstva chemické sloučeniny s chemickou vazbou

14 Synergické působení vláken Zjednodušený výpočet bez integrace: Lano složeno ze šesti rovnoběžných, spojitých vláken o průřezu S a maximální pevnosti R.

15 Synergické působení vláken (2) Průměrná pevnost vláken: Rp = ⅙ (2R + 2 0,9R + 2 0,6R) Rp= ⅙ (2R + 1,8R + 1,2R) Rp = ⅙ 5R Rp=0,83R

16 Synergické působení vláken (3) Zatěžujeme-li lano (s celk. průřezem 6S) silou F = 3,6 S R: Napětí na vláknech bude: Ϭ = F/S = 3,6 S R / 6S Ϭ = 3,6R / 6 = 0,6R prasknou vlákna v bodech B1 a B2 zátěž se přerozdělí do zbylých čtyř vláken, v nichž bude napě : Ϭ = F/S = 3,6 S R / 4S Ϭ = 3,6R / 4 = 0,9R prasknou vlákna v bodech A1 a A2 zátěž se přerozdělí do zbylých dvou vláken, v nichž bude napětí: Ϭ = F/S = 3,6 S R / 2S Ϭ = 3,6R / 2 = 1,8R prasknou i zbylá dvě vlákna a dojde k přetržení lana pevnost lana je tudíž R l = 0,6R

17 Synergické působení vláken (4) V kompozitu je přítomna matrice: Vmístě porušení vlákna přenáší matrice zatížení z jednoho konce na druhý. Navíc kromě červeně označené oblasti přenáší i porušené vlákno dále zátěž.

18 Synergické působení vláken (5) Zatěžujeme-li kompozit (s celk. průřezem vláken 6S) silou F = 3,6 S R: Napětí na vláknech bude Ϭ = 3,6R / 6 = 0,6R prasknou vlákna v bodech B1 a B2 v každém z míst B1 a B2 přenáší zátěž zbylých 5 vláken: Ϭ = F/S = 3,6 S R / 5S Ϭ = 3,6R / 4 = 0,72R žádné vlákno dále nepraskne! zvyšujeme-li zatížení na F = 5,4 S R: Ϭ = F/S = 5,4 S R / 6S Ϭ = 5,4R / 6 = 0,9R prasknou vlákna v místech A1 a A2 ve zbylých vláknech vzroste zátěž na: Ϭ = 5,4R / 5 = 1,08R prasknou i zbylá vlákna pevnost kompozitu je tudíž R l = 0,9R

19 Porovnání pevností pevnost lana je 0,6R pevnost kompozitu je 0,9R tudíž Rk> Rl v důsledku synergického efektu je pevnost kompozitu vyšší než pevnost lana i průměrná pevnost vláken (0,83R)

20 Příklady kompozitů (1) železobeton (panelové domy) drátosklo (skleněné výplně dveří)

21 Příklady kompozitů (2) CFRP (carbon-fiber-reinforced polymer) matricí bývá polymer (epoxid, polyester, nylon) disperze jsou uhlíková vlákna RCC (ReinforcedCarbon-Carbon) -matrice i disperze z uhlíku -bývá pokryt tenkou vrstvou karbidu křemíku Využití v raketoplánech, nosová část, náběžné hrany křídel.

22 Děkuji za pozornost Ke zkoušce si každý rozmyslí (vyhledá) alespoň pět příkladů kompozitů z průmyslu nebo přírody, které nebyly uvedeny v této prezentaci.