Využití predikce vlastností kompozitů s textilní výztuží pro optimalizaci výrobního procesu

Transkript

1 Využití predikce vlastností kompozitů s textilní výztuží pro optimalizaci výrobního procesu Blanka Tomková Abstrakt: V této práci je ukázána problematika predikce materiálových vlastností kompozitů s textilní výztuží a její využití při vývoji kompozitních materiálů a řízení výroby kompozitních dílů pro konkrétní aplikace. 1. Úvod Kompozitní materiály s textilní výztuží patří k nejdynamičtěji se rozvíjející skupině nových materiálů. Jestliže do pryskyřice či plastu přidáme výztuž ve formě vláken, která mají vysokou tuhost, pevnost a teplotní stabilitu, získáme zcela novou, unikátní skupinu materiálů kombinující synergicky vlastnosti výztuže se snadností zpracování polymerů. Tato skupina materiálů se nazývá vláknové polymerní kompozity či vláknové kompozity s polymerními matricemi. Vlastnosti, použití i způsob konstruování těchto materiálů umožňuje současným konstruktérům překonat konstrukční omezení nejrozšířenějších materiálů - kovů, betonu a ostatních tradičních materiálů - a vytvářet nové výrobky zcela unikátních vlastností [1]. V praxi je ovšem třeba kromě výhod pečlivě zvážit i případné nevýhody kompozitů. Některé z nich nejsou skutečnými nevýhodami, spíše vyjadřují významnou odlišnost ve způsobu zpracování kompozitních materiálů v porovnání s materiály tradičními, což může působit jisté komplikace při konstruování nových výrobků. Ve většině případů je totiž kompozitní materiál vyráběn v jednom kroku s konečným produktem (laminace sportovních lodí, navíjení rybářských prutů, tažení profilů, atd.) a je tedy obtížné oddělit vlastnosti materiálu od užitných vlastností výrobku, což je u tradiční konstrukční oceli velmi snadné a podstatně to zjednodušuje optimalizaci a spolehlivost konstrukčních postupů.

2 Z tohoto důvodu existuje velmi omezená databáze konstrukčních dat pro samotné kompozity. Proto jsou v technické praxi využívány matematické modely - simulace umožňující predikci vlastností navrhovaných kompozitních systémů na základě znalosti vlastností vyztužujících vláken a polymerních matric, znalosti časověteplotních režimů vytvrzování matric apod. Do výpočtu dále vstupuje i složitá vnitřní geometrie kompozitního systému, která závisí jednak na technologii přípravy kompozitu, jednak na typu použité textilní výztuže (jednosměrně uložené kabílky, tkaniny, pleteniny, 3D splétané výztuže apod.) Kompozity s textilní výztuží patří mezi heterogenní materiály se složitou, většinou porézní strukturou. Dokonce ani na úrovni mikrostruktury zde nenajdeme homogenní materiál. Proto byl v předložené práci pro výpočet materiálových vlastností kompozitů vytvořen vícestupňový strukturní model, kdy byly struktura a vlastnosti materiálu počítány postupně na nano-, mikro-, mezo- a makroúrovni. Účelem numerické simulace bylo dosažení předpovědi s co možná největší přesností. Taková predikce umožňuje ušetření času a finančních prostředků při řízení, ovládání, vývoji a výrobě kompozitních materiálů pro konkrétní aplikace. 2. Projektování kompozitu 2.1 Predikce vlastností kompozitů Vlastnosti kompozitních materiálů jsou funkcí řady parametrů, mezi nimiž jsou nejdůležitější: vlastnosti matrice a výztuže, délka vláken výztuže, soudržnost matrice a výztuže, objemový podíl a uspořádání vláken výztuže atd. V dnešní době se základním zdrojem strukturních dat staly mikrofotografie kompozitní struktury, které umožňující přímé vyhodnocení morfologie výztuže, matrice i dutin, jak je ukázáno například na obrázku Obr.1. Důkladná analýza mikrostruktury kompozitů je základem pro tvorbu geometrických modelů, které slouží jako vstupní data pro výpočet materiálových vlastností studovaných kompozitů [2,7]. Snaha o zohlednění parametrů reálné struktury ve výpočtových modelech vyvolává následující otázky:

3 které geometrické parametry měřit jak tato data zapracovat do strukturních modelů jak je využít pro popis vztahu mezi technologií výroby, vlastnostmi materiálu a jeho strukturou Řešení těchto otázek je hlavní oblastí zájmu současného materiálového výzkumu [2,4,5,10]. 2.2 Vícestupňové strukturní modely Vícestupňové strukturní modely jsou s úspěchem používány pro výpočet vlastností mnoha složitých systémů [4,9]. Na katedře textilních materiálů TU Liberec byl vytvořen vícestupňový strukturní model pro výpočet vlastností tkaninových laminátů [11,12]. Základní strukturní data byla získána pomocí obrazové analýzy stuktury kompozitních laminátů. Tento model byl původně aplikovaný pro simulaci přestupu tepla v kompozitní desce. Obr.1 Fotografie mikrostruktury kompozitu C/C, rozlišení 1,7 µm/px, 1,2 - výztuž, 3 - matrice, 4 - dutina; Výztuž Uhlíková tkanina v plátnové vazbě vlákna Toray T800; Prekurzor matrice fenolická pryskyřice UMAFORM LE; Pórovitost 25 30%

4 Obr.2 Schéma vícestupňového strukturního modelu: a) uhlíkový kabílek (1 podélný řez, 2 příčný řez), b) strukturní buňka kompozitu, c) kompozitní lamina, d) kompozitní deska Pro řešení diferenciální rovnice vedení tepla byl použit software FEMLab, výpočtový modul HEAT TRANSFER MODE, který umožňuje interaktivní zadání vstupních parametrů materiálových složek, vstupních a okrajových podmínek s ohledem na strukturu a vlastnosti jednotlivých složek studovaného materiálu včetně složitého systému pórů a trhlin [6]. Obr.3 Simulace přenosu tepla v kompozitní desce

5 Získané výsledky vypočtené metodou konečných prvků byly ověřeny experimentálním měřením termofyzikálních parametrů na pracovišti Fyzikálního ústavu SAV v Bratislavě (použití tzv. Impulzní metody) [3] Porovnání vypočtených hodnot s hodnotami zjištěnými experimentálně ukázalo, že vypočtené a simulované hodnoty se liší o méně než 20 % (viz. Tab. 1), což ukazuje na dobrou spolehlivost použitého modelu. Tab.1 Výsledné hodnoty termofyzikálních parametrů kompozitní desky ve směru podélném a kolmém k ploše této desky Termofyzikální parametry Počítané Měřené Tepelná vodivost [W.m -1.K -1 ] [8.3; 1.8] [10; 1.6] Měrné teplo [J.kg -1.K -1 ] Teplotní vodivost *10-6 [m 2.s -1 ] [5.9; 1.3] [6.5; 1.3] Výhodou tohoto přístupu je aplikovatelnost na širokou škálu materiálů, pokud jsme schopni vytvořit geometrický model studované struktury ať už s použitím mikrofotografií studované struktury nebo na základě teoretických modelů struktury. Dále musíme být schopni stanovit materiálové parametry vstupních složek a zadat počáteční a okrajové podmínky řešené úlohy. Software FemLab umožňuje řešení řady inženýrských úloh v oblasti fyziky, průmyslové chemie, pružnosti a pevnosti, akustiky, elektromagnetismu, prostupu tepla, proudění tekutin, optoelektroniky a dalších. Data získaná simulací vlastností studovaných materiálů mohou sloužit jako zdroj informací při návrhu složení nových materiálů pro konkrétní aplikace. 2.3 Technologie přípravy textilních kompozitů Technologie přípravy kompozitního dílu výrazně ovlivňuje strukturu a vlastnosti finálního produktu, zejména vlastnosti matrice, vlastnosti rozhraní mezi matricí a výztuží, geometrii výztuže apod., neboť jak už bylo uvedeno kompozitní materiál je vyráběn v jednom kroku s konečným produktem a nelze oddělit vlastnosti materiálu od užitných vlastností výrobku. Výběr vhodné

6 technologie výroby je tedy nedílnou součástí návrhu nového kompozitního materiálu. Kompozity jsou připravovány mechanickým mísením jednotlivých složek. Tím se liší např. od slitin, které jsou rovněž heterogenním materiálem, kde jednotlivé fáze vznikají fázovými přeměnami např. při tuhnutí. Způsobů výroby kompozitních dílů je velmi mnoho, nejčastěji se setkáváme s dělením výrobních technologií dle typu formy [8]: Otevřená (jednodílná) forma Uzavřená (dvoudílná) forma Výběr kompozitní formy závisí na typu výztuže (krátká vlákna, dlouhá vlákna, 2D textilie apod.) a typu matrice. Z hlediska materiálu polymerní matrice dělíme na termoplastové a termosetové. Nejpoužívanější (a nejlevnější) termoplastové matrice jsou matrice na bázi polypropylénu a polyamidu. O způsobu výroby kompozitu (ohřevu formy) pak rozhoduje pouze teplota měknutí příslušného termoplastu. Použití termosetových pryskyřic je poněkud složitější. Kvalita výsledné matrice je závislá na celé řadě vstupních parametrů, do samotné pryskyřice je přidávána celá řada aditivních přípravků ovlivňujících viskozitu pryskyřice, rychlost vytvrzovací reakce, teplotu vytvrzení pryskyřice apod. Většina těchto látek obsahuje těkavé složky, které negativně ovlivňují pracovní prostředí. Typ formy zde potom rozhoduje např. o způsobu odpařování reaktivních rozpouštědel. Samotné vytvrzování reaktoplastů je proces sestávající z několika etap, které lze popsat pomocí kinetiky vytvrzovacích procesů. Kinetika vytvrzovacího procesu vždy závisí na typu pryskyřice. Každý typ matrice (termoplast, termoset) má určité klady a zápory, k nimž je potřeba při návrhu pojiva kompozitu přihlížet. Rozhodující jsou nejen užitné a technologické vlastnosti matric, ale i cena vstupního materiálu a variabilita jeho použití. Proto je pro návrh technologie výroby nezbytná důkladná znalost vztahu mezi strukturou a vlastnostmi vstupních složek a výsledného kompozitního materiálu.

7 3. Shrnutí Predikce vlastností finálních kompozitních výrobků na základě znalostí parametrů vstupních složek umožňuje ušetření času a finančních prostředků při řízení, ovládání, vývoji a výrobě kompozitních materiálů pro konkrétní aplikace. Vzhledem k tomu, že každý kompozitní materiál vzniká až během zhotovování výrobku, skutečné materiálové vlastnosti jsou silně determinované použitými složkami, skladbou a procesem zpracování. Tyto vlastnosti mohou být stanoveny až ex-post, na hotovém výrobku. Tato primární neurčitost přináší obtíže do jakéhokoliv konstruování a pevnostního návrhu. Pro konstruování kvalitních výrobků z kompozitních materiálů je nezbytné důkladné porozumění anizotropii kompozitních struktur, včetně všech možností jejího uspořádání, znalost vlivu prostředí na vlastnosti kompozitů a namáhání dané konstrukce, včetně vlivu jednotlivých kompozitních složek na její odezvu. Cílem tohoto procesu je vytvořit systém kde materiál, dimenzování, tvarování, technologické zpracování, funkčnost, životnost a bezpečnost jsou uvažovány společně jako nedílné aspekty jediné záležitosti. Takový přístup umožňuje použití pokročilých matematických nástrojů a moderní výpočetní techniky spolu s možností přípravy kompozitních vzorků a testování jejich vlastností. Zvládnutí techniky pro spolehlivou predikci struktury a vlastností složitých kompozitních materiálů umožňuje přípravu velmi individuálních materiálů šitých namíru přesně pro dané účely. Finální výrobek je přesně přizpůsobený předem zadaným požadavkům. Výběr vhodných materiálů složek, spolu se správným tvarováním a dimenzováním součástí a konstrukce umožňuje vytvořit díly s širokým spektrem mechanických, fyzikálních a ostatních výsledných vlastností. Literatura [1] Agarwal, B.D., Broutman, L.J.: Vláknové kompozity, SNTL, Praha, [2] Bigaud,D. at al.: A geometric modelling software for reinforced textile composites, Sb. konference Euromech 334, Lyon, 1995.

8 [3] Boháč,V.: Měření termofyzikálních vlastností kompozitů C/C, interní zpráva SAV, Bratislava, [4] Cox,B.N., Flanagan,G.: Handbook of Analytical Methods for Textile Composites, NASA Contractor Report 4750, Langley Research Center, Hampton, Viginia, [5] Crookston, J.J., and others: Finite Element Analysisi of Textile Composite Unit Cells Using Conventional and Novel Techniques, Sb. konference 15 th ICCM, Durban, South Africa, 2005, [6] FEMLAB, User s Guide and Introduction, Verze 2.3, COMSOL AB, [7] Jortner, J.: Microstructure of cloth-reinforced carbon-carbon laminates, Carbon, Vol.30, No.2, 1992, pp [8] Kořínek, Z.: Kompozity - skriptum, [9] Piat,R., Schnack,E.: Hierarchical material modelling of carbon/carbon composites, Carbon, 41, 2003, [10] Sherburn, M.N., Long A.C., Robitaille, Jones, I.A.: Mechanical Properties of Fibre Assemblies and Textile Unit Cells, Sb. konference 15 th ICCM, Durban, South Africa, 2005, [11] Tomková, B.: Modeling of Heat Transfer in Porous C/C Composite Reinforced with Woven Fabric, Sb. konference 12 th ECCM, Biarritz, Francie, [12] Tomková, B.: Modelling of Thermophysical Properties of Woven Composites, Disertační práce, TU v Liberci, Adresa autorky: Ing. Blanka Tomková, Technická univerzita v Liberci, Fakulta textilní, Katedra textilních materiálů, Hálkova 6, Liberec blanka.tomkova@tul.cz Tato práce byla vytvořena v rámci projektu MŠMT 1M CQR