Kompozitní materiály

Transkript

1 Kompozitní materiály Základy materiálového inženýrství Katedra materiálu Strojní fakulta Technická univerzita v Liberci Pro 1. r. Fakulty architektury Doc. Ing. Karel Daďourek, 2010

2 Definice kompozitu 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

3 Historické příklady kompozitů Vysušená hlína s kousky slámy odkazy v Bibli nálezy v Izraeli 800 let PNL pevnost 7 MPa Mongolské laminované luky kombinace dřeva a vláken podstatná součást tatarských nájezdů (dostřel 300 m) Damascenská ocel kombinace nízkouhlíkové a vysokouhlíkové oceli Je patrné, jak i v dávné historii ovlivňovaly její průběh vynálezy vhodných materiálů

4 Izotropie materiálu Některé technické materiály jsou svou podstatou izotropní skla V řadě technických materiálů jsou základní jednotky (krystality) anizotropní, ale v důsledku náhodného rozdělení jejich velkého množství je materiál jako celek izotropní kovy, keramika Anizotropii mohou slabě narušit vnější vlivy např tažení za studena u kovů Celkově lze běžné technické materiály považovat za izotropní Kompozity jsou silně anizotropní

5 Fáze v kompozitu 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.

6 Druhy kompozitů podle typu disperze Kompozity prvního druhu pevná druhého druhu třetího druhu kapalná disperze plynná

7 Kompozity třetího druhu Patří sem různé pěnové hmoty : pěnoplasty pěnový polystyren kovové pěny hliníková pěna pěnokeramika pěnokorund Speciální podobné systémy - vláknové desky : grafitová plsť skleněné rohože keramické tepelné izolace

8 Příklad kovových pěn

9 Aerogel SiO2 nanopěna Nejnižší tepelná vodivost

10 Kompozity druhého druhu Poměrně málo časté : Některé materiály samomazných ložisek spékaný kov s disperzí oleje Spékané kovy pro ložiska vodních strojů např. čerpadel, která musí pracovat pod vodou Častější jako přírodní Dřevo jako systém trubic s mízou Skořápky mořských živočichů

11 Dřevo jako kompozit Přírodní Umělá struktura

12 Kompozity prvního druhu v technice nejdůležitější Dále se budeme zabývat téměř výhradně těmito kompozity Je možné je dělit podle matrice PMC s plastovou matricí MMC s kovovou matricí CMC s keramickou matricí speciální typy např skleněná matrice

13 Dělení podle tvaru disperze Druhy disperze : Vláknitá -vlákna nemají ohybovou tuhost spojitá po celé délce výrobku dlouhá plně se využije jejich pevnost krátká jejich pevnost není plně využita - Částice jednorozměrné - jehličky, tyčinky mají ohybovou tuhost vrstevnaté - destičky izometrické - globule - Desky speciální tvar kompozitu, ztrácí se rozdíl mezi matricí a disperzí

14 Částice v termoplastech Často jen snížení ceny mastek, křemen Snížení smrštění Zvýšení tuhosti a potlačení viskoelasticity Snížení závislosti na teplotě Tlumení zvuku polystyren a celuloza (piliny) Polyetylen + 75 % olova ochrana proti RTG a γ záření

15 Částice v reaktoplastech Možnost zvýšit pevnost asi o 10 % (nepodstatné), ale potlačení vrubového účinku, tlumení růstu trhlin Křemen (SiO2) pro zvýšení elektroizolačních schopností Hydratovaný kysličník hlinitý (Al2O3) (meziprodukt z bauxitu) uvolňuje při zahřátí asi 1/3 objemu vody, samozhášivost

16 Vlákna v reaktoplastu Nejstarší kompozity prvý patent z roku 1916 skelné lamináty Matrice epoxid, polyester, fenolplast, melaminoplast Nejrozšířenější vlákna sklo okolo 90 % Dnes i uhlík, bor, keramika, kov, aramid, juta, sisal Optimum je 70 až 80 % vláken

17 Vlákna v termoplastu Do polyamidu, polyetylenu, polypropylenu, polykarbonátu Vlákna 40 % sklo, uhlík, aramid Zvýšení pevnosti, tuhosti a houževnatosti Potlačení viskoelastického chování C vlákna sníží koeficient tření na 30 % 40 % skla v polyamidu (nylonu) zvýší pevnost 3x, tuhost 8x a zůstane ještě 3 % deformace při lomu. Velmi často užívaný kompozit

18 Tuhost kompozitu nylon s uhlíkovým vláknem Youngův modul Kompozit nylon - uhlíkové vlákno % vláken 40 50

19 Pevnost kompozitu nylon s uhlíkovým vláknem Kompozit nylon - uhlíkové vlákno pevnost ohyb 20 0 tah smyk % vlákna 60

20 Tažené profily EXTREN výroba Prefa Brno Polyester se skleněným vláknem Obsah vláken 45 až 65 % Pevnost v tahu, tlaku i ohybu ve směru vláken 206,8 MPa Pevnost v tahu kolmo na vlákna 48,3 MPa Pevnost v ohybu kolmo na vlákna 68,9 MPa Pevnost v tlaku kolmo na vlákna 103,4 MPa Modul pružnosti 17,9 GPa Poissonovo číslo 0,33 Hustota 1,7 až 1,9 g / cm3

21 Ukázka profilů EXTREN

22 Ukázky konstrukcí z EXTRENu

23 Výroba ruční kladení

24 Výroba kompozitů - navíjení

25 Příklad navíjeného kompozitu PAN vlákna se nejprve po navinutí grafitizují Vlákna Ru = 3860 MPa, E = 242 GPa Ru = 1150 MPa, E = 115 Gpa, S = 1,7 g/cm3

26 Kovová matrice - MMC Lepší vlastnosti při vysokých teplotách : vyšší pevnost, menší creep Nižší teplotní roztažnost Vyšší otěrovzdornost Ale vyšší cena Složité technologie výroby

27 Hliníková matrice - nejčastější Kontinuální vlákna : bor, karborundum (SiC), korund, grafit Diskontinuální vlákna : korund, mullit (Al2O3 SiO2 ), grafit Whiskery : (vlákénka s extremně vysokou pevností) SiC potíže - kancerogenní Částice : karbidy SiC, BC

28 Struktury hliníkových kompozitů Kompozit AlMgSi + 40 % borových vláken, zvětšení 150 x - Kompozit AlMgSi + 41 % ocelových vláken 150 μm, zvětšeno 100x

29 Pevnost hliníkových kompozitů Kompozit AlMgSi s ocelovými vlákny 1 podélná pevnost 2 příčná pevnost

30 Houževnatost hliníkových kompozitů Kompozit AlMgSi + 50 % ocelových vláken 1 houževnatost kolmo na vlákna 2 houževnatost ve směru vláken

31 Gutbond - letectví Mez kluzu 95 MPa Mez pevnosti v tahu 150 MPa Tažnost 5 % Youngův modul 70 GPa Teplotní odolnost 50 až + 80 oc Útlum hluku 25 db (zbude 0,3 % hluku) Něco mezi kompozitem a laminátem

32 Zvyšování houževnatosti keramiky - CMC Použitím disperze s větší lomovou houževnatostí - protože pohlcovaná energie složkami se skládá podle směšovacího pravidla Vytahováním vláken - nejefektivnější budou vlákna s délkou kolem 2*lk, delší se budou přetrhávat a ne vytrhávat a kratší potřebují na vytržení menší energii

33 CMC s dlouhými vlákny Vlákna obvykle C nebo SiC Infiltrace do rohože kompozit C/C - C matrice pyrolyzou PAN (polyakrylonitril) - na rakety, turbiny, implantáty raketoplán Columbia Infiltrace do rohože (vysrážením SiO2 z rozpouštědla za studena) Máčení rohože do břečky a normální sušení a vypalování - libovolná keramika

34 Fiberforce - cement s polypropylenovými vlákny Vlákna z PP délky 18 až 50 mm Objemové množství 0,1 až 0,5 % Výrobce ARMPRO, Ontario, Kanada Abraze se sníží o 10 % Pevnost v tahu vzroste z 3,1 na 3,4 MPa Pevnost v tlaku vzroste z 22 na 24 MPa Jiná možnost - vlákna kevlar, sklo, ocel Skelety - budova taxíků na Kennedyho letišti New York

35 Pracovní diagram Fiberforce (vodorovně- průhyb desky, svisle - zatížení)

36 Sklokeramické vláknové kompozity Rohož z C nebo SiC zalitá do roztaveného skla Pevnost v tahu až 1000 MPa, Youngův modul 150 GPa Vysoká houževnatost Použití na vzduchu s C vlákny do 600 oc, s SiC vlákny do 1000 oc Velmi levná technologie

37 Sklokeramika Označována také jako Sitall nebo skloporcelán Matrice je hlinitokřemičité sklo nebo fosforokřemičité sklo Při tuhnutí přidány katalyzátory krystalizace - Cr 2O3, TiO2 ZnS a pod. Vykrystalizuje 40 až 50% mikrokrystalků CaSiO3 o průměru 0,5 až 1 µm - disperze Proti sklu větší pevnost v tahu a ohybu Odolnost teplotním šokům musí obsahovat Li2O, šok až 800 oc.

38 Kompozity na raketoplánech