Druhy vláken
Rozdělení přednášky Základní vlastnosti vláken a nanovláken Přírodní vlákna Skleněná vlákna Uhlíková a grafitová vlákna Aramidová a silonová vlákna Keramická vlákna Kovová vlákna Whiskery
Pracovní diagram vláken
Průměry různých vláken
Rozdělení vláken Do průměru 100 nm nanovlákna 0,1 až 1 µm mikrovlákna whiskery 1 až 10 µm střední vlákna uhlíková, skleněná, textilní Nad 10 µm hrubá vlákna B, TiB2, SiC a p.
Nanovlákno a vlas
Štíhlost nanovláken Většina nanovláken má štíhlost nad 100 Délka nanovláken nad 0,1 mm V kompozitu se chovají jako vlákna dlouhá
Monofil a multifil Jedno vlákno - monofil Spředená textilní vlákna - multifil 1 tex - hmotnost 1 km vlákna v g údaj o tloušťce T (tex g/km) m = ρ*v. Plocha vlákna S = 10-9 * T / ρ Lépe S = 10-3 * T / ρ ( mm2, tex, g/cm3 ) Pro kruhový průřez d =18 * T / ρ ( µm, tex, g/cm3 ) Pro jednotkovou hustotu (plasty) 1 tex ~ 1000 µm2 ~ 18 µm Pro pevnost vláken platí 1 N / tex = s GPa, kde s je hustota v g/cm3, pro jednotkovou hustotu 1 N / tex = 1 GPa Monofil Multifil - spojitá vlákna Multifil - krátká vlákna
Mikrostruktura multifilu
Vzhled multifilu Pozor je možné dělat multifil i z nanovláken!
Přírodní vlákna Len, bavlna, kokosová vlákna, sisal a p. Základem je celuloza Pevnost okolo 0,9 GPa Youngův modul okolo 100 GPa Moderní celulozová nanovlákna např rozvlákněním dřeva Velmi aktuální pro rozvojové země Dobré i pro ekologii přirozeně degradují
Bavlněné vlákno Vlevo mikrosnímek, vpravo struktura. K kutikula (povrchová ochranná vrstva), P, S, T primární, sekundární a terciární vrstva lamel, L lumen centrální dutina ve vlákně. F ukázka fibrilární struktury lamely. Samo vlákno je kompozit.
Vlastnosti přírodních vláken Vlákno : Hustota g/cm3) : Mez pevnosti (MPa) : Tažnost (%) : 460 Youngův modul (GPa) : 70 Konopí 1,5 Juta 1,3 440 60 2,0 Len 1,5 340 100 1,8 Bavlna 1,5 300 27 10 1,7
Nanovlákna Tencel, Lyocell celulozová nanovlákna vytvářená rozvolněním dřeva Dále nanovlákna keratinová a želatinová Zpravidla musí být monofil
Druhy skleněných vláken Označe Použití ní skla E Elektrické izolace Složení v % : Pevnos t (GPa) 3 Prodlouže ní při lomu (%) 3 S Vysokopevn. kompozity 65 SiO2, 25 Al2O3, 10 MgO 5 5 A Tepelné izolace 72 SiO2, 1 Al2O3, 3 MgO, 10 CaO, 14 K2O --- --- C (Pyrex) Chemické aplikace 65 SiO2, 4 Al2O3, 6 B2O3, 3 MgO, 14 CaO, 9 K2O 2 2 55 SiO2, 11 Al2O3, 6 B2O5, 18 CaO, 5 MgO
Výroba skleněných vláken
Pevnosti skleněných vláken Vlákno S sklo E sklo Pyrex (C) Pevnost výchozí GPa Pevnost po zpracování GPa Prodloužení při lomu % 7 3,7 2 5 2,8 1,6 5 3 2
Tepelné vlastnosti materiál E sklo hliník Ocel Tepelná vodivost W/mK 10,4 188 17 25 13 Tepelná 5 roztažnost 10-6 K-1
Další vlastnosti Hustota okolo 2,5 g / cm3 Tuhost zhruba jako hliník 1/3 tuhosti oceli E = 80 až 100 GPa Běžné lahvové sklo A sklo Malá odolnost skelných vláken únavě Rozpor mezi vysokou pevností a malou smáčivostí Průměr zpravidla v mikrometrech Monofil, může být i multifil
Skleněná nanovlákna Bioaktivní materiál
Vliv povrchových činidel To, co zvýší pevnost, sníží smáčivost.
Uhlíková a grafitová vlákna Mají asi desetinásobnou tuhost a poloviční hustotu proti skleněným Pevnost nižší než u skla nebo aramidu Vynikající tepelné vlastnosti, pokud jsou chráněna před oxidací Stabilní do 1000 oc, při ochraně před oxidací do 2000 oc Minimální teplotní roztažnost, dokonce někdy smrštivost Do 1000 oc jsou chemicky inertní Na rozdíl od skla velká odolnost únavě
Další vlastnosti Uhlíková vlákna jsou elektricky vodivá Nejlevnější stojí dvojnásobek proti sklu, nejkvalitnější až stonásobek Jsou velmi silně anizotropní ve směru osy a kolmo na osu A = 100 Obsahují různé procento grafitu Běžné průměry několik mikrometrů Velmi často multifil.
Vývoj použití uhlíkových vláken
Vývoj ceny uhlíkových vláken
Výrobci C vláken
Krystalická struktura grafitu
Tabulka základních vlastností Vlastnost : Délka vazby nm El. vodiv. 1/Ωm Tep. vod. W/mK Tep. roztaž. 1/K diamant 0,154 10-15 900 0,8*10-6 Grafit c 0,142 250 2000-1,5*10-6 Grafit a 0,334 0,05 6 27*10-6 E GPa Tvrdost Mohs Hustota g / cm3 1200 10 3,3 1060 0,5-1 2,265 36,5 0,5-1 2,265 Grafit c v bazální rovině, Grafit a ve směru kolmém
Úhlová závislost pro E
Struktura grafitového vlákna
Produkty z uhlíkových vláken
PAN výchozí surovina
Postup výroby Prekursor PAN vlákna Stabilizace oxidace 1 2 hodiny při 200 300 oc na vzduchu Karbonizace 30 60 vteřin při 1200 až 1500 oc v dusíku Grafitizace 15 20 vteřin při 2000 až 3000 oc v dusíku s argonem Povrchová úprava leptání kyselinou dusičnou
Vliv teploty na vlastnosti
Základní vlastnosti grafitových vláken Vlákna vysokopevnostní vysokomodulová označení HT HM Ru GPa 3,1 2,1 E GPa 240 400 Prodl. % 1,2 0,5
Grafitová nanovlákna
Pyrograf III
Uhlíkové nanotrubičky Mechanické vlastnosti se silně liší podle výrobců. Dále udány průměrné hodnoty. Youngův modul okolo 1000 GPa. Mez pevnosti v tahu 30 až 50 GPa. Tažnost 6 až 12 %
Youngův modul C nanotrubiček
Ohyb C nanotrubiček
Krut uhlíkových nanotrubiček
Tlakové namáhání C nanotrubiček
Deformace při tahu vyšší teploty
Deformace při stlačování TEM
Možné porušení tahem
Různá nanovlákna
Nanovlákna křemíku - TEM
Aramidová a nylonová vlákna Polyamid - nylon Aromatický polyamid aramid- kevlar
Kevlarová vlákna Pevnost okolo 2,8 GPa Při hustotě 1,44 g/cm3 vynikající poměrná pevnost pětinásobek oceli Deformace při lomu poněkud menší než u skla, ale větší než u grafitu Při dlouhodobém zahřívání nad 175 oc degradují vlastnosti Mají záporný koeficient teplotní roztažnosti Jsou v zásadě chemicky odolná, napadána jen silnými kyselinami a louhy Degradují v UV záření za přítomnosti kyslíku
Základní vlastnosti porovnání vlákno s g/cm3 Ru GPa E GPa Prodl. % Nylon 1,14 1,02 5,62 18 Kevlar 1,44 2,81 63,3 4 Kevlar49 1,45 2,81 133,6 2,4 E-sklo 2,54 3,4 72 3 ocel 7,86 2 204 2
Polymerová nanovlákna Jsou vyráběna prakticky ze všech typů polymerů A nepovlakované PAN vlákno B povlak SnO 2 C povlak TiO2 D povlak TiO2, trojnásobná doba
Keramická vlákna Velká teplotní odolnost a stabilita Použití v MMC a CMC pro vysoké teploty Vysoká tuhost Malá tepelná roztažnost Malá závislost pevnosti na teplotě Na rozdíl od uhlíku a aramidu vydrží i větší tlak Jsou k dispozici jako monofil, textilní vlákna nebo whiskery
Poměr velikostí keramických vláken
Základní vlastnosti Vlákno Ru GPa E GPa Mezní deformace % s g/cm3 křemen 5,8 72,5 11 2,19 SiC 2,8 240 2,55 korund 1,4 385 3,9 spinel 2,5 240 3,2
Keramická nanovlákna
Keramická nanovlákna - druhy Oxidy : Al2O3, TiO2, SiO2, ZrO2 Nitridy : TiN Další sloučeniny : Li4Ti5O12 Nově pokusy o keramické nanotrubičky
Keramické nanotrubičky Nejde o keramiku nejsou polykrystalické, vlastně jedna molekula. Nnanotrubičky, které nejsou z jednoho prvku (C, B). NASA Langley, 2009 : nanotrubičky BN Mechanické vlastnosti, NIMS 2010 : - mez pevnosti 30 000 MPa (superpevné slitiny nad 1500 MPa) - Youngův modul 900 GPa (ocel 210 GPa)
Vliv štíhlosti Keramická vlákna mívají často malou štíhlost To snižuje dosažitelnou pevnost kompozitu Znatelný vliv má pokles štíhlosti až pod 5, pak již nejde o vlákna, ale spíše tyčinky Velké průměry u monofilu zlepšují pevnost v tlaku
Kovová vlákna Jedna z nejlacinějších Ocelová vlákna pro zpevnění lehkých slitin Wolframová vlákna na zpevňování žáropevných materiálů, ale těžká Velmi zajímavá jsou borová vlákna, ale nesnadná výroba. Velmi lehká Nový výzkum vláken z kovových skel
Borová vlákna Vyrábějí se chemickou depozicí z par BCl3 na W drát vydrží do 450 oc, pak oxidace povrchu Borsic obrázek vedle vydrží do 700 oc Rozměry na obrázku v µm
Základní vlastnosti Vlákno Ru GPa E GPa s g/cm3 bor 2,8 385 2,63 wolfram 4,2 414 19,3 berylium 1,4 240 1,83 ocel 1,5 210 7,8
Kovová nanovlákna Platina Pokusy o nanotrubičky bor Whiskery
Borové nanotrubičky Podobné strukturou i vlastnostmi uhlíkovým Složitější struktura B nevytváří stabilní šestiúhelníky Do středu některých přídavný atom
Whiskery Průměr pod 1 µm, délka 3 4 mm, štíhlost nad 1000 Tedy na rozmezí nanovláken Speciální způsob pěstování obsahují jen jednu šroubovou dislokaci uprostřed Lze získat z řady látek kondenzací z par. Nutno rozeznávat od monokrystalických vláken Pevnost se blíží teoretické hodnotě desetina Youngova modulu Přírodní whiskery některých keramik - asbest
Pracovní diagram whiskeru Ruw mez pevnosti whiskeru Rum mez pevnosti monokrystalu εu mezní deformace Má extremně vysokou pevnost, po jejím překročení se chová jako normální krystal
Základní vlastnosti whiskerů whisker s g/cm3 Ru GPa E GPa Korund 3,96 15 470 SiC 3,17 21 240 Si3N4 3,18 14 380 C 2,26 19 700
Porovnání všech vláken E Gpa Ru Gpa s g/cm3 bod tání prodl % spec Ru spec E e-sklo 72,4 2,4 2,54 850 3 0,944882 28,50394 s-sklo 85,5 3,1 2,48 970 5 1,25 34,47581 HM grafit 400 2,1 1,9 3650 0,5 1,105263 210,5263 HT grafit 240 3,1 1,9 3650 1,2 1,631579 126,3158 bor 385 2,8 2,63 2300 1,064639 146,3878 křemen 72,5 5,8 2,19 1660 11 2,648402 33,10502 wolfram 414 4,2 19,3 3400 0,217617 21,45078 berylium 240 1,3 1,83 1284 0,710383 131,1475 nylon 5,7 1 1,14 18 0,877193 5 kevlar 29 63 2,8 1,4 4 2 45 kevlar49 134 2,8 1,5 2,4 1,866667 89,33333 ocel 210 1,5 7,8 1500 2 0,192308 26,92308 korund-wh 470 20 3,96 2072 5,050505 118,6869 SiC - wh 470 20 3,17 2200 6,309148 148,265 Si3N4 - wh 380 10 3,18 1900 3,144654 119,4969
Porovnání různých vláken s uhlíkovou nanotrubičkou