Kompozity ve strojírenství Doplněná inovovaná přednáška Zpracoval: Jozef Kaniok Pracoviště: Katedra textilních a jednoúčelových strojů TUL Tento materiál vznikl jako součást projektu In-TECH 2, který je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem ČR.
In-TECH 2, označuje společný projekt Technické univerzity v Liberci a jejích partnerů - Škoda Auto a.s. a Denso Manufacturing Czech s.r.o. Cílem projektu, který je v rámci Operačního programu Vzdělávání pro konkurenceschopnost (OP VK) financován prostřednictvím MŠMT z Evropského sociálního fondu (ESF) a ze státního rozpočtu ČR, je inovace studijního programu ve smyslu progresivních metod řízení inovačního procesu se zaměřením na rozvoj tvůrčího potenciálu studentů. Tento projekt je nutné realizovat zejména proto, že na trhu dochází ke zrychlování inovačního cyklu a zkvalitnění jeho výstupů. ČR nemůže na tyto změny reagovat bez osvojení nejnovějších inženýrských metod v oblasti inovativního a kreativního konstrukčního řešení strojírenských výrobků. Majoritní cílovou skupinou jsou studenti oborů Inovační inženýrství a Konstrukce strojů a zařízení. Cíle budou dosaženy inovací VŠ přednášek a seminářů, vytvořením nových učebních pomůcek a realizací studentských projektů podporovaných experty z partnerských průmyslových podniků. Délka projektu: 1.6.2009 31.5. 2012
Definice - názvosloví Kompozitní materiál: tvoří materiálový systém, složený ze dvou nebo více fází, s makroskopicky rozeznatelným rozhraním mezi fázemi, dosahující vlastností, které nemohou být dosaženy kteroukoliv složkou samostatně ani prostým součtem vlastností. Jev, kdy je získán materiál s lepšími vlastnostmi, než mají jednotlivé složky samostatně, se nazývá synergický efekt. Složky kompozitů: matrice pojiva výztuže plniva
Definice - názvosloví Podle rozměru vyztužující složky dělíme kompozity na: Makrokompozity: obsahují výztuž o velikosti příčného rozměru 1-100 mm (železobeton) Mikrokompozity: obsahují výztuž o velikosti příčného rozměru 1-100 μm Nanokompozity: obsahují výztuž o velikosti příčného rozměru 1-100 nm
Definice - názvosloví Matrice: polymerní: reaktoplastická - termosety, nebo termoplastická kovová, skleněná, keramická, sklokeramická, uhlíková Výztuže: disperzní částice: prášky, vločky, mikrokuličky vrstevní částice: pásky, destičky... vlákna: - krátká, - nepřetržitá-kontinuální, (skleněná, uhlíková, polymerní, keramická, kovová) zpracovaná do textilních tkanin, rohoží, pletenin, pásků a.p. - whiskery - uhlíkové nanotrubičky
Definice - názvosloví Prepreg: prepregy jsou polotovary k výrobě vláknových kompozitů, jejichž hlavní složkou je různá forma textilní výztuže, zejména ze skleněných, uhlíkových a aramidových vláknen, která je předimpregnovaná částečně vytvrzenými pryskřicemi. Z toho důvodu mají kratší dobu skladovatelnosti a vyžadují skladování při nižších teplotách, někdy i -21º, co je činí dražšími. Prepregové listy tenké 0,1-0,5 mm se pro daný výrobek vrství do požadované tloušťky, dotvarují se ve formách a dotvrdí se působením tepla a tlaku. Hlavní výhody prepregů jsou vysoký a rovnoměrný podíl vláknové výztuže, stejnoměrnost a hladkost hotových dílů, které souvisí s předem definovatelným a přesným uložením výztuže. Z prepregů se vyrábí především kompozitní díly pro letectví a kosmonautiku.
Definice - názvosloví Whiskery: jsou monokrystalová tenká vlákna o tloušťce 1 30 mikronů a délce 0,25 25 mm, která v kompozitech ve spojení s plastickou, keramickou, nebo matricí na báze Al slitin mají mimořádné vlastnosti. Jako základní materiál se pro výrobu whiskerů používá grafit a karbid křemíku (SiC). Používají se též do vyztužování tzv. cermetů. Protože whiskery jsou velmi tenké a lehké, mohou se snadno vdechovat a na plících se neodbourávají. Platí proto za rakovinotvorné, zdravotní riziko je podobné jako u azbestových vláken. Zpracování je možné jen při nákladných ochranných opatřeních.
Definice - názvosloví Cermety: jsou kompozitní materiály vyráběné lisováním a spékáním směsi keramických a kovových prášků. Mají třikrát až čtyřikrát větší hutnost než samotný kov, jehož bývá v cermetu 30 70 %. Některé cermety jsou vysoce žáruvzdorné. Dělají se z nich tepelné štíty kosmických lodí, trysky raket či různé řezné materiály /deštičky/ pro obrábění kovů. Prekurzory: suroviny ze kterých se vyrábějí uhlíkové vlákna řízenou pyrolýzou. Asi 90% uhlíkových vláken je vyrobeno z polyakrylonitrilových vláken (PAN). Zbývajících 10% je vyrobeno z viskózových vláken, nebo ze smol dechtu, které jsou zbytky po krakovaní ropy.
Základní vlastnosti vlákenných materiálů pro výztuže do kompozitů Výsledné fyzikálně-mechanické vlastnosti kompozitů ovlivňují zejména vlastnosti použité výztuže-plniva. U vlákenných materiálů, které se jako výztuže u kompozitů používají nejvíce se posuzují zejména: Průměr vláken d [μm, nm] Hustota ρ [g/cm3 ] Pevnost v tahu Rm [GPa] Modul pružnosti E [GPa] Měrná pevnost [Rm/ρ] Teplota tání [ C] Teplotní odolnost [ C] tažnost [%]
Orientační vlastnosti vybraných materiálů do kompozitů pro srovnání materiál Průměr [μm] Hustota [g/cm³] Pevnost [GPa] Mod. E [GPa] Měrná pevnost Tržní délka [km] Tažnost [%] Teplota tání [ C] Teplotní odolnost ocel 7,87 0,3-2 210 63 Max. 254 6,5 max. 25.9 10-40 1600 500 Titanové slitiny 4,51 0,24 1,3 116 Max. 288 29,38 8-22 1668 600 Skleněná vlákna Uhlíková vlákna 5-16 2,6 2,2 4,6 70-85 Max. 1769 5-10 1,5-2,1 3,5-7 250-800 Max. 4666 180,3 2,5 850 450 475,6 1,6 4,8 3650 1000 (2000) Čedičová vlákna Kevlarové vlákna 5-20 2,7 4,8 100 1777 181,1 1450 700 1,44 3,6 60-190 2500 256 2,7-4 550 260 C 50% Dynema 0,97 3,5 80-172 3600 366 3,6 144-152 80-100 whiskery 0,05-3 2,26 3,3 20 500-1000 Max. 8850 902 3650 Len 1,52 0,84 100 552 53,21 1,8 Uhlíkové nanotrub. 0,0001-0,005 0,3 1,34 13 53 10-150 800 5000 46268 (300000) 4716 (30581) 750-1800
Komentář k tabulce Orientační vlastnosti materiálů v tabulce naznačují pro konstruktéra vynikající vlastnosti zejména keramických, uhlíkových a aramidových vláken, pro které se s výhodou využívají v kompozitech. O mechanických vlastnostech vypovídají zejména hodnoty měrné pevnosti a tržné délky, které jsou i o dva řády vyšší než u běžných ocelí. Z těchto důvodů jsou tyto materiály využívány zejména v letectví, kosmonautice, lodním, špičkovém automobilovém průmyslu, športovém odvětví a.p. Relativně novým objeveným a dále rozvíjejícím materiálem jsou uhlíkové nanotrubičky, které dosahují doposud nejvyšších fyzikálněmechanických vlastností, které svými parametry již umožňují reální úvahy nad projektem tzv. vesmírného výtahu.
Praktické využívání kompozitů v České republice Využití kompozitů v České republice je již značně rozšířeno. Jeho hromadné využití je např. v podniku LETOV LETECKÁ VÝROBA, s.r.o. technicky podporované Výzkumním a zkušebním leteckým ústavem, a.s. v Letňanech. Kompozity jsou využívány i v jiných podnicích, o čem svědčí i využívání moderních SW pro výpočet a simulace formování kompozitů zabezpečované firmou MECAS ESI s.r.o. Pro využívání kompozitů pro kusovou a malosériovou výrobu jsou dostupné polotovary v České republice např. u firmy Havel Composites CZ s.r.o. O praktickém a zajímavém využití kompozitů konstruktéra při soukromém návrhu a realizaci rámu kola z kompozitů je možné se dočíst na stránce http://www.havel-composites.com/clanky/4- Technologie/133-Vyroba-ramu-kola-z-uhlikovych-vlaken.html
Využití kompozitů v Boeingu 777 uvedeného do provozu v roce 1994 tvoří 11 %
Využití kompozitů v Boeingu 787 uvedeného do provozu v roce 2011 tvoří 50 %
Využití kompozitů v Airbuse 350 s plánováným uvedením do provozu v roce 2013 tvoří 52 %
Závěr Cílem přednášky bylo seznámit se s názvoslovím používaným při kompozitních materiálech a fyzikálně-mechanickými vlastnostmi některých vybraných materiálů ve srovnání s konstrukční a vysokopevní ocelí. Předcházející obrázky letadel Boeing a Airbuse dokládají zvyšující význam a využití kompozitů. Na závěr známý obrázek uhlíkového vlákna a lidského vlasu.