ÚVOD DO MODELOVÁN V MECHANICE MECHANIKA KOMPOZITNÍCH MATERIÁLŮ - 1 Přednáška č. 6 Prof. Ing. Vladislav Laš, CSc. 1
Kompozitní materiál skládá se ze dvou nebo více různých složek každá složka má jiné vlastnosti (mechanické, chemické) každá složka plní jinou funkci výsledné vlastnosti (výhody i nevýhody) jsou dány kombinací vlastností dílčích složek 2
ADOBE Hlína + sláma = vepřovice sláma působí jako zpevňující složka navíc kyseliny uvolněné ze slámy hlínu vytvrzují až 3x vyšší pevnost oproti samotné nepálené hlíně 3
Stavby z nepálené hlíny Huaca del Sol, Peru, 450 AD Tambo Colorado, Peru Huaca de la Luna, Peru 4 Citadela Arg-e Bam, Írán, 500 BC 2003 AD
Přírodní kompozity srdeční céva tkáně živočichů svaly, cévy, kosti, schránky pletivo rostlin dřevo kmen ořešáku ulita loděnky 5
Kompozity na bázi dřeva dřevovláknité desky (dřevotříska, sololit) lisované, lepené třísky, piliny překližky lepené vrstvy dřeva Egypt 3500 BC pykrete piliny v ledu 2. světová válka De Havilland Mosquito Habakkuk 6
CERMET Kompozity na bázi keramiky keramická matrice + kovová výztuž keramika tepelná odolnost kov tažnost (nikl, molybden, kobalt) zubní výplně protézy, elektronické součástky, povrch raketoplánu, jaderné reaktory Atlantis 7
MMC Kompozity na bázi kovů matrice: hliník, hořčík, titan, ocel tepelná vodivost výztuha: vlákna z uhlíku, boronu, SiC tuhost, pevnost Porsche Boxter auto-brzdy, bloky motoru, vrtáky, rámy kol Specialized S-Works 8
FRP Kompozity na bázi polymerů matrice (s různými příměsmi) termoplasty (lze opakovaně tepelně zpracovávat) polyetylen, polystyren, PVC, PET termosety (nelze opakovaně tepelně zpracovávat, pevnější, použití za vyšších teplot) epoxidová, polyimidová, polyesterová, fenolická pryskyřice, bakelit (1907) výztuha (s různými povlaky) dřevo, sklo (1922), uhlík (1964), kevlar / aramid (1965), hliník, bor vlákna krátká, dlouhá (kontinuální) částice tkaniny (1D), 2D, 3D Airbus A380 Aston Martin DBR9 9
Produkty 10
Speciální kompozity uhlík-uhlík (RCC) vysoká tepelná odolnost uhlíková nanovlákna (CNT) vylepšují vlastnosti matrice BMC Bugatti Veyron Columbia 1 kg = $8000 11
Osobní automobil HONDA 12
Kompozity obecně = Materiály složené ze dvou či více složek přírodních či umělých složek majících rozdílné mechanické vlastnosti přírodní (dřeva, kosti, zuby, atd.) umělé = Materiály cíleně složené z vhodných materiálů složkových: Pojiva (matrice) Plniva (částice, zrna, kuličky, vločky) Kompozity umělé Výztuže (vlákna krátká, dlouhá, nekonečná) 13
Proč vůbec vláknové kompozity? Vlákna mají v podélném směru nejvyšší specifické pevnosti a specifické moduly pružnosti Základní trik návrhu dílu z vláknového kompozitu: Dát vlákna tam kde je třeba, kolik je jich třeba, orientovaná do směru hlavního napětí. 14
Výhody a nevýhody FRP + nízká hmotnost + vysoká tuhost a pevnost + směrově orientované vlastnosti + tepelná, chemická odolnost, ohnivzdornost + nižší tepelná roztažnost + elektrická a tepelná vodivost cena konstrukční návrh, výroba spoje, opracovatelnost, recyklace defektoskopie, opravy 15
Vývoj Kompozitní materiály 19. století výztuž zdiva ocelovými tyčemi předepjatý beton poč. 20. století fenolové pryskyřice + azbestová vlákna 1942 první laminátový člun (letectví, elektrotechnika) 1946 metoda vinutých vláken 1950 zavedení vinutých vláken do raketové techniky 1960 vlákna z vysokopevnostního C 1970 kompozity s kovovými matricemi (bor, hliník,..) 70. léta expanze kompozitních materiálů v letectví, automobilovém průmyslu, sportovním průmyslu, aj. 21. století 16
Kompozity lze rozdělit dle specifických vlastností jejich výztuže: - podle velikosti výztuže: - makrokompozity (velikosti řádově v mm až cm) - mikrokompozity (řádově v µm) - nanokompozity (řádově v nm) - podle orientace výztuže: - preferovaná - náhodná - podle tvaru výztuže: - částicové (izometrický či anizometrický tvar) - vláknové (kontinuální či diskontinuální vlákna) 17
částicový kompozit - izometrický částicový kompozit anizometrický (vločkový) vláknový kompozit 18
Základní pojmy Vlákna Pevnost vlákna je vždy významně větší než pevnost stejného materiálu v kompaktní formě. Příčinou je: a) malý příčný průřez vláken, v tenkých vláknech jsou minimalizovány rozměry vrozených vad materiálu a také nebezpečnost povrchových vad je při malých příčných rozměrech menší (menší průměr = menší povrch), existující vady jsou mikroskopické a orientovány v podélném směru vlákna. b) přednostní nasměrování pevných kovalentních meziatomových vazeb v podélném směru vlákna Existují tři široce používané druhy vláken: a) skleněná b) aramidová (známá pod obchodním označením kevlar) c) uhlíková 19
Vlákna Vlákna lze obecně vyrábět z několika druhů materiálů o různých průměrech: - skleněná průměr vlákna 5 15 µm - uhlíková 4 8 µm - polymerní 5 15 µm - keramická - kovová - přírodní Aramidové, uhlíkové a skleněné vlákno 20
Vlákna Orientace vláken v matrici a) jednosměrné uspořádání kontinuálních vláken b) dvouosá orientace, křížově položené jednosměrné prepregy nebo tkanina c) rohož, nahodilá orientace kontinuálních nebo krátkých vláken (netkaná textilie) d) víceosá výztuž z kontinuálních vláken (sešité jednosměrné vrstvy nebo tkaniny) a c b d 21
Vlákna Základní mechanické vlastnosti Typ vlákna Sklo Aramid HS - uhlík HM - uhlík Modul pružnosti v podélném směru E fl (MPa) 74 000 130 000 230 000 390 000 Modul pružnosti v příčném směru E ft (MPa) 74 000 5 400 15 000 6 000 Modulu pružnosti ve smyku G flt (Mpa) 30 000 12 000 50 000 20 000 Pevnost v tahu σ fl (MPa) 2 100 3 000 5 000 3 800 Hustota (kgm -3 ) ρ 2 500 1 500 1 600 1 700 22
Matrice Čtyři hlavní typy polymerních pryskyřic tvořící matrici jsou používány pro výrobu kompozitních materiálů: - epoxidové - polyesterové - fenolové - polyamidové Hlavní funkce matrice (pryskyřice) jsou: a) udržet vlákna ve správných pozicích b) pomáhat distribuovat napětí c) chránit vlákna před poškozením abrazí d) kontrolovat elektrické a chemické vlastnosti e) zajišťovat interlaminární pevnost 23
Matrice Ve vytvrzeném kompozitu jsou požadovány tyto vlastnosti: - adhezivní pevnost - teplotní odolnost - únavová pevnost - chemická odolnost a odolnost proti vlhkosti - vysoký poměr deformace a pevnosti 24
Matrice Základní mechanické vlastnosti Druh pryskyřice Epoxidové Polyesterové Fenolové Polyimidové Modul pružnosti E m (MPa) 4 500 4 000 3 000 4 000-19000 Poissonova konst. ν m ( - ) 0.4 0.4 0.4 0.35 Modulu pružnosti ve smyku G m (MPa) 1 600 1 400 1 100 1 100 Pevnost v tahu σ pm (MPa) 130 80 70 70 Hustota ρ (kgm -3 ) 1 200 1 200 1 300 1 400 Maximální teplota T max ( o C) 90-200 60-100 120-200 250-300 25
Klasifikace Rozdělení kompozitů 26
Lamináty - tah [0 2 /90 2 ] [+45 2 / 45 2 ] 27
Sendvičové materiály Tvoří značnou část kompozitních materiálů využívaných k konstrukci. Slepením nebo svařením dvou tenkých vrstev spolu s lehkým jádrem. Vlastnosti: Nevýhody: - velmi lehké - vysoká ohybová pevnost a tuhost - velmi dobrá teplená izolace - nízká odolnost proti ohni - riziko ztráty stability 28
Kontakní formování Váleček Výztuž: sklo, kevlar Matrice: polyesterová pryskyřice Separátor + gel coat 29
Lisování protikus Výztuž + matrice forma Separátor + gel coat 30
Vakuování Těsnicí tmel Krycí fólie Atmosférický tlak Plsť Vývěva Laminát Separátor 31
Vstřikování (termosety) Vyhřívaná forma Směs vláken + termosetická pryskyřice Protikus formy 32
Vstřikování (termoplasty) Topné těleso Směs vláken + termoplastická pryskyřice 33
Navíjení vláken (1) Vlákno, tkanina Topné těleso (polymerizace) 34
Navíjení vláken (2) Sklo, kevlar Pryskyřice 35
Tváření profilů - pultruze Pryskyřice Skelná tkanina, vlákno Polymerizační pec 36
Základní pojmy MKM Vztah mezi napětím a deformací u jednosměrného kompozitu σ L Při působení : ε L 1 = σ L ; E L ε T = ν LT ε T = ν E LT L σ L L longitudinal T transverse σ T Obdobně při působení : ε T 1 = σ T ; E T ε L = ν TL ε T = ν TL σ T E T Při namáhání na smyk σ γ LT = G LT LT 37
38 Při působení a současně Maticově T T TL L L L E E σ ν σ ε = 1 T T L LT T E E σ ν ε 1 + = LT LT LT σ σ γ 1 = = LT T L LT T L LT T TL L LT T L E E E E σ σ σ σ ν ν γ ε ε 1 0 0 0 1 0 1 1 = = = S C Cε, σ σ, S ε L σ T σ, LT σ