Kap. 1 Vláknové kompozitní materiály, jejich vlastnosti a výroba Informační a vzdělávací centrum kompozitních technologií & Ústav mechaniky, biomechaniky a mechatroniky FS ČVUT v Praze 26. října 2007 1
Úvod 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. 2
Úvod Kompozity obecně = Materiály složené ze dvou či více složek přírodních či umělých přírodní (dřeva, kosti, zuby, atd.) umělé Kompozity umělé = Materiály cíleně složené z vhodných materiálů složkových: Pojiva (matrice) Plniva (částice, zrna, kuličky, vločky) Výztuže (vlákna krátká, dlouhá, nekonečná) 3
Úvod Kompozity lze rozdělit dle specifických vlastností jejich výztuže: - podle velikosti výztuže: - makrokompozity (velikosti řádově vmm ažcm) - 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) 4
Úvod částicový kompozit - izometrický částicový kompozit anizometrický (vločkový) vláknový kompozit 5
Vlákna 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 6
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 7
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 b c d 8
Vlákna Všechna vlákna mají společné technologické a hodnotící parametry: Tex (udáváno v g/km) a hustota vláken určují velikosti průřezu pramence vláken. Pro stejné účely tzv. číslo K a průměr vlákna se používají zvláště v případě uhlíkových vláken, kde K (řádově 10 3 ) je počet vláken v pramenci. Další důležitý parametr je zkroucení vlákna. Obvykle jsou nejnamáhanější struktury vyrobeny z vláken s nulovým zkroucením. Fiber Sizing je povrchová úprava pramenců pro lepší adhezi k matrici. Je tvořena pryskyřicí (bez tvrdidla) a zlepšuje manipulaci s vláknem. 9
Vlákna 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 10
Vlákna Porovnání cen vláken 2000 cena (v %) 1500 1000 500 0 sklo aramid HS - uhlík HM - uhlík (cena skleněného vlákna = 100%) 11
Matrice Matrice Čtyři hlavní typy polymerních pryskyřic tvořící matrici jsou používány pro výrobu kompozitních materiálů: - epoxidové - polyesterové - fenolové - polyimidové 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 12
Matrice Ve vytvrzeném kompozitu musí jsou požadovány tyto vlastnosti: - adhezivní pevnost - teplotní odolnost - únavová pevnost - chemická odolnost a odolnost proti vlhkosti - vysoký poměr deformace a pevnosti 13
Matrice Většina namáhaných kompozitových struktur je v současnosti vyráběna z epoxidových pryskyřic. Proč jsou epoxidy tak široce používané? - dobrá adheze k vláknům - nízké smrštění během vytvrzování - dobrá chemická odolnost -různé pevnostní a tuhostní charakteristiky - creepová a únavová odolnost - neobsahují styrén, nejsou toxické - mohou být samozhášivé 14
Matrice 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 15
[1] 16
[1] 17
[1] 18
[1] 19
xxx 20
Výroba kroky při formování VÝZTUŽ MATRICE Impregnace (prosycení) Umístění směsi na formu Zpevnění Polymerizace Demontáž forem Konečná úprava 21
Výroba Váleček Výztuž: sklo, kevlar Matrice: polyesterová pryskyřice Separátor + gel coat Kontaktní formování 22
Výroba protikus Výztuž + matrice forma Separátor + gel coat Lisování 23
Výroba Těsnicí tmel Krycí fólie Atmosférický tlak Plsť Vývěva Laminát Separátor Vakuování 24
Výroba Biologická ochrana Urychlovač 20 kw 10 MeV Laminát pod tlakem Elektronový svazek Rentgenové záření Elektronové nebo rentgenové tváření 25
Výroba Pryskyřice Tváření pomocí vstřikování pryskyřice (matrice) 26
Výroba Vyhřívaná forma Směs vláken + termosetická pryskyřice Protikus formy Tváření pomocí vstřikování směsi vláken a pryskyřice 27
Výroba Topné těleso Směs vláken + termoplastická pryskyřice Tváření pomocí vstřikování směsi vláken a termoplastické pryskyřice 28
Výroba Forma Isokyanát Protikus formy (nízký tlak a teplota) Směs isokynát + polyol Polyuretan. pěna Polyol + sekaná vlákna Tváření pomocí vstřikování pěny 29
Výroba Pryskyřice Výztuž - tkanina Forma Vytápění Výztuž krátká vlákna Odstředivé tváření 30
Výroba Vlákno, tkanina Topné těleso (polymerizace) Vláknové navíjení 31
Výroba Sklo, kevlar Pryskyřice Vláknové navíjení členěný trn 32
Výroba Pryskyřice Skelná tkanina, vlákno Celulózová fólie Polymerizační pec Celulózová fólie Tváření panelů 33
Výroba Pryskyřice Skelná tkanina, vlákno Polymerizační pec Tváření profilů 34
Výroba Předehřátá deska Skelná rohož, tkanina Chlazená matrice Bucharové tváření 35
Výroba Cívkové tváření 36
Zdroje [1] Gay D.: Reinforced Plastics. Matériaux composites, Hermes, Paris, 1997 37