Adhezní síly Technická univerzita v Liberci Kompozitní materiály, 5. MI Doc. Ing. Karel Daďourek 2008
Vazby na rozhraní Mezi fázemi v kompozitu jsou rozhraní mezifázové povrchy. Možné vazby na rozhraní : Mechanická vazba Fyzikální vazba Chemická vazba
Mechanická vazba Vlastně mechanické zaklínění záleží na složitosti povrchu Žluté části matrice drží částici na jejím místě -konvexní obálka jako bychom částici obklopili gumou -Měřítko mechanického zaklínění. Velikost povrchu částice dělená velikostí povrchu konvexní obálky -Proto nemají být vlákna zcela hladká
Fyzikální vazba - Působí na vzdálenosti 0,3 až 0,5 nm - Její teoretická pevnost je 0,7 až 7 GPa - Úzce souvisí se smáčivostí obou materiálů - Dá se vyjádřit povrchovým napětím nebo povrchovou energií - Je-li možná vzájemná difuze, vytváří se silněji vázaná difuzní mezivrstva bor v oceli - U difuzního spojení je nebezpečí, že se malé částice disperze zcela rozpustí
Chemická vazba Vzniká tehdy, jestliže matrice a disperze spolu mohou chemicky reagovat Vytváří se mezivrstva chemické sloučeniny s chemickou vazbou Chemické vazby působí na vzdálenost 0,1 až 0,3 nm Jejich teoretická pevnost je 7 až 70 GPa
Příčiny špatné soudržnosti Jak je patrné, vazební síly na rozhraní jsou dostatečně velké, pokud nejsou narušené : Nedostatečné smáčení povrchy nejsou v účinné vzdálenosti, nebo jen část Nedostatečně čistý povrch mastnota, oxidy Pnutí na rozhraní důsledek různé tepelné roztažnosti a fázových přeměn Hlavní roli hraje vzájemná smáčivost
Smáčivost základní pojmy Povrchové napětí síla, potřebná ke zvětšení obvodu povrchu o jednotku. γ [N/m] Povrchová energie energie, potřebná ke zvětšení plochy povrchu o jednotku. E [J/m 2 ] Obě veličiny jsou si číselně rovny Základní rovnováha pro smáčení povrchu : G okolní plyn, S pevná látka, L smáčející kapalina
Schema smáčení v kompozitu S je povrch disperze L je kapalná matrice G je okolní plynné prostředí Silová rovnováha: γgs = γ LS + γ GL * cos θ
Smáčivé povrchy Povrch je smáčen pro γgs > γ LS, pak při růstu rozhraní LS na úkor GS klesá povrchová energie. To je tedy pro θ < π/2 Kapalina vytváří tvar podle obrázku θ = 0.. Dokonalá smáčivost, rozliv po povrchu, souvislá vrstvička θ = π/2. Mezní případ, polokoule
Nesmáčivé povrchy Povrch není smáčen pro γ GS < γ LS, tedy θ > π/2 Kapalina vytváří tvar podle obrázku, dělá jednotlivé kapičky θ = π.. Dokonalá nesmáčivost, úplná kapka na povrchu, dotek v jednom bodu θ = π/2. Mezní případ, polokoule
Vliv drsnosti povrchu Faktor drsnosti D = skutečný povrch / ideální povrch, vždy D > 1 Platí cos φdrsne = D * cos φ idealni Smáčivé. cos φ > 0, klesající, φ drsne < φ idealni - drsnost zlepšuje adhezi Nesmáčivé. cos φ < 0, rostoucí, φ drsne > φ idealni - drsnost zhoršuje adhezi Příklad aplikace - pokyny pro používání lepidel smáčivá lepidla - plochu spoje zdrsnit nesmáčivá lepidla - plochu spoje vyhladit
Určování smáčivosti Je možné experimentálně měřit úhel smáčení Pro každou pevnou látku je možné určit kritické povrchové napětí γ krit takové, že Kapaliny s γgl < γ krit smáčejí její povrch Kapaliny s γgl > γ krit nesmáčejí její povrch Povrchové úpravy ke zvětšení smáčivosti zvětšují γkrit apretace, lubrikátory Běžné u skelných vláken
Tabulky povrchových napětí Povrchové napětí kapalin : kapalina ether líh benzen olej glycerin voda rtuť γ (N/m) 15 20 30 33 64 73 480 Kritické povrchové napětí pevných látek kapaliny s menším povrchovým smáčejí jejeich povrch Pevná látka plast organická sklo kov keramika γ krit (N/m) 20-30 500-5000 80-100 400-2000 100-1000 Příklad použití - plasty jako taveniny dobře smáčejí prakticky všechno, jako pevné látky jsou ale smáčeny velmi špatně
Smáčení uvnitř pevných látek Stýkají-li se tři zrna, musí platit γ AA = 2*γ AB *cos(φ/2) Pro stejnou smáčivost zrn A A i A B musí platit φ = 120 o Je-li A-B smáčivější, je φ < 120 o Je-li A-B méně smáčivé, je φ > 120 o
Nukleace smáčivé fáze Fáze vzniká na rozhraní zrn s ostrými rohy Úhly v rozích jsou pod 120 o, tím menší, čím je smáčivost lepší Tendence ke vzniku síťoví po hranicích zrn Tavenina zatéká do všech kapilár a štěrbin
Nukleace nesmáčivé fáze Fáze vzniká na rozhraní zrn, téměř kulovitá Úhly v rozích jsou nad 120 o, tím větší, čím je smáčivost horší Tendence ke spojování zrn koagulace Tavenina nezatéká - bubliny
Způsoby měření adhezních (mechanických) napětí Je nutné rozeznávat tečné a normálové adhezní napětí, obě napětí jsou na sobě nezávislá Možnost výpočtu ze smáčivosti obtížné Měření na masivních vzorcích Měření adheze vrstvy na podložce Měření adheze technologické metody Měření přímo na kompozitech
Měření adheze - masivní vzorky Tahový test normálové adhezní napětí Smykový test tečné adhezní napětí Ohybový test tečné adhezní napětí delaminace, spoj musí být v neutrální rovině
Měření adheze vrstva na podložce Scratch test odtržení vrstvy Rockwellovým hrotem, měřítkem je síla k odtržení Mřížkový (vrypový) test dvakrát 10 vrypů kolmo na sebe, měřítkem je procento vypadlých čtverečků po odtržení izolepou Pouze porovnávací testy Komplexní hodnocení adhezních napětí
Měření adheze technologické metody Odlupovací zkouška velmi častá pro ohebné plastové vrstvy Často i pro tlusté vrstvy pružných laků Vytrhávací zkouška - jedna ze základních zkoušek pro vláknový kompozit V vytržená vlákna P přetržená vlákna Uprostřed kritická délka vlákna l k
Měření adheze přímo na kompozitu Příčný test určuje normálové adhezní napětí Podélný test s výřezy určuje tečné adhezní napětí Složité namáhání složitý výpočet napětí, proto jen přibližné
Měření adheze posouzení dobré adheze kompozitu Pozorování konců vláken při tahovém zatížení kompozitu Sledování porušení při přestřižení kompozitu
Adheze a posouzení lomu