FAKULTA STROJNÍ Ústav materiálového inženýrství DIPLOMOVÁ PRÁCE Materiálové charakteristiky a struktura kompozitních materiálů pro malé sportovní letouny Miroslav HRUDŇÁK 2003 / 2004
Prohlášení Prohlašuji, že jsem tuto diplomovou práci vypracoval samostatně za odborného vedení vedoucího diplomové práce Doc. Ing. Jiřího CEJPA, CSc. a konzultanta Ing. Ivana JEŘÁBKA, OL FS ČVUT. Dále prohlašuji, že veškeré podklady, ze kterých jsem čerpal jsou uvedeny v seznamu použité literatury 15. červenec 2004 Miroslav HRUDŇÁK
Poděkování Na tomto místě bych rád poděkoval všem, kteří mi pomáhali při tvorbě této práce, a své rodině za duševní a materiální podporu v průběhu celého studia.
1 Obsah 1 Obsah...5 2 Použité zkratky a značení...7 3 Úvod...8 4 Kompozity...9 4.1 Úvod...9 4.2 Základní charakteristiky kompozitů...10 4.2.1 Matrice kompozitů...10 4.2.2 Výztuže kompozitů...13 4.3 Rozdělení kompozitů...21 4.3.1 Částicové kompozity...21 4.3.2 Vláknové kompozity...22 4.4 Technologie výroby kompozitů...23 5 Zkoušení kompozitů...25 5.1 Úvod...25 5.2 Druhy zkoušek...26 5.2.1 Zkouška tahem...26 5.2.2 Zkouška tlakem...26 5.2.3 Zkouška smykem...27 5.2.4 Zkouška interlaminárním smykem ( Short-Beam Shear )...28 5.2.5 Zkouška ohybem...29 5.3 Vyhodnocení zkoušek...29 6 Kompozitní materiály používané pro malé sportovní letouny...30 6.1 Úvod...30 6.2 Materiály kompozitních dílů...30 6.2.1 Matrice...30 6.2.2 Výztuže...30 6.3 Technologie výroby kompozitních dílů...32 6.4 Použití kompozitních dílů v konstrukci...32 7 Experimentální část...35 7.1 Experimentální materiál...35 7.2 Příprava vzorků...36 7.2.1 Výroba předlaminovaných desek...36 7.2.2 Vyřezávání vzorků...37 7.2.3 Kompletace vzorků...38 7.2.4 Označení vzorků...39 7.2.5 Příprava pro měření...40 7.3 Provedené zkoušky...40 7.3.1 Zkouška tahem...41 7.3.2 Zkouška tlakem...43 7.3.3 Zkouška interlaminárním smykem ( Short-Beam Shear )...44 8 Výsledky a jejich diskuse...47 8.1 Výsledky zkoušek...47 8.1.1 Zkouška tahem...47 8.1.2 Zkouška tlakem...47 8.1.3 Zkouška interlaminárním smykem ( Short-Beam Shear )...47 Miroslav HRUDŇÁK - 5-2003/2004
8.2 Materiálové charakteristiky kompozitů dle použité výztuže...56 8.2.1 Kompozity s výztuží z rovingů...56 8.2.2 Kompozity s výztuží z jednosměrné tkaniny...60 8.2.3 Kompozity s výztuží z tkanin...63 8.3 Změny materiálových charakteristik kompozitů vlivem klimatických podmínek zkoušek...76 8.3.1 Vliv klimatických podmínek zkoušek na změny pevnosti...81 8.3.2 Vliv klimatických podmínek zkoušek tahem na změny modulu pružnosti...81 8.3.3 Vliv klimatických podmínek zkoušek tahem na změny Poissonova čísla...81 9 Závěr...82 10 Doporučení na dopracování...83 11 Seznam použité literatury...84 12 Přílohy...86 Miroslav HRUDŇÁK - 6-2003/2004
2 Použité zkratky a značení APA aromatický polyamid E [GPa] modul pružnosti E f [GPa] modul pružnosti ve směru vláken E 1 [GPa] modul pružnosti v podélném směru vláken E 2 [GPa] modul pružnosti v příčném směru vláken G [GPa] modul pružnosti ve smyku PAN polyakrylonitril PBI polybenzimidazol PBO polyparafenylenbenzobisoxazol T g [ ] teplota skelného přechodu T m [ ] teplota tání krystalů UHMW PE ultravysokomolekulární polyethylen UP polyurethanové pryskyřice UV ultrafialové záření VE vinylesterové pryskyřice α l [K -1 ] délková roztažnost ε [-] poměrné prodloužení γ kp [MJ/m 2 ] povrchová energie na rozhraní kapalné a plynné fáze γ tk [MJ/m 2 ] povrchová energie na rozhraní tuhé a kapalné fáze γ tp [MJ/m 2 ] povrchová energie na rozhraní tuhé a plynné fáze ν [-] Poissonovo číslo θ [ ] kontaktní úhel ρ [kg/m 3 ] hustota σ o [MPa] pevnost v ohybu σ pd [MPa] pevnost v tlaku σ pd1 [MPa] pevnost v tlaku v podélném směru vláken σ pd2 [MPa] pevnost v tlaku v příčném směru vláken σ pt [MPa] pevnot v tahu σ pt1 [MPa] pevnost v tahu v podélném směru vláken σ pt2 [MPa] pevnost v tahu v příčném směru vláken τ [MPa] pevnost ve smyku τ p12 [MPa] pevnost ve smyku v rovině vrstvy τ SBS [MPa] pevnost v interlaminárním smyku ( Short-Beam Shear ) [m] průměr Miroslav HRUDŇÁK - 7-2003/2004
3 Úvod Kompozitní materiály jsou velmi často užívány současnou moderní výrobní technologií, zejména díky možnosti navrhovat velmi lehké konstrukce s vysokými hodnotami mechanických vlastností. Jedná se o parametry měrné pevnosti, modulu pružnosti, houževnatosti a odolnosti proti únavě. Tyto charakteristiky jsou na stejné úrovni jako u slitin hliníku nebo titanu či jsou dokonce lepší. Použití kompozitů může rovněž vést k výraznému zvýšení životnosti konstrukce. [1] Cílem diplomové práce je experimentálně vyhodnotit základní materiálové charakteristiky kompozitních materiálů. Na základě statistické analýzy používaných materiálů při výrobě malých sportovních letounů provedené v rámci Centra leteckého a kosmického výzkumu, byly ve spolupráci s Odborem letadel ČVUT vybrány nejčastěji používané materiály. Úkolem diplomové práce bylo provedením zkoušek tahem, tlakem, smykem, interlaminárním smykem a ohybem stanovit materiálové charakteristiky a vyhodnotit vliv různých klimatických podmínek na stanovené materiálové charakteristiky deseti vybraných materiálů při zatížení v podélném, příčném a pod úhlem 45 vůči směru vláken. Experimentální program vyžadoval adaptaci speciálních zkušebních přípravků pro možnost montáže na použité zkušební zařízení. Byly provedeny soubory měření při různých klimatických podmínkách na deseti vybraných materiálech při orientaci vláken 0, 45 a 90 vůči směru zatěžující síly. Naměřené hodnoty budou součástí databáze kompozitních materiálů vznikající v rámci Centra leteckého a kosmického výzkumu (dále jen CLKV). Tato bude sloužit jako podklad pro návrh leteckých konstrukcí. Miroslav HRUDŇÁK - 8-2003/2004
4 Kompozity 4.1 Úvod Myšlenka vzájemné kombinace různých materiálů do jednoho výsledného celku je velmi stará. Tímto způsobem lze využít příznivých vlastností jednotlivých materiálů a potlačit jejich vlastnosti nevýhodné. Člověk se v tomto ohledu mnohé naučil od přírody, která ve svých funkčních strukturách, jakými jsou například živé organismy, využívá kompozitního principu velmi hojně. Typickými příklady jsou struktury dřeva nebo včelí plástve, které kombinují prvky zajišťující odolnost proti mechanickému namáhaní s prvky zabezpečujícími další funkce, například přenos látek nutných pro vývoj struktury. V technické praxi je znám velký počet materiálů připravených s využitím uvedeného principu, z nichž jsou vyrobeny jak běžné věci jako například lyže, tenisové rakety či části lodí, tak i aplikace méně běžné, jako například komponenty zařízení vysílaných do kosmického prostoru. Kompozitů jako materiálu se používá v moderní technice na základě možnosti navrhovat velmi lehké konstrukce s vysokými hodnotami mechanických vlastností, které jsou na stejné úrovni jako např. u slitin hliníku nebo titanu a nebo dokonce lepší. Jedná se o hodnoty měrné pevnosti a modulu pružnosti, houževnatosti a odolnosti proti únavě. Výrazně mohou zvětšit životnost konstrukce, mají též menší nároky na údržbu. Mezi další výhody kompozitních materiálů jako materiálu patří: nízká teplotní dilatace odolnost proti korozi pozvolný postup poruchy vysoká odolnost proti vibracím dobrá rázová pevnost Hlavní důvody pro používání kompozitů jsou jejich skvělé materiálové charakteristiky. Značných výhod oproti klasickým materiálům dosahují kompozitní materiály také při výrobě, kde se tímto způsobem minimalizuje počet vyráběných dílů, které mohou být navíc produkovány ve velkých technologických celcích, díky čemuž klesá pracnost. Při kladení materiálu lze plynule měnit tloušťku vrstvy, čehož by při klasických technologiích bylo dosaženo pouze chemickým frézováním. Složité tvary povrchů s dvěma rovinami křivosti jsou mnohem snáze vyrobitelné s nesrovnatelně lepší kvalitou povrchu. Zmíněné technologické vlastnosti mohou být rozhodujícím hlediskem pro použití kompozitů, než jejich materiálové charakteristiky. Kompozity mají bohužel i své stinné stránky a to hlavně při konstrukci, protože dodatečné aplikace na jednotlivé díly nejsou většinou výhodné. Kompozity jsou velice citlivé na technologickou kázeň při výrobním procesu (poměry matrice a výztuže, orientace vláken, manipulace s prepregy, vytvrzování, ), kdy ve výrobním procesu utváříme Miroslav HRUDŇÁK - 9-2003/2004
konečné materiálové vlastnosti na rozdíl od kovových materiálů. Vlastnosti kompozitů ovlivňuje, kromě jiných parametrů, teplota a také okolní prostředí, z čehož vyplývá složitější systém pevnostních zkoušek. Přes tyto uváděné problémy současný rozmach používání kompozitů v nejrůznějších odvětvích naznačuje, že jejich výhody jednoznačně převažují. [2] [1] [3] 4.2 Základní charakteristiky kompozitů Pod pojmem kompozit chápeme materiál složený minimálně ze dvou chemicky a fyzikálně odlišných fází z nichž první fáze tzv. matrice slouží k uložení druhé tzv. výztuže, většinou zpevňující fáze. Výztuž bývá většinou tvrdší, tužší a pevnější nespojitá složka, která má ve srovnání s matricí o jeden až dva řády vyšší pevnost a tuhost. Pokud je výztuž v podobě vláken, deformují se méně než matrice a tak nesou veškeré napětí působící na kompozitní dílec. Matrice bývá spojitá a obvykle poddajnější složka a tím je prakticky bez napětí. Abychom vícefázový materiál mohli zařadit mezi kompozity musí splňovat následující podmínky: podíl výztuže musí být větší než 5 % vlastnosti výztuže a matrice se liší, výztuž je významně pevnější v tahu a obvykle tužší než matrice kompozit musí být připraven smícháním složek Kompozitní materiály mohou obsahovat vyztužující fáze různých rozměrů od těch nejmenších u nanokompozitů - rozměr výztuže (délka nebo průměr vlákna) se pohybuje v řádu 10 0 nm, dále pak u mikrokompozitů největší příčný rozměr výztuže v rozmezí 10 0 až 10 2 µm, které mají v průmyslu největší význam. Mikrokompozitní materiály mají oproti kovům a jejich slitinám menší hustotu a tedy příznivý poměr pevnosti v tahu a modulu pružnosti k hustotě, čímž dosahují velké měrné pevnosti (σ pt /ρ) a měrného modulu (E/ρ). Až po největší rozměry vyztužující fáze u makrokompozitů o velikosti příčného rozměru 10 0 a 10 2 mm a jsou používány především ve stavebnictví (železobeton, tj. beton zpevněný ocelovými lany nebo pruty), jiným příkladem mohou být plátované kovy, vícevrstvé materiály a konstrukce (např. chodníky a vozovky). [4] [5] 4.2.1 Matrice kompozitů Matrice má v kompozitu několikerou úlohu: zajišťuje spojení výztuže v kompaktní celek (tvar a povrch výrobku), udržuje výztuž v požadovaném směru vůči namáhání, zprostředkovává přenos vnějších napětí na výztuž, odděluje vzájemně jednotlivé částice výztuže od sebe a zabraňuje tak spojitému šíření trhliny a nakonec chrání výztuž před účinky vnějšího prostředí. Funkci pojiva by si matrice měla udržet i po prvních poruchách výztuže a její poměrné prodloužení při přetržení by mělo být větší než mezní prodloužení výztuže. Tento požadavek Miroslav HRUDŇÁK - 10-2003/2004
splňují pouze polymerní a kovové matrice. Na obr. 1 jsou schematicky znázorněny křivky napětí σ poměrné prodloužení ε různých matric v porovnání s křivkou σ-ε standardního uhlíkového vlákna. σ σ σ uhlíkové vlákno uhlíkové vlákno uhlíkové vlákno keramika polymer Al slitina grafit ε ε ε Obr. 1 - Schematické znázornění rozdílů v křivkách tahové napětí σ poměrné prodloužení ε různých matric v porovnání s tahovým chováním standardního uhlíkového vlákna z PAN. Keramické a uhlíkové matrice mají poměrné prodloužení při přetržení menší než standardní uhlíkové vlákno. Je-li matrice v kapalném stavu (polymerní, kovová, skleněná a sklokeramická), tak je příprava kompozitů nejsnadnější. K základním charakteristikám kapalné matrice patří povrchová energie a viskozita. Pokud požadujeme dokonalé obklopení výztuže matricí. Potom je nezbytné, aby došlo k dobrému smáčení výztuže, tj. aby při vysoké energii volného povrchu výztuže měla kapalná matrice co nejmenší povrchovou energii. O dobré smáčivosti kapalné fáze rozhoduje co nejmenší hodnota poměru rozdílu γ tp povrchové energie napětí na rozhraní tuhé a plynné fáze a γ tk povrchové energie na rozhraní tuhé a kapalné fáze ku γ kp povrchové energii na rozhraní kapaliny a plynu, který je obsažen ve vztahu pro kontaktní úhel Θ (úhel smáčení): γ tp γ tk cos Θ = (1) γ kp Na obr. 2 je znázorněn tvar kapky matrice na tuhém povrchu, kde vlevo je zobrazen příklad dobré smáčivosti a vpravo je příklad špatné smáčivosti. γ kp Θ Θ γ kp γ tk γ tp γ tk γ tp Obr. 2 - Znázornění povrchových energií a kontaktního úhlu Θ u kapky na tuhém povrchu. Není-li použito při impregnaci výztuže přetlaku, bude dobré prosycení (impregnace) výztuže dosaženo jen při malé viskozitě matrice. Této podmínce vyhovují reaktoplasty s reaktivním rozpouštědlem, které snadněji prosycují vláknovou výztuž než epoxidové Miroslav HRUDŇÁK - 11-2003/2004
pryskyřice, které neobsahují rozpouštědlo a mají proto větší viskozitu. Kterou bohužel disponuje i většina tavenin termoplastů. Naopak malou viskozitu mají roztavené kovy, ale většinu výztuží špatně smáčejí, poněvadž jejich povrchová energie - γ kp je velká. Povrchovou energii tavenin kovů lze zmenšovat vhodnými přísadami a smáčení výztuže podporovat úpravou jejího povrchu. Taveniny skel a sklokeramiky jsou málo tekuté, a proto je nutné vyvinout v kapalné matrici větší tlak, aby bylo dosaženo dobrého prosycení výztuže. Matrice mohou být: polymerní kovové skleněné, sklokeramické, keramické uhlíkové Kromě velké měrné pevnosti a měrného modulu pružnosti jsou kompozity s polymerní matricí používány také proto svou dobrou korozivzdornost a chemickou odolnost, dobré dielektrické vlastnosti a elektrickou nevodivost (pouze kompozity se skleněnými, křemennými nebo polymerními vlákny) a pro dobrou propustnost pro rentgenové záření (kompozity s uhlíkovými vlákny). Polymerní matrice se dělí na dvě základní skupiny a to na reaktoplasty a termoplasty. Reaktoplasty mají při teplotě 20 C pevnost v tahu 20 až 80 MPa a modul pružnosti - E v rozmezí 2 až 5,2 GPa. Při výběru vhodné polymerní matrice rozhodují požadované mechanické vlastnosti kompozitu a jeho tepelná či chemická odolnost, eventuálně další vlastnosti (dobré kluzné vlastnosti, zdravotní nezávadnost, odolnost při rozpouštědlům a agresivnímu prostředí,.). Termoplast je většinou houževnatější než reaktoplast, mez kluzu (případně pevnost) při teplotě 20 C je ale také menší než 100 MPa a modul pružnosti se pohybuje od 2 do 4 GPa. Maximální pracovní teplota závisí na nadmolekulární struktuře termoplastu u amorfních plastů je v průměru o 50 C menší než teplota skelného přechodu (T g ), u semikrystalických termoplastů je o 50 až 100 C menší než teplota tání krystalů (T m ). Použití kovové matrice pro kompozity má proti nejčastěji používané polymerní matrici některé výhody, např. elektrickou vodivost, teplotní vodivost, nehořlavost, smykovou pevnost, tvárnost, odolnost obrusu, možnost povlakování, spojování, tvarování, vyšší tepelnou odolnost, odolnost vlhkému prostředí a erozi i povrchovému poškození. Proti tomu specifické vlastnosti (pevnost, tuhost) za normálních teplot jsou nižší než u polymerních kompozitů a také výrobní nároky jsou podstatně vyšší. V současné době se soustřeďuje zájem zejména na tři skupiny kovových matric, určených pro různé teplotní rozsahy použití: hliníkové slitiny pro teploty 300 až 400 C, titanové slitiny pro teplotní rozsah 500 až 600 C a superslitiny na bázi niklu, železa a kobaltu pro 1000 až 1150 C. Matrice keramických kompozitu může být ze skla, sklokeramiky a konstrukční keramiky. Matrice jsou křehké, silně vrubově citlivé a mají malé poměrné prodloužení při přetržení (většinou menší než vlákna). Tuhá a křehká matrice (E = 400 GPa) špatně přenáší zatížení do vláken. Kovová vlákna (W, Ta, Nb nebo Mo) zvětšují lomovou energii kompozitů s keramickou matricí. Maximální objemový podíl vláken je 50 %, při větším Miroslav HRUDŇÁK - 12-2003/2004
obsahu vláken je matrice pórovitá. U těchto matric se využívá jejich tepelné a chemické odolnosti. Uhlíkové matrice se používají v kompozitech uhlík-uhlík. Byly vyvinuty pro součásti, které jsou vystaveny extrémně vysokým teplotám, např. trysky raket, disky a třecí elementy letadlových brzd, tepelná izolace u raketoplánu. Jsou složené z uhlíkové matrice, která může být vyztužena tkaninou z uhlíkových vláken, 3-D tkaninou,. v závislosti na aplikaci. Křehká a málo pevná uhlíková matrice je tvořena drobnými krystaly pyrolytického grafitu, který vznikne pyrolýzou fenolformaldehydové pryskyřice nebo mesofázové smoly. Mechanismus lomového chování je stejný jako u kompozitu s keramickou matrici. Modul pružnosti E grafitové matrice je 15 až 25 GPa. [1] [4] [6] [7] 4.2.2 Výztuže kompozitů Výztuž je možno považovat za takovou složku kompozitu, kvůli níž se kompozit vytvořil. Má některou výhodnou vlastnost, kterou je žádoucí uplatnit a využít v daných podmínkách, ale není to možné v elementární podobě výztuže přímo, protože jiné její vlastnosti to přímo neumožňují. Výztuže se dají dělit podle různých hledisek: podle tvaru a velikosti, podle materiálu, podle použité matrice, Při rozdělení podle tvaru a velikosti se používá štíhlostního poměru, definovaného jako podíl největšího a nejmenšího rozměru výztuže. Rozdělení podle tvaru a velikosti: částice které mají hodnotu štíhlostního poměru < 10 o izometrické (tvar koule nebo elipsoidu) štíhlostní poměr = 1 o anizometrické (tvar destiček nebo jehlic) štíhlostní poměr > 1 vlákna které mají hodnotu štíhlostního poměru > 10 o diskontinuální (krátká vlákna) štíhlostní poměr řádově v desítkách až stovkách o kontinuální (vláknové monokrystaly) štíhlostní poměr = jednosměrné tkaniny tkaniny a rohože prostorové tkaniny a pleteniny Na tvaru částice závisí vyztužení kompozitu (kulové částice < destičkové částice < skleněná vlákna), z toho vyplývá že zpevnění roste se zvyšující se anizotropií částic. Zvyšující se množství výztuže zesiluje jeho účinek, při překročení určité hranice však dochází ke ztrátě mechanických vlastností. Proto je nutná optimalizace složení kompozitu jak z hlediska použité matrice a výztuže, tak z hlediska plánovaného použití materiálu. Miroslav HRUDŇÁK - 13-2003/2004
Částice mají buď přímo minerální původ a jsou jen průmyslově zpracovány, nejčastěji mechanickým mletím na nejvhodnější tvary a velikosti,nebo jsou průmyslově vyráběna z přírodních materiálů při chemické změně výchozích surovin. Existují i další významné minerální výztuže např. mastek, kaolín, slída, skleněné kuličky, Tvar a velikost minerálních výztuží jsou dány procesem jejich výroby. Anorganické částice jsou obvykle do materiálu přidávány za účelem zlepšení jeho tuhosti v širokém teplotním rozsahu se významně zvyšuje modul pružnosti v tahu, zlepšuje se tak tvarová stálost za tepla a rozšiřuje teplotní interval použití kompozitu. Použití elastomerních částic zlepšuje houževnatost kompozitu a navíc kulovité částice obecně snižují pevnost a zvyšují tažnost kompozitu. Pro zlepšení kluzných vlastností a zvýšení odolnosti proti otěru je možno kombinovat částice bronzu s částicemi grafitu, sulfidu molybdenu nebo polytetrafluorethylenu. Výztuže ve tvaru vláken, mohou být dlouhá, nepřerušená po celé délce součásti, nebo krátká. Vlákna mohou být uspořádána v jednom směru, ve dvou směrech nebo chaoticky, mohou být také uspořádána jako tkanina nebo pletenina. Pevnost vlákna je vždy významně větší než pevnost stejného materiálu v kompaktní formě. Příčinou je malý příčný průřez vláken. V tenkých vláknech jsou minimalizovány rozměry vrozených vad materiálu a také nebezpečnost povrchových vad je při velmi malých příčných rozměrech menší. Vady existují jen v podobě submikroskopických až mikroskopických trhlinek a dutinek. Další příčinou, která byla experimentálně zjištěna, je přednostní nasměrování pevných kovalentních meziatomových vazeb ve směru podélné osy vlákna. Sdružením elementárních vláken vznikají prameny, které jsou dále zpracovány na následující polotovary: sekané prameny jsou určeny pro přípravu lisovacích a vstřikovacích směsí, prameny jsou nasekány na potřebné délky mletá vlákna pouze v případě křehkých vláken rovingy jsou sdružené prameny s nulovým nebo malým počtem zákrutů, tj. méně než 40 zákrutů/m, pro výrobu profilů tažením, pro navíjení a pro výrobu jednosměrných prepregů jednoduchá příze a kabelovaná příze vzniká kroucením pramenů a jejich sdružováním, používá se pro výrobu technických tkanin tkaniny jsou tkané z rovingů a jsou určeny pro kontaktní laminování, tažení, navíjení a výrobu tkaninových prepregů rohože (netkané textilie) - tvoří je v rovině ležící nahodile uspořádaná kontinuální nebo sekaná vlákna (25 až 50 mm). Sekaná vlákna jsou v rohoži spojena polymerními pojivy, rozpustnými v pryskyřicích. Kontinuální vlákna v rohoži jsou vzájemně propletena a není zapotřebí udržet jejich vzájemnou polohu pojivem. prepregy jsou různě široké, obsahují buď paralelně uspořádané rovingy, tkaninu nebo rohož a polymerní matrici Miroslav HRUDŇÁK - 14-2003/2004
Nejpoužívanější jsou rovingy a tkaniny. Tkaniny mají různou textilní vazbu. Vedle požadavků na tuhost a pevnost kompozitu o vhodné vazbě rozhoduje i tvarová členitost forem. Vzájemné uspořádání osnovy a útku vytváří tři základní typy vazeb: plátnová vazba je nejpevnější a také nejméně poddajná při tvarování, když prameny nebo roviny v osnově a útku jsou stejně silné a stejnoměrně vzdálené. Pramenec útku prochází vždy pod a nad každým pramenem osnovy vyvážená plátnová vazba. Volnější a tím poddajnější plátnovou vazbu vytvářejí dva a více pramenů útku procházejících od dvěmi nebo více nitěmi osnovy košíková vazba. Obr. 3 Plátnová vazba tkaniny. keprová vazba je ohebnější, ovšem pouze při měkké povrchové úpravě vláken. Vazba je vytvořena, když útek překříží minimálně dva prameny osnovy než opět projde pod jedním nebo více prameny. V další řadě se útek posouvá doprava nebo doleva vždy k nejbližšímu prameni osnovy. Na tkanině je tak vytvářen diagonální vzor. Obr. 4 Keprová vazba tkaniny. atlasová vazba je nejméně pevnou textilní vazbou. Jeden pramen osnovy je překryt čtyřmi a více prameny útku svrchu a jedním pramenem ze spodní strany. Počet pramenů osnovy překrytých útkem udává tzv. vaznost atlasu (5 až 12). Povrch tkaniny je hladký a lesklý, s dlouhými ploškami, v nichž vlákna leží rovnoběžně s povrchem. Vazba umožňuje dosáhnout vysoký objemový podíl vláken ve vrstvě kompozitu a zaručuje minimální zvlnění vláken. S atlasovou tkaninou je tedy možno získat kompozit s větší pevností a tuhostí než při použití běžných tkanin. Atlasová tkanina, je-li použito měkké povrchové úpravy vláken, je dobře tvarovatelná. Obr. 5 Atlasová vazba tkaniny. Miroslav HRUDŇÁK - 15-2003/2004
Pokud je ve směru útku použito menšího počtu pramenů na 1 cm než v osnově a navíc jsou prameny jemnější, dostáváme nevyváženou tkaninu, vhodnou pro výztuž dílů, které nemusí mít stejnou pevnost ve všech směrech. Extrémním případem jsou jednosměrné tkaniny, u kterých jsou rovingy paralelně uspořádány a řídce vázány útkem tvořeným pramenem s nízkou lineární hmotnosti. Jeden druh materiálu vláken lze v tkaninách kombinovat i s jinými druhy vyztužujících vláken. Zvláště u tkanin z dražších, např. aramidových nebo uhlíkových vláken, lze vlákna ve směru menšího namáhání nahradit levnějšími skleněnými vlákny, vznikají tzv. hybridní tkaniny. Rozdělení vláken podle použitého materiálu: skleněná (E, S, C, ACR, křemenná) uhlíková (z PAN nebo smol) polymerní (APA, UHMW PE, PBI, PBO, kopolyestery) bórová (B W, B C ) keramická (SiC, Al 2 O 3, Si 3 N 4 ) přírodní (minerální, rostlinná a proteinová) kovová (korozivzdorné oceli, Ni, W, Mo) Polymerní matrice se nevyztužují kovovými nebo keramickými vlákny nejen z cenových důvodů, ale také proto, že tato vlákna mají větší hustotu a zmenšovala by měrnou pevnost a měrný modul kompozitu. Pro kovové a keramické matrice zase nelze použít vlákna s malou tepelnou odolností. Rozlišujeme proto: vlákna pro polymerní matrice (skleněná, uhlíková, polymerní, rostlinná, přírodní, anorganická) vlákna pro kovové a keramické matrice (uhlíková, kovová a keramická) Skleněná vlákna jsou amorfní, protože roztavená směs oxidů má velmi malou krystalizační rychlost. Vyrábějí se tažením taveniny směsi oxidů Si, Al, Ca, Mg a B s velmi malým podílem oxidů alkalických kovů Na a K. Potřebného průměru vláken se dosáhne dloužením proudu skla, rychlostí 3 4 km/h, vytékajícího z platinových trysek, ve dnu zvlákňující hlavy. Konečný průměr vlákna je dán rozdílem mezi rychlostí vytékání skloviny a rychlostí odtahování monovláken. Monovlákna se po povrchové úpravě sdružují do pramene a navíjejí na cívku. Sdružením pramenů vzniká roving. V kompozitech se používají vlákna ze skloviny E, S, C (kyselinám odolná vlákna), ACR (vlákna odolná alkáliím) a křemenná vlákna. Při manipulaci s nechráněnými vlákny dochází při jejich vzájemném kontaktu k abrazi a následnému snížení pevnosti. Proto se každé jednotlivé vlákno ihned po vytažení z platinové trysky ve dnu tavící pece - vydloužení a ochlazení na teplotu okolí pokrývá tenkým ochranným povlakem, jehož tloušťka odpovídá hmotnostnímu podílu 0,3 1,5 %. K tomuto účelu jsou používány: lubrikační vosky (vosk, olej, škrob, želatina, polyvinylalkohol) nebo vazebné prostředky. Uhlíková vlákna jsou krystalická. Na rozdíl od polykrystalického grafitu s nahodilou orientací krystalů jsou ve vláknu aromatické vrstvy, obsahující pouze atomy uhlíku, Miroslav HRUDŇÁK - 16-2003/2004
orientovány přednostně ve směru podélné osy vlákna. Protože uspořádání paralelních aromatických rovin je ve směru normály k těmto rovinám nepravidelné a nejedná se o hexagonální mřížku tvořenou sledem vrstev ABABA, je nesprávné používat název grafitová vlákna. Jedná se o tzv. turbostatický uhlík, u něhož vzdálenost aromatických vrstev je větší než u grafitu. Vhodnými technologiemi lze připravit produkty s velmi širokým spektrem vlastností. Přednostní orientace aromatických rovin v uhlíkovém vláknu ve směru podélné osy způsobuje, že uhlíková vlákna jsou vysoce anizotropní. Modul pružnosti E f ve směru vlákna je výrazně větší než ve směru kolmo na osu, koeficient teplotní roztažnosti α l ve směru osy vlákna je záporný, kolmo k ose vlákna kladný. Podobně je směrově závislá i tepelná a elektrická vodivost. Vlastnosti kompozitu je možno vhodnou orientací vláken měnit v širokém rozmezí. Uhlíková vlákna jsou křehčí než vlákna skleněná. Ohebnost potřebná pro textilní zpracování je zaručena menšími průměry. Pro zvýšení odolnosti vláken proti vzájemnému poškozování a pro lepší soudržnost s polymery se uhlíková vlákna povrchově upravují. Nejčastější elektrochemická úprava povrchu má za úkol očisti povrch od slabě vázaných plynů a zvýšit tak povrchovou energii vláken. Poté se elementární vlákna opatřují slabě povlakem ze speciálních epoxidových pryskyřic. Polymerní vlákna pro kompozitní konstrukce jsou používána především pro svou malou hustotu. Vlákna z aromatických polyamidů (APA) - aramidů, se strukturním vzorcem polyparafenyletereftalamidu (Kevlar ) a polymetafenylenizoftalamidu (Nomex ). Vysoké tuhosti a pevnosti vlákna je dosaženo téměř dokonalou orientací tuhých lineárních makromolekul v podélném směru vlákna. Ve směru kolmo na osu vlákna působí mezi makromolekulami jen slabší mezimolekulární síly a proto je pevnost a tuhost v tomto směru srovnatelná s vlastnostmi obyčejného polyamidu. Při tlakovém namáhání ve směru kolmo na osu se vlákna snadno plasticky deformují. Tkanina je používána na neprůstřelné vesty, pancíře lehkých bojových vozidel a letadel, ochranné kalhoty lesních dělníků a jako pletenina pro ochranné rukavice. U polyetylenových vláken z lineárního UHMW-PE je dosaženo vysoké tuhosti a pevnosti díky téměř dokonale přímé orientaci ohebných makromolekul PE v podélném směru vlákna. Takovou orientaci je možno získat například extruzí a následným dloužením polymerního gelu, tvořeného směsí UHMW-PE a plastifikátoru. Nevýhodou těchto vláken je malá teplota tání krystalů a to 140 C a jejich bez povrchové úpravy, špatná smáčivost pryskyřicemi. Polymerní kompozity vyztužené těmito vlákny však mají velmi vysoké hodnoty měrné pevnosti. Vlákna z polyparafenylenbenzobisoxazolu (PBO) mají ze všech polymerních vláken největší tepelnou odolnost, nehoří a v ohni nemění svůj tvar. Modul pružnosti v tahu má zhruba dvojnásobný oproti špičkovým typům vláken z APA a oproti ni neabsorbuje vlhkost. Polymerní vlákna na bázi polybenzimidazolu (PBI) mají při hustotě 1430 kg/m 3 menší pevnosti než vlákna PBO, velké prodloužení při přetržení 25 až 30 % a výbornou odolnost proti chemikáliím. Odolností proti UV záření předčí aramidová vlákna. Jsou však nejdražšími polymerními vlákny. Miroslav HRUDŇÁK - 17-2003/2004
Polymerní vlákna z termotropních aromatických kopolysterů lze vyrábět přímo z taveniny, tj. technologie zvlákňování nevyžaduje přípravu roztoků nebo gelů. Jde o polymery s kapalnými krystaly. Protože polymerní vlákna mají malou povrchovou energii a jsou špatně smáčena pryskyřicemi, je nutno jejich afinitu k polymerním matricím zvýšit vhodnou úpravou povrchu. Nejnověji se používá tzv. studený vysokofrekvenční plazmat, ve kterém jsou povrch vláken elektrickými výboji očištěn a aktivován. Funkční skupiny, umožňují dobrou vazbu vlákna ke konkrétnímu polymeru. Bórová vlákna byla první vlákna, která při pevnosti v tahu 3,45 GPa a hustotě 2,5 g/cm 3 dosahovala modulu pružnosti 400 GPa. Oproti ostatním vláknům mají bórová vlákna velký průměr (10 2 µm) a mají větší tvarovou stabilitu při tlakovém namáhání. Jejich pevnost v tlaku (okolo 6,9 GPa) je větší než pevnost v tahu. Hlavní oblastí aplikace je zpevnění konců tlakem namáhaných prvků, výroba dílů s velmi malou tepelnou roztažností způsobenou absorbovanou vlhkostí. Pro kompozity s kovovými matricemi nejsou neupravená bórová vlákna nejvhodnější, protože jejich povrch reaguje s kovy. Bórová vlákna se proto upravují nanesením tenké vrstvičky SiC nebo B 4 C na povrch vlákna. Mezi keramická vlákna patří kontinuální vlákna z SiC, Al 2 O 3 a Si 3 N 4. Kontinuální SiC vlákna jsou relativně levná, protože výchozí suroviny jsou dostupné ve větším množství. Jsou zatím používána pouze s kovovými nebo keramickými matricemi na speciální součásti pro letecký průmysl a pro výrobky pracující za vysokých teplot. Kontinuální vlákna Al 2 O 3 mají podobné použití jako SiC vlákna, na rozdíl od nich jsou však elektricky nevodivá. To umožňuje jejich využití například v kompozitech pro kryty radarů. Tuhostí předčí jak skleněná vlákna, tak polymerní vlákna. Struktura vláken Al 2 O 3 je polykrystalická, hlavní krystalickou fázi je δ-al 2 O 3. Většina vyráběných vláken obsahuje i další oxidy, hlavně SiO 2. Al 2 O 3 má bod tání větší jak 2000 C a relativně nízkou viskozitu po roztavení. Kontinuální vlákna Si 3 N 4 dosahují pevnosti 1 GPa, modulu pružnosti 300 GPa, jsou elektricky nevodivá a odolná proti opotřebení. Teplota použití je až 1500 C. Oproti uhlíkovým a polymerním vláknům mají keramická vlákna větší hustotu, která je v průměru 3 g/cm 3 u Al 2 O 3 vláken a 2,5 g/cm 3 u SiC vláken. Jejich hlavní předností je jejich výborná tepelná a velmi dobrá chemická vodivost. Přírodní vlákna můžeme mít minerální, rostlinná a proteinová. Přírodní minerální vlákna jsou pouze diskontinuální. Jde o vlákna čedičová, která mají vlastnosti podobné skleněným S vláknům. Výhodou je jejich cena, která činí asi 60 % S vláken a větší chemická odolnost. Výroba je analogická výrobě skleněných vláken, teplota tavení je 1400 C. Čedičová vlákna mají hustotu 2600 2800 kg/m 3, tj. mají větší měrnou pevnost než E sklo při teplotách větších než 300 C. Mezi přírodní rostlinná vlákna patří vlákna z konopí, z juty, ze lnu a z bavlny. Rostlinná vlákna jsou nyní používána jako výztuž tvarovaných velkoplošných dílů pro interiéry osobních automobilů. Pro lepší soudržnost vláken a většinou polypropylénové Miroslav HRUDŇÁK - 18-2003/2004
matrice je nutné nepolární matrici modifikovat polární složkou, obvykle maleinanhydridem. Použití rostlinných vláken v termoplastech přináší tyto výhody: jedná se o lacinou výztuž, dochází k úspoře polymeru, je možný rychlejší výrobní cyklus, odpad je recyklovatelný, výztuž je biodegradabilní, povrch výrobku má přírodní vzhled a vlákna nezpůsobují opotřebení zpracovatelských stojů. Proteinová vlákna pavouků, ačkoliv jsou pevná (pevnost je menší než u Kevlaru) a mají vysoké poměrné prodloužení při přetržení (čtyřikrát větší než Kevlar), nejsou dostupná bez genetického inženýrství. Proteinová vlákna jsou biodegradabilní a jsou proto vhodná pro chirurgické použití a rybářské vlasce. Nyní se zkoumá, zda by z nic nešly vyrábět neprůstřelné vesty pro vojáky. Výhodou je nižší cena vláken a malá hustota (o 25 % menší než Kevlar 29). Kovová vlákna se vyrábějí z ušlechtilých materiálů, jako jsou korozivzdorné a žáruvzdorné oceli a slitiny na bázi Ni. Používají se jako vodivé tkaniny, filtrační média pro agresivní látky a vysoké teploty, tepelné štíty a k plnění elektricky vodivých plastů a kompozitů. Sekaná krátká vlákna a sekané svazky se užívají pro plnění vodivých plastů a kompozitů pro elektromagnetické stínění a pro odvádění elektrostatického výboje ve výbušných prostředích. Vzájemné porovnání dosahovaných pevností v tahu a modulů pružnosti hlavních vyráběných kontinuálních vláken je na následujícím obrázku. 6000 pevnost [MPa] IM uhlík. vlákno PBO vlákno 4000 standardní uhlík. vlákno S sklo HM uhlík. vlákno B w Kevlar 49 UHMW PE E sklo 2000 Al 2 O 3 SiC ε [%] Obr. 6 Schematické porovnání tahových diagramů kontinuálních vláken. Miroslav HRUDŇÁK - 19-2003/2004
Vláknové monokrystaly, tzv. whiskery, mají příčný rozměr okolo 0,1 µm, délku až 10 2 µm a vykazují pevnost v tahu až 14 GPa. Vzhledem k malým příčným rozměrům a vysoké pevnosti jsou ohebné, takže při přípravě kompozitu mechanickým míšením s polymerní, práškovou kovovou nebo keramickou matricí nejsou lámány. Zvláštním produktem, který je určen pro jádra sendvičových konstrukcí, jsou tzv. voštiny s různou výškou, velikostí a tvarem buněk. Používá se jednak hliníková voština nebo voština z vláken aromatického polyamidu s fenolformaldehydovou matricí. [8] [9] [4] [5] [10] Obr. 7 Kombinovaná kovová voština. Miroslav HRUDŇÁK - 20-2003/2004
4.3 Rozdělení kompozitů Kompozitní materiály lze rozdělit podle použitého materiálu matrice, podle geometrie použité výztuže, podle použité technologie výroby,. Nejčastější rozdělení kompozitních materiálů vychází z rozdělení výztuží, které bylo uvedeno v předešlé části. Dle geometrie výztuže se kompozity dají členit následujícím způsobem: KOMPOZITNÍ MATERIÁLY vláknové částicové jednovrstvé vícevrstvé izometrické částice anizometrické částice kontinuální vlákna diskontinuální vlákna náhodná orientace preferovaná orientace lamináty sendviče náhodná orientace preferovaná orientace pěna voštiny dřevo 1D jednosměrné 2D tkaniny rohože 3D pleteniny tkaniny Obr. 8 Schéma rozdělení kompozitů. 4.3.1 Částicové kompozity Přestože částicové výztuže zlepšují vlastnosti kompozitu mnohem méně než vláknové, mají částicové kompozity izotropní vlastnosti, zatímco vláknové jsou silně anizotropní. Význam částicových kompozitů spočívá spíše v nízké ceně a v dobré únosnosti, kterou poskytují tuhé výztuže. Vložením různých částic do polymerních materiálů výrazně působí na jejich pevnost, tuhost a na jiné vlastnosti důležité při konstrukčním využití. Elastomerové částice vložené do polymeru, který je obvykle křehký, vytvářejí energetické bariéry růstu trhlin a zvyšují pevnost kompozitu. Vložení tuhých organických částic ovlivňuje mechanické vlastnosti kompaktu i povrchu (tvrdost, odolnost obrusu), stupeň krejzování, teplotní a elektrickou vodivost a zlepšuje odolnost proti ohni, barevnou stálost a vzhled. Miroslav HRUDŇÁK - 21-2003/2004
Téměř všechny vyztužující částice zvyšují tuhost termoplastické matrice, zatímco houževnatost kompozitu je obvykle proti matrici nižší. Důsledkem přidání částic je většinou nižší cena výrobku. Příměsi tuhých částic významně zlepšují creepové charakteristiky termoplastů. Kovové prášky mohou být použity k získání elektrické vodivosti polymeru. Kovový prášek také významně zvyšuje odvod disipovaného tepla. Nevýhodou je nutnost vysoké koncentrace vodivých částic, které neúnosně snižují mechanické vlastnosti, zejména houževnatost. Přidáním například skleněných kuliček nebo křemenného písku do reaktoplastové matrice se nesníží za vhodných podmínek pevnost, ale naopak se zvýší. Záleží přitom na specifickém povrchu částic a na pevnosti vazeb mezi částicemi a matricí, ale hlavně na tvaru a druhu povrchu částic. Jsou-li v kovových matricích dispergované částice velmi malé a v množství pod 15 % objemu, jedná se o disperzně zpevněné materiály. Mechanismus zpevnění vychází především v omezení pohybu dislokací. Dispergované částice mohou být kovové i nekovové. Tyto systémy jsou charakterizovány strukturou, která je odolná zpětným a rekrystalizačním procesům a to i při teplotách blížících se teplotě tání matrice. Pro kompozity s keramickými matricemi jsou vhodné pouze acikulární částice, jenž tvrdou, křehkou a málo pevnou keramickou matrici zpevňují. Nejvhodnější je ovšem výztuž v podobě vláken. [11] [9] [6] [5] 4.3.2 Vláknové kompozity Synergické spolupůsobení pevných a tuhých vláken (whiskery, tažené dráty, skleněná a keramická vlákna) s poddajnou nebo křehkou matricí (kovovou, polymerní, keramickou) umožnilo konstruovat kompozity s vysokou pevností, tuhostí a houževnatostí, přesahující vše, čeho bylo dříve dosaženo úpravou tradičních materiálů. Vláknová výztuž může být v matrici orientována jednosměrně, dvousměrně, vícesměrně v rovině, prostorově a nahodile v rovině. Také diskontinuální vlákna a whiskery mohou být orientovány přednostně nebo nahodile. Potřebné tloušťky stěny a mechanických vlastností výrobků vyztužených kontinuálními vlákny se většinou vytváří skládáním vrstev. Ty mohou být jednovrstvé nebo vícevrstvé. Za jednovrstvý kompozit lze považovat kompozitní materiál složený z několika samostatných vrstev, které mají ovšem stejnou orientaci a vlastnosti. U kompozitů tvarovaných litím do forem, obsahujícím diskontinuální vlákna, nevznikají žádné zřetelné vrstvy a mohou být klasifikovány jako jednovrstvé kompozity. Kompozity používané v konstrukčních aplikacích jsou většinou vícevrstvé, které se skládají z několika vrstev vláknových kompozitů. Každá vrstva je jednovrstvý kompozit a tato orientace se střídá podle konstrukčního návrhu. Skládáním stejných materiálů v jednotlivých vrstvách vytvoříme lamináty. Miroslav HRUDŇÁK - 22-2003/2004
Další skupinou vícevrstvých kompozitů jsou sendviče, kde se mezi dvě laminátové desky vkládá distanční vložka. Která je vytvořena z voštin, pěnové hmoty, balzy nebo z distanční skleněné tkaniny. Tím docílíme velké únosnosti při ohybovém namáhání. Ve všech výrobcích lze různé typy výztuží (roving, rohož, tkanina) nebo druhy vláken (sklo, Kevlar, uhlík) kombinovat a vyrábět tak hybridní kompozity (smíšená výztuž). Tato možnost dává materiálovému inženýrovi další stupeň volnosti při tvorbě a výrobě materiálu šitého na míru požadované aplikaci nebo výrobku. [6] [5] [12] 4.4 Technologie výroby kompozitů Technologií výroby kompozitních dílů je velmi mnoho. Volba technologie záleží na požadovaných mechanických vlastnostech, požadované kvalitě povrchu výsledného výrobku a v neposlední řadě na finančních možnostech. Základní dělení technologií výroby kompozitů s polymerními matricemi je možné provést podle formy: otevřená forma uzavřená forma Typ formy rozhoduje o odpařování reaktivního rozpouštědla pryskyřice, což je důležité u levných (UP a VE) pryskyřic. Prepregy s reaktoplastickou matricí naopak neobsahují reaktivní rozpouštědlo. Mezi technologie používající otevřené formy patří jeden z nejdostupnějších postupů přípravy velkých skořepinových dílů vyztužených kontinuálními vlákny, tzv. ruční kladení za mokra. Tekutou pryskyřicí, která obsahuje tvrdidlo a případně urychlovač, se postupně prosycují vrstvy výztuže (tkaniny nebo rohože) položené na jednostrannou formu. Vyrobené díly se vytvrzují nejčastěji za studena, tj. při pokojové teplotě. Lepších mechanických vlastností je dosaženo ručním kladením prepregů, čímž se docílí co největšího objemového podílu vláken a nezbytného minima pryskyřice. Používají se proto tzv. prepregy, polotovary obsahující jednosměrně uložené rovingy nebo tkaniny, předimpregnované pryskyřicí. V sériové výrobě se pro vrstvení prepregů používají strojního kladení na kladecích stojích. Pro vytvrzení dílu vyrobeného z prepregů se používá autokláv, kde se ohřeje na vytvrzovací teplotu pryskyřice, poté se zvýší tlak a díl se vytvrdí. Mezi další technologie otevřené formy patří stříkání směsi katalyzované pryskyřice a krátkých vláken na negativní nebo pozitivní formu. Kontinuální laminování vlnitých pásů z katalyzované UP pryskyřice, která je nanášena na nosný film a na kterou dopadají sekaná skleněná vlákna, na vrchní stranu desky je pokládána krycí fólie. Rotačním odléváním se vyrábí potrubí pro rozvod tlakové vody. Do otáčející se ocelové trubky je vlévána směs katalyzované pryskyřice a výztuže. K technologiím používajícím uzavřené formy patří metoda zvaná pultruze, kdy je výztuž kontinuálně impregnována tekutou pryskyřicí a vtahována do tvarovací hlavy. V ohřívané části hlavy je pryskyřice vytvrzena a hotový profil je odtahován dvojicí střídavě Miroslav HRUDŇÁK - 23-2003/2004
pojíždějících vozíků se svěrkami. Metodou RTM ( Resin Transfer Moulding ) lze připravovat v malosériové výrobě menší výrobky. Výztuž (tkanina nebo rohož) je uzavřena v dutině dvoustranné formy a prosycována tekutou pryskyřicí obsahující tvrdidlo. Plnění formy zajišťují nízkotlaká čerpadla. Vakuování formy zajišťuje rychlejší plnění formy a dosahuje se kvalitnější kompozit, obsahující méně pórů VARTM ( Vakuum Assisted RTM ). SCRIMP ( Seeman Composite Resin Infusion Moulding Process ) je analogií RTM, kde druhou stranu formy tvoří gumová plachetka, pod kterou je díky tkanině SCRIM rozvedena pryskyřice. Tkanina je po vytvrzení sejmuta z povrchu výrobku. Mezi nosné vrstvy je možno vložit jádro nebo distanční tkaninu. Technologie VBM ( Vacuum Bag Moulding ) používá jednodílnou formu, druhou plochu vytváří teplotně odolný pryžový vak. Odsátím vzduchu z prostoru pod vakem dojde k stlačení vrstev atmosférickým tlakem. Mezi metody, kdy se vstřikuje směs krátkých nasekaných vláken a pryskyřice do uzavřené formy patří: RRIM ( Reinforced Reaction Injection Moulding ), kdy se využívá výhradně polyurethanových (PU) pryskyřic. IM ( Injection Moulding ) technologie vstříknutí suspenze taveniny termoplastu a krátkých vláken. Podobnou technologií je SRIM ( Structural Reinforced Injection Moulding ), kdy je přetvarovaná výztuž uzavřena do formy a zastříknuta PU pryskyřicí. Technologie GMT ( Glass Mat Thermoplastic ) pracuje s polotovary v podobě termoplastických desek, obsahující rohože z vláken. Vlákna v desce jsou obklopena termoplastickou matricí a desky se tvarují za tepla bez nutnosti roztavení matrice. Před vyjmutím z lisu se hotový díl pouze ochladí pod teplotu tvarové stálosti termoplastu. Nejstarší technologií je lisování za tepla, metoda BMC ( Bulk Moulding Compound ). Polotovarem je směs reaktoplastu, plniv nebo částic krátkých vláken, která se do lisu vkládá v podobě tablety nebo těsta. Pro hromadnou výrobu dílů například v automobilovém průmyslu je vhodná technologie SMC ( Sheet Moulding Compound ), využívající rychlé vytvrzovací reakce nenasycených polyesterových a vinylesterových pryskyřic. Prepregy SMC se tvarují a vytvrzují v dvoudílné ocelové formě v hydraulických lisech. Mezi technologie výroby kompozitů s kovovými matricemi patří zalití roztaveným kovem do formy předem umístěné vytvarované vláknové výztuže. Polymerní vazebný prostředek vláken, který umožnil vytvarování výztuže a zabraňuje posunutí vláken výztuže proudem roztaveného kovu, se spálí. Dále lze směs taveniny kovu a krátkých keramických, uhlíkových vláken nebo whiskery odlévat nebo vstřikovat. Prášková metoda se používá při výrobě disperzně zpevněných kovů. Kompaktní výrobek je získán postupy práškové metalurgie. Další metodou výroby vícevrstvých kompozitů s kovovou matricí vyztuženou kontinuálními vlákny je lisovní za tepla ve vakuu. Díl je vyroben prokládáním vláknové výztuže kovovými fóliemi. Ke vzájemnému spojení obou složek dojde difusními pochody při lisování. Nejvýznamnější technologií výroby kompozitů s keramickými matricemi má prášková metoda. Částice keramické matrice je možno na kontinuální keramická vlákna nanášet v podobě vodné suspenze. Silnostěnné díly se připravují slinováním předem připravených tenčích vrstev. Při metodě CVI ( Chemical Vapour Infiltration ) je výztuž z kontinuálních vláken prosycována parami vzniklých tepelným rozkladem chemických sloučenin, prekurzorů matrice. [4] [5] Miroslav HRUDŇÁK - 24-2003/2004
5 Zkoušení kompozitů 5.1 Úvod Experimentálně se vyšetřují materiálové charakteristiky zkouškou na vhodně navržených vzorcích nebo se prověřuje vhodně zvolený výrobní postup, zajišťuje stejnorodost materiálu a srovnávací měřítko pro různé materiálové alternativy. Údaje získané při zkoušce slouží ke stanovení různých materiálových charakteristik, které mohou poté sloužit pro výpočet a návrh skutečných konstrukcí. Aby mohly být použity moderní návrhové postupy k účinnému využití materiálů, je třeba porozumět odezvě materiálu v celém rozsahu zatížení. V případě kompozitních materiálů je vhodné začít návrh s hlavními vlastnostmi materiálů a dospět k makromechanickým vlastnostem kompozitu použitím mikromechanických výpočtů. Platnost mikromechanických výpočtů však zajišťuje teprve jejich prověření experimenty. Konstanty pružnosti a pevnosti jsou základní mechanické charakteristiky materiálů. Pro jednosměrnou vrstvu nebo kompozit existují čtyři nezávislé konstanty pružnosti: modul pružnosti v podélném směru E 1 modul pružnosti v příčném směru E 2 modul pružnosti ve smyku G hlavní Poissonovo číslo - ν a pět nezávislých pevností: tahová pevnost v podélném směru - σ pt1 tahová pevnost v příčném směru - σ pt2 tlaková pevnost v podélném směru - σ pd1 tlaková pevnost v příčném směru - σ pd2 pevnost ve smyku v rovině vrstvy - τ p12 V případě laminátu je také důležitou charakteristikou: interlaminární smyková pevnost - τ SBS Tyto materiálové charakteristiky je potřeba zjistit k základnímu popisu jednosměrné vrstvy. Obvykle jsou zjištěny namáháním vhodných vzorků materiálu zatížením působícím v rovině. Protože jsou konstrukce z kompozitních materiálů často vystaveny ohybovému zatížení, je třeba navíc ke zmíněným vlastnostem určit ještě ohybové charakteristiky: modul pružnosti v ohybu - E pevnost v ohybu - σ o Je důležité, aby všechny charakteristiky byly určovány pro jednotlivou vrstvu kompozitního materiálu. K výpočtu vlastností laminátu může pak být použita teorie laminátů. Praktické důvody však často brání vytvořit zkušební vzorek z jednotlivé vrstvy. Miroslav HRUDŇÁK - 25-2003/2004
Pak je nezbytné provádět zkoušky na vícevrstvých vzorcích a užít vhodnou teorii laminátů k převodu výsledků na vlastnosti vrstvy. Jsou-li lamináty jednosměrné, jejich chování ovšem simuluje přímo chování vrstvy. [13] 5.2 Druhy zkoušek K zjišťování potřebných konstant pružnosti a pevnosti kompozitních materiálů se nejčastěji používají následující zkoušky: zkouška tahem zkouška tlakem zkouška smykem zkouškou interlaminárním smykem zkouškou ohybem 5.2.1 Zkouška tahem Zkouška tahem kompozitních materiálů s polymerní matricí zjišťuje rovinné tahové charakteristiky kompozitních materiálů vyztužených vysoko-modulovými vlákny. Takto lze zkoušet kompozitní materiály s kontinuálními nebo diskontinuálními vlákny, které mají vyváženou a symetrickou skladbu vrstev vůči směru testovacího zatížení. Výsledkem zkoušky jsou: [14] pevnost v tahu - σ pt modul pružnosti v tahu - E Poissonovo číslo - ν 5.2.2 Zkouška tlakem Zkouška tlakem kompozitních vláknových kompozitů pomáhá stanovit tlakové charakteristiky vláknových kompozitů s kontinuálními vysoko-modulovými vlákny. Výsledkem zkoušky jsou: [15] [16] pevnost v tlaku - σ pd modul pružnosti v tlaku E Miroslav HRUDŇÁK - 26-2003/2004
5.2.3 Zkouška smykem Tato zkouška stanovuje určení smykových charakteristik kompozitních materiálu vyztužených vysoce modulovými vlákny. Lze ji použít pro kompozitní materiály vyztužené kontinuálními vlákny v následujících podobách: jednosměrně uložená vlákna, tkaniny a vrstvená výztuž jak v podélném tak i příčně vůči zatěžující síle. Dále také pro kompozity vyztužené diskontinuální vlákny v podobě krátkovláknové výztuže s náhodnou orientací. Vzorek je obdélníkového průřezu s V vruby umístěnými uprostřed jeho délky. Vzorek je zatížen pomocí zkušebního stroje ve speciálním přípravku. Kde je vzorek uložen, tak, že osa oboustranného V vrubu je rovnoběžná s osou zatížení. [17] [18] Výsledkem zkoušky jsou: Obr. 9 Přípravek s upnutým vzorkem pro zkoušku smykem. pevnost ve smyku - τ modul pružnosti ve smyku - G Miroslav HRUDŇÁK - 27-2003/2004
5.2.4 Zkouška interlaminárním smykem ( Short-Beam Shear ) Zkouška interlaminárním smykem kompozitních materiálů s polymerní matricí se používá pro zjištění interlaminární pevnosti ve smyku kompozitních materiálů vyztužených vysoko-modulárními vlákny. Výsledkem zkoušky je: [19] pevnost při interlaminárním smyku - τ SBS 5.2.5 Zkouška ohybem Zkouška ohybem se používá pro určení ohybových vlastností kompozitních materiálů vyztužených vysoko-modulovými vlákny ve tvaru tyčí s obdélníkovým průřezem. Zkoušku je možné použít na materiály, které se neporuší do 5 %-ní ohybové deformace. Obr. 10 Přípravek pro zkoušku 3- a 4-bodovým ohybem. Miroslav HRUDŇÁK - 28-2003/2004
Ohybové vlastnosti určené touto metodou jsou obzvláště vhodné pro jakostní kontrolu a upřesňující účely. Výsledkem zkoušky jsou: [21] [20] pevnost v ohybu - σ o modul pružnosti v ohybu - E 5.3 Vyhodnocení zkoušek Kompozitní materiály vykazují větší rozptyl materiálových charakteristik než konvenční materiály. Z toho důvodu je statistická analýza nezbytnou součástí jejich hodnocení. Dle použitých norem je minimální počet vzorků 5 a to pro určitou zkoušku, za určitých klimatických zkušebních podmínek. Pevnost kompozitu je funkcí pravděpodobnosti výskytu nebezpečného defektu tzv. velikostního faktoru. Velké vzorky mají menší střední pevnost než vzorky malé. Každou sérii vzorků je potřeba statisticky vyhodnotit a to určením: průměrné hodnoty: n xi i= x = 1 (2) n Aritmetický průměr je ukazatelem míry polohy. Používáme v případe, když čísla můžeme opravdu sčítat, tj. znaky jsou kvantitativní, měřené na číselné stupnici. Je velmi citlivý na odlehlé hodnoty. Míry polohy samy o sobě neříkají nic o variabilitě dat. Proto je nutné spočítat dané číselné charakteristiky popisující kolísání dat kolem průměru. směrodatné odchylky: variačního koeficientu: n 2 2 xi nx i= 1 sn 1 = n 1 (3) CV sn 1 =.100 [%] (4) x Variační koeficient je užitečnou mírou rozptýlení dat. Proto se často používá při statistické kontrole zkoušení materiálů. [4] [22] Miroslav HRUDŇÁK - 29-2003/2004