Druhy vláken Technická univerzita v Liberci Kompozitní materiály, 5. MI Doc. Ing. Karel Daďourek 2008
Druhy různých vláken Přírodní vlákna Skleněná vlákna Uhlíková a grafitová vlákna Aramidová a silonová vlákna Keramická vlákna Kovová vlákna Whiskery
Průměry různých vláken
Rozdělení vláken Do průměru 100 nm nanovlákna 0,1 až 1 µm mikrovlákna whiskery 1 až 10 µm střední vlákna uhlíková, skleněná, textilní - nejčastější Nad 10 µm hrubá vlákna B, TiB 2, SiC a p.
Monofil a multifil Jedno vlákno - monofil Spředená textilní vlákna - multifil 1 tex - hmotnost 1 km vlákna v g - údaj o tloušťce T (tex g/km) m = ρ*v. Plocha vlákna S = 10-9 * T / ρ Lépe S = 10-3 * T / ρ ( mm 2, tex, g/cm 3 ) Pro kruhový průřez d =18 * T / ρ ( µm, tex, g/cm 3 ) Pro jednotkovou hustotu (plasty) 1 tex ~ 1000 µm 2 ~ 18 µm Pro pevnost vláken platí 1 N / tex = s GPa, kde s je hustota v g/cm 3, pro jednotkovou hustotu 1 N / tex = 1 GPa Monofil Multifil - spojitá vlákna Multifil - krátká vlákna
Mikrostruktura multifilu
Vzhled multifilu
Přírodní vlákna Len, bavlna, kokosová vlákna, sisal a p. Základem je celuloza Pevnost okolo 0,9 GPa Youngův modul okolo 100 GPa Moderní celulozová nanovlákna např rozvlákněním dřeva Velmi aktuální pro rozvojové země Dobré i pro ekologii přirozeně degradují
Bavlněné vlákno Vlevo mikrosnímek, vpravo struktura. K kutikula (povrchová ochranná vrstva), P, S, T primární, sekundární a terciární vrstva lamel, L lumen centrální dutina ve vlákně. F ukázka fibrilární struktury lamely.
Vlastností přírodních vláken Vlákno : Hustota (g/cm3) : Mez pevnosti (MPa) : Youngův modul (GPa) : Tažnost (%) : Konopí 1,5 460 70 1,7 Juta 1,3 440 60 2,0 Len 1,5 340 100 1,8 Bavlna 1,5 300 27 10
Druhy skleněných vláken Označení skla Použití Složení v % : Pevnost (GPa) Prodloužení při lomu (%) E Elektrické izolace 55 SiO 2, 11 Al 2 O 3, 6 B 2 O 5, 18 CaO, 5 MgO 3 3 S Vysokopevnostní kompozity 65 SiO 2, 25 Al 2 O 3, 10 MgO 5 5 A Tepelné izolace 72 SiO 2, 1 Al 2 O 3, 3 MgO, 10 CaO, 14 K 2 O C (Pyrex) Chemické aplikace 65 SiO 2, 4 Al 2 O 3, 6 B 2 O 3, 3 MgO, 14 CaO, 9 K 2 O 2 2
Výroba skleněných vláken
Pevnosti skleněných vláken Vlákno S sklo E sklo Pyrex ( C ) Pevnost výchozí GPa 7 3,7 2 Pevnost po zpracování GPa 5 2,8 1,6 Prodloužení při lomu % 5 3 2
Tepelné vlastnosti materiál E sklo hliník Ocel Tepelná vodivost W/mK 10,4 188 17 Tepelná roztažnost 10-6 K -1 5 25 13
Další vlastnosti Hustota okolo 2,5 g / cm 3 Tuhost zhruba jako hliník 1/3 tuhosti oceli E = 80 až 100 GPa Běžné lahvové A sklo Malá odolnost skelných vláken únavě Rozpor mezi vysokou pevností a vysokou smáčivostí
Vliv povrchových činidel
Uhlíková a grafitová vlákna Mají asi desetinásobnou tuhost a poloviční hustotu proti skleněným Pevnost nižší než u skla nebo aramidu Vynikající tepelné vlastnosti, pokud jsou chráněna před oxidací Stabilní do 1000 o C, při ochraně před oxidací do 2000 o C Minimální teplotní roztažnost, dokonce někdy smrštivost Do 1000 o C jsou chemicky inertní Na rozdíl od skla velká odolnost únavě
Další vlastnosti Uhlíková vlákna jsou elektricky vodivá Nejlevnější stojí dvojnásobek proti sklu, nejkvalitnější až stonásobek Jsou velmi silně anizotropní ve směru osy a kolmo na osu A = 100 Obsahují různé procento grafitu
Vývoj použití uhlíkových vláken
Vývoj ceny uhlíkových vláken
Krystalická struktura grafitu
Tabulka základních vlastností Vlastnost : diamant Grafit c Grafit a Délka vazby nm 0,154 0,142 0,334 El. vodiv. 1/Ωm 10-15 250 0,05 Tep. vod. W/mK 900 2000 6 Tep. roztaž. 1/K 0,8*10-6 -1,5*10-6 27*10-6 E GPa 1200 1060 36,5 Tvrdost Mohs 10 0,5-1 0,5-1 Hustota g / cm 3 3,3 2,265 2,265 Grafit c v bazální rovině, Grafit a ve směru kolmém
Úhlová závislost pro E
Struktura grafitového vlákna
Produkty z uhlíkových vláken
PAN výchozí surovina
Postup výroby Prekursor PAN vlákna Stabilizace oxidace 1 2 hodiny při 200 300 o C na vzduchu Karbonizace 30 60 vteřin při 1200 až 1500 o C v dusíku Grafitizace 15 20 vteřin při 2000 až 3000 o C v dusíku s argonem Povrchová úprava leptání kyselinou dusičnou
Vliv teploty na vlastnosti
Základní vlastnosti grafitových vláken Vlákna označení R u GPa E GPa Prodl. % vysokopevnostní HT 3,1 240 1,2 vysokomodulová HM 2,1 400 0,5
Aramidová a nylonová vlákna Polyamid - nylon Aromatický polyamid aramid- kevlar
Kevlarová vlákna Pevnost okolo 2,8 GPa Při hustotě 1,44 g/cm 3 vynikající poměrná pevnost pětinásobek oceli Deformace při lomu poněkud menší než u skla, ale větší než u grafitu Při dlouhodobém zahřívání nad 175 o C degradují vlastnosti Mají záporný koeficient teplotní roztažnosti Jsou v zásadě chemicky odolná, napadána jen silnými kyselinami a louhy Degradují v UV záření za přítomnosti kyslíku
Základní vlastnosti - porovnání vlákno s g/cm 3 R u GPa E GPa Prodl. % Nylon 1,14 1,02 5,62 18 Kevlar 1,44 2,81 63,3 4 Kevlar49 1,45 2,81 133,6 2,4 E-sklo 2,54 3,4 72 3 ocel 7,86 2 204 2
Keramická vlákna Velká teplotní odolnost a stabilita Použití v MMC a CMC pro vysoké teploty Vysoká tuhost Malá tepelná roztažnost Malá závislost pevnosti na teplotě Na rozdíl od uhlíku a aramidu vydrží i větší tlak Jsou k dispozici jako monofil, textilní vlákna nebo whiskery
Poměr velikostí keramických vláken
Základní vlastnosti Vlákno R u GPa E GPa Mezní deformace % s g/cm3 křemen 5,8 72,5 11 2,19 SiC 2,8 240 2,55 korund 1,4 385 3,9 spinel 2,5 240 3,2
-keramická vlákna mívají často malou štíhlost -To snižuje dosažitelnou pevnost kompozitu -Znatelný vliv má pokles štíhlosti až pod 5, pak již nejde o vlákna, ale spíše tyčinky -Velké průměry u monofilu zlepšují pevnost v tlaku Vliv štíhlosti
Kovová vlákna Jedny z nejlacinějších Ocelová vlákna pro zpevnění lehkých slitin Wolframová vlákna na zpevňování žáropevných materiálů, ale těžká Velmi zajímavá jsou borová vlákna, ale nesnadná výroba. Velmi lehká Nový výzkum vláken z kovových skel
Vyrábějí se chemickou depozicí z par BCl 3 na W drát vydrží do 450 o C, pak oxidace povrchu Borsic obrázek vedle vydrží do 700 o C Rozměry na obrázku v µm Borová vlákna
Základní vlastnosti Vlákno R u GPa E GPa s g/cm 3 bor 2,8 385 2,63 wolfram 4,2 414 19,3 berylium 1,4 240 1,83 ocel 1,5 210 7,8
Whiskery Průměr pod 1 µm, délka 3 4 mm, štíhlost nad 1000 Speciální způsob pěstování obsahují jen jednu šroubovou dislokaci uprostřed Lze získat z řady látek kondenzací z par. Nutno rozeznávat od monokrystalických vláken Pevnost se blíží teoretické hodnotě desetina Youngova modulu Přírodní whiskery některých keramik - asbest
Pracovní diagram whiskeru Má extremně vysokou pevnost, po jejím překročení se chová jako normální krystal R uw mez pevnosti whiskeru R um mez pevnosti monokrystalu ε u mezní deformace
Nebezpečnost whiskerů Whiskery látek, které se v těle nerozkládají, mohou být karcinogenní. Délka 5 až 50 μm, průměr 0,1 až 2 μm. Trvale dráždí plíce jako asbest
Základní vlastnosti whiskerů whisker s g/cm 3 R u GPa E GPa Korund 3,96 15 470 SiC 3,17 21 240 Si 3 N 4 3,18 14 380 C 2,26 19 700
Porovnání všech vláken E Gpa Ru Gpa s g/cm3 bod tání prodl % spec Ru spec E e-sklo 72,4 2,4 2,54 850 3 0,944882 28,50394 s-sklo 85,5 3,1 2,48 970 5 1,25 34,47581 HM grafit 400 2,1 1,9 3650 0,5 1,105263 210,5263 HT grafit 240 3,1 1,9 3650 1,2 1,631579 126,3158 bor 385 2,8 2,63 2300 1,064639 146,3878 křemen 72,5 5,8 2,19 1660 11 2,648402 33,10502 wolfram 414 4,2 19,3 3400 0,217617 21,45078 berylium 240 1,3 1,83 1284 0,710383 131,1475 nylon 5,7 1 1,14 18 0,877193 5 kevlar 29 63 2,8 1,4 4 2 45 kevlar49 134 2,8 1,5 2,4 1,866667 89,33333 ocel 210 1,5 7,8 1500 2 0,192308 26,92308 korund-wh 470 20 3,96 2072 5,050505 118,6869 SiC - wh 470 20 3,17 2200 6,309148 148,265 Si3N4 - wh 380 10 3,18 1900 3,144654 119,4969