Kompozitní materiály přehled
Porovnání vlastností
Porovnání vlastností (2) dřevo nemá konkurenci jako lehká tuhá konstrukce
Porovnání vlastností (3) dobře tlumí slitiny Mg Cu a vlákny zpevněné plasty
Definice kompozitu Kompozity jsou vždy složeny z několika jasně oddělených fází, jsou tedy ve své podstatě nehomogenní, jako technický materiál se však musí považovat za homogenní. Jde o pevnou látku, složenou nejméně ze dvou fází, přírodní i umělou. V celku je dosahováno vlastností, které nemají složky a nedají se dosáhnout ani jejich sumací synergický (spolupracující) efekt.
Příklad synergického efektu Grafitové vlákno má velmi dobré mechanické vlastnosti, ale oxiduje. Hliníkové slitiny neoxidují, ale jejich pevnost rychle klesá s teplotou. Kompozit do 500 C pevný a odolný oxidaci.
Základní pojmy Kompozit musí obsahovat nejméně jednu spojitou fázi, která ho drží pohromadě matrice. Další fáze, nespojité, které by měly být v kompozitu rovnoměrně rozptýlené, jsou disperze.
Druhy kompozitů Kompozity prvního druhu pevná fáze disperze druhého druhu kapalná fáze disperze třetího druhu plynná fáze disperze
Kompozity třetího druhu Pěnové hmoty pěnový polystyren Pěnokeramika pěnokorund Kovové pěny hliníková pěna Speciální systémy z vláknových desek Keramické tepelné izolace
Kompozity druhého druhu některé materiály samomazných ložisek, spékaný kov s disperzí oleje spékané kovy pro ložiska vodních strojů přírodní častěji dřevo jako systém trubic s mízou
Kompozity prvního druhu nejdůležitější, zabýváme se téměř výhradně jimi rozdělení podle tvaru disperze: vlákna -spojitá (po celé délce), dlouhá a krátká částice jednorozměrné (jehličky, tyčinky) vrstevnaté (destičky) izometrické (globule) desky (ztrácí se rozdíl mezi matricí a disperzí)
Adhezní síly síly, které drží matrici a disperzi pohromadě na rozhraní mezi fázemi může existovat: mechanická vazba (představuje vlastně mechanické zaklínění disperze v matrici) fyzikální vazba chemická vazba
Adhezní síly (2) fyzikální vazba úzce souvisí se smáčivostí obou materiálů dá se vyjádřit povrchovým napětím nebo povrchovou energií je-li možná difuze, vytváří se silněji vázaná difúzní mezivrstva (bor v oceli) malé částice disperze se nesmí zcela rozpustit chemická vazba vzniká, reagují-li chemicky vzájemně matrice a disperze -> mezivrstva chemické sloučeniny s chemickou vazbou
Synergické působení vláken Zjednodušený výpočet bez integrace: Lano složeno ze šesti rovnoběžných, spojitých vláken o průřezu S a maximální pevnosti R.
Synergické působení vláken (2) Průměrná pevnost vláken: Rp = ⅙ (2R + 2 0,9R + 2 0,6R) Rp= ⅙ (2R + 1,8R + 1,2R) Rp = ⅙ 5R Rp=0,83R
Synergické působení vláken (3) Zatěžujeme-li lano (s celk. průřezem 6S) silou F = 3,6 S R: Napětí na vláknech bude: Ϭ = F/S = 3,6 S R / 6S Ϭ = 3,6R / 6 = 0,6R prasknou vlákna v bodech B1 a B2 zátěž se přerozdělí do zbylých čtyř vláken, v nichž bude napě : Ϭ = F/S = 3,6 S R / 4S Ϭ = 3,6R / 4 = 0,9R prasknou vlákna v bodech A1 a A2 zátěž se přerozdělí do zbylých dvou vláken, v nichž bude napětí: Ϭ = F/S = 3,6 S R / 2S Ϭ = 3,6R / 2 = 1,8R prasknou i zbylá dvě vlákna a dojde k přetržení lana pevnost lana je tudíž R l = 0,6R
Synergické působení vláken (4) V kompozitu je přítomna matrice: Vmístě porušení vlákna přenáší matrice zatížení z jednoho konce na druhý. Navíc kromě červeně označené oblasti přenáší i porušené vlákno dále zátěž.
Synergické působení vláken (5) Zatěžujeme-li kompozit (s celk. průřezem vláken 6S) silou F = 3,6 S R: Napětí na vláknech bude Ϭ = 3,6R / 6 = 0,6R prasknou vlákna v bodech B1 a B2 v každém z míst B1 a B2 přenáší zátěž zbylých 5 vláken: Ϭ = F/S = 3,6 S R / 5S Ϭ = 3,6R / 4 = 0,72R žádné vlákno dále nepraskne! zvyšujeme-li zatížení na F = 5,4 S R: Ϭ = F/S = 5,4 S R / 6S Ϭ = 5,4R / 6 = 0,9R prasknou vlákna v místech A1 a A2 ve zbylých vláknech vzroste zátěž na: Ϭ = 5,4R / 5 = 1,08R prasknou i zbylá vlákna pevnost kompozitu je tudíž R l = 0,9R
Porovnání pevností pevnost lana je 0,6R pevnost kompozitu je 0,9R tudíž Rk> Rl v důsledku synergického efektu je pevnost kompozitu vyšší než pevnost lana i průměrná pevnost vláken (0,83R)
Příklady kompozitů (1) železobeton (panelové domy) drátosklo (skleněné výplně dveří)
Příklady kompozitů (2) CFRP (carbon-fiber-reinforced polymer) matricí bývá polymer (epoxid, polyester, nylon) disperze jsou uhlíková vlákna RCC (ReinforcedCarbon-Carbon) -matrice i disperze z uhlíku -bývá pokryt tenkou vrstvou karbidu křemíku Využití v raketoplánech, nosová část, náběžné hrany křídel.
Děkuji za pozornost Ke zkoušce si každý rozmyslí (vyhledá) alespoň pět příkladů kompozitů z průmyslu nebo přírody, které nebyly uvedeny v této prezentaci.