Kompozitní materiály adhezní síly

Adhezní síly
v kompozitech
Nanokompozity
Pro 5. ročník nanomateriály
Fakulta mechatroniky
© Katedra materiálu Strojní fakulty
Technická univerzita v Liberci
Doc. Ing. Karel Daďourek, 2010
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 částice a 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 - zmizí
Chemická vazba
Vzniká tehdy, jestliže matrice a disperze spolu
mohou chemicky reagovat
Vytváří se mezivrstva chemické sloučeniny
s chemickou vazbou
Možnost, že celá disperze zreaguje
- disperze tím ale nezmizí, ale bude jiná
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] - vektor
Povrchová energie – energie, potřebná ke zvětšení plochy
povrchu o jednotku …. E [J/m2] - skalár
Obě veličiny jsou si číselně rovny (ale ne typ)
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:
γ GS = γ LS + γ GL * cos θ
Smáčivé povrchy
Povrch je smáčen pro γ GS > 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 φ drsne = 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 lepení :
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 γ GL < γ krit smáčejí její povrch
Kapaliny s γ GL > γ krit nesmáčejí její povrch
Povrchové úpravy ke zvětšení smáčivosti –
zvětšují γ krit – apretace, lubrikátory
Běžné u skelných a uhlíkových vláken
Tabulky povrchových napětí
Povrchové napětí kapalin :
kapalina
ether
líh
benzen olej
γ (mN/m)
15
20 30
33
glycerin voda
rtuť
64
480
73
Kritické povrchové napětí pevných látek
Pevná látka plast organ.
sklo kov
keramika
γkrit (mN/m) 20 -30 500 -5000 80 -100400 -2000 100 -1000
Uhlík ⁓ 100
Příklad - plasty jako taveniny dobře smáčejí ,
jako pevné látky jsou ale smáčeny velmi špatně
(jednotky mN/m .... milinewtony na metr)
Způsoby měření adhezních
(mechanických) napětí
Je nutné rozeznávat tečné a normálové adhezní
napětí, obě napětí jsou na sobě nezávislá
Možnost výpočtu ze smáčivosti – obtížné,
je nutné mít mnoho předpokladů
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. Ohyb tlustých,
krátkých vzorků
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 lk
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