Materiálové charakteristiky a struktura kompozitních materiálů pro

Transkript

ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE
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
2
3
4
5
6
7
8
Obsah ................................................................................................................................ 5
Použité zkratky a značení.................................................................................................. 7
Úvod.................................................................................................................................. 8
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
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
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
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
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
E
Ef
E1
E2
G
PAN
PBI
PBO
Tg
Tm
UHMW PE
UP
UV
VE
[GPa]
[GPa]
[GPa]
[GPa]
[GPa]
[°]
[°]
αl
ε
γkp
[K-1]
[-]
[MJ/m2]
γtk
γtp
ν
θ
ρ
σo
σpd
σpd1
σpd2
σpt
σpt1
σpt2
τ
τp12
τSBS
[MJ/m2]
[MJ/m2]
[-]
[°]
[kg/m3]
[MPa]
[MPa]
[MPa]
[MPa]
[MPa]
[MPa]
[MPa]
[MPa]
[MPa]
[MPa]
∅
aromatický polyamid
modul pružnosti
modul pružnosti ve směru vláken
modul pružnosti v podélném směru vláken
modul pružnosti v příčném směru vláken
modul pružnosti ve smyku
polyakrylonitril
polybenzimidazol
polyparafenylenbenzobisoxazol
teplota skelného přechodu
teplota tání krystalů
ultravysokomolekulární polyethylen
polyurethanové pryskyřice
ultrafialové záření
vinylesterové pryskyřice
délková roztažnost
poměrné prodloužení
povrchová energie na rozhraní kapalné a plynné
fáze
povrchová energie na rozhraní tuhé a kapalné fáze
povrchová energie na rozhraní tuhé a plynné fáze
Poissonovo číslo
kontaktní úhel
hustota
pevnost v ohybu
pevnost v tlaku
pevnost v tlaku v podélném směru vláken
pevnost v tlaku v příčném směru vláken
pevnot v tahu
pevnost v tahu v podélném směru vláken
pevnost v tahu v příčném směru vláken
pevnost ve smyku
pevnost ve smyku v rovině vrstvy
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 100 nm, dále pak u mikrokompozitů – největší příčný rozměr výztuže v rozmezí 100
až 102 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 (σpt/ρ) a měrného modulu (E/ρ). Až
po největší rozměry vyztužující fáze u makrokompozitů o velikosti příčného rozměru 100
a 102 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
Al slitina
polymer
ε
grafit
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 γtp povrchové energie napětí na rozhraní tuhé a plynné
fáze a γtk povrchové energie na rozhraní tuhé a kapalné fáze ku γkp povrchové energii na
rozhraní kapaliny a plynu, který je obsažen ve vztahu pro kontaktní úhel Θ (úhel smáčení):
cos Θ =
γ tp − γ tk
γ kp
(1)
Na obr. 2 je znázorněn tvar kapky matrice na tuhém povrchu, kde vlevo je zobrazen
příklad dobré smáčivosti a vpravo je příklad špatné smáčivosti.
γkp
Θ
Θ
γ tk
γ tk γ tp
γ kp
γtp
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 - γkp 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
(Tg), u semikrystalických termoplastů je o 50 až 100 °C menší než teplota tání krystalů (Tm).
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 (BW, BC)
keramická (SiC, Al2O3, Si3N4)
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 Ef ve směru vlákna
je výrazně větší než ve směru kolmo na osu, koeficient teplotní roztažnosti αl 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/m3 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/cm3 dosahovala modulu pružnosti 400 GPa. Oproti ostatním vláknům mají bórová
vlákna velký průměr (102 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 B4C na povrch vlákna.
Mezi keramická vlákna patří kontinuální vlákna z SiC, Al2O3 a Si3N4. 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 Al2O3 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 Al2O3 je
polykrystalická, hlavní krystalickou fázi je δ-Al2O3. Většina vyráběných vláken obsahuje
i další oxidy, hlavně SiO2. Al2O3 má bod tání větší jak 2000 °C a relativně nízkou viskozitu
po roztavení.
Kontinuální vlákna Si3N4 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/cm3 u Al2O3 vláken a 2,5 g/cm3 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/m3, 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
IMuhlík. vlákno
pevnost
[MPa]
PBO vlákno
4000
S sklo
standardní uhlík. vlákno
Kevlar 49
HMuhlík.
vlákno
2000
Bw
E sklo
UHMWPE
SiC
Al2O3
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 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.
2
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.
Obr. 7 – Kombinovaná kovová voština.
[8] [9] [4] [5] [10]
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
částicové
vláknové
jednovrstvé
diskontinuální
vlákna
kontinuální
vlákna
náhodná
orientace
1D
2D
tkaniny
rohože
preferovaná
orientace
anizometrické
částice
náhodná
orientace
lamináty
jednosměrné
izometrické
částice
vícevrstvé
pěna
preferovaná
orientace
sendviče
voštiny
dřevo
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 – E1
modul pružnosti v příčném směru – E2
modul pružnosti ve smyku – G
hlavní Poissonovo číslo - ν
a pět nezávislých pevností:
•
•
•
•
•
tahová pevnost v podélném směru - σpt1
tahová pevnost v příčném směru - σpt2
tlaková pevnost v podélném směru - σpd1
tlaková pevnost v příčném směru - σpd2
pevnost ve smyku v rovině vrstvy - τp12
V případě laminátu je také důležitou charakteristikou:
•
interlaminární smyková pevnost - τSBS
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 - σo
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:
•
•
•
pevnost v tahu - σpt
modul pružnosti v tahu - E
Poissonovo číslo - ν
[14]
5.2.2 Zkouška tlakem
Zkouška tlakem kompozitních vláknových kompozitů pomáhá stanovit tlakové
charakteristiky vláknových kompozitů s kontinuálními vysoko-modulovými vlákny.
•
•
pevnost v tlaku - σpd
modul pružnosti v tlaku – E
[15] [16]
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.
Obr. 9 – Přípravek s upnutým vzorkem pro zkoušku smykem.
•
•
pevnost ve smyku - τ
modul pružnosti ve smyku - G
[17] [18]
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:
•
pevnost při interlaminárním smyku - τSBS
[19]
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.
•
•
pevnost v ohybu - σo
modul pružnosti v ohybu - E
[21] [20]
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
x=
∑x
i =1
i
(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:
n
s n −1 =
•
∑x
i =1
2
i
− nx 2
n −1
(3)
variačního koeficientu:
CV =
s n−1
.100 [%]
x
(4)
Variační koeficient je užitečnou mírou rozptýlení dat. Proto se často používá při
statistické kontrole zkoušení materiálů. [4] [22]
Miroslav HRUDŇÁK
- 29 -
2003/2004
6 Kompozitní materiály používané pro malé sportovní
letouny
6.1 Úvod
Použití kompozitů v letectví je dáno poměrem jejich pevnostních vlastností
k hmotnosti. Pevnost některých kompozitů se blíží k hodnotám pevnosti oceli při výrazně
nižší hmotnosti. Princip kompozitních materiálů umožňuje, díky anizotropii, navržení
konstruovaného dílu, respektive skladby jeho materiálu, tak aby odpovídal předpokládanému
zatížení. Při použití kompozitních materiálů lze docílit vysoké tvarové složitosti dílů
a vysoké kvality a přesnosti jejich povrchu. Mezi další výhody patří odolnost proti korozi,
nízká teplotní roztažnost, příznivé únavové vlastnosti. Z hlediska nákladů je výhodný menší
počet dílů a minimum odpadu. Nevýhodou je jejich vysoká cena, v některých případech
malá tuhost, problémy pří zavádění osamělých sil a nutnost přísného dodržování
technologických a bezpečnostních postupů.
Z hlediska těchto vlastností jsou kompozity vhodným materiálem pro využití
v letectví. [23]
6.2 Materiály kompozitních dílů
Jak již bylo řečeno kompozitní materiály se skládají z minimálně dvou odlišných fází
z nich tzv. matrice slouží k uložení druhé většinou zpevňující fáze tzv. výztuže. Zpevňující
fáze používaná v kompozitech malých sportovních letadel má většinou tvar kontinuálních
vláken a mluvíme tedy o tzv. vláknových kompozitech.
6.2.1 Matrice
Matrice kompozitních dílů malých sportovních letadel jsou většinou ze skupiny
reaktoplastů. Nejčastěji se používají epoxidové pryskyřice, ale i polyesterové
a vinylesterové.
Polyesterové pryskyřice mají sice velmi nízkou cenu oproti epoxidovým, ale tuto
výhodu převažují nevýhody polyesterových laminátů: nižší tvarová stálost, křehkost a nižší
houževnatost, nižší kvalita spojů a špatná opravitelnost. Vinylesterové pryskyřice tvoří
cenově i vlastnostmi přechod mezi polyestery a epoxidy. Standardem jsou epoxidové
pryskyřice. Mají dobrou houževnatost, odolnost proti únavě a tečení, výbornou adhezi
k vláknům, uspokojivou teplotní odolnost, výtečnou chemickou odolnost, výborné elektrické
vlastnosti a malé smrštění při vytvrzování. V důsledku polárnosti jsou navlhavé, takže za
přítomnosti vody je nutné počítat se značným zhoršením teplotní odolnosti i u pryskyřic
s vysokou teplotou skelného přechodu v důsledku plastifikačního účinku vody.
6.2.2 Výztuže
Uspořádání vláken výztuže může být jednosměrné ve formě rovingů. Používá se
převážně uhlíkových rovingů, ale je možné použít též skleněných rovingů. Další je forma
Miroslav HRUDŇÁK
- 30 -
2003/2004
jednosměrné tkaniny. Na následujícím obrázku (obr. 11) je ukázka jednosměrné tkaniny ze
skleněných vláken.
Obr. 11 – Jednosměrná tkanina ze skleněných vláken.
Vícesměrné uspořádání vláken je u tkanin. Tyto tkaniny mohou být ze skleněných
vláken, uhlíkových vláken, aramidových vláken nebo jejich kombinací. Na následujícím
obrázku (obr. 12) je ukázka hybridní tkaniny z uhlíkových a aramidových vláken
Obr. 12 – Hybridní tkanina (uhlíková a aramidová vlákna).
Miroslav HRUDŇÁK
- 31 -
2003/2004
U sendvičových konstrukcí se používá většinou pěnových jader, pro docílení větší
stability kompozitních dílů. Tyto pěny bývají většinou polyuretanové a vkládají se mezi dva
kompozitní potahy.
6.3 Technologie výroby kompozitních dílů
Technologií používanou pro výrobu malých sportovních letadel je většinou ruční
kladení za mokra do negativních forem, kde je kladená výztuž prosycována pryskyřicí
ručním válečkem. Pokud se jedná o sendvič, je vloženo jádro. Tento celek je pak vakuován,
aby došlo ke stlačení jednotlivých vrstev. V případě tvarově složitých dílů jde o pouhé ruční
kladení za mokra, bez následného vakuování.
Zkompletovaný díl se ponechá zhruba 24 hodin při pokojové teplotě, kdy dojde
k vytvrzení pryskyřice. Pro dokonalé vytvrzení pryskyřice a dosažení požadovaných
mechanických vlastností, je nutné provést dotvrzení při teplotě 60 °C po dobu 15 hodin. To
je provedeno v temperanční komoře.
6.4 Použití kompozitních dílů v konstrukci
Při výrobě trupu malých sportovních letadel se používá kompozitních materiálů
s výztuží z tkanin. Z hlediska dodržení bezpečnosti posádky jsou používány hybridní
tkaniny, které zaručují nárazuvzdornost jak prostoru kabiny, tak sedadel pro posádku.
V místě vetknutí křídel do trupu se z důvodu pevnosti používá uhlíkových tkanin. Zbývající
část trupu malých sportovních letadel se vyrábí ze skleněných vláken, kde se svými
mechanickými vlastnostmi postačují. Na následujících obrázcích (obr. 13 a 14) je zachycena
výroba trupu malého sportovního letadla s použitím hybridních, uhlíkových a skleněných
tkanin.
Obr. 13 – Přední část trupu malého sportovního letadla s prostorem kolem posádky
Miroslav HRUDŇÁK
- 32 -
2003/2004
Obr. 14 – Výroba trupu malého sportovního letadla.
Při výrobě křídel se používá většinou tkanin ze skleněných vláken na výrobu potahů,
tento potah má sendvičovou konstrukci s pěnovým jádrem. Potahy je potažena konstrukce
křídla, která se skládá z nosníku, jehož pásnice jsou vyrobeny z uhlíkových rovingů. Pokud
má křídlo žebra, ta jsou vyrobena ze skleněných tkanin. Na následujícím obrázku (obr. 15) je
nosník křídla s uhlíkovými pásnicemi přecházející v krakorec, pomocí kterého je křídlo
vetknuto do trupu.
Obr. 15 – Křídlo malého sportovního letounu.
Miroslav HRUDŇÁK
- 33 -
2003/2004
Konstrukce vodorovné ocasní plochy (VOP) je podobná konstrukci křídel, s tím
rozdílem, že je jednodušší. Zde je celý nosník vyroben z kompozitního materiálu s výztuží
z uhlíkových vláken. Potah vodorovné ocasní plochy je opět sendvičová konstrukce
s pěnovým jádrem. Na následujícím obrázku (obr. 16) je vodorovná ocasní plocha z větroně.
Obr. 16 – Vodorovná ocasní plocha.
Zbývající kompozitní díly malých sportovních letadel jsou vyráběny většinou z tkanin.
V závislosti na namáhaní jsou voleny tkaniny ze skleněných vláken na méně namáhané části,
více namáhané části z uhlíkových vláken a kde je nutné pohlcení rázů používá se hybridních
tkanin.
[3] [24]
Miroslav HRUDŇÁK
- 34 -
2003/2004
7 Experimentální část
7.1 Experimentální materiál
Následné vybrané vláknové kompozitní materiály odpovídají statistickému průzkumu
zmíněnému v úvodu a jsou kombinací následujících výztuží a matrice:
výztuže:
•
obchodní název
INTERGLAS 92 110
INTERGLAS 92 125
RAYMOND
VERTEX
o hybrid (uhlík + Kevlar)
PORCHER (nesymetrický)
PORCHER (symetrický)
o uhlík
HEXCEL
V 355
163
280
163
355
3210
3785
165
180
43194 1000
193
INTERGLAS 92 145
190 157-X
220
roving
o sklo

hustota
[g/cm3]
VETROTEX
EC9-756-k43(68)
o uhlík
TORAYCA
T 700 SC
1,8
směšovací pravidlo
hustota
[g/cm3]
100 : 40 váhových dílů (± 2 %)
1,2
matrice:
•
190 120-X
190 138-X
jednosměrná tkanina
o sklo

•
plošná hustota
[g/m2]
tkanina
o sklo

•
označení
pryskyřice + tužidlo
o MGS L 285 + MGS 287
Podrobnější informace od dodavatelů vzorků o většině výztuží a matrici jsou na
přiloženém CD-ROMu.
Miroslav HRUDŇÁK
- 35 -
2003/2004
7.2 Příprava vzorků
Pro výrobu vzorků byla použita technologie ručního kladení za mokra, běžně
používaná při výrobě sportovních létajících zařízení.
7.2.1 Výroba předlaminovaných desek
Většina vzorků byla při ručním kladení za mokra vakuována, pouze u kompozitů ze
skleněných tkanin INTERGLAS 92 110 a INTERGLAS 92 125 byla použita pro porovnání
ještě technologie bez vakuování.
Výroba předlaminovaných desek bez vakuování je následující:
•
•
•
•
na kompozitní desku ze skleněných tkanin je nanesen separátor, aby bylo možné
hotový výrobek oddělit od desky
položení odtrhové vrstvy, která vtiskne do předlaminované desky strukturu,
potřebnou pro její další technologické zpracování
položení potřebného počtu jednotlivých vrstev tkanin, které jsou prosycovány
plstěným válečkem s pryskyřicí a tužidlem
opět položení odtrhové vrstvy
je nezbytně nutné dodržet předepsané množství pryskyřice, protože u tohoto způsobu
laminace není možné odstranit její přebytečné množství.
Výroba vakuovaných předlaminovaných desek pokračuje:
•
•
•
•
položením děrované fólie s otvory ∅ 2 mm vzdálených od sebe cca 20 mm
položením odsávací vrstvy ve formě skleněné rohože
hermetickým překrytím folií, která je po obvodu přilepena
odsátí vzduchu z tohoto meziprostoru
tím dojde k odsátí přebytečné pryskyřice do odsávací vrstvy a k stlačení jednotlivých
vrstev atmosférickým tlakem.
Následuje tepelné zpracování takto prosycených jednotlivých vrstev tkanin pryskyřicí
s tužidlem. Tento polotovar je ponechán po dobu 24 hodin při teplotě 23 °C, následuje 3 –
hodinový náběh na teplotu 60 °C, při které je ponechán po dobu 15 hodin, viz. následující
obr. 17.
Miroslav HRUDŇÁK
- 36 -
2003/2004
Tepelné zpracování
70
60
teplota [oC]
50
40
30
20
10
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
doba [hod]
Obr. 17 – Tepelné zpracování předlaminovaných desek.
Při výrobě a zpracování zkušebních vzorků se kladl důraz na důsledné dodržení stejné
technologie jako při výrobě dílu pro letectví.
7.2.2 Vyřezávání vzorků
Jednotlivé vzorky byly vyřezávány z předlaminované desky různými technologiemi:
•
•
řezání diamantovým kotoučem
řezání vodním paprskem
Vyřezávání vzorků diamantovým kotoučem z předlaminované desky bylo první
použitou technologii. Ukázalo se že dělení diamantovým kotoučem je levná, dostupná
a použitelná technologie pro výrobu vzorku velikosti centimetrů. Pro malé vzorky,
respektive jejich části, jsou výrobní tolerance, a obtížný způsob upnutím obrobku limitujícím
faktorem. Další nevýhodou diamantového kotouče je tepelné poškození vzorku v místě řezu.
Tepelné poškození lze eliminovat nižší řeznou rychlostí.
Řezání vodním paprskem bylo druhou technologií použitou pro výrobu vzorků. Při
této technologii je nutno omezit dobu pobytu vzorku v kapalině na minimum a před
samotným experimentem nechat vzorek vyschnout. U dělení tenkých vzorků do tloušťky
3 mm se nevyskytly žádné zásadní problémy. U vzorků o větší tloušťce byly řešeny dvě
základní otázky:
•
•
vliv řezné rychlosti na kvalitu povrchu a podříznutí hrany vzorku
eliminace „průstřelu“ při zahájení výroby vzorku
Miroslav HRUDŇÁK
- 37 -
2003/2004
Obr. 18 - Ukázka delaminace v okolí “průstřelu“ a poškození polotovaru při vysoké řezné rychlosti.
Vliv řezné rychlosti na kvalitu povrchu a podříznutí hrany vzorku. Při výrobě
tlustých vzorků (tloušťka > 3 mm), se projevilo podříznutí vzorků, které nebylo možné
kompenzovat upnutím obrobku, ale pouze řeznou rychlostí. Další problematickou oblastí se
ukázala kvalita povrchu. Z těchto důvodu byla provedena technologická zkouška, při které se
určovala na kompozitní desce tloušťky 5 mm kvalita povrchu a podříznutí obrobku
v závislosti na řezné rychlosti. Bylo zjištěno, že optimální řezná rychlost je mezi 200 – 250
mm/min. Při rychlosti do 250 mm/m je kvalita povrchu vyhovující a velikost podříznutí je
0,15 mm. Při rychlostech přes 300 mm/min se začne podříznutí zvětšovat při rychlostech nad
800 mm/min se na hraně vzorku objevuje delaminace a otřepení. Předpokládá se, že uvedené
parametry budou závislé na použitém materiálu vzorku a výkonu řezacího stroje.
Eliminace „průstřelů“ při zahájení výroby vzorku. Jak již bylo řečeno vzorky byly
vyráběny vyřezáváním z předlaminované desky. Při zahájení řezání jednotlivých vzorku
najede hlava stroje na určené místo, spustí se vodní paprsek a vyřízne se tvar vzorku.
Zkouška ukázala, že vodní paprsek není schopný prorazit (“prostřelit“) takto silnou desku,
aniž by došlo k delaminaci vrstev v okruhu min 5 mm od místa průstřelu. Z toho důvodu
byla změněna dráha stroje, aby řez začínal buď v otvoru po již vyříznutém vzorku nebo
s dostatečnou rezervou mimo výsledný vzorek.
[25] [26]
7.2.3 Kompletace vzorků
Takto vyřezané vzorky z předlaminovaných desek byly zkompletovány do podoby
definované normou, tj. přilepení kovových příložek na tahové vzorky nebo přilepení příložek
ze stejného materiálu na tlakové vzorky.
Miroslav HRUDŇÁK
- 38 -
2003/2004
7.2.4 Označení vzorků
Hotové zkompletované vzorky byly označeny číslem vzorku včetně doplňkových číslic
podle následujícího klíče:
VZP MMS CCC.XY
V – vzorek
Z – druh zkoušky
1 – zkouška tahem
2 – zkouška tlakem
3 – zkouška ohybem
4 – zkouška interlaminárním smykem (“Short-Beam Shear”)
5 – zkouška smykem
P – klimatické podmínky zkoušky
1 – teplota +23 °C
2 – teplota +23 °C WET (teplota + 23 °C při zvýšené vlhkosti)
3 – teplota +54 °C
4 – teplota –55 °C
MM – materiál výztuže
00 – INTERGLAS 92 110
02 – RAYMOND
03 – VERTEX
04 – PORCHER (nesymetrický)
05 – PORCHER (symetrický)
06 – HEXCEL
08 – VETROTEX
09 – TORAYCA
S – směr zatíženi vůči hlavnímu směru vláken výztuže
1 - 0°
2 - 45°
3 - 90°
X – výrobce předlaminovaných desek
1 – COMPOSIT AIRPLANES
2 – Jiří Kaura - COMLET
3 – URBAN AIR
Y – číslo šarže
Miroslav HRUDŇÁK
- 39 -
2003/2004
7.2.5 Příprava pro měření
Takto označené vzorky byly proměřeny a hodnoty naměřených rozměrů zapsány do
protokolů. Hodnoty sloužili jako vstupní data jednotlivých zkoušek.
Pro měření při teplotě 23 °C a zvýšené vlhkosti byly vzorky po dobu 30 dnů namočeny
v destilované vodě.
[27]
7.3 Provedené zkoušky
Zkoušení kompozitních materiálů byla prováděna v laboratořích Ústavu materiálového
inženýrství ČVUT v Praze. Pro zkoušení bylo použito univerzálního zkušebního stroje
INSTRON 5582 (100 kN) a jeho příslušenství (obr. 19).
Obr. 19 – Univerzální zkušební stroj INSTRON 5582 (100 kN).
Zkoušky tahem a zkoušky interlaminárním smykem byly provedeny dle norem ASTM,
v případě zkoušek tlakem byla zvolena norma SACMA odvozená z normy ASTM a to
z důvodu výrobně jednoduššího vzorku potřebného ke zkoušce.
Miroslav HRUDŇÁK
- 40 -
2003/2004
Tato zkouška byla provedena dle normy ASTM D3039/D 3039M – 00 za použití:
•
•
dvouosého průtahoměru INSTRON (obr. 20)
při měření za zvýšené teploty byla použita tepelná komora INSTRON
Obr. 20 – Zkouška tahem za použití dvouosého průtahoměru INSTRON.
Zkušebním tělesem je (tenký) pásek o konstantním obdélníkovém průřezu (obr. 21),
který může být na svých koncích opatřen příložkami pro uchycení do čelistí zkušebního
stroje. Rozměry zkušebního tělesa jsou závislé na druhu a orientaci vláknové výztuže, viz.
tab. 1.
Miroslav HRUDŇÁK
- 41 -
2003/2004
orientace
vláken
o
O jednosměrně
9Oo jednosměrně
vyvážené a
symetrické
náhodnédiskontinuální
šířka
tloušťka
[mm]
celková
délka
[mm]
15
25
250
175
1
2
25
250
2,5
25
250
2,5
[mm]
délka
příložek
[mm]
tloušťka
příložek
[mm]
úhel
zkosu
příložek
[o]
56
25
smirkový
papír
smirkový
papír
1,5
1,5
7 nebo 90
90
-
-
-
-
Tab. 1 – Normované rozměry tahových vzorků.
Obr. 21 – Výkres vzorků pro zkoušku tahem.
Vzorek byl upnut do čelistí zkušebního stroje a na něj byl nasazen dvouosý
průtahoměr. Do programu zkušebního stroje byly vloženy údaje o šířce a tloušťce vzorku
a zkouška byla spuštěna. Vzorek byl zatěžován rychlostí nosníku 1 mm/min. Do 5%
deformace byla hodnota Poissonova čísla snímána průtahoměrem a to v podélném i příčném
směru zkušebního vzorku, poté byl průtahoměr odejmut ze zkušebního vzorku a zkouška
pokračovala dále, kdy bylo prodloužení vzorku snímáno z pohybu čelistí a to jen v podélném
směru. Přetržením vzorku byla zkouška ukončena a program zkušebního stroje provedl
Miroslav HRUDŇÁK
- 42 -
2003/2004
vyhodnocení, kdy byla vypočtena hodnota meze pevnosti v tahu - σpt, modul pružnosti
v tahu – E a Poissonovo číslo - ν.
[14]
Tato zkouška byla provedena dle normy SACMA SRM 1R-94 za použití
•
•
tlakového přípravku WTF – BO – 47 firmy WYOMING TEST FIXTURES, INC.
pro provedení tlakové zkoušky (obr. 22)
Obr. 22 – Zkouška tahem za použití tlakového přípravku WTF – BO – 47.
Vzorkem je tenký pásek z kompozitního materiálu, který je na svých koncích opatřen
příložkami ze stejného materiálu. Výkres vzorku použitého ke stanovení meze pevnosti
v tlaku, je na obr. 23.
Miroslav HRUDŇÁK
- 43 -
2003/2004
Obr. 23 – Vzorek s příložkami pro zjištění meze pevnosti v tahu.
Vzorek byl upnut do speciálního tlakového přípravku čtyřmi šrouby a dotažen
momentovým klíčem předepsaným momentem 1 N.m. Sešroubovaný přípravek se vzorkem
byl vložen mezi čelist, do programu zkušebního stroje byly vloženy údaje o šířce a tloušťce
vzorku. Zkouška byla spouštěna a vzorek byl zatěžován konstantní rychlostí čelisti
1 mm/min do okamžiku porušení nebo aby nedošlo k porušení tlakového přípravku. Při
porušení byla zkouška ukončena a program provedl vyhodnocení, kdy byla vypočtena mez
pevnosti v tlaku - σpd.
Pro zjištění materiálových charakteristik: modulu pružnosti v tlaku – E a Poissonova
čísla - ν, je nutno použít tlakových vzorků bez příložek, opatřených tenzometry pro měření
deformace - ε.
[15]
7.3.3 Zkouška interlaminárním smykem (“Short-Beam Shear”)
Tato zkouška byla provedena dle normy ASTM D 2344/D 2344M – 00 za použití
•
•
“Short-Beam Shear” přípravku WTF – SB – 29 firmy WYOMING TEST
FIXTURES, INC. pro provedení zkoušky interlaminárním smykem (obr. 24)
Miroslav HRUDŇÁK
- 44 -
2003/2004
Obr. 24 – Zkouška interlaminárním smykem za použití přípravku WTF – SB – 29 a tepelné komory INSTRON.
Vzorek obdélníkového průřezu byl definován: délka vzorku je šestinásobek tloušťky
vzorku a šířka vzorku je dvojnásobek tloušťky vzorku, viz. následující obrázek (obr. 25)
Obr. 25 – Výkres vzorku pro zkoušku interlaminárním smykem.
Miroslav HRUDŇÁK
- 45 -
2003/2004
Vzorek byl položen na dvě podpory speciálního přípravku vzdálené od sebe na
čtyřnásobek tloušťky vzorku. Do programu zkušebního stroje byly vloženy údaje o tloušťce
a šířce vzorku. Zkouška byla spouštěna a vzorek byl zatěžován shora zatěžovacím nosem
konstantní rychlostí 1 mm/min. Zatěžování probíhalo do té doby než nastal jeden
z okamžiků:
•
•
•
zatěžovací síla poklesla o 30%
vzorek byl porušen na dvě části
průhyb vzorku dosáhl své nominální tloušťky
Zkouška byla ukončena a program zkušebního stroje provedl vyhodnocení, kdy byla
vypočtena pevnost při interlaminárním smyku - τSBS.
[19]
Miroslav HRUDŇÁK
- 46 -
2003/2004
8 Výsledky a jejich diskuse
8.1 Výsledky zkoušek
Souborně jsou vypočtené průměrné hodnoty pevností provedených zkoušek uvedeny
v tab. 2. V jednotlivých tabulkách jsou uvedeny pro každou zkušební dávku vzorků:
jednotlivé počty kusů, průměrné, minimální a maximální hodnoty, dále pak směrodatná
odchylka a variační koeficient. Pro zkoušku tahem a interlaminárním smykem byl zvolen
počet vzorků ve zkušební dávce 6 a pro zkoušku tlakem to bylo 7 kusů v dávce.
Vypočtené průměrné hodnoty pevností provedených zkoušek jsou graficky znázorněny
na obr. 26.
Vypočtené průměrné hodnoty zkoušky tahem modulu pružnosti jsou v tab. 3
a Poissonova čísla v tab. 4.
Vypočtené průměrné hodnoty pevností provedených zkoušek tahem jsou graficky
znázorněny na obr. 27. Vypočtené průměrné hodnoty modulů pružností provedených
zkoušek tahem jsou graficky znázorněny na obr. 28 a vypočtené průměrné hodnoty
Poissonova čísla provedených zkoušek tahem jsou graficky znázorněny na obr. 29.
Vypočtené průměrné hodnoty pevností provedených zkoušek tlakem jsou graficky
znázorněny na obr. 30.
8.1.3 Zkouška interlaminárním smykem (“Short-Beam Shear”)
Vypočtené průměrné hodnoty pevností provedených zkoušek interlaminárním smykem
(“Short-Beam Shear”) jsou graficky znázorněny na obr. 31.
Miroslav HRUDŇÁK
- 47 -
2003/2004
MATERIÁLOVÉ CHARAKTERISTIKY - PEVNOST
163 g/m
TAH
+ 23 °C WET
TLAK
+ 23 °C
+ 23 °C WET
+ 54 °C
+ 23 °C
+ 23 °C WET
+ 54 °C
163 g/m
45
6
303,8
251,0
343,0
32,0
10,6
6
268,7
219,0
318,0
42,0
15,8
6
286,8
229,0
322,0
35,0
12,0
7
278,2
215,4
300,3
29,1
10,4
7
264,4
252,2
278,9
10,0
3,8
7
255,0
240,2
272,7
11,3
4,4
6
40,4
37,6
43,0
1,9
4,6
6
36,1
31,9
39,0
2,5
6,9
6
26,9
25,6
29,4
1,4
5,2
+ 54 °C
IN T E R . S M Y K
2
0
+ 23 °C
INTERGLASS 92 110
(vakuovaný)
0
6
123,0
115,0
132,0
6,0
5,2
6
113,0
102,0
119,0
6,0
5,6
6
93,5
79,0
109,0
11,0
11,9
7
144,4
139,6
151,1
4,1
2,9
7
119,0
112,2
123,9
4,7
4,0
7
100,7
97,2
107,1
3,6
3,6
6
24,6
18,1
26,5
3,2
13,1
6
30,5
25,9
36,4
3,5
11,5
6
16,5
11,9
18,4
2,3
14,1
2
280 g/m
45
6
300,8
251,0
406,0
62,0
20,6
5
273,2
226,0
315,0
35,0
12,8
7
317,9
289,7
342,2
18,6
5,9
7
246,6
196,6
277,0
28,9
11,7
7
282,6
267,1
310,9
16,0
5,6
6
37,1
35,9
38,1
0,8
2,1
6
30,2
28,8
31,6
1,1
3,6
INTERGLASS 92 125
0
5
155,2
143,0
165,0
8,0
5,4
4
137,0
133,0
140,0
4,0
2,6
7
146,4
135,6
156,7
7,4
5,0
7
117,3
112,3
127,0
5,1
4,3
7
119,4
99,2
155,2
18,9
15,9
6
27,6
27,2
28,3
0,4
1,4
2
280 g/m
45
6
291,5
231,0
354,0
51,0
17,5
6
287,2
227,0
318,0
41,0
14,3
6
280,0
246,0
294,0
18,0
6,4
7
353,2
298,4
462,4
54,3
15,4
7
265,9
236,1
345,2
38,0
14,3
6
279,0
250,4
336,0
34,5
12,4
6
36,6
35,4
37,3
0,8
2,2
6
29,9
27,2
31,9
1,7
5,7
6
19,5
18,2
21,1
1,0
5,1
INTERGLASS 92 125
(vakuovaný)
0
6
116,0
113,0
121,0
3,0
2,6
6
115,2
107,0
124,0
7,0
5,8
6
105,8
100,0
110,0
4,0
3,8
7
165,3
144,9
200,6
17,8
10,8
7
153,6
136,5
162,4
8,7
5,7
7
115,5
104,2
122,6
7,1
6,2
6
28,6
20,5
31,2
4,1
14,4
6
25,2
23,9
26,6
0,9
3,7
6
17,2
12,3
18,9
2,5
14,5
2
163 g/m
45
6
279,3
205,0
380,0
60,0
21,4
5
305,4
259,0
355,0
35,0
11,6
7
332,9
277,4
355,8
29,3
8,8
7
303,0
280,7
330,8
18,7
6,2
7
294,8
274,8
306,7
11,0
3,7
RAYMOND
6
134,3
132,0
138,0
2,0
1,7
6
114,0
107,0
118,0
4,0
3,6
7
181,2
167,8
195,8
11,8
6,5
7
143,2
137,3
148,7
4,0
2,8
7
125,8
122,2
130,0
3,4
2,7
0
VERTEX
2
355 g/m
45
6
368,7
341,0
400,0
24,0
6,5
6
321,2
236,0
365,0
46,0
14,4
6
323,7
295,0
338,0
20,0
6,1
7
260,9
234,0
282,2
15,2
5,8
7
175,6
153,3
189,0
13,7
7,8
7
205,3
186,8
226,6
14,7
7,2
6
36,5
35,7
37,4
0,7
1,8
0
6
149,0
142,0
158,0
6,7
4,5
6
119,0
114,0
123,0
3,3
2,8
6
127,7
124,0
131,0
3,1
2,5
6
28,4
28,1
28,9
0,4
1,3
2
45
4
362,0
297,0
393,0
44,4
12,3
6
314,2
288,0
342,0
19,3
6,1
6
319,0
289,0
365,0
27,7
8,7
7
310,0
271,4
344,3
22,4
7,2
7
298,9
278,6
319,1
13,8
4,6
7
327,1
241,1
544,5
111,4
34,1
6
32,9
30,7
36,8
2,2
6,6
6
116,0
110,0
121,0
4,0
3,2
6
108,0
103,0
111,0
3,0
2,6
6
88,0
85,0
89,0
2,0
1,7
6
497,8
384,0
586,0
78,0
15,7
6
442,7
157,0
581,0
151,0
34,0
6
484,8
405,0
526,0
48,0
9,8
6
32,2
30,1
38,8
3,3
10,1
6
28,4
27,1
29,8
1,0
3,4
6
28,5
26,2
31,5
1,8
6,4
6
21,3
20,6
22,4
0,6
2,8
6
32,2
30,8
33,8
1,1
3,3
6
26,8
25,0
30,1
1,8
6,7
Legenda:
Obch. název
Označení
Gramáž
o
Směr zatížení [ ]
+ 23 °C
INTERGLASS 92 110
163 g/m
0
2
45
6
303,8
251,0
343,0
32,0
10,6
6
123,0
115,0
132,0
6,0
5,2
-
počet vzorků
průměrná hodnota
minimální hodnota
maximální hodnota
směrodatná odchylka
variační koeficient
Tab. 2 – Materiálové charakteristiky – pevnost.
6
119,2
93,0
139,0
17,0
14,7
4
121,8
111,0
132,0
9,0
7,3
6
107,7
104,0
113,0
3,0
3,1
6
326,1
305,6
348,6
20,0
6,1
6
284,2
128,0
348,0
82,0
29,0
6
321,5
297,0
351,0
23,0
7,2
7
288,3
253,0
323,3
25,2
8,8
7
228,6
211,3
242,8
11,5
5,0
7
185,7
151,6
211,1
20,7
11,2
6
127,5
103,0
143,0
17,0
13,2
6
143,3
134,0
146,0
5,0
3,2
6
119,0
113,0
124,0
4,0
3,3
7
110,7
100,2
123,0
7,6
6,9
7
73,2
59,2
108,3
16,1
22,0
SKLO
SKLO
UHLÍK
HEXCEL
INTERGLASS 92 145
VETROTEX
EC 9-756-k43(68)
TORAYCA
T 700 SC
3
1,8 g/cm
193 g/m
0
2
220 g/m
45
6
471,0
442,0
535,0
34,0
7,2
6
485,0
355,0
603,0
83,0
17,1
6
453,8
379,0
549,0
64,0
14,2
7
431,4
400,5
446,5
14,8
3,3
7
359,4
320,3
390,6
25,3
7,1
7
342,8
310,2
389,0
30,2
8,8
6
170,8
165,0
175,0
4,0
2,1
6
152,0
134,0
167,0
12,0
8,2
6
127,3
122,0
131,0
3,0
2,7
0
2
90
6
377,3
349,0
415,0
25,0
6,8
6
364,5
335,0
376,0
15,0
4,1
6
399,3
361,0
448,0
29,0
7,3
7
298,4
245,1
386,6
51,1
17,1
7
232,7
167,9
337,7
63,8
27,4
6
40,9
39,2
42,8
1,7
4,0
6
39,0
37,9
40,5
1,0
2,5
6
32,6
30,6
33,9
1,4
4,1
0
5
38,4
36,0
42,0
3,0
7,5
6
33,7
29,0
38,0
3,0
9,9
6
30,2
24,0
38,0
5,0
16,3
7
109,4
102,9
119,4
5,7
5,2
7
78,5
71,9
97,1
8,8
11,1
6
11,1
9,8
12,8
1,1
9,6
6
9,4
8,6
10,2
0,6
6,4
6
6,8
5,6
7,6
0,7
10,2
90
5
651,6
430,0
867,0
169,8
26,1
5
514,4
406,0
593,0
89,5
17,4
5
669,2
550,0
736,0
73,8
11,0
6
56,6
41,9
61,0
7,3
12,9
6
57,8
56,7
60,7
1,5
2,6
6
39,5
32,3
43,1
4,1
10,4
0
6
26,5
22,0
30,0
3,3
12,3
6
22,8
20,0
27,0
2,5
10,9
5
10,4
14,0
21,0
3,0
15,7
6
5,5
3,2
6,4
1,2
21,9
6
4,3
1,7
6,0
1,5
34,7
6
3,5
2,4
4,7
0,8
24,0
6
1112,9
380,7
1591,7
432,8
38,9
4
1199,8
847,0
1535,0
284,1
23,7
6
1235,7
510,0
1712,0
486,7
39,4
7
680,1
562,1
833,5
87,7
12,9
7
520,2
351,6
616,5
95,7
18,4
7
342,4
138,9
592,2
159,8
46,7
6
47,9
46,5
49,9
1,3
2,6
6
47,2
42,8
52,0
3,0
6,3
6
28,1
27,5
29,0
0,5
1,9
90
6
18,0
15,0
21,0
2,0
11,2
6
8,0
6,0
11,0
2,0
25,9
4
15,0
12,0
17,0
2,0
15,0
7
93,0
64,6
127,1
21,9
23,5
7
71,4
47,6
84,3
11,8
16,5
7
80,8
57,8
108,2
18,9
23,4
6
3,3
1,8
4,6
1,1
32,8
6
2,2
1,4
3,0
0,6
27,2
6
2,2
1,5
2,7
0,4
19,3
Obch. název
Označení
Hustota
o
+ 23 °C
+ 23 °C WET
TAH
INTERGLASS 92 110
ROVING
UHLÍK
+ 54 °C
+ 23 °C
+ 23 °C WET
TLAK
Obch. název
Označení
Gramáž
o
HYBRID (uhlík+kevlar)
PORCHER
PORCHER
(nesymetrický)
(symetrický)
2
2
165 g/m
180 g/m
0
45
0
45
+ 54 °C
+ 23 °C
+ 23 °C WET
+ 54 °C
IN T E R . S M Y K
JEDNOSMĚRNÁ TKANINA
TKANINA
SKLO
Materiálové charakteristiky - pevnost
1200
1000
pevnost [MPa]
800
600
400
200
0
0
45
163 g/m2
0
45
163 g/m2
0
45
0
280 g/m2
45
280 g/m2
(vakuovaný)
0
45
163 g/m2
0
45
355 g/m2
(vakuovaný)
INTERGLASS 92 INTERGLASS 92 INTERGLASS 92 INTERGLASS 92
110
110
125
125
RAYMOND
VERTEX
0
45
0
45
165 g/m2
180 g/m2
(nesymetrický)
(symetrický)
PORCHER
PORCHER
SKLO
TKANINA
0
45
0
193 g/m2
90
0
90
0
220 g/m2
EC 9-756k43(68)
T 700 SC
HEXCEL
INTERGLASS 92
145
VETROTEX
TORAYCA
UHLÍK
SKLO
SKLO
UHLÍK
JEDNOSMĚRNÁ
TKANINA
ROVING
výztuže
TAH + 23 °C
TLAK + 54 °C
TAH + 23 °C WET
INTER. SMYK + 23 °C
TAH + 54 °C
INTER. SMYK + 23 °C WET
Obr. 26 – Graf materiálových charakteristik – pevnost.
90
1,8 g/cm3
TLAK + 23 °C
TLAK + 23 °C WET
MATERIÁLOVÉ CHARAKTERISTIKY ZKOUŠKY TAHEM - MODUL PRUŽNOSTI
Obch. název
Označení
Gramáž
o
TAH
+ 23 °C
+ 23 °C WET
+ 54 °C
INTERGLASS 92 110
163 g/m
INTERGLASS 92 110
(vakuovaný)
2
163 g/m
0
45
2
19955,5
19725,0
20186,0
326,0
1,8
6
19936,5
17612,0
21905,0
1511,0
7,6
6
18412,3
17867,0
19145,0
513,0
2,8
6
9470,5
8529,0
10856,0
846,0
8,9
6
8575,0
8421,0
8744,0
126,0
1,5
6
4094,2
959,0
6434,0
1914,0
46,8
2
0
6
24369,2
22885,0
27572,0
1727,0
7,1
5
22568,2
22315,0
22998,0
285,0
1,3
INTERGLASS 92 125
(vakuovaný)
INTERGLASS 92 125
280 g/m
2
280 g/m
RAYMOND
2
163 g/m
45
0
45
0
45
5
11072,8
10791,0
11678,0
361,0
3,3
4
9475,5
8839,0
10145,0
543,0
5,7
5
19739,8
18864,0
20745,0
703,0
3,6
6
20321,3
19162,0
21783,9
1018,0
5,0
6
18203,0
1360,0
18900,0
966,0
5,3
6
9716,8
8774,0
11064,0
809,0
8,3
6
9219,3
8689,0
9977,0
447,0
4,8
6
6930,7
6182,0
7310,0
429,0
6,2
6
24734,7
23847,0
25681,0
677,0
2,7
5
24795,2
23882,0
26822,0
1177,0
4,7
6
12620,7
11469,0
15082,0
1386,0
11,0
6
10527,2
9475,0
11059,0
629,0
6,0
VERTEX
2
0
355 g/m
45
4
17395,0
17210,0
19530,0
135,0
0,8
6
17964,7
17455,0
19298,0
681,0
3,8
6
16272,0
15671,0
17247,0
616,0
3,8
6
8473,5
7847,0
8995,0
366,4
4,3
6
6036,3
4904,0
6754,0
613,7
10,2
6
5618,7
5225,0
6534,0
465,0
8,3
2
0
45
1
19175,0
19175,0
19175,0
6
21039,0
19321,0
24650,0
1981,9
9,4
6
18158,0
17095,0
18846,0
636,2
3,5
5
10209,0
9958,0
10659,0
270,0
2,6
6
9806,0
9431,0
10073,0
269,0
2,8
6
5125,0
661,0
6275,0
2199,0
42,9
PORCHER
PORCHER
(symetrický)
(nesymetrický)
2
2
165 g/m
180 g/m
0
45
0
45
6
44136,0
38420,0
51037,0
4692,0
10,6
6
42359,0
38202,0
48061,0
3220,0
7,6
6
40504,5
35593,0
50247,0
5173,0
12,8
6
7799,8
7238,0
8259,0
346,0
4,4
6
7633,7
7217,0
8405,0
443,0
5,8
6
4702,5
4521,0
5022,0
204,0
4,3
6
32891,7
31640,0
34030,0
994,0
3,0
6
38801,8
33278,0
49636,0
5781,0
14,9
6
32054,5
30704,0
37372,0
2618,0
8,2
6
6923,5
6421,0
7339,0
361,0
5,2
6
6763,5
6524,0
7040,0
214,0
3,2
6
4303,3
4168,0
4395,0
86,0
2,0
ROVING
UHLÍK
SKLO
SKLO
UHLÍK
HEXCEL
INTERGLASS 92 145
VETROTEX
EC 9-756-k43(68)
TORAYCA
T 700 SC
3
1,8 g/cm
193 g/m
2
220 g/m
2
0
45
0
90
0
90
4
49214,8
46312,0
49865,0
1636,0
3,4
6
51342,7
48273,0
53116,0
1785,0
3,5
6
52017,3
43032,0
91901,0
19566,0
37,6
6
9898,5
9530,0
10583,0
431,0
4,4
6
9492,7
9192,0
9752,0
210,0
2,2
6
6097,3
5523,0
6455,0
410,0
6,7
6
24070,7
22622,0
25305,0
1127,0
4,7
6
24999,0
23972,0
25766,0
652,0
2,6
6
2264,3
22827,0
26776,0
1374,0
5,7
5
9646,2
9023,0
10743,0
667,0
6,9
6
7385,8
7251,0
7558,0
127,0
1,7
6
5214,5
4276,0
6001,0
575,0
11,0
5
30898,0
26557,0
37660,0
4281,0
13,9
6
27709,0
25128,0
29919,0
1870,0
6,7
6
28366,0
23476,0
30764,0
2551,0
9,0
6
9811,0
8796,0
10640,0
689,0
7,0
6
7771,0
7554,0
8508,0
365,0
4,7
5
6056,0
5563,0
6411,0
353,0
5,8
0
90
5
93764,0
79102,0
101095,0
8844,0
9,4
4
107596,0
97800,0
121239,0
10093,0
9,4
6
89302,0
64415,0
105122,0
16597,0
18,6
6
6531,0
6220,0
6937,0
267,0
4,1
6
6207,0
5491,0
7367,0
666,0
10,7
4
4658,0
3936,0
5161,0
522,0
11,2
Obch. název
Označení
Hustota
o
+ 23 °C
+ 23 °C WET
TAH
TKANINA
SKLO
+ 54 °C
Tab. 3 – Materiálové charakteristiky zkoušky tahem – modul pružnosti – E.
MATERIÁLOVÉ CHARAKTERISTIKY ZKOUŠKY TAHEM - POISSONOVO ČÍSLO
Obch. název
Označení
Gramáž
o
INTERGLASS 92 110
163 g/m
TAH
2
0
163 g/m
45
2
0,176
0,173
0,178
0,004
2,0
6
0,165
0,116
0,249
0,051
31,0
6
0,136
0,107
0,160
0,018
13,1
+ 23 °C
+ 23 °C WET
+ 54 °C
INTERGLASS 92 110
(vakuovaný)
0
6
0,667
0,621
0,697
0,028
4,3
6
0,662
0,647
0,682
0,015
2,2
6
0,792
0,710
0,842
0,051
6,5
2
280 g/m
45
6
0,171
0,114
0,219
0,035
20,2
5
0,145
0,112
0,168
0,021
14,8
INTERGLASS 92 125
0
5
0,696
0,644
0,753
0,043
6,1
4
0,812
0,772
0,848
0,037
4,5
2
280 g/m
45
5
0,166
0,145
0,192
0,020
11,8
6
0,185
0,173
0,222
0,018
9,9
6
0,170
0,137
0,262
0,047
27,9
INTERGLASS 92 125
(vakuovaný)
0
6
0,650
0,548
0,722
0,060
9,3
6
0,709
0,655
0,748
0,034
4,9
6
0,714
0,562
0,814
0,099
13,8
2
163 g/m
45
6
0,188
0,164
0,230
0,025
13,4
5
0,188
0,168
0,239
0,029
15,5
RAYMOND
6
0,690
0,636
0,764
0,044
6,4
6
0,735
0,689
0,782
0,033
4,6
0
VERTEX
2
355 g/m
45
4
0,166
0,130
0,188
0,025
15,1
6
0,159
0,133
0,175
0,015
9,4
6
0,152
0,047
0,238
0,072
47,7
6
0,680
0,647
0,712
0,026
3,9
6
0,803
0,751
0,863
0,045
5,6
6
0,746
0,680
0,787
0,036
4,9
0
2
45
1
0,154
0,154
0,154
6
0,168
0,148
0,202
0,021
12,4
6
0,170
0,013
0,254
0,081
47,8
5
0,665
0,605
0,691
0,036
5,4
6
0,703
0,672
0,744
0,026
3,7
6
0,782
0,744
0,813
0,029
3,7
PORCHER
PORCHER
(nesymetrický)
(symetrický)
2
2
165 g/m
180 g/m
0
45
0
45
6
0,118
0,085
0,145
0,021
17,6
6
0,105
0,076
0,138
0,025
23,5
6
0,088
0,071
0,108
0,013
14,6
6
0,852
0,813
0,883
0,028
3,3
5
0,851
0,826
0,887
0,028
3,3
6
0,895
0,853
0,942
0,034
3,7
Legenda:
Obch. název
Označení
Gramáž
o
+ 23 °C
INTERGLASS 92 110
163 g/m
2
0
45
2
19955,5
19725,0
20186,0
326,0
1,8
6
9470,5
8529,0
10856,0
846,0
8,9
-
počet vzorků
průměrná hodnota
minimální hodnota
maximální hodnota
směrodatná odchylka
variační koeficient
Tab. 4 – Materiálové charakteristiky zkoušky tahem - Poissonovo číslo - ν.
6
0,081
0,065
0,094
0,012
15,1
6
0,094
0,068
0,113
0,017
18,3
6
0,133
0,064
0,222
0,061
45,8
6
0,844
0,788
0,877
0,031
3,7
6
0,873
0,836
0,914
0,031
3,6
6
0,919
0,841
0,985
0,047
5,1
HEXCEL
193 g/m
0
SKLO
UHLÍK
INTERGLASS 92 145
VETROTEX
EC 9-756-k43(68)
TORAYCA
T 700 SC
3
1,8 g/cm
2
220 g/m
45
5
0,129
0,085
0,184
0,042
32,9
6
0,091
0,084
0,112
0,011
12,0
6
0,117
0,074
0,151
0,032
27,2
6
0,823
0,730
0,861
0,047
5,7
6
0,645
0,823
0,878
0,020
2,4
6
0,942
0,911
0,995
0,037
3,9
ROVING
SKLO
UHLÍK
0
2
90
6
0,295
0,171
0,409
0,077
26,2
6
0,288
0,242
0,344
0,037
12,8
6
0,336
0,304
0,374
0,026
7,7
5
0,100
0,071
0,133
0,025
25,1
6
0,129
0,081
0,188
0,045
35,0
6
0,096
0,035
0,170
0,055
57,4
0
90
5
0,451
0,350
0,644
0,121
26,9
6
0,244
0,196
0,299
0,033
13,7
6
0,411
0,294
0,478
0,064
15,5
6
0,100
0,073
0,124
0,019
18,7
5
0,099
0,057
0,133
0,029
29,0
5
0,118
0,087
0,129
0,176
14,9
0
90
5
0,248
0,179
0,367
0,079
31,6
4
0,358
0,273
0,420
0,062
17,3
6
0,360
0,172
0,527
0,124
34,6
6
0,072
0,022
0,148
0,050
69,2
6
0,080
0,034
0,299
0,103
116,4
4
0,082
0,033
0,196
0,076
92,8
Obch. název
Označení
Hustota
o
+ 23 °C
+ 23 °C WET
+ 54 °C
TAH
TKANINA
SKLO
Materiálové charakteristiky zkoušky tahem - pevnost
1200
pevnost v tahu [MPa]
1000
800
600
400
200
0
0
45
163 g/m2
0
45
163 g/m2
(vakuovaný)
0
45
0
280 g/m2
45
280 g/m2
0
45
163 g/m2
0
45
355 g/m2
(vakuovaný)
INTERGLASS INTERGLASS INTERGLASS INTERGLASS
92 110
92 110
92 125
92 125
RAYMOND
VERTEX
0
45
0
45
165 g/m2
180 g/m2
(nesymetrický)
(symetrický)
PORCHER
PORCHER
SKLO
0
45
193 g/m2
HEXCEL
UHLÍK
TKANINA
90
TAH + 23 °C WET
TAH + 54 °C
Obr. 27 – Graf materiálových charakteristik zkoušky tahem – pevnost v tahu – σt.
0
90
220 g/m2
0
90
1,8 g/cm3
EC 9-756k43(68)
T 700 SC
INTERGLASS
92 145
VETROTEX
TORAYCA
SKLO
SKLO
UHLÍK
JEDNOSMĚRNÁ
TKANINA
výztuže
TAH + 23 °C
0
ROVING
Materiálové charakteristiky zkoušky tahem - modul pružnosti
modul pružnosti [MPa]
100000
80000
60000
40000
20000
0
0
45
163 g/m2
0
45
163 g/m2
(vakuovaný)
0
45
0
280 g/m2
45
280 g/m2
0
45
163 g/m2
0
45
355 g/m2
(vakuovaný)
92 110
92 110
92 125
92 125
RAYMOND
VERTEX
0
45
0
45
165 g/m2
180 g/m2
(nesymetrický)
(symetrický)
PORCHER
PORCHER
SKLO
0
45
193 g/m2
90
90
220 g/m2
0
90
1,8 g/cm3
EC 9-756k43(68)
T 700 SC
INTERGLASS
92 145
VETROTEX
TORAYCA
UHLÍK
SKLO
SKLO
UHLÍK
JEDNOSMĚRNÁ
TKANINA
výztuže
TAH + 23 °C WET
0
HEXCEL
TKANINA
TAH + 23 °C
0
TAH + 54 °C
Obr. 28 – Graf materiálových charakteristik zkoušky tahem – modul pružnosti – E.
ROVING
Materiálové charakteristiky zkoušky tahem - poissonovo číslo
0,9
0,8
poissonovo číslo
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0,0
0
45
163 g/m2
0
45
163 g/m2
(vakuovaný)
0
45
0
280 g/m2
45
280 g/m2
0
45
163 g/m2
0
45
355 g/m2
(vakuovaný)
92 110
92 110
92 125
92 125
RAYMOND
VERTEX
0
45
0
45
165 g/m2
180 g/m2
(nesymetrický)
(symetrický)
PORCHER
PORCHER
SKLO
0
45
193 g/m2
90
90
220 g/m2
0
90
1,8 g/cm3
EC 9-756k43(68)
T 700 SC
INTERGLASS
92 145
VETROTEX
TORAYCA
UHLÍK
SKLO
SKLO
UHLÍK
JEDNOSMĚRNÁ
TKANINA
výztuže
TAH + 23 °C WET
0
HEXCEL
TKANINA
TAH + 23 °C
0
TAH + 54 °C
Obr. 29 – Graf materiálových charakteristik zkoušky tahem – Poissonovo číslo - ν.
ROVING
Materiálové charakteristiky zkoušky tlakem - pevnost
700
pevnost v tlaku [MPa]
600
500
400
300
200
100
0
0
45
163 g/m2
0
45
163 g/m2
0
45
0
280 g/m2
45
0
280 g/m2
(vakuovaný)
45
0
45
163 g/m2
355 g/m2
RAYMOND
VERTEX
(vakuovaný)
110
110
125
125
0
45
180 g/m2
0
45
0
90
1,8 g/cm3
PORCHER
HEXCEL
INTERGLASS 92
145
TORAYCA
HYBRID (kevlar +
uhlík)
UHLÍK
SKLO
UHLÍK
JEDNOSMĚRNÁ
TKANINA
ROVING
T 700 SC
TKANINA
výztuže
TLAK + 23 °C
TLAK + 23 °C WET
90
220 g/m2
(symetrický)
SKLO
0
193 g/m2
TLAK + 54 °C
Obr. 30 – Graf materiálových charakteristik zkoušky tlakem – pevnost v tlaku – σd
Materiálové charakteristiky zkoušky interlaminárním smykem ("Short-Beam Shear") - pevnost
pevnost v interlaminárním smyku [MPa]
60
50
40
30
20
10
0
0
45
163 g/m2
0
45
163 g/m2
0
45
0
280 g/m2
(vakuovaný)
INTERGLASS
92 110
INTERGLASS
92 110
45
280 g/m2
0
45
163 g/m2
0
45
355 g/m2
0
90
0
90
220 g/m2
(vakuovaný)
0
90
1,8 g/cm3
EC 9-756k43(68)
T 700 SC
INTERGLASS
92 145
VETROTEX
TORAYCA
SKLO
SKLO
SKLO
UHLÍK
TKANINA
JEDNOSMĚRNÁ
TKANINA
INTERGLASS
92 125
INTERGLASS
92 125
RAYMOND
VERTEX
ROVING
výztuže
Obr. 31 – Graf materiálových charakteristik zkoušky interlaminárním smykem (“Short-Beam Shear”) – pevnost v interlaminárním smyku – τSBS
8.2 Materiálové charakteristiky kompozitů dle použité výztuže
Základní dělení druhů výztuže použité na vzorky kompozitních materiálů jsou:
•
•
•
rovingy
jednosměrné tkaniny
tkaniny
8.2.1 Kompozity s výztuží z rovingů
Skupinku kompozitů vyrobených z rovingů tvoří skleněný materiál VETROTEX
a uhlíkový materiál TORAYCA.
Za výčtem materiálových charakteristik následuje graf (obr. 36) vypočtených
průměrných hodnot pevností jednotlivých zkoušek kompozitů s výztuží z rovingů z tab. 2.
Kompozit z uhlíkového rovingu TORAYCA dosahuje následujících materiálových
charakteristik:
•
v podélném směru vláken:
o
o
o
o
o
σpt = 1113 MPa, která je nejvyšší ze zkoušených kompozitů
σpd = 680 MPa
τSBS = 48 MPa
E = 94 GPa
ν = 0,248
Obr. 32 – Tahový vzorek kompozitu s výztuží z uhlíkového rovingu TORAYCA zkoušený v podélném směru
vláken.
Miroslav HRUDŇÁK
- 56 -
2003/2004
•
v příčném směru vláken:
o
o
o
o
o
σpt =18 MPa
σpd = 93 MPa
τSBS = 3,3 MPa
E = 6,5 GPa
ν = 0,072
Obr. 33 – Tahový vzorek s výztuží z uhlíkového rovingu TORAYCA zkoušený v příčném směru vláken.
Kompozit ze skleněného rovingu VETROTEX dosahuje následujících materiálových
charakteristik:
•
o
o
o
o
σpt = 652 MPa – poloviční oproti předešlému kompozitu
τSBS = 57 MPa
E = 30,9 GPa – 1/3 oproti předešlému kompozitu
ν = 0,451
Miroslav HRUDŇÁK
- 57 -
2003/2004
Obr. 34 – Tahové vzorky s výztuží ze skleněného rovingu VETROTEX zkoušené v podélném směru vláken.
•
o
o
o
o
σpt = 27 MPa - vyšší hodnota než dosahuje uhlíkový roving
τSBS = 3,3 MPa - dvojnásobná oproti uhlíkovému rovingu
E = 9,8 GPa
ν = 0,100
Obr. 35 – Tahový vzorek s výztuží ze skleněného rovingu VETROTEX zkoušený v příčném směru vláken.
Miroslav HRUDŇÁK
- 58 -
2003/2004
Materiálové charakteristiky - pevnost - roving
1200
pevnost [MPa]
1000
800
600
400
200
0
0
90
0
90
1,8 g/cm3
EC 9-756-k43(68)
T 700 SC
VETROTEX
TORAYCA
SKLO
UHLÍK
ROVING
výztuže
TAH + 23 °C
TAH + 23 °C WET
TAH + 54 °C
TLAK + 23 °C
TLAK + 54 °C
Obr. 36 – Graf materiálových charakteristik kompozitů s výztuží z rovingů – pevnost.
TLAK + 23 °C WET
8.2.2 Kompozity s výztuží z jednosměrné tkaniny
Kompozit s výztuží z jednosměrné tkaniny je pouze ze skleněné
INTERGLAS 92 145, který dosahuje následujících materiálových charakteristik:
•
tkaniny
o
o
o
o
o
σpt = 377 MPa
σpd = 298 MPa
τSBS = 41 MPa
E = 24 GPa
ν = 0,295
Obr. 37 – Tahový vzorek s výztuží ze skleněné jednosměrné tkaniny INTERGLAS 92 145 zkoušené
v podélném směru vláken.
Miroslav HRUDŇÁK
- 60 -
2003/2004
•
o
o
o
o
o
σpt = 38,4 MPa
σpd = 109 MPa
τSBS = 11 MPa
E = 9,6 GPa
ν = 0,1
Obr. 38 – Tahový vzorek s výztuží ze skleněné jednosměrné tkaniny INTERGLAS 92 145 zkoušené v příčném
směru vláken.
Souborně jsou vypočtené průměrné hodnoty pevností jednotlivých zkoušek kompozitu
s výztuží s jednosměrné tkaniny na obr. 39, který vychází z tab. 2.
Miroslav HRUDŇÁK
- 61 -
2003/2004
Materiálové charakteristiky - pevnost - jednosměrná tkanina
400
350
pevnost [MPa]
300
250
200
150
100
50
0
0
90
220 g/m2
INTERGLASS 92 145
SKLO
výztuže
TAH + 23 °C
TAH + 23 °C WET
TAH + 54 °C
TLAK + 23 °C
TLAK + 54 °C
Obr. 39 – Graf materiálových charakteristik kompozitu s výztuží z jednosměrné tkaniny – pevnost.
TLAK + 23 °C WET
8.2.3 Kompozity s výztuží z tkanin
Kompozity s výztuží z tkanin jsou tvořeny třemi skupinkami dle použitého materiálu
na výrobu tkanin. Skupinku skleněných tkanin tvoří: INTERGLAS 92 110, INTERGLAS
92 125, RAYMOND, VERTEX, skupinku hybridních tkanin tvoří PORCHER a uhlíkové
tkaniny zastupuje HEXCEL.
Za výčtem materiálových charakteristik následuje graf (obr. 56) vypočtených
průměrných hodnot pevností jednotlivých zkoušek kompozitů s výztuží z tkanin z tab. 2.
Kompozit s výztuží z uhlíkové tkaniny HEXCEL dosahuje nejvyšších naměřených
materiálových charakteristik mezi tkaninovými kompozity:
•
o
o
o
o
σpt = 471 MPa
σpd = 431 MPa
E = 4,9 GPa
ν = 0,129
Obr. 40 – Tahový vzorek s výztuží z uhlíkové tkaniny HEXCEL zkoušený v podélném směru vláken.
•
pod úhlem 45 ° vůči směru vláken:
o σpt = 171 MPa
o E = 9,9 GPa
o ν = 0,823
Miroslav HRUDŇÁK
- 63 -
2003/2004
Obr. 41 – Tahový vzorek s výztuží z tkaniny HEXCEL zkoušený pod úhlem 45 ° vůči směru vláken.
Další skupinku tvoří kompozity s výztuží z hybridní tkaniny PORCHER, která je
složena z uhlíkových a aramidových vláken (Kevlar ™), ve dvojím provedení tkaniny:
nesymetrická a symetrická. Přičemž nesymetrické provedení bylo jen v počátku projektu
CLKV, pak od něj bylo odstoupeno. Z toho důvodu jsou známy jen materiálové
charakteristiky zkoušky tahem.
Kompozit s výztuží z nesymetrické
následujících materiálových charakteristik:
•
hybridní
tkaniny
PORCHER
dosahuje
o σpt = 498 MPa
o E = 44,1 GPa
o ν = 0,118
Miroslav HRUDŇÁK
- 64 -
2003/2004
Obr. 42 – Tahový vzorek s výztuží z nesymetrické hybridní tkaniny PORCHER zkoušené v podélném směru
vláken.
•
o σpt = 119 MPa
o E = 7,8 GPa
o ν = 0,852
Obr. 43 – Tahový vzorek s výztuží z nesymetrické hybridní tkaniny PORCHER zkoušený pod úhlem 45 ° vůči
směru vláken.
Miroslav HRUDŇÁK
- 65 -
2003/2004
Kompozit s výztuží ze symetrické hybridní tkaniny PORCHER dosahuje
•
o
o
o
o
σpt = 326 MPa
σpd = 288 MPa
E = 32,9 GPa
ν = 0,081
Obr. 44 – Tahový vzorek s výztuží ze symetrické hybridní tkaniny PORCHER zkoušené v podélném směru
vláken.
•
o
o
o
o
σpt = 128 MPa
σpd = 111 MPa
E = 6,9 GPa
ν = 0,844
Miroslav HRUDŇÁK
- 66 -
2003/2004
Obr. 45 – Tahový vzorek s výztuží ze symetrické hybridní tkaniny PORCHER zkoušené pod úhlem 45 ° vůči
směru vláken.
Nejlepších materiálových charakteristik z kompozitům s výztuží ze skleněných tkanin
dosahuje kompozit ze skleněné tkaniny RAYMOND:
•
o
o
o
o
o
σpt = 369 MPa
σpd = 261 MPa
τSBS = 37 MPa
E = 17,4 GPa
ν = 0,17
Miroslav HRUDŇÁK
- 67 -
2003/2004
Obr. 46 – Tahový vzorek s výztuží ze skleněné tkaniny RAYMOND zkoušený v podélném směru vláken.
•
o
o
o
o
σpt = 149 MPa
τSBS = 28 MPa
E = 8,5 GPa
ν = 0,68
Obr. 47 – Tahový vzorek s výztuží ze skleněné tkaniny RAYMOND zkoušený pod úhlem 45 ° vůči směru
vláken.
Miroslav HRUDŇÁK
- 68 -
2003/2004
Dalším kompozitem s výztuží ze skleněné tkaniny VERTEX, který dosahuje
•
o
o
o
o
o
σpt = 362 MPa
σpd = 310 MPa
τSBS = 33 MPa
E = 19,2 GPa
ν = 0,154
Obr. 48 – Tahový vzorek s výztuží ze skleněné tkaniny VERTEX zkoušené v podélném směru vláken.
•
o
o
o
o
σpt = 116 MPa
τSBS = 32 MPa
E = 10,2 GPa
ν = 0,665
Miroslav HRUDŇÁK
- 69 -
2003/2004
Obr. 49 – Tahový vzorek s výztuží ze skleněné tkaniny VERTEX zkoušený pod úhlem 45 ° vůči směru vláken.
Další kompozit s výztuží ze skleněné tkaniny INTERGLAS 92 110 dosahuje
•
o
o
o
o
o
σpt = 304 MPa
σpd = 278 MPa
τSBS = 40 MPa
E = 20 GPa
ν = 0,176
Miroslav HRUDŇÁK
- 70 -
2003/2004
Obr. 50 – Tahový vzorek s výztuží ze skleněné tkaniny INTERGLAS 92 110 zkoušený v podélném směru
vláken.
•
o
o
o
o
o
σpt = 123 MPa
σpd = 144 MPa
τSBS = 24,6 MPa
E = 9,5 MPa
ν = 0,667
Obr. 51 – Tahový vzorek s výztuží ze skleněné tkaniny INTERGLAS 92 110 zkoušený pod úhlem 45 ° vůči
směru vláken.
Miroslav HRUDŇÁK
- 71 -
2003/2004
Další kompozit s výztuží ze skleněné tkaniny INTERGLAS 92 110 (vakuovaný)
dosahuje následujících materiálových charakteristik:
•
o
o
o
o
o
•
σpt = 301 MPa
σpd = 318 MPa
τSBS = 37 MPa
E = 24,4 GPa
ν = 0,171
o
o
o
o
o
σpt = 155 MPa
σpd = 146 MPa
τSBS při zvýšené vlhkosti = 28 MPa
E = 11,1 GPa
ν = 0,696
Další kompozit s výztuží ze skleněné tkaniny INTERGLAS 92 125 dosahuje
•
o
o
o
o
o
σpt = 292 MPa
σpd = 353 MPa
τSBS = 37 MPa
E = 19,7 GPa
ν = 0,166
Obr. 52 – Tahový vzorek s výztuží ze skleněné tkaniny INTERGLAS 92 125 zkoušený v podélném směru
vláken.
Miroslav HRUDŇÁK
- 72 -
2003/2004
•
o
o
o
o
o
σpt = 116 MPa
σpd = 165 MPa
τSBS = 29 MPa
E = 9,7 GPa
ν = 0,650
Obr. 53 – Tahový vzorek s výztuží ze skleněné tkaniny INTERGLAS 92 125 zkoušený pod úhlem 45 ° vůči
směru vláken.
Kompozit s výztuží ze skleněné tkaniny INTERGLAS 92 125 (vakuovaný) dosahuje
•
o
o
o
o
o
σpt = 279 MPa
σpd = 333 MPa
τSBS při zvýšené vlhkosti = 28 MPa
E = 24,7 GPa
ν = 0,188
Miroslav HRUDŇÁK
- 73 -
2003/2004
Obr. 54 – Tahový vzorek s výztuží ze skleněné tkaniny INTERGLAS 92 125 (vakuovaný) zkoušený
v podélném směru vláken.
•
o
o
o
o
σpt = 134 MPa
σpd = 181 MPa
E = 12,6 GPa
ν = 0,690
Obr. 55 – Tahový vzorek s výztuží ze skleněné tkaniny INTERGLAS 92 125 (vakuovaný) zkoušený pod úhlem
45 ° vůči směru vláken.
Miroslav HRUDŇÁK
- 74 -
2003/2004
Materiálové charakteristiky - pevnost - tkanina
500
pevnost [MPa]
400
300
200
100
0
0
45
0
163 g/m2
45
163 g/m2
0
45
0
280 g/m2
45
0
280 g/m2
(vakuovaný)
45
0
163 g/m2
45
355 g/m2
(vakuovaný)
INTERGLASS 92 110 INTERGLASS 92 110 INTERGLASS 92 125 INTERGLASS 92 125
RAYMOND
VERTEX
0
45
0
45
165 g/m2
180 g/m2
(nesymetrický)
(symetrický)
PORCHER
PORCHER
SKLO
TKANINA
výztuže
TAH + 23 °C
TAH + 23 °C WET
TAH + 54 °C
TLAK + 23 °C
TLAK + 54 °C
Obr. 56 – Graf materiálových charakteristik kompozitů s výztuží z tkanin – pevnost.
TLAK + 23 °C WET
0
45
193 g/m2
HEXCEL
UHLÍK
8.3 Změny materiálových charakteristik
klimatických podmínek zkoušek
kompozitů
vlivem
Změny materiálových charakteristik kompozitů jsou souborně zaznamenány v tab. 5,
tab. 7 a tab. 9, kde jsou uvedeny průměrné hodnoty pevnosti, modulu pružnosti v tahu
a Poissonova čísla provedených zkoušek při teplotě + 23 °C, dále pak hodnoty zkoušek při
zvýšené vlhkosti + 23 °C WET a při zvýšené teplotě na + 54 °C.
Z těchto průměrných hodnot jsou dále vypočteny poměrné změny materiálových
charakteristik vlivem zvýšené vlhkosti a zvýšené teploty vůči referenční klimatické
podmínce zkoušky při + 23 °C. Vypočtené poměrné změny materiálových charakteristik
jsou uvedeny v tabulkách: tab. 6, tab. 8 a tab. 10.
Poměrné změny materiálových charakteristik hodnot jsou graficky znázorněny na
obr. 57, kde jsou poměrné změny pevností všech zkoušek, dále jsou na obr. 58, kde jsou
poměrné změny modulu pružnosti v tahu a na obr. 59 jsou uvedeny poměrné změny
Poissonova čísla.
Miroslav HRUDŇÁK
- 76 -
2003/2004
MATERIÁLOVÉ CHARAKTERISTIKY - PEVNOST
TKANINA
SKLO
Obch. název
Označení
Gramáž
o
TAH
TLAK
I.SMYK
INTERGLASS 92 110
163 g/m
2
0
+ 23 °C
+ 23 °C WET
+ 54 °C
+ 23 °C
+ 23 °C WET
+ 54 °C
+ 23 °C
+ 23 °C WET
+ 54 °C
INTERGLASS 92 110
(vakuovaný)
163 g/m
45
303,8
268,7
286,8
278,2
264,4
255,0
40,4
36,1
26,9
2
0
123,0
113,0
93,5
144,4
119,0
100,7
24,6
30,5
16,5
280 g/m
45
2
0
300,8
273,2
155,2
137,0
317,9
246,6
282,6
37,1
30,2
146,4
117,3
119,4
INTERGLASS 92 125
(vakuovaný)
INTERGLASS 92 125
280 g/m
45
291,5
287,2
280,0
353,2
265,9
279,0
36,6
29,9
19,5
27,6
2
0
116,0
115,2
105,8
165,3
153,6
115,5
28,6
25,2
17,2
RAYMOND
163 g/m
45
134,3
114,0
332,9
303,0
294,8
181,2
143,2
125,8
VERTEX
2
0
279,3
305,4
PORCHER
PORCHER
(nesymetrický)
(symetrický)
2
2
165 g/m
180 g/m
0
45
0
45
355 g/m
45
2
0
368,7
321,2
323,7
260,9
175,6
205,3
36,5
149,0
119,0
127,7
28,5
45
116,0
108,0
88,0
28,4
362,0
314,2
319,0
310,0
298,9
327,1
32,9
21,3
32,2
26,8
497,8
442,7
484,8
119,2
121,8
107,7
326,1
284,2
321,5
288,3
228,6
185,7
SKLO
SKLO
UHLÍK
HEXCEL
INTERGLASS 92 145
VETROTEX
EC 9-756-k43(68)
TORAYCA
T 700 SC
3
1,8 g/cm
193 g/m
2
0
127,5
143,3
119,0
110,7
220 g/m
45
471,0
485,0
453,8
431,4
359,4
342,8
73,2
ROVING
UHLÍK
2
0
170,8
152,0
127,3
32,2
28,4
90
0
377,3
364,5
399,3
298,4
38,4
33,7
30,2
109,4
232,7
40,9
39,0
32,6
78,5
11,1
9,4
6,8
90
651,6
514,4
669,2
0
26,5
22,8
10,4
56,6
57,8
39,5
5,5
4,3
3,5
Obch. název
Označení
Hustota
o
90
1112,9
1199,8
1235,7
680,1
520,2
342,4
47,9
47,2
28,1
18,0
8,0
15,0
93,0
71,4
80,8
3,3
2,2
2,2
+ 23 °C
+ 23 °C WET
+ 54 °C
+ 23 °C
+ 23 °C WET
+ 54 °C
+ 23 °C
+ 23 °C WET
+ 54 °C
TAH
TLAK
I.SMYK
Tab. 5 - Materiálové charakteristiky – pevnost.
POROVNÁNÍ MATERIÁLOVÝCH CHARAKTERISTIK - PEVNOST
TKANINA
SKLO
Obch. název
Označení
Gramáž
o
TAH
TLAK
I.SMYK
INTERGLASS 92 110
163 g/m
2
0
163 g/m
45
-11,6
-5,6
-5,0
-8,3
-10,6
-33,4
+ 23 °C WET
+ 54 °C
+ 23 °C WET
+ 54 °C
+ 23 °C WET
+ 54 °C
INTERGLASS 92 110
(vakuovaný)
2
0
-8,1
-24,0
-17,6
-30,3
24,0
-32,9
280 g/m
45
2
0
-9,2
-11,7
-22,4
-11,1
-18,6
-19,9
-18,4
INTERGLASS 92 125
(vakuovaný)
INTERGLASS 92 125
280 g/m
45
-1,5
-3,9
-24,7
-21,0
-18,3
-46,7
?
2
0
-0,7
-8,8
-7,1
-30,1
-11,9
-39,9
RAYMOND
163 g/m
45
9,3
-15,1
-9,0
-11,4
-21,0
-30,6
VERTEX
2
0
PORCHER
PORCHER
(nesymetrický)
(symetrický)
2
2
165 g/m
180 g/m
0
45
0
45
355 g/m
45
-12,9
-12,2
-32,7
-21,3
2
0
-20,1
-14,3
45
-13,2
-11,9
-3,6
5,5
-6,9
-24,1
-11,1
-2,6
2,2
-9,6
-12,8
-1,4
-20,7
-35,6
SKLO
SKLO
UHLÍK
HEXCEL
INTERGLASS 92 145
VETROTEX
EC 9-756-k43(68)
TORAYCA
T 700 SC
3
1,8 g/cm
193 g/m
2
0
12,4
-6,7
220 g/m
45
-33,9
-11,0
-25,5
?
-21,9
-25,0
-2,1
2
0
3,0
-3,7
-16,7
-20,5
-
ROVING
UHLÍK
-16,8
90
0
90
0
-3,4
5,8
-12,2
-21,4
-21,1
2,7
-14,0
-60,8
-22,0
-4,6
-20,3
-28,2
-15,3
-38,7
2,1
-30,2
-21,8
-36,4
Obch. název
Označení
Hustota
o
90
7,8
11,0
-23,5
-49,7
-1,5
-41,3
-55,6
-16,7
-23,2
-13,1
-33,3
-33,3
+ 23 °C WET
+ 54 °C
+ 23 °C WET
+ 54 °C
+ 23 °C WET
+ 54 °C
TAH
TLAK
I.SMYK
Tab. 6 -Porovnání materiálových charakteristik – pevnost.
MATERIÁLOVÉ CHARAKTERISTIKY ZKOUŠKY TAHEM - MODUL PRUŽNOSTI
TKANINA
SKLO
Obch. název
Označení
Gramáž
o
TAH
+ 23 °C
+ 23 °C WET
+ 54 °C
INTERGLASS 92 110
163 g/m
INTERGLASS 92 110
(vakuovaný)
2
0
163 g/m
45
19955,5
19936,5
18412,3
INTERGLASS 92 125
2
0
9470,5
8575,0
4094,2
280 g/m
45
24369,2
22568,2
2
0
11072,8
9475,5
INTERGLASS 92 125
(vakuovaný)
280 g/m
45
19739,8
20321,3
18203,0
2
0
9716,8
9219,3
6930,7
RAYMOND
163 g/m
45
24734,7
24795,2
VERTEX
2
0
12620,7
10527,2
355 g/m
45
17395,0
17964,7
16272,0
PORCHER
PORCHER
(nesymetrický)
(symetrický)
2
2
165 g/m
180 g/m
0
45
0
45
2
0
8473,5
6036,3
5618,7
45
19175,0
21039,0
18158,0
10209,0
9806,0
5125,0
44136,0
42359,0
40504,5
7799,8
7633,7
4702,5
32891,7
38801,8
32054,5
SKLO
SKLO
UHLÍK
HEXCEL
INTERGLASS 92 145
VETROTEX
EC 9-756-k43(68)
TORAYCA
T 700 SC
3
1,8 g/cm
193 g/m
2
0
6923,5
6763,5
4303,3
ROVING
UHLÍK
220 g/m
45
49214,8
51342,7
52017,3
2
0
9898,5
9492,7
6097,3
90
24070,7
24999,0
24264,3
0
9646,2
7385,8
5214,5
90
30898,0
27709,0
28366,0
0
9811,0
7771,0
6056,0
Obch. název
Označení
Hustota
o
90
93764,0
107596,0
89302,0
6531,0
6207,0
4658,0
+ 23 °C
+ 23 °C WET
+ 54 °C
TAH
Tab. 7 - Materiálové charakteristiky zkoušky tahem – modul pružnosti – E.
POROVNÁNÍ MATERIÁLOVÝCH CHARAKTERISTIK ZKOUŠKY TAHEM - MODUL PRUŽNOSTI
TKANINA
SKLO
Obch. název
Označení
Gramáž
o
TAH
INTERGLASS 92 110
163 g/m
2
0
+ 23 °C WET
+ 54 °C
INTERGLASS 92 110
(vakuovaný)
163 g/m
45
-0,1
-7,7
INTERGLASS 92 125
2
0
-9,5
-56,8
280 g/m
45
-7,4
INTERGLASS 92 125
(vakuovaný)
2
0
-14,4
280 g/m
45
2,9
-7,8
2
0
-5,1
-28,7
RAYMOND
163 g/m
45
0,2
VERTEX
2
0
-16,6
PORCHER
PORCHER
(nesymetrický)
(symetrický)
2
2
165 g/m
180 g/m
0
45
0
45
355 g/m
45
3,3
-6,5
2
0
-28,8
-33,7
45
9,7
-5,3
-3,9
-49,8
-4,0
-8,2
-2,1
-39,7
18,0
-2,5
SKLO
SKLO
UHLÍK
HEXCEL
INTERGLASS 92 145
VETROTEX
EC 9-756-k43(68)
TORAYCA
T 700 SC
3
1,8 g/cm
193 g/m
2
0
220 g/m
45
-2,3
-37,8
ROVING
UHLÍK
4,3
5,7
2
0
-4,1
-38,4
90
3,9
0,8
0
-23,4
-45,9
90
-10,3
-8,2
0
-20,8
-38,3
Obch. název
Označení
Hustota
o
90
14,8
-4,8
-5,0
-28,7
+ 23 °C WET
+ 54 °C
TAH
Tab. 8 - Porovnání materiálových charakteristik – modul pružnosti –E.
MATERIÁLOVÉ CHARAKTERISTIKY ZKOUŠKY TAHEM - POISSONOVO ČÍSLO
TKANINA
SKLO
Obch. název
Označení
Gramáž
o
TAH
INTERGLASS 92 110
163 g/m
2
0
+ 23 °C
+ 23 °C WET
+ 54 °C
INTERGLASS 92 110
(vakuovaný)
163 g/m
45
0,176
0,165
0,136
2
0
0,667
0,662
0,792
280 g/m
45
0,171
0,145
INTERGLASS 92 125
(vakuovaný)
INTERGLASS 92 125
2
0
0,696
0,812
280 g/m
45
0,166
0,185
0,170
2
0
0,650
0,709
0,714
RAYMOND
163 g/m
45
0,188
0,188
VERTEX
2
0
0,690
0,735
PORCHER
PORCHER
(nesymetrický)
(symetrický)
2
2
165 g/m
180 g/m
0
45
0
45
355 g/m
45
0,166
0,159
0,152
2
0
0,680
0,803
0,746
45
0,154
0,168
0,170
0,665
0,703
0,782
0,118
0,105
0,088
0,852
0,851
0,895
0,081
0,094
0,133
SKLO
SKLO
UHLÍK
HEXCEL
INTERGLASS 92 145
VETROTEX
EC 9-756-k43(68)
TORAYCA
T 700 SC
3
1,8 g/cm
193 g/m
2
0
0,844
0,873
0,919
ROVING
UHLÍK
220 g/m
45
0,129
0,091
0,117
2
0
0,823
0,645
0,942
90
0,295
0,288
0,336
0
0,100
0,129
0,096
90
0,451
0,244
0,411
0
0,100
0,099
0,118
Obch. název
Označení
Hustota
o
90
0,248
0,358
0,360
0,072
0,080
0,082
+ 23 °C
+ 23 °C WET
+ 54 °C
TAH
Tab. 9 - Materiálové charakteristiky zkoušky tahem – Poissonovo číslo - ν.
POROVNÁNÍ MATERIÁLOVÝCH CHARAKTERISTIK ZKOUŠKY TAHEM - POISSONOVO ČÍSLO
TKANINA
SKLO
Obch. název
Označení
Gramáž
o
TAH
+ 23 °C WET
+ 54 °C
INTERGLASS 92 110
163 g/m
0
2
163 g/m
45
-6,2
-22,7
INTERGLASS 92 110
(vakuovaný)
0
-0,7
18,7
2
280 g/m
45
-15,2
0
16,7
INTERGLASS 92 125
(vakuovaný)
INTERGLASS 92 125
2
280 g/m
45
11,4
2,4
0
9,1
9,8
RAYMOND
2
163 g/m
45
0,0
0
6,5
VERTEX
2
355 g/m
45
-4,2
-8,4
PORCHER
PORCHER
(nesymetrický)
(symetrický)
2
2
165 g/m
180 g/m
0
45
0
45
0
18,1
9,7
2
45
9,1
10,4
5,7
17,6
-11,0
-25,4
-0,1
5,0
Tab. 10 - Porovnání materiálových charakteristik – Poissonovo číslo - ν.
16,0
64,2
SKLO
SKLO
UHLÍK
HEXCEL
INTERGLASS 92 145
VETROTEX
EC 9-756-k43(68)
TORAYCA
T 700 SC
3
1,8 g/cm
193 g/m
0
3,4
8,9
ROVING
UHLÍK
2
220 g/m
45
-29,5
-9,3
0
-21,6
14,5
2
90
-2,4
13,9
0
29,0
-4,0
90
-45,9
-8,9
0
-1,0
18,0
Obch. název
Označení
Hustota
o
90
44,4
45,2
11,1
13,9
+ 23 °C WET
+ 54 °C
TAH
Porovnání materiálových charakteristik - pevnost
25
15
5
změna pevnosti [%]
-5
-15
-25
-35
-45
-55
-65
0
45
163 g/m2
0
45
163 g/m2
0
45
0
280 g/m2
45
0
280 g/m2
(vakuovaný)
45
163 g/m2
0
45
355 g/m2
(vakuovaný)
110
110
125
125
RAYMOND
VERTEX
0
45
0
45
165 g/m2
180 g/m2
(nesymetrický)
(symetrický)
PORCHER
PORCHER
SKLO
0
45
193 g/m2
HEXCEL
UHLÍK
TKANINA
0
90
0
90
220 g/m2
TAH + 54 °C
1,8 g/m3
T 700 SC
INTERGLASS 92
145
VETROTEX
TORAYCA
SKLO
SKLO
UHLÍK
JEDNOSMĚRNÁ
TKANINA
TLAK + 23 °C WET
TLAK + 54 °C
I.SMYK + 23 °C WET
Obr. 57 – Graf porovnání materiálových charakteristik – pevnost.
90
EC 9-756-k43(68)
výztuže
TAH + 23 °C WET
0
I.SMYK + 54 °C
ROVING
Porovnání materiálových charakteristik zkoušky tahem - modul pružnosti
20
změna modulu pružnosti [%]
10
0
-10
-20
-30
-40
-50
-60
0
45
163 g/m2
0
45
163 g/m2
0
45
0
280 g/m2
280 g/m2
(vakuovaný)
INTERGLA SS
92 110
INTERGLA SS
92 110
45
0
45
163 g/m2
0
45
355 g/m2
(vakuovaný)
INTERGLA SS
92 125
INTERGLA SS
92 125
RA Y MOND
0
45
0
45
165 g/m2
180 g/m2
(nesymetrický)
(symetrický)
PORCHER
PORCHER
V ERTEX
SKLO
HY BRID (uhlík+kevlar)
0
45
193 g/m2
0
90
90
220 g/m2
0
90
1,8 g/cm3
EC 9-756k43(68)
T 700 SC
HEXCEL
INTERGLA SS
92 145
V ETROTEX
TORA Y CA
UHLÍK
SKLO
SKLO
UHLÍK
TKA NINA
JEDNOSMĚRNÁ
TKA NINA
výztuže
TAH + 23 °C WET
0
TAH + 54 °C
Obr. 58 – Graf porovnání materiálových charakteristik zkoušky tahem – modul pružnosti - E.
ROV ING
Porovnání materiálových charakteristik zkoušky tahem - Poissonovo číslo
60
změna Poissonova čísla [%]
50
40
30
20
10
0
-10
-20
-30
-40
-50
0
45
163 g/m2
0
45
163 g/m2
0
45
0
280 g/m2
(vakuovaný)
INTERGLASS
92 110
INTERGLASS
92 110
45
280 g/m2
0
45
163 g/m2
0
45
(vakuovaný)
INTERGLASS
92 125
INTERGLASS
92 125
RAYMOND
0
355 g/m2
45
0
45
165 g/m2
180 g/m2
(nesymetrický)
(symetrický)
PORCHER
PORCHER
VERTEX
SKLO
0
45
193 g/m2
HEXCEL
UHLÍK
TKANINA
0
90
TAH + 23 °C WET
TAH + 54 °C
Obr. 59 – Graf porovnání materiálových charakteristik zkoušky tahem – Poissonovo číslo - ν.
90
0
90
1,8 g/cm3
EC 9-756k43(68)
T 700 SC
INTERGLASS
92 145
VETROTEX
TORAYCA
SKLO
SKLO
UHLÍK
JEDNOSMĚRNÁ
TKANINA
výztuže
0
220 g/m2
ROVING
Vliv změn klimatických podmínek zkoušek na měřené materiálové charakteristiky
oproti referenční teplotě + 23 °C je významný. Obecně lze říci, že vliv zvýšené teploty
+ 54 °C má ve většině případů větší negativní vliv na změnu naměřených materiálových
charakteristik než vliv zvýšené vlhkosti při + 23 °C WET.
8.3.1 Vliv klimatických podmínek zkoušek na změny pevnosti
Při porovnávání vypočtených průměrných hodnot pevností jednotlivých zkoušek
(obr. 57) dochází ve většině případů k většímu poklesu hodnot při zkoušce tlakem a zkoušce
interlaminárním smykem (“Short-Beam Shear”) oproti zkoušce tahem. Pokles vypočtených
průměrných hodnot pevností při zkoušce tahem většinou nepřekročí hranici 15 %, kterou
většina vypočtených průměrných hodnot pevností při zkoušce tlakem a zkoušce
interlaminárním smykem (“Short-Beam Shear”) překračuje a dosahuje až 40% poklesu.
V několika případech dochází také k nárůstu naměřených hodnot pevností, zejména u
kompozitů s výztuží z uhlíkových vláken při zvýšené teplotě, což potvrzuje teoretické
poznatky o kompozitech s uhlíkovými vlákny. V grafu tento druh kompozitu reprezentuje
kompozit s výztuží z uhlíkového rovingu TORAYCA, u kterého byl zaznamenán nárůst
o11 %.
8.3.2 Vliv klimatických podmínek zkoušek tahem na změny modulu pružnosti
Při porovnání vypočtených průměrných hodnot modulu pružnosti zkoušek tahem
(obr. 58) dochází ve většině případů k většímu poklesu při zkoušení v jiném směru než
podélném a to v příčném směru a pod úhlem 45 ° vůči směru vláken. Pokles modulu
pružnosti vlivem vlhkosti a zvýšené teploty v podélném směru vláken je do 10 %. Tato
hranice je v příčném směru a pod úhlem 45 ° vůči směru vláken překročena až o 50 %.
8.3.3 Vliv klimatických podmínek zkoušek tahem na změny Poissonova čísla
Při porovnání vypočtených průměrných hodnot Poissonova čísla zkoušek tahem
(obr. 59) dochází ve většině případů k nárůstu těchto hodnot. Vliv zvýšené teploty na nárůst
hodnot má ve většině případů větší vliv než zvýšená vlhkost. Při zatížení po úhlem 45 ° vůči
směru vláken je nárůst hodnot vyšší oproti zatížení v podélném směru. K poklesu většinou
dochází při zatížení v podélném směru vláken.
Miroslav HRUDŇÁK
- 81 -
2003/2004
9 Závěr
Z provedených souborů měření materiálových charakteristik kompozitních materiálů
lze vypozorovat, že nejlepších materiálových charakteristik při zkoušce tahem dosahují
kompozitní materiály s výztuží z rovingů, lépe je na tom kompozit z uhlíkového rovingu
TORAYCA, oproti kterému dosahuje kompozit ze skleněného rovingu VETROTEX
polovičních pevností v tahu v podélném směru vláken. Tyto výsledky opravňují použití
rovingových kompozitů, zejména pak typů z uhlíkových vláken, na pásnice nosníků křídel
namáhané tahem. V příčném směru vláken jsou hodnoty pevností v tahu minimální
a navzájem srovnatelné. Materiálové charakteristiky zkoušky tahem dosahují u kompozitu
z uhlíkového rovingu v podélném směru vláken polovičních hodnot. Materiálové
charakteristiky zkoušky interlaminárním smykem jsou v obou případech srovnatelné
a výrazně závislé na směru zatížení.
Kompozit s výztuží z jednosměrné skleněné tkaniny INTERGLAS 92 145 dosahuje
v podélném směru vláken v porovnání s kompozitem ze skleněného rovingu 2/3 hodnot
pevnosti v tahu. V příčném směru vláken jsou to pouhé desítky MPa. Naměřené materiálové
charakteristiky zkoušky interlaminárním smykem jsou výrazně závislé na směru zatížení.
Mezi kompozity s výztuží z tkanin dosahuje nejlepších materiálových charakteristik
při zkoušce tahem v podélném směru vláken kompozit z hybridní nesymetrické tkaniny
PORCHER s výraznou závislostí na směru zatížení. Dalším v řadě je kompozit z uhlíkové
tkaniny HEXCEL, který dosahuje podobných materiálových charakteristik při zkoušce
tahem a nepatrně horších hodnot při zkoušce tlakem. Zbývající kompozity ze skleněných
a hybridní nesymetrické tkaniny PORCHER vykazují pevnost v tahu do 400 MPa.
Společným znakem kompozitů se skleněných tkanin je jejich závislost na směru zatížení při
zkouškách tahem a tlakem, která se v případě zkoušek interlaminárním smykem neprojevuje.
Poměrně vyrovnaných hodnot materiálových charakteristik při zkoušce tahem a tlakem
dosahuje kompozit ze skleněné tkaniny VERTEX, srovnatelných hodnot materiálových
charakteristik zkoušky tahem dosahuje kompozit ze skleněné tkaniny RAYMOND, který
dosahuje nižších hodnot materiálových charakteristik při zkoušce tlakem. U kompozitů ze
skleněných tkanin INTERGLAS 92 110 a INTERGLAS 92 125 se neprojevil kladný vliv
vakuování při technologii výroby, jelikož bylo dosaženo v podstatě stejných materiálových
charakteristik.
Ve velké většině případů dochází vlivem zvýšené vlhkosti a zvýšené teploty ke
zhoršení naměřených materiálových charakteristik.
Miroslav HRUDŇÁK
- 82 -
2003/2004
10 Doporučení na dopracování
V důsledku zpožďujících se dodávek vzorků od jednotlivých výrobců nebylo možno
plně experimentálně vyhodnotit základní materiálové charakteristiky kompozitních materiálů
a stanovit tak jednoznačné závěry vlivu různých klimatických podmínek na měřené
materiálové charakteristiky daných kompozitních materiálů. Z toho důvodu se doporučuje
provést chybějící zkoušky kompozitních materiálů, jednak pro doplnění databáze, tak i pro
jednoznačnost závěrů.
Miroslav HRUDŇÁK
- 83 -
2003/2004
11 Seznam použité literatury
[1]
Janovec, J. – Cejp, J. – Steidl, J.: Perspektivní materiály, Praha, Vydavatelství ČVUT,
2001.
[2]
Odkaz v síti internet: www.techtydenik.cz
[3]
Kábrt, M.: Kompozitní materiály v konstrukci malých sportovních a UL letounů v ČR,
Litomyšl, Vanessa Air, 2000.
[4]
Kořínek, Z.: Učební materiály [www.volny.cz/zkorinek/], Praha, ČVUT FS.
[5]
Ptáček, L.: Nauka o materiálu II., Brno, Akademické nakladatelství CERM, 1999.
[6]
Bareš, R. A.: Kompozitní materiály, Praha, SNTL, 1988.
[7]
Niu, M. C. Y.: Composite Airframe Structures, Hong Kong, Conmilit Press Ltd., 1992.
[8]
Odkaz v síti internet: www.czu.cz
[9]
Odkaz v síti internet: ime.fme.vutbr.cz
[10] Odkaz v síti internet: etechnik.cz
[11] Odkaz v síti internet: www.vscht.cz/met/
[12] Odkaz v síti internet: www.volny.cz/ktechnologie
[13] Agarwal, B. G. – Broutman, L.J.: Vláknové kompozity, Praha, SNTL, 1987.
[14] D 3039/D 30 39M – 00: Standard Test Method for Tensile Properties of Polymer
Matrix Composite Materials, West Conshohoken USA, ASTM, 2000.
[15] SRM 1R-94: Test Method for Compressive Properties of Oriented Fiber- Resin
Composites, SACMA, 1994.
[16] D 695 – 96: Standard Test Method for Compressive Properties of Rigid Plastics, West
Conshohoken USA, ASTM, 1996.
[17] D 5379/D 5379M – 98: Standard Test Method for Composite Materials by the
V-Notched Beam Method, West Conshohoken USA, ASTM, 1998.
[18] Odkaz v síti internet: www.mttusa.net
[19] D2344/D 2344M – 00: Standard Test Method for Short-Beam Strength of Polymer
Matrix Composite Materials and Their Laminates, West Conshohoken USA, ASTM,
2000.
[20] Odkaz v síti internet: www.wyomingtestfixtures.com
Miroslav HRUDŇÁK
- 84 -
2003/2004
[21] D 790 – 00: Standard Test Methods for Flexural Properties of Unreinforced and
Reinforced Plastics and Electrical Insulating Materials, West Conshohoken USA,
ASTM, 2000.
[22] Odkaz v síti internet: new.euromise.org/czech/
[23] Netřebský, P.: Křídlo lehkého sportovního letounu [Diplomová práce], ČVUT FS,
Praha, 2003.
[24] Exkurze ve firmách: Jiří Kaura – COMLET, Schempp-Hirth výroba letadel, URBAN
AIR: ústní sdělení.
[25] Kaura, J.:ústní sdělení.
[26] Cejp, J. – Jeřábek, I. – Kábrt, M. – Theiner, R.: Test Technology Analysis of
Composite Materials Used in Airplane Design, Problematika technologie zkoušek
kompozitních materiálů, Letecký zpravodaj 3/2003, Praha, VZLÚ, 2003.
[27] Theiner, R. – Jeřábek, I.: Závěrečná zpráva za rok 2001 dílčího úkolu “Kompozitní
materiálové zkoušky”, Praha, CLKV, 2001.
Miroslav HRUDŇÁK
- 85 -
2003/2004
12 Přílohy
Na přiloženém CD-ROMu se nacházejí podklady od výrobců vzorků, tj. informace o
výztužích a matrici, informace o technologii.
Dále se zde nacházejí fotografie vzorků, na kterých byly provedeny zkoušky tlakem,
tahem a interlaminárním smykem (“Short-Beam Shear”).
Miroslav HRUDŇÁK
- 86 -
2003/2004