Kompozitní materiály

Kompozitní materiály
Základy materiálového inženýrství
Katedra materiálu Strojní fakulta
Technická univerzita v Liberci
Pro 1. r. Fakulty architektury
© Doc. Ing. Karel Daďourek, 2010
Definice kompozitu
Jde o pevnou látku,
složenou nejméně ze
dvou fází, přírodní i
umělou
V celku je
dosahováno
vlastností, které
nemají složky a nedají
se dosáhnout ani
jejich sumací –
synergický
(spolupracující) efekt
Historické příklady kompozitů
Vysušená hlína s kousky slámy – odkazy v
Bibli – nálezy v Izraeli 800 let PNL
– pevnost 7 MPa
Mongolské laminované luky – kombinace
dřeva a vláken – podstatná součást
tatarských nájezdů (dostřel 300 m)
Damascenská ocel – kombinace
nízkouhlíkové a vysokouhlíkové oceli
Je patrné, jak i v dávné historii ovlivňovaly
její průběh vynálezy vhodných materiálů
Izotropie materiálu
Některé technické materiály jsou svou podstatou
izotropní – skla
V řadě technických materiálů jsou základní jednotky
(krystality) anizotropní, ale v důsledku náhodného
rozdělení jejich velkého množství je materiál jako celek
izotropní – kovy, keramika
Anizotropii mohou slabě narušit vnější vlivy – např
tažení za studena u kovů
Celkově lze běžné technické materiály považovat za
izotropní
Kompozity jsou silně anizotropní
Fáze v kompozitu
Kompozit musí obsahovat nejméně jednu spojitou fázi, která
ho drží pohromadě – matrice
Další fáze, nespojité, které by měly být v kompozitu
rovnoměrně rozptýlené, jsou disperze.
Druhy kompozitů
podle typu disperze
Kompozity
prvního druhu
pevná
druhého druhu třetího druhu
kapalná
disperze
plynná
Kompozity třetího druhu
Patří sem různé pěnové hmoty :
pěnoplasty – pěnový polystyren
kovové pěny – hliníková pěna
pěnokeramika – pěnokorund
Speciální podobné systémy
- vláknové desky :
grafitová plsť
skleněné rohože
keramické tepelné izolace
Příklad kovových pěn
Aerogel – SiO2 nanopěna
Nejnižší tepelná vodivost
Kompozity druhého druhu
Poměrně málo časté :
Některé materiály samomazných ložisek
– spékaný kov s disperzí oleje
Spékané kovy pro ložiska vodních strojů
– např. čerpadel, která musí pracovat pod vodou
Častější jako přírodní –
Dřevo jako systém trubic s mízou
Skořápky mořských živočichů
Dřevo jako kompozit
Přírodní
Umělá struktura
Kompozity prvního druhu
v technice nejdůležitější
Dále se budeme zabývat téměř výhradně
těmito kompozity
Je možné je dělit podle matrice
PMC – s plastovou matricí
MMC – s kovovou matricí
CMC – s keramickou matricí
speciální typy – např skleněná matrice
Dělení podle tvaru disperze
Druhy disperze :
Vláknitá -vlákna – nemají ohybovou tuhost
spojitá – po celé délce výrobku
dlouhá – plně se využije jejich pevnost
krátká – jejich pevnost není plně využita
- Částice
jednorozměrné - jehličky, tyčinky – mají
ohybovou tuhost
vrstevnaté - destičky
izometrické - globule
- Desky – speciální tvar kompozitu, ztrácí se rozdíl mezi
matricí a disperzí
Částice v termoplastech
Často jen snížení ceny – mastek, křemen
Snížení smrštění
Zvýšení tuhosti a potlačení viskoelasticity
Snížení závislosti na teplotě
Tlumení zvuku – polystyren a celuloza (piliny)
Polyetylen + 75 % olova – ochrana proti RTG a γ
záření
Částice v reaktoplastech
Možnost zvýšit pevnost asi o 10 % (nepodstatné),
ale potlačení vrubového účinku, tlumení růstu
trhlin
Křemen (SiO2) – pro zvýšení elektroizolačních
schopností
Hydratovaný kysličník hlinitý (Al2O3) (meziprodukt
z bauxitu) – uvolňuje při zahřátí asi 1/3 objemu
vody, samozhášivost
Vlákna v reaktoplastu
Nejstarší kompozity
– prvý patent z roku 1916
– skelné lamináty
Matrice epoxid, polyester, fenolplast,
melaminoplast
Nejrozšířenější vlákna sklo – okolo 90 %
Dnes i uhlík, bor, keramika, kov, aramid, juta,
sisal
Optimum je 70 až 80 % vláken
Vlákna v termoplastu
Do polyamidu, polyetylenu, polypropylenu,
polykarbonátu
Vlákna 40 % sklo, uhlík, aramid
Zvýšení pevnosti, tuhosti a houževnatosti
Potlačení viskoelastického chování
C vlákna sníží koeficient tření na 30 %
40 % skla v polyamidu (nylonu) – zvýší pevnost 3x,
tuhost 8x a zůstane ještě 3 % deformace při lomu.
Velmi často užívaný kompozit
Tuhost kompozitu nylon s
uhlíkovým vláknem
Youngův modul
Kompozit nylon - uhlíkové vlákno
4000
3000
2000
1000
0
0
10
20
30
% vláken
40
50
Pevnost kompozitu nylon s
uhlíkovým vláknem
Kompozit nylon - uhlíkové vlákno
pevnost
80
60
40
ohyb
20
0
tah
smyk
0
20
40
% vlákna
60
Tažené profily EXTREN
výroba Prefa Brno
Polyester se skleněným vláknem
Obsah vláken 45 až 65 %
Pevnost v tahu, tlaku i ohybu
ve směru vláken 206,8 MPa
Pevnost v tahu kolmo na vlákna 48,3 MPa
Pevnost v ohybu kolmo na vlákna 68,9 MPa
Pevnost v tlaku kolmo na vlákna 103,4 MPa
Modul pružnosti 17,9 GPa
Poissonovo číslo 0,33
Hustota 1,7 až 1,9 g / cm3
Ukázka profilů EXTREN
Ukázky konstrukcí z EXTRENu
Výroba – ruční kladení
Výroba kompozitů - navíjení
Příklad navíjeného kompozitu
PAN vlákna se nejprve po navinutí grafitizují
Vlákna Ru = 3860 MPa, E = 242 GPa
Ru = 1150 MPa, E = 115 Gpa, S = 1,7 g/cm3
Kovová matrice - MMC
Lepší vlastnosti při vysokých teplotách :
vyšší pevnost,
menší creep
Nižší teplotní roztažnost
Vyšší otěrovzdornost
Ale vyšší cena
Složité technologie výroby
Hliníková matrice - nejčastější
Kontinuální vlákna :
bor, karborundum (SiC), korund, grafit
Diskontinuální vlákna :
korund, mullit (Al2O3 – SiO2 ), grafit
Whiskery :
(vlákénka s extremně vysokou pevností) SiC –
potíže - kancerogenní
Částice : karbidy SiC, BC
Struktury hliníkových kompozitů
Kompozit AlMgSi + 40 %
borových vláken,
zvětšení 150 x
- Kompozit AlMgSi
+ 41 % ocelových vláken
∅ 150 μm,
zvětšeno 100x
Pevnost hliníkových kompozitů
Kompozit AlMgSi
s ocelovými
vlákny
1 – podélná
pevnost
2 – příčná
pevnost
Houževnatost hliníkových
kompozitů
Kompozit
AlMgSi + 50 %
ocelových
vláken
1–
houževnatost
kolmo na vlákna
2–
houževnatost ve
směru vláken
Gutbond - letectví
Mez kluzu 95 MPa
Mez pevnosti v tahu 150
MPa
Tažnost 5 %
Youngův modul 70 GPa
Teplotní odolnost –50 až +
80 oC
Útlum hluku 25 dB (zbude
0,3 % hluku)
Něco mezi kompozitem a
laminátem
Zvyšování houževnatosti
keramiky - CMC
Použitím disperze s větší lomovou
houževnatostí - protože pohlcovaná energie
složkami se skládá podle směšovacího
pravidla
Vytahováním vláken - nejefektivnější budou
vlákna s délkou kolem 2*lk, delší se budou
přetrhávat a ne vytrhávat a kratší potřebují
na vytržení menší energii
CMC s dlouhými vlákny
Vlákna obvykle C nebo SiC
Infiltrace do rohože – kompozit C/C
- C matrice pyrolyzou PAN (polyakrylonitril)
- na rakety, turbiny, implantáty … raketoplán
Columbia
Infiltrace do rohože
(vysrážením SiO2 z rozpouštědla
– za studena)
Máčení rohože do břečky a normální sušení a
vypalování - libovolná keramika
Fiberforce - cement s
polypropylenovými vlákny
Vlákna z PP délky 18 až 50 mm
Objemové množství 0,1 až 0,5 %
Výrobce ARMPRO, Ontario, Kanada
Abraze se sníží o 10 %
Pevnost v tahu vzroste z 3,1 na 3,4 MPa
Pevnost v tlaku vzroste z 22 na 24 MPa
Jiná možnost - vlákna kevlar, sklo, ocel
Skelety - budova taxíků na Kennedyho letišti New
York
Pracovní diagram Fiberforce
(vodorovně- průhyb desky, svisle - zatížení)
Sklokeramické vláknové
kompozity
Rohož z C nebo SiC zalitá do roztaveného
skla
Pevnost v tahu až 1000 MPa, Youngův
modul 150 GPa
Vysoká houževnatost
Použití na vzduchu s C vlákny do 600 oC, s
SiC vlákny do 1000 oC
Velmi levná technologie
Sklokeramika
Označována také jako Sitall nebo skloporcelán
Matrice je hlinitokřemičité sklo nebo fosforokřemičité
sklo
Při tuhnutí přidány katalyzátory krystalizace - Cr 2O3,
TiO2 ZnS a pod.
Vykrystalizuje 40 až 50% mikrokrystalků CaSiO3 o
průměru 0,5 až 1 µm - disperze
Proti sklu větší pevnost v tahu a ohybu
Odolnost teplotním šokům
– musí obsahovat Li2O, šok až 800 oC.
Kompozity na raketoplánech