KOMPOZITNÍ MATERIÁLY.

Prezentace na téma: "KOMPOZITNÍ MATERIÁLY."— Transkript prezentace:

1 KOMPOZITNÍ MATERIÁLY

2 Kompozitní materiál je složen minimálně ze dvou strukturních fází s makroskopicky rozeznatelným rozhraním, které společně vytvářejí finální vlastnosti materiálu, jiné než jsou vlastnosti dílčích fází. V praxi jsou kompozity tvořeny matricí a výztuží, přidávané pro zvýšení pevnosti a tuhosti matrice. Výztuž je ve formě vláken nebo částic – podle toho se rozlišují kompozity vláknové nebo částicové (disperzní). Kompozity s polymerní matricí (PMC’s) - v konstrukci draků letadel mají největší význam, hlavně v kombinaci s dlouhými výztužnými vlákny. Matrice – epoxidová, fenolická, BMI, PI Vlákna – uhlíková, skleněná, aramidová, (bórová) Kompozity s kovovou matricí (MMC’s) – kovová matrice (většinou hliníková slitina) je vyztužená částicemi , případně krátkými vlákny (monokrystaly) SiC. - výroba rozmícháním v tekuté fázi nebo práškovou metalurgií (materiály SAP, ODS) Kompozity s keramickou matricí (CMC’s) - používají se pro vysokoteplotní aplikace. Keramická matrice je vyztužená krátkými vlákny nebo monokrystaly z karbidu křemíku nebo nitridu bóru.

3 VLÁKNOVÉ KOMPOZITY S POLYMERNÍ MATRICÍ
Funkce vláken přenášejí zatížení ovlivňují hlavně mechanické vlastnosti výsledného kompozitu největší účinek mají dlouhá (spojitá) vlákna, např. u laminátů nebo pultruzních polotovarů menší účinek mají vlákna krátká (nespojitá), např. u vstřikovaných nebo tvářených polotovarů Funkce matrice váže vlákna dohromady umožňuje přenos zatížení mezi jednotlivými vlákny chrání vlákna před vlivem prostředí určuje další vlastnosti kompozitu (teplotní a chemická odolnost, odolnost proti stárnutí, elektrické vlastnosti, smrštění při vytvrzování) při tahovém namáhání kompozitu se nesmí porušit dříve než vlákno.

4 Reaktoplastové polymerní matrice
Epoxidové pryskyřice v leteckých aplikacích mají výhradní postavení dobrá kohezní pevnost a adheze k většině vláken možnost vytvrzování za nízkých teplot a tlaků – běžně do 125 °C, pro vyšší pracovní teploty 175 až 225 °C vytvrzovací reakce je polymerace (žádné vedlejší produkty) malé smrštění při vytvrzování a malé vnitřní napětí teplotní stálost do 200 °C, chemická odolnost použitelné prakticky pro všechny zpracovatelské technologie vlastnosti lze měnit kombinací různých typů pryskyřice a tvrdidla Fenolické pryskyřice přednostně tam, kde se vyžaduje odolnost proti hoření a nízký vývin kouře (na letadlech na vnitřní vybavení) nižší mechanické vlastnosti odolnost do 280 °C za sucha vytvrzování polykondenzací (vznik vody → bubliny, mikrotrhliny)

5 Bismaleimidy (BMI) Polyimidy
použití v leteckých kompozitech určených pro vyšší pracovní teploty (230 °C ve vlhku / 250 °C za sucha) vstupní soustavy motorů, aerodynamické plochy vysokorychlostních letadel Polyimidy pro vyšší teploty než BMI (až do 250 °C ve vlhku / 315 °C za sucha) typické aplikace → části raketových a leteckých motorů extrémně drahé RDA polyimidy (PMR-15) vyjímečná odolnost proti působení organických rozpouštědel, silných kyselin, zásad a uhlovodíků při zvýšených teplotách kondenzační polyimidy při vytvrzování vznikají vedlejší produkty → obsah dutin až 5%, s negativním vlivem na mechanické a tepelné vlastnosti vysokoteplotní izolace, vysokoteplotní kosmické konstrukce, části proudových motorů

6 Vlastnosti reaktoplastových pryskyřic
typ pryskyřice hustota g/cm³ Rm MPa E GPa tažnost % fenolická 1,40 - 7 0,5 epoxidová 1,15 – 1,45 2 – 3,5 2 - 7 polyesterová 2 - 3 1 - 25 bismaleimidová 1,22 – 1,35 3 – 4,5 1,5 – 6,0 RDA polyimidy 1,30 3,9 1,1 kondenzační polyimidy 1,30 – 1,40 3,5 – 4,0 1 - 60

7 Matrice na bázi termoplastů
Výhody oproti reaktoplastovým pryskyřicím větší houževnatost větší prodloužení při lomu vyšší “damage tolerance”, tj. schopnost snášet poškození možnost opakovaného zpracování a snadná recyklace Nevýhody výrazně vyšší teploty zpracování silná závislost vlastností na teplotě složitá výroba termoplastových prepregů termoplast hustota g/cm³ Rm MPa Rb MPa Eb GPa polyamid PA 6/6 1,14 81 103 2,8 polyeterimid PEI 1,27 104 145 3,3 polyetersulfon PES 1,37 84 129 2,5 polyfenylensulfid PPS 1,34 74 96 4,1 polyetereterketon PEEK 1,32 100 110 3,8

8 Vlákna pro kompozity s polymerní matricí
Skleněná vlákna (průměr μm) nejlevnější, vysoká pevnost, nehořlavost, malá tepelná roztažnost křehkost, nízký modul pružnosti, změny vlastností pod účinkem různých vlivů (např. průměr vláken), větší hustota nosné konstrukce kluzáků a lehkých letadel a nenosné konstrukce u ostatních letadel Pro výrobu skleněných vláken se používá sklo E - nejčastěji využívaný materiál na kluzácích a lehkých letadlech, nízká cena, horší mechanické vlastnosti v porovnání se sklem S sklo S - při vyšších nárocích na mechanické vlastnosti, 3x až 4x dražší než sklo E sklo D - borosilikátové sklo s dobrými dielektrickými vlastnostmi, užívané např. pro konstrukci radomů Pro praktické použití spojení do svazků o velkém počtu vláken pramenec - svazek vzájemně nekroucených vláken. příze (yarn) - svazek vzájemně zkroucených vláken nebo pramenců roving - soubor paralelních pramencù s malým nebo žádným zkroucením

9 Uhlíková vlákna (5 – 8 μm) z ropných produktů (pitch vlákno) nebo pyrolýzou organických vláken z polyakrylonitrilu (PAN) postup výroby z PAN vlákna: ohřev na 200°C a protahování vláken - orientace molekul a lepší mechanické vlastnosti stabilizace v oxidační atmosféře při 220 až 300 °C / 10 hod. karbonizace v inertní atmosféře při 1000 až 1500 °C – HT (HS) vlákno grafitizace v inertní atmosféře při 2200 až 3000 °C – vlákna IM, HM, UHM velmi dobré mechanické vlastnosti (pevnost, modul pružnosti), nízká hustota → nejdůležitější vlákna pro primární letecké konstrukce křehkost, vysoká cena, nad 400 °C intenzivní oxidace pro letecké aplikace se používají svazky vláken o počtu 3000 až (označení 3K až 48K) druhy uhlíkových vláken HT (High Tenacity), HS (High Strength)- vysoká pevnost v tahu a tažnost, nižší modul pružnosti IM (Intermediate Modulus) - střední modul, vysoká pevnost a dobrá tažnost HM (High Modulus) - vysoký modul pružnosti a nízká tažnost UHM (Ultra High Modulus) - velmi vysoký modul, velmi nízká tažnost

10 Postup výroby uhlíkového vlákna z vlákna PAN
Protažení vlákna Molekula PAN vlákna Stabilizace vlákna Pyrolýza Odvodíkování : °C Oddusíkování: °C Uspořádání atomů uhlíku v krystalu grafitu Grafitová struktura ̴ 99 %C, karbonová 80 – 95 %C

11 Mikrostruktura uhlíkového vlákna na bázi PAN
10nm Vysoká pevnost podél vlákna Nízká pevnost napříč vlákna

12 Aramidová vlákna– aromatický polyamid (12 μm)
nejnižší hustota, vysoká tahová pevnost a odolnost rázovému namáhání, chemická odolnost pohlcování vlhkosti, nízká pevnost v tlaku, degradace při slunečním záření, vyšší cena oproti skleněným vláknům vylehčení kompozitních konstrukcí, velmi často v kombinaci se skleněnými nebo uhlíkovými vlákny typy vláken: aramid LM (Low Modulus), aramid HM (High Modulus) a aramid UHM (Ultra High Modulus) nejznámnější obchodní značky Kevlar (výrobce Du Pont) – Kevlar 29 (balistika), Kevlar 49, Kevlar 149 Twaron (výrobce Teijin Aramid BV) Bórová vlákna výroba vylučováním bóru z plynného BCl3 na povrchu rozžhaveného wolframového nebo uhlíkového vlákna o průměru ~ 0,1 mm vysoká pevnost v tlaku, vysoký modul pružnosti, vysoká tepelná odolnost velký průměr, křehkost, vyšší hustota, vysoká cena

13 Základní vlastnosti vláken a porovnání s jinými materiály
Rm, MPa E, GPa ρ, g/ccm Rm/ ρ E/ ρ Uhlík HT (HS) 3500 1,8 1940 90-150 Uhlík IM 5300 2940 Uhlík HM Uhlík UHM 2000 nad 440 2,0 1110 200 + Aramid LM 3600 60 1,45 2480 40 Aramid HM 3100 120 2140 80 Aramid UHM 3400 180 1,47 2310 E sklo 2400 69 2,5 960 27 S2 sklo 3450 86 1380 34 Al slitina 7020 400 2,7 150 26 Titan 950 110 4,5 210 24 Ocel zušl. 1000 205 7,8 130

14 Uspořádání a orientace vláken v kompozitu
Uspořádání vláken ve vrstvě jednosměrné (UD) křížové (tkanina) Vrstvení vícesměrné např. kvaziizotropní jednosměrné

15 Hybridní tkanina – různé druhy vláken (uhlík-sklo, uhlík-aramid)
Struktura tkaniny osnova (warp) - soustava rovnoběžných nití, do kterých je zanášen útek útek (weft) - nit proplétaná osnovou ve směru příčném Vazba nití v tkanině plátěná – tuhá, vhodná pro rovinné výrobky, a) keprová – volnější vazba, lépe se tvaruje, b) saténová – nejvolnější vazba, pro tvarově složité výrobky c) porovnání splývavosti – plátno/kepr, d) Hybridní tkanina – různé druhy vláken (uhlík-sklo, uhlík-aramid)

16 Prepregy Složení prepregu Uspořádání vláken v prepregu
kombinace vláknové výztuže a matrice matrice tvořená reaktoplastovou pryskyřicí je v částečně vytvrzeném stavu, tzv. B stavu, který ponechává prepregu dostatečnou lepivost a tvarovatelnost Uspořádání vláken v prepregu jednosměrné uspořádání vláken (UD prepreg) vícesměrné uspořádání vláken (tkaninový prepreg) Zpracování prepregu po zpracování ve formě nebo podle modelu se prepregový kompozit vytvrdí za působení zvýšené teploty a tlaku. Výhody použití prepregů snadná výroba součástí (nižší náklady na zpracování, nižší spotřeba energie, menší počet částí, stabilní obsah vláken) úspora hmotnosti (optimální poměr hmotnost/výkon) a dobré mechanických parametry (tahová a únavová pevnost, tuhost, koroze, stárnutí, opravy). Životnost nevytvrzeného prepregu za pokojové teploty omezená životnost (řádově dny až týdny), protože dochází k postupnému samovolnému vytvrzování pryskyřice při současné ztrátě tvarovatelnosti a lepivosti. Při uskladnění v mrazicích boxech při teplotě minus 18 C se životnost prodlužuje na 6 až 12 měsíců.

17 Výsledné vlastnosti kompozitního materiálu
Výsledné mechanické vlastnosti vláknového kompozitního materiálu jsou dány typem použitého vlákna jeho objemovým podílem v kompozitu orientací vláken UD orientace (jednosměrná) výsledný kompozit má silně anizotropní vlastnosti, které dosahují maximálních hodnot ve směru vláken a minimálních hodnot ve směru kolmém na vlákna Křížové uspořádání (tkaninová výztuž) vlastnosti v obou směrech v rovině výztuže jsou podobné, ve směru kolmo k rovině výztuže zůstávají nízké Kvaziizotropní uspořádání (0°, 90°, ± 45°)n stejné vlastnosti ve všech směrech v rovině laminátu Zjednodušený výpočet vlastností – směšovací pravidlo

18 Výsledné vlastnosti jednosměrného kompozitu
Diagram výsledných vlastností UD kompozitu ve směru vláken Přibližný výpočet podle směšovacího pravidla – ve směru vláken Modul pružnosti EL = EF.VF + EM.(1-VF) Pevnost v tahu Rm,L = Rm,F.VF + εF.EM(1-VF) vlákno pevnost v tahu vláknový kompozit matrice deformace

19 Typické vlastnosti prepregových kompozitů s epoxidovou matricí
E - sklo UD tkanina Aramid Uhlík HS Uhlík IM Pevnost v tahu, 0o MPa 1100 600 500 2000 800 2400 900 Pevnost v tahu, 90o 35 550 450 80 750 850 Modul v tahu, 0o GPa 43 20 60 30 130 70 170 90 Modul v tahu, 90o 8 19 9 65 Pevnost v tlaku, 0o 250 150 1300 700 1600 Pevnost v tlaku, 90 o 650 Modul v tlaku, 0o 42 17 75 31 115 Modul v tlaku, 90o 10 16 5,5 55 11 Smyková pevnost v rovině 50 95 Modul ve smyku 4 4,2 2,1 4,4 5 ILSS

20 Vlastnosti prepregových kompozitů s termoplastovou matricí
PEEK/uhlík UD PEEK/uhlík IM PEEK/S2-sklo PEI/uhlík PPS/uhlík Pevnost v tahu, MPa 2070 2825 1170 2000 Modul v tahu, GPa 138 180 55 132 136 Pevnost v tlaku, MPa 1360 1420 1100 Modul v tlaku, GPa 124 151 119 121 Hodnoty platí pro pokojovou teplotu a směr 0°

21 Vlákno-kovové lamináty
Příklad skladby 3/2 hliníkový plech 0,3 mm Vyvinuty na Univerzitě v Delftu Skládají se střídavě z tenkých kovových vrstev a jednosměrných nebo dvojsměrných skleněných, aramidových nebo uhlíkových prepregů s epoxidovou matricí prepreg 0,23 mm 1,4 mm Standardní složky: Kov – slitina 2024, 7075 Vlákno – uhlík, aramid,sklo Prepreg – jednosměrný, křížový

22 Vlákno-kovové lamináty – typy a přednosti
ARALL - Aramid Reinforced ALuminium Laminates (TU-DELFT) GLARE - GLAss REinforced (TU-DELFT) CARE - CArbon REinforced (TU-DELFT) Titanium CARE (TU-DELFT) HTCL - Hybrid Titanium Composite Laminates (NASA) CAREST – CArbon REinforced Steel (VUT - LU) - T iGr – Titanium Graphite Hybrid Laminate (The Boeing Company) Výhody - zlepšení únavové odolnosti and vlastností „damage tolerance“ (vliv přemostění trhliny vlákny) - úspora hmotnosti a nákladů - zlepšení bezpečnosti, např. odolnosti proti prohoření - v omezené míře se dají tvářet

23 Standardní složení komerčních vlákno-kovových laminátů
Typ Složení Kov Typ prepregu Orientace prepregu ARALL 2 2/1 – 6/5 2024-T3 aramid-epoxy jednosměrná ARALL 3 7475-T76 GLARE 1 sklo-epoxy GLARE 2 GLARE 3 křížová/ GLARE 4

24 Mechanické vlastnosti vlákno-kovových laminátů
Tloušťka kovu mm Tloušťka prepregu Pevnost v tahu MPa Mez kluzu E GPa hustota g/cm³ ARALL 1 0.3 0.22 897 535 67.5 2.16 ARALL 2 849 411 68.3 GLARE 1 0.25 1494 530 62.2 2.42 GLARE 2 0.2 1670 416 60.9 2.34 1449 406 63.0 0.4 1295 399 64.5 2.47 GLARE 3 382 51.3

25 Šíření trhliny ve vlákno-kovovém laminátu v porovnání se slitinou 2024
[mm] cykly a – poloviční délka trhliny

26 Šíření trhliny ve vlákno-kovovém laminátu CARE v porovnání se slitinou 2024 při zatěžování odvozeném z letového spektra letounu Boeing 737 Po letů (asi 1/5 předpokládané životnosti): 2024-T3, s1g = 70 MPa – 2Da = 52,7 mm, nestabilní dolomení CCT tělesa CARE, s1g = 70 MPa – 2Da = 0,23 mm CARE, s1g = 170 MPa – 2Da = 5,7 mm

27 Ohnivzdornost materiálu GLARE v porovnání se slitinou 2024
prohoření bez prohoření strana plamene strana plamene °C vnitřek trupu vnitřek trupu čas, s

28 Aplikace vlákno-kovového laminátu AIRBUS A 380 Panely horní části trupu – 470 m² , GLARE 4 Maximální rozměry panelů 10.5 x 3.5 m Úspora hmotnosti kg Lepené výztuhy ze slitiny 7349

29 Kompozitní materiály na letounu
Trup z uhlíkových vláken Celokompozitní letoun Cessna TTx aramid-voštinový sendvič uhlík-voštinový sendvič lepené potahy, výztuhy, žebra a přepážky lepené potahy a zdvojení skleněné vlákno hliníkový potah-voštinové jádro aramid

30 Použití kompozitů na velkém dopravním letadle
Letoun Airbus A 380

31 Náběžná hrana křídla A340-600

32 Kompozitní nosník náběžné hrany
A350XWB Kompozitní nosník náběžné hrany A350XWB Kompozitní panel trupu

33 Nosový kužel

34 Vrtule

35 Kompozitní materiály na motoru

36 1 Skříň elektroniky: prepreg uhlík/epoxy 2 Panely tlumení zvuku: prepregy uhlík-sklo + hliníková voština 3 Lopatky dmychadla: konstrukce z uhlíkových prepregů nebo RTM 4 Kužel: prepreg sklo/epoxy nebo RTM 5 Prstenec: prepreg sklo/epoxy nebo RTM 6 Dveře: prepregy uhlík-sklo + voština 7 Části obraceče tahu: prepregy uhlík/epoxy nebo RTM konstrukce 8 Těleso kompresoru: prepregy uhlík/epoxy, voštiny 9 Kanál obtoku: prepregy uhlík/epoxy , nekovové voštiny 10 Rozváděcí lopatky: uhlík/epoxy - RFI/RTM konstrukce 11 Prstenec dmychadla: aramidová tkanina 12 Kryt motoru: prepregy uhlík-sklo + voština

37 KOMPOZITNÍ MATERIÁLY S KOVOVOU MATRICÍ
Použití do podstatně vyšších teplot než u polymerních matric Zpevnění kontinuální (dlouhými vlákny) diskontinuální (krátkými vlákny, monokrystaly, částicemi) Matrice hliník a jeho slitiny hořčík a jeho slitiny titan a jeho slitiny slitiny niklu, slitiny kobaltu Vlákna omezený výběr, u řady kombinací vznik mezivrstev intermetalidů reálné použití → B, C, SiC, Al2O3

38 Kontinuálně zpevněné KM
Výrobní metody V tuhém stavu difúzní svařování kovových fólií a pásů vláken plasmový nástřik kovové matrice na vlákna + vrstvení a slisování za tepla nanesení vrstvy kovu na vlákna cestou PVD + vrstvení a slisování za tepla V tekutém stavu infiltrace vláknového polotovaru tekutým kovem Některá komerčně dosažitelná vlákna vlákno typ ρ, g/cm³ d, μm E, GPa Rm, MPa A, % T 300 HS uhlík 1,76 7 235 3500 1,5 Nicalon β-SiC 2,55 15 196 2740 1,4 ALMAX α-Al2O3 3,90 10 330 1800 0,5 AVCO CVD - B na W 2,50 150 400 0,88 Nextel 440 70Al2O3, 28SiO2, 2B2O3 3,05 12 186 2000 1,07

39 Kompozity s hliníkovou matricí
Matrice tvářené slitiny 2XXX, 6XXX, 7XXX + vysokopevnostní lité slitiny Charakteristika KM s bórovým vláknem – vysoká pevnost a tuhost, nízká hustota, vysoká tepelná vodivost, nízká roztažnost, pracovní teploty do 510 °C, podíl vláken 40 až 60 %, vysoká cena, velký průměr, nutnost protidifúzní baréry KM s vlákny SiC – levnější, obsah vláken ~ 40 %, omezená data KM s C vlákny – problém smáčivosti a vorby karbidu hliníku na rozhraní, náchylnost ke galvanické korozi, → deposice mezivrstvy boridu titanu KM s vlákny Al2O3 – chemická kompatibilita, korozní odolnost, vysoká cena vláken Vlastnosti některých KM s hliníkovou matricí a kontinuálními vlákny matrice + vlákno orientace, ° E, GPa Rm, MPa A, % 2024-T6 + 46% B 221 1459 0,8 % SiC 0/90 204/118 1462/86 0,89/0,08 Al + 65% Al2O3 262/123 1833/178 0,73/1,16 % SiC 105/-- 850/90 -/-

40 Kompozity s hořčíkovou matricí
Charakteristika vysoké specifické vlastnosti nízká tažnost s C vlákny téměř nulová roztažnost základní problém – nebezpečí galvanické koroze na rozhraní vlákno/matrice potenciální použití – kosmické aplikace Vlastnosti některých KM s hořčíkovou matricí a kontinuálními vlákny matrice + vlákno orientace, ° E, GPa Rm, MPa A, % (AZ91C+AZ31B plát.) + 23% C (P55) 135 543 0,48 + 37% C (P100) 290 489 - ZE % SiC 230 1330 0,78

41 β sl. (Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn) + 35% SiC
Kompozity s titanovou matricí Cíle zvýšit pevnost, tuhost, odolnost proti tečení a únavě Základní problém degradace vláken vlivem vysoké reaktivity Ti během zpracování → nutnost ochranných povlaků Matrice Ti-6Al-4V, pseudo-α a β pro teploty až 700 °C Vlákna SiC (SiC s povrchovou vrstvou C na uhlíkovém nebo wolframovém vláknu) Vlastnosti některých KM s titanovou matricí a kontinuálními vlákny matrice + vlákno orientace, ° E, GPa Rm, MPa A, % Ti-6Al-4V + 35% SiC 90 240 - 1755 340 1,09 β sl. (Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn) 85 850 19,3 β sl. (Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn) + 35% SiC 183 124 1380 420 0,84 1,41

42 Kompozity s niklovou a kobaltovou matricí
Vlákna pro teploty tekutých superslitin velmi omezený výběr W s přídavkem oxidu thoria ThO2 pro vyšší pevnost slitina W-Hf-C nebo W-Hf-Re-C bariéra proti difúzi (na vláknech vrstva TiC, TiN, ZrO2, …) Vlastnosti některých KM s niklovou matricí a kontinuálními vlákny matrice + vlákno orientace, ° teplota, °C Rm, MPa Rp0,2, MPa A, % sl. Ni MAR M200 980 1090 523 213 - MAR M %W (2%ThO2) 90 839 595 449 119 8,6 24,5 9,0 29,4 Ni + 40%W 650 930 270 127 193 70

43 Diskontinuálně zpevněné KM
Mechanizmus zpevnění Částice nebo monokrystaly (whiskery) vytvářejí v matricí pole napětí bránící pohybu dislokací Výsledek → zpevnění a pokles tažnosti; téměř izotropní vlastnosti Zpevňující fáze pro slitiny Al → SiC, Al2O3, B4C a grafit pro slitiny Mg → SiC, Al2O3 a grafit pro slitiny Ti → TiC, TiB grafit → pro zlepšení kluzných vlastností rozlišení zpevňující fáze idexem (SiCp – částice, SiCw – whiskery) Výroba KM - levnější než u spojitých vláken odlévání tváření prášková metalurgie

44 Kompozity s hliníkovou matricí
Slitiny zpevněné disperzními oxidy (ODS slitiny) distribuce velmi jemných oxidických částic v zrnech kovu výroba práškovou metalurgií → směs prášku slitiny o zrnitosti 40 μm a prášku Al2O3 o zrnitosti 0,05 μm mletí v kulových mlýnech v atmosféře tekutého dusíku → částice Al2O3 se drtí a vznikající oxy-nitridy se zamačkávají do zrn kovu obsah částic je do 10 % prášek se lisuje za tepla, výlisky se dále mohou zpracovávat kováním na tvarové polotovary nebo válcováním na plechy a desky použití → pro vyšší tepelnou stabilitu (možná náhrada slitin Ti až do 450 °C), větší odolnost proti opotřebení nebo vyšší tvrdost Vlastnosti ODS slitiny na bázi 2618 slitina Rm , MPa 20 °C 100 °C 200 °C 300 °C 450 °C 2618 465 420 220 50 - % Al2O3 440 390 320 250 160

45 Slitiny zpevněné whiskery nebo částicemi
matrice – tvářené slitiny 2XXX, 6XXX, 7XXX, 8XXX; odlévané slitiny; slitiny vyráběné práškovou metalurgií zpevňující fáze – většinou SiC, částice ~ 3 μm, → lepší mechanické vlastnosti do 250 °C, lepší odolnost únavě, nižší teplotní roztažnost slitina Rm, MPa E, GPa A, % Al + 20% SiCw 385 111 - 6061-T6 + 20% SiCw 586 121 3,6 2124-T6 nezpevněná 470 72 2124-T6 + 20% SiCw 862 127 2,4 7075-T6 + 23% SiCw 925 136 0,6 slitina Rm, MPa E, GPa A, % 2124-T6 + 25% SiCp 630 116 2 - 4 8090-T6 nezpevněná 485 80 6 - 8 8090-T6 + 17% SiCp 540 103 3 - 4 A356-T6 (AlSi7Mg0,3) Rp0,2 = 200 75,2 - A356-T6 + 20% SiCp Rp0,2 = 331 96,6

46 - Duralcan – komerčně dosažitelné lité materiály od firmy ALCAN
Základní slitina F3S pro odlitky do písku, trvalých forem a pro přesné lití (~ A359, tj. AlSi9Mg) Základní slitina F3N a F3D pro tlakové odlitky (~ A360, tj. AlSi10MgMn) Částice SiC v množství do 20% Porovnání únavových vlastností (20% SiC) 276 207 138 69 tlakový odlitek R = -1, 22 °C, 30Hz maximální napětí, MPa obrobená součást počet cyklů

47 Kompozity s hořčíkovou matricí
Slitiny zpevněné částicemi nebo whiskery výrobní technologie - prášková metalurgie nebo míchání výztuže do tekuté slitiny s případným průtlačným lisováním polotovarů. účinek zpevnění: - zvýšení pevnosti, meze kluzu a modulu pružnosti - snížení tažnosti a součinitele teplotní roztažnosti Vlastnosti některých diskontinuálně zpevněných slitn hořčíku slitina Rm, MPa E, GPa A, % výroba Mg Mg + 10% SiCp Mg + 20% SiCp 196 280 258 38 57 59 12 1,2 2,0 PM odlitek ZK60A ZK60A + 20% SiCw 310 578 45 96,5 - 1,58 AZ91D AZ91D + 20% SiCp (15μm) 360 390 42 71 9,9 1,3 odlitek + protlaček AZ61 AZ % SiCp 290 321 44 66 18 tváření

48 Kompozity s titanovou matricí
Slitiny zpevněné částicemi nebo whiskery TiB a částicemi TiC přísada C nebo B a tvorba TiB (TiC) během tavení nebo rozprašování kovu prášek TiB (TiC) do směsi při výrobě PM zlepšení pevnosti a tuhosti na úkor tažnosti zpevnění se udržuje do zvýšených teplot Dosud žádný komerční materiál Vlastnosti některých diskontinuálně zpevněných slitin titanu slitina Rm, MPa E, GPa A, % výroba Ti-6Al-4V Ti-6Al-4V + 0,48B 1035 1156 - 129 15 in situ TiBw při tavení Ti-6Al-4V + 20% TiCp 959 139 0,3 PM Ti-17Mo Ti-17Mo + 21% TiBp Rp0,2 = 640 Rp0,2 = 840 96 155 in situ TiB při tavení

49 Kompozity s niklovou matricí
Slitiny zpevněné disperzními oxidy yttria Y2O3 (případně ThO2) výroba práškovou metalurgií dobré mechanické vlastnosti až do 90% teploty tavení v porovnání se slitinami niklu → nižší hustota, nad teplotou 980°C vyšší pevnost tvárnost vyhovuje jen pro méně náročné operace, svařování je možné např. svazkem elektronů pro teploty nad 1100°C → ochranné povlaky Al, Cr proti oxidaci typické použití → letecké lopatkové motory (palivové trysky, plamence, části výstupní soustavy) Složení některých zpevněných slitin Ni slitina směrné složení MA 754 Ni-20Cr-0,5Ti-0,3Al-1Fe-0,05C-0,6Y2O3 MA 6000 Ni-15Cr-4,5Al-2,5Ti-4W-2Mo-2Ta-0,15ZR-0,05C-0,01B-1,1Y2O3 alloy 51 Ni-9,5Cr-8,5Al-0,05C-6,6W-3,4Mo-0,01B-0,15Zr-1,1Y2O3

50 KOMPOZITNÍ MATERIÁLY S UHLÍKOVOU MATRICÍ (C-C kompozity)
Jediný materiál pro dlouhodobou práci při teplotách 1700 až 2200 °C, nad 500 °C je nutná ochrana proti oxidaci Výroba UD, 2D nebo 3D výztuž z uhlíkových vláken zavedení matrice impregnací kapalné pryskyřice + karbonizace za vysokých teplot → vhodné pro tlustostěnné díly chemická infiltrace matrice pyrolytickým uhlíkem (CVI – chemical vapour infiltration) z metanu nebo etanu za určité teploty a tlaku → pomalé, vhodné pro tenkostěnné díly Charakteristika nízká hustota schopnost odolávat vysokým teplotám dobré mechanické vlastnosti včetně lomové houževnatosti nízká tepelná roztažnost, odolnost proti teplotním šokům výsledné mechanické vlastnosti závisejí na objemovém podílu vláken a na architektuře výztuže (UD, 2D, 3D)

51 Ochrana proti oxidaci uhlíku
do 1700 °C → SiC (tvoří povrchovou vrstvu SiO2, chemicky kompatibilní s uhlíkem a dobrou odolností proti oxidaci) - podobně působí Si3N4, TiC, AlN, B4C, BN nad 1700 °C → primární bariéra proti oxidaci z ušlechtilých kovů (iridium) nebo vysoce žáruvzdorných keramických materiálů (boridy a oxidy hafnia) Aplikace krátkodobá tepelná ochrana – tepelné štíty raketoplánů, trysky raketových motorů (raketoplán – při návratu ohřev nosu a náběžné hrany až na 1700 °C, pod bariérou C-C kompozitu je teplota kovové konstrukce maximálně 180 °C) brzdové systémy raketoplánů a letounů Mirage, Rafale, Concorde, Airbus , vozů formule1 materiál Rm, MPa E, GPa KC, kJ/m² nevyztužený grafit 0,01 3D C-C kompozit 5,0 – 10,0

52 KOMPOZITNÍ MATETRIÁLY SE SKLENĚNOU A SKLO-KERAMICKOU MATRICÍ
Matrice na bázi skla chemická stabilita, odolnost proti vlivu agresivního prostředí, odolnost proti erozi a tepelná stabilita v rozmezí 600 až 1300 °C chová se jako termoplast → snadnější impregnace vláken bórosilikátové sklo - pro nižší teplotní rozsah, při rostoucím obsahu keramických složek se rozšiřuje teplotní oblast použití nad 1000 °C Vlákna dlouhá C vlákna → dobrá pevnost a tuhost spojená s dobrou lomovou houževnatostí a nízkou hustotou ~ 2 g/cm³ ; nevýhodou je snadná oxidace na vzduchu při vyšších teplotách dlouhá SiC vlákna → pro vyšší teploty v kombinaci se sklo-keramickou matricí Výroba kompozitů lisování za tepla, vhodné pro ploché, jednoduché tvary MTM metoda (Matrix Transfer Moulding) → plnění formy s vloženou výztuží matricí při vysoké teplotě.

53 LAS-II (lithiový aluminosilikát)
Vlastnosti Aplikace kompozity s vysokomodulovými uhlíkovými vlákny → zrcadla a reflektory pro kosmické účely v USA materiály s komerčním označením COMPGLAS s matricí LAS pro použití na lopatkových motorech a pro kosmické aplikace vývoj materiálů pro motory v Evropě (Aerospatiale) Matrice vlákno / podíl Rm, MPa E, GPa A, % bórosilikátové sklo C (HMU Herkules) / 42% 785 170 0,60 C (P100) / 54% 680 322 - LAS-II (lithiový aluminosilikát) SiC / 44% 136 2,3

54 KERAMIKA A KOMPOZITNÍ MATERIÁLY S KERAMICKOU MATRICÍ
Keramika - tvrdé materiály vyrobené z vysoce čistých oxidů, nitridů, karbidů nebo boridů Přednosti keramiky žáruvzdornost stabilita malý creep extrémní tvrdost a odolnost proti opotřebení Nedostatky keramiky obtížná zpracovatelnost křehkost, praskání má katastrofický průběh nezaručené vlastnosti při tepelném cyklování Problémy u monolitní keramiky pórovitost → eliminace izostatickým lisováním za tepla sklovité nízkotavitelné filmy sintračních přísad na zrnech → eliminace vhodnějšími sintračními přísadami

55 Základní oblasti použití keramiky
Povrchová ochrana součástí pracujících za vysokých teplot vrstvy Al2O3 + TiO2, Cr2O3, ZrO2, ZrSiO4, MoSiO2 plamence SK → vrstvy se většinou nanášejí plazmatickým nástřikem prášků (nanesení mezivrstvy slitiny Ni-Cr nebo Ni-Cr-Al, nanesení ytria pro zlepšení odolnosti proti oxidaci a nanesení vlastní keramické vrstvy ZrO2) → 4x delší životnost u turbín ochrana oběžných lopatek 1. stupňů, ochrannými povlaky na bázi MCrAlY, kde M zastupuje Ni, Co nebo Fe. Cr a Al tvoří žáruvzdorný film oxidů a Y zlepšuje přilnavost (povlaky se nanášejí buď plazmovým stříkáním nebo metodou PVD - iontové plátování, katodové nebo magnetronové naprašování apod.) Konstrukční materiál pro práci v extrémních tepelných a abrazivních podmínkách a jako součást balistické ochrany keramika se používá jako monolitní materiál nebo jako kompozit s keramickou matricí . problém monolitní keramiky je množství vad vznikajících během výroby – např. pórovitost nebo sklovitý film na povrchu zrn, který se může při vysokých pracovních teplotách natavit kritická velikost vady v keramice 100 x menší než u kovového materiálu příklad aplikace monolitní keramiky - kuličky, válečky i kompletní ložiska pro letecký a raketový průmysl

56 Přehled keramiky pro pancéřování letadel (Ceradyne company)
Materiál Hustota g/cm² Základní charakteristika Cena Typická aplikace B4C (HP) 2.51 Vysoká tvrdost, nízká hustota, nízká houževnatost $$$$ Nejúčinnější proti malým a středním kalibrům. Nejlehčí materiál pro monolitní osobní ochranu a pancéřování letadel. SiC 3.20 Vysoká pevnost, střední tvrdost a houževnatost $$$ Levnější alternativa ke karbidu bóru s poněkud horšími vlastnostmi. (S) 3.15 Střední pevnost, tvrdost a houževnatost $$ Vysoká odolnost proti střelám s ocelovým jádrem při nižší ceně oproti HP materiálu. Si₃N4 (RBSN) 3.23 Vysoká pevnost a houževnatost, nižší tvrdost Houževnatější alternativa ke spékanému SiC při podobné ceně. Ideální na destičkovou ochranu proti střelám s olověným a ocelovým jádrem. TiB₂ 4.50 Vysoký modul a tvrdost, vysoká hustota Vhodné proti větším kalibrům. Typické použití na pozemních vozidlech (vyšší hmotnost pancéřování). Al₂O₃ Střední tvrdost a houževnatost $ Běžná pancéřová keramika – střední vlastnosti a hustota, nízká cena. HP = lisované za tepla, S = spékané, RBSN = reakčně spojované a spékané

57 Letecké pancéřování (Ceradyne)
Panely sedadel a křídel Konstrukce sedadel obvykle z aramidové kompozitní skořepiny a monolitních destiček z karbidu bóru. Potahy z odolné nylonové tkaniny. Zajištění ochrany proti střelám 7.62 a 12.7 mm. Konstrukční díly Doplňková ochrana z karbidu bóru. Kabinové a podlahové systémy Modulární doplňkové pancéřování pro helikoptéry, např. MH-47 Chinock, MH-60 Black Hawk, UH1H Super Huey

58 Keramika na součásti odolné proti opotřebení
materiál ρ, g/ccm % Si3N4 Rb, MPa E, GPa HV0,3 KIC, MPa√m Si3N4 Ceralloy 3,2 92 310 1450 6 Ložiska - satelitní mechanizmy - turbo-čerpadla vrtulníkové transmise převodovky servo-systémů Kladky ventilových rozvodů Části kulových spojek Kladky rozvodů pro výkonné naftové motory Kuličky a válečky keramických a hybridních ložisek (CERADYNE) Kuličky z Si3N4 a kroužky ze ZrO2 (CEROBEAR) Části kulových spojek (CEROBEAR)

59 Kompozity zpevněné kontinuálně
Matrice karbid křemíku SiC - tepelná stabilita, pracovní teploty až do 1650 °C nitrid křemíku Si3N4 - nižší tepelná stabilita než u SiC, vyšší pevnost - lepší odolnost proti teplotním šokům oxid hliníku Al2O3 - dobrá tepelná stabilita, vysoká křehkost Kompozitní systém vlákno/matrice hlavní systémy - C/SiC a SiC/SiC doplňkový vývoj - SiC/Si3N4, SiC/Al2O3, SiC/ZrO2 Kompozit C/SiC lepší odolnost proti oxidaci než má KM C/C, pevnost dobrá až do ~ 1200 °C pórovitost je ~ 10%, oxidaci uhlíkových vláken za vyšších teplot brání matrice výroba → chemická infiltrace matrice z par (CVI- chemical vapour infiltration) do polotovaru z vláken firma SEP (Francie) → materiál SEPCARBINOX pro použití v oxidační atmosféře do 1500 °C (materiál tohoto typu byl vybrán pro evropský raketoplán - ohřev špičky při návratu až na 1900 °C)

60 CH3SiCl3 + xH2 → SiC + 3HCl + xH2
Kompozit SiC/SiC nejpropracovanější systém výroba metodou CVI – chemickou infiltrací vláknového polotovaru matricí: CH3SiCl3 + xH2 → SiC + 3HCl + xH2 vlákna před infiltrací pokryta vrstvou uhlíku o tloušťce do 0,1 μm doba infiltrace 30 až 150 hodin jen některá vlákna SiC (např. Nicalon, Tyranno) jsou tepelně stabilní nad 1300 °C, potom dochází k progresivní degradaci díly o rozměrech až 3m příkladem komerčních typů materiálu je CERASEP hlavní výhoda kompozitů SiC/SiC je udržení pevnosti až do 1200 °C vlákno (%) / matrice typ výztuže teplota, °C pevnost v ohybu, MPa C (40%) / SiC tkanina 20 1200 550 590* SiC (40%) / SiC 1000 310 140 400* *hodnoty v inertní atmosféře (bez vlivu oxidace)

61 monokrystaly/podíl - matrice
Kompozity zpevněné diskontinuálně monokrystaly Whiskery → vysoká čistota, pevnost, tuhost Výroba metodou PM – teplota 1600 až 1950 °C, podíl monokrystalů 20 – 50 % obtížné spojování s matricí, degradace vlastností vlákem vlivem teploty monokrystal ρ, g/cm³ d, μm Rm, MPa E, GPa α-SiC 3,2 0,6 6900 689 β-SiC 3,18 0,1 – 0,5 20600 483 monokrystaly/podíl - matrice Ro MPa lomová houževnatost MPa√m SiC/30% - Si3N4 + (Y2O3, Al2O3) lisováno při 1800 °C 950 6,4 SiC/30% - Al2O3 lisováno při 1950 °C 650 9,5 SiC/40% - Si3N4 + (MgO) lisováno při 1850 °C - 10,5

62 Potenciální aplikace KM s keramickou matricí
- Kompozity s keramickou matricí jsou určeny hlavně pro použití při teplotách nad 1000 °C - Při ~ 1200 °C nastává degradace jejich vlastností a jejich nasazení je limitováno časově závislou zbytkovou pevností - Konkrétní aplikace je ovlivněna rovněž schopností snášet tepelné šoky a tepelné cyklování Možné aplikace v oxidačním prostředí: motory (staticky i dynamicky namáhané díly – části turbín), tepelná ochrana – např. raketoplány, výměníky tepla pro vysoké teploty spaliny palivo výměník SK Schéma turbínového motoru s výměníkem kompresor turbína pohon vzduch

63 Vysokoteplotní bubnový keramický výměník na motoru
určeném pro pohon tanku

64 Motor se dvěma diskovými keramickými výměníky