Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Prezentace se nahrává, počkejte prosím

KOMPOZITNÍ MATERIÁLY. Kompozitní materiál je složen minimálně ze dvou strukturních fází s makroskopicky rozeznatelným rozhraním, které společně vytvářejí.

Podobné prezentace


Prezentace na téma: "KOMPOZITNÍ MATERIÁLY. Kompozitní materiál je složen minimálně ze dvou strukturních fází s makroskopicky rozeznatelným rozhraním, které společně vytvářejí."— 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) –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 pryskyřicehustota g/cm³ Rm MPa E GPa tažnost % fenolická1,40-70,5 epoxidová1,15 – 1, – 3, polyesterová1, bismaleimidová1,22 – 1, – 4,51,5 – 6,0 RDA polyimidy1, ,91,1 kondenzační polyimidy 1,30 – 1, ,5 – 4,

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 termoplasthustota g/cm³ Rm MPa Rb MPa Eb GPa polyamid PA 6/61, ,8 polyeterimid PEI1, ,3 polyetersulfon PES1, ,5 polyfenylensulfid PPS1, ,1 polyetereterketon PEEK1, ,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 Molekula PAN vlákna Stabilizace vlákna Protažení 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 Vysoká pevnost podél vlákna Nízká pevnost napříč vlákna 10nm

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 BCl 3 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 materiálRm, MPaE, GPaρ, g/ccmRm/ ρE/ ρ Uhlík HT (HS) , Uhlík IM , Uhlík HM , Uhlík UHM2000nad 4402, Aramid LM , Aramid HM , Aramid UHM , E sklo , S2 sklo , Al slitina , Titan , Ocel zušl ,813026

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

15 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 –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 E L = E F.V F + E M.(1-V F ) –Pevnost v tahuR m,L = R m,F.V F + ε F.E M (1-V F ) deformace pevnost v tahu vlákno vláknový kompozit matrice

19 Typické vlastnosti prepregových kompozitů s epoxidovou matricí VlastnostE - sklo UD E - sklo tkanina Aramid UD Aramid tkanina Uhlík HS UD Uhlík HS tkanina Uhlík IM UD Uhlík IM tkanina Pevnost v tahu, 0 o MPa Pevnost v tahu, 90 o MPa Modul v tahu, 0 o GPa Modul v tahu, 90 o GPa Pevnost v tlaku, 0 o MPa Pevnost v tlaku, 90 o MPa Modul v tlaku, 0 o GPa Modul v tlaku, 90 o GPa 10165, Smyková pevnost v rovině MPa Modul ve smyku GPa 44,22,144,45,54,45 ILSS MPa

20 Vlastnosti prepregových kompozitů s termoplastovou matricí VlastnostPEEK/uhlík UD PEEK/uhlík IM UD PEEK/S2-sklo UD PEI/uhlík UD PPS/uhlík UD Pevnost v tahu, MPa Modul v tahu, GPa Pevnost v tlaku, MPa Modul v tlaku, GPa Hodnoty platí pro pokojovou teplotu a směr 0°

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

22 Vlákno-kovové lamináty – typy a přednosti Typy -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 TypSloženíKovTyp prepreguOrientace prepregu ARALL 22/1 – 6/52024-T3aramid-epoxyjednosměrná ARALL 32/1 – 6/57475-T76aramid-epoxyjednosměrná GLARE 12/1 – 6/57475-T76sklo-epoxyjednosměrná GLARE 22/1 – 6/52024-T3sklo-epoxyjednosměrná GLARE 32/1 – 6/52024-T3sklo-epoxykřížová/ jednosměrná GLARE 42/1 – 6/52024-T3sklo-epoxykřížová/ jednosměrná

24 Mechanické vlastnosti vlákno-kovových laminátů LaminátTloušťka kovu mm Tloušťka prepregu mm Pevnost v tahu MPa Mez kluzu MPa E GPa hustota g/cm³ ARALL ARALL GLARE GLARE GLARE

25 Šíření trhliny ve vlákno-kovovém laminátu v porovnání se slitinou 2024 cykly a [mm] 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,  1g = 70 MPa – 2  a = 52,7 mm, nestabilní dolomení CCT tělesa  CARE,  1g = 70 MPa – 2  a = 0,23 mm  CARE,  1g = 170 MPa – 2  a = 5,7 mm

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

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 aramid-voštinový sendvič uhlík-voštinový sendvič lepené potahy, výztuhy, žebra a přepážky lepené potahy a zdvojení skleněné vlákno hliníkový potah-voštinové jádro aramid Trup z uhlíkových vlákenCelokompozitní letoun Cessna TTx

30 Použití kompozitů na velkém dopravním letadle Letoun Airbus A 380

31 Náběžná hrana křídla A náběžná hrana křídla

32 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, Al 2 O 3

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 vláknotypρ, g/cm³d, μmE, GPaRm, MPaA, % T 300HS uhlík1, ,5 Nicalonβ-SiC2, ,4 ALMAXα-Al 2 O 3 3, ,5 AVCOCVD - B na W2, ,88 Nextel 44070Al 2 O 3, 28SiO 2, 2B 2 O 3 3, ,07 Některá komerčně dosažitelná vlákna

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 Al 2 O 3 – chemická kompatibilita, korozní odolnost, vysoká cena vláken matrice + vláknoorientace, °E, GPaRm, MPaA, % 2024-T6 + 46% B , % SiC0/90204/ /860,89/0,08 Al + 65% Al 2 O 3 0/90262/ /1780,73/1, % SiC0/90105/--850/90-/- Vlastnosti některých KM s hliníkovou matricí a kontinuálními vlákny

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 matrice + vláknoorientace, °E, GPaRm, MPaA, % (AZ91C+AZ31B plát.) + 23% C (P55) ,48 (AZ91C+AZ31B plát.) + 37% C (P100) ZE % SiC ,78 Vlastnosti některých KM s hořčíkovou matricí a kontinuálními vlákny

41 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) matrice + vláknoorientace, °E, GPaRm, MPaA, % Ti-6Al-4V + 35% SiC ,09 - β sl. (Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn) ,3 β sl. (Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn) + 35% SiC ,84 1,41 Vlastnosti některých KM s titanovou matricí a kontinuálními vlákny

42 Kompozity s niklovou a kobaltovou matricí –Vlákna pro teploty tekutých superslitin velmi omezený výběr W s přídavkem oxidu thoria ThO 2 pro vyšší pevnost slitina W-Hf-C nebo W-Hf-Re-C bariéra proti difúzi (na vláknech vrstva TiC, TiN, ZrO 2, …) matrice + vláknoorientace, °teplota, °CRm, MPaRp0,2, MPaA, % sl. Ni MAR M MAR M %W (2%ThO 2 ) ,6 24,5 9,0 29,4 Ni + 40%W Vlastnosti některých KM s niklovou matricí a kontinuálními vlákny

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, Al 2 O 3, B 4 C a grafit –pro slitiny Mg → SiC, Al 2 O 3 a grafit –pro slitiny Ti → TiC, TiB –grafit → pro zlepšení kluzných vlastností –rozlišení zpevňující fáze idexem (SiC p – částice, SiC w – 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 Al 2 O 3 o zrnitosti 0,05 μm mletí v kulových mlýnech v atmosféře tekutého dusíku → částice Al 2 O 3 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 slitinaRm, MPa 20 °C100 °C200 °C300 °C450 °C % Al 2 O Vlastnosti ODS slitiny na bázi 2618

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 slitinaRm, MPaE, GPaA, % Al + 20% SiC w T6 + 20% SiC w , T6 nezpevněná T6 + 20% SiC w , T6 + 23% SiC w ,6 slitinaRm, MPaE, GPaA, % 2124-T6 + 25% SiC p T6 nezpevněná T6 + 17% SiC p A356-T6 (AlSi7Mg0,3)Rp0,2 = 20075,2- A356-T6 + 20% SiC p Rp0,2 = 33196,6-

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) R = -1, 22 °C, 30Hz počet cyklů maximální napětí, MPa tlakový odlitek obrobená součást

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 slitinaRm, MPaE, GPaA, %výroba Mg Mg + 10% SiC p Mg + 20% SiC p ,2 2,0 PM odlitek ZK60A ZK60A + 20% SiC w ,5 - 1,58 - PM AZ91D AZ91D + 20% SiC p (15μm) ,9 1,3 odlitek + protlaček AZ61 AZ % SiC p ,2 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 slitinaRm, MPaE, GPaA, %výroba Ti-6Al-4V Ti-6Al-4V + 0,48B in situ TiB w při tavení Ti-6Al-4V + 20% TiC p ,3PM Ti-17Mo Ti-17Mo + 21% TiB p Rp0,2 = 640 Rp0,2 = in situ TiB při tavení

49 Kompozity s niklovou matricí –Slitiny zpevněné disperzními oxidy yttria Y 2 O 3 (případně ThO 2 ) 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 slitinasměrné složení MA 754Ni-20Cr-0,5Ti-0,3Al-1Fe-0,05C-0,6Y2O3 MA 6000Ni-15Cr-4,5Al-2,5Ti-4W-2Mo-2Ta-0,15ZR-0,05C-0,01B-1,1Y 2 O 3 alloy 51Ni-9,5Cr-8,5Al-0,05C-6,6W-3,4Mo-0,01B-0,15Zr-1,1Y 2 O 3

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 SiO 2, chemicky kompatibilní s uhlíkem a dobrou odolností proti oxidaci) - podobně působí Si 3 N 4, TiC, AlN, B 4 C, 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 materiálRm, MPaE, GPaKC, kJ/m² nevyztužený grafit ,01 3D C-C kompozit ,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 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) Matricevlákno / podílRm, MPaE, GPaA, % bórosilikátové skloC (HMU Herkules) / 42% ,60 bórosilikátové skloC (P100) / 54% LAS-II (lithiový aluminosilikát) SiC / 44% ,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 Al 2 O 3 + TiO 2, Cr 2 O 3, ZrO 2, ZrSiO 4, MoSiO 2 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 ZrO 2 ) → 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 MateriálHustota g/cm² Základní charakteristika CenaTypická aplikace B 4 C (HP) 2.51Vysoká tvrdost, nízká hustota, nízká houževnatost $$$$Nejúčinnější proti malým a středním kalibrům. Nejlehčí materiál pro monolitní osobní ochranu a pancéřování letadel. SiC (HP) 3.20Vysoká pevnost, střední tvrdost a houževnatost $$$Levnější alternativa ke karbidu bóru s poněkud horšími vlastnostmi. SiC (S) 3.15Střední pevnost, tvrdost a houževnatost $$Vysoká odolnost proti střelám s ocelovým jádrem při nižší ceně oproti HP materiálu. Si ₃ N4 (RBSN) 3.23Vysoká pevnost a houževnatost, nižší tvrdost $$Houževnatější alternativa ke spékanému SiC při podobné ceně. Ideální na destičkovou ochranu proti střelám s olověným a ocelovým jádrem. TiB ₂ (HP) 4.50Vysoký modul a tvrdost, vysoká hustota $$$$Vhodné proti větším kalibrům. Typické použití na pozemních vozidlech (vyšší hmotnost pancéřování). Al ₂ O ₃ (S) Střední tvrdost a houževnatost $Běžná pancéřová keramika – střední vlastnosti a hustota, nízká cena. HP = lisované za tepla, S = spékané, RBSN = reakčně spojované a spékané Přehled keramiky pro pancéřování letadel (Ceradyne company)

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 Kuličky a válečky keramických a hybridních ložisek (CERADYNE) Části kulových spojek (CEROBEAR) Kuličky z Si 3 N 4 a kroužky ze ZrO 2 (CEROBEAR) materiál ρ, g/ccm % Si 3 N 4 Rb, MPaE, GPaHV0,3 K IC, MPa √m Si 3 N 4 Ceralloy , Ložiska - satelitní mechanizmy - turbo-čerpadla -vrtulníkové transmise -převodovky servo-systémů Kladky ventilových rozvodů Části kulových spojek Kladky rozvodů pro výkonné naftové motory

59 Kompozity zpevněné kontinuálně –Matrice karbid křemíku SiC - tepelná stabilita, pracovní teploty až do 1650 °C nitrid křemíku Si 3 N 4 - nižší tepelná stabilita než u SiC, vyšší pevnost - lepší odolnost proti teplotním šokům oxid hliníku Al 2 O 3 - dobrá tepelná stabilita, vysoká křehkost –Kompozitní systém vlákno/matrice hlavní systémy - C/SiC a SiC/SiC doplňkový vývoj - SiC/Si 3 N 4, SiC/Al 2 O 3, SiC/ZrO 2 –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 –Kompozit SiC/SiC nejpropracovanější systém výroba metodou CVI – chemickou infiltrací vláknového polotovaru matricí: CH 3 SiCl 3 + xH 2 → SiC + 3HCl + xH 2 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 (%) / matricetyp výztužeteplota, °Cpevnost v ohybu, MPa C (40%) / SiCtkanina * SiC (40%) / SiCtkanina * *hodnoty v inertní atmosféře (bez vlivu oxidace)

61 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 monokrystalρ, g/cm³d, μmRm, MPaE, GPa α-SiC3,20, β-SiC3,180,1 – 0, monokrystaly/podíl - matriceRo MPa lomová houževnatost MPa√m SiC/30% - Si 3 N 4 + (Y 2 O 3, Al 2 O 3 ) lisováno při 1800 °C 9506,4 SiC/30% - Al 2 O 3 lisováno při 1950 °C 6509,5 SiC/40% - Si 3 N 4 + (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 Schéma turbínového motoru s výměníkem spaliny palivo kompresorturbína vzduch SK výměník pohon

63 Vysokoteplotní bubnový keramický výměník na motoru určeném pro pohon tanku

64 Motor se dvěma diskovými keramickými výměníky


Stáhnout ppt "KOMPOZITNÍ MATERIÁLY. Kompozitní materiál je složen minimálně ze dvou strukturních fází s makroskopicky rozeznatelným rozhraním, které společně vytvářejí."

Podobné prezentace


Reklamy Google