MECHANIKA KOMPOZITNÍCH MATERIÁLŮ 1.Úvod, základní pojmy,klasifikace © 2006 Vladislav LAŠ

Kompozity na bázi kovů MMC matrice: hliník, hořčík, titan, ocel tepelná vodivost výztuha: vlákna z uhlíku, boronu, SiC tuhost, pevnost auto-brzdy, bloky motoru, vrtáky, rámy kol Porsche Boxter Specialized S-Works

Speciální kompozity uhlík-uhlík (RCC) uhlíková nanovlákna (CNT) vysoká tepelná odolnost uhlíková nanovlákna (CNT) vylepšují vlastnosti matrice Bugatti Veyron BMC brzdy u Bugatti Veyron a formule F1 náběžné hrany křídel a čumák u SS Columbia – křehké a dopadlo to špatně rám z CNT: Floyd Landis – Phonak team Tour de France 2006 Columbia 1 kg = $8000

Osobní automobil HONDA

Kompozity obecně Kompozity umělé Úvod Kompozity obecně = Materiály složené ze dvou či více složek přírodních či umělých přírodní (dřeva, kosti, zuby, atd.) umělé Kompozity umělé = Materiály cíleně složené z vhodných materiálů složkových: Pojiva (matrice) Plniva (částice, zrna, kuličky, vločky) Výztuže (vlákna krátká, dlouhá, nekonečná)

Proč vůbec vláknové kompozity ? Úvod Proč vůbec vláknové kompozity ? Vlákna mají v podélném směru nejvyšší specifické pevnosti a specifické moduly pružnosti Základní trik návrhu dílu z vláknového kompozitu: „Dát vlákna tam kde je třeba, kolik je jich třeba, orientovaná do směru hlavního napětí.“

19. století výztuž zdiva ocelovými tyčemi → předepjatý beton Úvod antický Egypt cihly Kompozitní materiály Vývoj 19. století výztuž zdiva ocelovými tyčemi → předepjatý beton poč. 20. století fenolové pryskyřice + azbestová vlákna 1942 první laminátový člun (letectví, elektrotechnika) 1946 metoda vinutých vláken 1950 zavedení vinutých vláken do raketové techniky 1960 vlákna z vysokopevnostního C 1970 kompozity s kovovými matricemi (bor, hliník, ..) 70. léta expanze kompozitních materiálů v letectví, automobilovém průmyslu, sportovním průmyslu, aj. 21. století

Kompozity lze rozdělit dle specifických vlastností jejich výztuže: Úvod Kompozity lze rozdělit dle specifických vlastností jejich výztuže: - podle velikosti výztuže: - makrokompozity (velikosti řádově v mm až cm) - mikrokompozity (řádově v m) - nanokompozity (řádově v nm) - podle orientace výztuže: - preferovaná - náhodná - podle tvaru výztuže: - částicové (izometrický či anizometrický tvar) - vláknové (kontinuální či diskontinuální vlákna)

Úvod částicový kompozit - izometrický částicový kompozit – anizometrický (vločkový) vláknový kompozit

Základní pojmy Vlákna Pevnost vlákna je vždy významně větší než pevnost stejného materiálu v kompaktní formě. Příčinou je: a) malý příčný průřez vláken, v tenkých vláknech jsou minimalizovány rozměry vrozených vad materiálu a také nebezpečnost povrchových vad je při malých příčných rozměrech menší (menší průměr = menší povrch), existující vady jsou mikroskopické a orientovány v podélném směru vlákna. b) přednostní nasměrování pevných kovalentních meziatomových vazeb v podélném směru vlákna Existují tři široce používané druhy vláken: a) skleněná b) aramidová (známá pod obchodním označením kevlar) c) uhlíková

Základní pojmy Vlákna Vlákna lze obecně vyrábět z několika druhů materiálů o různých průměrech: - skleněná … průměr vlákna 5 – 15 m - uhlíková … 4 – 8 m - polymerní … 5 – 15 m - keramická - kovová - přírodní Aramidové, uhlíkové a skleněné vlákno

Základní pojmy Vlákna Orientace vláken v matrici jednosměrné uspořádání kontinuálních vláken b) dvouosá orientace, křížově položené jednosměrné prepregy nebo tkanina c) rohož, nahodilá orientace kontinuálních nebo krátkých vláken (netkaná textilie) d) víceosá výztuž z kontinuálních vláken (sešité jednosměrné vrstvy nebo tkaniny)

Základní pojmy Vlákna Všechna vlákna mají společné technologické a hodnotící parametry: Tex (udáváno v g/km) a hustota vláken určují velikosti průřezu pramence vláken. Pro stejné účely tzv. číslo K a průměr vlákna se používají zvláště v případě uhlíkových vláken, kde K (řádově 103) je počet vláken v pramenci. Další důležitý parametr je zkroucení vlákna. Obvykle jsou nejna- máhanější struktury vyrobeny z vláken s nulovým zkroucením. “Fiber Sizing” je povrchová úprava pramenců pro lepší adhezi k matrici. Je tvořena pryskyřicí (bez tvrdidla) a zlepšuje manipulaci s vláknem.

Základní pojmy Vlákna Typ vlákna Sklo Aramid HS - uhlík HM - uhlík Modul pružnosti v podélném směru EfL (MPa) 74 000 130 000 230 000 390 000 Modul pružnosti v příčném směru EfT (MPa) 5 400 15 000 6 000 Modulu pružnosti ve smyku GfLT (Mpa) 30 000 12 000 50 000 20 000 Pevnost v tahu fL (MPa) 2 100 3 000 5 000 3 800 Hustota ρ (kgm-3) 2 500 1 500 1 600 1 700

Základní pojmy Vlákna

Základní pojmy Matrice Čtyři hlavní typy polymerních pryskyřic tvořící matrici jsou používány pro výrobu kompozitních materiálů: - epoxidové - polyesterové - fenolové - polyamidové Hlavní funkce matrice (pryskyřice) jsou: a) udržet vlákna ve správných pozicích b) pomáhat distribuovat napětí c) chránit vlákna před poškozením abrazí d) kontrolovat elektrické a chemické vlastnosti e) zajišťovat interlaminární pevnost

Základní pojmy Matrice Ve vytvrzeném kompozitu musí jsou požadovány tyto vlastnosti: - adhezivní pevnost - teplotní odolnost - únavová pevnost - chemická odolnost a odolnost proti vlhkosti - vysoký poměr deformace a pevnosti

Základní pojmy Matrice Většina namáhaných kompozitových struktur je v současnosti vyráběna z epoxidových pryskyřic. Proč jsou epoxidy tak široce používané? - dobrá adheze k vláknům - nízké smrštění během vytvrzování - dobrá chemická odolnost - různé pevnostní a tuhostní charakteristiky - creepová a únavová odolnost - neobsahují styrén, nejsou toxické - mohou být samozhášivé

Základní pojmy Matrice 4 500 4 000 3 000 4 000 - 19000 0.4 0.35 1 600 Druh pryskyřice Epoxidové Polyesterové Fenolové Polyimidové Modul pružnosti Em (MPa) 4 500 4 000 3 000 4 000 - 19000 Poissonova konst. m ( - ) 0.4 0.35 Modulu pružnosti ve smyku Gm (MPa) 1 600 1 400 1 100 Pevnost v tahu pm (MPa) 130 80 70 Hustota ρ (kgm-3) 1 200 1 300 Maximální teplota Tmax (oC) 90 -200 60 - 100 120 - 200 250 - 300

Technologie kompozitů [1]

Klasifikace

Klasifikace

Základní pojmy

Klasifikace Rozdělení kompozitů

Klasifikace Sendvičové materiály Tvoří značnou část kompozitních materiálů využívaných k konstrukci. Slepením nebo svařením dvou tenkých vrstev spolu s lehkým jádrem. Vlastnosti: - velmi lehké - vysoká ohybová pevnost a tuhost - velmi dobrá teplená izolace Nevýhody: - nemají tlumení - nízká odolnost proti ohni - riziko ztráty stability