Post on 10-Mar-2019
1
Kap. 1
Vláknové kompozitní materiály, jejich vlastnosti a výroba
Informační a vzdělávací centrum kompozitních technologií&
Ústav mechaniky, biomechaniky a mechatroniky
FS ČVUT v Praze
26. října 2007
2
Technologie kompozitů Úvod
Proč vůbec vláknové kompozity ?
• Vlákna mají v podélném směru nejvyšší specificképevnosti 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.“
3
Technologie kompozitů Úvod
Kompozity obecně= Materiály složené ze dvou či více složek přírodních či umělých– přírodní (dřeva, kosti, zuby, atd.)– umělé
= Materiály cíleně složené z vhodných materiálů složkových:– Pojiva (matrice)– Plniva (částice, zrna, kuličky, vločky)– Výztuže (vlákna krátká, dlouhá, nekonečná)
Kompozity umělé
4
Technologie kompozitů Úvod
Kompozity lze rozdělit dle specifických vlastností jejich výztuže:
- podle velikosti výztuže:- makrokompozity (velikosti řádově v mm až cm)- mikrokompozity (řádově v μm)- nanokompozity (řádově v nm)
- podle orientace výztuže:- preferovaná- náhodná
- podle tvaru výztuže:- částicové (izometrický či anizometrický tvar)- vláknové (kontinuální či diskontinuální vlákna)
5
Technologie kompozitů Úvod
částicový kompozit - izometrický
částicový kompozit – anizometrický (vločkový)
vláknový kompozit
6
Technologie kompozitů Vlákna
VláknaPevnost 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 povrchovýchvad je při malých příčných rozměrech menší (menší průměr = menšípovrch), existující vady jsou mikroskopické a orientovány v podélnémsměru vlákna.
b) přednostní nasměrování pevných kovalentních meziatomových vazebv podélném směru vlákna
Existují tři široce používané druhy vláken:
a) skleněnáb) aramidová (známá pod obchodním označením kevlar)c) uhlíková
7
Technologie kompozitů Vlákna
Vlákna lze obecně vyrábět z několika druhů materiálů o různých průměrech:
- skleněná … průměr vlákna 5 – 15 μm- uhlíková … 4 – 8 μm- polymerní … 5 – 15 μm- keramická- kovová- přírodní
Aramidové, uhlíkovéa skleněné vlákno
8
Technologie kompozitů Vlákna
d
a b
c
Orientace vláken v matrici
a) jednosměrné uspořádání kontinuálníchvláken
b) dvouosá orientace, křížově položenéjednosměrné prepregy nebo tkanina
c) rohož, nahodilá orientace kontinuálníchnebo krátkých vláken (netkaná textilie)
d) víceosá výztuž z kontinuálních vláken(sešité jednosměrné vrstvy nebo tkaniny)
9
Technologie kompozitů 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 zvláštěv případě uhlíkových vláken, kde K (řádově 103) je počet vlákenv 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 adhezik matrici. Je tvořena pryskyřicí (bez tvrdidla) a zlepšuje manipulaci s vláknem.
10
Vlákna
1 7001 6001 5002 500Hustota ρ(kgm-3)
3 8005 0003 0002 100Pevnost v tahuσfL (MPa)
20 00050 00012 00030 000Modulu pružnostive smykuGfLT (Mpa)
6 00015 0005 40074 000Modul pružnosti v příčném směruEfT (MPa)
390 000230 000130 00074 000Modul pružnosti v podélném směruEfL (MPa)
HM - uhlíkHS - uhlíkAramidSkloTyp vlákna
Technologie kompozitů
11
Vlákna
Porovnání cen vláken
0
500
1000
1500
2000
sklo aramid HS - uhlík HM - uhlík
(cena skleněného vlákna = 100%)
cena
(v %
)
Technologie kompozitů
12
MatriceTechnologie kompozitů
Matrice
Čtyři hlavní typy polymerních pryskyřic tvořící matrici jsou používány pro výrobu
kompozitních materiálů:- epoxidové- polyesterové- fenolové- polyimidové
Hlavní funkce matrice (pryskyřice) jsou:a) udržet vlákna ve správných pozicíchb) pomáhat distribuovat napětíc) chránit vlákna před poškozením abrazíd) kontrolovat elektrické a chemické vlastnostie) zajišťovat interlaminární pevnost
13
MatriceTechnologie kompozitů
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
14
MatriceTechnologie kompozitů
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
15
MatriceTechnologie kompozitů
250 - 300120 - 20060 - 10090 -200Maximální teplotaTmax (oC)
1 4001 3001 2001 200Hustotaρ (kgm-3)
707080130Pevnost v tahuσpm (MPa)
1 1001 1001 4001 600Modulu pružnostive smykuGm (MPa)
0.350.40.40.4Poissonova konst.νm ( - )
4 000 -19000
3 0004 0004 500Modul pružnostiEm (MPa)
PolyimidovéFenolovéPolyesterovéEpoxidovéDruh pryskyřice
21
Výroba – kroky při formováníTechnologie kompozitů
Impregnace (prosycení)
Zpevnění
Polymerizace
Demontáž forem
Konečná úprava
Umístění směsi na formu
VÝZTUŽ MATRICE
22
VýrobaTechnologie kompozitů
Kontaktní formování
Váleček Výztuž: sklo, kevlarMatrice: polyesterová pryskyřice
Separátor + gel coat
24
VýrobaTechnologie kompozitů
Vakuování
Atmosférický tlak
Vývěva
Těsnicí tmel
Plsť
SeparátorLaminát
Krycí fólie
25
VýrobaTechnologie kompozitů
Elektronové nebo rentgenové tváření
Urychlovač20 kw – 10 MeVBiologická ochrana
Laminát pod tlakemElektronový svazek Rentgenové záření
27
VýrobaTechnologie kompozitů
Vyhřívaná forma Směs vláken + termosetická pryskyřice
Protikusformy
Tváření pomocí vstřikování směsi vláken a pryskyřice
28
VýrobaTechnologie kompozitů
Směs vláken + termoplastická pryskyřice
Topnétěleso
Tváření pomocí vstřikování směsi vláken a termoplastické pryskyřice
29
VýrobaTechnologie kompozitů
Tváření pomocí vstřikování pěny
Isokyanát
Polyol + sekaná vlákna
Forma
Protikus formy(nízký tlaka teplota) Polyuretan.
pěna
Směs„isokynát+ polyol“
30
VýrobaTechnologie kompozitů
Odstředivé tváření
Forma
Vytápění
Výztuž - tkanina
Pryskyřice
Výztuž – krátká vlákna
33
VýrobaTechnologie kompozitů
Tváření panelů
Celulózová fólie
Celulózová fólie
Skelnátkanina,vlákno Pryskyřice Polymerizační
pec
35
VýrobaTechnologie kompozitů
Bucharové tváření
Předehřátá deskaSkelná rohož, tkanina
Chlazená matrice