Adhezní síly v kompozitech Nanokompozity Pro 5. ročník nanomateriály Fakulta mechatroniky © Katedra materiálu Strojní fakulty Technická univerzita v Liberci Doc. Ing. Karel Daďourek, 2010
Vazby na rozhraní Mezi fázemi v kompozitu jsou rozhraní – mezifázové povrchy. Možné vazby na rozhraní : Mechanická vazba Fyzikální vazba Chemická vazba
Mechanická vazba Vlastně mechanické zaklínění –záleží na složitosti povrchu Žluté části matrice drží částici na jejím místě konvexní obálka – jako bychom částici obklopili gumou Měřítko mechanického zaklínění - velikost povrchu částice dělená velikostí povrchu konvexní obálky Proto nemají být částice a vlákna zcela hladká
Fyzikální vazba - Působí na vzdálenosti 0,3 až 0,5 nm Její teoretická pevnost je 0,7 až 7 GPa Úzce souvisí se smáčivostí obou materiálů Dá se vyjádřit povrchovým napětím nebo povrchovou energií Je-li možná vzájemná difuze, vytváří se silněji vázaná difuzní mezivrstva – bor v oceli U difuzního spojení je nebezpečí, že se malé částice disperze zcela rozpustí - zmizí
Chemická vazba Vzniká tehdy, jestliže matrice a disperze spolu mohou chemicky reagovat Vytváří se mezivrstva chemické sloučeniny s chemickou vazbou Možnost, že celá disperze zreaguje - disperze tím ale nezmizí, ale bude jiná Chemické vazby působí na vzdálenost 0,1 až 0,3 nm Jejich teoretická pevnost je 7 až 70 GPa
Příčiny špatné soudržnosti Jak je patrné, vazební síly na rozhraní jsou dostatečně velké, pokud nejsou narušené : Nedostatečné smáčení – povrchy nejsou v účinné vzdálenosti, nebo jen část Nedostatečně čistý povrch – mastnota, oxidy Pnutí na rozhraní – důsledek různé tepelné roztažnosti a fázových přeměn Hlavní roli hraje vzájemná smáčivost
Smáčivost – základní pojmy Povrchové napětí – síla, potřebná ke zvětšení obvodu povrchu o jednotku …. γ [N/m] - vektor Povrchová energie – energie, potřebná ke zvětšení plochy povrchu o jednotku …. E [J/m2] - skalár Obě veličiny jsou si číselně rovny (ale ne typ) Základní rovnováha pro smáčení povrchu : G –okolní plyn, S – pevná látka, L – smáčející kapalina
Schema smáčení v kompozitu S je povrch disperze L je kapalná matrice G je okolní plynné prostředí Silová rovnováha: γ GS = γ LS + γ GL * cos θ
Smáčivé povrchy Povrch je smáčen pro γ GS > γ LS , pak při růstu rozhraní LS na úkor GS klesá povrchová energie. To je tedy pro θ < π/2 Kapalina vytváří tvar podle obrázku θ = 0 ….. Dokonalá smáčivost, rozliv po povrchu, souvislá vrstvička θ = π/2 …. Mezní případ, polokoule
Nesmáčivé povrchy Povrch není smáčen pro γ GS < γ LS , tedy θ > π/2 Kapalina vytváří tvar podle obrázku, dělá jednotlivé kapičky θ = π ….. Dokonalá nesmáčivost, úplná kapka na povrchu, dotek v jednom bodu θ = π/2 …. Mezní případ, polokoule
Vliv drsnosti povrchu Faktor drsnosti D = skutečný povrch / ideální povrch, vždy D > 1 Platí cos φ drsne = D * cos φ idealni Smáčivé …. cos φ > 0, klesající, φ drsne < φ idealni - drsnost zlepšuje adhezi Nesmáčivé …. cos φ < 0, rostoucí, φ drsne > φ idealni - drsnost zhoršuje adhezi Příklad aplikace - pokyny pro lepení : smáčivá lepidla - plochu spoje zdrsnit nesmáčivá lepidla - plochu spoje vyhladit
Určování smáčivosti Je možné experimentálně měřit úhel smáčení Pro každou pevnou látku je možné určit kritické povrchové napětí γ krit takové, že Kapaliny s γ GL < γ krit smáčejí její povrch Kapaliny s γ GL > γ krit nesmáčejí její povrch Povrchové úpravy ke zvětšení smáčivosti – zvětšují γ krit – apretace, lubrikátory Běžné u skelných a uhlíkových vláken
Tabulky povrchových napětí Povrchové napětí kapalin : kapalina
ether
líh
benzen olej
γ (mN/m)
15
20 30
33
glycerin voda
rtuť
64
480
73
Kritické povrchové napětí pevných látek Pevná látka plast organ. sklo kov keramika γkrit (mN/m) 20 -30 500 -5000 80 -100400 -2000 100 -1000 Uhlík ⁓ 100
Příklad - plasty jako taveniny dobře smáčejí , jako pevné látky jsou ale smáčeny velmi špatně (jednotky mN/m .... milinewtony na metr)
Způsoby měření adhezních (mechanických) napětí Je nutné rozeznávat tečné a normálové adhezní napětí, obě napětí jsou na sobě nezávislá Možnost výpočtu ze smáčivosti – obtížné, je nutné mít mnoho předpokladů Měření na masivních vzorcích Měření adheze vrstvy na podložce Měření adheze – technologické metody Měření přímo na kompozitech
Měření adheze - masivní vzorky Tahový test – normálové adhezní napětí Smykový test – tečné adhezní napětí Ohybový test – tečné adhezní napětí – delaminace, spoj musí být v neutrální rovině. Ohyb tlustých, krátkých vzorků
Měření adheze vrstva na podložce Scratch test – odtržení vrstvy Rockwellovým hrotem, měřítkem je síla k odtržení Mřížkový (vrypový) test – dvakrát 10 vrypů kolmo na sebe, měřítkem je procento vypadlých čtverečků po odtržení izolepou Pouze porovnávací testy Komplexní hodnocení adhezních napětí
Měření adheze technologické metody Odlupovací zkouška – velmi častá pro ohebné plastové vrstvy Často i pro tlusté vrstvy pružných laků Vytrhávací zkouška - jedna ze základních zkoušek pro vláknový kompozit V – vytržená vlákna P – přetržená vlákna Uprostřed kritická délka vlákna lk
Měření adheze přímo na kompozitu Příčný test – určuje normálové adhezní napětí Podélný test s výřezy – určuje tečné adhezní napětí Složité namáhání – složitý výpočet napětí, proto jen přibližné
Měření adheze – posouzení dobré adheze kompozitu Pozorování konců vláken při tahovém zatížení kompozitu Sledování porušení při přestřižení kompozitu
Adheze a posouzení lomu
