Definice a rozdělení
Cíle přednášky ●
●
1. Úloha kompozitů mezi technickými materiály 2. Základní požadavky a vlastnosti technických materiálů - homogenita - izotropie
●
3. Definice kompozitů a nanokompozitů
●
4. Historické příklady
●
5. Rozdělení kompozitů
●
6. Anizotropie kompozitů
Technické materiály
Specifická tuhost (Ashby)
Kompozity kombinují různé vlastnosti
Rozdělení podle struktury
Co musí splnit technický materiál ?
Co je to technický materiál ●
Spojitá pevná látka o stálých rozměrech a tvaru – kontinuum
●
Ve všech místech stejné vlastnosti - homogenita
●
Ve všech směrech stejné vlastnosti
●
– izotropie
●
Z představy homogenního izotropního kontinua vychází základní technické discipliny – mechanika, pružnost a pevnost
Kontinuální materiál ●
●
●
Technický materiál musí mít stálý tvar a rozměry, nesmí být lehce dělitelný na části Základem musí být nejméně jedna pevná fáze. Pro složený (kompozitní) materiál jsou možné dva systémy : - jedna spojitá pevná fáze – matrice, v ní další nespojité fáze - nejméně dvě pevné fáze vzájemně se pronikající
Základní případy - vláknový kompozit - částicový kompozit - deskový kompozit
Homogenita materiálu ●
●
Prakticky nikdy není zcela splněno - záleží na měřítku a rozlišitelnosti Materiál musí být homogenní v porovnání s rozměry součásti.
Mikrostruktura běžné oceli
Velikost nehomogenit ●
●
Nesmíme se dostat do oblasti chemie nebo atomární fyziky Nehomogenity materiálu musí být dostatečně velké v porovnání s rozměry atomů a délkou jejich vazeb – pak jde o kompozity nebo nanokompozity.
Rozložení nehomogenit ●
●
●
Aby bylo možno považovat materiál za homogenní, musí být nespojité části materiálu v něm rozloženy přibližně rovnoměrně a jejich počet musí být veliký (teoreticky nekonečný). Systémy, v nichž je počet nespojitostí malý, označujeme jako kompozitní systémy. Příklad – multivrstva. Řada závěrů pro kompozitní materiály platí i pro kompozitní systémy.
Izotropie materiálu ●
●
●
●
Materiály svou povahou izotropní – sklo U kovů a keramiky krystality anizotropní, ale náhodné rozdělení orientace velkého množství krystalitů – jako celek izotropní. Izotropii mohou slabě narušit vnější vlivy – tváření za studena, válcování – zpravidla rozdíl vlasností v různých směrech do 10 %.Rovněž plasty slabě anizotropní. Celkově je možné běžné technické materiály považovat za izotropní
Izotropie kompozitů ●
●
●
●
Většina typických kompozitů (především vláknových) je uspořádána tak, že je anizotropní. Anizotropie kompozitů velmi silná – řádově větší než u jiných materiálů. V různých směrech silně odlišné vlastnosti. Někdy je možné anizotropii využít : luky, lyže. Pokud potřebujeme izotropní materiál, umělé vyrovnání anizotropie – lamináty : vlastně kompozitní systém složený z několika anizotropních kompozitů, zpravidla různě orientovaných.
Problémy s homogenitou kompozitů ●
●
Složeny z několika jasně oddělených fází - nehomogenní, jako celek je ale chceme považovat za homogenní – chceme s kompozitem počítat jako s celkem. Proto je nutné zavádět hodnoty pro kompozit jako celek – v řadě případů vlastně fiktivní hodnoty.
Fiktivní hustota ●
●
●
●
Hustota pěnového hliníku 0,18 g/cm3 Sám hliník má hustotu 2,7 g/cm3 Kompozitní materiál 7 % hliníkové matrice a 93 % disperze – pórů. Ve vodě se potopí.
Alporas
Rozdíl – polystyren má hustotu 1,1 g/cm3, EPS má hustotu 0,1 g/cm3. EPS se ale ve vodě nepotopí. Důvod – tvar pórů.
Deformace kompozitu Pro každou složku kompozitu musí platit při pružné deformaci Hookův zákon : R = S * E, R … napětí, S … deformace, E … Youngův modul. Pokud ale nemají složky stejný Youngův modul, nemůže v nich být současně stejné napětí i deformace.
Fiktivní napětí ●
●
●
●
Pro práci s kompozitem definujeme napětí v něm jako poměr síly a průřezu R = F/S. Částice SiC – E = 415 GPa, okolí je Al – E = 68 GPa. V částicích musí být pro stejnou deformaci šestkrát větší napětí (poměr E). Kompozit se ale deformuje jako celek. Napětí v kompozitu je mezi napětími v částicích a hliníku – je pouze fiktivní.
Kompozit hliník plněný částiceni SiC
Základní úloha modelů
●
●
●
●
Fyzikální vlastnosti jednotlivých složek kompozitu – jsou reálné – mikromechanikasložek kompozitu.
Fyzikální vlastnosti kompozitu jako celku – jsou fiktivní, ale nutné pro použití kompozitu – makromechanika celého kompozitu. Je třeba pro konstrukci z kompozitu. Určení makromechaniky z mikromechaniky – jsou nutné modely chování kompozitů. Často je nutné několikanásobné řešení – několik různých modelů - lamináty, např. GLARE kompozitní systémy.
GLARE
Kompozitní systém vyvinutý pro Airbus
Definice kompozitu - problémy ●
●
●
●
●
Nejstarší : jakýkoliv vícefázový materiál – dřevo, litina, beton. Novější – fáze si ponechají své vlastnosti, ale v systému se uplatní jejich přednosti a potlačí nedostatky. Fáze rovnoměrně rozděleny v objemu – ne vždy Experti EU : fáze se musí vyskytovat odděleně a kompozit je vytvořen jejich kombinací – to vyloučí např. usměrněné tuhnutí Někdy se požaduje jen umělý systém, jindy rozdělení na umělé a přírodní kompozity.
Moderní definice (USA) ●
Definice MIL – NASA (USA) : Kombinace dvou nebo více materiálů, lišících se v makroměřítku tvarem nebo složením. Složky si zachovají svou identitu (ani jejich rozpouštění, ani jejich reakce), ale na okolí působí ve vzájemné součinnosti (synergie). Každá složka může být fyzikálně identifikována a mezi ní a dalšími složkami je jasné rozhraní.
Moderní definice (EU) ●
●
●
Definice G. F. Miltona, Cambridge, UK : Materiály s nehomogenitami mnohem většími než atomární rozměry (což nám umožní použít pro ně rovnice klasické fyziky – u nanokompozitů ne vždy), které jsou ale v makroskopickém měřítku přirozeně (statisticky) homogenní. Nic nemluví o původu – umělé i přirozené. Dřevo – kompozit.
Užívaná zjednodušená definice ●
●
●
Pro naši potřebu postačí Pevná látka složená ze dvou nebo více fází, přirozená nebo umělá. V celku dosahujeme vlastností, které nemají složky a nedají se dosáhnout ani jejich sumací – synergický efekt. efekt
Příklad synergického efektu ●
●
●
●
Grafit – má velkou pevnost, oxiduje, Hliníková slitina – neoxiduje, ale její pevnost rychle klesá s teplotou. Kompozit – do 500 oC odolný oxidaci. Výhoda navíc – lze nahradit Al slitinu čistým hliníkem.
3 – slitina hliníku AlMgSi 1, 2 – tatáž slitina s různými C vlákny
Definice nanokompozitu ●
●
●
Pro naši potřebu – není ustálená Musí jít o kompozit, v němž je charakteristický rozměr disperze (zpravidla ten nejmenší) pod 100 nm (zpravidla desítky nm). Charakteristický rozměr : - pro vlákna a jednorozměrné částice střední příčný průměr - pro dvojrozměrné částice střední tloušťka - pro trojrozměrné částice střední průměr částice - pro deskový kompozit střední tloušťka tenčích desek
Historické příklady kompozitů Vysušená hlína s vlákny slámy – odkazy v Bibli – nálezy v Izraeli 800 let PNL – pevnost 7 MPa Mongolské laminované luky - dřevo, šlachy a rohovina - tatarské nájezdy (dostřel 300 m) Damascénská ocel - střídavé plátky vysokouhlíkové a nízkouhlíkové oceli
Historický nanokompozit Lykurgovy poháry Poháry z období Římské říše Běžné sklo s malým množstvím nanočástic elektronu (slitina 30 % Au, 70 % Ag)
Pohled ve vnějším (odraženém) světle
Zdroj světla je uvnitř
Způsob výroby není znám Ze 4. stol. Našeho letopočtu – Britské muzeum, Londýn
Fáze v kompozitu ●
●
Nejméně jedna spojitá fáze, která drží kompozit pohromadě – matrice Další fáze, nespojité, podle možnosti rovnoměrně rozptýlené - disperze
Druhy podle typu disperze Kompozit Prvního druhu
Druhého druhu
Třetího druhu
Pevná disperze
Kapalná disperze
Plynná disperze
Samomazná Ložiska Dřevo
Pěnové hmoty Některé rohože
Kompozity s nanovlákny
Nanopěny (aerogel)
Většina nanokompozitů
Třetí druh – kovová pěna
Dřevo – přírodní kompozit Mikrosnímek struktury dřeva
Umělý model Struktury dřeva
Kompozity prvního druhu ●
●
V technice nejdůležitější Podrobnější rozdělení podle matrice : PMC – s plastovou matricí MMC – s kovovou matricí CMC – s keramickou matricí
●
Dnes nejčastější s plastovou matricí
●
Skleněnou matrici počítáme mezi CMC.
Dělení podle tvaru disperze ●
●
●
Vlákna – zanedbatelná ohybová tuhost spojitá – po celé délce dlouhá – plně využitá jejich pevnost krátká – pevnost není plně využita Částice izometrické (3D) – globule, krychle dvojrozměrné (2D) – destičky (příčné rozměry ne po celé šířce) jednorozměrné (1D) – jehličky, tyčinky Desky – speciální případ mizí rozdíl mezi matricí a disperzí
Deskový kompozit ●
●
●
●
Zaniká rozdíl mezi červenou a zelenou fází Žádná fáze není zcela spojitá Tvar udržují obě fáze současně Pro modely libovolná volba, co je matrice a co disperze – zpravidla matrice to, čeho je více
Vlákna a jednoosé částice ●
●
●
●
Spojitá vlákna jsou jasně definovaná Někdy vznikají pochybnosti, co je kratší vlákno a co jednoosá částice (jehlička, tyčinka) Rozhodující je ohybová tuhost – u vláken je vždy zanedbatelná proti tuhosti v tahu – tlaku. U jednoosých částic zanedbatelná není (na jednoosé částici nelze udělat uzel) Tuhost – síla potřebná k určité deformaci, zpravídla úměrná modulu pružnosti.
Jednoosé uspořádání vláken ●
●
●
●
●
Vlákna nebo jehličky s osami v jednom směru Označení 1D kompozit - jednorozměrné uspořádání vláken Směr vláken – směr délky kompozitu - označení L nebo x1 Všechny směry kolmé na vlákna jsou nerozeznatelné Pro desku z kompozitu označujeme směr šířky S nebo x3 a směr tloušťky T nebo x2.
Dosažení jednoosého uspořádání ●
●
Princip stáčení os vláken v proudící viskozní kapalině. Vlákna se nesmějí sbalovat – nutná dobrá smáčivost. Spojitá nebo dostatečně dlouhá vlákna je možné na konci fixovat Časté je také použití tkaniny – nevýhody : vlákna nejsou zcela natažená ve směru délky je jen asi 50 % vláken Z tenkých kratších vláken lze vyrobit nit - multifil
Symetrie jednoosého uspořádání ●
●
●
V podélném směru se vlákna projeví nejvíce - hlavní směr Pokud je matrice izotropní, je chování kompozitu ve všech směrech kolmých na vlákna stejné - příčná rovina izotropie Kompozit je příčně izotropní
Rovinné uspořádání vláken ●
●
●
Náhodné rozházení jehliček na vodorovnou rovinu – zápalky na stole. Osy vláken jsou rovnoběžné s jednou rovinou – hlavní rovina. Dvourozměrné – 2D – uspořádání vláken nebo jehliček, příp tyčinek.
Anizotropie rovinného uspořádání vláken ●
●
●
●
Vzhledem k náhodnému uspořádání os vláken v hlavní rovině je to rovina izotropie. Všechny směry jsou od sebe nerozeznatelné. Všechna vlákna jsou kolmá na normálu hlavní roviny – v tomto směru vlastnosti výrazně jiné – hlavní směr. Opět jde tedy o příčně izotropní kompozit – jako délku označíme směr normály hlavní roviny. Zpravidla opačný význam hlavní osy – pro 1D strukturu nejlepší, pro 2D strukturu nejhorší.
Porovnání 1D a 2D struktur
Řez strukturou 1D v rovině izotropie
Řez strukturou 2D v rovině izotropie
Uspořádání nanovláken zpravidla 1D nebo 2D
Rovinné uspořádání destiček ●
●
●
●
Destičky poházeny po vodorovné rovině - hlavní rovina. Normála k hlavní rovině představuje hlavní směr. Pro destičky nejjednodušší uspořádaná orientace. Opět příčně izotropní kompozit.
Základní symetrie kompozitu ●
●
Všechny předchozí případy - příčně izotropní kompozit. Kompozit můžeme natočit o libovolný úhel kolem hlavní osy, aniž by se změnily jeho vlastnosti
●
Mluvíme o jedné nekonečné ose symetrie.
●
Jde o symetrii např. rotačního elipsoidu.
●
●
Stejnou symetrii musí mít i všechny vlastnosti kompozitu. Nezaměňovat s ortotropií! Ortotropní je např kvádr, nebo obecný (nerotační) elipsoid.
Neuspořádané (izotropní) kompozity ●
●
●
V kompozitu s izometrickými částicemi jsou všechny směry ekvivalentní. Rovněž v kompozitu s destičkami nebo jehlicemi s náhodně uspořádanými osami ve všech třech základních směrech. U vláken je poměrně obtížné dosáhnout rovnoměrné rozdělení vláken tak, aby jejich osy směřovaly náhodně do všech směrů – 3D struktury vláken (vlákna mohou tvořit klubíčka).
