Druhy vláken Nanokompozity Pro 5. ročník nanomateriály Fakulta mechatroniky © Katedra materiálu Strojní fakulty Technická univerzita v Liberci Doc. Ing. Karel Daďourek, 2010
Druhy různých vláken Přírodní vlákna Skleněná vlákna Uhlíková a grafitová vlákna Aramidová a silonová vlákna Keramická vlákna Kovová vlákna Whiskery Nanovlákna
Průměry různých vláken
Rozdělení vláken Do průměru 100 nm – nanovlákna 0,1 až 1 µm – mikrovlákna – whiskery 1 až 10 µm – střední vlákna – uhlíková, skleněná, textilní Nad 10 µm – hrubá vlákna – B, TiB2, SiC a p.
Monofil a multifil Jedno vlákno - monofil Spředená textilní vlákna - multifil 1 tex - hmotnost 1 km vlákna v g - údaj o tloušťce T (tex ≡ g/km) m = ρ*V …. Plocha vlákna S = 10-9 * T / ρ Lépe S = 10-3 * T / ρ ( mm2, tex, g/cm3 ) Pro kruhový průřez d =18 * T / ρ ( µm, tex, g/cm3 ) Pro jednotkovou hustotu (plasty) 1 tex ~ 1000 µm2 ~ 18 µm Pro pevnost vláken platí 1 N / tex = s GPa, kde s je hustota v g/cm3, pro jednotkovou hustotu 1 N / tex = 1 GPa
Monofil
Multifil - spojitá vlákna
Multifil - krátká vlákna
Mikrostruktura multifilu
Vzhled multifilu
Pozor – je možné dělat multifil i z nanovláken!
Přírodní vlákna Len, bavlna, kokosová vlákna, sisal a p. Základem je celuloza Pevnost okolo 0,9 GPa Youngův modul okolo 100 GPa Moderní – celulozová nanovlákna např rozvlákněním dřeva Velmi aktuální pro rozvojové země Dobré i pro ekologii – přirozeně degradují
Bavlněné vlákno
Vlevo mikrosnímek, vpravo struktura. K – kutikula (povrchová ochranná vrstva), P, S, T – primární, sekundární a terciární vrstva lamel, L – lumen – centrální dutina ve vlákně. F – ukázka fibrilární struktury lamely.
Vlastnosti přírodních vláken Vlákno :
Hustota g/cm3) :
Mez pevnosti (MPa) :
Youngův Tažnost modul (GPa) : (%) :
Konopí
1,5
460
70
1,7
Juta
1,3
440
60
2,0
Len
1,5
340
100
1,8
Bavlna
1,5
300
27
10
Nanovlákna ●
●
Tencel, Lyocell – celulozová nanovlákna vytvářená rozvolněním dřeva Dále nanovlákna keratinová a želatinová
Druhy skleněných vláken Označení Použití skla
Složení v % :
Pevnost Prodloužení (GPa) při lomu (%)
E
Elektrické izolace
55 SiO2, 11 Al2O3, 6 B2O5, 18 CaO, 5 MgO
3
3
S
Vysokopevn. kompozity
65 SiO2, 25 Al2O3, 10 MgO
5
5
A
Tepelné izolace
72 SiO2, 1 Al2O3, 3 MgO, 10 CaO, 14 K2O
---
---
65 SiO2, 4 Al2O3, 6 B2O3, 3 MgO, 14 CaO, 9 K2O
2
2
C (Pyrex) Chemické aplikace
Výroba skleněných vláken
Pevnosti skleněných vláken Vlákno
S sklo
E sklo
Pyrex ( C )
Pevnost výchozí GPa Pevnost po zpracování GPa Prodloužení při lomu %
7
3,7
2
5
2,8
1,6
5
3
2
Tepelné vlastnosti materiál
E sklo
hliník
Ocel
Tepelná vodivost W/mK
10,4
188
17
25
13
Tepelná 5 roztažnost 10-6 K-1
Další vlastnosti Hustota okolo 2,5 g / cm3 ➔ Tuhost zhruba jako hliník – 1/3 tuhosti oceli E = 80 až 100 GPa ➔ Běžné lahvové – A sklo ➔ Malá odolnost skelných vláken únavě ➔ Rozpor mezi vysokou pevností a vysokou smáčivostí ➔ Průměr zpravidla v mikrometrech ➔
Skleněná nanovlákna
Bioaktivní materiál
Vliv povrchových činidel
Uhlíková a grafitová vlákna Mají asi desetinásobnou tuhost a poloviční hustotu proti skleněným Pevnost nižší než u skla nebo aramidu Vynikající tepelné vlastnosti, pokud jsou chráněna před oxidací Stabilní do 1000 oC, při ochraně před oxidací do 2000 oC Minimální teplotní roztažnost, dokonce někdy smrštivost Do 1000 oC jsou chemicky inertní Na rozdíl od skla velká odolnost únavě
Další vlastnosti Uhlíková vlákna jsou elektricky vodivá Nejlevnější stojí dvojnásobek proti sklu, nejkvalitnější až stonásobek Jsou velmi silně anizotropní – ve směru osy a kolmo na osu A = 100 Obsahují různé procento grafitu Běžné průměry několik mikrometrů
Grafitová nanovlákna
Pyrograf III
Vývoj použití uhlíkových vláken
Vývoj ceny uhlíkových vláken
Krystalická struktura grafitu
Tabulka základních vlastností Vlastnost : Délka vazby nm El. vodiv. 1/Ωm Tep. vod. W/mK Tep. roztaž. 1/K
diamant 0,154 10-15 900 0,8*10-6
Grafit c 0,142 250 2000 -1,5*10-6
Grafit a 0,334 0,05 6 27*10-6
E GPa Tvrdost Mohs Hustota g / cm3
1200 10 3,3
1060 0,5 - 1 2,265
36,5 0,5 - 1 2,265
Grafit c – v bazální rovině, Grafit a – ve směru kolmém
Úhlová závislost pro E
Struktura grafitového vlákna
Produkty z uhlíkových vláken
PAN – výchozí surovina
Postup výroby Prekursor – PAN vlákna Stabilizace – oxidace 1 – 2 hodiny při 200 – 300 oC na vzduchu Karbonizace – 30 – 60 vteřin při 1200 až 1500 oC v dusíku Grafitizace – 15 – 20 vteřin při 2000 až 3000 oC v dusíku s argonem Povrchová úprava – leptání kyselinou dusičnou
Vliv teploty na vlastnosti
Základní vlastnosti grafitových vláken Vlákna
vysokopevnostní vysokomodulová
označení
HT
HM
Ru GPa
3,1
2,1
E GPa
240
400
Prodl. %
1,2
0,5
Aramidová a nylonová vlákna
Polyamid - nylon
Aromatický polyamid – aramid- kevlar
Kevlarová vlákna Pevnost okolo 2,8 GPa Při hustotě 1,44 g/cm3 vynikající poměrná pevnost – pětinásobek oceli Deformace při lomu poněkud menší než u skla, ale větší než u grafitu Při dlouhodobém zahřívání nad 175 oC degradují vlastnosti Mají záporný koeficient teplotní roztažnosti Jsou v zásadě chemicky odolná, napadána jen silnými kyselinami a louhy Degradují v UV záření za přítomnosti kyslíku
Základní vlastnosti - porovnání vlákno
s g/cm3 Ru GPa
E GPa
Prodl. %
Nylon
1,14
1,02
5,62
18
Kevlar
1,44
2,81
63,3
4
Kevlar49 1,45
2,81
133,6
2,4
E-sklo
2,54
3,4
72
3
ocel
7,86
2
204
2
Polymerová nanovlákna Jsou vyráběna prakticky ze všech typů polymerů A … nepovlakované PAN vlákno B … povlak SnO2 C … povlak TiO2 D … povlak TiO2, trojnásobná doba
Keramická vlákna Velká teplotní odolnost a stabilita Použití v MMC a CMC pro vysoké teploty Vysoká tuhost Malá tepelná roztažnost Malá závislost pevnosti na teplotě Na rozdíl od uhlíku a aramidu vydrží i větší tlak Jsou k dispozici jako monofil, textilní vlákna nebo whiskery
Poměr velikostí keramických vláken
Základní vlastnosti Vlákno
Ru GPa
E GPa
Mezní deformace %
s g/cm3
křemen
5,8
72,5
11
2,19
SiC
2,8
240
2,55
korund
1,4
385
3,9
spinel
2,5
240
3,2
Keramická nanovlákna
Keramická nanovlákna - druhy ●
●
●
Oxidy : Al2O3, TiO2, SiO2, ZrO2 Nitridy : TiN Další : Li4Ti5O12
Vliv štíhlosti Keramická vlákna mívají často malou štíhlost To snižuje dosažitelnou pevnost kompozitu Znatelný vliv má pokles štíhlosti až pod 5, pak již nejde o vlákna, ale spíše tyčinky Velké průměry u monofilu zlepšují pevnost v tlaku
Kovová vlákna Jedna z nejlacinějších Ocelová vlákna pro zpevnění lehkých slitin Wolframová vlákna – na zpevňování žáropevných materiálů, ale těžká Velmi zajímavá jsou borová vlákna, ale nesnadná výroba. Velmi lehká Nový výzkum vláken z kovových skel
Borová vlákna Vyrábějí se chemickou depozicí z par BCl3 na W drát – vydrží do 450 oC, pak oxidace povrchu Borsic – obrázek vedle – vydrží do 700 o C Rozměry na obrázku v µm
Základní vlastnosti Vlákno
Ru GPa
E GPa
s g/cm3
bor
2,8
385
2,63
wolfram
4,2
414
19,3
berylium
1,4
240
1,83
ocel
1,5
210
7,8
Kovová nanovlákna ●
Platina
Whiskery Průměr pod 1 µm, délka 3 – 4 mm, štíhlost nad 1000 ● Speciální způsob pěstování – obsahují jen jednu šroubovou dislokaci uprostřed ● Lze získat z řady látek kondenzací z par. ● Nutno rozeznávat od monokrystalických vláken ● Pevnost se blíží teoretické hodnotě – desetina Youngova modulu ● Přírodní whiskery některých keramik - asbest ●
Pracovní diagram whiskeru Ruw – mez pevnosti whiskeru Rum – mez pevnosti monokrystalu εu – mezní deformace
Má extremně vysokou pevnost, po jejím překročení se chová jako normální krystal
Základní vlastnosti whiskerů whisker
s g/cm3
Ru GPa
E GPa
Korund
3,96
15
470
SiC
3,17
21
240
Si3N4
3,18
14
380
C
2,26
19
700
Porovnání všech vláken E G pa R u G pa s g/c m 3 bod e-s k lo 72,4 2,4 2,54 s -s k lo 85,5 3,1 2,48 HM grafit 400 2,1 1,9 HT grafit 240 3,1 1,9 bor 385 2,8 2,63 k řem en 72,5 5,8 2,19 wolfram 414 4,2 19,3 bery lium 240 1,3 1,83 ny lon 5,7 1 1,14 k evlar 29 63 2,8 1,4 k evlar49 134 2,8 1,5 oc el 210 1,5 7,8 k orund-wh 470 20 3,96 S iC - wh 470 20 3,17 S i3N4 - wh 380 10 3,18
tání prodl 850 970 3650 3650 2300 1660 3400 1284
1500 2072 2200 1900
% s pec Ru s pec E 3 0,94488228,50394 5 1,25 34,47581 0,5 1,105263210,5263 1,2 1,631579126,3158 1,064639146,3878 11 2,64840233,10502 0,21761721,45078 0,710383131,1475 18 0,877193 5 4 2 45 2,4 1,86666789,33333 2 0,19230826,92308 5,050505118,6869 6,309148 148,265 3,144654119,4969
