Možnosti využití polyesterových kompozitů se skelnými vlákny pro stavbu pružnic nákladních vozidel pozemní dopravy

Možnosti využití polyesterových kompozitů se skelnými vlákny pro stavbu pružnic nákladních vozidel pozemní dopravy Ing. Ivo Černý, PhD. Oddělení pevnosti, SVÚM a.s., Čelákovice ÚNAVA KOMPOZITNÍCH MATERIÁLŮ A KONSTRUKCÍ, ÚTAM AVČR, 20.11.2014

Únava kompozitních materiálů a konstrukcí, ÚTAM AVČR, 20.11.2014

Projekt FP7 “2BFunTex“

www.2BFunTex.eu


Projekt FP7 “2BFunTex“ - www.2BFunTex.eu




Obsah přednášky 





Úvod (příklady kompozitů s polymerovou matricí, přehled vybraných základních vlastností) Vlastnosti kompozitů jako výsledek superpozice vlastností jednotlivých složek. Únavová pevnost Dynamické vlastnosti kompozitních polymerových materiálů s dlouhými výztužnými vlákny (dynamická tuhost, rozdíly statická a dynamická tuhost, dynamické tlumení)


Úvod 



Využívání kompozitních materiálů zejména v dopravních zařízeních ve vozidlech a letadlech má v poslední době poměrně prudce rostoucí trend, který ovlivňuje řada faktorů. Z celé řady důvodů je možno jmenovat dva důležité aspekty, a sice vlastnosti kompozitů, při aplikacích ve vozidlech pozemní dopravy ve vztahu k jejich ceně a také k ceně pohonných hmot.


Úvod

Bór


Úvod Příklady - poměr pevnosti ku hustotě:  Ocel střední pevnosti 780 MPa, hustota 7800 kg m-3  Al-slitina, pevnost 500 MPa, hustota 2800 kg m-3  Typický polyesterový kompozit se skelnými vlákny, pevnost 800 MPa, hustota 2000 kg m-3 Příklady - poměr E-modulu ku hustotě:  Ocel, E = 210 GPa, hustota 7800 kg m-3 , poměr 2.7 E7  Al-slitina, E-modul 70 GPa, hustota 2800 kg m-3, poměr 2.5 E7  Typický polyesterový kompozit se skelnými vlákny, E-modul 25 GPa, hustota 2000 kg m-3 , poměr 1.25 E7 Možný výběr typu kompozitu vzhledem k potřebným vlastnostem


Úvod Hustota (specifická hmotnost) kompozitů souvisí s objemovým podílem vláken. Příklad výpočtu hustoty V polyesterovém kompozitu o hustotě 2075 kg m-3 byly obsaženy vlákna z E-skla o hustotě 2550 kg m-3 a pryskyřice o hustotě 1300 kg m-3. Jaký byl objemový podíl vláken f? f = (2075 - 1300) / (2550 - 1300) = 775 / 1250 = 0.62 V kompozitu byl objemový podíl vláken 62 %


Úvod  

   

Dosavadní časté překážky většího rozšíření kompozitů: cena Cena nehrála rozhodující roli u vojenských a kosmických aplikací, nikoli však u běžných aplikací Postupná změna situace Snížení spotřeby PHM Růst cen kovů Důsledek: růst aplikací


Základní přehled kompozitů a termínů 





Kompozitní materiál je podle názvu materiál složený. Společnou charakteristikou prakticky všech kompozitů z hlediska složení je kombinace dvou většinou zcela rozdílných složek různé substance i vlastností. Základem bývá tzv. matrice, která plní funkci pojiva, dále pak ve větší či menší míře i nosnou funkci. Matrice bývá vyplněna nebo kombinována s druhým důležitým konstituentem se zpevňující funkcí. Jedná se buď o jednotlivé mikroskopické částice nebo krátká vlákna, nejčastěji pak vlákna dlouhá procházející celým rozměrem komponenty.


Základní přehled kompozitů a termínů 

Podíl vláken má své limity!


Kompozity s polymerovou matricí 





Jedná se o nejrozšířenější skupinu kompozitních materiálů, kdy matrici tvoří plastická hmota – polymer. Tato skupina je značně široká a dělí se na mnoho dalších typů materiálů, a to jak podle druhů výztužných vláken tak matrice. V dané oblasti se používá řada již zažitých technických termínů, přičemž ne všem uživatelům je vždy zcela jasné, co přesně znamenají. Projděme proto ve stručnosti jednotlivé názvy.









Plasty označují řadu syntetických nebo polosyntetických polymeračních produktů. Jsou složeny z organických kondenzačních nebo přísadových polymerů a často (většinou) obsahují jiné látky na zlepšení kvality nebo ceny. Plasty mohou být klasifikovány mnoha způsoby, ale nejčastěji je to podle jejich polymerové páteře (vinylchlorid, polyetylen, akryl, silikon, urethan atd.). V kompozitech s polymerickou matricí se pak téměř výhradně setkáváme s termosety, příp. termoplasty.







Termoplast je plastický, deformovatelný materiál, který si tyto vlastnosti uchovává i po zahřátí a opětovném ochlazení. Většina termoplastů jsou vysokomolekulární polymery, jejichž řetězce mezi sebou interagují:  slabými van der Waalsovými silami (polyethylen),  silnějšími dipól-dipólovými interakcemi a vodíkovými vazbami (nylon) nebo  π-π interakcemi mezi aromatickými kruhy (polystyren). Opakem termoplastů jsou termosety (reaktoplasty) (bakelit, vulkanizovaný kaučuk), které po termickém vytvrzení již nelze zpracovávat teplem.







Reaktoplasty (dříve termosety, duromery, duroplasty) jsou zesíťované polymery, které vytvářejí prostorovou trojrozměrnou síť. Zesíťování nastává až při tváření plastu vlivem tepla a tlaku, většinou pak působením katalyzátorů. Jakmile je zesíťování dokončeno, není další tváření možné, protože opětovným dodáváním tepelné energie není možno hmotu roztavit. Husté příčné zesíťování se nazývá vytvrzování. Právě vytvrzené kompozity, tj. termosety, jsou nejčastější skupinou kompozitů pro inženýrské aplikace v namáhaných součástech. Jedná se o materiály se známou epoxidovou nebo polyesterovou, tj. obecně polymerovou matricí.



 

Polymer je látka sestávající z molekul jednoho nebo více druhů atomů nebo skupin spojených navzájem v tak velkém počtu, že řada fyzikálních a chemických vlastností této látky se nezmění přidáním nebo odebráním jedné nebo několika konstitučních jednotek. Polymery typicky vznikají polymerací nebo polykondenzací. Polymery jsou tvořeny makromolekulami, což jsou molekulové systémy složené z velkého počtu atomů vázaných chemickými vazbami do dlouhých řetězců. Tyto řetězce tvoří pravidelně se opakující části, které nazýváme stavební nebo monomerní jednotky (mery). Počet merů udává polymerační stupeň n, který mívá hodnotu 10 až 106. Sloučeniny s nízkým polymeračním stupněm nazýváme oligomery, s vyšším polymeračním stupněm polymery.





Polymerní látky nemusí vytvářet pouze lineární řetězce. Mezi jednotlivými řetězci monomerních jednotek mohou vznikat vzájemné chemické vazby, vytvářející plošné nebo i prostorové struktury molekul polymerů, typické pro vytvrzované kompozity. Vytvrzování probíhá nejčastěji za působení katalyzátorů (z řeckého katalýtis), což jsou obecně látky vstupující do chemických reakcí, urychlují je, a přitom z nich vystupují nezměněné.





Nejrozšířenější podskupinou těchto materiálů jsou kompozity s polyesterovou matricí. Polyester je polymer obsahující esterovou funkční skupinu. Základní surovinou je ropa, ze které se získává dimethyltereftalát a glykol. Polykondenzací obou sloučenin pak vzniká polyethylentereftalát.







Estery jsou organické sloučeniny, ve kterých je vodík v -OH skupině kyslíkaté kyseliny nahrazen organickým zbytkem. Chemická reakce, při které ester vzniká, se nazývá esterifikace. Jedná se vždy o reakci kyseliny a alkoholu. Polyestery (stejně tak jako epoxidy) mohou být ve formě jak temoplastů tak, nejčastěji, vytvrzených termosetů. Největší výhodou polyesterových pryskyřic je:   





nízká cena, relativně snadné zpracování, dobré až výborné mechanické vlastnosti včetně únavové odolnosti (pokud v mikrostruktuře nejsou defekty), poměrně dobrá chemická odolnost.

Další výhodou je, že různými přísadami lze pak vybrané vlastnosti výrazně zlepšovat.



Schematický vzorec esteru:









Epoxidové pryskyřice podobně jako polyesterové mohou být upravovány pomocí přísad do různých potřebných variant vlastností. V porovnání s polyestery mají lepší odolnost vůči zásadám a rozpouštědlům a mají vynikající otěruvzdornost a tepelnou stabilitu. Jejich vyšší cena je předurčuje pro využití ve velmi vysoce namáhaných komponentách s nároky na bezpečnost a spolehlivost, kde se používají v kombinaci s vlákny nejvyšších mechanických vlastností, poměrně vysoké ceny, jako jsou aramidy a uhlíková vlákna. Typickou oblastí je letecký průmysl, dříve hlavně vojenský, v poslední době i civilní, a vesmírné aplikace. Polyesterové a epoxidové kompozity představují spolu více než 85% aplikovaných kompozitů s polymerovou matricí.



Je možno ještě okrajově zmínit fenolické pryskyřice vyznačující se odolností vůči ohni a zvýšeným teplotám.









Pokud se týká výztužných vláken v kompozitech, nejčastěji se setkáváme s pojmy sklo, kevlar, aramid, uhlík, bór a grafit. V každé skupině existují podskupiny a početné řady modifikací. Nejrozšířenější skleněná vlákna jsou z tzv. E-skla (elektrické), nízkoalkalického skla, které je pevnější než alkalické A-sklo. Výhody E-skla je dobrá pevnost a tuhost v tahu i tlaku a nízká cena. Problém může být snížená odolnost proti rázovému namáhání. Naproti tomu S-sklo (někdy také R- nebo T-sklo) má vyšší cenu, ale vyšší pevnost v tahu i při velmi důležitém mezilamelárním smyku. Smáčivost těchto vláken pryskyřicí je snazší. S-sklo bylo vyvinuto pro kosmický a vojenský průmysl, běžné aplikace je nutno zvažovat s ohledem na vysokou cenu.





 



Aramid, je organický polymer. Název vznikl zkratkou slov “aromatický polyamid”. Je také známý pod obchodním názvem firmy Dupont – kevlar. Vyznačuje se vysokou pevností a nízkou hustotou, tj. v kombinaci vynikající specifickou pevností. Pevnost v tlaku je však pouze srovnatelná s E-sklem. Výborná je otěruvzdornost a odolnost proti chemické a teplotní degradaci. Pozor na degradaci ultrafialovým zářením.





Uhlíková vlákna se získávají řízenou oxidací, karbonizací a grafitizací organických polotovarů bohatých na uhlík. Variacemi procesů se získávají vlákna s širokým spektrem vlastností, např. vysoká pevnost (zpracování při 2600 oC) nebo E-modul (3000 oC). Podle E-modulu se dělí do čtyřech skupin:  standardní E-modul, menší než 265 GPa,  střední E-modul (265-320 GPa),  vysoký E-modul (320-440 GPa) a  ultra vysoký E-modul, přesahující 440 GPa.





Méně časté je použití speciálních vláken jako bórová, což jsou uhlíková nebo kovová vlákna s vrstvou bóru pro zlepšení celkových vlastností. Extrémně vysoká cena umožňuje pouze speciální aplikace pro komponenty kosmických zařízení vystavených vysokým teplotám. Závěrem je ještě možno zmínit rozšiřující se oblast aplikací přírodních vláken (juta sisal), které jsou však zatím vhodné pouze pro nízké úrovně mechanického namáhání.







Nejčastější využití polyesterových kompozitů: Lodě, komponenty pro chemické provozy, stropy a podlahy, kabiny vozidel V poslední době proběhlo a probíhá řešení mezinárodních projektů Eureka s cílem využití těchto materiálů pro pružnice a podvozky nákladních vozidel silničních a železničních pro jejich vynikající vlastnosti Projekt EUREKA TRUS (TRam-bUS) se setrvačníkovou jednotkou akumulace kinetické energie v setrvačníku



Nejčastější způsoby výroby:  navíjení vláken  „pultruze“ - vytahování vláken prosycených pryskyřicí s válcováním  lisování do forem za průchodu pryskyřice, příp. s asistencí vakua (metoda RTM - Resin Transfer Moulding)


Kompozity s polymerovou matricí









Výsledné vlastnosti kompozitů jsou závislé nejen na vlastnostech konstituentů, ale i jejich správné kombinaci. Obecně platí, že vlákna mají vyšší pevnost, a proto zvýšených mechanických vlastností lze dosáhnout zvyšováním objemového podílu vláken. Příklad pro polyesterový kompozit s E-sklem je uveden na následujícím obrázku.


Kompozity s polymerovou matricí 2000

90 Pevnost v tahu (MPa)

1800

E-modul v tahu (GPa)

1600

Polynomický (E-modul v tahu (GPa))

Pevnost v tahu (MPa)

Polynomický (Pevnost v tahu (MPa)) 1400

70

Fiktivní "využitelná" pevnost vláken (cca. 1500-1600 MPa)

60

1200 50 1000 Výztuž ze skelné tkaniny

40

800 30

600

20

400

10

200 0 0

10

20

30

40

50

60

Objemový podíl vláken (%)

70

80

90

0 100

Modul pružnosti v tahu (GPa)

80













Z přehledu je zřejmé, že při práci s kompozitními materiály polymerového typu má konstruktér více co do činění s organickou chemií než s obory, jako je fyzikální metalurgie nebo fyzika obecně. Problematické jsou rovněž výpočetní metody, pokud se aplikují principy homogenního kontinua. Zvláštní kapitolou je spolehlivost a reprodukovatelnost materiálu s bezdefektní strukturou, a to i přes přísnou a důslednou kontrolu technologických výrobních postupů. Přes prudký rozvoj výpočetních metod a výrobních technologií se stále vyskytují ojedinělé případy náhlých, velmi nebezpečných havárií konstrukcí a komponent i nejrenomovanějších výrobců s velkým konstrukčním, výpočetním i zkušebním zázemím a s velkou tradicí a zkušenostmi v oblasti, a to i přes přísné certifikační procesy.



a)

c)

b)

d)


Dynamické vlastnosti kompozitních polymerových materiálů 







Některé odlišné charakteristiky sklo-polyesterových kompozitů umožňujících zcela jiné, nové aplikace v porovnání s kovovými materiály. Jedna z vlastností je nízká hodnota E-modulu umožňující výhodnou aplikaci pro výrobu pružnic železničních nákladních vozů sestavených pouze ze dvou listů. Ukazuje se dobrá stabilita vlastností a výborná únavová odolnost komponent, pokud materiál neobsahoval defekty. Hmotnost pružnic je cca. 4x menší ve srovnání s ocelovou pružnicí, což představuje dílčí snížení paliva a hlavně snížení neodpružené hmoty a tím zlepšení pružicích vlastností.


Problematika aplikace v pružnicích














Problematika aplikace v pružnicích R=0.3 (RISOE-3PB)

R=0.5 - vzorky 3PB

R~0.6, železniční pružnice

R=0.24, pružnice pro návěsy

600

Delta sigma (MPa)

500 400 300 200

S2

S1

100 0 1000

10000

100000 1000000 Cyklů do lomu

10000000

100000000






Dynamické vlastnosti 



Jinou odlišnou vlastností, možná z nejvýznamnějších, jsou dynamické vlastnosti těchto materiálů a komponent z nich vyrobených. Při dynamickém hodnocení kompozitů a komponent a pro porozumění problematiky jsou velmi důležité pojmy:  statická tuhost  dynamická tuhost  „statické“ tlumení  dynamické tlumení.


Dynamické vlastnosti  

 



Statická tuhost: Poměr síly ku jednotkovému posuvu při statickém zatížení, udává se v jednotkách (N / mm) Dynamická tuhost: Poměr síly ku jednotkovému posuvu při harmonickém způsobu kmitání Do nedávné doby se konstruktéři dopravních zařízení, např. železničních nákladních vozů, dynamickou tuhostí nezabývali, přestože tato má poměrně zásadní vliv na dynamické síly působící na trať, zemní vibrace a vertikální poškozování tratí.



Dynamická tuhost Ks:

1 Nf  2

Ks m

kde Nf je vlastní frekvence, jelikož: F = m a,

přičemž a = 2 r, kde r je výkmit a platí tedy:

F = m 2 r, čili F / r = Ks = m 4 2 Nf2



Statické tlumení možno vyjádřit plochou hysterézní smyčky, neboť ta reprezentuje práci (energii) spotřebovanou při jednom statickém zatěžovacím cyklu



Dynamické tlumení se vyjadřuje logaritmickým dekrementem útlumu a dynamickým poměrem útlumu



Logaritmický dekrement útlumu:

Pn 1   Ln n Pn 1



Dynamický poměr útlumu:

1    2


Dynamické vlastnosti   

Příklad definice EU pro závěsy nepoškozující vozovku: Vlastní frekvence menší než 2 Hz Dynamický poměr útlumu alespoň 20 %, přičemž max. 50 % z této hodnoty může připadnout na pasivní tření


Dynamické vlastnosti 140 Kompozitová pružnice Trapézová před GO (nepromazaná)

120

Trapézová po GO (promazaná) Parabolická pružnice

Zatížení (kN)

100

80

60

40

20

0 20

40

60

80 Průhyb (mm)

100

120


Dynamické vlastnosti Relativní útlum - vůči trapézové pružnici před GO (%)

120 Relativní statický útlum Relativní dynamický útlum 100

Před GO

80 Po GO promazaná 60

40

20

0 Trapéz.

Trapéz. Parabol. Kompozit. Typ železniční pružnice


Dynamické vlastnosti

Mass

Spring Carriages Cross girder Load cell

Servohydraulic cylinder




Dynamické vlastnosti Spring EL02-Outer 1, comparison of drop height, tare load 45

40

35

Actual force on track (kN)

30

25

6 mm

20

25 mm

15

80 mm

10

5

0 0

0.5

1

1.5

-5 Time (s)

2


Dynamické vlastnosti Critical damping ratio of different springs at medium load 25 4 max.peaks 1st 2 max.peaks

Critical damping ratio (%)

20

Last 2 max.peaks 15

10

5

0 Parabolic, drop 25 mm -5

Parabolic, drop 6 mm

GRP, drop 25 mm

GRP, drop 6 mm

Trapez.used, drop 25 mm



Dynamické vlastnosti Natural frequency of different springs at medium load 9 8

4 max.peaks 1st 2 max.peaks

Natural freqeuncy (Hz)

7 6

Last 2 max.peaks Sweep test +-1 mm

5 4 3 2 1 0 Parabolic, drop 25 mm

Parabolic, drop 6 mm

GRP, drop 25 mm

GRP, drop 6 mm




Dynamické vlastnosti 55 GRP spring Trapezoidal used

Force on track (kN)

50

45

40

35 0.5

1

1.5

2

2.5 Time (s)

3

3.5

4


Dynamické vlastnosti 55 GRP spring Trapezoidal repaired

Force on track (kN)

50

45

40

35 0.5

1

1.5

2

2.5 Time (s)

3

3.5

4


Dynamické vlastnosti 55

Dynamic force on track (kN)

GRP spring Parabolic spring

50

45

40

35 0.5

1

1.5

2

2.5 Time (s)

3

3.5

4

Únava kompozitních materiálů a konstrukcí, ÚTAM AVČR, 20.11.2014 Excitation 0.5 Hz


18

16

GRP spring Parabolic spring Trapeziodal used Trapezoidal repaired

Load on Track (kN)

14

12

10

8

6

4

2 Force Range Vibration Range Category of Track Load



Amplitude of dynamic force on track (kN)

12

10

Trapezoidal spring before regular maintenance 8

6

Parabolic spring (steel) 4

2

GRP spring 0 2

4

6

8

10

12

14

Frequency of excitation +-1 mm (Hz)

16

18

20

22


Dynamické vlastnosti - závěr 

 

Důležitost dynamických vlastností dokumentuje příklad definice EU pro závěsy nepoškozující vozovku: Vlastní frekvence menší než 2 Hz Dynamický poměr útlumu alespoň 20 %, přičemž max. 50 % z této hodnoty může připadnout na pasivní tření


Závěr 





V první části přednášky byl uveden základní přehled kompozitních materiálů s aplikacemi v inženýrské praxi, především pro konstrukce komponent dopravních zařízení. Uvedeny a shrnuty nejdůležitější základní charakteristické vlastnosti a z toho vyplývající potřebné nové konstrukční přístupy při aplikaci těchto materiálů. V další části se přednáška zabývala vybranou důležitou charakteristikou kompozitů se skelnými výztužnými vlákny, což je nejobecněji rozšířený kompozit, a sice dynamickými charakteristikami, jejichž využití pro konstrukci pružicích částí podvozků představuje oblast se značnými příznivými výsledky.


Projekt FP7 “2BFunTex“

www.2BFunTex.eu





Možnosti využití polyesterových kompozitů se skelnými vlákny pro stavbu pružnic nákladních vozidel pozemní dopravy

Recommend Documents