Nauka o materiálu II
Studijní opora pro bakalářský studijní program Strojírenství
Ing. Milan Štúr, Ph.D.
2013 České Budějovice
1
Tento učební materiál vznikl v rámci projektu "Integrace a podpora studentů se specifickými vzdělávacími potřebami na Vysoké škole technické a ekonomické v Českých Budějovicích" s registračním číslem CZ.1.07/2.2.00/29.0019. Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.
1. vydání ISBN © Vysoká škola technická a ekonomická v Českých Budějovicích, 2013 Vydala: Vysoká škola technická a ekonomická v Českých Budějovicích, Okružní 10, 370 01 České Budějovice
Za obsahovou a jazykovou správnost odpovídají autoři a garanti příslušných předmětů.
2
Obsah Průvodce studiem předmětu ..................................................................................................... 7 Cíl předmětu ............................................................................................................................... 7 Základní okruhy studia ............................................................................................................... 7 Průběh studia, komunikace ........................................................................................................ 8 Kapitola 1 - Nekovové materiály a jejich klasifikace, struktura a vlastnosti, oblasti využití ve strojírenství ................................................................................................................................ 9 1.1 Technické materiály - rozdělení ........................................................................................ 9 1.2 Plasty ............................................................................................................................... 11 1.2.1 Výroba plastů ............................................................................................................ 11 1.2.2 Možnosti aplikací ...................................................................................................... 12 1.3 Dřevo ............................................................................................................................... 13 1.3.1 Vlastnosti dřeva ........................................................................................................ 13 1.3.2 Druhy dřeva a jejich využití....................................................................................... 15 1.4 Sklo .................................................................................................................................. 17 1.4.1 Druhy skla a jejich užití ............................................................................................. 17 1.5 Technická pryž................................................................................................................. 18 1.6 Technická kůže ................................................................................................................ 19 1.7 Technické textilie ............................................................................................................ 19 1.8 Technická keramika......................................................................................................... 20 1.7.1 Druhy textilií a jejich použití ..................................................................................... 21 1.9 Brusivo............................................................................................................................. 22 1.9.1 Druhy pojiva .............................................................................................................. 22
3
1.10 Mazací prostředky......................................................................................................... 23 1.10.1 Druhy maziv ............................................................................................................ 24 1.11 Shrnutí kapitoly ............................................................................................................. 25 Kapitola 2 - Polymery a plasty – molekulární a nadmolekulární struktura, základní druhy, vlastnosti .................................................................................................................................. 28 2.1 Polymerní materiály ........................................................................................................ 29 2.1.1 Chemická struktura polymeru .................................................................................. 29 2.2 Plasty ............................................................................................................................... 31 2.2.1 Rozdělení plastů ....................................................................................................... 31 2.2.2 Molekulární struktura plastů .................................................................................... 35 2.2.3 Nadmolekulární struktura plastů (morfologie) ........................................................ 37 2.2.4 Vlastnosti plastů ....................................................................................................... 40 2.2.5 Názvy a užití některých důležitých plastů................................................................. 42 2.3 Shrnutí ............................................................................................................................. 44 Kapitola 3 - Rozdělení plastů – termoplasty, reaktoplasty; mechanické chování plastů; kaučuky..................................................................................................................................... 48 3.1 Termoplasty .................................................................................................................... 50 3.2 Reaktoplasty.................................................................................................................... 54 3.3 Mechanické chování plastů............................................................................................. 55 3.4 Kaučuky ........................................................................................................................... 57 3.5 Shrnutí ............................................................................................................................. 59 Kapitola 4 - Posuzování jakosti plastů testováním – mechanické vlastnosti při krátkodobém a dlouhodobém zatěžování ......................................................................................................... 61 4.1 Mechanické vlastnosti polymerů .................................................................................... 62
4
4.1.1 Materiálové charakteristiky ...................................................................................... 63 4.2 Shrnutí ............................................................................................................................. 67 Kapitola 5 - Keramika, sklo, sklokeramika – struktura, základní druhy, vlastnosti, použití ..... 70 5.1 Keramické materiály ....................................................................................................... 71 5.1.1 Rozdělení keramických materiálů ............................................................................ 71 5.2 Sklo .................................................................................................................................. 78 5.2.1 Výroba skla ............................................................................................................... 79 5.3 Sklokeramika ................................................................................................................... 81 Kapitola 6 - Kompozity – struktura, vlastnosti, technologie výroby, použití ........................... 86 6.1 Definice a základní přehled kompozitních materiálů ..................................................... 87 6.2 Vlastnosti a výroba výztuže............................................................................................. 92 6.3 Struktura a vlastnosti kompozitu .................................................................................... 97 6.4 Výrobní a zpracovatelská technologie .......................................................................... 100 6.5 Impregnace výztuže kapalnou fází ................................................................................ 100 6.5.1 Kompozity s termosetickou polymerní matricí ...................................................... 100 6.5.2 Komposity s termoplastickou polymerní matricí ................................................... 102 6.5.3 Kompozity s kovovými matricemi........................................................................... 103 6.6 Práškové metody .......................................................................................................... 103 6.7 Infiltrace výztuže plynnou fází, pyrolýza polymerního prekurzoru .............................. 104 6.8 Ostatní metody ............................................................................................................. 105 6.9 Vybrané druhy výrobků z kompozitních materiálů a jejich použití .............................. 105 6.10 Využiti vláknových kompozitu .................................................................................... 109 Kapitola 7 - Kompozity s kovovou matricí .............................................................................. 112
5
7.1 Kompozity s kovovou matricí (metal matrix composites – MMCs) .............................. 112 Kapitola 8 - Kompozity s polymerní matricí ........................................................................... 121 8.1 Kompozity s polymerními matricemi (polymer matrix composites – PMCs) ............... 122 8.2 Vláknové kompozity ...................................................................................................... 122 8.3 Částicové kompozity s polymerní matricí ..................................................................... 127 Kapitola 9 - Kompozity s keramickou matricí ......................................................................... 129 9.1 Kompozity s keramickou matricí (ceramic martix composites – CMCs) ....................... 129 Kapitola 10 - Pevnost a houževnatost kompozitu .................................................................. 136 10.1 Modul pružnosti a pevnost kompozitu ....................................................................... 136 10.1.1 Modul pružnosti ................................................................................................... 137 10.1.2 Pevnost kompozitu ............................................................................................... 138 Kapitola 11 - Lomové vlastnosti a únavové chování kompozitů ............................................ 145 11.1 Lomová houževnatost kompozitu vyztužených dlouhými vlákny .............................. 145 11.2 Únava kompozitů ........................................................................................................ 146 Kapitola 12 - Beton, dřevo, kůže – struktura, vlastnosti, použití ........................................... 152 12.1 Beton ........................................................................................................................... 153 12.2 Dřevo ........................................................................................................................... 156 12.3 Kůže ............................................................................................................................. 159 Kapitola 13 - Využití nekovových materiálů ve strojírenských aplikacích, trendy vývoje nekovových materiálů ............................................................................................................ 164 13.1 Využití nekovových materiálů ve strojírenských aplikacích........................................ 164 13.2 Trendy vývoje nekovových materiálů ......................................................................... 166 Použitá literatura .................................................................................................................... 180
6
Průvodce studiem předmětu Tato učební opora je určena Vám, studentům VŠTE v Českých Budějovicích, pro studijní program STROJÍRENSTVÍ. Je koncipována jako studijní pomůcka, která ve spojení s kontaktní výukou, konzultacemi s tutorem, studiem doporučené literatury a při aplikaci získaných poznatků na řešení konkrétních úkolů ve Vás vyvolá hlubší zájem o problematiku předmětu Nauka o materiálu II. Tento materiál je koncipován jako stručný úvod do předmětu Nauka o materiálu II.
Cíl předmětu V rámci předmětu získá student znalosti v oblasti podstaty, struktury, vlastností a využití nekovových materiálů. Bude seznámen se základními technologiemi zpracování a zkoušení a také s faktory, které ovlivňují vlastnosti nekovových materiálů. Především se bude jednat o polymerní, resp. plastové materiály, konstrukční keramiku a kompozitní materiály s kovovou, polymerní a keramickou matricí s částicovou a vláknovou vyztužující fází. Dále budou probírány sklokeramické materiály a betony, okrajově i dřevo a kůže. Nedílnou součástí výuky bude představení konkrétních příkladů použití probíraných materiálů zejména ve strojírenství a také vývojových trendů v této oblasti. Absolvent předmětu umí popsat vlastnosti nekovových materiálů, provést jejich rozbor a posoudit vhodnost jejich použití při aplikaci v konstrukcích.
Základní okruhy studia 1. Nekovové materiály a jejich klasifikace, struktura a vlastnosti, oblasti využití ve strojírenství 2. Polymery a plasty – molekulární a nadmolekulární struktura, základní druhy, vlastnosti 3. Rozdělení plastů – termoplasty, reaktoplasty; mechanické chování plastů; kaučuky
7
4. Posuzování jakosti plastů testováním – mechanické vlastnosti při krátkodobém a dlouhodobém zatěžování 5. Keramika, sklo, sklokeramika – struktura, základní druhy, vlastnosti, použití 6. Kompozity – struktura, vlastnosti, technologie výroby, použití 7. Kompozity s kovovou matricí 8. Kompozity s polymerní matricí 9. Kompozity s keramickou matricí 10. Pevnost a houževnatost kompozitů 11. Lomové vlastnosti a únavové chování kompozitů 12. Beton, dřevo, kůže – struktura, vlastnosti, použití 13. Využití nekovových materiálů ve strojírenských aplikacích, trendy vývoje nekovových materiálů
Průběh studia, komunikace Informace o studiu jsou uvedeny v Informačním systému VŠTE, kde je také uveden způsob komunikace mezi studentem a vyučujícím (tutorem). Kromě kontaktní výuky bude využívána zejména komunikace prostřednictvím Internetu. Každý vyučující i student VŠTE má zavedenou svoji e-mailovou adresu a další formy komunikace jsou možné i přes Informační systém VŠTE.
8
Kapitola 1 - Nekovové materiály a jejich klasifikace, struktura a vlastnosti, oblasti využití ve strojír strojírenství enství KLÍČOVÉ POJMY plasty, dřevo, pryž, sklo, keramika, kamenina, porcelán, brusivo, kůže,, textilie
CÍLE KAPITOLY •
znát základní pojmy
•
znát, jakým způsobem se rozdělují technické materiály
•
pochopit rozdíly mezi jednotlivými skupinami technických materiálů
•
rozdělit nekovové technické technické materiály
•
popsat základní způsoby výroby plastů
•
vyjmenovat ostatní nekovové materiály, znát znát jejich vlastnosti a využití
ČASS POTŘEBNÝ KE STUDIU KAPITOLY 4 hodiny
VÝKLAD 1.1 Technické materiály - rozdělení Každý výrobek, skupina, součástka i jednotlivý díl je vyroben z materiálu. Materiál musí plnit určitou funkci, která je daná užitnými hodnotami výrobku. Tyto materiály souhrnně nazýváme technické materiály. Základním kritériem pro volbu materiálu jsou jeho jeho vlastnosti, které plní požadované funkce.
9
Technických materiálů je velké množství, neustále se zdokonalují a vyvíjí nové. V tomto procesu je nejdůležitější, aby technické materiály splňovaly požadavky na ně kladené a zároveň měly nízkou cenu. Dalším kritériem použití technického materiálu je také dostupnost.
Pro snadnější orientaci v technických materiálech, tyto rozdělíme na dvě základní skupiny: •
kovové materiály - mezi ně patří všechny čisté kovy a jejich slitiny,
•
nekovové materiály - do této skupiny patří všechny materiály neobsahující kovy.
Základním materiálem pro konstrukci strojů jsou v dnešní době kovy a plasty. Plasty v posledních desetiletích konkurují kovům, a to díky výraznému zlepšení jejich vlastností.
Obrázek 1 Rozdělení technických materiálů
Mezi materiály nekovové, které jsou využívány ve strojírenském průmyslu, řadíme plasty, dřevo, pryž, sklo, keramika, kamenina, porcelán, brusivo, kůže, textilie. Některými těmito materiály jsou nahrazovány kovy železné i neželezné, v poslední době jsou to zvláště
10
plasty. Plasty mnohdy dosahují pevnosti srovnatelné s pevností ocelí ale i další vlastnosti jsou dobře využitelné – např. většina z nich nejsou vodivé, dobře tlumí rázy, některé se dají dobře svařovat a další vlastnosti. Plasty jsou materiály s nejkratší historií, ale jejich rozvoj umožňuje nahradit konstrukční materiály, které byly do nedávna nenahraditelné.
1.2 Plasty Počátky výroby plastů jsou v období mezi první a druhou světovou válkou v minulém století. Jejich prudký rozvoj, který nastal zvláště v období po druhé světové válce, kdy zničený světový průmysl potřeboval nové a hlavně levné materiály, znamenal, že jejich využití je bez rozdílu ve všech odvětvích průmyslu, ve sportu, lékařství atd. Plasty jsou látky na bázi makromolekulárních látek složených především ze dvou hlavních prvků – uhlíku - C a vodíku - H. S nimi jsou ale ve sloučeninách i další prvky, jako kyslík - O, dusík - N, chlór - Cl , a další. Jejich molekuly nejsou uspořádány pravidelně – jako např. krystaly kovů, proto nemají přesně stanovený bod tání a při namáhání např. tahem jsou náchylné k tečení.
1.2.1 Výroba plastů Převážně se plasty vyrábějí synteticky ze surovin jako je ropa a uhlí, ze kterých se vyrábí benzen, butadien, ethylen, propylen, butylen, fenol, xylen a další látky. Z těchto surovin se poměrně složitými chemickými procesy vyrábějí látky nízkomolekulární, které slouží pro výrobu látek makromolekulárních zvaných polymery. Velmi zjednodušeně můžeme říci, že dalším zpracováním makromolekulárních látek mohou vznikat látky zvané lineární polymery nebo zesíťované polymery. Z lineárních polymerů se dalším zpracováním získávají hmoty zvané termoplasty. Tyto hmoty se dají tepelně plasticky tvářet – proto název termoplasty.
11
Z polymerů zesíťovaných se sice ohřevem dá vytvořit nový tvar – buď působením tepla, nebo pomocí katalyzátorů, ale dalším působením tepla už není nové přetváření možné, dojde k vytvrzení hmoty. Tyto materiály se nazývají reaktoplasty (dříve termosety). Při vulkanizaci zesíťovaných polymerů je umožněna velká pohyblivost celé makromolekulární sítě. Hmoty, které vulkanizací vznikají, nazýváme elastomery. K těmto hmotám patří např. syntetické kaučuky.
1.2.2 Možnosti aplikací Z vlastností plastů lze v strojírenství využít zejména jejich nízkého součinitele tření a otěruvzdornosti, houževnatosti v širším rozsahu teplot, elastického chování a schopnosti mechanického tlumení. Jiným důvodem použití mohou být chemická odolnost, případně elektro- nebo tepelně-izolační vlastnosti. V některých případech, zejména u konstrukcí, může hrát důležitou roli i nízká hmotnost plastů, u polymerních kompozitů pak příznivé hodnoty měrné pevnosti nebo měrného modulu, které dnes již konkurují klasickým kovovým materiálům. Dosavadní praxe soustřeďuje použití plastů zejména do oblasti kluzných a otěruvzdorných aplikací, samonosných konstrukcí, především nádob a nádrží chemických zařízení, dynamicky namáhaných prvků a na součásti s elektroizolačními nároky. Nejširší uplatnění nacházejí plasty při řešení tribologických problémů strojních dílů. Požadavek kluznosti, otěruvzdornosti, případně samomaznosti se týká především různých kluzných ložisek, pouzder a segmentů, ozubených kol, vaček, rolen, kladek, lanovic a jiných součástí. V oblasti dopravních systémů a linek se osvědčily kluzné vodicí profily válečkových nebo článkových řetězů, otěruvzdorné segmenty napínáků řetězů, usměrňovací nebo unášecí elementy montážních pásů a fixační prvky nosných rámů mezioperační přepravy polotovarů nebo i výrobků. Otěruvzdorné, nenasákavé slévárenské formovací desky, modely a díly zařízení pro úpravu písků jsou dalšími příklady použití plastů. Důležitou skupinu představují otěruvzdorné a nelepivé plastové výstelky dopravních a skladovacích zařízení sypkých abrazivních hmot, jako např. uhlí, písku, cementu,
12
energosádrovce nebo keramických a jiných materiálů. Plasty v tomto případě zabraňují nalepování, přimrzání, event. klenbování uvedených hmot na stěnách násypek, korečků velkorypadel, zásobníků, vagonů či redlerových žlabů, a zajišťují tak plynulý tok materiálů bez bezpečnostních rizik při čištění těchto zařízení. Automobilový průmysl je typickým strojírenským oborem, kde se plasty uplatňují. Hlavním důvodem je snižování hmotnosti vozidla, antikorozní vlastnosti a možnost vysoké racionalizace výroby. Šrouby a matice z plastů: materiály pro závitové součásti jsou různé podle povahy výrobku. Pro samonosné závitové součásti (šrouby a matice) volíme zásadně pevné a houževnaté plasty. Potrubí: odolnost proti atmosférické i půdní korozi, chemikáliím, nízká měrná hmotnost, snadná manipulace, doprava, otěruvzdornost, elektroizolační vlastnosti a levná výroba vytlačováním. Kluzná ložiska: jedna z hlavních oblastí použití plastů, ušetří se barevné kovy a není třeba olejové mazání. V textilním a potravinářském průmyslu je to nezbytné, nelze použít olej. Plastová ložiska lépe tlumí rázy a chvění. Ozubená kola používají se pro přenosy menších sil a nižších obvodových rychlostí v provozech bez mazání. Mají dobré tlumení vibrací a rázu, tichý chod a odolnost proti korozi.
1.3 Dřevo Dřevo je přírodní materiál, který se ve strojírenské výrobě používá přímo jako konstrukční materiál nebo jako surovina pro výrobu dalších technických materiálů.
1.3.1 Vlastnosti dřeva Závisí především na druhu dřeva, na jeho stáří, na klimatických podmínkách jeho růstu. Nevýhodou dřeva je jeho nestejnoměrná struktura, schopnost absorbovat vodu –
13
bobtnavost nebo naopak sesychavost, náchylnost k hnití. Má nízkou hustotu 0,5 kg/dm3, pevnost ve směru vláken je kolem 100 MPa, nízká tepelná vodivost, tlumení zvuku. Je snadno obrobitelné, dobře se spojuje a lepí. Proti působení povětrnostních podmínek se dřevo napouští chemickými látkami – impregnuje, nebo chrání nátěry. Impregnace dřeva je ochrana dřeva proti hnilobě, škůdcům a vlhkosti. Hlavní vlastnosti impregnačních látek musí být dlouhodobá chemická stálost, jedovatost pro hmyz, prostupnost do dřeva a ochrana proti houbám a plísním. Například dřevo, které má být umístěno do půdy (sloupy a pražce) se konzervuje olejem tak, že se do něj ponoří a ohřívá na bod varu vody. Ta se ze dřeva za této teploty vypařuje a je nahrazována olejem. Pro výrobu některých výrobků je třeba dřevo vysoušet, což se může dělat uměle vzduchem nebo párou, vysokofrekvenčním proudem nebo infračerveným zářením (světlem). Dřevo pro výrobu hudebních nástrojů musí být rozděleno (kmen je rozseknut na několik částí), uloženo na suchém místě a po dobu několika let schne a tzv. zraje.
Obrázek 2 Průřez kmenem – rozložení dřeva
14
1.3.2 Druhy dřeva a jejich využití Dřevo podle jeho vlastností můžeme rozdělit na dřevo měkké a tvrdé, podle druhu stromů na dřevo stromů jehličnatých a listnatých. Dřevo stromů jehličnatých i listnatých může být tvrdé i měkké. Dřevo domácích stromů jehličnatých je většinou měkké, není příliš pevné, snadno je štípatelné, s obsahem pryskyřic. Domácí druhy jehličnatého dřeva jsou cenově levné.
Smrk – má dřevo světlé, ne příliš kvalitní, je měkké, lehké, pružné, za sucha dosti štěpné. Užívá se pro stavební konstrukce, střešní konstrukce, výztuže přepravních beden, obaly strojů. Ale i pro výrobu hudebních nástrojů Borovice – dřevo je tmavší jako smrkové, podobného využití jako smrk, obsahuje více pryskyřice, je však tvrdší a odolnější povětrnostním vlivům. Je hůře zpracovatelné, užívá se na výrobu kádí, van a pro venkovní účely – je trvanlivější. Jedle – má tmavší dřevo než smrk, je pružnější, tvrdší a lehčí než smrkové. Užití je podobné jako u smrkového, na výrobu modelů pro slévárny. Modřín – poskytuje nejkvalitnější dřevo z našich jehličnatých stromů. Je netvrdší z jehličnatých, trvanlivé a pevné. Málo sesychá a dobře se zpracovává. Má dobře vypadající kresbu, pěkný vzhled, při namočení vyschlého dřeva dostává modrý barevný odstín. Využití v nábytkářství, výroba pro stavební účely – okna, dveře a další výrobky. Je poměrně drahé. Dřevo listnatých stromu – domácí stromy mají dřevo měkké i tvrdé. Tvrdé dřevo neobsahuje tolik pryskyřice, není tak štípatelné jako dřevo stromů jehličnatých, mají hustou strukturu, dobrou pevnost a velmi pěkný vzhled. Slouží k výrobě nábytku, dýh, hudebních nástrojů, sportovního nářadí a k uměleckým účelům. Buk – má dřevo pevné, tvrdé a těžké, je dobře štěpné a zpracovatelné. Pro dekorativní účely se dá velmi dobře leštit a mořit. Dřevo má načervenalou barvu s jemnou strukturou. Menší trvanlivost se odstraňuje jeho pařením nebo impregnací. Bukové dřevo má nejširší uplatnění ze všech listnatých stromů.
15
Dub – má dřevo velmi tvrdé, pevné a těžké. Je řidší než bukové. Dobře se moří ale hůře leští. Použití má podobné jako dřevo bukové. Topol – má dřevo měkké, lehké, málo trvanlivé a málo pevné. Má malou sesychavost a jeho největší využití je při výrobě překližek. Užívá se také při výrobě dýhovaného nábytku. Lípa – má dřevo bílé barvy, zbarvené jednotně, někdy s nádechem do hněda nebo žlutočervena. Je měkké, lehké, velmi dobře zpracovatelné a štípatelné. Užívá se ho nejvíce k řezbářským účelům a modelářství. Olše – má dřevo měkké, lehké, štípatelné a dobře zpracovatelné. Odolné vodě, málo pevné a málo pružné, spíše křehké. Jeho zbarvení je tmavě oranžové do červena. Užívá se k imitaci vzácných dřevin jako je mahagon nebo palisandr. Bříza – má dřevo bílé barvy, tvrdé, pružné ale zároveň houževnaté. Dřevo je málo trvanlivé. Užívá se k výrobě dýh, překližek, v řezbářství, k soustružení, výrobě pažeb střelných zbraní. Někdy i k imitaci mahagonu. Osika – má dřevo barvy šedo, nebo žluto bílé, měkké, lehké a málo pevné. Dřevo je málo sesychavé a užívá se hlavně na výrobu dýh, překližek a na obklady stěn. Jilm – má dřevo barvy bíložluté s tmavým jádrem. Je těžké, pevné a houževnaté, hůře zpracovatelné. Hlavně dýhy a obklady stěn. Javor – má bílé dřevo s krásným leskem, husté a těžké, ohebné a pružné. Je dobře zpracovatelné, užívá se na modely pro slévárny, dýhy a na nábytek. Jasan – má bílou barvu s odstínem růžové, se světle hnědým jádrem, houževnaté, pružné pevné a tvrdé dřevo. Má dobrou zpracovatelnost a leštitelnost. Užití na sportovní nářadí v nábytkářském průmyslu, na výrobu dýh. Ovocné dřeviny – třešeň, jabloň, hruška, švestka, ořech, meruňka a další. Dávají zbarvené dřevo většinou do červené nebo červenohnědé barvy. Využívá se k výrobě nábytku, dýh, modelů pro slévárny. Cizokrajná dřeva pocházej většinou z tropických krajů. Jsou drahá a užívají se pouze pro výrobu hudebních nástrojů a sportovního nářadí.
16
Korek – je to kůra z korkového dubu z Afriky nebo středomoří. Je lehký a má dobrou tepelnou izolační schopnost, velký součinitel tření. Je pružný, odolný chemikáliím. Výroba zátek, třecích lamelových spojek, podložky, zvukové izolace.
1.4 Sklo Výchozí surovinou pro výrobu skla je kysličník křemičitý. Sklo se vyrábí tavením tzv. sklářského kmene, což je křemičitý písek, vápenec, soda, skleněný odpad a další přísady. Výrobky se zhotovují litím, foukáním lisováním a dalšími způsoby. Skla dělíme podle přísad a podle zpracování na skla s různými vlastnostmi. Vhodný druh namáhání pro sklo je tlak. Propustnost skla pro různé vlnové délky světla je velmi důležitá a je ukazatelem pro jeho užití. U skla můžeme ještě udávat odraz a lom světla.
1.4.1 Druhy skla a jejich užití Bezpečnostní sklo Vyrábí se z bezpečnostních důvodů. Užití je u vozidel, kde se používá buď sklo vrstvené, které se po nárazu sice popraská, ale nerozpadne se. Nebo sklo tvrzené, které se po nárazu rozpadne na velké množství malých kousků. Sklo s drátěnou vložkou má uvnitř zalitou drátěnou síť, která drží sklo, které když praskne, je drženo drátěnou vložkou. Užívá se ve stavebnictví.
Konstrukční sklo Je hladké sklo, odolné chemikáliím. Jeho využití je v průmyslu na výrobu potrubí, vodoznaky, reklamy, v potravinářském a farmaceutickém průmyslu, lékařství. Na svítidla, jako stavební materiál v optice atd.
17
Nenamrzající skla Jsou to skla částečně vodivá, která se zahřívají odporem při průchodu proudu.
Obrázek 3 Schéma výroby skla
1.5 Technická pryž Pryž vzniká vulkanizací kaučuku. Kaučuk můžeme získat v přírodě srážením kaučukového mléka (strom kaučukovník) nebo syntetický kaučuk je plastický materiál získaný polymerací. Do kaučuku se přidávají další látky – vulkanizační činidla, jako je např. síra, plniva a další přísady, které pryž upravují do podoby, v jaké ji známe (změkčování, zbarvení atd.). Vulkanizace je ohřev kaučuku na vyšší teplotu, kdy se z materiálu plastického právě účinkem síry stává materiál elastický. Většina pryžových výrobků se lisují za současné vulkanizace, která probíhá přímo v lisovací formě. Vlastnosti hotového pryžového výrobku jsou dány složením kaučukové směsi, tj. množstvím plniv vulkanizačních činidel, přísad a také na způsobu – technologii zpracování kaučuku.
18
Využití pryže je téměř ve všech odvětvích průmyslu a lidské činnosti. Počínaje automobilním průmyslem, kde je asi spotřeba největší, potravinářský průmysl, zdravotnictví atd. Na výrobu pneumatik, řemenů, obuvi, rukavic, dopravních pásů, hadic, izolací v elektrotechnice, tlumící prvky, obložení atd. Starou pryž je možno regenerovat. Ze staré pryže získaná surovina se přidává buď do pryže nové, nebo slouží pro výrobu součástí podřadnějšího významu.
1.6 Technická kůže Kůže zvířat je surovinou pro výrobu usně. Surová kůže je tvrdá, lámavá, málo pevná a snadno podléhá hnilobě. Proto se musí vyčinit, promastit a různě upravit, aby získala požadované vlastnosti a tím se dala využít v průmyslu. Vyčiněná kůže se nazývá useň. Kvalitní useň je houževnatá, pružná, pevná, ohebná a snadno tvárná. Ve strojírenství se používá nejkvalitnější useň, která se vyrábí ze hřbetů a ramen. Usně se používají na výrobu hnacích řemenů (ploché, klínové a profilové). K pohonu malých strojků se používají i usně kruhových průřezů. Dále se z ní vyrábějí membrány, těsnící podložky a další součásti.
1.7 Technické textilie Základní surovinou pro výrobu textilu jsou vlákna a to přírodní rostlinná nebo živočišná a umělá. Mezi rostlinná vlákna patří len, konopí, juta, lýko, bavlna atd. V přírodě se vyskytují jako součást rostlinného těla. Živočišná vlákna tvoří buď srst savců, nebo ztuhlý bílkovinný výměšek housenek. Umělá (syntetická) vlákna mohou být různého chemického původu. Nejčastěji se používají vlákna polyamidová (silon, nylon, perlon,…). Vlákna se spřádají v přízi (nit) o určité jemnosti (průřezu). Příze se pak zpracovává tkaním, pletením i jinými výrobními pochody. Dnes se používají i netkané textilie, které se vyrábějí z vláken plastů (vznikají lepením, foukáním a lisováním).
19
Textilie se používají na těsnění, dále jako výztužné vložky do textilních pásů apod.
1.8 Technická keramika Suroviny pro výrobu technického porcelánu získáváme rozemletím minerálních hmot. Tvar dostává výrobek formováním. Následuje pálení při vysoké teplotě, při kterém dochází ke slinutí prášku – podobný proces jako u práškové metalurgie. Produkty technické keramiky jsou: •
technický porcelán,
•
technická kamenina,
•
tavený čedič.
Technický porcelán se vyrábí z kaolinu. Rozemletá směs se pak zpracuje lisováním, vytlačováním nebo litím. Na vysušený výrobek se nanese povlak zvaný glazura. Následuje vypalování v peci při teplotě 1500 oC. Vznikne tvrdý výrobek s pórovitou strukturou, má nižší pevnost při namáhání rázy, velkou tepelnou odolnost (nemění své vlastnosti se vzrůstající teplotou). Jsou to výborné elektrické izolanty. Výrobky vydrží tepelné namáhání kolem 1000 oC Využití těchto materiálů je hlavně v elektrotechnice, ale i v dalších odvětvích průmyslu. Technická kamenina – výchozí surovinou jsou kameninové jíly. Hmota se vypaluje při teplotách až 1300 oC. Od technického porcelánu se liší tmavší barvou – zbarvení do hněda. Je křehký, má dobrou odolnost proti chemikáliím. Proto se využívají výrobky z kameniny pro účely chemického průmyslu – výroba van na chemikálie. V současné době je stále více nahrazována plasty, které mají menší hustotu, jsou odolnější proti chemikáliím a mají lepší zpracovatelnost. Tavený čedič – je snadno tavitelný, rychlým ochlazením taveniny vzniká sklovitá hmota, pomalým ochlazením hmota krystalická. Mechanické vlastnosti závisí na druhu a velikosti krystalů. Tuto velikost krystalů můžeme řídit rychlostí chladnutí taveniny.
20
Výrobky se lijí podobně jako litina, do forem. Výrobky Výrobky mají vysokou tvrdost a velmi dobrou odolnost proti otěru a opotřebení. Využívají se všude tam, kde je velké namáhání součástí otěrem, např. žlaby laby na dopravu kamení, štěrku a další.
1.7.1 Druhy textilií a jejich použití
Textílie
Plst
Plachtovina
Obalové tkaniny
Kord
Šnúry a lana
Filtrační tkaniny
Plst Je to netkaná textilie textilie z ovčí, králičí nebo hovězí srsti. Používá se na těsnění, leštící kotouče, filtry a v čalounictví. Velmi dobře tlumí chvění a zvuk. Plachtoviny Jsou to pevné, nepromokavé, konopné, lněné, nebo bavlněné tkaniny. Používají se pro nákladní auta, stany, na různé kryty apod. Filtrační tkaniny Jsou lněné, konopné, bavlněné nebo polyamidové tkaniny, které se používají hlavně v potravinářském, chemickém chemickém a keramickém průmyslu. Obalové tkaniny Jsou to juta a konopí. Používají se na pytle a čalounické práce. Kord Je to tkanina z viskózovitého hedvábí nebo bavlny a používá se hlavně při výrobě pneumatik.
21
Šňůry a lana Vyrábějí se z bavlny, konopí, umělého hedvábí a polyamidových vláken. Používají se u transportních zařízení, v lodní dopravě nebo jako těsnící šňůry.
1.9 Brusivo Broušení je třískové obrábění materiálu. Broušení se používá tam, kde není možné použít jiné způsoby obrábění, tj. pro obrábění materiálů velmi tvrdých – kovových i nekovových nebo k ostření břitů obráběcích nástrojů. Brousící nástroje se vyrábějí většinou ze dvou základních komponentů – z brusiva a pojiva. Brusiva jsou ostrohranné látky, různé zrnitosti (velikosti zrn), které jsou spojeny do jednoho celku (např. brusného kotouče různých tvarů) pomocí různých druhů pojiva.
1.9.1 Druhy pojiva Podle původu jsou brusiva přírodní nebo umělá. Podle tvaru, který je třeba pro jednotlivé druhy broušení, dělíme brusiva na: •
volná zrna (brousící, lapovací a leštící prášky, které jsou volně rozptýleny většinou v kapalinách nebo pastách),
•
brousící nástroje (zrna jsou slisována a stmelena do nástrojů různých tvarů, většinou kotoučů nebo segmentů různými druhy pojiv). Použití umělých nebo přírodních brusiv záleží na druhu materiálu obráběných ploch,
na kvalitě opracování. Při volbě brusiva je důležitá i jeho cena. Vzhledem k tomu, že přírodní brusiva nemají stejnou kvalitu, používá se ve stále větší míře brusivo umělé.
Přírodní brusiva podle tvrdosti: •
diamant,
22
•
přírodní korund,
•
smirek,
•
granát,
•
křemen,
•
pazourek,
•
pískovec.
Umělá brusiva: karbid boru, karbid křemíku, tavený oxid hliníku (umělý korund). Výroba brusných nástrojů, značení, tvary nástrojů, jejich užití a další témata týkající se broušení a brousících nástrojů, budou předmětem technologie obrábění broušením. Dalšími nekovovými materiály, které se používají nejen ve strojírenství ale i v jiných průmyslových odvětvích, v kultuře, zdravotnictví, sportu atd. jsou kůže, textilie, papír.
1.10 Mazací prostředky Mazací prostředky jsou materiály, pomocí kterých zlepšujeme tření dvou součástí, které se po sobě pohybují, ať už se jedná o pohyb valivý nebo posuvný (u tohoto pohybu je mazání obzvláště nutné). Žádná součást není vyrobena tak, aby měla ideálně hladký povrch, o čemž se můžeme přesvědčit pod mikroskopem. Obráběním řeznými nástroji vznikají v povrchu součástí rýhy – stopy po břitu nástroje, které způsobují drsnost povrchu. Pokud by se dva kovové materiály po sobě posouvaly, docházelo by ke kontaktu kovu s kovem a v místech dotyku by docházelo při pohybu k velkému tření, vzniku tepla, případně by se součásti vzájemně odíraly a ve stykové ploše by vznikaly drobné piliny. Síla, která by byla potřebná pro zachování pohybu, by byla velká. Pokud naneseme na styčné plochy mazací prostředky, vyplní mazivo prohlubně a rýhy způsobené nástroji. Pokud bude maziva dostatečné množství, vytvoří se mezi součástmi film
23
z maziva. Obě plochy se už pak nebudou dotýkat, ale budou plavat na vrstvičce maziva a tření včetně teploty se téměř odstraní. Tření podle velikosti a kvality mazání je suché – bez přítomnosti maziva; polosuché – vzniká tam, kde je maziva příliš málo a plochy součástí se v některých místech dotýkají; kapalinné tření – z maziva je vytvořen souvislý film a plochy jsou odděleny filmem z maziva. Maziva typicky obsahují 90 % základového oleje (většinou ropné frakce, tedy minerálního oleje) a do 10 % aditiv. Někdy se jako základové oleje používají také rostlinné oleje nebo syntetické kapaliny, například polyolefiny, estery, silikonové oleje, fluorkarbony a mnoho dalších látek. Aditiva snižují tření a otěr, zvyšují viskozitu, zlepšují viskozitní index, odolnost proti korozi a oxidaci, stárnutí nebo kontaminaci apod.
1.10.1 Druhy maziv Podle původu maziva dělíme na rostlinné oleje, živočišné tuky a minerální maziva. Pro potřeby strojírenství se používají téměř výhradně minerální maziva. Surovinou pro výrobu těchto maziv je především ropa. Minerální maziva dále dělíme podle jejich skupenství na mazací oleje (při běžné teplotě jsou kapalné) a mazací tuky (při běžné teplotě netečou, jsou gelovité). Mazací oleje – nejdůležitější vlastností mazacích olejů je jejich viskozita neboli vazkost oleje. Viskozita udává velikost vnitřního tření. Jinak řečeno – čím je olej hustší, tím má větší viskozitu. Oleje nemusí sloužit jen k mazání součástí. Používá se jich jako tzv. řezných kapalin při třískovém obrábění. Jsou to minerální oleje, které jsou zušlechtěné přísadami. Tyto oleje pak nazýváme řezné oleje. Přivádíme je při obrábění do místa řezu, kde mají za úkol nástroj mazat a zároveň odvádět teplo vznikající při oddělování třísek.
Mazací tuky jsou látky, které se vyrábí z minerálních olejů, organických tuků a dalších přísad. Požívají se tam, kde užití olejů není vhodné, např. v prašném prostředí, tam, kde nemají součásti vysoké otáčky, tam, kde jsou vysoké tlaky, a olejový film by se z prostoru
24
mezi součástmi vytlačil a došlo by k polosuchému tření. Nedá se použít tam, kde je třeba odvádět teplo a místo nejen mazat ale zároveň chladit.
1.11 Shrnutí kapitoly V této kapitole jsme se seznámili nekovovými materiály. Plasty dělíme na termoplasty, reaktoplasty a elastomery. Termoplasty se dají teplem tvářet, reaktoplasty se tvářet dále teplem nedají, elastomery jsou elastické. Rozvoj výroby plastů je největší ze všech technických materiálů, nahrazují na mnoha místech kovy, například při výrobě ložisek. Dřevo je přírodní materiál, dělíme ho na tvrdé a měkké, ze dřeva se vyrábí výztuže, lešení, dýhy, nábytek a další. Je náchylné k hnití a je nasákavé. Sklo se vyrábí z kysličníků křemíku jeho tavením. Vyrábí se bezpečnostní sklo, konstrukční sklo, nezamrzající sklo. Pryž je materiál vyráběný vulkanizací kaučuku, užívá se nejvíce na výrobu pneumatik, dopravních pás, hadic. Technická keramika má tyto produkty: technický porcelán, technická kamenina, tavený čedič. Brusivo se vyrábí z brusných zrn, která jsou buď rozptýlena nebo slisována do určitého tvaru brusného nástroje pomocí pojiva, brusivo je přírodní nebo umělé. Maziva dělíme na mazací oleje a mazací tuky, u mazacích olejů je nejdůležitější vlastností viskozita. Maziva jsou původu rostlinného, živočišného a jsou také minerální.
25
STUDIJNÍ MATERIÁLY povinná literatura SKÁLOVÁ, J., KOUTSKÝ, J., MOTYČKA, V., V. 2003. Nauka o materiálech. materiálech. Plzeň: Západočeská univerzita v Plzni. Plzni ISBN 80--7043-244-6. 6. doporučená literatura MLEZIVA, J., ŠŇUPÁREK, J., J. 2000. Polymery – výroba, struktura, vlastnosti a použití. použití 2., přeprac. vyd. Praha: Sobotáles. ISBN 80-85920-72 80 72-7. MLEZIVA, J., J., 1993. Polymery. Polymery. Praha: Sobotáles. ISBN 80-901570 80 901570-4-1. BAREŠ, R., R., 1988. Kompozitní materiály. materiály Praha:: SNTL. SNTL MENČÍK, J., J., 1990. Pevnost a lom skla a keramiky. keramiky. 1. vyd. Praha: SNTL ISBN 80 80-03 03-002052. POKLUDA, J., KROUPA, F., OBDRŽÁLEK, L., L., 1994. Mechanické vlastnosti a struktura pevných látek – kovy, keramika, plasty. plasty. 1. vyd. Brno: PC-DIR. PC DIR. ISBN 80-214 80 214-0575-9. 9. MOTYČKA, V., V., 1991. Nové keramické materiály ve strojírenství. strojírenst 1. vyd. Plzeň Plzeň:: ZČU. ZČ ISBN 80-7082 7082-044-6. 6. KOLOUCH, J., J., 1981. Strojní součásti z plastů. plastů. 1. vyd. Praha: Praha: SNTL.
OTÁZKY A ÚKOLY 1. Jaké druhy nekovových materiálů znáte? 2. Jaké druhy dřeva znáte? 3. Jaká surovina slouží pro výrobu pryže? pryže 4. Jaká je výchozí surovina pro výrobu skla a jaké druhy skla znáte? 5. Jaké jsou produkty produkty technické keramiky a jejich užití užití v praxi? 6. Co jsou to maziva a jak je rozdělujeme?
26
KLÍČ K ŘEŠENÍ OTÁZEK Viz výklad
27
Kapitola 2 - Polymery a plasty – molekulární a nadmolekulární struktura, základní druhy, vlastnosti
KLÍČOVÉ POJMY Polymer, polymerace, polykondenzace, polyadice, plasty, molekulární struktura plastů, nadmolekulární struktura plastů
CÍLE KAPITOLY •
definovat polymerní materiály
•
popsat chemickou chemick strukturu polymeru
•
rozdělit plasty podle různých hledisek
•
rozdělit a popsat molekulární strukturu plastů
•
rozdělit a popsat nadmolekulární strukturu plastů
•
vyjmenovat vlastnosti vlastnosti plastů
ČAS POTŘEBNÝ KE STUDIU STUDIU KAPITOLY 4 hodiny
VÝKLAD
28
2.1 Polymerní materiály Při volbě materiálu je třeba vedle vlastností a ceny hmoty vzít v úvahu i jeho zpracovatelnost, která výrazně ovlivňuje mechanické a fyzikální vlastnosti konečného výrobku, ale i technologické podmínky, konstrukční řešení nástroje a volbu stroje. Vlastnosti a odolnost polymerů jsou v podstatě dány jejich chemickou a fyzikální strukturou, ale mohou být do značné míry ovlivněny i zpracovatelským procesem. Polymer (řec. polys = mnoho; meros = část).
2.1.1 Chemická struktura polymeru Názvem polymer se označují makromolekulární látky přírodní a syntetické, bez zřetele k typu polyreakce (chemická reakce, která se mnohokrát opakuje), kterou byly připraveny. Většina makromolekulárních látek je syntetizována polyreakcemi monomeru (nízkomolekulárních sloučenin), které jsou připravovány převážné z ropy a zemního plynu. K nejdůležitějším polyreakcím patří polymerace, polykondenzace a polyadice. Polymerace je druh reakce, při které se molekuly monomeru slučují ve větší celky řetězením, aniž vzniká vedlejší produkt. Složení polymeru je tedy v tomto případě shodné se složením monomeru. Jestliže je makromolekulární látka tvořena jedním druhem monomeru označuje se homopolymer, jestliže vzniká polymerací dvou nebo více druhu monomeru, vzniká kopolymer. Polykondenzace je polyreakce, při níž se tvoří makromolekuly z monomeru za současného odštěpování nízkomolekulárního produktu (voda, amoniak aj.). Polyadice je reakce, při které vznikají polymery s neuhlíkovými atomy v řetězci. Podobně jako u polymerace nevznikají vedlejší produkty a reakce se zpravidla zúčastní dvě chemicky odlišné sloučeniny. Základní stavební (monomerní) jednotka charakterizuje chemickou strukturu polymeru, která nejvýznamněji rozhoduje o jeho chemických, fyzikálních a mechanických vlastnostech.
29
Organické polymery mají základní skelet tvořeny atomy C, N, O, S, na něž jsou vázány další atomy (H, Cl, F, Br) a různá seskupení atomu (-CH3, -C6H5, -COOCH3 apod.). Anorganické polymery mají v páteři molekulárních řetězců některé z anorganických prvků jako například Si (silikony). Jestliže monomer obsahuje pouze dvě místa schopná tvořit kovalentní chemickou vazbu, vznikají polymery lineární. Při větším počtu míst mohou vznikat polymery rozvětvené nebo polymery prostorově zesíťované. Tvar makromolekul je dán funkčností monomeru, která rozhoduje o možnosti vzniku makromolekul lineárních nebo zesíťovaných. Též reakční podmínky (tlak, teploty) mají vliv na to, zda vznikne polymer lineární nebo rozvětvený. Rozvětvené makromolekuly vznikají obvykle při polyreakcích vícefunkčních monomerů a jsou přechodné při vzniku polymerů zesíťovaných. Rozvětvené polymery jsou v rozpouštědlech rozpustné, zesíťované se v nich nerozpouští, ale bobtnají.
Obrázek 4 Druhy makromolekul podle makrogeometrického vzhledu: 1 - lineární, 2 - rozvětvená, 3 – zesíťovaná
Lineární polymery jsou tvořeny lineárním řetězcem. Ohebnost řetězce je příčinnou houževnatosti v tuhém stavu a dobré tekutosti a zpracovatelnosti v roztaveném stavu. Rozvětvené polymery jsou tvořeny lineárním hlavním řetězcem, z něhož odbočují postranní řetězce (větve) krátké nebo dlouhé a muže jich být vetší či menší počet.
30
Pohyblivost řetězců je zpravidla menší než u lineárních polymerů a projevuje se sníženou tekutostí v roztaveném stavu. Zesíťované polymery vznikají z několika lineárních řetězců spojenými příčnými vazbami (můstky). Svázáním řetězců se zmenšuje jejich pohyblivost jako celku a pohyblivými zůstávají jen úseky makromolekul mezi můstky. Při vysokém stupni zasíťování jsou prakticky všechny původní makromolekuly v polymeru pospojovány příčnými vazbami, takže vznikne jediná prostorová zesíťovaná makromolekula. Vytvořením takovéto prostorové struktury ztrácejí polymery rozpustnost, tavitelnost, schopnost krystalizace, zhoršuje se houževnatost, ale naopak se zlepšuje teplotní odolnost a zvyšuje se tvrdost.
2.2 Plasty Plastem se nazývá materiál, jehož základní složku tvoří polymer. Kromě polymeru plasty obsahují přísady sloužící k úpravě jejich vlastností. Jsou to zejména plniva, barviva, stabilizátory a změkčovadla. Plast v průběhu zpracovatelského procesu prochází alespoň jednou plastickým stavem. Synteticky připravované makromolekulární látky vznikají polyreakcí (polymerace, polykondenzace a polyadice). Jedná se v podstatě o velmi jednoduché chemické reakce, které se mnohokrát opakují, takže původní nízkomolekulární sloučenina monomer přechází ve vysokomolekulární látku zvanou polymer. Plastem se polymer stává poté, co ho smícháme a smísíme s nezbytnými přísadami a převedeme do formy vhodné k dalšímu technologickému zpracování, např. do formy granulí, prášků, tablet, apod. – obecný termín polymer představuje chemickou látku, zatímco plast je technický materiál, který musí mít vhodné užitné vlastnosti.
2.2.1 Rozdělení plastů Plasty je možno klasifikovat podle různých hledisek:
31
1. Podle aplikace a podle konstrukční složitosti vyráběných dílů, lze plasty rozdělit do následujících skupin: •
plasty pro široké použití, mezi které patří polyolefiny (PE, PP), polystyrénové hmoty (PS), polyvinylchlorid (PVC), fenolformaldehydové (PF) a močovinoformaldehydové hmoty (UF),
•
plasty pro inženýrské aplikace, kam lze zařadit polyamidy (PA), polykarbonáty (PC), polyoximetylén
(POM),
polymetylmetakrylát
(PMMA),
terpolymer
ABS,
polyfenilénoxid (PPO), polyuretan (PU), epoxidové (EP) a polyesterové (UP) pryskyřice, •
plasty pro špičkové aplikace, do kterých lze zařadit polysulfon (PSU), polyfenylénsulfid (PPS), tetrafluoretylén (PTFE), polyimidy (PI) a další.
2. Na základě teplotního chování, podle působení teploty na: •
termoplasty - jedná se o polymerní materiály, které při zahřívání přecházejí do plastického stavu, do stavu vysoce viskózních nenewtonovských kapalin, kde je lze snadno tvářet a zpracovávat různými technologiemi. Do tuhého stavu přejdou ochlazením pod teplotu tání Tm (semikrystalické plasty), resp. teplotu viskózního toku Tf (amorfní plasty). Protože při zahřívání nedochází ke změnám chemické struktury, lze proces měknutí a následného tuhnutí opakovat teoreticky bez omezení. Jedná se pouze o fyzikální proces. K termoplastům patří většina zpracovávaných hmot, jako je polyethylen (PE), polypropylen (PP), polystyren (PS), polyvinylchlorid (PVC), polyamid (PA), atd.
•
reaktoplasty - jedná se o polymerní materiály, dříve nazývané termosety, které rovněž v první fázi zahřívání měknou a lze je tvářet, avšak jen omezenou dobu. Během dalšího zahřívání dochází k chemické reakci – prostorovému zasíťování struktury, k tzv. vytvrzování. Výrobek je možno považovat za jednu velkou makromolekulu. Ochlazování reaktoplastů probíhá mimo nástroj, neboť zajištění rychlého ohřevu formy pro vytvrzení a následné rychlé ochlazení materiálu by bylo obtížné. Tento děj je nevratný a vytvrzené plasty nelze roztavit ani rozpustit, dalším
32
zahříváním dojde k rozkladu hmoty (degradaci). Patří sem fenolformaldehydové hmoty, epoxidové pryskyřice, polyesterové hmoty, apod. •
kaučuky, pryže a elastomery - jedná se o polymerní materiály, které rovněž v první fázi zahřívání měknou a lze je tvářet, avšak jen omezenou dobu. Během dalšího zahřívání dochází k chemické reakci – prostorovému zasíťování struktury, probíhá tzv. vulkanizace. U elastomerů na bázi termoplastů nedochází ke změnám chemické struktury, proces měknutí a následného tuhnutí lze opakovat teoreticky bez omezení, probíhá zde pouze fyzikální děj.
3. Podle nadmolekulární struktury (podle stupně uspořádanosti), kdy nadmolekulární struktura je nadřazena makromolekulám, se plasty dělí na: •
amorfní plasty, kde makromolekuly zaujímají zcela nahodilou pozici. Patří sem např. PS, PMMA, PC, apod. Jsou charakteristické tvrdostí, křehkostí, vysokou pevností, modulem pružnosti a jsou vzhledem k nízkému indexu lomu (1,4 až 1,6) průhledné, resp. dle propustnosti světla čiré (92 % propustnosti světla), transparentní anebo průhledné (60 % propustnosti světla). Součinitel teplotní roztažnosti a je menší, než u semikrystalických polymerů. Použitelnost amorfních polymerů je do teploty zeskelnění Tg.
•
krystalické (semikrystalické) plasty, které vykazují určitý stupeň uspořádanosti. Ten se označuje jako stupeň krystalinity (pohybuje se od 40 do 90 %) a vyjadřuje relativní podíl uspořádaných oblastí, uložených mezi oblastmi amorfními. Nemůže nikdy dosáhnout 100 %, proto se krystalické plasty označují jako semikrystalické. Patří sem PE, PP, PA, PTFE, POM, atd. Jsou mléčně zakalené, index lomu je větší a jsou charakterizovány houževnatostí materiálu, pevnost a modul pružnosti roste se stupněm krystalinity. Použitelnost semikrystalických plastů je do teploty tání Tm.
4. Podle druhu přísad na: •
neplněné plasty - neplněný plast je takový plast, u kterého množství přísad neovlivňuje vlastnosti polymerní matrice.
33
•
plněné plasty – plnivo ovlivňuje fyzikální a mechanické vlastnosti plastu. Makromolekulární látka plní funkci pojiva a určuje základní fyzikální a mechanické vlastnosti hmoty. Přísadou mohou být plniva, stabilizátory, maziva, barviva, změkčovadla, iniciátory, nadouvadla, tvrdidla, retardéry hoření, apod.
Plniva zlepšují buď mechanické vlastnosti materiálu, nebo chemickou odolnost či tvarovou stálost při zvýšené teplotě, jiné prostě jen hmotu zlevňují. Rozeznáváme vyztužující (skleněná, uhlíková, kovová či méně účinná bavlněná krátká nebo dlouhá vlákna, popř. textilní ústřižky do obsahu maximálně 50 %, neboť pro správnou funkci vyztužujícího plniva je důležité, aby bylo dokonale obaleno pojivem) a nevyztužující plniva ve formě prášku, která se přidávají většinou z důvodu snížení ceny materiálu (moučka z břidlice, kaolinu, křídy a dalších levných materiálů). Jiná plniva (např. grafit) zlepšují kluzné vlastnosti, práškové kovy zlepšují tepelnou vodivost. Přídavkem sazí (zejména u polyolefínů) se zvyšuje odolnost proti UV záření, atd. Obsah nevyztužujících plniv bývá až 70 %. Zvláštním typem plniva jsou skleněné nebo kovové kuličky, které zvyšují rozměrovou stabilitu a odolnost proti rázům, resp. vodivost. Stabilizátory (tepelné, světelné) jsou určeny k zpomalení degradačních procesů a zvýšení životnosti součásti. Maziva (obsah do 1 %) usnadňují zpracování polymerů např. tím, že snižují viskozitu polymeru nebo zabraňují lepení výrobku na stěnu formy. Mohou to být např. vosky, stearáty Zn či Ca, popřípadě méně používané oleje a tuky. Barviva (obsah do 10 %) dávají plastům požadovaný barevný odstín. Většinou se používají barevné pigmenty založené na anorganických sloučeninách kovu (oxidy železa popř. chrómu). Organická barviva (lihové roztoky) rozpustná v polymeru se použijí tehdy, má-li hmota po vybarvení zůstat průhledná. Změkčovadla zlepšují houževnatost, zpracovatelnost a ohebnost materiálu, ovšem na úkor mechanických vlastností. Tvrdidla způsobují vznik příčných vazeb mezi makromolekulami a tím vytvrzení. Iniciátory a urychlovače polyreakcí ovlivňují účinek tvrdidla. Retardéry hoření působí samozhášivě, zpomalují proces hoření plastů nebo vůbec nedovolí zapálení plastu. Nadouvadla jsou
34
přidávána v malém množství (0,5 ÷ 2 %) k základnímu materiálu a po zahřátí na zpracovatelskou teplotu se rozkládají v plynné látky, vytvářející lehčené plasty. 5. Podle polarity na: •
polární plasty – mají trvalý dipól a mezi polární plasty patří PA, některé pryskyřice, apod.
•
nepolární plasty – nemají trvalý dipól a patří sem PE, PP, PS, apod.
6. Podle chemické struktury plastů se odvodily chemické názvy a potom můžeme plasty dělit např. na polyolefíny, styrénové plasty, polyamidy, apod.
7. Podle původu (zastaralé dělení, neboť nepostihuje plasty výstižným způsobem) se polymery dělí na: •
přírodní – jsou založeny na přírodních makromolekulárních látkách, např. na bázi celulózy, latexu, kaseinu, atd.
•
syntetické – k výrobě je použita chemická cesta.
2.2.2 Molekulární struktura plastů Plasty jsou obecně makromolekulární látky o molekulové hmotnosti vyšší jak 104 a z chemického hlediska jsou to látky organické. Podstatou polymerů je makromolekulární látka přírodního nebo syntetického původu, která je tvářitelná za působení teploty T a tlaku p. V makromolekule se jako článek řetězu mnohokrát opakuje základní monomerní jednotka. Základním prvkem řetězce je atom uhlíku. Uhlíkové atomy mají schopnost vzájemně se vázat a vytvářet dlouhé řetězce.
V zásadě existují tři druhy polymerních makromolekul: lineární, rozvětvené (typické pro termoplasty) a zesíťované (kaučuky, reaktoplasty):
35
•
lineární makromolekuly vznikají tak, že se monomerní molekuly řadí jedna vedle druhé „jako korálky na šňůře perel“. Lineární makromolekuly se mohou z prostorových důvodů více přiblížit jedna ke druhé a vyplnit tak kompaktnější prostor. Polymery potom mají vyšší hustotu (např. vysokohustotní polyethylen HDPE). Lineární makromolekuly také snáze vytvářejí prostorově pravidelné shluky krystalických struktur, takže tyto polymery mají vyšší obsah krystalických podílů. Plasty s lineárními makromolekulami jsou obvykle dobře rozpustné a tavitelné (dobrá pohyblivost makromolekul), v tuhém stavu se vyznačují houževnatostí a ve formě tavenin dobrou zpracovatelností.
•
rozvětvené makromolekuly se vyznačují tím, že mají na základním řetězci boční větve („přívěsek na šňůře perel“). Rozvětvené makromolekuly se na rozdíl od lineárních makromolekul nemohou v důsledku bočních větví jedna ke druhé dostatečně přiblížit. Proto se vyznačují nižší hodnotou hustoty (např. nízkohustotní polyethylen LDPE). Uspořádanost jejich shluků je nízká a tudíž hůře krystalizují a mají nižší stupeň krystalinity. Rozvětvení zhoršuje i pohyblivost makromolekul a tedy i tekutost v roztaveném stavu. Boční řetězce, které způsobují oddálení sousedních makromolekul, mají za následek pokles mezimolekulárních sil a tím zhoršení většiny mechanických vlastností.
•
zesíťované makromolekuly – v tomto případě je několik přímých nebo rozvětvených makromolekulárních řetězců mezi sebou propojeno vazbami, takže vytvářejí jednu takřka nekonečnou makromolekulu – prostorovou síť. Takováto síť vede ke ztrátě tavitelnosti a rozpustnosti polymeru. Polymery vykazují vysokou tvrdost, tuhost a odolnost proti zvýšené teplotě, avšak nízkou odolnost proti rázovému namáhání. Sítě mohou být řídké (charakteristické pro elastomerní kaučukovité polymery) nebo husté (reaktoplasty).
Plasty jsou tvořeny makromolekulární látkou, kterou považujeme jako základní. Kromě této látky obsahují další příměsi, které však výrazně ovlivňují jejich mechanické,
36
fyzikální, chemické a vzhledové vlastnosti. Tyto příměsi jsou: plniva, změkčovadla, stabilizátory, nadouvadla, barviva a maziva. •
Plniva jsou látky původu organického i anorganického. Do plastů se přidávají především proto, aby ovlivnila vlastnosti plastu (mechanické a fyzikální) ale také jako náhrada za některé makromolekulární látky, čímž se dosáhne především cenových úspor.
•
Změkčovadla se přidávají do plastů, jejichž tvrdost by byla velká. Přidáním změkčovadel dosáhneme větší měkkosti a také ohebnosti materiálu.
•
Stabilizátory jsou látky, které po přidání do makromolekulární látky zlepšují její vlastnosti. Většinou zlepšují odolnost proti UV záření a povětrnostním vlivům, zlepšují odolnost proti zvýšené teplotě, odolnost proti oxidaci a některým chemikáliím. U některých polymerů zhoršují houževnatost.
•
Nadouvadla po přidání do polymeru uvolňují plyny a vytváří se pěnová hmota, která může mít dutinky, které jsou otevřené – nasákavé např. vodou, nebo uzavřené – nenasákavé.
•
Barviva slouží k dekorativním účelům polymerů – k dosažení požadovaných barevných odstínů plastů. Některá barviva delším působením UV záření ztrácejí svůj původní odstín.
•
Maziva se přidávají do polymerů při jejich tváření k dosažení dobrého tečení roztaveného polymeru.
•
Retardéry hoření
2.2.3 Nadmolekulární struktura plastů (morfologie) Nadmolekulární struktura (stupeň uspořádanosti makromolekul) může být popsána jednak jako amorfní a jednak jako krystalická. Lineární makromolekuly vytváří, na rozdíl od rozvětvených makromolekul uspořádanější nadmolekulární strukturu a zesíťované
37
makromolekuly strukturu neuspořádanou. Termoplasty tak mohou mít amorfní nebo semikrystalickou nadmolekulární strukturu, zatímco reaktoplasty pouze strukturu amorfní. •
amorfní
strukturou
rozumíme
strukturu bez jakékoliv uspořádanosti (struktura
chaotická).
Základním
morfologickým útvarem této struktury jsou globuly (nebo-li klubíčka) o velikosti
10¸
30 nm,
které
a)
b)
c)
jsou Obrázek 5 Nadmolekulární struktura amorfních
vytvořeny
z
chaoticky
stočených
plastů a) globula, b) uspořádání globul, c) svazek
makromolekul.
•
krystalická určitým Základním
struktura stupněm
se
vyznačuje
uspořádanosti.
morfologickým
útvarem
jsou tzv. lamely, fibrily. a)
b)
c)
Obrázek 6 Nadmolekulární struktura krystalických plastů a) proužek, b) lamela,
c) fibrila
U reálných výrobků se při tuhnutí z tavenin polymerů vytvářejí útvary, nazývané sférolity. Jedná se o shluky lamel, které vychází ze společného centra a rozrůstají se na všechny strany, často jsou vrtulovitě stočené. Krystalizující polymery nemají v reálných podmínkách technologického zpracování možnost dokonalé krystalizace, tzn., že krystalizace se nezúčastní veškerá polymerní hmota, ale krystalizuje jen určité procento polymeru. Část takového polymeru je krystalická, zbylá část zůstává v amorfním stavu. Hovoříme proto o tzv. semikrystalických polymerech. Míru uspořádanosti ve struktuře vyjadřujeme tzv. stupněm krystalinity. Stupeň krystalinity tedy udává relativní podíl krystalických oblastí ve hmotě. Pro vznik semikrystalické struktury je nutná tvorba krystalizačních zárodků (tzv. nukleace), na nichž teprve poté rostou krystality. K nukleaci
38
dochází při ochlazování taveniny, která má amorfní strukturu. Pod teplotou zeskelnění Tg a nad teplotou tání Tm k nukleaci nedochází. Druhým důležitým faktorem, rozhodujícím o tvorbě krystalické fáze je doba, kterou má polymer k dispozici. Má-li se dosáhnout jemnozrnné struktury, musí krystalizace probíhat při takové teplotě, kdy se tvoří velké množství zárodků. Má-li výrobek vykazovat co nejlepší mechanické vlastnosti, je nutno řídit krystalizaci tak, aby bylo dosaženo nejen co nejvyššího stupně krystalinity, ale také současně jemnozrnné struktury. Prudké ochlazení povrchu budoucího výrobku způsobí, že polymer sice zkrystalizuje, ale nevytvoří sférolitickou strukturu.
Obrázek 7 Sférolitická struktura semikrystalických termoplastů
Hlavní prvky nadmolekulární struktury se utvářejí v průběhu chladnutí výrobku a to ať ve formě nebo mimo ni. Je-li krystalizace spojena s přeměnou fáze (polymer přechází ze stavu kapalného do tuhého) hovoříme o tzv. primární krystalizaci. Ta však ještě může pokračovat ve stavu tuhém (často i během několika měsíců) a nazývá se sekundární krystalizací. Jsou s ní spojeny nejen změny rozměrů, ale i vlastností výrobků a je tudíž jevem nežádoucím. Podmínky tuhnutí nejsou ve všech částech výrobku stejné a krystalizace je nerovnoměrná. Z technologického hlediska vzniká nestejnorodý, anizotropní materiál. Polymer chladne nejprve u stěny formy, naopak nejdéle chladne a zůstává v tekutém stavu uprostřed dutiny formy, tedy v jádru tělesa (u semikrystalických plastů je tak v jádru největší stupeň krystalinity, ve slupce tělesa naopak nejmenší). Tyto rozdílné podmínky vedou ke strukturnímu rozlišení mezi povrchem a jádrem tělesa. V krystalické oblasti polymerního materiálu bude mít materiál s vyšším stupněm krystalinity spíše lineární tvar makromolekuly
39
a tudíž vlivem těsnějšího uspořádání makromolekul v krystalických oblastech a vlivem vyšších mezimolekulárních sil, se bude polymerní materiál s vyšším stupněm krystalinity projevovat vyšší hodnotou pevnosti, tuhosti a tvrdosti. Houževnatost tohoto materiálu poklesne. Například HDPE má stupeň krystalinity kolem 80 %, zatímco LDPE kolem 60 %. Amorfní oblast polymerního materiálu představuje jakési klouby, kolem nichž se mohou krystality natáčet, takže přispívají ke zvýšení houževnatosti a tím i tažnosti. Z uvedeného je zřejmé, že vlastnosti polymerního materiálu budou závislé na tvaru makromolekuly a stupni krystalinity. Orientace makromolekul na povrchu vstřikovaného dílce je vlivem vysokých vstřikovacích sil ve směru toku taveniny (hovoříme o tzv. orientační textuře), zatímco v jádru tělesa zůstávají molekuly déle v tekutém stavu a než ztuhnou, stačí se vrátit do neorientovaného stavu. Jedním z důsledků krystalizace je ztráta průhlednosti materiálu. Vzhledem k tomu, že hustota amorfního polymeru je menší něž hustota polymeru semikrystalického, dochází při průchodu světla hmotou v důsledku různého indexu lomu k jeho rozptylu na drobných krystalických útvarech uvnitř výrobku z plastu a semikrystalický plast se jeví jako mléčně zakalený, zatímco amorfní plast jako čirý, průhledný.
2.2.4 Vlastnosti plastů Tabulka 1 Tabulka vlastností plastů
Vlastnosti plastů
Hodnoty vlastností
40
Hustota
900 – 2 200 kg/m3
Pevnost v tahu
30 – 80 MPa 100 – 200 MPa u vyztužených hmot
Tepelná roztažnost
cca 10 x větší jako u oceli
Tepelná vodivost
100 – 200 x menší jako u oceli
Tepelná odolnost
60 – 90 oC běžné polymery, 100 – 120 oC reaktoplasty a elastomery
Hořlavost
hoří pomalu a většinou samy zhasnou
Chemická odolnost
nekorodují, proti chemikáliím odolnější jako kovy
Zpracovatelnost
snadná a levná, hlavně termoplasty do 300 oC
Odpovídajícím chemickým složením a výrobním postupem při výrobě lze mícháním různých plastů získat téměř libovolnou vlastnost látky.
Typické vlastnosti plastů jsou: tvarovatelnost
odolnost proti korozi a chemickým vlivům
malá hustota
dobrá tvarovatelnost a opracovatelnost
volitelné mechanické vlastnosti
možnost barvení
elektroizolační vlastnosti
hladký, dekorativní povrch
dobrá tepelná izolace
Plasty mají ale také vlastnosti, které jejich použití omezují: většinou malá tepelná odolnost
většinou malá pevnost
41
částečná hořlavost
částečná nestálost k ředidlům
Vysoká odolnost plastů je sice pro jejich použití předností, ale zároveň je velkou nevýhodou při jejich likvidaci. Vzrůstající výroba plastů vytváří proto z jejich likvidace problém pro životní prostředí. Výhody a nevýhody plastů lze shrnout do následujících bodů. Mezi výhody patří nízká měrná hmotnost, výborné zpracovatelské vlastnosti, plasty jsou elektrické izolanty, mají výbornou korozní odolnost, tlumí rázy a chvění, atd. Nevýhodou jsou nízké mechanické a časově závislé vlastnosti, kríp, ekologická zatížitelnost, apod.
2.2.5 Názvy a užití některých důležitých plastů Termoplasty Polyvinylchlorid PVC – je asi nejpoužívanější plastickou hmotou. Tvrdý PVC má dobrou tvrdost, ale je křehký, odolný proti kyselinám i zásadám, má dobrou pevnost, použitelný do teploty 60oC. Díky jeho odolnosti proti chemikáliím ho můžeme použít jako náhradu nerez ocelí. Slouží pro výrobu potrubí, nádrží. Měkčený PVC – přidáním změkčovadel vzniká ohebný a měkký materiál. Při teplotách pod 0oC křehne a při ohybu praská, vyrábí se z něj obuv, hračky, koženka, tapety, izolace vodičů a další. Směs PVC s chlórovaným polyetylénem – je mírně křehký, ale odolává povětrnostním vlivům. Vyrábí se z něho okapy, potrubní díly pro odpady. Vinylacetát – ohebný, poměrně tvrdý, otiskuje přesně povrch formy. Je jedním z nejznámějších plastů – sloužil, a dodnes ještě v malém množství slouží, k výrobě gramofonových desek. Polyetylén PE – odolává kyselinám i zásadám, teplotám do 75 oC, je dobrý izolant.
42
Měkký PE při teplotách pod 0oC nekřehne a je ohebný. Je vhodný pro svoji chemickou stálost pro výrobky v lékařství, potravinářském průmyslu – fólie na balení potravin, hadice, ubrusy, sáčky, ve strojírenství jako protikorozní ochrana kovů povlakováním. Polypropylén PP odolný teplotám až 90oC. Výroba potrubí, armatur, pro horkou i studenou vodu, injekční stříkačky. Polystyrén PS je polymerem styrenu a vyrábí se z něj hračky, hřebeny a obalový materiál. Dobře se lepí a zpracovává. Odolný teplotám až 75 oC, užívá se k tepelné a zvukové izolaci. Polytetrafluoretylen PTFE = teflon odolný proti všem chemikáliím, dobrý izolátor. Těsnění, ucpávky hadice, izolace vodičů, v letecké a technice raketové technice. S uhlíkem a bronzem se užívají na nemazaná těsnění a kluzná ložiska. Polyamidy vyráběné polykondenzací slouží k výrobě ozubených kol, ložisek, v optice na výrobu brýlí. Mimořádný význam mají polyamidová vlákna známá pod obchodním názvem silon, perlon, kapron, dederon. Polyetylentereftalát PETP je termoplastický polyester užívaný k izolaci kabelů, magnetofonové pásky, nafukovací čluny a haly, hadice na vodu. Polymetylmetakrylát PMMA – plexisklo je netříštivé organické sklo, užívané na ochranné kryty, štíty, v optice, reklamy, umývadla vany, zubařské hmoty.
Reaktoplasty a elastomery Fenolformaldehyd – užívá se na lisovací hmoty pod názvem např. bakelit, k výrobě elektroizolačních součástí, držadla žehliček. Epoxidy – elektrotechnika, lepidla pro kovy, chemicky odolné podlahy, sportovní nářadí – laminátové lyže a tyče. Polyuretan – tuhá kaučukovitá hmota má velkou otěru vzdornost a tlumící schopnost na silentbloky. Lehčený polyuretan těsnící pěny v chladírenství na tzv. izolační sendvičové panely, tmely, bezpečnostní obložení ve vozidlech.
43
Polyestery – jsou pojivem pro skleněná vlákna případně skleněné tkaniny – výroba tzv. skleněných laminátů s pevností přes 250 MPa. Odolávají teplotám do 120oC. Užívají se na výrobu karoserií, lodí, bazény, střešní krytiny a další. Silikony – jsou organické sloučeniny křemíku s kyslíkem, odpuzují vodu a mají velkou odolnost proti stárnutí a odolnost proti teplotám až 200oC. Vyrábí se z nich maziva pro letecký průmysl, tuhnou až při teplotě -70oC a jejich viskozita se téměř nemění ani při nízkých teplotách. Slouží pro výrobu hydraulických olejů, na izolace a teplem tvrditelné laky. Polychloropren – odolává povětrnostním podmínkám, olejům a slabým chemikáliím. Užívá se k výrobě dopravních pásů, hadic venkovních těsnění.
Tabulka 2 Číslování plastů
Číselná značka
Význam třetí a čtvrté číslice ve značce
64 xx xx
Třída norem plastů
64 xx xx
2 – teplem tvrditelné 3 – teplem tvárné 4 – hmoty vrstvené - lamináty
64 xx xx
Druh pryskyřice
64 xx xx
Pořadové číslo
První doplňkové číslo za tečkou značí tekutost. Druhé případně třetí doplňkové číslo značí barvu a odstín
2.3 Shrnutí Syntetické polymery vznikají z nízkomolekulárních sloučenin chemickými reakcemi – polymerace. Polymerace – adiční a kondenzační.
44
Adice – proces iniciovaný přítomností volných radikálů – nevznikají vedlejší produkty. Kondenzace – reakce dvou různých monomerů za vzniku polymerního řetězce a Kondenzace vedlejšího produktu (voda, amoniak…). amoniak Z monomerů vznikají vznikají řetězením polymery:
polymery lineární
rozvětvené
zesíťované
Obrázek 8 Rozdělení polymerů
Plasty jsou materiály, jejichž podstatnou část tvoří organické makromolekulární látky + přísady (aditiva za účelem úpravy specifických vlastností). Struktura polymerů: polymerů Submolekulární – opakující se konstituční jednotka polymerního řetězce – druh atomů, vazeb, velikost velikost a rozmístění substituentů na uhlíkových atomech. Molekulární – uspořádaní makromolekul z hlediska velikosti a její j í distribuce, větvení, hustoty sítě a vzájemného uspořádání opakujících se konstitučních jednotek. Nadmolekulární – vzájemné uspořádání uspořádání makromolekul makromolekul a útvarů vzniklých agregací ag jejich většího množství – druh elementární krystalové buňky, tloušťka lamelárních krystalů, krystalinita, stupeň orientace.
STUDIJNÍ MATERIÁLY povinná literatura
45
SKÁLOVÁ, J., KOUTSKÝ, J., MOTYČKA, V., V. 2003. Nauka o materiálech. materiálech. Plzeň: Západočeská univerzita v Plzni. Plzni ISBN 80--7043-244-6. 6. doporučená literatura MLEZIVA, J., ŠŇUPÁREK, J., J. 2000. Polymery – výroba, struktura, vlastnosti a použití. použití 2., přeprac. vyd. Praha: Sobotáles. ISBN 80-85920-72 80 72-7. MLEZIVA, J.,, 1993. Polymery. Polymery. Praha: Sobotáles. ISBN 80-901570 80 901570-4-1. BAREŠ, R., R., 1988. Kompozitní materiály. materiály Praha:: SNTL. SNTL MENČÍK, J., J., 1990. Pevnost a lom skla a keramiky. keramiky. 1. vyd. Praha: SNTL ISBN 80 80-03 03-002052. POKLUDA, J., KROUPA, F., OBDRŽÁLEK, L., L., 1994. Mechanické Mechanické vlastnosti a struktura pevných látek – kovy, keramika, plasty. plasty. 1. vyd. Brno: PC-DIR. PC DIR. ISBN 80-214 80 214-0575-9. 9. MOTYČKA, V., V., 1991. Nové keramické materiály ve strojírenství. strojírenst 1. vyd. Plzeň Plzeň:: ZČU. ZČU ISBN 80-7082 7082-044-6. 6. KOLOUCH, J., J., 1981. Strojní součásti z plastů. plastů. 1. vyd. Praha: Praha: SNTL.
OTÁZKY A ÚKOLY 1. Popište chemickou strukturu polymerů a vysvětlete pojmy polykondenzace, polymerace a polyadice polyadice. 2. Definujte plasty. plasty. 3. Rozdělte a popište rozdělení plastů podle jednotlivých hledisek. hledisek 4. Vysvětlete molekulární strukturu plastů. plastů 5. Popište nadmolekulární strukturu plastů. plastů 6. Uveďte vlastnosti plastů. plastů
46
KLÍČ K ŘEŠENÍ OTÁZEK Viz výklad
47
Kapitola
3
-
Rozdělení
plastů
–
termoplasty,
reaktoplasty; mechanické chování plastů; kaučuky
KLÍČOVÉ POJMY Elastomer, termoplasty, reaktoplasty, polyolefiny, polyhalogenolefíny, polystyrénové plasty, polyakryláty, polyacetaly, polyuretany, fenoplasty, aminoplasty, křivka napětí – deformace, pevnost (křehkost), tvrdost (měkkost), kaučuky
CÍLE KAPITOLY •
rozdělit polymery a definovat elastomery, reaktoplasty a termoplasty
•
uvést a popsat jednotlivé termoplasty a jejich využití
•
uvést a popsat jednotlivé reaktoplasty a jejich využití
•
charakterizovat mechanické chováni plastů
•
rozdělit a popsat kaučuky
ČAS POTŘEBNÝ KE STUDIU STUDI KAPITOLY 4 hodiny
VÝKLAD
Polymery, které zůstávají deformované, i když deformační napětí přestane působit a Polymery, jejichž deformační vlastnosti se mění v závislosti na teplotě, označujeme jako plasty..
48
Plasty patří mezi nejmladší konstrukční materiály. Jejich používání započalo až v období po 1. světové válce a prudký vývoj nastal až od 50. let minulého století. Už v roce 1985 bylo ve světě vyprodukováno více plastických hmot než oceli a tento trend stále pokračuje. Z nekovových materiálů vytlačují sklo, porcelán, kůži, textilní vlákna a dřevo. Velmi často nastupují na místo kovových dílů, kde mechanické vlastnosti ustupují pěknému vzhledu a chemické stálosti. Plasty jsou obecně velmi lehké, nekorodují, izolují tepelně i elektricky a dají se snadno a levně zpracovávat tvářením. Z přírodních látek se nejvíce podobají pryskyřicím.
Elastomer je vysoce elastický polymer, který lze za běžných podmínek malou silou značně deformovat bez porušení. Tato deformace je převážně vratná. Dominantní skupinou elastomerů jsou kaučuky, z nichž se vyrábí pryže (nespisovně guma). Termoplasty lze opakovaně ohřevem převést do stavu taveniny nebo viskózního toku a ochlazením nechat ztuhnout při teplotách, které jsou charakteristické pro daný typ termoplastu. Základ recyklačních technologií termoplastů. Reaktoplasty procházejí při zpracovatelském procesu chemickou reakcí a účinkem tepla, záření nebo síťovacích činidel vytvářejí husté, prostorově zesíťované struktury, v nichž jsou původní molekuly vzájemně pospojovány kovalentními vazbami. Tento proces se nazývá vytvrzování. Reaktoplast je ve vytvrzeném stavu netavitelný a nerozpustný. Recyklace reaktoplastů je proto obtížnější než u termoplastů a vyžaduje jiné postupy.
V laboratořích i v chemickém průmyslu lze připravovat plasty zcela určitých, předem stanovených vlastností, které přírodní látky nemají. Plasty se nevyskytují v přírodě, ale jsou výrobkem člověka. Dnes se vyrábí velké množství plastů. Můžeme
49
hovořit o chemii plastů. Abychom se mohli orientovat v plastech, musíme si je rozdělit. Nejčastěji se plasty dělí podle chování při zahřívání. Z tohoto hlediska dělíme plasty na termoplasty a reaktoplasty.
Tabulka 3 Rozdělení plastů
3.1 Termoplasty Termoplasty jsou plasty, které mají schopnost opakovaně ohřevem měknout a ochlazením tuhnout v teplotním intervalu charakteristickém pro daný plast. Polyolefiny Polyolefiny obecně vznikají polymerací olefinových uhlovodíku. Největší technický význam mají polyetylén a polypropylén, které jsou současně polymery vyráběnými v největším objemu. Jejich výroba vychází přímo z etylénové a propylenové frakce při destilaci ropy a není tedy založena na chemické syntéze, jako je tomu u všech ostatních polymerů.
50
Polyetylén Podle podmínek polymerace se vyrábí polyetylén různým způsobem a různou hustotou větvení makromolekul, což se odráží ve schopnosti krystalizace a tedy i hustotě. Rozlišují se základní tři typy: 1. polyetylén nízkohustotní s rozvětvenými makromolekulami, označovaný jako LDPE (Low Density Polyethylene) s hustotou obvykle mezi 915 – 925 kg.m3. 2. polyetylén vysokohustotní HDPE s lineárními makromolekulami obsahujícími pouze malé množství krátkých větví. Jeho hustota se pohybuje v rozmezí 950 – 970 kg.m3. 3. polyetylén lineární nízkohustotní, který nemá sekundární větvení makromolekul označovaný zkratkou LLDPE vlastnosti polyetylénu jsou dány zejména nepolárním charakterem jeho molekuly a schopností krystalizace (se stupňem větvení se zmenšuje). Má obecně dobrou chemickou odolnost, velmi nízkou nasákavost, permeabilitu pro plyny a páry a permitivitu. Hlavní oblastí použití jsou trubky, folie, izolace kabelu a barely. Polypropylen V technické praxi je nejběžnější izotaktický typ mající krystalickou strukturu. Svými vlastnostmi je podobný polyetylénu, ale má nižší hustotu, vyšší teplotu tavení a lepší mechanické vlastnosti. Oproti polyetylénu má však nevýhodu v křehkosti při teplotách pod 0 °C, menší propustnosti pro plyny a páry a horší odolnost proti atmosférickému stárnutí. Jeho použití je podobné jako u polyetylénu, ale vzhledem k lepším mechanickým vlastnostem se ve větším měřítku uplatňuje jako konstrukční plast. Charakteristickým rysem polyolefinu je schopnost dosáhnout vysokého stupně plastické deformace. Při tahové zkoušce se za výraznou mezí kluzu vytváří na zkušebním tělese lokální zúžení (krček), který se postupně šíři podél pracovní části tělesa. Polyolefiny dosahují deformace při přetržení několika set procent.
51
Polyhalogenolefíny Nejdůležitějším polymerem této skupiny je polyvinylchlorid (PVC), jemuž patří po polyolefinech druhé místo ve světovém objemu výroby. Používá se jednak v neměkčené formě, jednak s obsahem změkčovadel jako tzv. měkčený PVC. Neměkčený PVC se vyznačuje univerzálními vlastnostmi: • dobré mechanické vlastnosti, • dobré elektroizolační vlastnosti, • samozhášivost danou obsahem chloru v molekule. Vyplývá z toho i univerzálnost jeho použití, zejména na profilované výrobky určené pro různá prostředí (potrubí aj.). Měkčený PVC se používá především na folie, profily a opláštění elektrických vodičů. Značný objem PVC se zpracovává ve formě plastisolu (disperze prášku PVC na změkčovadle) pro nanášení otěruvzdorných a korozivzdorných vrstev např. na spodky automobilu. Polymery, u nichž jsou některé nebo všechny vodíkové atomy nahrazeny v olefinické molekule atomy fluoru, se nazývají fluoroplasty. Nejvýznamnějším fluoroplastem je polytetrafluoretylén (PTFE – teflon), krystalický polymer s makromolekulami nepolárního charakteru a kovalentními vazbami o vysoké vazebné energii. PTFE odolává zvýšeným teplotám, začíná se rozkládat až od 400 °C. Má velmi nízké hodnoty dielektrických charakteristik. Má extrémní odolnost proti nízkým teplotám (-150 °C) a povětrnosti. Jeho charakteristickou vlastností je rovněž velmi nízký koeficient tření. Nevýhodou jsou špatné mechanické vlastnosti. Oblast použití zahrnují součásti armatur pro vysoké teploty a korozívní prostředí, kluzná uložení, povlaky pro vysokofrekvenční techniku aj. Polystyrénové plasty Polystyrénové plasty zaujímají světovým objemem výroby třetí místo za polyolefiny a polyvinylchloridem. Dohromady se tyto tři plasty podílejí z více než 85 % na světové spotřebě plastu. Základním polymerem této skupiny je polystyren (PS) s amorfní strukturou způsobenou ataktickou izometrií. Je transparentní s vysokým indexem lomu.
52
Nepolární povaha je příčinou velmi nízké navlhavosti a dobré odolnosti proti kyselinám a zásadám. Je citlivý na korozi za napětí při styku s povrchově aktivními látkami (alkoholy, uhlovodíky). Je tvrdý a křehký, jeho použití je omezeno na méně náročné aplikace spotřebního charakteru. Lepší uplatnění má houževnatý polystyrén, což je dvoufázový systém složený ze spojité polystyrénové matrice, ve kterém jsou dispergovány částečky kaučuku. Jako izolační a obalový materiál má značný význam lehčený polystyrén, jehož objemová hmotnost se pohybuje mezi 15 a 50 kg.m3. Obsahuje množství dutinek, které vznikají zpěňováním polystyrénu obsahujícího nízkomolekulární látku těkavou při teplotě zpracování, tzv. nadouvadlo. Polyakryláty Polymery odvozené od kyseliny akrylové se obecně nazývají polyakryláty. Nejznámějším
z
nich
je
polymetylmetakrylát
(PMMA)
vznikající
polymerací
metylmetakrylátu, esteru kyseliny metakrylové. V praxi se používá zejména ve tvaru desek jako tzv. organické sklo. Charakteristickou vlastností PMMA je naprostá čirost. Prostupnost světelného záření má vetší než 90 % a to v celém rozsahu spektra. Polyacetaly Z polyacetalu má technický význam polyoxometylen (POM) (polyformaldehyd), který patří mezi nejdůležitější konstrukční polymery. Má vysokou pevnost, tvrdost a rázovou houževnatost až do teploty - 40 °C. Jeho předností jsou dobré tribologické vlastnosti a spolu s polyamidy tvoří skupinu termoplastu s nejlepší odolností proti otěru. Polyamidy Polymery s krystalickou strukturou obsahující v řetězci dusík. Polyamidy se zpracovávají vstřikováním, vytlačováním a nanášením PA prášku jako povlaku. Základní typ PA 6 (Silamid, Silon) má v neorientovaném stavu pevnost v tahu 45 MPa, po protažení až o 500 % vzrůstá na 500 MPa. PA má velmi nízký koeficient tření a dobře tlumí rázy a chvění, je proto vhodným materiálem na kluzná ložiska, řemenice aj. Výrobky se používají do teploty 120 °C.
53
PA 6 dobře odolává většině organických rozpouštědel s výjimkou metylalkoholu, omezeně odolává zředěným kyselinám. Sorpce vody má za následek bobtnání, čímž se mění tvar výrobku. Další typ PA 66 (Nylon) se vyznačuje vyššími mechanickými vlastnostmi. Polyuretany Chemicky jsou polyuretany (PUR) polyestery kyseliny karbamové a vznikají polyadiční reakcí vícefunkčních izokyanátů s vícefunkčními alkoholy. Pro jejich chemickou strukturu jsou charakteristické uretanové skupiny – NH – CO – O – vhodným výběrem a dávkováním monomeru a katalyzátoru a volbou reakčních podmínek lze dosáhnout rozmanitých vlastností polymeru. Polyuretany tak zahrnují širokou škálu materiálu od vstřikovacích hmot, licích pryskyřic po lehčené hmoty ve formě tvrdých, polotvrdých a měkkých pěn.
3.2 Reaktoplasty Reaktoplastem se nazývá plast, který muže být převeden do netavitelného a nerozpustného stavu účinkem tepla, záření nebo katalyzátoru. Při tomto pochodu se vytvářejí kovalentní příčné vazby mezi makromolekulami polymeru za vzniku struktury prostorové sítě. Pro síťování se v technické praxi používá pojem vytvrzování. Fenoplasty (fenolformaldehydová pryskyřice – bakelit) vznikají polymerací fenolu s formaldehydem. Podle vzájemného poměru fenolu a formaldehydu a podle způsobu kondenzace se vyrábějí buď novolaky nebo rezoly. Novolak se používá jako surovina pro nátěrové hmoty, inpregnační laky, přísada do tmelu aj. Jako technicky tvrditelné pryskyřice se dodávají novolaky ve formě prášku. Rezoly mají použití především jako pojidla nebo základní suroviny pro nátěrové hmoty, dále jako lepidla a poloprodukty pro výrobu licích pryskyřic, lisovacích a vrstvených hmot. Z fenoplastu se vyrábějí součástky pro elektrotechniku (tělesa vypínačů, jističů), tvrzená tkanina jako konstrukční prvky ve strojírenství. Fenoplasty jsou zdravotně závadné, neboť obsahují volný fenol.
54
Aminoplasty Aminoplasty vznikají kondenzací formaldehydu s amino sloučeninami (močovinou, melaninem aj.). V mnoha podobách se podobají fenoplastům. Močovinoformaldehydové pryskyřice se používají jako nátěrové hmoty, vypalovací laky a inpregnační prostředky pro textil a papír, lepidla atd. melaninformaldehydové pryskyřice jsou pevné, tuhé a transparentní hmoty. Jsou zdravotně nezávadné. Používají se na výrobu laku, lisovacích hmot, elektroizolačních vrstvených hmot, dekoračních vrstvených hmot atd. Epoxidové pryskyřice Vyrábějí se v několika druzích, které se liší způsobem vytvrzování. Při vytvrzování epoxidových pryskyřic nevznikají těkavé látky, takže je minimální nebezpečí vzniku bublin a smrštění je minimální. Epoxidy mají vynikající adhezi ke kovům, sklu, keramice i dřevu. Mají dobré chemické a elektroizolační vlastnosti v poměrně široké oblasti teplot. Z hlediska strojírenského použití mají epoxidy největší význam jako matrice kompozitu. Polyesterové pryskyřice Jsou nenasycené pryskyřice s lineární nebo slabě rozvětvenou strukturou. Její molekuly obsahují nenasycené dvojné vazby, které jsou schopny po přídavku vhodného monomeru se zúčastnit kopolymerační reakce. Touto reakcí vzniká zesítěná struktura, jenž je chemicky odolná. Síťovací reakce je exotermická.
3.3 Mechanické chování plastů Termín mechanické vlastnosti představuje soubor určitých číselných hodnot s určitou statistickou spolehlivostí. Termínem mechanické chování se označují průběhy těchto hodnot v závislosti na čase, teplotě, zkušební rychlosti, případně složení materiálu. Mechanické chování plastů závisí především na jejich struktuře. Strukturu můžeme definovat na různé úrovni. Počínaje molekulární, nadmolekulárních, přes fázové uspořádání, až po mikroskopické poruchy.
55
U plastů stejně jako u jiných konstrukčních materiálů zkoumáme základní mechanické vlastnosti, které poskytují důležité informace pro jejich použití. Křivka napětí - deformace. Podobně jako u kovů poskytuje křivka vyjadřující vztah mezi napětím a deformací důležité informace o vlastnostech materiálu. Vzhledem k výrazné časové a teplotní závislosti mechanického chování plastických hmot nabývají křivky napětí deformace různých tvarů nejen v závislosti na struktuře materiálu, ale též na podmínkách namáhání. Z křivky napětí - deformace lze kromě hodnoty pevnosti zjistit i mez kluzu, která sice svou podstatou zcela neodpovídá mezi kluzu určované u kovů, avšak její význam je podobný. Mezí kluzu označujeme to napětí, při kterém poprvé na této křivce roste deformace, aniž se zvyšuje zatížení. Pevnost (křehkost) je vlastnost látek odolávat vnějším silám. Také pevnost plastických hmot je závislá na vnějších podmínkách, i když lom nastává mimo oblast viskoelastického chování. Chování při porušení se řídí statistickými zákony o počtu a rozložení malých vad, které jsou zdrojem vznikajících a šířících se lomových trhlin. Skutečná pevnost polymerů je z důvodů mikrodefektů až o dva řády nižší než teoretická pevnost vypočtená z vazebných sil. Dále se u plastů zkoumá pružnost, tvrdost a tvárnost. Pružnost studuje vztah mezi deformacemi těles a vnějšími silami. Z hlediska pružnosti rozeznáváme pružná tělesa (elastická tělesa), která se působením vnější síly deformují, ale po odstranění této síly se vrací do původního stavu a nepružná tělesa (plastická tělesa), která se po odstranění vnější síly nevrátí do původního stavu. Tvrdost (měkkost) je vlastnost, vyjadřující odolnost tělesa proti vnikání cizího tělesa do jeho povrchu. Zkoumá se podobně jako u kovů. Tvárnost je míra schopnosti měnit tvar působením vnější síly při plastické deformaci bez porušení celistvosti materiálu. Tvárnost úzce souvisí s vnitřní stavbou látky, jejím chemickým složením, teplotou tvárného materiálu a druhem tvářecího procesu.
56
Protože jsou plasty velmi závislé na teplotě, zkoumají se všechny tyto vlastnosti za různých teplot. Kromě těchto vlastností je také důležité znát u plastů jejich teploty zeskelnění a teploty vzniku viskózního toku. Mechanické chování plastů má jednu zvláštnost, je závislé od času namáhání. Pro chování plastů při působení vnější zatěžující síly existuje rovnocennost čas - teplota. Dlouhé časy namáhání působí podobně jako vyšší teploty a naopak.
3.4 Kaučuky Kaučuky jsou základní surovinou pro výrobu pryží. Jsou to polymery, které mají ve svém makromolekulárním řetězci reaktivní místa, např. dvojné vazby umožňující chemickou síťovací reakci nazývanou vulkanizace. Vulkanizace probíhá při teplotách 150 °C až 200 °C za přítomnosti vulkanizačního činidla, s nímž kaučuk spolu s dalšími přísadami tvoří kaučukovou směs. Nejdůležitějším vulkanizačním činidlem je síra, jejíž atomy při vulkanizaci vytvářejí příčné vazby mezi původně lineárními makromolekulami kaučuku. Při vulkanizaci se plasticky tvárný kaučuk mění na pryž, jejíž základní vlastností je schopnost velké elastické deformace (100 až 500 i více %) při zatěžování v tahu. Deformace není přímo úměrná napětí. Touto vlastností se pryže odlišují od všech ostatních materiálů. Dalšími charakteristickými vlastnostmi pryže jsou odrazová pružnost, odolnost proti opotřebení a cyklickým deformacím, chemická odolnost, nepropustnost pro plyny a vodu a elektroizolační vlastnosti. Podle oblastí použití se kaučuky dělí na kaučuky pro všeobecné použití a kaučuky speciální, odolné proti olejům a vysokým teplotám.
Průmyslově se vyrábí a používá velké množství syntetických kaučuků, které se liší: • charakterem monomerů, • poměrem monomerů při kopolymerizaci, • podmínkami výroby a způsoby polymerizace, • typem iniciačních systémů, resp. katalyzátorů,
57
• typem emulgátoru, • druhem stabilizátoru (barvící, nebarvicí) a pod. Charakter syntetických kaučuků je dán jejich chemickým složením, makro i mikrostrukturou. Kaučuky pro všeobecné použití Do této skupiny patří kaučuky na bázi nenasycených uhlovodíku izoprenu a butadienu. Z kaučuku pro všeobecné použití se vyrábí většina běžných pryžových výrobků od pneumatik, hadic až po různé technické výlisky. Nejužívanějším plnivem jsou saze, k vulkanizaci se používá převážně síry. Polyizopren Je podstatou přírodního kaučuku získávaného z latexu kaučukodárných rostlin. Stejnou strukturu má i syntetický polyizoprenový kaučuk, který má výhodu ve větší čistotě, konstantní kvalitě a možnosti řízení délky makromolekul při polymeraci. Charakteristickou vlastností polyizoprenu je krystalizace vyvolaná deformací v tahu, což vede k jeho výraznému zpevnění. Polybutadienový kaučuk Tento kaučuk se vyznačuje vysokou elasticitou i za nízkých teplot, vysokou odolností proti otěru, vyšší odrazovou pružností a nižšími hysterezními ztrátami než má polyizopren. Používá se rovněž jako elastomerní přísada pro zvýšení houževnatosti plastu. Butadien – styrenový kaučuk Je nejdůležitějším syntetickým kaučukem, tvoří více než 55 % spotřeby všech kaučuku. Připravuje se kopolymerační reakcí butadienu (70 až 78 %) a styrenu (22 až 30 %).
Olejůvzdorné kaučuky Mezi tyto speciální kaučuky se řadí především kaučuk butadienakrylonitrilový a polychloropren. Butadienakrylonitrilový kaučuk vzniká kopolymerací butadienu a polárním
58
akrylonitrilem, s jehož obsahem klesá bobtnavost v pohonných látkách a v olejích, roste tvrdost, ale klesá elasticita. Polární polychloropren kromě olejůvzdornosti olejůvzdornosti vyniká dobrou odolností proti povětrnosti a ozonu, je samozhášivý a má výbornou adhezi k různým materiálům. Teplovzdorné kaučuky Nejdůležitějším kaučukem této skupiny je kaučuk silikonový. Má trvalou teplotní odolnost 200 °C až 250 °C, C, krátkodobě až do 350 °C. Avšak pro svojí nízkou hodnotu kohezní energie je jeho pevnost v tahu výrazně menší než u běžného kaučuku.
3.5 Shrnutí V této kapitole jsme se seznámili s nekovovými materiály – s plasty. plasty Plasty dělíme na termoplasty, reaktoplasty sty a elastomery. elastomery Termoplasty se dají teplem tvářet, reaktoplasty se tvářet dále teplem nedají, elastomery jsou elastické. Rozvoj výroby plastů je největší ze všech technických materiálů nahrazují na mnoha místech kovy, například při výrobě ložisek. Pry je materiál vyráběný vulkanizací kaučuku, užívá se nejvíce na výrobu pneumatik, Pryž dopravní pás,, hadic. dopravních hadic
STUDIJNÍ MATERIÁLY povinná literatura SKÁLOVÁ, J., KOUTSKÝ, J., MOTYČKA, V., V. 2003. Nauka o materiálech. materiálech. Plzeň: Západočeská univerzita v Plzni. Plzni ISBN 80--7043-244-6. 6. doporučená literatura
59
MLEZIVA, J., ŠŇUPÁREK, J., J. 2000. Polymery – výroba, struktura, vlastnosti a použití. použití 2., přeprac. vyd. Praha: Sobotáles. ISBN 80-85920-72 80 72-7. MLEZIVA, J., J., 1993. Polymery. Polymery. Praha: Sobotáles. ISBN 80-901570 80 901570-4-1. BAREŠ, R., R., 1988. Kompozitní materiály. materiály Praha:: SNTL. SNTL MENČÍK, J., J., 1990. Pevnost a lom skla a keramiky. keramiky. 1. vyd. Praha: SNTL ISBN 80 80-03 03-002052. POKLUDA, J., KROUPA, F., OBDRŽÁLEK, L., L., 1994. Mechanické vlastnosti a struktura pevných látek – kovy, keramika, plasty plasty.. 1. vyd. Brno: PC-DIR. PC DIR. ISBN 80-214 80 214-0575-9. 9. MOTYČKA, V., V., 1991. Nové keramické materiály ve strojírenství. strojírenst 1. vyd. Plzeň Plzeň:: ZČU. ZČU ISBN 80-7082 7082-044-6. 6. KOLOUCH, J., J., 1981. Strojní součásti z plastů. plastů. 1. vyd. Praha: Praha: SNTL.
OTÁZKY A ÚKOLY 1. Rozdělte polymery a definujte elastomery, reaktoplasty a termoplasty. termoplasty. 2. Uveďte a popište jednotlivé termoplasty a jejich využití. využití 3. Uveďte a popište jednotlivé reaktoplasty a jejich využití. využití 4. Charakterizujte mechanické chováni plastů. plastů 5. Rozdělte a popište jednotlivé druhy druh kaučuků. k
KLÍČ K ŘEŠENÍ OTÁZEK Viz výklad
60
Kapitola 4 - Posuzování jakosti plastů testováním – mechanické
vlastnosti
při
krátkodobém
a
dlouhodobém zatěžování
KLÍČOVÉ POJMY Mechanické vlastnosti, Creep (kríp), dynamické zkoušky, materiálové charakteristiky, krátkodobá tahová zkouška pevnosti, dlouhodobá zkouška pevnosti v tahu, krípová deformační zkouška, houževnatost
CÍLE KAPITOLY •
uvést veličiny pro deformační zkoušky
•
rozdělit deformační zkoušky
•
charakterizovat materiálové charakteristiky
•
uvést faktory, které ovlivňují mechanické vlastnosti plastů
•
popsat základní mechanické vlastnosti
ČAS POTŘEBNÝ KE STUDIU STUDIU KAPITOLY 4 hodiny
VÝKLAD
61
4.1 Mechanické vlastnosti polymerů Mechanickými vlastnostmi rozumíme komplex vlastností, které vykazují polymery vlivem působení vnějších (mechanických) sil. Tyto vlastnosti závisí především na fázovém stavu polymerů, na teplotě, na čase, na velikosti a směru působení vnější síly. Mechanické vlastnosti polymerů zjišťujeme pomocí deformačních zkoušek, při nich vyhodnocujeme vzájemný vztah čtyř proměnných veličin: napětí σ, relativní deformace ε, teplota T a čas t. Přehled různých typů deformačních zkoušek polymerů je zřejmý z následujícího schématu různých typů deformačních zkoušek u polymerních materiálů (σ - napětí, ε relativní deformace, T - teplota, t – čas, f - funkce)
„Creepem“ (krípem) rozumíme izotermální časovou závislost relativní deformace v důsledku působení konstantního deformujícího napětí. Relaxace napětí je deformační zkouška, při níž v čase t = 0 je vzorek deformován na určitou konstantní deformaci ε0. Toto je maximální deformační napětí σ0, které potom pozvolna klesá. Pracovní (tahová) křivka – pomocí těchto zkoušek, závislosti napětí na deformaci, sledujeme deformační chování vzorků stejného průřezu vystavených jednosměrné deformaci ve směru vzorku měnící se konstantní rychlostí (dε / dT = konst.).
62
Dynamické zkoušky umožňují komplexnější studium viskoelastických vlastností polymeru. Na vzorek je vkládáno periodicky proměnné tahové nebo tlakové napětí nebo je vzorek periodicky deformován (frekvence 10-2 až 103 Hz). Při vysokých frekvencích se materiál jeví jako dokonale elastická látka, naopak při nízkých frekvencích se uplatňují více viskoelastické vlastnosti.
4.1.1 Materiálové charakteristiky Pro materiálovou charakterizaci jsou používány krátkodobé standardní zkoušky, jejichž cílem je především stanovení minimálních hodnot požadovaných fyzikálněmechanických vlastností. Dále mohou sloužit pro kontrolu jakosti a stanovení oboru dohodnuté jakosti. Takto stanovené hodnoty jsou podkladem pro tvorbu materiálových listů. Relevantními materiálovými charakteristikami jsou: •
pevnost
•
tuhost
•
houževnatost
Mechanické vlastnosti plastů Faktory ovlivňující mechanické vlastnosti plastů: Mechanické vlastnosti polymerů jsou velmi rozdílné, značně závislé na teplotě a rychlosti deformace.
63
Obrázek 9 Vliv teploty na mechanické vlastnosti termoplastů
Mechanické vlastnosti ovlivňují, ale i jiné faktory jako: •
tvar výrobku
•
stav materiálu po zpracování (orientace makromolekul, úroveň vnitřních pnutí, krystalizace, stupeň vytvrzení)
Chování plastů při změně teploty je odlišné od kovů. Mezi základní mechanické vlastnosti patří zejména pevnost, houževnatost, rázová pevnost v tahu. Uvedené vlastnosti ověřujeme zkouškami podle příslušných norem.
Krátkodobá tahová zkouška pevnosti Patří mezi nejznámější prováděné zkoušky u polymerů. Při této zkoušce se zjišťují pevnostní a deformační charakteristiky dále celkové chování polymeru při deformaci.
64
Zjišťujeme tak: •
mez pevnosti (Rm v N.mm¯¹),
•
mez kluzu (Reh v N.mm¯¹).
Pevnostní charakteristiky zjišťujeme stejně jako u kovů na trhacím stroji stanovenou rychlostí deformace s možností zaznamenat plynule průběh síly a velikosti deformace. Z těchto získaných hodnot můžeme odvodit •
dovolené namáhaní ve smyku
•
dovolené namáhaní v tahu
Obrázek 10 Deformační křivka semikrystalického plymeru
Dlouhodobá zkouška pevnosti v tahu Na rozdíl od krátkodobé zkoušky tahem má lepší vypovídací schopnost o pevnostních vlastnostech polymeru. Spočívá v tom, že vzorek, který je vybrán ze svařeného zkušebního kusu, je namáhá dlouhodobě klidovou tahovou silou za konstantních podmínek okolí.
65
Pro urychlení průběhu zkoušky se používá roztok obsahující smáčedlo, ve kterém je zkušební vzorek ponořen při zvýšené teplotě. Zkušební napětí se volí tak, aby porušení vzorku nastalo křehkým lomem. Z výsledků měření se následně vypočte tzv. dlouhodobý svařovací faktor, poměr pevnosti v tahu svařovaného vzorku a výchozího materiálu, ze kterého byl zkušební kus svařen.
Krípová deformační zkouška Vypovídá o dlouhodobém chování polymerů při napětí nebo deformaci dlouhodobě působící na plast. Výsledkem krípové deformační zkoušky je zjištění hodnoty krípového modulu při namáhání v tahu (ale také v ohybu nebo tlaku), při které je pomalá deformace tělesa – creep, tečení (elastická i plastická) rostoucí s časem, vyvolaná konstantním mechanickým napětím. Creep se projevuje při dlouhodobém zatížení výrazně se stoupající teplotou prostředí. Creep výrazně omezuje přítomnost skleněných vláken nebo jiného vyztužujícího materiálu.
Modul pružnosti Ze zkoušky ohybem, se stanovuje zatěžováním zkušebního tělesa volně podepřeného podpěrami přítlačným trnem uprostřed podpěr. Tato metoda je vhodná pro termoplasty, včetně vyztužených a zvlášť křehkých matriálů. Možnost tak zkoušet polotovary z reaktoplastů, laminátů, vlákny vyztužených kompozitu. Metoda není vhodná pro zkoušení tzv. lehčených nebo sendvičových materiálů.
Houževnatost Významná mechanická vlastnost vypovídající o křehko-lomových vlastnostech zkoušeného materiálu za určitých podmínek. Zkouška je prováděna obdobně jako u kovů. Zkušební vzorek opatřený vrubem nebo bez něj je podroben zkoušce rázem v ohybu například Charpyho kladivem případně metodou Izod.
66
Přitom se zjišťuje hodnota energie potřebné na přeražení zkušebního vzorku v místě vrubu. Obě zkoušky jsou normované podle příslušné normy ČSN EN ISO. Měřením vrubové houževnatosti se dá potvrdit, jak významně se podílí vruby způsobené manipulací nebo nevhodným zacházením na pevnosti výrobků z plastů. Posuzuje i typ přeražení: C – úplné přeražení H – kloubové přeražení (obě části drží pohromadě tenkou vrstvou bez zbytkové pevnosti) P – částečné přeražení NB – nepřeraženo (zkušební těleso je pouze deformováno ohybem, v místě ohybu může dojít k zbělení)
Minimální požadovaná pevnost MRS Nově používaný způsob klasifikace termoplastů používaný u trubek a tvarovek používaných pro tlakové rozvody. Základem je odolnost proti vnitřnímu přetlaku vody při teplotě 20 °C po dobu 50 let (ČSN EN ISO 12162).
4.2 Shrnutí Mechanické vlastnosti polymerů jsou odrazem jejich: − Chemického složení − Velikosti a tvaru makromolekul − Nadmolekulární struktury (amorfní, krystalické) − Ale také závislosti na teplotě a na čase
67
Podle způsobu stanovení vlastnosti a podle účelu se mechanické vlastnosti vlastnosti dělí na : − Krátkodobé – vliv relaxačních dějů se považuje za zanedbatelný, stanovení požadovaných parametrů proběhne do několika minut (zkouška tahem, zkoušky tvrdosti) − Dlouhodobé – podle charakteru působící síly se dělí na statické (relaxace napětí, creepové deformační zkoušky) a dynamické (rázová a vrubová houževnatost, cyklické zkoušky)
STUDIJNÍ MATERIÁLY povinná literatura SKÁLOVÁ, J., KOUTSKÝ, J., MOTYČKA, V., V. 2003. Nauka o materiálech. materiálech. Plzeň: Západočeská univerzita v Plzni. Plzni ISBN 80--7043-244-6. 6. doporučená literatura MLEZIVA, J., ŠŇUPÁREK, J., J. 2000. Polymery – výroba, struktura, vlastnosti a použití. použití 2., přeprac. vyd. Praha: Sobotáles. ISBN 80-85920-72 80 72-7. MLEZIVA, J., J., 1993. 19 Polymery. Polymery. Praha: Sobotáles. ISBN 80-901570 80 901570-4-1. BAREŠ, R., R., 1988. Kompozitní materiály. materiály Praha:: SNTL. SNTL MENČÍK, J., J., 1990. Pevnost a lom skla a keramiky. keramiky. 1. vyd. Praha: SNTL ISBN 80 80-03 03-002052. POKLUDA, J., KROUPA, F., OBDRŽÁLEK, L., L., 1994. Mechanické vlastnosti vlastnosti a struktura pevných látek – kovy, keramika, plasty. plasty. 1. vyd. Brno: PC-DIR. PC DIR. ISBN 80-214 80 214-0575-9. 9. MOTYČKA, V., V., 1991. Nové keramické materiály ve strojírenství. strojírenst 1. vyd. Plzeň Plzeň:: ZČU. ZČU ISBN 80-7082 7082-044-6. 6. KOLOUCH, J., J., 1981. Strojní součásti z plastů. plastů 1. vyd. Praha: Praha: SNTL.
68
OTÁZKY A ÚKOLY 1. Uveďte veličiny pro deformační zkoušky. 2. Rozdělte deformační zkoušky. zkoušky 3. Vyjmenujte materiálové charakteristiky. charakteristiky 4. Uveďte faktory, které ovlivňují mechanické vlastnosti plastů. plastů 5. Popište základní mechanické vlastnosti plastů.
KLÍČ K ŘEŠENÍ OTÁZEK Viz výklad
69
Kapitola 5 - Keramika, sklo, sklokeramika – struktura, základní druhy, vlastnosti, použití
KLÍČOVÉ POJMY Keramické materiály, tradiční keramika, progresivní keramika, oxidová keramika, oxidové supravodiče, neoxidová keramika, karbidická karbidick keramika, nitridická keramika, boridická keramika, sklo, kovové sklo, sklotvornost, stabilita skla, sklokeramika, devitrifikace
CÍLE KAPITOLY •
uvést a popsat strukturu, základní druhy, vlastnosti a použití keramických materiálů,
•
rozdělit keramické materiály podle užitných vlastností a podle struktury a způsobu přípravy
•
uvést a popsat strukturu, základní druhy, vlastnosti a použití skla skla,
•
uvést rozdělení skla a popsat charakteristiku základních surovin
•
uvést a popsat strukturu, vlastnosti a použití sklokeramiky
ČAS POTŘEBNÝ KE STUDIU STUDIU KAPITOLY 4 hodiny
VÝKLAD
70
5.1 Keramické materiály Z mnoha archeologických nálezů je zřejmé, že keramické výrobky provázejí člověka již odpradávna, z některých historických období jsou dokonce dnes často jediným dokumentem jeho činnosti. Keramické materiály, které se původně připravovaly výhradně z přírodních surovin, jsou vlastně prvním člověkem vyrobeným materiálem se specifickými vlastnostmi a vynikající stabilitou těchto vlastností. Název „keramika“ má původ v starořeckém slově „keramos“, což znamená „pálená hlína“. Moderní keramické materiály se od původních výrazně liší nejen použitými surovinami a úrovní technologického zpracování, ale zejména svými užitnými vlastnostmi. Aplikační potenciál keramických materiálů je založen zejména na jejich vysoké tvrdosti, otěruvzdornosti, chemické stabilitě, pevnosti za vysokých teplot a nízkém koeficientu teplotní roztažnosti. Ale některé keramické materiály se také mohou vyznačovat jinými speciálními vlastnostmi, jako je vysoká permitivita, vysoká elektrická pevnost, dobrá iontová vodivost, piezoelektrické a pyroelektrické vlastnosti, magnetické vlastnosti, polovodičovými a supravodivými vlastnostmi. Definice keramických materiálů po dlouhá léta odrážela fakt, že tyto materiály byly ještě před nedávnem připravované jen tvarováním plastické směsi surovin, a následným spékáním při vysokých teplotách. S rozvojem materiálových technologií však postupně bylo možné připravit keramické materiály i v jiných formách a jinými technologickými postupy, proto současná definice keramického materiálu je: Keramický materiál je převážně krystalický, složený převážně z anorganických sloučenin nekovového charakteru.
5.1.1 Rozdělení keramických materiálů Keramické materiály dělíme: 1. Podle struktury a způsobu přípravy: - polykrystalické (připravené slinováním) - monokrystalické (připraveno řízenou krystalizací),
71
- tenké vrstvy (připravené povlakováním, např. metodami PVD, CVD, žárovým stříkáním). 2. Podle užitných vlastností: - tradiční keramika, - progresivní (pokročilá) keramika.
Ve vnitřní struktuře keramických materiálů se nacházejí převážně iontové a kovalentní vazby, struktura je převážně krystalická. Toto má vliv na charakteristické vlastnosti keramiky, které jsou: - Výhodné: tvrdost, otěruvzdornost, pevnost v tlaku, vysoká teplota tání, chemická odolnost, nižší hustota ve srovnání s kovy, převážně nízká elektrická vodivost, - Nevýhodné: křehkost, citlivost na teplotní šoky, složitá výroba a opracování.
Vlastnosti keramických materiálů jsou úzce spjaty s jejich strukturou a typem vazeb, jakož i s přítomností různých strukturních defektů. Stejně jako v případě jiných materiálů, i v případě keramických materiálů je možné s využitím poznatků materiálového inženýrství získat materiály se speciálními vlastnostmi. V porovnání s kovy se keramické materiály využívají zejména z hlediska své tvrdosti, otěruvzdornosti, žárupevnosti a žáruvzdornosti, chemické odolnosti, tepelných, elektrických a magnetických vlastností. Trvalou nevýhodou keramických materiálů je jejich křehkost, která limituje jejich použití. Výrazný vliv má velikost zrna (jemnější zrno = vyšší pevnost a houževnatost). Důvodem křehkosti keramických materiálů jsou jednak typy vazeb mezi atomy (fyzikální příčina) a typ krystalové mřížky (příčina geometrická). Všechny keramické materiály se vyznačují přechodovou teplotou Tp, pod kterou nejsou schopny jakékoliv plastické deformace, a proto se porušují křehce. Nad touto přechodovou teplotou se i při tahovém namáhání chovají alespoň principiálně tvárné.
72
Tradiční keramika Jako tradiční keramika se označují keramické materiály na bázi přírodních surovin (jílových minerálů, křemene, živců, magnezitu, bauxitu, vápence, dolomitu, apod.). Z nichž se vyrábějí předměty denní potřeby, jako např. cihly, dlaždice, sanitární keramika a porcelán. Na jejich vlastnosti nejsou kladeny speciální požadavky, ani na jejich přesné chemické a fázové složení. Výhodou je snadná dostupnost surovin a jednoduché spravováni. Tradiční keramika obvykle sestává ze dvou základních surovin: 1. plastické suroviny - kaolin, jíly, hlíny (hlinitokřemičitany), 2. neplastické suroviny: a) ostřiva - snižují smrštění při sušení a výpalu a zhoršují tvárnost (křemen, korund, šamot), b) tavidla - snižují smrštění při sušení a výpalu, vytvářejí taveninu a urychlují slinování (alkalické živce).
Nejčastěji používanými plastickými surovinami jsou tzv. hlinitokřemičitany, které se vyznačují vrstvenou strukturou. Mezi nejznámější hlinitokřemičitany patří kaolinit, halloysit, montmorillonit a illit, které se navzájem odlišují vzájemným poměrem obsahu Al2O3 a SiO2. Jak ostřivo se nejčastěji využívají různé modifikace SiO2. Tavidla jsou na bázi alkalických živců, což jsou vlastně bezvodé hlinitokřemičitany s obsahem Na2O, K2O, CaO (albit = Na2O.Al2O3.6SiO2, ortoklas = K2O.Al2O3.6SiO2, anortit = CaO.Al2O3.2SiO2), které navzájem tvoří tuhé roztoky. Tavidla patří mezi nejrozšířenější minerály. Tradiční keramiku lze v zásadě rozdělit na: 1. stavební keramiku - cihly, střešní krytiny, obklady, 2. sanitární keramiku - umyvadla, toalety, 3. užitkovou keramiku - sošky, misky, talíře.
73
Další rozdělení je podle: 1. technologie výroby (tvarování), 2. teploty výpalu, 3. počtu výpalů.
Na výrobky denní spotřeby (dlaždice, porcelánové toaletní mísy, hrnky, a podobně) se využívají přírodní suroviny na bázi jílů (např. kaolinit), které se zvláčňují přísadou vody. Na určité aplikace se využívají i klasické oxidy (písky) na bázi Al2O3 a SiO2 , které nacházejí spíše technické uplatnění jako například vyzdívky pecí.
Progresivní keramika Keramické materiály patřící do této skupiny mají definované chemické složení a výskyt fází, využívají se metody materiálového inženýrství na získání vhodného typu mikrostruktury k dosažení speciálních vlastností. Mezi aplikace progresivní keramiky patří: břitové destičky do obráběcích nástrojů, keramické ložiska, statory a rotory plynových turbín, tepelná izolace pecí, tepelné štíty raketoplánů, vysokoteplotní topné prvky, pancéřování, brusné materiály, biokeramiky, elektrokeramika - dielektrika pro kondenzátory, substráty a izolanty pro elektrické obvody, tuhé elektrolyty (palivové články, detektory), vysokoteplotní supravodiče a jiné. Mezi základní keramické materiály spadající do této skupiny je možné zařadit oxidovou, karbidickou a nitridickou keramiku. Oxidová keramika Oxidová keramika je založena na bázi Al2O3, MgO nebo ZrO2. Často se však kombinuje s jinými druhy progresivní keramiky na zvýšení houževnatosti. Keramické materiály na bázi Al2O3 se vyznačují vysokou tvrdostí, vynikající otěruvzdorností a nízkým koeficientem tření. Vysoká chemická stabilita i při zvýšené teplotě a odolnosti vůči vysokým teplotám. Keramické materiály na bázi Al2O3 se využívají i jako
74
biokompatibilní materiály na pouzdra náhrad kyčelních a kolenních kloubů a v zubních implantátech. Výhodou tohoto materiálu je to, že nejsou problémy s delaminaci polyetylenu, mají téměř nulový otěr, jsou vhodné pro mladé a na nikl citlivých pacientů. Nevýhodou může být to, že na povrchu se může vytvořit vláknitá membrána, která nevytváří vazbu s lidskými tkáněmi. Další významnou aplikací keramických materiálů na bázi Al2O3 jsou břitové destičky pro obrábění materiálů. Břitové destičky pro vysoké rychlosti obrábění se ohřívají na teploty 1000 °C a více, takže klíčovou vlastností je tvrdost při vysoké teplotě.
Mezi základní materiály používané při obrábění patří: a) Al2O3 - ZrO2 („bílá keramika“ ~ 10 obj. % ZrO2) - určeno pro dokončovací operace při obrábění ocelí, b) Al2O3 - TiC („černá keramika“ ~ 30 ÷ 40 obj. % TiC) - jsou určeny pro opracování litiny a tvrzených ocelí a vyznačují se vysokou odolností vůči abrazi, c) Al2O3 - SiCw (~ 25 ÷ 50 vol. % whiskre) - jsou velmi houževnaté a odolné vůči teplotním šokům a mohou se používat i s chladicí kapalinou, případně na vysokorychlostní dokončovací operace na niklových superlitinách. Na různých materiálech se využitím moderních metod vytváří na povrchu souvislá vrstva Al2O3 hrubá několik atomových rovin, která slouží jako tepelná bariéra a zároveň snižuje koeficient tření. Tím se snižuje množství tepla, které vzniká vzájemným třením povrchů. Dalším technicky důležitým druhem progresivní keramiky je oxidová keramika na bázi ZrO2. Pro technické účely je čistý oxid zirkoničitý realizovaný vzhledem k své alotropické a objemové změny. ZrO2 se v současnosti využívá jako biokeramika, v kompozitních materiálech (ZTA = Al2O3 zhouževnatěné s ZrO2) - řezné nástroje a jak monokrystaly na šperky.
75
Oxidové supravodiče Supravodivý stav je označení stavu s nulovým elektrickým odporem. Většina látek přechází do supravodivého stavu při velmi nízké teplotě okolo teploty tekutého hélia (~ 4 K). Z hlediska praktického využití supravodivosti je však důležitý vývoj materiálů, u kterých je možné dosáhnout tohoto stavu při vyšších teplotách, které umožňují chlazení tekutým dusíkem s teplotou varu asi 77 K. Tyto materiály se proto označují jako vysokoteplotní supravodič a většinou jsou to oxidové keramiky s komplexní strukturou. V současnosti se supravodiče z ekonomických důvodů používají pouze ve speciálních aplikacích, např. v cívkách elektromagnetů na vytváření silných magnetických polí, ve vysokorychlostních vlacích, v detektorech a filtrech v elektronice.
Neoxidová keramika Neoxidové keramiky jsou většinou binární sloučeniny, které mohou často mít nestechiometrické uspořádání. V neoxidové keramice převládá kovalentní typ vazby, často s příspěvkem iontového a kovového typu vazby. Mezi základní neoxidové keramické materiály lze zařadit: a) karbidy (TiC, SiC, TaC, WC a jiné), b) boridy (TiB2, ZrB a jiné), c) nitridy (Si3N4, AlN, TiN a jiné), d) silicidy (MoSi2 jiné). Karbidická keramika Karbidy mají širokou škálu chemických složení. Základními jsou SiC, WC, B4C, dále TiC, TaC, Cr7C3, Cr3C2, BeC2. Karbidy se vyznačují vysokou tvrdostí, vysokou elektrickou vodivostí (SiC, B4C, BeC2 jsou polovodiče). Struktura karbidů je tvořena současnou přítomností iontové, kovalentní a kovové vazby v jedné krystalové struktuře. Karbid křemíku se využívá například pro výrobu odporových topných těles, brusných papírů, kotoučů a jako kompozitní materiál, s uhlíkovými vlákny se SiC využívá i na výrobu brzdových destiček a kotoučů na sportovní
76
automobily. Mikrostruktura a vlastnosti materiálů na bázi SiC závisí na způsobu jejich kompaktáce, protože SiC může nabývat dvě modifikace (krychlový α - SiC a hexagonální β SiC). Karbid B4C je třetí nejtvrdší látkou při pokojové teplotě a v neoxidační atmosféře je nejtvrdší substancí nad 1100 ° C. Využívá se na výrobu otěruvzdorných součástek, pancířů na vrtulníky, trysek na pískování, osobních pancířů zesílených skelnými vlákny, jakož i na vyvložkování mlýnů.
Nitridická keramika Nitridická keramika kombinuje vysokou tvrdost s dobrou teplotní, oxidační a mechanickou stabilitou. Používá se na různé aplikace, jako jsou řezné nástroje, komponenty na otěruvzdorné aplikace, vysokoteplotní aplikace a plynové turbíny. Mezi základní nitridy patří Si3N4, TiN, BN (krychlový nitrid boru), VN, zrn, NBN, HFN, TAN, které představují vysokotvrdé sloučeniny. Nitrid křemíku a kubický nitrid bóru patří k extrémně tvrdým materiálům, které se využívají zejména jako obráběcí materiály pro zvláštní účely. Mezi další vlastnosti patří žáruvzdornost a vysoká tepelná a elektrická vodivost. Obecně se nitridická keramika používá při aplikacích jako řezné nástroje, otěruvzdorné komponenty, vysokoteplotní komponenty, tvrdé a otěruvzdorné povlaky.
Boridická keramika Bor tvoří s kovy a metaloidy sloučeniny, které se vyznačují vysokou tvrdostí, vynikající elektrickou vodivostí a vazby jsou komplexní s příspěvkem iontové, kovalentní a kovové vazby. Krystalová struktura boridů je velmi komplexní a složitá. Mezi komerčně využívané boridy lze zařadit: Ni3B, Ni4B3, Ru7B3, FeB, Fe2B, Cr5B3, CrB, MoB, C3B4, ScB2, MnB2, VB2, Mo2B5.
77
5.2 Sklo Sklo jako materiál lidé využívají velmi dávno. Nejstarší skleněné nádoby se našly při vykopávkách v Egyptě. Mají téměř 4 000 let. Přibližně před 2 000 lety Féničané objevili foukání skla, které umožnilo sklovinu tvarovat do dutých předmětů. Rozvoj chemie zase umožnil vyrábět skla různých modifikací, barev a odstínů. Na rozdíl od keramických výrobků, které se připravují za studena z pevných surovin a zpevňují se vypalováním, skleněné předměty se vyrábějí ochlazením taveniny (skloviny). Z technického hlediska je sklo podchlazená tekutina a nemá krystalickou strukturu. Sklo teče, i když velmi pomalu téměř stále. Tento jev se může pozorovat např. na velmi starých okenních tabulích, které jsou v dolní části měřitelně silnější než v horní části. Velké problémy působí tečení skla v čočkách a zrcadlech obřích optických teleskopů, kde i změny rozměrů řádově setin milimetru mohou zhoršit optické vlastnosti přístroje. V současné době se vyrábějí stovky různých druhů skla pro nejrůznější praktické aplikace, které se navzájem odlišují fyzikálními vlastnostmi i vzhledem. Sklo v současnosti definujeme jako amorfní materiál, který se při zahřívání netaví, ale prochází oblastí sklovitého přechodu. Takto definované skla můžeme rozdělit na: 1. organické (amorfní termoplasty) - nejsou to typické skla, 2. anorganické (oxidové, halogenidové, chalkogenidové), 3. kovové.
Mezi základní látky, které mohou tvořit skla, patří některé chemické prvky (S, Se, Te, P), oxidy (B2O3, SiO2, GeO2, P2O5, As2O3), boritany a křemičitany (Na2B4O7, Na2Si2O5), halogenidy (BeF2, AlF3, ZnCl2), sulfidy, selenid a telurid některých prvků a směsi některých dusičnanů a uhličitanů. Na základě vstupní suroviny mezi nejpoužívanější druhy skel patří: křemenné sklo, sodno - vápenaté a sodno - draselná skla, olovnaté, borité a fosforečné skla.
Charakteristika základních surovin Sklo je v podstatě tvořeno základními složkami:
78
1. sklotvorné složky, které tvoří kostru skel a lze je rozdělit: • pro oxidové skla: SiO2, P2O5, B2O3 (za určitých podmínek i Bi2O3, As2O3, Sb2O3, TeO2, GeO2), • pro halogenidové skla: ZrF4, BeF2, • pro chalkogenidové skla: sulfidy, teluridu, selenid, 2. taviva - slouží jako urychlovače tavení; snižují teplotu tání, což přináší zejména ekonomický efekt. Pro křemičité sklo je zejména Na2O, PbO, Li2O, K2O, 3. složky na úpravu vlastností, jejichž vliv je třeba vhodně zkombinovat s působením tavidel, protože často působí protichůdně a většinou se používají jako stabilizátory (Na2O, Al2O3, PbO, B2O3), 4. barviva - používají se zejména oxidy přechodných kovů a vzácných zemin, 5. čiřidla, jejichž úkolem je, aby sklo bylo čiré tedy průhledné. Působí tak, že během tavení se rozkládají a uvolňují velké množství plynů, a tak vytvářejí velké bubliny, které promíchávají a homogenizují taveninu a současně při své cestě na povrch taveniny se k nim připojují malé bublinky, které by jinak zůstaly v objemu skla uzavřené, působily by pak jako optické defekty a sklo by už nebylo průhledné. Jako čiřidla se používají např. CaF2, NaF, NaCl, As2O3.
5.2.1 Výroba skla Prvním krokem při výrobě skla je příprava sklářského kmene. Jako vstupní materiály se používají chemicky čisté prášky, minerály (křemenný písek, živce, dolomity, ...) a drť ze skla (odpad ze skla). Pak následuje tavení a homogenizace. Tavení sklářského kmene je komplexní proces, při kterém dochází k tavení jednotlivých složek sklářského kmene, rozpouštění složek, reakcím mezi složkami a rozkladu složek, uvolňování plynů a vázané vody. Podmínkou je, aby po ukončení tání nastalo kompletní rozpuštění všech složek původní směsi ve vzniklé tavenině. Homogenizace taveniny probíhá konvekcí, bubláním nebo mechanickým mícháním. Nad teplotou sklovitého přechodu se sklo chová jako viskózní
79
kapalina. S růstem teploty se viskozita snižuje, tj. roztavené sklo se snadněji tvaruje na finální tvar. Proces chladnutí je klíčový z hlediska kvality výsledného produktu. Tento proces nabývá důležitosti po ochlazení taveniny pod teplotu tání. Přehledně se dopad těchto faktorů znázorňuje pomocí TTT diagramů (timetemperature-transformation = čas-teplota-transformace). V tomto diagramu je na osách časteplota zobrazená oblast krystalizace pro danou taveninu, jejíž poloha závisí na složení, viskozity a přítomnosti nečistot v tavenině. Odolnost skla vůči krystalizaci vyjadřujeme pomocí dvou parametrů: - Sklotvornost - schopnost vytvořit chladnutím z taveniny sklo, tedy vyjadřuje míru odolnosti vůči krystalizaci při přípravě skla. Čím je menší kritická rychlost ochlazování, tím je lepší sklotvornost, - Stabilita skla - je mírou odolnosti vůči krystalizaci již připraveného skla. Kvantitativně ji vyjadřujeme jako rozdíl mezi teplotou, kdy se začínají tvořit krystalky Tx a teplotou sklovitého přechodu Tg, tedy jako Tx - Tg. Čím je tento rozdíl větší, tím je větší strukturní stabilita skla.
Kovové sklo Na rozdíl od anorganických skel kovové skla jsou relativně nové materiály. Jejich příprava je komplikovanější z toho důvodu, že taveniny kovů mají obecně nízkou sklotvornost, takže jejich kritická rychlost ochlazování na dosažení amorfních struktury je příliš vysoká, někdy až řádově 106 K/s. Až díky systematickému výzkumu kovových skel od roku 1960 bylo možné postupně snižovat kritickou rychlost ochlazování a zvyšovat tloušťku připravených skel. V roce 1974 byl po podrobném výzkumu systémů na bázi Pd - Si, Pt - P a Pd - P dosažený kritický průměr odlitého válečku 1 ÷ 3 mm, v roce 1980 to byl průměr 5 mm, v roce 1984 ve stejném systému až průměr 10 mm. V roce 1992 bylo v systému se složením Zr 41, 2 Cu12 , 5Ni10Ti13 , 8Be22 , 5 připravené kovové sklo s kritickou rychlostí ochlazování pouze 1 K/s, což se již považovalo za prvé objemové kovové sklo. V současnosti už je možné vyrobit objemové kovové skla i v dalších systémech na bázi Zr, Fe, Pd, Ni, Cu, Mg a Ti.
80
Tabulka 4 Základní vlastnosti některých objemových kovových skel Objemové kovové sklo
Použití a vlastnosti
na bázi Fe
měkké magnety, korozní odolnost, odolnost vůči opakovaným nárazům
na bázi Co
měkké magnety, korozní odolnost, odolnost vůči opakovaným nárazům
na bázi Ni
vysoká pevnost a tažnost, korozní odolnost, propustnost vodíku
na bázi Cu
vysoká pevnost a tažnost, vysoká lomová houževnatost a únavová pevnost, korozní odolnost
na bázi Pd
vysoká pevnost, vysoká lomová houževnatost a únavová pevnost, korozní odolnost
na bázi Pt
vysoká sklotvornost, nízká teplota tání a teplota sklovitého přechodu, korozní odolnost
Kovová skla mají ve srovnání s kovy obecně vyšší tvrdost a pevnost. Jejich vhodná permeabilita, malá koercitivní síla, malý útlum akustických signálů, dobrá magnetostrikční konstanta a nízké dielektrické ztráty předurčují tyto materiály i pro použití v elektrotechnice a elektronice. Vzhledem k velmi dobré mechanické vlastnosti se také používají jako zpevňující materiály do kordů pneumatik, vysokotlakých trubek apod.
5.3 Sklokeramika Někdy na zlepšení mechanických vlastností je výhodné, pokud sklo obsahuje určitý podíl krystalických oblastí. Takový materiál označujeme jako sklokeramika a připravuje se devitrifikací skla. Devitrifikace - proces, při kterém vznikají ve skle krystalické oblasti. Probíhá tak, že již připravené sklo se znovu ohřeje nad teplotu Tg. Po dosažení požadovaného množství krystalické fáze se sklo ochladí na pokojovou teplotu. Během devitrifikace můžeme do určité
81
míry kontrolovat velikost, množství a rozložení krystalických oblastí. Ve sklokeramice může být podíl krystalické fáze až kolem 40 ÷ 50 %. Sklokeramika je polykrystalický materiál vyrobený řízenou krystalizací ze skla. Krystalizace probíhá v celém objemu skla podle přísně regulovaného režimu, za účasti látek urychlujících nukleaci. Získává se tak produkt s rovnoměrnou a jemnozrnnou strukturou (velikost krystalů obvykle 0,1 - 1 mm), obsahující pouze malé množství zbytkové fáze. Nejdříve byla sklokeramika využívána ve fotosensitivních sklech, ve kterých je malé množství mědi, stříbra a zlata. Tyto kovy jsou sráženy pomocí ozařování ultrafialovým světlem. Pokud je sklokeramika vystavena slunečnímu světlu, sraženiny rostou do takové velikosti, že interferují se světelnými vlnami a tím způsobují jeho neprůhlednost. Tyto kovové sraženiny pomáhají nukleovat a krystalizovat sklo do formy keramiky s jemnými zrny, která se vyznačuje excelentními mechanickými a tepelnými vlastnostmi. Výrobní postup záleží na tavení a tvarování výrobků sklářskou technikou a na tepelném zpracování, které produkty převedou na produkt charakteru keramiky. Výhodou tohoto postupu je především to, že z homogenního skla se získá rovnoměrná neporézní struktura, která je nositelem vysoké pevnosti (podstatně vyšší než u vycházejícího skla) a různých specifických vlastností (např. velmi nízká až nulová teplotní roztažnost). Další předností je možnost plynulých změn vlastností změnou vycházejícího složení skla a tím i konečného fázového složení, vyšší účinnosti sklářských tvarovacích postupů zejména u výrobků, které se keramickou technikou těžko tvarují, možnost přesného dodržení rozměrových tolerancí.
Technické poznámky V zásadě je možné alespoň některé typy sklokeramiky, resp. hmoty podobného fázového složení připravit slinováním práškových směsí, tj. keramickým výrobním postupem. Nelze však dosáhnout jemnozrnná a rovnoměrná struktura, která je hlavní zvláštností a předností sklokeramiky.
82
Důležité faktory při formování sklokeramiky jsou nukleace a růst krystalů o malé (<1 µm v průměru) a jednotné velikosti. Dle odhadu je k vytvoření takto malých krystalů potřeba 1012 až 1015 nukleí na centimetr krychlový. Kromě již zmíněných nukleacích činidel (Cu, Ag, a Au), jsou jako nukleační činidla používány Pt skupiny, TiO2, ZrO2, a P2O5. Nukleace skla je prováděna při teplotách mnohem nižších než je teplota tání, nebo teplota fázového přechodu skla, za kterých je viskozita tání v rozsahu od 1012 do 1015 Poise po dobu 1 až 2 hodin. Abychom dostali více krystalického materiálu, je sklo dále zahříváno na teplotu, při které může být dosaženo maxima růstu krystalu bez deformace produktu, nebo fázové transformace v krystalické fázi, nebo redisociace některých z fází. Pokud je velikost zrn 0.1 až 1 µm, což je mnohem menší velikost než u konvenční keramiky, je krystalizace obvykle kompletní z více než 90 %.
Vlastnosti O keramických a kovových materiálech je známo, že mechanická pevnost silně závisí na struktuře: čím menší je velikost zrn, tím vyšší jsou obvykle mechanické parametry. Při sklokeramice by měla existovat určitá optimální velikost zrn, protože při homogenním skle je pevnost opět poměrně nízká. Díky řízené velikosti zrn a zlepšené odolnosti proti poškození povrchu mají sklokeramiky nejméně dvojnásobnou pevnost v tahu (od 100 do 200 MPa), a jejich odolnost proti poškrábání a oděru jsou blízké hodnotám, které má safír. Modul elasticity je řádu 100 GPa, a pevnosti v tlaku je pětkrát větší než pevnost v tahu. Mechanické vlastnosti sklokeramik jsou horší ve srovnání s vlastnostmi kysličníku hlinitého (alumina) a dalších nebioaktivních keramik, takže aplikace těchto materiálů je limitována na povlakové tenké vrstvy nebo kompozity – podobně jako u hydroxypatitu.
Příklady použití Objev sklokeramiky jako nového typu materiálu s neobvyklými parametry a jejich rychlý laboratorní vývoj předešel ve své době aplikační možnosti. Dnes se sklokeramika
83
uplatňuje ve výrobě varných nádob dále v technice, kde se využívají specifické mechanické, tepelné, elektrické a jiné vlastnosti, a ve stavebnictví, které se orientuje na materiály z levných přírodních nebo odpadních surovin.
STUDIJNÍ MATERIÁLY povinná literatura SKÁLOVÁ, J., KOUTSKÝ, J., MOTYČKA, V., V. 2003. Nauka o materiálech. materiálech. Plzeň: Západočeská univerzita v Plzni. Plzni ISBN 80--7043-244-6. 6. doporučená literatura MLEZIVA, J., ŠŇUPÁREK, J., J. 2000. Polymery – výroba, struktura, vlastnosti a použití. použití 2., přeprac. vyd. Praha: Sobotáles. ISBN 80-85920-72 80 72-7. MLEZIVA, J., J., 1993. Polymery. Polymery. Praha: Sobotáles. ISBN 80-901570 80 901570-4-1. BAREŠ, R., R., 1988. Kompozitní materiály. materiály Praha:: SNTL. SNTL MENČÍK, J., J., 1990. Pevnost a lom skla a keramiky. keramiky. 1. vyd. Praha: SNTL ISBN 80 80-03 03-002052. POKLUDA, J., KROUPA, F., OBDRŽÁLEK, L., L., 1994. Mechanické vlastnosti a struktura pevných látek – kovy, keramika, plasty. plasty. 1. vyd. Brno: PC-DIR. PC DIR. ISBN 80-214 80 214-0575-9. 9. MOTYČKA, V., V., 1991. Nové keramické materiály ve strojírenství. strojírenst 1. vyd. Plzeň Plzeň:: ZČU. ZČ ISBN 80-7082 7082-044-6. 6. KOLOUCH, J., J., 1981. Strojní součásti z plastů. plastů. 1. vyd. Praha: Praha: SNTL.
OTÁZKY A ÚKOLY 1. Definujte keramické materiály a uveďte jejich rozdělení. rozdělení
84
2. Uveďte výhody a nevýhody keramických materiálu. materiálu 3. Charakterizujte progresívní keramiku a uveďte její základní rozdělení rozdělení. 4. Napište rozdělení skla a charakterizujte charakterizujte základní suroviny na jeho výrobu. 5. Popište výrobu skla. 6. Napište význam kokových skel. 7. Definujte sklokeramiku sklokeramiku a popište její strukturu. 8. Uveďte te vlastnosti vlastnosti a použití sklokeramiky.
KLÍČ K ŘEŠENÍ OTÁZEK Viz výklad
85
Kapitola 6 - Kompozity – struktura, vlastnosti, technologie výroby, použití
KLÍČOVÉ POJMY Matrice, výztuž, synergismus, geometrický tvar výztuže, povaha matrice, laminát, hybridní kompozit, delaminace, ruční laminace za mokra, pultruze, prepregy, karbonizace
CÍLE KAPITOLY •
uvést definici a základní přehled kompozitních materiálů,
•
charakterizovat pojem synergizmus,
•
rozdělit kompozity podle geometrického tvaru výztuže,
•
rozdělit kompozity podle povahy matrice,
•
charakterizovat vlastnosti a výrobu výztuže kompozitu,
•
popsat vlákna pro výrobu kompozitu,
•
charakterizovat strukturu kompozitu,
•
rozdělit a popsat výrobu a zpracovatelské technologie kompozitu,
•
vyjmenovat a popsat vybrané druhy výrobku kompozitních materiál materiálů a uvést jejich použití
ČAS POTŘEBNÝ KE STUDIU STUDIU KAPITOLY 4 hodiny
VÝKLAD
86
6.1 Definice a základní přehled kompozitních materiálů Pod pojmem kompozitní materiály rozumíme heterogenní materiály složené ze dvou nebo více fází, které se vzájemně výrazně liší svými mechanickými, fyzikálními a chemickými vlastnostmi. Pro kompozitní materiály je dále charakteristické, že se vyrábějí mechanickým mísením jednotlivých složek. složek. Tím se liší např. od slitin, které jsou rovněž heterogenní. U slitin však jednotlivé jednotlivé fáze vznikají fázovými přeměnami např. při tuhnutí a jsou tedy blízko termodynamické rovnováhy. Některé typy slitin (eutektika) lze metodou usměrněného tuhnutí připravit se strukturou velmi podobnou vláknovým kompozitům. O těchto materiálech, kter které é se někdy nazývají kompozity insitu, insitu se však zde nebudeme zmiňovat. Kompozitní materiály jsou složené ze dvou nebo více fází. Obvykle je jedna fáze v kompozitu spojitá – takovou fázi nazýváme matrice. matrice. Fázi, která je nespojitá, nazýváme výztuž. V porovnání porovnání s matricí má výztuž obvykle výrazně vyšší mechanické vlastnosti (modul pružnosti, pevnost, tvrdost atd.) a hlavním cílem vyztužení je tedy zlepšení uvedených vlastností.
Obrázek 11 Rozdělení materiálů
Polymerní kompozity jsou proto využívány Polymerní využívá v oblastech, kde úspora hmotnosti vede ke značnému zvýšení užitných vlastnosti strojů nebo konstrukcí a k sekundárním úsporám energie.
87
Mechanické vlastnosti kompozitních materiálů jsou funkcí řady parametrů, z nichž nejdůležitější jsou následující: •
mechanické vlastnosti matrice a výztuže
•
délka vláken výztuže
•
soudržnost matrice a výztuže
•
objemový podíl a uspořádání výztuže
Obrázek 12 Synergické chování složek
Pro kompozitní materiály je charakteristický tzv. synergismus, synergismus, což znamená, že vlastnosti kompozitu jsou vyšší než by odpovídalo pouhému poměrnému sečtení vlastností jednotlivých složek. Existence synergismu je velmi významná, neboť vede k získávání materiálů kvalitativně zcela nových vlastností. Typickým příkladem synergického chování je kompozit složený z keramické matrice Typickým vyztužené keramickými vlákny. I když jsou jak matrice, tak vlákna samostatně velmi křehké, výsledný kompozit je charakteristický určitou mírou houževnatosti, tzn. odolnosti proti prot náhlému křehkému porušení. Pro ilustraci jsou porovnány tahové diagramy křehké matrice a stejné matrice vyztužené křehkými vlákny.
88
Obrázek 13 Porovnání tahových diagramů křehké matrice a kompozitu složeného z této matrice a křehkých keramických vláken
Uvedené chování kompozitu je způsobeno tím, že šířící se lomová trhlina je brzděna na rozhraní matrice a vláken. Dochází zde k odklánění směru šíření šíření trhliny a také k intenzivnímu tření mezi matricí a vytahujícími se vlákny. Kvalita rozhraní mezi matricí a výztuhou má tedy zásadní vliv na vlastnosti výsledného kompozitu.
Obrázek 14 Jevy na rozhraní matrice a
Optimalizace vlastností, využití předností jednotlivých základních materiálů: •
kovy: pevnost a houževnatost
•
keramika: pevnost a žáruvzdornost
•
polymery (plasty): houževnatost, korozivzdornost
89
Podle geometrického tvaru výztuže dělíme kompozity následujícím způsobem: způsobem: Částicové Částicové: Jeden rozměr útvarů výztuže nepřesahuje výrazně rozměry ostatní. Vyztužující částice Jeden pak mohou mít tvar kulovitý, destičkovitý, tyčinkovitý i nepravidelný.
Obrázek 15 Rozdělení kompozitu
Vláknové Vláknové: Výztuž je v jednom směru výrazně rozměrnější s krátkými vlákny – délka vláken výrazně menší v porovnání s velikostí daného výrobku s dlouhými vlákny – délka vláken srovnatelná s velikostí daného výrobku. výrobku Různá uspořádání kontinuálních vláken, např. v jednom směru nebo vzájemně spletena do rohoží (laminát).
90
Obrázek 16 Ukázka kompozitních materiálů
Podle povahy matrice dělíme kompozity do těchto skupin: •
s kovovou matricí (metal matrix composites – MMCs)
•
s polymerní matricí (polymer matrix matrix composites – PMCs)
•
s keramickou matricí (ceramic martix composites – CMCs)
Tabulka 5 Kombinace matrice a zpevňující fáze
Matrice
Zpevňující fáze
Příklad
kov
keramika
hliníková slitina – karbid křemíku
polymer
polymer
epoxidová pryskyřice – kevlarové vlákno
polymer
keramika
nylon – grafitové vlákno
keramika
keramika
korund – karbid křemíku
keramika
kov
nitrid křemíku – molybdenové vlákno
91
6.2 Vlastnosti a výroba výztuže U částicových kompozitů jsou využívány výztuže z tvrdých a termodynamicky stabilních sloučenin. Největší význam mají karbid křemíku (SiC) a oxid hlinitý (Al2O3), oba ve formě nepravidelných částic.
Tabulka 6 Vlastnosti oxidu hlinitého a karbidu křemíku
Materiál
Hustota ρ
Tvrdost
podle Pevnost v tlaku
[kg/m3]
Knoopa
[Gpa]
Al2O3 (korund)
3950
2000
2500
SiC
3210
2480
2800
Karbid křemíku se vyrábí z čistého křemenného písku (oxidu křemičitého) reakcí s uhlíkem (koks) za vysoké teploty (až 2500 °C) a následným mletím vzniklého produktu. SiO2 + 3C → SiC + 2CO Oxid hlinitý vzniká přímo v hliníkové slitině jejím mletím v oxidační atmosféře. Výsledná prášková směs oxidu hlinitého a hliníku je následně zpracována technologií práškové metalurgie. U vláknových kompozitů jsou využívány vysoké mechanické vlastnosti vláken ve směru jejich osy: vysoká pevnost a modul pružnosti. Vlákna mají mnohem vyšší mechanické vlastnosti v porovnání se stejným, ale masivním materiálem. Příčinou je pokles velikosti strukturních defektů ve vláknech, orientace těchto defektů ve směru vláken a rovněž snížení celkové pravděpodobnosti výskytu defektů.
92
Vlákna jsou vždy mnohem pevnější než stejné materiály v kompaktní podobě. Pevnost vláken roste se zmenšujícím se průřezem. Přirozené defekty struktury jsou totiž u vláken malých průměrů také malé a navíc v důsledků technologie výrobu vláken příznivě orientované svým delším rozměrem ve směru osy vlákna.
Tabulka 7 Porovnání pevnosti v tahu [MPa] masivních materiálů a vláken
Materiál
Masivní
sklo uhlík (grafit) SiC
Vlákno
∼ 100
∼ 1800
∼ 500
∼ 3000
∼ 20
∼ 2000 - 6000
U vláken s krystalickou strukturou jsou pevné atomové vazby přednostně orientovány v podélném směru. Fragmenty vzniklé porušením vlákna při tahovém namáhaní mají větší pevnost než vlákno původní délky, protože první lom byl iniciován největším defektem vlákna, takže zbylé části již mají defekty méně nebezpečné. Pro kompozity jsou vyráběna vlákna: •
Skleněná (sklovinu tvoří přechlazená tavenina směsi oxidu Si, Al, Ca, B, Mg)
•
Uhlíková (vyráběná z vláken polyakrylonitrilu, ropných smol nebo celulózových vláken)
•
Keramická (na bázi Al2O3, SiC, Si3N4)
•
Polymerní
(aromatická
polyamidy,
ultravysokomolekulární
polyetylén,
LCP
kopolestery) •
Kovová (drátky z vysokotavitelného kovu – W, Mo)
93
Nejvýznamnější druhy vláken pro vyztužení kovových matric jsou vlákna bórová, bórová z karbidu křemíku (SiC), (SiC) uhlíku a z oxidu hlinitého (Al2O3).
Tabulka 8 Hustota ρ, modul pružnosti pružnosti v tahu E a mez pevnosti v tahu Rm vláken
Materiál
Průměr [μ μm]
ρ [kg/m3]
E [GPa]
Rm [MPa]
B/W
100
2600
390
3800
SiC/C
150
3300
430
3500
whiskery SiC
1
2300
700
až 20 000
C(PAN)
10
1900
400
2200
Al2O3
20
4000
380
1400
Bórová vlákna jsou vyráběna postupem CVD (chemical vapour deposition). Reaktorem ohřívaným na teplotu 1050 °C prochází tenké wolframové vlákno, které slouží jako substrát. Zároveň je přiváděna směs plynů – vodíku a chloridu boritého (BCl3).
Obrázek 17 Schéma výroby bórových vláken
Chlorid boritý je v reaktoru redukován vodíkem za tvorby elementárního bóru na wolframovém substrátu: 2BCl3 + 3H2 → 2B + 6HCl
94
Postupem CVD jsou vyráběna vlákna o tloušťce 100– 100–200 μm. V současnosti současnosti jsou bórová vlákna spíše na ústupu. Jsou nahrazována chemicky a tepelně stabilnějšími vlákny SiC. Jejich technologie výroby závisí na tom, zda tato vlákna jsou kontinuální nebo krátká. Kontinuální vlákna (tloušťka 100 – 200 μm) m) jsou vyráběna např. metodou ou CVD obdobnou jako v případě bórových vláken. Zdrojem křemíku a uhlíku jsou alkylsilany (např. CH3SiCl3), které jsou v reaktoru při teplotách cca 1300 °C redukovány vodíkem. Vzniklý karbid křemíku se usazuje na uhlíkovém substrátu o tloušťce 10 10– –20 μm. Vlákna se značí SiC/C. Špičkovými pevnostními vlastnostmi se vyznačují krátká vlákna (whiskery) whiskery) ze SiC o průměru několika μm m a délce až několik mm. Vzhledem k extrémně nízké koncentraci defektů dosahují téměř teoretické pevnosti. Pro výrobu whiskerů z SiC se osvědčil levný postup, který jako výchozí materiál využívá rýžových slupek, žíhaných při vysokých teplotách (až 1600 °C) v inertní atmosféře. Při tomto postupu dojde k rozkladu organických látek a k přeměně ve slupkách přítomného SiO2 na vláknitý karbid křemíku. Kontinuální uhlíková vlákna jsou vyráběna pyrolýzou (tepelným rozkladem) organických vláken v inertní atmosféře (N2, Ar) za teplot více než 2000 °C. Organické vlákno z polyakrylonitrilu ([CH2CHCN]n) prochází reaktorem, místo reaktivních plynů je přiváděna inertní atmosféra. Z reaktoru pak vychází uhlíkové vlákno. Optimální teplota pro max. pevnost je cca 1500 °C. Vlákna polyakrylonitrilu jsou označována jako C(PAN). Méně kvalitní uhlíková vlákna jsou vyráběna pyrolýzou zbytků po destilaci ropy, smol, smol, dehtu atd.
Obrázek 18 Závislost mechanických vlastností uhlíkových vláken na teplotě žíhání
95
Uhlíková vlákna se řadí mezi nejperspektivnější materiály pro výztuže kompozitu. Vyznačují se vysokými mechanickými vlastnostmi, nízkou hmotností a vysokou tepelnou stabilitou. Zajímavá je jejich vysoká anizotropie vlastností: Modul pružnosti E je ve směru osy vlákna řádově vyšší než ve směru kolmo k ose vlákna. Rovněž tepelná roztažnost výrazně závisí na směru – zatímco v podélném směru se koeficient teplotní roztažnosti blíží nule, ve směru příčném dosahuje hodnoty téměř 10-5 K-1. Pro zlepšení smáčivosti jsou na povrch uhlíkových vláken deponovány vhodné sloučeniny (TiB2, SiC). Uvedená vlákna nejsou vhodná pro jakoukoliv matrici. Polymerní matrice se nevyztužují vlákny s větší hustotou, protože by se snížil měrný modul a měrná pevnost kompozitu. Pro kovové a keramické matrice zase nelze použít vlákna s malou tepelnou odolností. Rozlišujeme proto: - vlákna pro polymerní matrice (skleněná, polymerní a uhlíková) - vlákna pro keramické a kovové matrice (uhlíková, keramická a kovová)
Částice pro mikrokompozity by neměly mít rozměry vetší než 10µm. V matrici musí být částice rovnoměrně rozptýleny, protože jinak dojde k poklesu pevnosti kompozitu oproti pevnosti samotné matrice a to i při poměrně malých podílech částic. Při optimálním podílu jemných částic je pozorováno malé zvýšení pevnosti v tahu i v případě použití sférických částic. Částice protáhlého nebo destičkovitého tvaru mohou matrici vyztužovat a zároveň významně zpevňovat – jsou to tzv. aktivní částice. Poměr největšího rozměru částice k minimálnímu rozměru (u destičkovitých částic tloušťka) udává aspektní (štíhlostní) poměr. Největší aspektní poměr mají krátká vlákna a whiskery (viskry) a poměry délky k průměru až 200. Sférické částice mají aspektní poměr roven 1. Na obr. 19 jsou znázorněny částice různého původu a tvaru s uvedením dosahovaných hodnot aspektího poměru spolu s whiskerem.
96
Obrázek 19 Tvary částic používaných k vyztužení kompozitu
6.3 Struktura a vlastnosti kompozitu Kompozity s kontinuálními vlákny mohou mít výztuž orientovanou jednosměrně, dvouose a víceosé nebo nahodile uspořádanou. Také diskontinuální (krátká) vlákna mohou být orientována přednostně nebo nahodile. Příklady uspořádaní vláknové výztuže jsou schematicky znázorněny na obr. 20.
Obrázek 20 Jednovrstvový kompozit s kontinuálními vlákny: a) jednosměrně uspořádanými, b) dvouose orientovanými ve tkané výztuží (výztuž v podobě tkaniny), c) nahodilé orientovanými vlákny (výztuž v podobě netkané textilie, tj. rohože), d) s víceosou výztuží, e) kompozit s krátkými (diskontinuálními) vlákny, jednosměrně orientovanými, f) kompozit s krátkými vlákny, nahodilá orientace
97
Potřebná tloušťka stěny kompozitových výrobků vyztužených kontinuálními vlákny se obvykle vytváří vrstvením elementárních vrstev. Vzniká laminát (vrstva v angl. je lamina) mající vlastnosti závislé na způsobu uložení vláken v jednotlivých vrstvách. Je-li výztuž v elementární vrstvě jednosměrně orientována, jsou mechanické a fyzikální vlastnosti výsledného laminátu značně závislé na orientaci vrstev. Laminát se stává plošně izotropní (tj. modul pružnosti a pevnost v rovině laminátu jsou ve všech směrech stejné) až při skladbě vrstev znázorněné na obr. 21.
Obrázek 21 Skladba laminátu vyrobeného z jednosměrně vyztužených vrstev. Vpravo je v polárních souřadnicích znázorněná anizotropie modulu pružnosti v rovině jedné vrstvy a téměř dokonala plošná izotropie laminátů skladby 0/+45/-45/90°
Má-li mít kompozit vyztužený vlákny dobré mechanické vlastnosti ve všech směrech, je nutné použít třídimenzionální výztuž. Třídimenzionální výztuže se vyrábějí na speciálních tkacích strojích. Podstata třídimenzionální tkaniny je schematicky znázorněná na obr. 22 a).
98
a)
b)
Obrázek 22 a) Třídimenzionální vazba vláknové výztuže, b) Mechanizmus interakce trhliny matrice s vláknem
Pro vláknové kompozity je charakteristické, že negativní mechanické vlastnosti složek se u výsledného matriálu již neprojevují. Například kompozit obsahující křehká vlákna uložená v křehké matrici má dobrou odolnost proti křehkému lomu. Oproti homogennímu materiálu mohou být poruchy vláken i matrice četnější a přesto nevedou ke katastrofickému lomu. Příčinou je odlišný mechanizmus šíření poruch. Při šíření trhlin matricí ve směru kolmém k ose vlákna dochází k otupování jejich čel mechanizmem znázorněným na obr. 22 b). Trhlina se po interakci s vláknem šíří v mezifázovém rozhraní. Kompozit tedy dosahuje lepších vlastností, než by odpovídalo vlastnostem složek. Jde o tzv. synergický efekt (synergismus = spolupůsobení několika složek vedoucí k zesílení účinku). Synergický efekt bývá zvláště výrazný u kompozitů hybridních. Hybridní lamináty vyrobené střídáním vrstev vyztužených uhlíkovými a polymerními vlákny mají například odolnost proti poškození nárazem ve směru kolmém na vrstvy větší než lamináty vyztužené jenom houževnatými polymerními vlákny. Dalším důvodem použití více druhů vláken je snížení ceny kompozitu. V kompozitech vztažených současně skleněnými i uhlíkovými vlákny je levnější skleněná výztuž umístěná v méně namáhaných směrech nebo vrstvách. Za hybridní kompozit lze považovat i materiál kombinující vlákna a částice. Zvýšenou odolnost polymerních kompozitů proti chemikáliím například podporují skleněné vločky ve vnějších ochranných polymerních vrstvách (v tzv. gel-coatové vrstvě laminátu). U špičkových
99
vrstvených kompozitů s polymerní matricí se nyní zkouší současné použití kontinuálních vláken a keramických whiskerů (krátkých keramických monokrystalu). Whiskery mohou být v matrici mezi vlákny nahodile orientovány a zvyšují její pevnost. Laminát má potom dobré mechanické vlastnosti i ve směru kolmém k vrstvám, lépe odolává tlakovému namáhání v tomto směru a má vetší odolnost proti rozvrstvováni (tzv. delaminaci).
6.4 Výrobní a zpracovatelská technologie Způsobu výroby kompozitních dílů je velmi mnoho. Rozsah této kapitoly dovoluje uvést pouze základní postupy, kterými se vzájemně spojuje výztuž a matrice. Při členění technologií do základních skupin jsme vycházeli ze skupenství matrice při její aplikaci na výztuž.
6.5 Impregnace výztuže kapalnou fází 6.5.1 Kompozity s termosetickou polymerní matricí Nejdostupnějším postupem přípravy velkých skořepinových dílů vyztužených kontinuálními vlákny při kusové výrobě je tzv. ruční laminace za mokra. Tekutou pryskyřicí, která obsahuje tvrdidlo (resp. iniciátor polymerace) a připadně urychlovač, se prosycují vrstvy výztuže v podobě tkaniny nebo rohože. Menší tvarové členité výrobky lze připravovat metodou RTM (Resin Transfer Moulding), při níž předtvarovaná výztuž (tkanina nebo rohož s vlákny spojenými vazebným prostředkem) je uzavřena v dutině formy a prosycována tekutou pryskyřicí obsahující tvrdidlo. Duté díly s konkávními povrchy (nádrže, potrubí, nosníky, kabiny železničních vagonu) se vyrábějí technologií navíjení rovingu nebo pásu tkaniny prosycených tekutou pryskyřicí na kovovou skládací formu nebo na jádro. Při metodě zvané pultruze se do hlavy pultruzního stroje vtahují rovingy (připadne i tkaniny nebo rohože) prosycené tekutou pryskyřicí. V tvarovací části se vytlačí přebytek pryskyřice a ve vytápěné části dojde k vytvrzení matrice.
100
Výsledkem je kompozitový profil libovolného průřezu. Profily lze také před úplným vytvrzením ještě ohýbat. Profily mají největší uplatnění ve stavebnictví. Mechanicky značně namáhané konstrukce s velkými nároky na reprodukovatelnost vlastností (kompozity pro letecký průmysl) je nutno připravovat tak, aby podíl vláken byl co nejvyšší a nezbytné minimum pryskyřice udržováno na konstantní hodnotě. Používají se proto tzv. prepregy, polotovary předimpregnované obvykle epoxidovou pryskyřicí. Mají podobu pásu o tloušťce cca 0,1 až 0,2 mm a zpracovateli se dodávají navinuté do kotoučů nebo rolí. Prepregy s jednosměrně orientovanými vlákny (přesněji jednosměrně uloženými rovingy) umožňují dosažení objemového podílu vláken ve vrstvě (vf) až 0,7. V sériové výrobě (časti letadel) se při vrstvení prepregu používají speciální kladecí stroje řízené počítačem. Prepreg obsahuje mírný přebytek pryskyřice, která je v částečně vytvrzeném stavu (stav B), tj. při pokojové teplotě neteče, ale při dotyku lepí. Při ohřátí na teplotu vytvrzováni se nejdříve tekutost pryskyřice obnoví a poté se vytvrdí. Prepregy s termosetickou pryskyřicí mají omezenou dobu skladovatelnosti a uchovávají se u zpracovatele v mrazicích boxech. Při vytvrzováni laminátu složeného z vrstev prepregu se používá autoklávová technologie. Pro hromadnou výrobu dílu je vhodné technologie SMC (anglicky Sheet Moulding Compounds) využívající rychlé vytvrzovací reakce polyesterových pryskyřic (UP). Polotovar v podobě ohebných měkkých plátů obsahuje směs polyesterové pryskyřice, krátkých vláken (délky kolem 25 mm), plniv, ztužujících přísad a dalších aditiv. Polotovary se tvarují a vytvrzují v lisech. Při metodě SRIM (angl. Structural Reaction Injection Moulding) je tekutá pryskyřice obsahující tvrdidlo a krátká vlákna vstřikována do dutiny formy. Nejstarší technologií je lisování za tepla (BMC) s použitím předem připravené směsi termosetu a částic nebo krátkých vláken (angl. Bulk Moulding Compounds). Tímto způsobem se z vyztužené pryskyřice vyráběly skříňky telefonu a malých radií již v třicátých letech.
101
6.5.2 Komposity s termoplastickou polymerní matricí Při výrobě kompozitních dílů s termoplastickou matricí je dosahováno vetší produktivity než s termosetickými matricemi, protože odpadá etapa vytvrzování. Další výhodou je neomezená doba skladovatelnosti polotovaru. Polotovar s termoplastickou matricí vyztuženou kontinuálními vlákny v podobě rohoží či tkanin se připravuje: -
prosycením vláken roztokem polymeru s následným odpařením rozpouštědla,
-
prosycením vláken polymerní taveninou vytlačovanou z extruderu,
-
kombinací vláken výztuže a polymerních vláken (materiálu matrice) v jedné tkanině.
Kompozitní díly a konstrukce lze vyrábět také vrstvením termoplastických prepregu vyztužených jednosměrnými vlákny nebo tkaninami. Používá se speciálních kladecích strojů (díly pro letecký průmysl) nebo navíjecích strojů (výroba golfových holí, rybářských prutů). Spojení jednotlivých vrstev prepregu je umožněno natavením termoplastické matrice prepregu. Polotovary v podobě termoplastických desek obsahující rohože jsou používány pro technologii GMT (angl. Glass Mat Thermoplastics). Vlákna v desce jsou dokonale obklopena termoplastickou matricí a desky se tvarují za tepla bez nutnosti natavení matrice. Před vyjmutím z lisu se hotový díl pouze ochladí pod teplotou tvarové stálosti za tepla matrice. Některé firmy dodávají desky s libovolnou termoplastickou matricí a s vlákny orientovanými nebo s tkaninami. V západní Evropě se nyní přibližně 30 % produkce skleněných vláken spotřebovává pro termoplasty vyztužené krátkými vlákny. Jde o materiály, které se zpracovávají vstřikováním na běžných vstřikovacích strojích pro plasty. Polotovar pro zpracovatele jsou granule směsi. Nejčastěji se připravují mísením taveniny polymeru a sekaných rovingu vláken v granulačním vytlačovacím stroji (extruderu).
102
6.5.3 Kompozity s kovovými matricemi Při použití kontinuálních vláken je možno předformovanou výztuž umístněnou do formy zalít roztaveným kovem. Polymerní vazebný prostředek vláken, který umožnil předformovaní výztuže a zabraňuje posunutí výztuže v proudu roztaveného kovu, se při vysoké teplotě vypálí. Použití taveniny kovu vyžaduje zlepšit smáčivost používaných vláken roztaveným kovem vhodnou povrchovou úpravou vláken a legováním kovu. Směs taveniny kovu a krátkých keramických nebo uhlíkových vláken (SiC/Al) nebo whiskeru se muže odlévat připadně vstřikovat. Při licích technologiích je nutno zvláštními postupy zajistit, aby vlákna byla v odlitku rovnoměrně dispergovaná, protože vzhledem k menší hustotě oproti kovům mají tendenci vyplouvat na povrch taveniny. Například lze z krátkých vláken za pomoci polymerního vazebného prostředku připravit předformovaný polotovar, který se ve formě prosytí tekutým kovem.
6.6 Práškové metody Podstatou těchto metod je kombinace vláknové nebo částicové výztuže s matricí v podobě prášku.
Polymerní matrice Práškové metody se využívá především pro výrobu termoplastických prepregu s kontinuálními vlákny výztuže. Na výztuž (tkaninu nebo rohož) se elektrostatickými silami přichytí jemný polymerní prášek (pro pevnější uchycení lze použít též vhodný vazebný prostředek). Získaný polotovar je ohebný a snadno tvarovatelný i za normální teploty. K roztavení částic polymeru a vytvoření spojité matrice dojde až při konečné operaci, tj. při lisování dílu.
103
Kovové matrice Prášková metoda se používá při výrobě disperzně zpevněných kovů. Kompaktní výrobek je získán postupy práškové metalurgie. Typickým příkladem je hliník zpevněný velmi jemnými částicemi oxidu hliníku (Al2O3), zirkonia (Zr2O) nebo karbidu křemíku (SiC). Objemový podíl částic obvykle nepřesahuje 10 %.
Keramické matrice Nejvýznamnější uplatnění má prášková metoda při výrobě kompozitu s keramickými matricemi, protože podstatou výroby samotné konstrukční keramiky je zhutnění a následné slinutí prášku oxidu (Al2O3, MgO, ZrO2), karbidu (SiC) nebo nitridu (Si3N4) za vysokých teplot a tlaku (tzv. žárové izostatické lisováni). Částice matrice je možno na kontinuální vlákna nanášet v podobě vodné suspenze, eventuálně s přídavkem polymerního vazebného prostředku, který se při slinovaní vypálí. Silnostěnné díly se připravují slinováním předem připravených tenčích vrstev, aby při žárovém slinovaní matrice nedocházelo k velkému mechanickému poškozování vláken. Keramické materiály lze také zpevnit keramickými whiskery, které se smíchají s práškem matrice.
6.7 Infiltrace výztuže plynnou fází, pyrolýza polymerního prekurzoru Metoda CVI (Chemical Vapour Infiltration) znamená, že výztuž je prosycovaná parami vzniklými tepelným rozkladem sloučenin – prekurzoru matrice. Na ohřátých vláknech výztuže pak dochází ke kondenzaci přesycených par a vzniku tuhé fáze. V případě keramické matrice na bázi SiC se jako prekurzor používá například metyltrichlorsilan. Analogický postup lze použít i při výrobě kompozitu uhlík – uhlík. Metoda dává kompozit s velkým podílem póru. Pro dosažení dobré pevnosti kompozitu je nutno celý postup několikrát opakovat.
104
6.8 Ostatní metody Plazmové nástřiky Vyztužující vlákna uložená v tenké vrstvě je možno pokrýt kovovou nebo keramickou matricí pomocí plazmového nástřiku. Získané vrstvy se dále spojují žárovým lisováním (keramické matrice) nebo tvářením za tepla ve vakuu (kovové matrice). Lisováni za tepla ve vakuu Jde o dnes již běžnou metodu výroby vrstevnatých kompozitů z kovovou matricí vyztuženou kontinuálními vlákny. Díl je vyroben prokládáním vláknové výztuže kovovými foliemi a ke vzájemnému spojení obou složek dojde difuzními pochody při lisování za tepla ve vakuu. Pyrolýza prekurzoru matrice Keramickou nebo uhlíkovou matrici lze získat prosycením výztuže kapalným prekurzorem a jeho chemickou přeměnu rozkladem za vysokých teplot (pyrolýzou). Během pyrolýzy dochází k úbytku hmoty prekurzoru a při ochlazování výrobku v důsledku smršťování matrice v ní vznikají trhliny. Celý postup se proto musí několikrát opakovat, aby podíl póru a počet nezacelených trhlin byl co nejmenší. Pro keramickou matrici je používán pouze polymerní prekurzor, pro uhlíkovou matrici buď polymer (fenolformaldehydová pryskyřice) nebo ropná smola. Pro vysokoteplotní zpracování prekurzoru uhlíkové matrice se používá termínu karbonizace případně grafitizace. Kompozity uhlík - uhlík jsou dnes běžně používány pro třecí elementy diskových brzd letadel.
6.9 Vybrané druhy výrobků z kompozitních materiálů a jejich použití Textit J Desky jsou vyrobené z bavlněné tkaniny jako výztuže a krezolformaldehydové pryskyřice jako pojiva. Dobrá odolnost proti slabým kyselinám i při vyšší teplotě umožňuje jeho použití jako konstrukčního materiálu při stavbě strojů a zařízení v elektrotechnice. Má dobré mechanické a kluzné vlastnosti, tlumí nárazy. Používá se na výrobu kluzných ložisek,
105
větších ozubených kol, kladek, kluzných částí strojů a zařízení, tlumících částí, skříňových částí, pák, táhel, ochranných kotoučů, podložek, obložení kluzných částí lisů, těžkých hoblovacích strojů a rámových pil.
Obrázek 23 Textit J (http://www.vmplast.cz/cz/Textilit/)
Textit E Desky
jsou vyrobené
z bavlněné
tkaniny jako výztuže
a
modifikované
krezolformaldehydové pryskyřice jako pojiva. Vyznačuje se výbornými kluznými a mechanickými vlastnostmi, dobrou opracovatelností. Oproti textitu J má lepší elektrickou pevnost a odpor ve vlhkém prostředí. Je vhodný na výrobu různých součástek vysoce mechanicky a elektricky namáhaných, používá se jako textit J pro elektrotechnické součástky se zaručenou elektrickou pevností a izolačním odporem na elektroizolační desky, kostry, tělesa přístrojů, skříňových částí rozvoden a rozvaděčů, elektrických strojů a transformátorů.
Sklotextit ARV Vrstvený materiál je vyrobený z upravené skelné tkaniny jako výztuže. Pojivem je zde epoxidová pryskyřice. Kromě dobrých mechanických a elektroizolačních vlastností má i vysokou klimatickou odolnost. Používá se na výrobu součástek s dobrými mechanickými a elektrotechnickými vlastnostmi, pro elektrická zařízení pracující při vyšších teplotách nebo ve vlhkém prostředí, při namáhaných elektroizolačních součástkách, jako jsou kostry, tělesa přístrojů, skříňové částí rozvoden, transformátorů, rozvaděčů a elektrických strojů.
106
Obrázek 24 Sklotextit ARV (http://www.vmplast.cz/cz/Sklotextit/)
Sklotextit FR4 Vrstvený materiál ve tvaru desek, vyrobený z upravené nealkalické skelné tkaniny jako výztuže a epoxidové pryskyřice jako pojiva. Kromě dobrých mechanických a elektroizolačních vlastností jsou desky samozhášivé. Jeho uplatnění je podobné jako u sklotextitu ARV.
Sklotextit Si Vrstvený materiál ve tvaru desek, vyrobený z nealkalické skelné tkaniny. Pojivo tvoří silikonová pryskyřice. Vyznačuje se vysokou teplotní odolností (teplotní třída H – do 180 °C) a dobrými dielektrickými vlastnostmi. Barva je voskově bílá až voskově žlutá. Je určený do elektrických zařízení teplotní třídy H a všude tam, kde se požaduje vysoká teplotní odolnost a malý pokles elektrických a mechanických vlastností při pracovních teplotách. Použití i ve vysokofrekvenční technice.
Glastic UTR Ohnivzdorný laminát odolný proti elektrickému oblouku a plazivým proudům. UTR je zesílený polyesterový sklolaminát. Tento materiál se pro svou odolnost proti plazivým
107
proudům obecně používá pro elektrické izolace. Výborná kombinace velké síly, ohnivzdornosti a nízká hladina kouřivosti umožňují používání v mnoha dalších odvětvích, kde jsou zapotřebí bezpečné, nicméně ekonomické materiály. Standardní barva je červená nebo bílá. Elektroizolační materiál, vysoce ohnivzdorný, nehořlavý a s nízkou hladinou toxických látek.
Obrázek 25 Glastic UTR (http://www.presspahn.com/Cart/index.php?manufacturers_id=2)
Glastic FHT Tento laminát poskytuje velkou flexibilitu a výbornou dielektrickou sílu při zvýšených teplotách. Používá se pro polohové a jádrové (cívkové) izolace pro suché typy transformátorů. Standardní barva tohoto laminátu je žlutohnědá. Vysoce flexibilní, výborné dielektrikum, vysoká žáruvzdornost, ideální pro suché typy transformátorů, materiál bez obsahu azbestu. Glastic SG – 200 Jedná se o silný, pevný, vysokoteplotní laminát, který nabízí stejný výkon a prospěšné vlastnosti jako FHT laminát. Díky těmto svým vlastnostem je ideální pro použití vyžadující
108
vysokoteplotní materiály. K dispozici je v přírodní žlutohnědé barvě. Extrémně pevný, silný, výborná stálost vlastností při zvýšených teplotách, ideální pro vysokoteplotní aplikace, bez azbestu, vhodný pro suché typy transformátorů. Kartit Desky jsou vyrobené z celulózového papíru jako výztuže a fenolformaldehydové pryskyřice jako pojiva. Použití při stavbě transformátorů ve formě izolačních mezistěn, různých konstrukčních prvků, krytů, vložek. Pro vysokou elektrickou a mechanickou pevnost jsou vhodné k výrobě izolačních táhel a dílců elektrických rozvaděčů.
Obrázek 26 Kartit (http://www.hansanet.cz/oddeleni/106/Kartit-(Pertinax)---tvrzeny-papir.aspx)
6.10 Využiti vláknových kompozitu Velký rozmach komerčního využití kompozitu nastal během druhé světové války, kdy byly využívány pro vojenské účely a to leteckou, raketovou a námořní techniku. Díky objevům a výrobě pokročilých komponent o vynikajících vlastnostech, jsou kompozity používány v automobilovém průmyslu, elektrotechnice, stavebnictví, ale také k výrobě sportovních potřeb (hokejky, golfové hole, tenisové rakety, oštěpy, lyže). Dnes se také tyto
109
materiály s výhodou používají v lékařství. Nové materiály inovují stávající produkty a snižují jejich cenu za současné zvýšení životnosti. •
Krátkovláknové kompozity se používají především pro injektované výlisky nebo pro extrudované plastové výrobky
•
Dlouhovláknové kompozity se často asto používají u velkých konstrukcí konstrukc jako jsou lodě,, tlakové nádoby, křídla větrných turbín, konstrukční profily….
Význam kompozitních materiálů ve všech oblastech techniky neustále roste.
STUDIJNÍ TUDIJNÍ MATERIÁLY povinná literatura SKÁLOVÁ, J., KOUTSKÝ, J., MOTYČKA, V., V. 2003. Nauka o materiálech. materiálech. Plzeň: Západočeská univerzita v Plzni. Plzni ISBN 80--7043-244-6. 6. doporučená literatura MLEZIVA, J., ŠŇUPÁREK, J., J. 2000. Polymery – výroba, struktura, vlastnosti a použití. použití 2., přeprac. vyd. Praha: Sobotáles. ISBN 80-85920-72 80 72-7. MLEZIVA, J., J., 1993. Polymery. Polymery. Praha: Sobotáles. ISBN 80-901570 80 901570-4-1. BAREŠ, R., R., 1988. Kompozitní materiály. materiály Praha:: SNTL. SNTL MENČÍK, J., J., 1990. Pevnost a lom skla a keramiky. keramiky. 1. vyd. Praha: SNTL SNTL ISBN 80 80-03 03-002052. POKLUDA, J., KROUPA, F., OBDRŽÁLEK, L., L., 1994. Mechanické vlastnosti a struktura pevných látek – kovy, keramika, plasty. plasty. 1. vyd. Brno: PC-DIR. PC DIR. ISBN 80-214 80 214-0575-9. 9. MOTYČKA, V., V., 1991. Nové keramické materiály ve strojírenství. strojírenst 1. vyd. Plzeň Plzeň:: ZČU. ZČU ISBN 80-7082 7082-044-6. 6. KOLOUCH, J., J., 1981. Strojní součásti z plastů. plastů. 1. vyd. Praha: Praha: SNTL.
110
OTÁZKY A ÚKOLY 1. Uveďte definici a základní přehled kompozitních materiálu. materiálu 2. Charakterizujte C arakterizujte pojem synergizmus. 3. Rozdělte kompozity podle po geometrického tvaru výztuže. výztuže 4. Rozdělte kompozity podle povahy matrice. matrice 5. Charakterizujte vlastnosti osti a výrobu výztuže kompozitu. kompozitu 6. Popište vlákna pro výrobu kompozitu. 7. Charakterizujte Charakterizujte strukturu kompozitu. 8. Rozdělte a popište výrobu a zpracovatelské technologie kompozitu kompozitu. 9. Vyjmenujte a popište vybrané druhy výrobku kompozitních materiálu a uveďte jejich použití použití.
KLÍČ K ŘEŠENÍ OTÁZEK Viz výklad
111
Kapitola 7 - Kompozity s kovovou matricí KLÍČOVÉ POJMY Kovové kompozity, kovová matrice, slitiny na bázi hořčíku, titanu, niklu, mědi, slitiny hliníku, disperzně zpevněné kompozity, spojení vlákno - matrice
CÍLE KAPITOLY •
charakterizovat kompozity s kovovou matricí,
•
definovat pojem disperzně zpevněné kompozity, kompozity
•
uvést nejznámější disperzně zpevněné částicové částicové kompozity, kompozity
•
popsat tvrdost a pevnost kompozitu s kovovou matricí, matric
•
nakreslit výztuže vláknových kompozitů, kompozit
•
charakterizovat mechanické vlastnosti vybraných kompozitů kompozit s hliníkovou matrici
ČASS POTŘEBNÝ KE STUDIU KAPITOLY 4 hodiny
VÝKLAD 7.1 Kompozity s kovovou matricí (metal matrix composites – MMCs) Do vývojové skupiny materiálů určených pro vysoké namáhání patří kovové kompozity, ve kterých se vyžaduje i vysoký podíl pružnosti. Kovová matrice může být vytvořena z různých slitin na bázi hořčíku, hořčíku, titanu, niklu, mědi a dalších slitin.
112
Mezi nejvýznamnější patří matrice ze slitin hliníku, kde se využívají všechny typy slitin, ať už licích nebo tvárných. K nejvýznamnějším vlastnostem kompozitu s kovovou matricí a s vyztužující fází ve formě částic patří tvrdost, pevnost, otěruvzdornost a odolnost vůči tečení. Vlastnosti závisí především na velikosti těchto zpevňujících částic. Pokud jsou částice zpevňující fáze malé (do 0,1 um), potom takové kompozity označujeme jako disperzně zpevněné kompozity a vyrábějí se cestou práškové metalurgie. K nejznámějším disperzně zpevněným částicovým kompozitům patří Al2O3/Al, Y2O3/Ni a Al2O3/Cu, (Al, Ni, Cu - představují slitiny na bázi těchto kovů). Pro své vynikající vlastnosti se využívají hlavně v leteckém, automobilovém, elektrotechnickém průmyslu a v jaderné energetice. Vyrábějí se z nich komponenty, které mají zvýšenou odolnost proti otěru a deformacím při zvýšených teplotách. Větší částice zajišťují zpevňující a vytvrzující efekt těsným sevřením v matrici a částečným přenosem zatěžujícího napětí z matrice na částice. Tvrdost kompozitu s měkkou kovovou matricí vyztuženou tvrdými částicemi roste s objemovým podílem těchto částic. Rostoucí tvrdost kompozitu následně zajišťuje i zvýšenou odolnost proti otěru. Pevnost kompozitu dosahuje maxima při určitém obsahu vyztužujících částic, čímž je větší povrch těchto částic a čím je dokonalejší kontakt mezi matricí a vyztužující fází, tím je zpevňující efekt dokonalejší (obr. 27 a).
113
Obrázek 27 a) Vliv objemového podílu částic Vv a měrného povrchu S na pevnost kompozitu Rm, b) Teplotní závislost pevnosti Rm ( tvrdosti HV) kompozitu a vytvrditelné hliníkové slitiny
Na obr. 27 b) je znázorněna tepelná odolnost kompozitu (hliníková matrice vyztužená částicemi ze SiC) a velmi pevné vytvrditelné hliníkové slitiny. Z obrázku jednoznačně vyplývá, že tvrdost hliníkové slitiny je na začátku vyšší než v případě kompozitu, ale s rostoucí teplotou pevnost duralu klesá mnohem rychleji než pevnost kompozitu. Při teplotě nad 300 °C je pevnost kompozitu vyšší než pevnost hliníkové slitiny. Částicové kompozity kde je matrice z hliníkové slitiny nejčastěji vyztužená karbidem křemíku (SiC) a oxidem hlinitým (Al2O3) ve formě nepravidelných částic. Kromě těchto výztuži se využívají i další, jako například karbid wolframu, karbid hliníku, boridů titanu atd. Tento druh kompozitních materiálů má uplatnění zejména v leteckém a automobilovém průmyslu.
Tabulka 9 Vlastnosti SiC a AL2O3
Materiál
Hustota [kg.m-3]
Pevnost v tlaku [MPa]
AL2O3
3 950
2 500
SiC
3 210
2 800
114
Vláknové kompozity jsou významnější než částicové kompozity. Vysokou pevnost kompozitů zpevněných vlákny zaručuje kovová matrice a zvýšení pružnosti zajišťují samotné vlákna. Patří sem kompozity s titanovou, hořčíkovou, hliníkovou matricí a žárupevné kompozity.
Výztuže vláknových kompozitů lze rozdělit na: - Kompozity s dlouhými vlákny - délka vláken je srovnatelná s délkou konečného produktu [obr. 28 b), c)] - Kompozity s krátkými vlákny - délka vláken mnohem menší než v případě konečného produktu [obr. 28 a)]
Obrázek 28 Výztuže vláknových kompozitu
Obecně platí, že vlastnosti kompozitu zpevněných dlouhými vlákny závisí hlavně na druhu použitých vláken a matrice, od způsobu jejich kombinování, poměru vlákno - matrice, délky vláken a jejich orientace, a od spojovacího prostředku zlepšení spojení vlákno matrice. Pevnost kompozitního materiálu roste současně s poměrem vlákno - matrice a s orientací vláken paralelně se směrem zatížení. Čím jsou vlákna delší, tím je zpevnění efektivnější při přenášení zatížení. Na druhé straně, kratší vlákna se snadněji zpracovávají a jsou proto mnohem levnější. Rostoucí tloušťka laminátu vede ke snižování pevnosti kompozitu a modulu pevnosti, protože vzrůstá pravděpodobnost přítomnosti defektů. Ke snížení dovolené pevnosti přispívá i prostředí, jako například únavové zatížení, vlhkost a teplota.
115
Jedním z prvních typů využívaných v leteckém průmyslu a v kosmonautice byly kompozity s kontinuálními vlákny typu B / Al (borové vlákna vyztužují matrici se slitiny hliníku typu Al - Mg - Si nebo Al - Cu - Mg ). Jde o velmi lehké kompozity, které se využívaly hlavně při konstrukci trupu a křídel letadla a na konstrukci raketoplánů. Výhodou těchto vláken je jejich vysoká mez pevnosti v tahu a nevýhodou zase jejich náchylnost k oxidaci při zvýšených teplotách. Při výrobě celkového kompozitu dochází i k nežádoucí reakci vlákna s hliníkovou matricí. Aby se zabránilo této nežádoucí reakci, vlákna se obalují ochrannými povlaky SiC. V současnosti jsou borové vlákna na ústupu a nahrazují jejich vlákna z karbidu křemíku (SiC). Aplikují se zejména jako výztuže hliníkových (Al - Mg - Si, Al - Cu - Mg, Al -Si) popřípadě titanových matric. Matrice mohou být vyztužené kontinuálními vlákny, nebo to mohou být kompozity z SiC WHISKER. Kompozity s kontinuálními vlákny jsou chemicky a tepelně stabilnější než borová vlákna, svou pevnost si zachovávají až do teploty 250 °C. SiC whiskery zaručují, že daný kompozit je odolný vůči tečení za vysokých teplot, vůči otěru, přičemž se tyto materiály vyznačují nízkou tepelnou roztažností. Využívají se na výrobu tepelně a mechanicky namáhaných částí leteckých a spalovacích motorů. Nakolik jsou tyto materiály velmi lehké a dobře odvádějí teplo, jsou vhodné i pro výrobu krytů elektrických zařízení. Dalším typem vláken vyztužujících kovovou matrici jsou uhlíková vlákna. Patří k nejperspektivnějším materiálům, nakolik se vyznačují vysokými mechanickými vlastnostmi, vysokou tepelnou stabilitou a nízkou hmotností. Jejich zajímavostí je vysoká anizotropie vlastností. Například modul pružnosti je několika násobně vyšší ve směru osy vlákna než ve směru kolmém na osy vláken. Stejně i tepelná roztažnost vykazuje rozdílnou hodnotu v závislosti na směru k ose vláken. Jejich nevýhodou je, že v případě aplikace v kovových matricích, jako jsou hliníkové, resp. hořčíkové, mají špatnou smáčivost a náchylnost k oxidaci při zvýšených teplotách. Aby se zabránilo těmto nežádoucím vlivům, vlákna se opatřují ochrannými povlaky (SiC).
116
K dalším perspektivním materiálům vyztužující matrici z Al slitin patří krátká vlákna z oxidu hlinitého Al2O3. Vyrábějí se z organo - hlinitých sloučenin. Tato vlákna obsahují také určité podíly jiných oxidů a jsou známé pod komerčními názvy Nextel, Saffil ... Jejich využití je soustředěno hlavně do automobilového průmyslu na výrobu komponentů provozovaných při vysokých teplotách. V leteckém průmyslu a v kosmonautice mají pro své významné vlastnosti, jako nízká hmotnost, tepelná odolnost, případně zvýšená odolnost vůči účinkům agresivního prostředí, uplatnění i následující kompozity: - SiC/Mg a Al2O3/Mg (krátké SiC nebo Al2O3 vlákna vyztužující matrici z hořčíkových slitin), - C/Mg (kontinuální C vlákna vyztužující matrici z hořčíkových slitin), - SiC/Ti (kontinuální vlákna ze SiC vyztužující matrici ze slitin titanu). V tabulce 10 jsou pro ilustraci uvedeny mechanické vlastnosti vláknových kompozitu.
Tabulka 10 Mechanické vlastnosti vybraných kompozitu s hliníkovou matrici
Rozvoj kompozitních materiálů v době předstihuje rozvoj klasických, zejména kovových materiálů, protože se neustále rozšiřují možnosti jejich aplikace jako náhrady za klasické materiály ve všech průmyslových odvětvích včetně letectví.
117
Vzhledem k tomu, že z hlediska co nejširšího použití těchto materiálů se objevuje ještě mnoho technologických problémů a cena materiálu je stále velmi vysoká, svou budoucnost mají tyto materiály ještě stále před sebou. Z hlediska měrné pevnosti a tuhosti mají největší význam kompozity vyztužené kontinuálními vlákny. Existuje však mnoho aplikací se složitou geometrií, u kterých se vyžaduje izotropní chování a rozhodující mechanickou vlastností je zejména vysoká tuhost. Pro takové případy je výhodné použít odlévatelných systémů obsahujících jako vyztužující fázi keramické whiskery, např. z karbidu nebo nitridu křemíku. Požadované tuhosti konstrukčního dílu se tak dosáhne při menší hmotnosti a tloušťce stěny. Vyztužení kovu kontinuálními vlákny obvykle vede ke komplexnímu zlepšení mechanických vlastností, tj. tuhosti, pevnosti, houževnatosti, odolnosti proti krípu i únavě. Nicméně vlákna z karbidu křemíku se ukázala jako nejslibnější vláknová výztuž kovových kompozitů. Vedle vysoké pevnosti, modulu pružnosti a stability mechanických vlastností za vysokých teplot, mají tato vlákna vynikající odolnost proti oxidaci. Mají poměrně vysokou tepelnou vodivost a nízký koeficient lineární teplotní roztažnosti, což je příčinou i vysoké odolnosti proti teplotním šokům. Vývoj vláknových kompozitů s kovovou matricí byl podpořen úspěšným vývojem nových technologií přípravy SiC vláken. Levnější technologie výroby SiC vláken vyvolaly ve větším měřítku zájem o vláknové kovové kompozity ve strojírenských oborech. Přispěly k tomu i příznivě se rozvíjející možnosti využití vláken z Al2O3 a mullitů (3 Al2O3 . 2 SiO2), které sice nedosahují tak vysoké pevnosti a modulu pružnosti jako SiC vlákna, ale jejich hodnoty se v závislosti na teplotě nemění. Kompozitní díly vyztužené dlouhými vlákny se připravují infiltraci roztaveného kovu do předem vytvořeného vláknového skeletu (tvar výrobku) nebo difúzním spojováním kovových prepregů za vysoké teploty a tlaku. Technologie infiltrace je považovaná za jediný ekonomický a technologický přijatelný způsob přípravy kovových kompozitů s kontinuálními vlákny, zatímco difúzní spojování je určeno zejména pro drahé letecké a kosmické aplikace.
118
V současné době se soustřeďuje zájem zejména na tři skupiny kovových matric, určených pro různé teplotní rozsahy použití: hliníkové hliníkové slitiny pro teploty 300 až 400 °C, titánové slitiny pro teplotní rozsah 500 až 600 °C a superslitiny na bázi niklu, železa a kobaltu pro teplotní rozsah 1000 až 1150 °C. Přínos vyztužení hliníkových a titanových slitin SiC vlákny je zřetelný zejména za vyšších teplot. Účinnou výztuží pro superslitiny se ukázala wolframová vlákna. Vyztužení wolframovými vlákny je prospěšné především pro teploty nad 900 °C, kdy samotné superslitiny začínají výrazně ztrácet svoji pevnost. Perspektivními kompozity se dále dále jeví hořčíkové slitiny, měď a bronz, vyztužené SiC vlákny. U měděného kompozitu lze dosáhnout pevnosti až 1380 MPa (oproti původním 230 MPa) při zachování výhodných vlastnosti matrice, tj. vysoké elektrické a tepelné vodivosti a korozní odolnosti.
STUDIJNÍ UDIJNÍ MATERIÁLY povinná literatura SKÁLOVÁ, J., KOUTSKÝ, J., MOTYČKA, V., V. 2003. Nauka o materiálech. materiálech. Plzeň: Západočeská univerzita v Plzni. Plzni ISBN 80--7043-244-6. 6. doporučená literatura MLEZIVA, J., ŠŇUPÁREK, J., J. 2000. Polymery – výroba, struktura, vlastnosti a použití. použití 2., přeprac. vyd. Praha: Sobotáles. ISBN 80-85920-72 80 72-7. MLEZIVA, J., J., 1993. Polymery. Polymery. Praha: Sobotáles. ISBN 80-901570 80 901570-4-1. BAREŠ, R., R., 1988. Kompozitní materiály. materiály Praha:: SNTL. SNTL MENČÍK, J., J., 1990. Pevnost a lom skla a keramiky. keramiky 1. vyd. Praha: SNTL ISBN 80 80-03 03-002052. POKLUDA, J., KROUPA, F., OBDRŽÁLEK, L., L., 1994. Mechanické vlastnosti a struktura pevných látek – kovy, keramika, plasty. plasty. 1. vyd. Brno: PC-DIR. PC DIR. ISBN 80-214 80 214-0575-9. 9.
119
MOTYČKA, V., V., 1991. Nové keramické materiály ve strojírenství. strojírenst 1. vyd. Plzeň Plzeň:: ZČU. ZČU ISBN 80-7082 7082-044-6. 6. KOLOUCH, J., J., 1981. Strojní součásti z plastů. plastů. 1. vyd. Praha: Praha: SNTL.
OTÁZKY A ÚKOLY 1. Charakterizujte kompozity s kovovou matrici. matrici 2. Definujte pojem disperzně zpevněné kompozity. kompozity 3. Uveďte nejznámější disperzně zpevněné částicové kompozity. kompozity 4. Popište tvrdost a pevnost kompozitu s kovovou matrici. matrici 5. Nakreslete výztuže vláknových kompozitu. kompozitu 6. Charakterizujte mechanické vlastnosti vybraných kompozitu s hliníkovou matrici. matrici
KLÍČ K ŘEŠENÍ OTÁZEK Viz výklad
120
Kapitola 8 - Kompozity s polymerní matricí
KLÍČOVÉ POJMY Vláknové kompozity, reaktoplasty, polyesterová pryskyřice, vinylesterová pryskyřice, epoxidová pryskyřice, laminační fenolformaldehydová pryskyřice, pryskyřice na bázi imidových polymerů, skleněná vlákna, uhlíková vlákna, turbostratický uhlík, polymerní vlákna, aramid, lineární aromatický kopolyester, mikromleté minerály
CÍLE KAPITOLY •
charakterizovat vláknové kompozity a jejich matrici,
•
popsat skleněná vlákna, vlákna
•
znát pevnost a tuhost různých vláken, vláken
•
popsat uhlíková vlákna, vlákna
•
charakterizovat polymerní vlákna, vlákna
•
popsat částicové kompozity s polymerní matrici popsat
ČASS POTŘEBNÝ KE STUDIU KAPITOLY 4 hodiny
VÝKLAD
121
8.1 Kompozity s polymerními matricemi (polymer matrix composites – PMCs) Rychlý vzestup výroby vláknových kompozitů a polymerních matricí nastal za druhé světové války. První aplikací byly kryty pro vojenské letouny. Použita byla skleněná vlákna a polyesterová pryskyřice. Špičkovými konstrukčními materiály se však vláknové kompozity staly teprve s rozvojem výroby uhlíkových a borových vláken a epoxidových pryskyřic na počátku šedesátých let. Vedle již zmíněného výhodného poměru mechanických vlastnosti k hustotě mají vláknové kompozity a polymerní matrice i další přednosti, z nichž nejvýznamnější jsou: -
korozivzdornost a chemická odolnost (uplatnění v námořní dopravě, chemickém průmyslu),
-
dobré dielektrické vlastnosti a nevodivost se skleněnými vlákny (díly pro elektrotechniku a elektroniku)
8.2 Vláknové kompozity Většina dnes vyráběných kompozitů má polymerní matrici vyztuženou vlákny. Vysoké
hodnoty poměrů modulu pružnosti k hustotě (měrný modul E/ ) a pevnosti v tahu k
hustotě (měrná pevnost / ) činí z polymerních kompozitů velmi vhodné materiály pro dopravní prostředky.
Vláknové kompozity s polymerní matricí mají i další přednosti: odolnost proti půdní korozi, dobrou chemickou odolnost, dobré dielektrické vlastnosti a nevodivost (kompozity se skleněnými a polymerními vlákny). Jako matrice jsou nejvíce používány reaktoplasty. Nejlevnější jsou nenasycené polyesterové pryskyřice (UP), jejichž viskozitu je možno ovlivňovat podílem reaktivního rozpouštědla (obvykle styrenu), ztužujícími přísadami a plnivy. Dobu vytvrzování UP lze měnit v širokém rozmezí volbou vytvrzovacího systému a vytvrzovací teploty. Krátké doby vytvrzování dovolují využít UP pryskyřice i v hromadné výrobě. Chemicky i tepelně odolnější jsou vinylesterové pryskyřice (VE).
122
Nejlepší mechanické vlastnosti a větší tepelnou i chemickou odolnost mají epoxidové pryskyřice (EP). Laminační fenolformaldehydové pryskyřice (PF) jsou nehořlavé a při vystavení ohni vykazují malý vývin toxických splodin a kouře. Jsou proto používány pro interiéry letadel, vozů metra apod. Největší tepelnou odolnost mají pryskyřice na bázi imidových polymerů (bismaleimidy BMI, reaktoplastické polyimidy Pí). V hromadné výrobě jsou stále více používány polotovary s termoplastickými matricemi. Termoplastické kompozity umožňují velmi produktivní výrobu kompozitních dílů. Doba výrobního cyklu je kratší než při použití pryskyřic, které je nutné vytvrdit. Termoplastickou matrici stačí po vstříknutí do formy (termoplasty vyztužené krátkými vlákny) nebo po tvarování kompozitní desky za tepla pouze ochladit pod teplotu tvarové stálosti za tepla. Nejlevnější jsou termoplastické matrice polypropylénové (PP). Dražší polyamidy (PA6, PA6.6, PA6.10, PA4.6, PA12) a lineární polyestery (PET, PBT) vyztužené krátkými vlákny jsou nyní používány pro tvarově komplikované (sací potrubí automobilových motorů) a mechanicky namáhané díly (pouzdra a kryty agregátů a ručního nářadí, automobilové pedály). Chemicky a tepelně velmi odolné termoplasty jako polyfenylensulfidy (PPS), vstřikovací typy polyimidů (polyamidoimid (PAT) a polyetherimid (PEI)), polyetherketony (PEEK, PEK, PEKK) a termoplastické polyimidy (Pí) vyztužené vlákny lze použít i pro značně tepelně a mechanicky namáhané díly. Maximální pracovní teplota však nepřesahuje 300 °C. Pevnost a tuhost různých vláken jsou zřejmé z obr. 27.
Skleněná vlákna jsou amorfní. Jejich vlastnosti v podélném i příčném směru se předpokládají shodné. Pevnost v tahu je značně závislá na stavu povrchu. Vzájemné poškozování vláken při sdružování do pramenů a adsorpce vzdušné vlhkosti snižuje pevnost čerstvě vytaženého vlákna až o 50 %. Pro ochranu před vzájemným poškozováním je nutno skleněná vlákna chránit povlaky nanášenými ještě před sdružením vláken do pramene. Tzv. lubrikace (vosky, maziva) je používána pro vlákna určená pro textilní zpracování na technické tkaniny.
123
Pro kompozitní díly se vlákna opatřují vazebnými prostředky pro zlepšení adheze polymeru k vláknům. Pro vlákna ze skla E jsou to organické silany. Vlákna ze skloviny S, která jsou určena pro dynamicky namáhané kompozity s epoxidovými matrice, jsou opatřena povlakem speciální epoxidové pryskyřice.
Obrázek 29 Schematické znázornění pevností a tuhostí různých vláken
Vysvětlivky k obr. 28: HM uhlík - vysoce tuhé uhlíkové vlákno (E=400-800 GPa) Bw - bórové vlákno CVD („Chemical Vapour Deposition"), průměr 100-250µm (E=400 GPa) AI2O3 a SiC - keramická vlákna vyrobená z polymerních prekursorů (E=380 GPa a E=300 GPa) IM uhlík - „středněmodulové" vlákno s vysokou pevností (E=290 GPa) PBO HM - polymerní vlákno poly-para-fenylenbenzobisoxazolu s vysokou (E=280 GPa) standardní uhlíkové vlákno (E=230 GPa) Kevlar®49 - polymerní aramidové vlákno od firmy Du Pont (E=130 GPa) UHMW PE - polymerní vlákno z PE s vysokou molární hmotností (Spectra®1000 má E=170 GPa) S sklo - skleněné vlákno s větší podílem SiO2 a AI2O3 (E=85 GPa) E sklo - skleněné vlákno E=73GPa)
124
Uhlíková vlákna jsou krystalická. Na rozdíl od polykrystalického grafitu s nahodilou orientací krystalů (aromatické roviny jsou bazální roviny šesterečné mřížky) jsou aromatické roviny ve vláknu orientovány přednostně ve směru podélné osy vlákna, jak ukazuje obr. 28. Aromatické roviny však nejsou uspořádány v hexagonální mřížce, jde o tzv. turbostratický uhlík. Vlastnosti vláken závisí na paralelnosti aromatických rovin s osou vlákna, na velikosti a dokonalosti krystalů a na obsahu vnitřních defektů (dutin, vměstků, trhlin). Uhlíková vlákna mají největší rozsah vlastností. Přednostní orientace aromatických rovin v uhlíkovém vláknu ve směru podélné osy způsobuje, že vlákna jsou vysoce anizotropní. Koeficient teplotní roztažnosti ve směru osy vlákna je záporný, kolmo k ose vlákna kladný. Hodnoty tepelné a elektrické vodivost jsou také směrově závislé. Vlastnosti kompozitu je možno vhodnou orientací vláken měnit v širokém rozmezí. Lze například vyrobit díl s minimálními rozměrovými změnami při střídání teplot v rozsahu -200 až +200°C.
Obrázek 30 Schematický obrázek uspořádání aromatických rovin v uhlíkovém vláknu vyrobeném z PAN (vlevo) a ze smol (vpravo, pouze pněné řezy)
Uhlíková vlákna jsou křehčí než vlákna skleněná. Ohebnost potřebnou pro textilní zpracování je zaručena jejich menšími průměry (obvykle 6 až 8 μm). Pro zvýšení odolnosti vláken proti vzájemnému poškozování při dalším zpracování a pro lepší soudržnost s polymerními matricemi se uhlíková vlákna také povrchově upravují. Nejčastěji je použita elektrochemická úprava povrchu. Proti vzájemnému poškození při sdružení do pramene se uhlíková vlákna opatřují povlakem ze speciálních epoxidových pryskyřic.
125
Polymerní vlákna jsou krystalická. Pro kompozitní konstrukce musí mít pevnost a tuhost alespoň srovnatelnou s vlákny skleněnými. Pro kompozity jsou nejvhodnější vlákna z aromatického polyamidu (aramidu) se strukturním trukturním vzorcem:
Produkty firmy Du Pont (USA) mají obchodní značku Kevlar, japonská firma Teijin vyrábí aramidy Twaron a Tachnora. Vysoké tuhosti a pevnosti aramidového vlákna je dosaženo téměř dokonalou orientací tuhých lineárních makromolekul v podélném směru. Ve směru kolmo na osu vlákna působí mezi makromolekulami jen slabší mezimolekulární síly, tzv. vodíkové můstky, můstky a pevnost a tuhost v tomto směru je srovnatelná s vlastnostmi obyčejného polymeru. Při tlakovém namáhání ve směru kolmo na osu sse e vlákno snadno plasticky deformuje. Polyetylénová vlákna z lineárního UHMW PE začala být na trh dodávána v devadesátých letech pod obchodními značkami Dyneema (firma DSM, Holandsko) Holand a Spectra (Honeywell International, Inc., USA). Nevýhodou vláken z UHMW PE je malá teplota tání krystalů (140 °C). Kompozity vyztužené vlákny UHMW PE mají velmi vysoké hodnoty měrné pevnosti. Polymerní vlákna z lineárních aromatických kopolyesterů (mezinárodní zkratka pro tyto polymery je LCP, „Liquid-Crystal-Polymers") „Liquid Polymers"). Vlákna lze vyrábět přímo z taveniny. Lze předpokládat, že tato vlákna budou levnější než ostatní polymerní vlákna. Komerční produkt značky Ekonol® (firma Sumitomo, Japonsko) má při hustotě 1,3 g/cm3 hodnotu modul pružnosti v tahu 138 GPa a pevnost v tahu 3500 MPa. Firma Toybo Co. vyrábí z poly-para-fenylenbenzobisoxazolu poly fenylenbenzobisoxazolu (PBO) vlákna pod obchodním názvem Zylon. Vlákna PBO mají ze všech polymerních vláken největší tepelnou odolnost, nehoří a ani v ohni nemění svůj tvar (nesmršťuje se), pevnost a modul pružnosti pru má zhruba dvojnásobný oproti špičkovým typům aramidových vláken, velmi dobrou chemickou odolnost (neabsorbuje vlhkost jako aramidy).
126
Strukturní vzorec PBO je:
8.3 Částicové kompozity s polymerní matricí Polymerní matrice se vyztužují především především anorganickými částicemi. Částicový kompozit má oproti polymeru větší tvarovou stálost za tepla, menší smrštění, větší tepelnou vodivost a menší tepelnou roztažnost. Používají se mikromleté minerály minerály.. Složením jsou to především hlinitokřemičitany (mastek, kaolin), vrstevnaté hlinitokřemičitany (slídy) a uhličitany (vápenec a těživec). Pro zlepšení kluzných vlastností a otěruvzdornosti je možno kombinovat kovové částice bronzu s částicemi grafitu, sulfidu molybdenu nebo polytetrafluoretylenu. Hořlavé polymery polymery s vysokým podílem anorganických částic mají sníženou hořlavost. Polyolefiny (PE a PP) vyztužené částicemi Mg(OH)3 nebo Al(OH)3 jsou dokonce samozhášivé, protože při expozici v plameni plamen se z hydroxidu uvolňuje chemicky vázaná voda.
STUDIJNÍ MATERIÁLY povinná literatura SKÁLOVÁ, J., KOUTSKÝ, J., MOTYČKA, V., V. 2003. Nauka o materiálech. materiálech. Plzeň: Západočeská univerzita v Plzni. Plzni ISBN 80--7043-244-6. 6. doporučená literatura MLEZIVA, J., ŠŇUPÁREK, J., J. 2000. Polymery – výroba, struktura, vlastnosti a použití. použití 2., přeprac. vyd. Praha: Sobotáles. ISBN 80-85920-72 80 72-7. MLEZIVA, J., J., 1993. Polymery. Polymery. Praha: Sobotáles. ISBN 80-901570 80 901570-4-1. BAREŠ, R., R., 1988. Kompozitní materiály. materiály Praha:: SNTL. SNTL
127
MENČÍK, J., J., 1990. Pevnost a lom skla a keramiky. keramiky. 1. vyd. Praha: SNTL ISBN 80 80-03 03-002052. POKLUDA, J., KROUPA, F., OBDRŽÁLEK, L., L., 1994. Mechanické vlastnosti a struktura pevných látek – kovy, keramika, plasty. plasty. 1. vyd. Brno: PC-DIR. PC DIR. ISBN 80-214 80 214-0575-9. 9. MOTYČKA, V., V., 1991. Nové keramické materiály ve strojírenství. strojírenst 1. vyd. Plzeň Plzeň:: ZČU. ZČ ISBN 80-7082 7082-044-6. 6. KOLOUCH, J., J., 1981. Strojní součásti z plastů. plastů. 1. vyd. Praha: Praha: SNTL.
OTÁZKY A ÚKOLY 1. Charakterizujte vláknové kompozity a jejich matrici. matrici 2. Popište skleněná vlákna. vlákna 3. Uveďte pevnost a tuhost různých vláken. vláken. 4. Popište uhlíková vlákna. vlákna 5. Charakterizujte polymerní vlákna. vlákna 6. Popište částicové kompozity kompozity s polymerní matricí.
KLÍČ K ŘEŠENÍ OTÁZEK Viz výklad
128
Kapitola 9 - Kompozity s keramickou matricí
KLÍČOVÉ POJMY Bezoxidické CMCs, oxidická CMCs, uhlíková matrice / uhlíkové vlákno, Chemical vapour Infiltration, Reacted melt Infiltration, izotermický / izobarický CVI přenos
CÍLE KAPITOLY •
charakterizovat význam a použití CMCs,
•
popsat zpevňování CMCs, CMCs
•
charakterizovat mechanické vlastnosti CMCs, CMCs
•
popsat bezoxidické CMCs, CMCs
•
vysvětlit význam význam oxidické CMCs, CMCs
•
uvést výrobu CMCs (postup CVI a RMI)
ČAS POTŘEBNÝ KE STUDIU STUDIU KAPITOLY 4 hodiny
VÝKLAD 9.1 Kompozity s keramickou matricí (ceramic martix composites – CMCs) Kompozity s keramickou matricí byly vyvinuty, aby se překlenula křehkost monolitních keramických materiálů s cílem využít keramiku jako konstrukční materiál v různých prostředích, jako jsou rakety, proudové motory, plynové turbíny elektráren, ochranné vnější vrstvy vesmírných lodí, stěny termonukleárních reaktorů, brzdy letadel, pece
129
na tepelné zpracování. Obecně se připouští, že použití keramických kompozitních materiálů ve vysokovýkonných motorech přinese zvýšení jejich pracovní teploty, případně nepotřebnost chladicích směsí. Použití lehkých keramických materiálů namísto těžkých superslitin bude znamenat úsporu na váze. I když jsou CMCs slibnými konstrukčními materiály, jejich použití je stále limitováno nedostatkem vhodného zpevnění, potížemi při zpracování, životností a cenou. Keramickou matrici lze zpevnit buď kontinuálními nebo přerušovanými vlákny, např. částicemi, whiskery nebo sekanými vlákny. Co se týče mechanických vlastností jsou whiskery nejatraktivnějším způsobem zpevnění, jejich použití však přináší zdravotní rizika. Kontinuální vlákna jsou z mechanického hlediska efektivnější, ale jsou dražší a těžší v keramické matrici, z hlediska zpracování a designu jsou použitelné.
Obrázek 31 Brzda rotoru vyrobená z kompozitu s keramickou matricí (SiC / C vlákna) (http://www.matnet.sav.sk/index.php?ID=1122)
CMCs lze rozdělit podle chemického složení matrice a zpevnění. Bezoxidické CMCs byly nejvíce studovány. Nejznámější jsou uhlíková vlákna a vlákna z karbidu křemíku (SiC). Uhlíková vlákna se používají i na zpevnění kompozitu s epoxidovou matricí. Proto jsou nejlevnější (kromě skleněných). Aby se zabránilo problémům
130
kompatibility, zejména při vysokých teplotách bezoxidová vlákna se obyčejně vkládají do bezoxidických matric. Prvým CMCs materiálem byla kombinace uhlíková matrice / uhlíkové vlákno (C / C). Tento kompozit byl původně navržen pro raketové motory a na ochranné teplotní štíty sestupujících raket. Později se začaly používat kombinace C / SiC a SiC / SiC, které byly vyvinuty kvůli zvýšené odolnosti proti oxidaci. Také používaná matrice z nitridu křemíku byla při vysokých teplotách méně stabilní než karbid křemíku. Oxidická CMCs bývají obvykle nejlepším řešením z hlediska termodynamického pro dlouhodobé aplikace v oxidačních atmosférách. Oxidická vlákna, i když jsou žáruvzdorná, mají sklon k růstu zrna při vysokých teplotách, což vede k degradaci jejich pevnostních vlastností a představuje nízkou odolnost proti tečení. Kromě toho se vyznačují vyšší měrnou hmotností jako uhlíková vlákna (4 g/cm3 pro Al2O3 a 2 g/cm3 pro C).
Technické poznámky CMCs se mohou vyrábět z plynné nebo tekuté fáze. Každá z těchto metod má výhody i nedostatky. Při plynné fázi, při tzv. CVI postupu (Chemical vapour Infiltration) se zpevňující částice obvykle zaplňují matricí, která se vysráží z plynného prekurzoru např. uhlovodík na uhlíku apod. Existuje několik verzí CVI procesu. Nejznámějším je izotermický / izobarický CVI přenos, relativně pomalý proces, při kterém se uskutečňuje přenos hmoty difúzí a je doprovázen vznikem pórů a měnící se intenzitou nánosu. Umožňuje simultánní nanášení většího počtu kusů, případně i různých tvarů, je velmi flexibilní. Z těchto důvodů se upřednostňuje ve větších provozech. Hodí se na výrobu drobných součástek. U technologií nanášení z tekuté fáze se vlákna pokryté mezifázi zalévají do tekutého prekurzoru matrice. Při RMI postupu (Reacted melt Infiltration) je vlákno nejprve impregnované pomocí kapilárních sil taveninou, která reaguje s tuhou fází a obyčejně zpevňuje rozmístěny vlákna (při SiC - Si se matrice připravují infiltrací tekutého křemíku přes uhlíkem zpevněné vlákna), nebo atmosférou (u Al2O3 - Al matrice vzniká infiltrací tekutého hliníku a chemické reakce s oxidační atmosférou). Kromě jiných výhod je RMI postup velmi
131
rychlý a lze jej použít na výrobu hrubých kusů. Materiály takto vyrobené mají malou pórovitost a vysokou tepelnou vodivost. Technické použití keramiky je do značné míry omezeno jejím křehkým chováním a nízkou hodnotou lomové houževnatosti. Nejúčinnějším způsobem jak tyto nežádoucí vlastnosti zlepšit je vyztužení vlákny. Pro keramiku jsou nevhodnější vlákna z karbidu křemíku a vlákna uhlíková. Vzhledem k vysokým teplotám přípravy i použití keramických kompozitů, musí být uhlíková vlákna opatřená povlakem z karbidu křemíku, který ji chrání před oxidaci. Mechanismus, vyztužení je u keramických kompozitů poněkud odlišný od kompozitů s polymerní a kovovou matricí. Podmínkou zvýšení lomové houževnatosti je spíše slabá adheze mezi vláknem a matrici. Trhlina se tak může odklánět od přímého směru a šířit se po hranicích mezi vláknem a matrici. V případě, že k vyztužení keramiky je použito pouze SiC whiskerů, zlepší se její lomová houževnatost, avšak pevnost se příliš nezmění, nebo se může i zhoršit. Rovněž charakter lomu je křehký. Jsou-li do keramické matrice zabudována kontinuální vlákna, při zatěžovaní mohou vznikat mikrotrhliny v celém průřezu matrice a k porušování vláken dochází postupně, aniž by došlo ke katastrofickému lomu. Lomová deformace vlákna musí být ovšem vetší než u keramické matrice (u polymerních a kovových kompozitů je tomu naopak). Vyztužením dlouhými vlákny lze dosáhnout výrazného zvýšení lomové houževnatosti, a to z původních hodnot okolo 5 MPa až na 30 MPa. Stále je to ovšem nízká hodnota oproti kovům. Keramické kompozity nelze připravovat klasickými slinovacími metodami jako u monolitické keramiky, protože vlákna se při vysokých tlacích, nutných při zpracování keramických prášků porušují. Technologie přípravy keramických kompozitů jsou proto založeny na metodách, u nichž se jako výchozí suroviny nepoužívá keramického prášku. Základem těchto technologií je vytvoření vláknového skeletu ve tvaru výrobku. Vlákna mohou být ve skeletu uspořádaná jednosměrně nebo ve více směrech. Keramická matrice vzniká ve vláknovém skeletu „in situ“ chemickou reakcí nebo pyrolýzou prekurzorů.
132
Z hlediska technického využití keramických kompozitů pro vysoké stupně namáhání a vysoké teploty, má největší perspektivu keramika z karbidu a nitridu křemíku vyztužená kontinuálními SiC vlákny.
Kompozity uhlík - uhlík Kompozitní systém uhlíková matrice - uhlíkové vlákno se pro svoje mimořádné, vlastnosti řadí k perspektivním materiálům pro vysoce náročné aplikace. Příprava uhlíkových kompozitů je založena na podobných principech jako příprava keramických kompozitů. Jedna ze dvou základních metod spočívá v tom, že předem na vytvořený skelet z uhlíkových vláken je v reakční komoře vystaven plynnému uhlovodíku, který se při vysoké teplotě rozkládá za vzniku uhlíku. Druhá technologie je založena na infiltraci tekuté polymerní pryskyřice nebo smoly (podobné, z jaké se vyrábějí uhlíková vlákna do vláknového skeletu) a jejich následné karbonizaci při vysoké teplotě. Mikrostruktura uhlíkové matrice a tedy i její vlastnosti jsou silné závislé na technologických podmínkách přípravy. Výrobní technologie uhlíkových kompozitů je prozatím velmi nákladná a značně časově náročná.
Uhlíkové kompozity se vyznačují unikátním souborem vlastností: - odolnost proti vysokým teplotám (v neoxidujícím prostředí), - nízký koeficient lineární teplotní roztažnosti, - vysoká odolnost proti teplotním šokům, - tepelnou vodivost lze cíleně řídit, - velmi dobrá pevnost i ve směru kolmém na vlákna, - pevnost roste s teplotou, - vysoká odolnost proti cyklickému namáhání,
133
- pseudoplasticita (k porušení nedochází křehkým katastrofickým lomem, ale postupným porušováním vláken), vláken) - koeficient tření se nemění s rostoucí teplotou, teplotou - nízká hustota, hustota - velmi dobrá chemická odolnost, odolnost - odolnost proti ionizujícímu záření, - biokompatibilita. biokompatibilita
Nepříjemnou nevýhodou uhlíkového kompozitu je malá odolnost proti oxidaci při p teplotách nad 500 °C. Má-li Má býýt používán v oxidačním prostředí při př vyšších teplotách než ne 500 °C, musí býtt do jeho struktury zabudována vhodná antioxidační aditiva nebo je nutno chránit povrch vhodným povlakem, např. z SiC.
STUDIJNÍ MATERIÁLY povinná literatura SKÁLOVÁ, J., KOUTSKÝ, J., MOTYČKA, V., V. 2003. Nauka o materiálech. materiálech. Plzeň: Západočeská univerzita v Plzni. Plzni ISBN 80--7043-244-6. 6. doporučená literatura MLEZIVA, J., ŠŇUPÁREK, J., J. 2000. Polymery – výroba, struktura, vlastnosti a použití. použití 2., přeprac. vyd. Praha: Sobotáles. ISBN 80-85920-72 80 72-7. MLEZIVA, J., J., 1993. Polymery. Polymery. Praha: Sobotáles. ISBN 80-901570 80 901570-4-1. BAREŠ, R., R., 1988. Kompozitní materiály. materiály Praha:: SNTL. SNTL MENČÍK, J., J., 1990. Pevnost a lom skla a keramiky. keramiky. 1. vyd. Praha: SNTL ISBN 80 80-03 03-002052.
134
POKLUDA, J., KROUPA, F., OBDRŽÁLEK, L., L., 1994. Mechanické vlastnosti a struktura pevných látek – kovy, keramika, plasty. plasty. 1. vyd. Brno: PC-DIR. PC DIR. ISBN 80-214 80 214-0575-9. 9. MOTYČKA, V., V., 1991. Nové keramické materiály ve strojírenství. strojírenst 1. vyd. Plzeň Plzeň:: ZČU. ZČ ISBN 80-7082 7082-044-6. 6. KOLOUCH, J., J., 1981. Strojní součásti z plastů. plastů. 1. vyd. Praha: Praha: SNTL.
OTÁZKY A ÚKOLY 1. Charakterizujte význam a použití CMCs. CMCs 2. Popište zpevňování CMCs. CMCs 3. Charakterizujte mechanické vlastnosti CMCs. CMCs 4. Popište bezoxidické CMCs. CMCs 5. Vysvětlete význam oxidické CMCs. CMCs 6. Uveďte výrobu CMCs ( postup CVI a RMI). RMI)
KLÍČ K ŘEŠENÍ OTÁZEK Viz výklad
135
Kapitola 10 - Pevnost a houževnatost kompozitu KLÍČOVÉ POJMY Modul pružnosti, pevnost kompozitu, moduly pružnosti matrice a vláken, objemový podíl vláken, smykový modul pružnosti, příčný modul pružnosti, pevnost vláken, pevnost matrice, napětí, deformace, kritický objemový podíl vláken, míra vyztužení kompozitu, kritická délka, selfkonzistentní modely
CÍLE KAPITOLY •
uvést význam výpočtu modulu m pružnosti a pevnosti kompozitu,
•
charakterizovat modul pružnosti pro vláknové kompozity (pro dlouhé a krátké vlákna),
•
popsat modul pružnosti pro částicové kompozity, kompozity
•
charakterizovat pevnost vláknových kompozitů charakterizovat kompozit (pro dlouhá dlouh a krátk krátká vlákna),
•
popsat pevnost částicových částicových kompozitů, kompozit
•
vysvětlit pojem kritický objemový podíl vláken. vláken
ČAS POTŘEBNÝ KE STUDIU STUDIU KAPITOLY 4 hodiny
VÝKLAD 10.1 Modul pružnosti a pevnost kompozitu Výsledné elastické chování kompozitu závisí na tvaru výztuže a jejím rozložení v objemu kompozitu.
136
10.1.1 Modul pružnosti Vláknové kompozity V této části uvedeme základní vztahy pro přibližný výpočet modulu pružnosti a pevnosti v tahu vláknových kompozitů. Kromě mechanických vlastností matrice a vláken jsou vlastnosti výsledného kompozitu určeny rovněž objemovým podílem vláken a jejich uspořádáním. Pokud jsou vlákna uspořádána v jednom směru, pak nejvyšších mechanických vlastností dosahuje kompozit právě ve směru vláken. Požadujeme-li vysokou pevnost a tuhost ve dvou směrech, pak používáme struktury vyztužené vrstvami spletených vláken. Jsou-li žádoucí izotropní vlastnosti, pak lze aplikovat výztuž složenou z náhodně uspořádaných krátkých vláken. V následujících vztazích bude dolní index znamenat V – výztuž a M – matrice.
Dlouhá vlákna Známe-li moduly pružnosti matrice a vláken (EM, EV), pak pro modul pružnosti EK kompozitu s dlouhými (kontinuálními) vlákny uspořádanými v jednom směru platí směšovací pravidlo: EK1 = EV VV + EMVM
(1)
kde objemový podíl vláken VV = 1 - VM a
EK1 je modul pružnosti ve směru shodném se směrem vláken. Vztah platí pouze pro ideálně dokonalou adhezi mezi matricí a vlákny a předpokládá se stejná deformace matrice a vláken. Pro reálné systémy se do vztahu (1) zavádí tzv. adhezní koeficient kompozitů je A ≈ 0,8 : EK1 = AEVVV + EM VM
A∈ 〈0;1〉 , u běžných
(2)
Pro smykový modul pružnosti GK12 v rovině vláken a příčný modul pružnosti EK2 platí: 1
137
1 10.1.2 Pevnost kompozitu Druhým základním parametrem kompozitu je jejich pevnost RmK. U kompozitu s kovovými matricemi, které jsou schopny poměrně velkých plastických deformací, se při lomu zpravidla porušují jako první vlákna. Napětí ve vláknech v okamžiku lomu je tedy rovno pevnosti vláken RmV, napětí v matrici je však nižší než pevnost matrice RmM. Důvodem je, že deformace matrice je shodná s deformací vláken i kompozitu, tj. je výrazně nižší než mezní deformace matrice. Napětí v matrici v okamžiku lomu kompozitu označme RM a lze ho definovat jako napětí v matrici odpovídající kritické deformaci vláken. Pro pevnost kompozitu s dlouhými vlákny platí ve směru vláken směšovací pravidlo podobné vztahu (1): RmK = RmV.VV+RM.VM
(3)
a)
b)
Obrázek 32 a) Takové diagramy vlákna a kovové matrice, význam RM ( ɛmV), b) Závislosz pevnosti kompozitu na objemovém podílu vláken VV, význam VVkrit
138
Vidíme, že k tomu, aby došlo ke zvýšení pevnosti kompozitu oproti samotné matrici, je třeba určitého minimálního podílu vláken. Pokud je objemový podíl vláken příliš nízký, je jejich působení neúčinné, neboť při zatěžování dosáhne kompozit velmi rychle kritické deformace vláken. V takovém případě je pevnost kompozitu dána pouze pevností matrice. Minimální objemový podíl vláken vedoucí ke zpevnění matrice se nazývá kritický objemový podíl vláken VVkrit. a lze ho vypočítat tak, že pravou stranu rovnice (3) položíme rovnu pevnosti matrice RmM. Pro kritický objemový podíl vláken tedy platí:
(4)
Ze vztahu (4) plyne, že kritický objemový podíl vláken je tím větší, čím je vyšší pevnost matrice a čím je nižší pevnost vláken.
Krátká vlákna U kompozitu s krátkými vlákny jsou tato vlákna často uspořádána náhodně. Jako hrubý odhad modulu pružnosti pro takové makroskopicky izotropní prostředí můžeme užít aritmetického průměru: EK = (EK1 + EK2 ) / 2. U kompozitu s jednosměrně uspořádanými krátkými vlákny o délce L a průměru d je možno pro odhad modulu pružnosti kompozitu ve směru vláken EK využít následujících vztahů:
kde parametr #$ má hodnotu
#$
! "
"
% % % % !
(5)
(6)
139
Parametr
$ &
se nazývá míra vyztužení kompozitu a je funkcí geometrie vláken, jejich
rozložení v kompozitu a podmínek zatěžování.
Dlouhovláknové, jednosměrové kompozitní materiály vykazují výrazné směrové vlastnosti. Jejich nevýhodou jsou ale malé hodnoty tahového modulu pružnost a tahové pevnosti v příčném směru. Často potřebujeme zlepšit mechanické vlastnosti ve všech směrech, zejména pokud přesně neznáme, jak je těleso zatěžováno. V takových případech používáme krátkovláknové kompozity s náhodným směrovým uspořádáním vláken. U krátkovláknových kompozitů má rozhodující význam přenos zatížení mezi matricí a vláknem a následně vláknem a matricí.
Obrázek 33 Model krátkovláknového kompozitu
Výpočet pevnosti kompozitu s krátkými vlákny je složitější vzhledem k obecně komplikovanému průběhu napětí ve vláknech i v matrici. Za předpokladu ideálního elastoplastického chování matrice s mezí kluzu ve smyku τc, (maximální mezipovrchová adheze), existence tření mezi matricí a vláknem a volných konců (prasklého) vlákna můžeme použít schématu rovnováhy. Pro rovnováhu elementu vlákna platí: (σ + dσ )π d 2 /4 −σ π d 2 /4 −τπ ddx = 0 , přitom předpokládáme )* )* +,Odtud
&3 &.
456 &
+,-
. /
. /
a tedy ;
→
456 / &
)1. ∓)* .
ln >?@A- > B . . /
140
Obrázek 34 Průběh smykového napětí
Okrajové podmínky musí odpovídat v x = ± l / 2 popisu volných konců, tedy σ = 0. Pro jednoduchost předpokládejme obdélníkový průběh smykového napětí, tj. pro λ →0:
B C
4)* E H 2H)* ln G?@A- G C . F 2E F
Obrázek 35 Zjednodušený obdélníkový průběh smykového napětí
Maximální tahové napětí je dosaženo v místě, kde
&3 &.
0, teda x = 0 a )1.
Toto napětí je větší v delších vláknech, která prasknou, pokud σ
tedy
L56 &
M RmV.
L56 &
.
max
≥ R
mV,
141
Odtud délka zbylých vláken po deformaci kompozitu, tzv. kritická délka NO
PQR STO
. U.
Pokud známe geometrické rozměry vlákna a hodnotu RmV a změříme Lc, můžeme určit τc. Pevnost kompozitu s krátkými vlákny, uspořádanými v jednom směru, lze odvodit použitím směšovacího pravidla podle vztahu (3). V prvním členu na pravé straně však není možno uvažovat pevnost vláken, neboť konce vláken zatížení nepřenášejí a tudíž průměrné napětí ve vláknu v okamžiku jeho lomu je polovina RmV. RmK = RmV.VV/2+RM.VM
Částicové kompozity Pro hrubý odhad modulu pružnosti kompozitu lze použít vztah, vycházející z analogie s krátkými vlákny: EK = (EK1 + EK2 ) / 2,
kde EK1 = EC VC + EMVM
a
VW
V
X VX
.
Přesnější jsou tzv. selfkonzistentní modely, jedním z nich je Kernerův model:
1 YZ[ 7 C 5[ [ C , ]F^ Y b Z . 1 C Z[ 8 C 10[ [ Y
Pro hrubý odhad meze pevnosti lze užít:
RmK = RmC.VC + RM.VM, a pro limitní případ nulové adheze mezi částicemi (póry) a matricí c1 C 1,21[ /d e. Uvedené vztahy lze použít i pro odhad meze kluzu kompozitu.
142
STUDIJNÍ MATERIÁLY povinná literatura SKÁLOVÁ, J., KOUTSKÝ, J., MOTYČKA, V., V. 2003. Nauka o materiálech. materiálech. Plzeň: Západočeská univerzita v Plzni. Plzni ISBN 80--7043-244-6. 6. doporučená literatura MLEZIVA, J., ŠŇUPÁREK, J., J. 2000. Polymery – výroba, struktura, vlastnosti a použití. použití 2., přeprac. vyd. Praha: Sobotáles. ISBN 80-85920-72 80 72-7. MLEZIVA, J., J., 1993. Polymery. Polymery Praha: Sobotáles. ISBN 80-901570 80 901570-4-1. BAREŠ, R., R., 1988. Kompozitní materiály. materiály Praha:: SNTL. SNTL MENČÍK, J., J., 1990. Pevnost a lom skla a keramiky. keramiky. 1. vyd. Praha: SNTL ISBN 80 80-03 03-002052. POKLUDA, J., KROUPA, F., OBDRŽÁLEK, L., L., 1994. Mechanické vlastnosti a struktura pevných látek – kovy, keramika, plasty. plasty. 1. vyd. Brno: PC-DIR. PC DIR. ISBN 80-214 80 214-0575-9. 9. MOTYČKA, V., V., 1991. Nové keramické materiály ve strojírenství. strojírenst 1. vyd. Plzeň Plzeň:: ZČU. ZČU ISBN 80-7082 7082-044-6. 6. KOLOUCH, J., J., 1981. Strojní součásti z plastů. plastů. 1. vyd. Praha: Praha SNTL.
OTÁZKY A ÚKOLY 1. Vysvětlete význam výpočtu modulu pružnosti a pevnosti kompozitu kompozitu. 2. Charakterizujte modul pružnosti pro vláknové kompozity (pro dlouhé a krátké vlákna) vlákna). 3. Popište modul pružnosti pro částicové kompozity. kompozity 4. Charakterizujte C zujte pevnost vláknových kompozitů kompozit (pro dlouhé a krátké vlákna) vlákna).
143
5. Popište pevnost částicových kompozitů. kompozit 6. Vysvětlete pojem kritický objemový podíl vláken. vláken
KLÍČ K ŘEŠENÍ OTÁZEK Viz výklad
144
Kapitola 11 - Lomové vlastnosti a únavové chování kompozitů
KLÍČOVÉ POJMY Lomová houževnatost, objemový podíl vláken, střední délka rozvrstvení, střední kritická délka volných vláken, únavový proces, vznik lokálních mikrotrhlin, delaminace, iniciace trhlin, střední vzdálenost mikrotrhlin, trhlina kritické velikosti velikosti
CÍLE KAPITOLY •
charakterizovat lomovou houževnatost, houževnatost
•
popsat únavu kompozitu, kompozitu
•
charakterizovat únavový proces,
•
popsat iniciaci trhlin, popsat trhlin
•
vysvětlit šíření trhlin
ČAS POTŘEBNÝ KE STUDIU STUDIU KAPITOLY 4 hodiny
VÝKLAD 11.1 Lomová houževnatost kompozitu vyztužených dlouhými vlákny Kompozity vyztužené dlouhými vlákny mají lomovou houževnatost mnohonásobné větší než plasty nevyztužené, protože lomová houževnatost vyztužujících vláken a zesítěných
145
polymerních matric (epoxidu, nenasycených polyesterů) bývá malá. Příčinou velkých hodnot KIc (modul pružnosti pro kritickou délku vláken) kompozitu je energie spotřebovaná na vzájemné oddělení fázi (rozvrstvení) při separaci vláken od pojiva, kdy dochází ke vzájemnému tření a k deformování fázi. Další energie se spotřebuje na vytažení konců uvolněných a porušených vláken, původně zakotvených v matrici. Hodnoty dílčích energii w závisejí na objemovém podílu vláken φv, jejich mechanických vlastnostech, dále na střední g a na střední kritické délce volných, z matric vytažených vláken h̅O . délce rozvrstvení f j
kl ;ml no 4l
jll
kl ;ml H*̅ 24
jp
kl )no ∆rm F
kde wrk je energie spojená s rozvrstvováním kompozitu, wtf – energie vzniklá vzájemným třením fází, wvv – energie spojená s vytahováním porušených vláken z matrice, kl C
objemový podíl vláken, ;ml - pevnost vláken, no střední délka rozvrstvených vláken, l - modul
pružnosti vláken, H*̅ - střední kritická délka vytažených vláken, ) – smykové napětí na rozhraní
fází, ∆rm – rozdíl mezi poměrným mezním prodloužením matrice a vláken, d – průměr vláken.
U kompozitů vyztužených uhlíkovými vlákny tvoří energetický podíl wvv rozhodující část z celkově spotřebované energie. U skleněných vláken je dominantní energie spojená se vzájemným třením uvolněných fází wtf, energetické podíly wrk a wvv jsou menší.
11.2 Únava kompozitů Únavový proces kompozitu se poněkud liší svým mechanismem od klasických kovových materiálů: u kovových slitin je únavové poškození obvykle soustředěno do jedné únavové trhliny, která se šíří přibližně kolmo ke směru cyklického namáhání. U kompozitu
146
probíhá při únavovém poškození řada procesů – např. vznik lokálních mikrotrhlin v matrici nebo na rozhraní matrice a výztuže (delaminace), přetržení vláken vedoucí k porušení kontaktu mezi matricí a výztuhou, změny směru šíření trhlin podél vláken atd. Důležité však je, že tyto procesy neprobíhají na jednom místě, nýbrž difúzně v celém objemu kompozitu. Jejich průběh lze sledovat např. měřením změn modulu pružnosti E během cyklického namáhání.
a)
b)
Obrázek 36 a) Porovnání únavových křivek nevyztuženého materiálu a vyztuženého materiálu – vláknového kompozitu, b) Změny modulu pružnosti E vláknového kompozitu během únavového procesu
Iniciace trhlin Jednou z hlavních příčin vzniku trhlin u kompozitu s kontinuálními vlákny je rozdíl mezi Poissonovým poměrem matrice m ν a výztuže f ν .
147
Obrázek 37 Vznik trhlin u kompozitu
Je-li νf > νm, dochází při tahovém namáhání vláken ke vzniku radiálních tahových napětí na rozhraní a k delaminaci. Při mν > νf, dochází při tahovém namáhání vláken ke vzniku obvodových tahových napětí v matrici a ke vzniku trhlin v matrici. U kompozitu s krátkými vlákny nebo částicemi se tento mechanismus uplatňuje částečně spolu se vznikem trhlin na konci přetržených vláken nebo v okolí částic. Výsledkem je vznik sítě mikrotrhlin, jejichž interakce a propojování je, na rozdíl od jednofázových materiálů, ztížena existencí výztužné fáze v objemu.
Šíření trhlin Z teoretického hlediska se pro predikci únavové životnosti užívá mikromechanické koncepce, zvané mechanika poškození. Ta je založena na předpokladu rostoucího poškození do okamžiku, kdy napětí ve zbývajícím nosném průřezu nepřekročí pevnost kompozitu nebo dokud nevznikne trhlina kritické velikosti. Jestliže předpokládáme závislost rychlosti růstu poškození na maximální hodnotě napětí cyklu σmax, parametru asymetrie cyklu R a okamžité hodnotě poškození D (teplota, frekvence atd. se nemění), pak obecně platí
148
yz
sp t y{
Fu vw;1. , , ux
Poněvadž poškození obvykle ovlivňuje modul pružnosti, tj. E = E0 g (D), pak úroveň poškození D lze pro použití v tomto integrálu stanovit pomocí poměru E / E0 a funkce inverzní ke g. Jednoduchý tvar, předpokládající lineární závislost lze psát ve tvaru E = E0(1− cD), kde c je konstanta. U kompozitu s krátkými vlákny nebo částicemi, ale i u laminátů s epoxidovou matricí vyztuženou skleněnými vlákny, je hlavním poškozovacím mechanismem vznik sítě izolovaných mikrotrhlin a jejich růst. Poškození D můžeme definovat jako střední hustotu mikrotrhlin D =1/ s , s je střední vzdálenost mikrotrhlin. Uložená elastická deformační energie U je úměrná druhé mocnině napětí σmax a jejich vzdálenosti s. Lze předpokládat (a experimenty to potvrzují), že celková délka všech trhlin a roste s počtem cyklů a rychlost růstu je úměrná určité mocnině energie U. db ∝ } ~ ∝ w;1. Ax~ ds
To je důsledek rostoucího vzájemného stínění čel trhlin a konstantní nebo dokonce klesající hnací síly v jejich síti na rozdíl od individuální trhliny, jejíž rychlost růstu roste přibližně úměrně s její délkou (hnací silou). Poškození D je úměrné celkové délce všech trhlin, platí tedy pro rychlost poškozování du ;1. ∝ ds u
~
nebo, s užitím souvislosti mezi D a E, také C
~
1 d ;1. ∝ V . ds 1C
V
Význam této rovnice je dán lepší měřitelností E.
149
Tento
obrázek
připomíná
klasickou v-K v K křivku u kovů. Při neměnných zatěžování
parametrech postupně
v čase
roste poškození a z obrázku je zřejmé, že klesá hodnota na vodorovné ose. Tomu však, na rozdíl od únavy kovových materiálů, odpovídá Obrázek 38 Rast poškození
klesající rychlost poškození.
Tento závěr je opět příkladem synergického chování. I když v samostatném materiálu jak matrice, tak vlákna vlákna dochází k růstu rychlosti poškozování, ve výsledném kompozitu je tomu naopak.
STUDIJNÍ MATERIÁLY povinná literatura SKÁLOVÁ, J., KOUTSKÝ, J., MOTYČKA, V., V. 2003. Nauka o materiálech. materiálech. Plzeň: Západočeská univerzita v Plzni. Plzni ISBN 80--7043-244-6. 6. doporučená literatura MLEZIVA, J., ŠŇUPÁREK, J., J. 2000. Polymery – výroba, struktura, vlastnosti a použití. použití 2., přeprac. vyd. Praha: Sobotáles. ISBN 80-85920-72 80 72-7. MLEZIVA, J., J., 1993. Polymery. Polymery. Praha: Sobotáles. ISBN 80-901570 80 901570-4-1. BAREŠ, R., R., 1988. Kompozitní itní materiály. materiály Praha:: SNTL. SNTL
150
MENČÍK, J., J., 1990. Pevnost a lom skla a keramiky. keramiky. 1. vyd. Praha: SNTL ISBN 80 80-03 03-002052. POKLUDA, J., KROUPA, F., OBDRŽÁLEK, L., L., 1994. Mechanické vlastnosti a struktura pevných látek – kovy, keramika, plasty. plasty. 1. vyd. Brno: PC-DIR. PC DIR. ISBN 80-214 80 214-0575-9. 9. MOTYČKA, V., V., 1991. Nové keramické materiály ve strojírenství. strojírenst 1. vyd. Plzeň Plzeň:: ZČU. ZČU ISBN 80-7082 7082-044-6. 6. KOLOUCH, J., J., 1981. Strojní součásti z plastů. plastů. 1. vyd. Praha: Praha: SNTL.
OTÁZKY A ÚKOLY 1. Charakterizujte lomovou houževnatost. houževnatost 2. Popište únavu kompozitu. kompozitu 3. Charakterizujte únavový proces. proces 4. Popište iniciaci trhlin. trhlin 5. Vysvětlete šíření trhlin. trhlin
KLÍČ K ŘEŠENÍ OTÁZEK Viz výklad
151
Kapitola 12 - Beton, dřevo, kůže – struktura, vlastnosti, použití
KLÍČOVÉ POJMY Beton, cementový, asfaltový beton, železobeton, vláknobeton, drátkobeton, sklobeton, dřevo, meristémové buňky, celulóza a hemicelulóza, holocelulóza, makroskopická stavba dřeva, mikroskopická stavba dřeva, submikroskopická stavba dřeva, technická kůže, useň, surová kůže
CÍLE KAPITOLY •
charakterizovat beton,,
•
vyjmenovat druhy betonu,
•
vyjmenovat přísady přísady a příměsi betonu,
•
uvést použití betonu,
•
charakterizovat dřevo,
•
uvést chemické složení dřeva,
•
rozdělit a popsat stavbu dřeva,
•
uvést základní dělení dřeva,
•
popsat použití dřeva,
•
charakterizovat kůži,
•
vyjmenovat vlastnosti a použití kůže
ČASS POTŘEBNÝ KE STUDIU KAPITOLY 4 hodiny
152
VÝKLAD 12.1 Beton Beton je kompozitní stavební materiál sestávající z pojiva a plniva. Po zatuhnutí pojiva vznikne pevný umělý slepenec. slepenec. Nejčastějším druhem betonu je tzv. cementový beton (CB), kde je pojivem cement a plnivem kamenivo; kamenivo; dalším materiálem pro výrobu je voda. voda Dalším často používaným druhem betonu je tzv. asfaltový sfaltový beton (AB), který se využívá k výstavbě asfaltových vozovek.
Charakteristika Během hydratace a tvrdnutí probíhají v betonu fyzikální a cchemické hemické procesy (provázené uvolňováním tepla), při kterých beton získává mechanickou pevnost a odolnost a vytváří se chemická stabilita v materiálu. Beton neztvrdne tím, že vyschne, ale že postupně během týdnů vykrystalizuje. Tento proces začne asi hodinu po namíchání a čím je tepleji, tím je krystalizace rychlejší (např. v panelárnách se beton ohříval až na 80 °C). Tento proces nejde nějak zastavit a pokud například beton v bautomixu automixu zbyde, zb de, musí se zlikvidovat. Voda v krystalech betonu nesmí zmrznout, tím je beton zcela znehodnocen. Beton při tu tuhnutí hnutí není závislý na atmosféře, proto tuhne i pod vodou. Prostý beton je odolný především vůči namáhání tlakem, naproti tomu snese pouze malé tahové zatížení. Proto se beton kombinuje s železnou výztuží – vzniká železobeton. železobeton. Jako výztuž se používají i kabely, které se napnou a vnáší do betonu tlak – předpjatý beton. beton. Další možností je přidat různá vlákna, drátky apod., vzniká vláknobeton či drátkobeton. drátkobeton. Jako příměs je možno použít i moderní materiály, jako jsou uhlíková vlákna, a zvýšit tím pevnost betonu ještě o několik desítek procent. Beton s malými vzduchovými bublinkami se nazývá pórobeton. pórobeton. Beton v kombinaci se skleněnými tvarovkami, tzv. luxferami, luxferami, tvoří sklobeton. sklobeton Sklobetonem je též nazýván kompozitní materiál složený z portlandského cementu, cementu skleněných vláken, vláken, anorganického plniva a dalších přísad dle požadovaných vlastností konečného materiálu.
153
Pevnost betonu závisí především na vlastnostech cementu, dalšími ovlivňujícími faktory jsou vlastnosti vody a kameniva. Beton s větším obsahem cementu (1:2) má za teplého počasí už druhý den téměř poloviční tvrdost. V praxi se po 28 dnech považuje beton za hotový (vyzrálý). Při krystalizaci se v betonu vytváří tzv. vnitřní teplo. Při betonáži přehrady v šíři několika metrů by vysoká teplota beton znehodnotila, a proto se do betonu vkládají ocelové roury např. půlmetrového průměru, kterými při krystalizaci nepřetržitě proudí studená chladící voda. Tyto roury pak v betonu zůstanou. Betonáž takovýchto masívů probíhá nepřetržitě dnem i nocí, protože po noční přestávce by se již beton nespojil kvalitně. Při teplotě +5 °C a méně se krystalizace betonu velmi zpomaluje, ale když teplota stoupne, opět pokračuje. Betony
se
označují
značkou
C
následovanou
dvěma
čísly – válcovou
pevností a krychelnou (různé metodiky měření pevnosti), např. C16/20.
Obrázek 39 Struktura betonu v řezu (www.ebeton.cz)
Přísady a příměsi Přísady jsou obvykle různé chemikálie, které se přidávají do vody; příměsi se naopak přidávají do kameniva. Jsou to organické nebo anorganické materiály, tekutiny i sypké, které se přidávají do záměsi, aby určitým způsobem pozměnily vlastnosti betonu. Běžně tvoří maximálně 5 % hmotnosti. Nejčastěji se používají tyto typy:
154
•
Zrychlovače tuhnutí – urychlují hydrataci, beton rychleji dosáhne počáteční pevnosti. Nejjednodušší je přimíchání vodního skla. Beton pak tuhne velmi rychle a je nutno to napřed vyzkoušet. Pozor - tuhost nebo tvrdost betonu s vodním sklem je zpočátku pouze technologická - to znamená, že nám umožní s betonem hned pracovat. U tohoto betonu ale také proběhne čtyřtýdenní krystalizace do konečné tvrdosti (aby nebylo mýlky, že beton s vodním sklem je hned hotový). Použití hlavně při havarijních opravách proti vodě. Nebo například tažení římsy z cementové malty při 5 °C. V chladu by tuhnutí vrstev malty trvalo dlouho. Přidá-li se vodní sklo, malta tuhne rychleji, její tuhost pak umožní i natažení jemné omítky. Římsa je hotová, pak ať si proběhne krystalizace.
•
Zpomalovače tuhnutí – zpomalují hydrataci, beton je déle zpracovatelný.
•
Provzdušňovací přísady – vytvářejí mikroskopické dutiny.
•
Plastifikátory – zlepšují zpracovatelnost betonové směsi.
•
Protizmrazovací přísady – urychlují v zimním období dřívější dosažení pevnosti nutné pro odolnost betonu vůči působení mrazu na záměsovou vodu.
•
Vodotěsnicí přísady – zvyšuje vodonepropustnost betonu, přísady oddělují póry od sebe a přerušují je (nejjednodušší je přimíchání mazlavého mýdla, tzv. jádrového) (starý způsob, známý už za 1. republiky). Tento způsob objevila praxe - nevědělo se, jak je to teoreticky možné. Až později bylo vysvětleno, že se v betonu vytvoří vodou nerozpustná
vápenatá
mýdla.
Pro výrobu tzv. "mýdlobetonu" se používá běžný poměr cementu i písku, případně štěrku, ale místo vody je použit roztok mazlavého mýdla ve váhovém poměru 1:100. Tedy 1 kg mazlavého mýdla (běžně dostupného např. v drogerii) se rozpustí nejdříve v 10 litrech vody a teprve pak se tento koncentrát vlije do sudu s 90 litry vody. Vše se řádně promíchá, aby se mazlavé mýdlo dobře rozpustilo. Tento mýdlový roztok se již použije stejně jako voda při výrobě betonu, který je však nutno velmi dobře promíchat, aby se na zrníčkách písku či štěrku vytvořil mýdlový povlak. Takto vyrobený mýdlobeton lze výborně použít při rekonstrukcích starších objektů -
155
zejména podlah nebo základů. Voda ve zdivu či podlahách tak bude mít mnohem menší příležitost vzlínat betonem, což se projeví např. suchou podlahou bez použití asfaltové izolace. (Staří praktici se shodují v tom, že tento beton je stejně kvalitní, jako beton bez přísady mýdla). •
Hydrofobizační přísady – přísady vytváří na povrchu pórů vodoodpuzující povlak a snižují jejich propustnost pro vodu.
Použití Beton je univerzálním stavebním materiálem, používá se jak na nosné konstrukce (skelety), tak na výrobu panelů; v dopravním stavitelství je beton hlavním materiálem pro výstavbu mostů, vozovek dálnic; v podzemním stavitelství se beton používá jako dočasná i trvalá výztuž. U betonu je jedno, je-li použit na suchu nebo pod vodou, jeho vlastnosti se tím nemění. Optimální vlastnosti, minimální nároky na údržbu, nízká cena a vysoká životnost předurčuje tento materiál k použití na dopravních komunikacích. Jednou z léty ověřených technologií je tzv. vymývaný beton, který vytváří estetické a funkční plochy s dlouhou životností.
Speciální betony Speciálním betonem označujeme beton, který má neobvyklou vlastnost(i), nebo jinak neobvyklé použití. Mezi speciální betony patří např. lehký beton, těžký beton, vysokopevnostní beton, samozhutnitelný beton, vláknobeton, vodotěsný beton, stříkaný beton, a jiné. Správným složením lze docílit mnoho rozdílných vlastností betonu.
12.2 Dřevo Dřevo je pevné pletivo stonků vyšších rostlin, které označujeme jako dřeviny. Vzniká v rostlinách z meristémových buněk.
156
Dřevo je zahrnováno mezi obnovitelné zdroje energie, jako jeden z druhů biomasy. Je to snadno dostupný přírodní materiál, který lidé široce využívají po celou dobu své historie jako snadno dostupnou surovinu.
Chemické složení dřeva •
celulóza (40–50 %)
•
lignin (20–30 %)
•
hemicelulózy (20–30 %)
•
doprovodné složky •
další
organické
látky
(1–3 %,
u
tropických
dřevin
až
15 %): terpeny, tuky, vosky, pektiny, třísloviny (pouze listnáčů), steroly, pryskyřice •
anorganické látky (0,1–0,5 %, u tropických dřevin až 5 %) – po spálení tvoří popel
•
voda v různém množství (podle ročního období, stupně vyschnutí dřeva atd.) Celulóza a hemicelulózy patří mezi polysacharidy a bývají souhrnně označovány
jako holocelulóza.
Stavba dřeva Stavba dřeva se rozlišuje dle měřítka zkoumání na: •
makroskopická stavba dřeva – vše, co lze pozorovat pouhým okem, případně pomocí zvětšovacího skla
•
mikroskopická stavba dřeva – úroveň buněk (nutné použít mikroskop)
•
submikroskopická stavba dřeva – odlišnosti v konkrétní stavbě buněčné stěny a jejich chemické složení.
157
Dělení dřeva Základní druhy dřeva •
dřevo jehličnatých dřevin – např. smrk, jedle, borovice, modřín, douglaska, jalovec, tis
•
dřevo listnatých dřevin •
s kruhovitě pórovitou stavbou – např. dub, jasan, akát, jilm, pajasan, morušovník, kaštanovník
•
s polokruhovitě pórovitou stavbou – např. ořešák, třešeň, švestka
•
s roztroušeně pórovitou stavbou dřeva – např. buk, platan, habr, olše, lípa, javor, bříza, topol, vrba, hrušeň
Obrázek 40 Struktura dřeva (http://drevostavebniportal-popularizace.msdk.cz/zajimavosti-ze-svetadreva/drevo/)
Využití dřeva •
výroba nástrojů
•
nábytek
158
•
stavební materiál
•
výroba dopravních prostředků (lodě)
•
palivo
•
výroba řeziva
•
výroba papíru a celulózy
•
další chemické suroviny, získávané ze dřeva (pryskyřice, přírodní kaučuk, tříslová kůra apod.)
•
výroba modelu
•
výztuže přepravních beden, obaly strojů, výroba palet Kromě dřeva mají technický význam i jiné rostlinné hmoty dřevu podobné, např.
KOREK (kůra korkového dubu). Je to výborný materiál pro tepelnou i zvukovou izolaci.
12.3 Kůže Kůže je jedinečný materiál. Jako mnoho jiných přírodních látek má řadu užitečných vlastností snoubících se v ideálním poměru. Proto ji je těžké nahradit průmyslovými náhražkami, které vždy vynikají jen v některých směrech. Nejlepším dokladem toho je obuv. I přes to, že kožené boty od umělých je mnohdy těžké odlišit, při náročnějším užívání se rozdíl téměř vždy projeví. Vodítkem vedle popisu výrobce může být i pohled na rubovou stranu, anebo ještě častěji na švy, kde je vidět průřez materiálu a často je patrna i jeho textilní struktura.
159
Obrázek 41 Surová kůže (www.n-i-s.cz)
Kůže jako materiál má být správně nazývána usní, tj. vyčiněnou holinu = kůží zvířete zbavenou pokožky a srsti na jedné straně a podkožního maziva na straně druhé. Nevyčiněnou holinu označujeme jako surovou kůži – je tvrdá, houževnatá minimálně ohebná. Pro její zpracování je jí nutno řádově na hodiny namočit do vody, pak získá ohebnost a měkkost nutnou pro zpracování. Po uschnutí se jí vrátí její původní vlastnosti. Vyčiněním se získá kůže ohebná a měkká, tak jak ji běžně známe. Nejobvyklejším způsobem je tříselné činění, kdy se dostává hnědě zabarvená useň, ale hojné je i chromové činění, po němž je useň s modrozeleným nádechem ohebnější a odolávající lépe vnějším vlivům. Kůže můžeme třídit vedle způsobu činění také podle původu (nejběžnější hovězina, vepřivice atd.), podle síly (od tloušťěk pod 1 mm užívané pro dekorační účely, přes běžně užitné 1 až 4 mm, až po 7 mm pro hnací řemeny strojů) nebo části těla zvířete, ze kterého pochází (např. krupon – nejkvalitnější hřbetní část kůže). Při ztenčování vedle hladké kůže zůstává oddělena
160
její spodní část „štípenka“, která má nižší pevnost než lícová část o stejné síle. O kvalitě kůže rozhoduje především její hustota, která se pozná při pokusu ohnout ji či natáhnout v různých směrech. Čím rovnoměrnější a větší odpor kůže klade, tím ji lze považovat za kvalitnější. Při tom se projeví i případné kazy kůže jako jsou jizvy, zeslabená místa či pořezání rubové strany způsobené při stahovaní. Řada těchto defektů se dá zakrýt lisováním navlhčené kůže, kterým se může vytvořit i nová povrchová struktura, ale hlavně se zvedá (zvyšuje) pevnost kůže.
Technická kůře Kůže zvířat je surovina pro výrobu usně, která zůstává stále technickým materiálem. Plastické materiály zatím useň nedokáží nahradit. Některé plasty mají sice vlastnosti podobné přirozeným usním, ale nemohou je nahradit. Nejčastěji se používá hovězí useň.
Surová kůže Vlastnosti surové kůže: - Tvrdá - Lámavá - Málo pevná - Snadno propadá hnilobě Před použitím se musí vyčinit (vydělat), promastit a upravit. Useň - vyčiněná kůže.
Vlastnosti kvalitní usně: Houževnatost Pružnost Pevnost
161
Ohebnost Snadná tvárnost Použití Ve strojírenství: Hovězí useň (hřbetní a ramenní, ramenní, protože je nejkvalitnější); nejkvalitnější Hnací řemeny (nejčastěji ploché - klínové (zvláštní profily se vyrábí z pryže)); pryže)) Těsnění pro hydrauliku a pneumatiku (manžety (manžety, membrány, těsnící podložky) podložky); Automobilový průmysl – čalounění volantů, interiéru; interiéru Leštící Leštící kotouče, ochranné prostředky
STUDIJNÍ MATERIÁLY povinná literatura SKÁLOVÁ, J., KOUTSKÝ, J., MOTYČKA, V., V. 2003. Nauka o materiálech. materiálech. Plzeň: Západočeská univerzita v Plzni. Plzni ISBN 80--7043-244-6. 6. doporučená literatura MLEZIVA, J., ŠŇUPÁREK, J., J. 2000. Polymery – výroba, struktura, vlastnosti a použití. použití 2., přeprac. vyd. Praha: Sobotáles. ISBN 80-85920-72 80 72-7. MLEZIVA, J., J., 1993. Polymery. Polymery. Praha: Sobotáles. ISBN 80-901570 80 901570-4-1. BAREŠ, R., R., 1988. Kompozitní materiály. materiály Praha:: SNTL. SNTL MENČÍK, J., J., 1990. Pevnost a lom skla a keramiky. keramiky. 1. vyd. Praha: SNTL ISBN 80 80-03 03-002052. POKLUDA, J., KROUPA, F., OBDRŽÁLEK, L., L., 1994. Mechanické vlastnosti a struktura pevných látek – kovy, keramika, plasty. plasty. 1. vyd. Brno: PC-DIR. PC DIR. ISBN 80-214 214-0575-9. 9. MOTYČKA, V., V., 1991. Nové keramické materiály ve strojírenství. strojírenst 1. vyd. Plzeň Plzeň:: ZČU. ZČU ISBN 80-7082 7082-044-6. 6. KOLOUCH, J., J., 1981. Strojní součásti z plastů. plastů. 1. vyd. Praha: Praha: SNTL.
162
OTÁZKY A ÚKOLY 1. Charakterizujte beton. beton 2. Vyjmenujte druhy betonu. betonu 3. Vyjmenujte přísady a příměsi betonu. 4. Uveďte použití betonu. beto 5. Charakterizujte dřevo. 6. Uveďte chemické složení dřeva. 7. Rozdělte a popište stavbu dřeva. 8. Uveďte základní dělení dřeva. 9. Popište použití dřeva. dřeva 10. Charakterizujte kůži. 11. Vyjmenujte vlastnosti a použití kůže. kůže
KLÍČ K ŘEŠENÍ OTÁZEK Viz výklad
163
Kapitola 13 - Využití nekovových materiálů ve strojírenských aplikacích, trendy vývoje nekovových materiálů KLÍČOVÉ POJMY Perspektiva polymerních materiálů, vývojové trendy konstrukční keramiky, vývojové trendy kompozitu, úrovně trendů v oblasti konstrukčních polymerních materiálů, materiál perspektiva kompozitu pro strojírenské aplikace
CÍLE KAPITOLY •
charakterizovat perspektivu perspektiv polymerních materiálů, materiálů
•
uvést vývojové trendy konstrukční keramiky, keramik ,
•
popsat vývojové trendy kompozitu, kompozitu
•
popsat jednotlivé úrovně trendů v oblasti konstrukčních polymerních materiálů, materiál
•
uvést perspektivu kompozitu pro strojírenské aplikace
ČAS POTŘEBNÝ KE STUDIU STUDIU KAPITOLY 4 hodiny
VÝKLAD 13.1 Využití nekovových materiálů ve strojírenských aplikacích Kritéria volby vhodných materiálů pro praktické aplikace
164
Primárním požadavkem při volbě materiálu pro danou aplikaci je téměř vždy pevnost materiálu. Pro splnění tohoto požadavku má konstruktér k dispozici velkou paletu materiálu. Na příklad hodnota meze kluzu u kovů se pohybuje v rozmezí přibližně od 5 MPa (cín a jeho slitiny) až do 2000 MPa (vysokopevné oceli, slitiny Co), u polymerů je pevnost v tahu v rozmezí cca 8 až 200 MPa. Při výběru proto musí spolurozhodovat další kriteria a to především: Materiálové charakteristiky. K těm patří především houževnatost, odolnost proti opotřebení, působení teploty, únavové vlastnosti, odolnost proti korozi atd. Zvažování těchto charakteristik je podmíněno typem exploatace daného dílce (zatěžování statické, dynamické, cyklické, působení nízké či zvýšené teploty, korozní prostředí atd.). Dobrým vodítkem pro jejich zvažování mohou být různé materiálové databáze. Technologie výroby. Kromě samozřejmé podmínky realizovatelnosti technologie pro daný výrobek by měly být při výběru materiálu uplatňovány zejména poznatky o vlivu technologie na složení, strukturu a mechanické vlastnosti. Přednost by měly dostávat pokud to umožní další kritéria - bezodpadové technologie, např. prášková metalurgie, přesné lití, umožňující maximálně využít materiálu a potlačit na minimum obrábění, tedy technologii spojenou s nejvyššími náklady. Materiálové a výrobní náklady. Ekonomičnost volby je komplexní problém a zdaleka se netýká jen ceny zvoleného materiálu a technologie jeho zpracování. I když se lze v literatuře setkat s pokusy o kvantifikaci tohoto procesu (např. vzorci, na základě kterých lze rozhodnout, zda se vyplatí nahradit stávající materiál materiálem dražším), neexistuje obecný návod na jeho řešení. Uveďme alespoň dva příklady. Cena vysoce legovaného materiálu může být velmi významná při výrobě rozměrného, hmotného výrobku a zcela zanedbatelná u výrobku malého, u kterého se např. navíc projeví pozitivní aspekty volby (vyšší životnost, zejména jde-li o součásti, jejichž výměna je spojena s odstávkou výroby, prostoji pro seřízení stroje apod., snadné dosažení komplikovaného tvaru objemovým tvářením, odpadnutí tepelného zpracování apod.). Náhrada oceli slitinou hliníku nebo polymerním materiálem se na prvý pohled může jevit nepříliš cenově výhodná. Do výpočtu
165
ekonomičnosti volby je nutné zahrnout ale i např. nižší náklady na dopravu, povrchovou úpravu, obrábění (mj. např. i z titulu použití bezodpadové technologie vstřikováním). Ekologičnost použití zvoleného materiálu. Opět se jedná o mnohostranný problém. Dopad zvoleného materiálu na životní prostředí (přímý nebo nepřímý) má mnoho aspektů a je obtížně kvantifikovatelný. Jiná kritéria. Dále je třeba zvážit sortiment polotovarů, omezení daného výrobního zařízení, věrohodnost vstupních dat tj. do jaké míry zkouška definuje vlastnosti materiálu, jak dobře vzorek simuluje poměry v reálné součásti, znalost zatížení a prostředí atd.
13.2 Trendy vývoje nekovových materiálů Keramické materiály Významnou skupinu nekovových materiálů tvoří anorganická keramika, která nachází velmi široké uplatnění jak v tradičních, tak perspektivních oborech. Klasické keramické materiály přírodního charakteru na bázi hlinitokřemičitanů představují po tisíciletí tradiční stavební materiály (cihly, cement, sklo, porcelán). S rozvojem elektrotechniky a elektroniky nacházely keramické materiály postupně místo elektroizolátorů a dielektrik. Oxidy lithia, železa, niklu tvořily základ materiálů se speciálními magnetickými vlastnostmi. Specifické hodnoty fyzikálních i mechanických vlastností ale omezovaly možnosti využití oxidové keramiky jako konstrukčního materiálu, co vedlo k postupnému prosazování materiálů neoxidových. V současném moderním pojetí představuje keramika speciální materiály převážně syntetického charakteru, na bázi nekovových sloučenin s vysokým bodem tání, jako jsou oxidy, nitridy, karbidy a boridy, uplatňující se jako progresivní konstrukční materiál s vynikajícími vlastnostmi.
Keramika je svými vynikajícími vlastnostmi elektrickými, magnetickými, tepelnými a chemickými nepostradatelná v průmyslu elektrotechnickém a elektronickém. Díky
166
mechanickým vlastnostem za vysokých teplot, odolnosti proti otěru, korozi a dalším termomechanickým vlastnostem se konstrukční keramika uplatňuje ve strojírenství, hutnictví, chemii i textilním průmyslu. Biologické kompatibility těchto materiálů se využívá k aplikacím v medicíně. Blíže jsou některé vybrané aplikační možnosti funkční a konstrukční keramiky uvedeny v tabulce 11. Přes výrazné uplatnění konstrukční keramiky při výrobě letecké i kosmické techniky, pohonných jednotek dopravních prostředků i součástí energetických zařízení, je nutné pro její další hromadné využívání překonat řadu obtíží. K nim patří především vysoké výrobní náklady a naopak nízká reprodukovatelnost při sériové výrobě. Proto je v současné dobé středem zájmu především: •
nalezení energeticky vhodnějších postupů výroby keramických prášků o definovaných parametrech velikosti, chemického složení i povrchových charakteristik,
•
vývoj nových ekonomicky efektivnějších výrobních technologií zhutňování s vysokým stupněm spolehlivosti,
Velká pozornost je rovněž věnována zlepšování užitných vlastností keramických materiálů a rozšiřování aplikačních možností: •
orientace na kompozitní materiály s keramickou matricí na bázi SiC a Si3N4 s výbornými vlastnostmi za vysokých teplot,
•
uplatňování kompozitních materiálů typu keramika-kov (cermety), u kterých se skeletová kompozitní struktura vytváří procesem infiltrace pórovitého keramického skeletu tekutým kovem,
•
využívání spolehlivých a výkonných keramických řezných materiálů pro všechny druhy vysokorychlostního obrábění (HSC technologie),
•
vývoj nových typů transformačně zpevněné keramiky,
•
zavádění bioaktivní keramiky schopné vytvářet biokompatibilní celky (Ca(PO4)3(OH) hydroxylapatit.
167
Tabulka 11 Aplikační možnosti keramiky
Polymerní materiály Stále rostoucí požadavky na vlastnosti polymerů vyvolaly v posledních dvou, třech desetiletích intenzivní rozvoj nové skupiny perspektivních polymerních materiálů
168
odolávajících vysokému stupni nejen mechanického, ale i tepelného a korozního namáhání a vlivu různých druhů záření. Nástup polymerních materiálů do strojírenských oborů je v posledních letech velmi intenzivní, protože žádný z klasických kovových materiálů nedosahuje takové univerzálnosti a rozsahu možných aplikací. Využívání různých druhů materiálů v leteckém a automobilovém průmyslu, v chemickém strojírenství, v konstrukci výrobních strojů a zařízení, ve výrobě potrubních systémů, povlakování kovových dílů aj. jasně ukazuje, že zájem o využívání polymerních materiálů bude i v budoucích letech růst. Snižování hmotnosti výrobků je totiž neobyčejné silnou hnací silou materiálového vývoje. Ukažme si proto, jaké existují vývojové trendy, které by měly perspektivu polymerních materiálů i nadále zajištovat. Trendy je možno chápat na několika úrovních: a) Na úrovni výroby vlastního polymeru (polymerace nebo kopolymerace). Historicky vzato, intenzivní rozvoj syntetických polymerů nastal ve 20. letech 20. století. Vyvíjené polymery a jejich vlastnosti byly odvozeny od monomerů, které postupně přinášel chemický průmysl. Tento vývoj, kdy výroba nového polymeru byla založena na novém monomeru, kulminoval okolo 50. let. V těchto letech vznikly prakticky všechny známé polymery pro širší aplikace i základní řada konstrukčních polymerů. Od té doby se možnosti vývoje zcela nových polymerů začaly postupně vyčerpávat a počet monomerů vhodných pro průmyslové polymerace nebo kopolymerace se začal výrazně zmenšovat. Vývoj v oblasti polymerací přirozeně pokračuje se snahou objevit nové polymery s originálními vlastnostmi (viz. např. elektrovodivé polymery). Např. zcela nové perspektivy pro polyolefiny přináší praktické využití katalyzátorů na bázi chiralových metallocenových komplexů. Ve srovnání s klasickými katalyzátory Ziegler-Natta tyto nové katalyzátory umožňují cíleným způsobem řídit molekulární strukturu a tedy i vlastnosti polyolefinů. b) Na úrovni již existujících polymerů. Nadějným způsobem, jak zlepšovat stávající vlastnosti polymerů se stalo kombinování vlastností různých polymerů. Další cestou vedoucí k docílení vlastností polymerů vyžadovaných strojírenskými aplikacemi je vývoj účinnějších aditiv a plniv. V poslední době se přísné sledovanou vlastností, zejména ve všech druzích dopravní techniky, stala nehořlavost. Tu lze zajistit bud' výběrem polymeru s vlastní odolností proti
169
hoření nebo příměsí tzv. retardérů hoření. Pro polymery, které mají odolávat degradačním procesům způsobených vyššími teplotami, účinky kyslíku nebo ultrafialového záření slouží různé typy specificky působících stabilizátorů. Základním cílem pro budoucí strojírenské aplikace polymerů je zlepšovat jejich mechanické vlastnosti a to nejlépe ve všech směrech, tj. modul pružnosti, pevnost, houževnatost, odolnost proti únavě, tribologické chování. Rovněž rozměrová stabilita a dosažení potřebných toleranci jsou významnými kritérii pro použití plastů ve strojírenských oborech. Ve vývoji polymerů s účinnými částicovými a vláknovými plnivy a vývoji kompatibilizátorů potřebných k dosažení dobré adheze mezi polymerem a plnivem jsou stále ještě otevřené cesty, jak strojírenství ve větší míře umožnit využití polymerních materiálů a to při zachování klasických technologií zpracování pro velkosériovou výrobu (vstřikování, vytlačování). Polymery se staly součástí i zcela nového, celosvětovéhoo rozvíjeného směru v materiálovém vývoji. Jsou to nanomateriály a nanotechnologie. c) Na úrovni technologie zpracování. V oblasti technologií existuje rovněž několik vývojových, zaměřených na optimalizaci vlastností plastových dílů. Jedním z příkladů je tzv. více komponentní vstřikování, které umožňuje v jednom vstřikovacím cyklu integrovat ve výrobku polymery různých vlastností. Kvůli funkčním vlastnostem výrobku je např. zapotřebí, aby jedna část výrobku měla velikou tuhost, zatímco jiná část výrobku vyžaduje vlastnosti elastomeru. Perspektivní konstrukční řešení rovněž nabízejí vhodné kombinace polymerů a kovových materiálů v rámci jednoho výrobku s využitím technologie vstřikování. Velmi důležitými strojírenskými aplikacemi polymerů jsou povlaky. Nanášením polymerů se vytvářejí zejména antikorozní a tribologické povlaky na ocel a jiné kovy. Do vývojových trendů polymerních materiálů zasahuji výrazně cenové relace. Velkosériové výroby tlačí vývoj směrem modifikací vlastností levných polymerů, jako jsou např. polyolefiny. Na druhou stranu je však nutno konstatovat, že budoucí nová konstrukční řešení ve strojírenství se neobejdou bez špičkových konstrukčních plastů zaručujících náročné funkční vlastnosti, zejména mechanické a to za vyšších teplot a v přítomnosti korozních prostředí. Polymerní materiály tak mohou zajistit potřebnou spolehlivost a životnost strojírenských výrobků.
170
Kompozity Použití kompozitních materiálů v moderním strojírenství je motivováno zejména možností navrhovat díly a konstrukce velmi lehké a přitom s vysokými hodnotami mechanických vlastností, které dosahují úrovně mechanických vlastností nejen např. slitin hliníku, hořčíku nebo titanu ale dokonce ocelí a to i speciálních. Mohou výrazně zvětšit životnost a bezpečnost konstrukce, mají též menší nároky na údržbu (např. není zapotřebí antikorozních nátěrů) a manipulační techniku. Kompozity umožňují velmi efektivní využití hmoty a energie vložené do výrobku nebo konstrukce. To prokazatelně vypovídá o perspektivě těchto materiálů pro budoucí strojírenství. Důležitým materiálovým kritériem uplatňovaným při výběru materiálů pro lehké výrobky a konstrukce ale s požadavkem na jejich velikou tuhost a pevnost jsou měrný modul pružnosti a měrná pevnost. Jsou to modul pružnosti a pevnost dělené hustotou materiálu. Tyto veličiny tak v sobě zahrnují jak hledisko mechanických vlastností, tak hmotnosti materiálu. Díváme-li se na kompozitní materiály z pohledu materiálů na matrice, pak pro širší strojírenské aplikace jsou nejvíce atraktivní zcela jednoznačně kompozity s polymerní matricí. Vlastnosti polymerních kompozitů lze řídit v širokém rozmezí hodnot v závislosti na druhu matrice, výztuže, objemovém podílu výztuže a jejím prostorovém uspořádání. Bereme-li za kritérium sekundární fázi, pak největším přínosem jsou kompozity s dlouhými vlákny. Dlouhovláknové polymerní kompozity jsou schopny splnit nejnáročnější požadavky na mechanické vlastnosti při současné malé hustotě, dobré korozní odolnosti i elektrických vlastnostech.
I když současná úroveň vědeckých poznatků o kompozitech i jejich praktické využití (viz např. světově unikátní nasazení kompozitu u amerického dopravního letadla Boeing 787 Dreamliner), jsou na velmi vysoké úrovni, rýsuje se řada možností, jak polymerní kompozity dále zdokonalovat. Po stránce materiálových vlastností i technologií. V případě vláknových vyztuží, jde jednak o vývoj nových typů vláken, jednak o vývoj nových textilních technologií schopných vyrobit z těchto vláken výztuže unikátních vlastností. Nikoliv se to zdá byt na první
171
pohled velmi paradoxní, textilní průmysl hraje rozhodující roli ve výrobě špičkových kompozitních materiálů pro strojírenské aplikace. Nové vývojové směry lze pozorovat i u matric. Např. tepelná odolnost matric, která je nízká ve srovnání s kovy, je stále středem pozornosti v základním i aplikovaném výzkumu. Technologií pro výrobu kompozitových dílů dnes existuje několik desítek, nicméně ekonomický tlak i požadavky na reprodukovatelnost vlastností výrobků a nepřítomnost strukturních defektů a jiných vad jsou hybnou silou dalšího technologického rozvoje v této oblasti. Velmi slibným vývojovým trendem jsou kombinace polymerních kompozitních materiálů s kovy. Výrazným trendem ve vývoji kompozitu s polymerní matricí je snaha přecházet z reaktoplastových matric na matrice termoplastové. Podstatou zpracovatelského procesu reaktoplastů je vytvrzování, což je chemická síťovací reakce. Její průběh je hůře kontrolovatelný, mohou při něm vznikat vedlejší zplodiny, reaktoplastové prepregy (pryskyřicí předimpregnované tkaniny) mají omezenou skladovatelnost. Naproti tomu zpracování termoplastových kompozitů je založeno na fyzikálním procesu roztavení nebo částečném natavení a následném tuhnutí ochlazením. Termoplastové prepregy mají neomezenou skladovatelnost, kompozity mají výbornou chemickou odolnost (většinou se pro chemicky vysoce odolné kompozity používají semikrystalické matrice), oproti nemodifikovaným reaktoplastům mají velmi dobrou houževnatost. Impregnace vláken termoplasty je však obtížnější než u reaktoplastů, protože viskozita tavenin je vysoká a tedy smáčivost vláken pryskyřicí je nedokonalá. Pro přípravu termoplastovch prepregů a polotovarů, zejména ve formě desek byla vyvinuta řada technologií založených na různých principech, jako jsou impregnace roztokem polymeru, nanášení kapalné suspenze polymeru, impregnace suchým práškem s následným roztavením. Všechny tyto technologie mají řadu nevýhod (např. práce s rozpouštědly a prášky), které řeší, nově vyvinutá technologie Twintex. Je založena na zpracování směsných tkanin složených jak z polymerních vláken (např. polypropylenových), tak z vyztužujících vláken (např. skleněných). V průběhu zpracovatelského procesu polymerní vlákna po roztavení naimpregnují vlákna výztuže a ochlazením na normální teplotu vytvoří matrici. Tato technologie se zdá být pro budoucí aplikace termoplastových kompozitů velmi perspektivní.
172
Takto vytvořené termoplastové prepregy nebo desky se do tvaru výrobku zpracovávají po předchozím ohřevu lisováním, podobné, jako se lisuji výrobky z ocelových plechů. U desek typu Azdel se jako matrice používá polypropylenu a jako výztuže skleněné rohože nebo tkaniny. Desky typu Tepex jsou založeny na matricích z konstrukčních termoplastů, včetně vysokoteplotních a výztuži z kontinuálních skleněných, uhlíkových nebo aramidových vláken. V oblasti vláknových vyztuží je perspektivní především nová architektura vyztuží, která může výrazně ovlivnit mechanické vlastnosti. To umožnují např. třírozměrné tkaniny, které zabraňují porušování kompozitu mechanizmem delaminace, zlepšují lomovou houževnatost a dále tuhost a pevnost ve směru kolmém na vrstvy laminátu. Dalším pokrokovým přínosem do architektury výztuží jsou speciální textilie Saertex složené z napřímených vláken (u tkanin nebo pletenin vlákna při vzájemném křížení tvoří ohyby). To výrazně zlepšuje mechanické vlastnosti finálních výrobků. Významným vývojovým trendem jsou hybridní kompozitní systémy. Využívá se přitom směsných tkanin složených např. z uhlíkových a aramidových vláken nebo střídání prepregů různých vlastností při laminování. Značnou perspektivu je možno spatřovat v sendvičových voštinových konstrukcích, u kterých lze cíleně kombinovat materiály ať již kompozitní s polymerní matricí, nebo kovové. Na potahy lze použít např. různých druhů vláknových kompozitů, hliníkové slitiny nebo i ocel, na jádro např. Nomexové voštiny (podstatou Nomexu je polyaramid), hliníkové voštiny, různé druhy zvlněných struktur apod. Pro dokonalé spojení potahu a jádra je zapotřebí lepidel s velikou adhezní pevností k oběma materiálům. Ke špičkovým hybridním materiálům se řadí laminát Glare složený z tenkých vrstev polymerního kompozitu vyztuženého skleněnými vlákny a tenkých vrstev hliníku. Kombinace kovových a polymerních materiálů spolu s vyztužujícími vlákny ve struktuře hybridních kompozitních systémů se jeví jako velmi perspektivní směr v materiálovém vývoji. Pokud jde o samotná vyztužující vlákna, z hlediska teoreticky dosažitelných mechanických a fyzikálních vlastností mají uhlíková vlákna největší význam pro budoucí vývoj kompozitních materiálů. Jejich cena však zatím brání jejich aplikaci ve velkosériových výrobách, jako je např. automobilový průmysl. V popředí zájmu kompozitního průmyslu je tedy hledání cest, jak do budoucna zlevnit výrobu uhlíkových vláken a tím i umožnit jejich širší použití. Projekty
173
s tímto cílem ve světě probíhají. Velmi progresivním trendem v současné dobé jsou kompozity s přírodními vlákny. Důvodem je snaha usnadnit recyklovatelnost těchto materiálů. Potenciálním uživatelem je zejména automobilový průmysl. V úvahu přicházejí různé druhy přírodních vláken, jako jsou konopí, juta, len, bavlna, sisal, celulózová vlákna.
Biomateriály Způsob rozdělení biomateriálů je složitější, neboť se prolíná medicínský a inženýrský přístup. Dle kompatibility lze tyto materiály rozdělit do 4. skupin, způsobem znázorněným na obrázku 42. Mezi bioinertní materiály bývají nejčastěji zařazovány: keramika, kovy a polymery. Jestliže keramika je vysoce perspektivní materiál, tak dva další mohou vykazovat i biotolerantní charakter se vznikem vrstvy vzájemné interakce. Kovy jsou dnes nejrozšířenější implantátový
materiál
z
důvodu
dobrých
mechanických
vlastností.
Z
hlediska
biokompatibility však pořád trvají obavy o vznik elektrochemické koroze.
Obrázek 42 Druhy biomateriálů: a) bioinertní, b) biotolerantní, c) bioaktívní, d) biosorpční
Polymery mají nízkou úroveň pevnostních vlastností, které se v živé tkáni časem dále snižují. Ještě běžnější je výhrada k možnému karcinogennímu vlivu. Proto dnes dochází k obměně polymerů např. apatitovými kompozity. Za materiály bioaktivní jsou považovány vápenné fosforečnany (anorganická keramika). Rozborem kostního tkaniva byla zjištěna stejná chemická konstituce. Bioaktivní
174
materiály se mohou po čase stát zcela biosorbálními, jak ukazuje obr. 43. Nejrychleji může nárůst nové tkáně nastat právě u anorganické keramiky (dříve označované bioglass).
Obrázek 43 Biokompatibilita různých materiálů
Z hlediska materiálového inženýrství se biomateriály dělí následovné: Kovy •
Austenitické korozivzdorné oceli. U nás Poldi AKV ULTRA 2 a AKV ULTRA 2 N (O3Cr17Ni13Mo3Mn2 buď bez N, pevnější verze s N). Ve světě např. AISI 316 L - velmi ekonomické je tyto oceli vyrábět ve formě nástřiků (prášky TAFA) např. na mikrolegovanou ocel typu 11 523.
•
Slitiny kobaltu - Vitallium (CoCr30Mo5), Protasul (CoNi35Cr20Mo10).
•
Slitiny Ti - TiAl6V4 (Poldi T90 nebo IMI Titanium), TiAl7Mo4.
•
PM materiály. Sintrované výše uvedené slitiny.
•
Kovová vlákna. AISI 316 L či TiAl6V4. Délka 4 a 6 mm, ∅ 50 až 150 µm, sloužící k armování např. hydrohylapatitových matric.
•
TiNi dráty, využívající jevy tvarové paměti v traumatologii, ortopedii, dentální chirurgii a ortodoncii.
•
175
Plastické hmoty •
Polyethylen UMWPE kyčelní kloub, kombinace: kloub-korundová keramika, kyčelní jamka UHMWPE.
•
UHMWPE + C vlákna.
•
Epoxidová pryskyřice + C vlákna (CFRP).
•
Porézní polysulfon. Vroubkově nanášený na dřík.
Keramické materiály •
Oxidická keramika - Al203.
•
Nitridická keramika - Si3N4.
•
Sialonová keramika Si3N4-Al203-AIN.
Uvedené druhy jsou bioinertní a proto jejich biokompatibilita se zvyšuje řízenou pórovitostí, byt' tím dochází ke snižování mechanické pevnosti. Např. korund se vypaluje při teplotách kolem 1500 °C a pórovitost vzniká přídavkem peroxidu vodíku H202 a polyvinylalkoholu. Následující anorganická keramika na bázi vápenných fosforečnanů vykazuje vynikající bioaktivitu a často se používá ve formě nástřiků.
Monokalcium fosfát
Ca(H2PO4)2
0,5
Hydroxylapatit
Ca10(PO4)60H2
1,67
Fluoroapatit
Ca10(PO4)6F2
Tetrakalcium fosfát
Ca4(PO4)2O
s poměrem Ca/P
1,67 2,0
Kompozitní materiály
176
Jsou nejnovějším biomateriálem. Nejčastěji skořepinového typu, kde jádro musí vykazovat dobré mechanické vlastnosti a povlak musí být tvořen bioaktivní anorganickou či bioinertní keramikou. Např. kyčelní kloub - Vitallium+hydroxylapatit, kolenní kloub – slitina Co Vitallium + TiN. Druhým typem jsou klasické kompozity s různím fázemi mnohdy dále zpevněné skleněnými či uhlíkovými vlákny. Nejnověji jsou biokompozity se složkami např. hydroxyapatitu a kolagenu nebo hydroxyapatitu a skla, např. Si02-P205-CaO-Na20-MgO. U těchto kompozitů je konstituována příznivá skeletová struktura tvořená směsnou hydroxylapatitovou (HA) a krystalickou
- wallastonitovou fází, vykazující v průběhu rekonvalescence výborný biosorpční charakter.
Povrchové vrstvy a úpravy Povrch a povrchová struktura materiálu má výraznou úlohu v determinování finálních vlastností výrobku. Proto jedním z perspektivních směrů přípravy nových materiálů je i oblast povrchového inženýrství. Tento obor se věnuje studiu struktury a vlastností povrchu materiálu a hledá optimální modifikace funkčních vlastností povrchu vytvářením vrstev a povlaků.
Přes výrazné současné modifikace klasických povrchových technologií i významné rozšíření netradičních postupů, modernizace nadále pokračuje a vývoj a výzkum je zaměřen na: •
modelování rozložení sytícího prvku a mechanických vlastností v difúzních vrstvách (cementace, nitridace, karbonitridace),
•
zvyšování podílu vakuových technologií a plazmových procesů (vakuová cementace a kalení plynem s vysokým tlakem, technologie nízkoteplotní mikropulzní plazmové nitridace a nitrooxidace),
177
•
nové PVD postupy k přípravě multivrstev pro extrémní namáhání (vys (vysoké oké řezné rychlosti a obrábění bez chlazení, korozní prostředí), s tenké vrstvy na nástrojích jako nanokompozity založené na bázi Ti a Cr,
•
tenké vrstvy na bázi uhlíku (polykrystalický diamant, amorfnímu diamantu podobné vrstvy - DLC, PLC),
•
hlubší poznání dějů při zajišťování reprodukovatelnosti tvorby struktury povlaku,
•
studium rozhraní, vznikajících při vytváření povlaku a dokonalosti spojení povlaku s podložkou,
•
ověřování stability povrchových vrstev a povlaků při dlouhodobé expozici za zvýšené.
Postihnout problematiku rozsáhlé oblasti nových materiálů při povoleném rozsahu učebního textu je nemožné. V současné době dob se ve strojírenské výrobě používá asi 20000 typů konstrukčních materiálů, z nich asi polovina byla, nově nově vyvinuta nebo inovována v posledním osledním desetiletí. Autor si je vědom, vědom jak zúžeností pohledu určeného rozsahem skripta, tak možnou diskutovatelností terminologie, vyplývající vypl vající z novosti i zahraničního původů materiálů. Přesto věří, že tímto skriptem pomůže zájmu o vědní obor a také v nárůstu nárůstu vědomostí studentů o nových materiálech a jejich použitelnosti v technické praxi. Vždyť nové perspektivní materiály se stávají nejen součástí špičkové kosmické, letecké nebo vojenské techniky, ale stávají se i základem předmětů denní potřeby.
STUDIJNÍ MATERIÁLY povinná literatura SKÁLOVÁ, J., KOUTSKÝ, J., MOTYČKA, V., V. 2003. Nauka o materiálech. materiálech. Plzeň: Západočeská univerzita v Plzni. Plzni ISBN 80--7043-244-6. 6.
178
doporučená literatura MLEZIVA, J., ŠŇUPÁREK, J., J. 2000. Polymery – výroba, struktura, vlas vlastnosti tnosti a použití. použití 2., přeprac. vyd. Praha: Sobotáles. ISBN 80-85920-72 80 72-7. MLEZIVA, J., J., 1993. Polymery. Polymery. Praha: Sobotáles. ISBN 80-901570 80 901570-4-1. BAREŠ, R., R., 1988. Kompozitní materiály. materiály Praha:: SNTL. SNTL MENČÍK, J., J., 1990. Pevnost a lom skla a keramiky. keramiky. 1. vyd. Praha: Praha: SNTL ISBN 80 80-03 03-002052. POKLUDA, J., KROUPA, F., OBDRŽÁLEK, L., L., 1994. Mechanické vlastnosti a struktura pevných látek – kovy, keramika, plasty. plasty. 1. vyd. Brno: PC-DIR. PC DIR. ISBN 80-214 80 214-0575-9. 9. MOTYČKA, V., V., 1991. Nové keramické materiály ve strojírenství. strojírenst 1. vyd. Plzeň Plzeň:: ZČU. ZČU ISBN 80-7082 7082-044-6. 6. KOLOUCH, J., J., 1981. Strojní součásti z plastů. plastů. 1. vyd. Praha: Praha: SNTL.
OTÁZKY A ÚKOLY 1. V čem spočívá perspektiva polymerních materiálů? 2. Uveďte vývojové vývojové trendy konstrukční keramiky. 3. Popište jednotlivé úrovně trendů v oblasti konstrukčních konstrukčních polymerních materiálu. 4. Popište vývojové trendy kompozitu. kompozitu 5. V čem spočívá perspektiva kompozitu pro strojírenské aplikace?
KLÍČ K ŘEŠENÍ OTÁZEK Viz výklad
179
Použitá literatura [1] SKOČOVSKÝ, P., BOKŮVKA, O., KONEČNÁ, R.,TILLOVÁ,E., 2001. Náuka o materiáli pro odbory strojnické. Žilinská univerzita. [2] PREKOP, Š., VÁRKOLY, L., KUČMA, A., ĎURIŠ, Š., FEDOROVÁ, E., MATUŠČINOVÁ, A., MICHÁLEK, J., 1998. Gumárenská technológia I. Žilinská univerzita. [3] HIDVÉGHY, J., DUSZA, J., 1998. Nekovové konstrukční materiály. TU Košice. [4] POKLUDA, J., KROUPA, F., OBDRŽÁLEK, L., 1994. Mechanické vlastnosti a struktura pevných látek. VUT Brno. [5] JONŠTA, Z. 2012. Speciální materiály - studijní opora. VŠB TU Ostrava. [6] HUMÁR, A. 2006. Materiály pro řezné nástroje - Interaktivní multimediální text pro všechny studijní programy FSI. VUT Brno. [7] MACEK, K., ZUNA, P. a kol., 1999. Nauka o materiálu. Vydavatelství ČVUT. 209 s. ISBN 80-0101507-6. [8] HORÁČEK, J., 2000. Nauka o materiálu. ČZU Praha. 71 s. ISBN 80-213-0397-2. [9] MÜLLER, M., PETRŽELA, Z., 2011. Strojírenská technologie – část I. – II. Studijný text. Olomoucký kraj. 121s. [10] JANOVEC, J., CEJP, J., STEIDL, J., 2008. Perspektivní materiály. Praha: Vydavatelství ČVUT v Praze. [11] PTÁČEK, L., a kol., 1999. Nauka o materiálu I a II, CERM s.r.o, Brno. 855 s. [12] KUNZ, J., 2000. Základy lomové mechaniky. Praha: ČVUT Praha. 260 s. [13] CHOTĚBORSKÝ, R., 2006. Nauka o materiálu. ČZU Praha. 134 s. ISBN 80-213-1442-7. [14] ONDRÁČEK, L., PRYČEK, V., 2007. Nové trendy svařování plastů ve stavebnictví. Studijní materiál. [15] KOLOUCH, J., 1981. Strojní součásti z plastů. Nakladatelství technické litratury: Praha. [16] MLEZIVA, J., 1993. Polymery – struktura, vlastnosti a použití. Sobotáles: Praha. [17] ŠTĚPEK, J. a kol., 1989. Technologie zpracování a vlastnosti plastů. SNTL: Praha. [18] ČAUČÍK, P. a kol., 1985. Prísady do plastov. Alfa: Bratislava.
180
[19] DUCHÁČEK, V., 2006. Polymery-výroba, vlastnosti, zpracování, použití. 2. vydání VŠCHT: Praha. [20] LENFELD, P. Technologie II. - zpracování plastů. Technická univerzita Liberec [on-line] Dostupné z: www.ksp.tul.cz/cz/kpt/obsah/vyuka/skripta_tkp/sekce_plasty/obsah_plasty.htm [21] PARK, J., 2008. Bioceramics: Properties, Characterizations, and Applications. Springer. 364 p. ISBN-13: 978-0387095448. [22] PARK, J., 2014. Biomaterials Science and Engineering. Springer. 459 p. ISBN-13: 9781461297109. [23] MARTINKOVIČ, M., RÍZEKOVÁ-TRNKOVÁ, L., 2009: Náuka o materiáloch I – návody na cvičenia. Vydavateľstvo MtF STU v Trnave, Trnava. ISBN 978-80-8096-079-7. [24] MARTINKOVIČ, M., HUDÁKOVÁ, M., ROMANČÍK, M., 2001. Náuka o materiáloch II – návody na cvičenia. Vydavateľstvo MtF STU v Trnave, Trnava. ISBN ISBN 80-227-1599-9. [25] HŰBSCH, K., KRIŠTOF, P., 2009. Profilové poznatky zo strojárstva. [on-line] Dostupné z: www.siov.sk/ext_dok-vybrane...strojarstva.../16374c [26] ŠESTÁK, J., STRNAD, Z., TŘÍSKA, A. a kol., 1993. Speciální technologie a materiály. Academia: Praha. 253 s. [27] KLEČKA, T., 2013. Příručka technologa. Beton. Suroviny – výroba – vlastnosti. [28] VRBKA, J., 2008. Mechanika kompozitů. VUT: Brno. [29] ČERNOŠEK, J., 1992. Úvod do problematiky kompozitních materiálů. VUT Brno. [30] JANČÁŘ, J., 2003. Úvod do materiálového inženýrství polymerních kompozitů. VUT v Brně. [31] MÍŠEK, B., 2003. Kompozity. TDS Brno. [32] HŐSCHL, C., 1971. Pružnost a pevnost ve strojnictví. SNTL Praha. [33] LIPTÁKOVÁ, T., ALEXY, P., GONDÁR, E., KHUNOVÁ, V., 2012. Polymérne konštrukčné materiály. Žilina EDIS. ISBN 978-80-554-0505-6.
181
[34] TEXTIT J [on-line] Dostupné z: (http://www.vmplast.cz/cz/Textilit/) [35] SKLOTEXTIT ARV [on-line] Dostupné z: (http://www.vmplast.cz/cz/Sklotextit/) [36] KARTIT [on-line] Dostupné z: (http://www.hansanet.cz/oddeleni/106/Kartit-(Pertinax)--tvrzeny-papir.aspx) [37] GLASTIC UTR [on-line] Dostupné z: (http://www.presspahn.com/Cart/index.php?manufacturers_id=2) [38] BRZDA ROTORU VYROBENÁ Z KOMPOZITU S KERAMICKOU MATRICÍ [on-line] Dostupné z: (SiC / C vlákna) (http://www.matnet.sav.sk/index.php?ID=1122) [39] STRUKTURA BETONU V ŘEZU [on-line] Dostupné z: (www.ebeton.cz) [40] SUROVÁ KŮŽE [on-line] Dostupné z: (www.n-i-s.cz) [41] STRUKTURA DŘEVA [on-line] Dostupné z: (http://drevostavebniportalpopularizace.msdk.cz/zajimavosti-ze-sveta-dreva/drevo/) [42] VŠE O SKLE [on-line] Dostupné z: (www.zasklievaniebalkony.eu/files/subor1_1317655943.pdf)
182
