Predikce vlastností kompozitů s textilní výztuží Optimalizace výrobního procesu
Ing. Blanka Tomková, Ph.D.
Technická univerzita v Liberci
Katedra textilních materiálů
Kompozitní materiály z
nejdynamičtěji se rozvíjející skupina nových materiálů
z
heterogenní materiály složené ze dvou nebo více fází, které se vzájemně výrazně liší svými mechanickými, fyzikálními a chemickými vlastnostmi z
Matrice z
z
Výztuž z z
z
Obvykle spojitá fáze v kompozitu spojitá Zpravidla nespojitá fáze V porovnání s matricí má výztuž obvykle výrazně vyšší mechanické vlastnosti (modul pružnosti, pevnost, tvrdost atd.)
Synergický efekt z
vlastnosti kompozitu jsou vyšší než by odpovídalo pouhému poměrnému sečtení vlastností jednotlivých složek
Kompozity s textilní výztuží z
Výztuž ve formě vláken z z z
skleněná, uhlíková, keramická, čedičová ... vysoká tuhost, pevnost a teplotní stabilita pojena nejčastěji polymerní matricí z z
z
termosety (polyestery, epoxidy, fenolické pryskyřice) termoplasty (polypropylen, polyamid, aromatické termoplasty)
Nové výrobky zcela unikátních vlastností z
kombinující synergicky vlastnosti výztuže se snadností zpracování polymerů
z
moderním konstruktérům dávají možnost překonat konstrukční omezení nejrozšířenějších materiálů z kovy, beton a ostatních tradičních materiály
z
V praxi je ovšem třeba kromě výhod pečlivě zvážit i případné "nevýhody" kompozitů
z
Některé z nich nejsou skutečnými nevýhodami z
vyjadřují významnou odlišnost ve způsobu zpracování kompozitních materiálů v porovnání s materiály tradičními
z
kompozitní materiál je většinou vyráběn v jednom kroku s konečným produktem z
laminace sportovních lodí, tažení profilů, navíjení tlakových nádob, části proudových motorů, apod.
z
to může působit jisté komplikace při konstruování nových výrobků
z
je obtížné oddělit vlastnosti materiálu od užitných vlastností výrobku z
snadné u tradičních konstrukčních materiálů z
podstatně jednodušší optimalizace a spolehlivost konstrukčních postupů
z
Velmi omezená databáze konstrukčních dat pro samotné kompozity
z
Matematické modely v technické praxi z
simulace umožňující predikci vlastností navrhovaných kompozitních systémů na základě znalosti vlastností vyztužujících vláken a kompozitních matric z
z
Do výpočtu vstupuje složitá vnitřní geometrie kompozitního systému, která závisí jednak na typu použité textilní výztuže (jednosměrně uložené kabílky, tkaniny, pleteniny, 3D splétané výztuže apod.) jednak na technologii přípravy kompozitu
výběr optimálního časově-teplotního režimu vytvrzování matrice
Predikce vlastností kompozitů z
Vlastnosti kompozitních materiálů z
funkce řady parametrů: z z
vlastnosti matrice a výztuže, délka vláken výztuže soudržnost matrice a výztuže,objemový podíl a uspořádání výztuže
Vlastnosti matric
Analýza struktury kompozitů z
z
Modely tkaninových laminátů z
obrazová analýza vnitřní struktury materiálu
z
důkladné studium vnitřní struktury kompozitu
z
snaha o zohlednění parametrů reálné struktury
Zdroj strukturních dat ⇒ mikrofotografie z
přímé vyhodnocení morfologie výztuže, matrice i dutin
z
řešeny následující otázky: z
které geometrické parametry měřit
z
jak tato data zpracovat
z
jak je využít pro popis vztahu mezi technologií výroby, vlastnostmi materiálu a jeho strukturou
z
z
Kompozity s textilní výztuží z
heterogenní materiály se složitou, většinou porézní strukturou
z
ani na úrovni mikrostruktury zde nenajdeme homogenní materiál
Výpočet materiálových vlastností těchto kompozitů z
z
vícestupňové strukturní modely z
struktura a vlastnosti materiálu počítány postupně na nano-, mikro- , mezo- a makroúrovni
z
cílem numerické simulace je dosažení předpovědi s co možná největší přesností
taková predikce umožňuje ušetření času a finančních prostředků při řízení, ovládání, vývoji a výrobě kompozitních materiálů pro konkrétní aplikace
Fotografie mikrostruktury kompozitu C/C
z z z z
Rozlišení 1,7 µm/px Výztuž – Uhlíková tkanina v plátnové vazbě – vlákna Toray T800 Prekurzor matrice – fenolická pryskyřice UMAFORM LE Pórovitost 25 – 30%
Vícestupňový strukturní model z
Předpoklady pro tvorbu vícestupňového strukturního modelu:
1.
Pro danou kompozitní technologii jsou základní vlastnosti vláken a matrice v kompozitu jednoznačně definované.
2.
V průběhu přípravy kompozitu se vlastnosti vláken v nanopohledu (např. uspořádání grafenových rovin ve struktuře uhlíkových vláken) prakticky nemění.
3.
Matrice se v průběhu výroby formuje do podoby izotropního uhlíku, který se strukturou a vlastnostmi blíží struktuře tzv. skelného uhlíku.
4.
Kompozitní technologie ovlivňuje zejména mikro- a mezostrukturu materiálu, kdy při prosycování pryskyřicí, lisování a následném tepelném zpracování kompozitu dochází ke změnám rozložení vláken v kabílku a ke změnám struktury kabílků ve vyztužující textilii.
Přestup tepla v kompozitní desce
z
Termofyzikální parametry kompozitní desky z
finální hodnoty získané pomocí prezentovaného modelu
Výpočtový modul pro simulaci přenosu tepla
Definice vstupních parametrů a okrajových podmínek z
z
Diferenciální rovnice pro nestacionární vedení tepla:
Materiálové parametry základních složek kompozitu:
Počáteční podmínka:
T (x,t0) = T0(x)
Rozložení teploty ve vzorku v čase t0 [s]
TP studované kompozitní desky z
Ověření věrohodnosti výsledků získaných MKP z
z
experimentální měření (použití tzv. Impulzní metody)
Porovnání vypočtených hodnot s hodnotami zjištěnými experimentálně při teplotě 25°C z
parametry základních kompozitních složek byly stanoveny pro tuto teplotu
z
Aplikovatelnost na širokou škálu materiálů z
vytvoření geometrického modelu řešené úlohy z z
z z
z
stanovení materiálových parametrů vstupních složek zadání okrajových podmínek
Software FemLab z
řešení řady inženýrských úloh z
z
z
z
v oblasti fyziky, průmyslové chemie, pružnosti a pevnosti, akustiky, elektromagnetismu, prostupu tepla, proudění tekutin, optoelektroniky a dalších
zdroj informací při návrhu složení nových materiálů z
z
kvalitní mikrofotografie jejich struktury teoretický model struktury
určení hodnot žádaných materiálových parametrů grafické výstupy simulující odezvu materiálu na aplikované zatížení
Návrhy materiálů pro konkrétní aplikace Návrhy technologie jejich přípravy
Technologie přípravy textilních kompozitů z
Mechanické mísení jednotlivých složek z z
charakteristické pro kompozity tím se liší např. od slitin, které jsou rovněž heterogenní z
z
jednotlivé fáze vznikají fázovými přeměnami např. při tuhnutí
Způsoby výroby kompozitních dílů • dělení dle typu formy • rozhoduje o odpařování reaktivního rozpouštědla pryskyřice • důležité u levných (UP a VE) pryskyřic • prepregy s reaktoplastickou matricí už rozpouštědlo neobsahují z z
Otevřená (jednodílná) forma Uzavřená (dvoudílná) forma
Vytvrzovací proces z
z
Nejpoužívanější termoplasty z
polypropylen a polyamidy
z
výztuž krátká vlákna – lze zpracovat vstřikováním jako běžné plasty
z
kontinuální vlákna – výroba desek tvarovatelných za tepla
z
časově neomezená možnost skladování, recyklovatelnost
z
horší smáčivost vláken
Nejpoužívanější reaktoplasty z
z
z
nenasycené polyesterové, vinylesterové a epoxidové pryskyříce
Vytvrzování reaktoplastů z
proces sestávající z několika etap
z
vytvoření prostorové makromolekuly s nekonečnou molární hmotností vytvrzování probíhá při určité teplotě rychlostí
z
z
závisí na druhu pryskyřice a typu tvrdidla
Vytvrzovací reakce pryskyřice z
z
Kinetika vytvrzovacích procesů z
specifické nároky dle typu výrobní technologie
z
při různých teplotách znázorněna v diagramu TTT z
time-temperature- transformation
z
pro čisté pryskyřice (bez rozpouštědla)
Doba gelace (želatinace) z
důležitá charakteristika vytvrzovacího procesu
z
viskózní pryskyřice se změní v elastickou tuhou hmotu s nízkým modulem pružnosti (kaučukovité chování)
z
pryskyřice ztrácí schopnost protékat a vzlínat mezi vlákny výztuže
Diagram TTT („time-temperature- transformation“)
Proces přípravy dlouhovláknového prepregu
Průběhy tepelného zpracování kompozitní desky
Projektování kompozitu z
z
Každý kompozitový materiál vzniká až během zhotovování výrobku z
skutečné materiálové vlastnosti jsou silně determinované použitými složkami, skladbou a procesem zpracování
z
mohou být stanoveny až ex-post, na hotovém výrobku
z
tato primární neurčitost přináší obtíže do jakéhokoliv konstruování a pevnostního návrhu
Příprava velmi individuálních materiálů z
šitých namíru přesně pro dané účely
z
výrobek přesně přizpůsobený předem zadaným požadavkům z
výběr vhodných materiálů složek, spolu se správným tvarováním a dimenzováním součástí a konstrukce
z
široké spektrum mechanických, fyzikálních a ostatních výsledných vlastností
z
Konstruování z kompozitů z z
z
důkladné porozumění anizotropii struktury použitého materiálu, včetně všech možností jejího uspořádání znalost vlivu prostředí na vlastnosti materiálu a namáhání dané konstrukce, včetně vlivu na její odezvu
Koncepce návrhu kompozitu s textilní výztuží z
Vytvořit systém kde materiál, dimenzování, tvarování, technologické zpracování, funkčnost, životnost a bezpečnost jsou uvažovány společně jako nedílné aspekty jediné záležitosti z
z
použití pokročilých matematických nástrojů a moderní výpočetní techniky
příprava kompozitních vzorků, testování jejich vlastností
Děkuji za pozornost
Hubert Ing. Blanka Tomková, Ph.D.
Technická univerzita v Liberci
Katedra textilních materiálů
