ÚVOD DO MODELOVÁN V MECHANICE MECHANIKA KOMPOZITNÍCH MATERIÁLŮ - 1 Přednáška č. 6 Prof. Ing. Vladislav Laš, CSc.
1
Kompozitní materiál • • • •
skládá se ze dvou nebo více různých složek každá složka má jiné vlastnosti (mechanické, chemické) každá složka plní jinou funkci výsledné vlastnosti (výhody i nevýhody) jsou dány kombinací vlastností dílčích složek
2
ADOBE
Hlína + sláma = vepřovice • sláma působí jako zpevňující složka • navíc kyseliny uvolněné ze slámy hlínu vytvrzují • až 3x vyšší pevnost oproti samotné nepálené hlíně
3
Stavby z nepálené hlíny
Huaca del Sol, Peru, 450 AD
Huaca de la Luna, Peru
Tambo Colorado, Peru
4 Citadela Arg-e Bam, Írán, 500 BC – 2003 AD
Přírodní kompozity
srdeční céva
• tkáně živočichů svaly, cévy, kosti, schránky
• pletivo rostlin dřevo kmen ořešáku
ulita loděnky
5
Kompozity na bázi dřeva • dřevovláknité desky (dřevotříska, sololit) lisované, lepené třísky, piliny
• překližky lepené vrstvy dřeva Egypt 3500 BC
• pykrete piliny v ledu 2. světová válka
De Havilland Mosquito Habakkuk
6
CERMET
Kompozity na bázi keramiky • keramická matrice + kovová výztuž keramika – tepelná odolnost kov – tažnost (nikl, molybden, kobalt) zubní výplně protézy, elektronické součástky, povrch raketoplánu, jaderné reaktory
Atlantis
7
MMC
Kompozity na bázi kovů • matrice: hliník, hořčík, titan, ocel tepelná vodivost • výztuha: vlákna z uhlíku, boronu, SiC tuhost, pevnost
Porsche Boxter
auto-brzdy, bloky motoru, vrtáky, rámy kol Specialized S-Works
8
FRP
Kompozity na bázi polymerů •
•
matrice (s různými příměsmi) termoplasty (lze opakovaně tepelně zpracovávat) polyetylen, polystyren, PVC, PET termosety (nelze opakovaně tepelně zpracovávat, pevnější, použití za vyšších teplot) epoxidová, polyimidová, polyesterová, fenolická pryskyřice, bakelit (1907) výztuha (s různými povlaky) Airbus A380 dřevo, sklo (1922), uhlík (1964), kevlar / aramid (1965), hliník, bor vlákna – krátká, dlouhá (kontinuální) částice tkaniny – (1D), 2D, 3D
9 Aston Martin DBR9
Produkty
10
Speciální kompozity • uhlík-uhlík (RCC) vysoká tepelná odolnost
• uhlíková nanovlákna (CNT) Bugatti Veyron
vylepšují vlastnosti matrice BMC
Columbia
1 kg = $8000
11
Osobní automobil HONDA
12
Kompozity obecně = Materiály složené ze dvou či více složek přírodních či umělých složek majících rozdílné mechanické vlastnosti – přírodní (dřeva, kosti, zuby, atd.) – umělé
Kompozity umělé = Materiály cíleně složené z vhodných materiálů složkových: – Pojiva (matrice) – Plniva (částice, zrna, kuličky, vločky) – Výztuže (vlákna krátká, dlouhá, nekonečná) 13
Proč vůbec vláknové kompozity ? • Vlákna mají v podélném směru nejvyšší specifické pevnosti a specifické moduly pružnosti
Základní trik návrhu dílu z vláknového kompozitu: „Dát vlákna tam kde je třeba, kolik je jich třeba, orientovaná do směru hlavního napětí.“
14
Výhody a nevýhody FRP + + + + + +
nízká hmotnost vysoká tuhost a pevnost směrově orientované vlastnosti tepelná, chemická odolnost, ohnivzdornost nižší tepelná roztažnost elektrická a tepelná vodivost
– – – –
cena konstrukční návrh, výroba spoje, opracovatelnost, recyklace defektoskopie, opravy
15
Kompozitní materiály Vývoj 19. století výztuž zdiva ocelovými tyčemi → předepjatý beton poč. 20. století fenolové pryskyřice + azbestová vlákna 1942 první laminátový člun (letectví, elektrotechnika) 1946
metoda vinutých vláken
1950
zavedení vinutých vláken do raketové techniky
1960
vlákna z vysokopevnostního C
1970
kompozity s kovovými matricemi (bor, hliník, ..)
70. léta
expanze kompozitních materiálů v letectví, automobilovém průmyslu, sportovním průmyslu, aj.
21. století 16
Kompozity lze rozdělit dle specifických vlastností jejich výztuže: - podle velikosti výztuže: - makrokompozity (velikosti řádově v mm až cm) - mikrokompozity (řádově v µm) - nanokompozity (řádově v nm) - podle orientace výztuže: - preferovaná - náhodná - podle tvaru výztuže: - částicové (izometrický či anizometrický tvar) - vláknové (kontinuální či diskontinuální vlákna) 17
částicový kompozit - izometrický
částicový kompozit – anizometrický (vločkový)
vláknový kompozit
18
Základní pojmy Vlákna Pevnost vlákna je vždy významně větší než pevnost stejného materiálu v kompaktní formě. Příčinou je: a) malý příčný průřez vláken, v tenkých vláknech jsou minimalizovány rozměry vrozených vad materiálu a také nebezpečnost povrchových vad je při malých příčných rozměrech menší (menší průměr = menší povrch), existující vady jsou mikroskopické a orientovány v podélném směru vlákna. b) přednostní nasměrování pevných kovalentních meziatomových vazeb v podélném směru vlákna Existují tři široce používané druhy vláken: a) skleněná b) aramidová (známá pod obchodním označením kevlar) c) uhlíková
19
Vlákna Vlákna lze obecně vyrábět z několika druhů materiálů o různých průměrech: - skleněná … průměr vlákna 5 – 15 µm - uhlíková … 4 – 8 µm - polymerní … 5 – 15 µm - keramická - kovová - přírodní
Aramidové, uhlíkové a skleněné vlákno
20
Vlákna Orientace vláken v matrici a) jednosměrné uspořádání kontinuálních vláken
a
b
c
d
b) dvouosá orientace, křížově položené jednosměrné prepregy nebo tkanina c) rohož, nahodilá orientace kontinuálních nebo krátkých vláken (netkaná textilie) d) víceosá výztuž z kontinuálních vláken (sešité jednosměrné vrstvy nebo tkaniny)
21
Vlákna Základní mechanické vlastnosti Typ vlákna
Sklo
Aramid
HS - uhlík
HM - uhlík
Modul pružnosti v podélném směru EfL (MPa)
74 000
130 000
230 000
390 000
Modul pružnosti v příčném směru EfT (MPa)
74 000
5 400
15 000
6 000
Modulu pružnosti ve smyku GfLT (Mpa)
30 000
12 000
50 000
20 000
2 100
3 000
5 000
3 800
2 500
1 500
1 600
1 700
Pevnost v tahu σfL (MPa) Hustota (kgm-3)
ρ
22
Matrice Čtyři hlavní typy polymerních pryskyřic tvořící matrici jsou používány pro výrobu kompozitních materiálů: - epoxidové - polyesterové - fenolové - polyamidové Hlavní funkce matrice (pryskyřice) jsou: a) udržet vlákna ve správných pozicích b) pomáhat distribuovat napětí c) chránit vlákna před poškozením abrazí d) kontrolovat elektrické a chemické vlastnosti e) zajišťovat interlaminární pevnost 23
Matrice
Ve vytvrzeném kompozitu jsou požadovány tyto vlastnosti: - adhezivní pevnost - teplotní odolnost - únavová pevnost - chemická odolnost a odolnost proti vlhkosti - vysoký poměr deformace a pevnosti
24
Matrice Základní mechanické vlastnosti Druh pryskyřice Modul pružnosti
Em (MPa) Poissonova konst.
νm ( - ) Modulu pružnosti ve smyku
Epoxidové
Polyesterové
Fenolové
Polyimidové
4 500
4 000
3 000
4 000 19000
0.4
0.4
0.4
0.35
1 600
1 400
1 100
1 100
130
80
70
70
1 200
1 200
1 300
1 400
90 -200
60 - 100
120 - 200
250 - 300
Gm (MPa) Pevnost v tahu
σpm (MPa) Hustota
ρ (kgm-3) Maximální teplota
Tmax (oC)
25
Klasifikace
Rozdělení kompozitů
26
Lamináty - tah
[02/902]
[+452/−452]
27
Sendvičové materiály Tvoří značnou část kompozitních materiálů využívaných k konstrukci. Slepením nebo svařením dvou tenkých vrstev spolu s lehkým jádrem. Vlastnosti: - velmi lehké - vysoká ohybová pevnost a tuhost - velmi dobrá teplená izolace Nevýhody: - nízká odolnost proti ohni - riziko ztráty stability 28
Kontakní formování Váleček
Výztuž: sklo, kevlar Matrice: polyesterová pryskyřice
Separátor + gel coat
29
Lisování Výztuž + matrice protikus
forma
Separátor + gel coat
30
Vakuování Těsnicí tmel Atmosférický tlak
Krycí fólie Plsť
Vývěva Laminát
Separátor
31
Vstřikování (termosety) Vyhřívaná forma
Směs vláken + termosetická pryskyřice
Protikus formy
32
Vstřikování (termoplasty) Topné těleso
Směs vláken + termoplastická pryskyřice
33
Navíjení vláken (1)
Vlákno, tkanina
Topné těleso (polymerizace)
34
Navíjení vláken (2)
Sklo, kevlar Pryskyřice
35
Tváření profilů - pultruze Pryskyřice
Skelná tkanina, vlákno
Polymerizační pec
36
Základní pojmy MKM Vztah mezi napětím a deformací u jednosměrného kompozitu Při působení σ L :
1 ν LT ε L = σ L ; ε T = −ν LT ε T = − σL EL EL
Obdobně při působení σ T :
L … longitudinal T … transverse
σT 1 ε T = σ T ; ε L = −ν TL ε T = −ν TL ET ET Při namáhání na smyk
γ LT =
σ LT GLT
37
Při působení σ L , σ T a σ LT současně
εL =
1 ν σ L − TL σ T EL ET
εT = −
ν LT EL
+
γ LT =
1
σ LT
σ LT
1 σT ET
Maticově
1 E εL L ε = − ν LT T EL γ LT 0
−
ν TL
ET 1 ET 0
0 0 1 σ LT
σL σ T σ LT
ε = S σ , σ = C ε , C = S −1
38
