Vláknové kompozitní materiály, jejich vlastnosti a výroba

Kap. 1

Vláknové kompozitní materiály, jejich vlastnosti a výroba Informační a vzdělávací centrum kompozitních technologií &

Ústav mechaniky, biomechaniky a mechatroniky FS ČVUT v Praze 26. října 2007

1

Technologie kompozitů

Úvod

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.“

2


Úvod

Kompozity obecně = Materiály složené ze dvou či více složek přírodních či umělých – 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)

3


Úvod

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) 4


Úvod

částicový kompozit - izometrický

částicový kompozit – anizometrický (vločkový)

vláknový kompozit

5


Vlákna

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 6


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

7


Vlákna

Orientace vláken v matrici a) jednosměrné uspořádání kontinuálních vláken b) dvouosá orientace, křížově položené jednosměrné prepregy nebo tkanina c) rohož, nahodilá orientace kontinuálních nebo krátkých vláken (netkaná textilie)

a

b

c

d

d) víceosá výztuž z kontinuálních vláken (sešité jednosměrné vrstvy nebo tkaniny)

8


Vlákna

Všechna vlákna mají společné technologické a hodnotící parametry: Tex (udáváno v g/km) a hustota vláken určují velikosti průřezu pramence vláken. Pro stejné účely tzv. číslo K a průměr vlákna se používají zvláště v případě uhlíkových vláken, kde K (řádově 103) je počet vláken v pramenci. Další důležitý parametr je zkroucení vlákna. Obvykle jsou nejnamáhanější struktury vyrobeny z vláken s nulovým zkroucením. “Fiber Sizing” je povrchová úprava pramenců pro lepší adhezi k matrici. Je tvořena pryskyřicí (bez tvrdidla) a zlepšuje manipulaci s vláknem.

9

Technologie kompozitů Typ vlákna

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

10


Vlákna

Porovnání cen vláken

cena (v %)

2000 1500 1000 500 0 sklo

aramid

HS - uhlík

HM - uhlík

(cena skleněného vlákna = 100%)

11


Matrice

Matrice Čtyři hlavní typy polymerních pryskyřic tvořící matrici jsou používány pro výrobu kompozitních materiálů: - epoxidové - polyesterové - fenolové - polyimidové 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

12


Matrice

Ve vytvrzeném kompozitu musí jsou požadovány tyto vlastnosti: - adhezivní pevnost - teplotní odolnost - únavová pevnost - chemická odolnost a odolnost proti vlhkosti - vysoký poměr deformace a pevnosti

13


Matrice

Většina namáhaných kompozitových struktur je v současnosti vyráběna z epoxidových pryskyřic. Proč jsou epoxidy tak široce používané? - dobrá adheze k vláknům - nízké smrštění během vytvrzování - dobrá chemická odolnost - různé pevnostní a tuhostní charakteristiky - creepová a únavová odolnost - neobsahují styrén, nejsou toxické - mohou být samozhášivé

14

Technologie kompozitů Druh pryskyřice Modul pružnosti

Em (MPa) Poissonova konst.

νm ( - ) Modulu pružnosti ve smyku

Gm (MPa) Pevnost v tahu

σpm (MPa) Hustota

ρ (kgm-3) Maximální teplota

Tmax (oC)

Matrice

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

15


[1]

16


[1]

17


[1]

18


[1]

19

xxx

20


Výroba – kroky při formování

VÝZTUŽ

MATRICE Impregnace (prosycení) Umístění směsi na formu Zpevnění Polymerizace Demontáž forem Konečná úprava

21


Váleček

Výroba

Výztuž: sklo, kevlar Matrice: polyesterová pryskyřice

Separátor + gel coat

Kontaktní formování

22


Výroba

Výztuž + matrice protikus

forma

Separátor + gel coat

Lisování

23


Výroba

Těsnicí tmel Atmosférický tlak

Krycí fólie Plsť

Vývěva Laminát

Separátor

Vakuování

24


Výroba

Biologická ochrana

Urychlovač 20 kw – 10 MeV

Laminát pod tlakem Elektronový svazek

Rentgenové záření

Elektronové nebo rentgenové tváření

25


Výroba

Pryskyřice

Tváření pomocí vstřikování pryskyřice (matrice)

26


Výroba

Vyhřívaná forma

Směs vláken + termosetická pryskyřice

Protikus formy

Tváření pomocí vstřikování směsi vláken a pryskyřice

27


Topné těleso

Výroba

Směs vláken + termoplastická pryskyřice

Tváření pomocí vstřikování směsi vláken a termoplastické pryskyřice

28


Výroba

Isokyanát

Forma Protikus formy (nízký tlak a teplota)

Směs „isokynát + polyol“

Polyuretan. pěna

Polyol + sekaná vlákna

Tváření pomocí vstřikování pěny

29


Výroba

Výztuž - tkanina Forma Pryskyřice

Vytápění

Výztuž – krátká vlákna

Odstředivé tváření

30


Vlákno, tkanina

Výroba

Topné těleso (polymerizace)

Vláknové navíjení

31


Výroba

Sklo, kevlar Pryskyřice

Vláknové navíjení – členěný trn

32


Výroba

Celulózová fólie

Pryskyřice

Skelná tkanina, vlákno

Polymerizační pec

Celulózová fólie

Tváření panelů

33


Výroba

Pryskyřice

Skelná tkanina, vlákno

Polymerizační pec

Tváření profilů

34


Výroba

Předehřátá deska Skelná rohož, tkanina Chlazená matrice

Bucharové tváření

35


Výroba

Cívkové tváření 36


Zdroje

[1] Gay D.: Reinforced Plastics. Matériaux composites, Hermes, Paris, 1997

37

Vláknové kompozitní materiály, jejich vlastnosti a výroba

Recommend Documents