Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy
Využití kompozitních materiálů v automobilovém průmyslu Bakalářská práce
Vedoucí práce Ing. Jiří Votava Ph.D.
Vypracoval: Lukáš Daněk
Brno 2012
PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma „Využití kompozitních materiálů v automobilovém průmyslu“ vypracoval samostatně a použil jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém seznamu literatury. Bakalářská práce je školním dílem a může byt použita ke komerčním účelům, jen se souhlasem vedoucího bakalářské práce a děkana Agronomické fakulty Mendelovy univerzity v Brně. Dne .……………………………………. podpis bakaláře ……………………….....
PODĚKOVÁNÍ V prvním případě bych chtěl poděkovat svému vedoucímu bakalářské práce, Ing. Jiřímu Votavovi, Ph.D. za odborné vedení, konzultace, pomoc při projektu a konečném zpracování práce. Dále také firmě BMW DÍLY BRNO, která poskytla vzorek pro můj projekt.
ABSTRAKT Bakalářská práce je zaměřena na kompozitní materiály. Popisuje co je to kompozit, jeho historii a vykládá kompozitní působení. Hlavní zaměření je na rozdělení kompozitních materiálů podle jejich složení a vlastností. Dále jejich využití v průmyslu zvláště v automobilovém. Do práce je zahrnut i vlastní projekt spočívající v popisu složení a ukázce struktury určitého druhu kompozitu přímo na vozidle. Klíčová slova: Kompozitní materiál, matrice, výztuž
ABSTRACT The focus of the bachaler thesis is composite materials, in particular this study explores the issues of composite material basics, their history and explains what the composite agents are. The major focus is on the division of composite materials based on the their structure and properties followed by their use in automotive industry. A considerable part of this study comprises of a project in which the author looks at certain composite material in terms of its structure and demonstrates this structure in a particular vehicle. Key words: Composite material, matrix, reinforcement
OBSAH 1 ÚVOD ............................................................................................................................ 8 2 CÍL PRÁCE.................................................................................................................. 9 3 HISTORIE KOMPOZITŮ ....................................................................................... 10 3.1 Definice .................................................................................................................. 10 3.2 Výklad kompozitního působení ............................................................................. 11 4 ZÁKLADNÍ VLASTNOSTI ..................................................................................... 12 4.1 Homogenita a nehomogenita ................................................................................. 12 4.2 Požadavky na kompozitní materiály ...................................................................... 12 4.3 Izotropie a Anizotropie .......................................................................................... 13 4.3.1 Typy materiálu z hlediska symetrických vlastností: ...................................... 13 4.4 Synergický efekt .................................................................................................... 14 5 ADHEZE V KOMPOZITECH................................................................................. 15 5.1 Mechanické zaklínění ............................................................................................ 15 5.2 Fyzikální adheze .................................................................................................... 15 5.3 Chemická adheze ................................................................................................... 16 5.4 Měření adheze v kompozitech ............................................................................... 17 5.4.1 Přímé metody ................................................................................................. 17 5.4.2 Porovnávací metody ...................................................................................... 17 5.4.3 Přímo na kompozitech ................................................................................... 18 6 ROZDĚLENÍ KOMPOZITNÍCH MATERIÁLŮ .................................................. 20 6.1 Rozdělení ............................................................................................................... 20 6.1.1 Podle materiálu matrice ................................................................................. 20 6.1.2 Podle druhy výztuže....................................................................................... 20
6.1.3 Podle geometrického tvaru ............................................................................ 20 6.2 Matrice ................................................................................................................... 21 6.2.1 Kovová matrice .............................................................................................. 21 6.2.2 Polymerní matrice .......................................................................................... 21 6.2.3 Keramická matrice ......................................................................................... 23 6.3 Zpevňující fáze ...................................................................................................... 23 6.3.1 Kompozity částicové...................................................................................... 25 6.3.2 Kompozity s vyztužujícími vlákny ................................................................ 27 7 VÝROBA KOMPOZITŮ .......................................................................................... 30 7.1 Výroba složeného materiálu s matricí v tuhém stavu ............................................ 30 7.2 Výroba složeného materiálu s matricí v tekutém stavu ......................................... 32 7.3 Zpracování kompozitních materiálů ...................................................................... 35 8 KOMPOZITNÍ MATERIÁLY VYUŽÍVANÉ PŘEDEVŠÍM V AUTOMOBILOVÉM PRŮMYSLU ....................................................................... 36 8.1 Ložiskové kompozitní materiály ........................................................................... 36 8.2 Pěnokompozity ...................................................................................................... 37 8.3 Karbon ................................................................................................................... 37 9 EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST ..................................................................................... 37 9.1 Příprava zkušebních vzorků ................................................................................... 39 9.2 Hmotnost použitých materiálů ............................................................................... 40 9.3 Zkouška Charpyho kladivem ................................................................................. 41 9.4 Příprava metalografických preparátů ..................................................................... 43 9.5 Cenová bilance ....................................................................................................... 45 10 ZÁVĚR ..................................................................................................................... 46 11 SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY.................................................................... 47
12 SEZNAM OBRÁZKŮ ............................................................................................. 48 13 SEZNAM TABULEK .............................................................................................. 49
1 ÚVOD Myšlenka vzájemné kombinace materiálů s různými vlastnostmi je velmi stará. Tímto způsobem se využívá příznivých vlastností jednotlivých materiálů a potlačují se jejich nevýhody vhodným kombinováním. Člověk se v tomto ohledu mnoho naučil od přírody, která kompozitního principu využívá hojně. Příkladem může být struktura dřeva, nebo včelí plástve, které kombinují prvky zajišťující odolnost proti mechanickému namáhání s prvky zabezpečujícími další funkce, například přenos výživných látek na vývoj struktury. V technické praxi je znám velký počet materiálů vyrobených tímto způsobem, jak pro běžné využití, jako je tenisová raketa, lyže, části lodí, tak i pro specifické využití, jako jsou komponenty pro letecký průmysl, zvláště pak kosmický. Jde o materiály, které se skládají z jedné spojité fáze, která je vyztužena jednou, nebo více nespojitými fázemi. Většinou jsou to vysokopevnostní vlákna uložena v houževnaté matrici. Kompozity se vyrábějí pro zlepšení mechanických vlastností, jako je tuhost, pevnost, tažnost a tepelná odolnost, ale také různé kombinace těchto vlastností pro zvýšení odolnosti proti únavě materiálu, jeho křehkosti, nebo chemické a korozní odolnosti. Přednostní vlastností těchto materiálů je příznivý poměr mezi pevností a měrnou hmotností, který dává možnost využití tam, kde potřebujeme pevnost, ale jsme omezení celkovou hmotností výchozího komponentu. Dalším kritériem je cena, která je vždy vyšší než u klasických materiálů. Výroba je založena na principu pevného spojení dvou odlišných materiálů. Tato podmínka musí být vždy zajištěna, jinak by kompozit neplnil svoji funkci. Spočívá v přenosu zatěžující síly z houževnaté matrice na pevnou výztuž. Kompozitní materiály se vyrábějí, aby zejména rozšířili oblast použití ve výrobě extrémně namáhaných součástí strojů a zařízení, kde klasické materiály nedostačují.
8
2 CÍL PRÁCE Práce se zabývá teoretickým popisem a rozdělením kompozitních materiálů. Rozděluje se na několik bodů. Od historie přes složení, jejich výrobu, zkoušení a nakonec i využití v automobilové dopravě a jiných odvětvích strojírenství. Je zde zpracován i vlastní projekt s ukázkou struktury a popisu kompozitu využívaného přímo v automobilovém průmyslu.
9
3 HISTORIE KOMPOZITŮ Přírodní evoluční vývoj dlouhý 3,5 miliardy let realizoval výlučně tvorbu materiálů na kompozitním principu. Například dřevo je kompozitem z celulózových vláken (ohebných, ale pevných na tah) a ligninu, jako jejich pojivo k zajištění tuhosti. Vývoj prokázal, že vytváření jednoho, nebo několika materiálů se všemi dokonalými vlastnostmi současně je neekonomické, neboť většina z nich zůstává během služby materiálu nevyužitá. Už od pradávna se pro stavbu obydlí používala hlína a jíl. Často se také do něj přidávala sláma, nebo jiný přírodní vláknitý materiál pro zvětšení pevnosti. Velmi starým kompozitním materiálem je také malta a beton. Cement a beton se stávají nejrozšířenějšími materiály na celém světě. Základem je směs portlandského cementu a přírodního štěrkopísku vyztuženého obvykle ocelovými pruty a dráty, ale také různými dalšími pojivy a plnivy, které zlepšují jeho mechanické vlastnosti. Významný příklad modernějšího kompozitního materiálu je damascénská ocel. Klasickým příkladem je, nůž z damascénské oceli viz obr.1. Jde o kompozit složený ze střídajících se plátků středně uhlíkaté (pod 0,5 % C) a vysokouhlíkaté (okolo 2 % C) oceli, díky čemuž byl kompozit optimálně tvrdý a houževnatý. Využíval se a v dnešní době se využívá na výrobu historických zbraní, především sečných a bodných. (Bareš, 1988)
Obr. 1 Nůž z damascénské oceli (http://www.damaskovenoze.wbs.cz.html) 10
3.1 Definice Kompozit je každý materiálový systém, který je složen nejméně ze dvou a více fází, z nichž alespoň jedna je pevná, s makroskopicky rozeznatelným rozhraním mezi fázemi, a který dosahuje vlastností, které nemohou být dosaženy kteroukoli složkou (fází) samočinně ani prostou sumací. (Bareš, 1988)
3.2 Výklad kompozitního působení Jako příklad kompozitního působení můžeme uvést bimetalový článek, který bývá součástí termostatů viz obr.2. Tento článek je vyroben ze dvou pásků různých kovů, jako je například mosaz a železo, které jsou vzájemně pevně spojeny. Při změně teploty mosazná část s větším součinitelem teplotní roztažnosti, namáhá železnou část na styku tahem a sama je namáhaná tlakem. Článek se společně ohne.
Obr. 2 Bimetalový článek (Bareš, 1988) Působí-li na kompozitní materiál rostoucí zatížení, matrice s nižším modulem pružnosti začne nejdříve ustupovat zatížení a vlákna, která jsou obklopena měkkou matricí, se nemohou deformovat a tím přebírají zatížení. Ve skutečnosti se slabost matrice neprojeví, protože je skryta pod pevností vláken, která mohou přenést daleko větší zatížení než matrice. Matrice, která zprostředkuje pouze přenos zatížení do tužších součástí, musí také zajišťovat odolnost celého kompozitu před atmosférickými vlivy a prostředím, ve kterém se nachází, protože vždy obklopuje vyztužující vlákna. (Bareš, 1988) 11
4 ZÁKLADNÍ VLASTNOSTI 4.1 Homogenita a nehomogenita Kompozit je vnitřně nehomogenní, ale z makroskopického hlediska homogenní. To vede k zavádění vlastností kompozitních materiálů, které jsou často jen fiktivní. (Daďourek, 2007)
4.2 Požadavky na kompozitní materiály Vytváření kompozitních materiálů je za účelem splnění požadavků, které u klasických materiálů jsou jen těžko splnitelné. Zásadní požadavky jsou:
Zvýšení tuhosti (zvláště specifické tuhosti-poměru Youngova modulu a hustoty)
Zvýšení pevnosti (poměr mezi pevností a hustotou)
Zvýšení rozměrové stability
Zvýšení houževnatosti (odstranění křehkosti)
Zvýšení teplotní stability (rozšíření teplotního rozsahu použitelnosti)
Zvýšení mechanického tlumení (antivibrační a antihlukové materiály)
Snížení propustnosti pro kapaliny nebo plyny
Modifikace elektrických vlastností (zvýšení/snížení elektrické vodivosti)
Snížení nasákavosti
Zmenšení teplotní roztažnosti
Zvýšení korozní nebo chemické odolnosti
Udržení tuhosti a pevnosti při vysoké teplotě
Snížení negativního dopadu na životní prostředí
Redukce hmotnosti
Snížení ceny
(Daďourek, 2007) 12
4.3 Izotropie a Anizotropie Běžné technické materiály jsou zcela izotropní, naproti tomu kompozitní materiály mají anizotropní vlastnosti. Pevnost ve směru vyztužujících vláken a kolmo na ně se může velmi lišit. (Daďourek, 2007)
4.3.1 Typy materiálu z hlediska symetrických vlastností Izotropní materiál – ve všech směrech má stejné vlastnosti Anizotropní materiál – má vlastnost v každém směru jinou, záleží na tom, ve kterém směru působí síla, jestliže ve směru os vláken nebo kolmo na ně a podobně. Pseudoizitropní materiál – má stejné vlastnosti ve směrech tří kolmých základních os a jsou symetrické podle tří rovin tvořených těmito osami. Ortotropní materiál – má vlastnosti symetrické podle tří vzájemně kolmých rovin, ve třech kolmých směrech tvořených průsečnicemi těchto rovin, má vlastnosti vzájemně různé, ale bez typických efektů anizotropie. Příčně izotropní materiál – má vlastnosti izotropní v určité rovině, vlastnosti jsou symetrické podle této roviny a dvou rovin na ni a na sebe vzájemně kolmých, průsečnice těchto dvou rovin je hlavní osa. Příkladem může být vláknový kompozit s uspořádanými vlákny v jednom směru. Většina typických kompozitů je uspořádána tak, že je anizotropní. Anizotropie je velmi silná – až o několik řádů větší než u jiných materiálů. Někdy je možné anizotropii využít: luky, lyže. Pokud potřebujeme izotropní materiál, umělé vyrovnání anizotropie, kdy jde vlastně o kompozitní systém složený z několika kompozitů: laminát. (Daďourek, 2007)
13
4.4 Synergický efekt Synergickým efektem označujeme efekt, kdy dochází v kompozitu ke kombinaci pozitivních vlastností jeho složek tak, že celek přesahuje poměrný součet složek, viz obr.3.
Obr. 3 Znázornění synergického efektu v kompozitu (Daďourek, 2007) Kompozitní materiály se vyrábějí tak, aby byl synergický efekt co nejsilnější. (Daďourek, 2007)
14
5 ADHEZE V KOMPOZITECH Adheze v kompozitech je základní vlastnost pro přenos sil mezi matricí a disperzí. Závisí na adhezních silách na rozhraní matrice - disperze. (Daďourek, 2007) Druhy adheze: jsou tři druhy adhezních sil na rozhraní.
Mechanické zaklínění
Fyzikální adheze
Chemická adheze
5.1 Mechanické zaklínění Styková plocha mezi matricí a disperzí není nikdy rovná, zaklínění je větší, čím jsou hranice drsnější a vzájemný styk dokonalejší, můžeme znázornit na obr. 4.
Obr. 4 Mechanické zaklínění matrice a disperze (Daďourek, 2007)
5.2 Fyzikální adheze Souvisí s takzvanou Van der Vaalsovou vazbou mezi částicemi na rozhraní. Tato vazba působí na vzdálenost 0,3 až 0,5 µm a její velikost odpovídá teoretické pevnosti 15
rozhraní 0,7 až 7 GPa. Pokud je tato vazba dostatečně silná, stačí k velkým adhezním silám na rozhraní. Tato vazba úzce souvisí se smáčivostí matrice a disperze. Tvoří-li kapalná látka tenkou souvislou vrstvu na pevné látce je látka ideálně smáčivá. V opačném případě tvoří kapalná látka na pevném povrchu kuličky dotýkající se pevné látky jen v jednom bodě – jde o dokonalou nesmáčivost. (Daďourek, 2007) Platí tedy: u látek smáčivých drsnost adhezi zlepšuje, u látek nesmáčivých drsnost adhezi zhoršuje.
Obr. 5 Kapka smáčivé (vlevo) a nesmáčivé (vpravo) kapaliny na pevném povrchu (Daďourek, 2007)
5.3 Chemická adheze Na rozhraní matrice - disperze může dojít ke vzniku chemických vazeb. Tyto vazby mohou působit na vzdálenost 0, až 0,3 µm jejich velikost odpovídá teoretické pevnosti rozhraní 7 až 70 GPa. Chemické vazby na rozhraní se můžou uplatnit ve dvou případech. Matrice a disperze vzájemně difundují, na rozhraní vzniká difuzní mezivrstva s velmi silnou adhezí. Matrice a disperze spolu chemicky reagují, na rozhraní vzniká mezivrstva chemické sloučeniny. Chemická adheze je vhodná, ale může působit i negativně. Chemické, ale i difuzní mezivrstvy mohou mít nežádoucí vlastnosti, mohou být křehké, nebo mít nízkou pevnost. (Daďourek, 2007) 16
5.4 Měření adheze v kompozitech Můžeme jej rozdělit do třech skupin.
Přímé metody
Porovnávací metody
Přímo na kompoziech
5.4.1 Přímé metody Adhezní napětí je určeno přímo ze statických zatěžovacích zkoušek.
Obr. 6 Princip přímého měření napětí, zleva normálové, smykové, tečné. (Daďourek, 2007)
5.4.2 Porovnávací metody Neurčují bezprostřední adhezi napětí, ale jen porovnávají Scratch tes (vrypový test) - posouzení tenké vrstvy materiálu na masivním podkladu druhého materiálu. Vryp je tvořen tažením diamantového hrotu odpovídající Rockwellovskému hrotu pro měření tvrdosti. Měří se přítlačná síla v době utržení celé vrstvy od podložky. (Daďourek, 2007)
17
Obr. 7 Princip Scratch testu (Daďourek, 2007) Mřížkový (vrypový) test - do vrstvy se vyryje 10 vrypů speciálním ostrým nástrojem ve dvou na sebe kolmých směrech (vzdálenost vrypů 1 mm). Dokonale prorytá vrstva se přelepí samolepící fólií, která se vzápětí strhne. Měřítkem je procento neodtržených čtverečků. (Daďourek, 2007)
Obr. 8 Princip čtverečkového vrypového testu (Daďourek, 2007) Odlupovací test - jen u materiálů, které umožňují značný ohyb, měřítkem je odlupovací síla vztažená na jednotku délky hranice odloupnutí. (Daďourek, 2007)
Obr. 9 Princip odlupovacího testu (Daďourek, 2007) 18
5.4.3 Přímo na kompozitech Jde o porovnávací metody Vytrhávací zkouška - řada vláken je zalita se stále rostoucí hloubkou zalití. Poté se vlákna zatěžují až do jejich porušení, buď vytržením, nebo prasknutím vlákna.
Obr. 10 Princip vytrhávací zkoušky V-vytržná vlákna, P-přetržená vlákna, Lk- kritická délky vlákna (Daďourek, 2007) Příčný test kompozitu - pro vláknový kompozit s uspořádanými spojitými vlákny. Kompozit je zatížen tahovou silou ve směru kolmém na vlákna. Zjištěná mez pevnosti umožňuje odhadnout velikost normálové adhezní síly. (Daďourek, 2007)
Obr. 11 Princip příčného testu kompozitu (Daďourek, 2007) Podélný test s výřezy - pro vláknový kompozit s uspořádanými spojitými vlákny. Vzorek kompozitního materiálu speciálního tvaru s výřezy, je zatížen tahovou silou ve směru vláken. Zjištěná mez pevnosti umožňuje odhadnout velikost tečné adhezní síly. (Daďourek, 2007)
19
6 ROZDĚLENÍ KOMPOZITNÍCH MATERIÁLŮ 6.1 Rozdělení Kompozitní materiály můžeme dělit podle několika kritérií
Složení
Tvaru částic
6.1.1 Podle materiálu matrice
Kovové - to jsou kovy zpevněné disperzemi, kovy vyztužené částicemi, kovy vyztužené vlákny.
Polymerní - termoplastová, reaktoplastová nebo elastomerní.
Keramické a ostatní organické - silikátové, vápenaté, síranové bázi.
6.1.2 Podle druhy výztuže
Kovová
Skleněná
Keramická - borová vlákna, uhlíková vlákna,
Polymerní
6.1.3 Podle geometrického tvaru
Částicové
Vláknové
Skeletové výztuže (Míšek, 1993)
20
6.2 Matrice Její základní funkcí je přenos vnějšího zatížení na zpevňující fázi. Má nižší pevnostní vlastnosti a větší polaritu. Požaduje se dobrá soudržnost matrice s materiálem vyztužující fáze a také její nízká hmotnost. Odděluje jednotlivé části zpevňující fáze a brání křehkému porušení složeného materiálu. Další úlohou je chránit vlákna proti oxidaci, korozi a jakémukoli mechanickému poškození. (Gottfried, 2006), (Míšek,1993)
6.2.1 Kovová matrice Její výhodou je dobrá elektrická a tepelná vodivost, pevnost ve smyku, tvárnost, odolnost proti opotřebení, možnost povlakování a spojování. Nejrozšířenější matricí je hliník a jeho slitiny, titan a jeho slitiny a slitiny na bázi niklu. U hliníkové matrice můžeme vyzdvihnout její houževnatost, ale také nižší hmotnost, která je velmi důležitá pro koncový výrobek. (Míšek,1993) Tab. 1 Vlastnosti některých používaných kovových matric (Míšek, 1993) matrice AlCu4Mg AlMgSi TiAl6V4 TiMo11Zr5Sn5 Unimed Nicocast 258 40%W
měrná hmotnost [kg.m-3] 2770 2700 4430 5060 7900 12450
pevnost v tahu [GPa] 0,49 0,32 0,91 1,37 1,52-2,33 0,92
modul pružnosti v tahu [GPa] 70 70 112 105 220 305
6.2.2 Polymerní matrice Má nejdelší tradici, byla patentována již roku 1916. Výhodou oproti kovům je, že jsou odolné proti korozi, tlumí kmity, jsou nevodivé a hlavní výhodou je malá měrná hmotnost při vysoké měrné pevnosti.
21
Podle vlastností a podle postupu výroby se rozdělují na termoplasty a reaktoplasty. U termoplastů je jako matrice využíván nejvíce polyamid (nylon), polypropylen, polykarbonát, polyetylen a tavitelné kopolymery tetrafluoretylenu. Jako výztuž je vhodné použít skleněná, uhlíková, aramidová vlákna a jejich kombinace. Reaktoplasty jsou nejrozšířenější a využívají polyesteru, epoxidu, fenolu, melaminu a silaxilové pryskyřice. Velmi často se používá polyamidu a polybenzothiazolu a dalších, které mají teplotní stabilitu až 500 oC. Kompozity s plastovou matricí jsou nejpoužívanější a nejlépe propracovanou skupinou kompozitních materiálů. (Míšek, 1993) Často se nepoužívá jen jeden jednoduchý kompozit, ale součást je složena z více různých vhodně zkombinovaných materiálů. Příkladem může být konstrukce pneumatiky viz obr. 12.
Obr. 12 Složení diagonální pneumatiky (Daďourek, 2007)
22
6.2.3 Keramická matrice Keramika je anorganický nekovový materiál s heterogenní strukturou, tvořenou krystalickými látkami o různém složení a uspořádání, která je elektricky nevodivá. Využívá se pro použití při vysokých teplotách, pro výbornou pevnost, chemickou odolnost, odolnost vůči creepu a oxidaci. Nevýhodou je značná křehkost a obtížná obrobitelnost. Většinou je využíváno oxidů, nitridů nebo karbidů a dalších prvků jako je například mullit. (Míšek, 1993)
6.3 Zpevňující fáze Zpevňující fáze musí mít vysokou pevnost a modul pružnosti. Jejím úkolem je přenášet převážnou část vnějšího zatížení. Zpevňující fáze může být v kompozitu umístěna různě a může mít také různé tvary a konstrukci. Rozdělení podle tvaru můžeme uvažovat kouli - (částici) nebo jako válec (vlákno). Jejich velikost a umístění řídí textura materiálu a spolu s objemovým podílem určují mezifázový povrch, který má důležitou úlohu v určování rozsahu vzájemného působení mezi výztuhou a matricí. Koncentrace se obvykle udává v konstantním nebo objemovém zastoupení. Je považována za jediný nejdůležitější parametr ovlivňující vlastnosti kompozitu. Umístění, neboli orientace vyztužující fáze má vliv na celkové vlastnosti výsledného výrobku. Mají-li vyztužující částice tvar a rozměry ve všech přibližně stejné (jsou rovnoosé), viz obr. 13. Chová se kompozit v podstatě jako izotropní materiál, kdy jsou jeho vlastnosti nezávislé na směru. (Míšek, 1993)
23
Obr. 13 Náhodně uspořádané kuličky (Míšek, 1993) Jsou-li rozměry vyztužující fáze částic nestejné viz obr. 14, (mají menší průměr než délku) může se materiál také chovat jako izotropní, ale jen za předpokladu, že jsou částice v materiálu uspořádány nahodile. (Míšek, 1993)
Obr. 14 Náhodně uspořádaná vlákna (Míšek, 1993) Jsou-li vyztužující vlákna spojitá, vykazuje tento materiál anizotropní vlastnosti. To znamená, že vlastnost materiálu je závislá na směru umístění vláken. Umístění vláken znázorňuje obr. 15. (Míšek, 1993)
Obr. 15 Stejně orientovaná vlákna (Míšek, 1993)
24
6.3.1 Kompozity částicové Hlavním charakterem těchto kompozitů je, že částice jsou dispergovány v matrici a nevytvářejí vlastní strukturu. Vyztužující fáze je definována jako nevláknová a tvoří struktury kulovité, krychlové, jehlicové, destičkovité nebo nepravidelného tvaru. Vyztužující částice omezují rozvoj plastických deformací v materiálu matrice. Dále se podílí na přenosu namáhání, ale mnohem méně než vlákna. Částice se využívají tam, kde je zapotřebí vyšší pevnost kompozitu, ale snižují tahovou pevnost. Velké částice v kompozitu se stávají koncentrátory napětí a tím mají nepříznivý vliv na deformace a lomové vlastnosti. Naopak částice miniaturní na tyto vlastnosti přestávají mít vliv. Částice plniva jsou využívány pro zlepšení vlastností matrice, jako je např.: úprava tepelné a elektrické vodivosti, odolnost vyšším teplotám, zvýšení odolnosti proti opotřebení a otěru, zlepšení obrobitelnosti, zvýšení povrchové tvrdosti aj. Materiál v částicovém kompozitu může být různě kombinován z kovového i nekovového matriálu. Volba závisí na vyžadovaných vlastnostech výsledného výrobku. (Šuba, 2011) Velká pozornost se věnuje disperzně zpevněným kompozitům. Obsahují velmi jemné sekundární částice o průměru nepřesahující 0,25 µm. Takto velké částice působí jako překážky pohybu dislokací v matrici, výrazný zpevňující účinek zůstává i při vyšších teplotách. Materiál disperze musí být málo rozpustný v materiálu matrice a oba musí mít dobrou vzájemnou soudržnost. Většinou je použito kovové matrice a stabilních disperzních částic např.: oxidů, nitridů, karbidů a boridů. Vyznačují se dobrou svařitelností a zvýšenou mezí průtažnosti. (Míšek, 1993)
25
Tab. 2 Nejpoužívanější disperzně zpevněné materiály. (Míšek, 1993) typ kompozitu Ag-SdO Ag-SnO2 Cu-Al2O3 Cu-BeO Fe-Al2O3 Fe-CrO2 Fe-ThO2
vlastnost
aplikace
dobrá elektrická vodivost
el. Kontakty
tepelně stabilní žárupevné,el. Vodivé odolnost křehnutí v podmínkách neutronového záření
elektrotechnika svářecí technika konstrukce atomových reaktorů konstrukční soušásti tepelně zatížené v letecké a kosmické technice
Al-Al2O3
teplotní odolnost
AL-Al4C3
do 500 stupňů Celsia
Ti-FhO2
teplotní odolnost
Ti-ZrO2
do 1000 stupňů Celsia
Organická plniva se používají pro zlepšení vlastností polymerů, jejich pevnosti a tuhosti. Kaučukovité částice vložené do křehkých polymerů zabraňují šíření trhlin a zvyšují celkovou pevnost kompozitu. (Míšek, 1993) Další druhy částicového kompozitu jsou na bázi keramiky: Keramika – kov: se vyrábějí slinutím prášků oxidů (Al2O3 , ZrO2 aj.) vytvoří se spojitý porézní keramický materiál (tzv. keramický skelet), do něj se penetrací vpraví kov a vzniká materiál pro použití na kluzná uložení hřídelů (Al-Pb, C-Cu aj.). Keramika – keramika: keramická tuhá fáze je dispergována v tuhé keramické matrici např.: Si3N4 s dispergovanými částicemi SiC. Tento kompozit je velmi odolný vysokým teplotám, oproti tomu velmi křehký. Keramika v kovu: jsou tzv. cermety. Jde o keramické částice ve spojité kovové matrici. Používají se pro materiály na výrobu nástrojů pro obrábění při vysokých rychlostech, ochranná pouzdra termočlánků atd. Slinuté karbidy: jsou nástrojové materiály tvořené tvrdými keramickými částicemi uloženými v kovové matrici. Tvrdá složka je tvořena částicemi wolframu, titanu, tantalu o vysoké tvrdosti, tuhosti a teplotě tání, které jsou uloženy v houževnaté matrici 26
(kobalt). Při výrobě jsou pásky karbidů a kobaltu slisovány a pak slinovány za teploty vyšší, než je teplota tání kobaltu. Roztavený kobalt obklopí částice výztuže a po ztuhnutí zajišťuje potřebnou houževnatost kompozitu. (Míšek, 1993)
Obr. 16 Využití slinutých karbidů (http://www.walter-tools.com/SANDVIK)
6.3.2 Kompozity s vyztužujícími vlákny Materiál matrice bývá houževnatý a tvárný. Musí přenést vnější zatížení na vyztužující vlákna, zároveň chránit vlákna před oxidací a korozí a zamezit šíření trhlin z prasklých vláken. Tento druh kompozitu umožňuje konstruovat výrobky s vysokou pevností, tuhostí a houževnatostí. Materiál vlákna má být pevný, tuhý, lehký a mít vysokou teplotu tání a vždy o řád vyšší modul pružnosti a pevnosti než matrice. (Míšek, 1993)
Vláknové kompozity můžeme dělit podle uspořádání vláken: Uspořádaný systém výztuže - kontinuální vlákna (dlouhá), vlastnost tohoto kompozitu je anizotropní (lepší vlastnosti ve směru vláken než kolmo na ně). Nahodile uspořádaný systém - diskontinuální vlákna (krátká), při nahodilém uložení vláken může mít materiál izotropní vlastnosti.
27
Dále se dělí podle materiálu výztuže: Kovová vlákna -
je to nejčastěji používaný materiál. Nemá vysoké výrobní
náklady, oproti tomu má větší měrnou hmotnost a není tak tepelně odolný. U matric z hliníkových slitin se používají ocelová vlákna z uhlíkové oceli, ale jen do omezující teploty 300 oC. A pro zpevnění žáru pevných slitin se používají vlákna wolframu nebo molybdenu v matrici na bázi niklu. Dalším typem jsou kovová skla, která se vyznačují vysokou homogenitou struktury a mechanickými vlastnostmi. Velmi velké zvýšení pevnosti se dosahuje použitím tenkých vláken s amorfní strukturou. Skleněná vlákna - většinou jsou používána na zpevnění polymerních matric. Jejich vlastností je vysoká pevnost, oproti tomu nízký modul pružnosti v tahu. Vlákna se většinou namáčejí nebo zalívají do tkanin. Keramická vlákna - přední vlastností je vysoká pevnost (2 až 5 GPa), vysoký modul pružnosti v tahu (250 až 500 GPa) a poměrně nízká hmotnost. Tyto vlastnosti mají vlákna bóru, uhlíku a také vlákna vyrobená z nitridů, karbidů a oxidů. Vlákna bóru - tzv. vlákna Borsic, tato tenká vlákna se používají s kovovou i polymerní matricí. Vyznačují se vysokou pevností, ta je dána jemnozrnnou strukturou. Používají se v leteckém průmyslu. Nedostatkem tohoto druhu kompozitu je cena. Jako náhradu, můžeme použít uhlíková vlákna. Předností těchto vláken je vysoká mez pevnosti a modul pružnosti a velmi nízká měrná hmotnost. Vlákna mají průměrnou hustotu 1750 g.cm3 a od jiných textilních vláken se odlišují zejména: výrazně menším modulem pružnosti v kolmém směru k ose vlákna, křehkost – tažnost je menší než např.: u skleněných vláken, při ohřevu se vlákno zkracuje, v kolmém směru má však vyšší koeficient tepelné roztažnosti než sklo, v podélném směru mají uhlíková vlákna malý elektrický odpor. (Míšek, 1993), (Mráz, Talácko, 2006)
28
Polymerní vlákna - mohou to být vlákna silonu, nylonu, terylenu nebo aramidu, což je vysoce orientovaný aromatický polyamid nazývaný Kevlar. Tento materiál dosahuje výborných vlastností, modul pružnosti 130 GPa a pevnost 3 GPa. Nevýhodou všech polymerních vláken je citlivost na vyšší teploty, většina z nich ztrácí pevnost okolo 100 oC a rozpadá se při teplotách nad 400 oC. Odolnější vyšším teplotám jsou pak vlákna aramid, polyoxarid, kermel odolný teplotě 1000 oC a kaisol, který odolá teplotě až 2500 oC. (Míšek, 1993) Tab. 3 Vlastnosti některých polymerních látek (Míšek, 1993) druh Polyester (TERYLEN) Polyamid (NYLON) Aramid (KEVLAR) Aramid (TWARON) PBT (POLYBENZOLTHIAZOL)
měrná hmotnost [g.cm-3] 1,38 1,14 1,44 1,45
pevnost v tahu [GPa] 0,6 0,8 3,45 3,0
modul pružnosti v tahu [GPa] 1,2 2,9 68,6 125,0
1,50
3,25
250,0
Whiskery - jsou vláknité krystaly dlouhé 3 mm. Vyrábějí se ze SiC, Al2O3 nebo jiných materiálů. Tento kompozit má vysokou pevnost v tahu i tlaku, jak za normálních podmínek, tak i za podmínek zvýšené teploty. Whiskery zvyšují odolnost creepu a erozi a snižují koeficient tření. (Daďourek, 2007)
29
7 VÝROBA KOMPOZITŮ Výroba kompozitních materiálů je založena především na impregnaci vláken, tkanin, slinutý materiálů a podobně. Infiltrací po ponoření do roztavené matrice, plazmovým nástřikem, nanášení difuzí par, lisováním a další. Abychom dosáhli kvalitního kompozitu, musíme zaručit: rovnoměrné rozložení zpevňující fáze v objemu, u vláknových kompozitů možnost uložení jednotlivých vrstev s libovolnou orientací vlákna, dobré propojení matrice a zpevňující fáze, možnost změny objemového množství zpevňující fáze, možnost tepelného zpracování po výrobě, jednoduchost a hospodárnost výroby. (Míšek, 1993) Výrobu dělíme na dva základní postupy, které se pak dále dělí:
7.1 Výroba složeného materiálu s matricí v tuhém stavu Lisování za tepla - tímto způsobem se vyrábějí jednovrstvé i vícevrstvé materiály. Postup výroby je následující, mezi dvě kovové folie se uloží zpevňující vlákna a celé se to vloží mezi lisovací desky, které jsou vyhřívané. Teplotou a působením tlaku se vlákna a matrice difúzně spojí a vznikne složený jednovrstvý materiál. Lisováním takovýchto polotovarů vznikají vícevrstvé složené materiály. Vše musí probíhat ve vakuu nebo ochranné atmosféře. Touto technologií se vyrábějí materiály tohoto typu: Al-borsicové vlákno, Ti-borsicové vlákno, Ti-SiC vlákno a jiné. (Míšek, 1993)
Obr. 17 Schéma výroby jednovrstvého a vícevrstvého materiálu lisováním za tepla (Míšek, 1993) 30
Válcování za tepla - tento způsob výroby probíhá při větší plastické deformaci, ale kratší době. Zpevňující vlákna jsou kladena mezi dvě folie a vše je válcováno za tepla. Tímto způsobem můžeme vyrábět různě velké kompozity, převážně nekonečně dlouhé. Výroba kompozitu (hliníková slitina, ocelové vlákno) se válcuje při teplotě 420 oC, slitiny Ti se lisují při teplotě 980 oC a žárupevné, ocel-W vlákno 1000 oC až 1200 oC.
Obr. 18 Schéma výroby složeného materiálu válcováním za tepla (Míšek, 1993) Explozivní tváření - používá se při potřebě dosáhnout vysokého tlaku a rychlosti deformace (20 až 4000 m.s-1). Spojení matrice a vláken dojde ve zlomku sekundy a nedojde ke vzniku chemické reakce na povrchu vláken. K tomuto způsobu se používá výbušniny, která zajistí tlak i rychlost. (Míšek, 1993)
Obr. 19 Výroba složeného materiálu výbuchem (Míšek, 1993) Plasmový nástřik - tato technologie je jednoduchá a přitom přesná. Vlákna výztuže jsou umístěny přesně a jsou jen velmi málo tepelně ovlivněna, což nemnění jejich vlastnosti. Postup výroby je následný, zpevňující vlákna se navinou na buben, na kterém 31
je předem navinuta folie z kovové matrice. Buben je umístěn do stříkací komory, kde je ochranná atmosféra (vakuum nebo argon). Na otáčející se buben je z plazmového hořáku stříkán materiál stejný, nebo jiný jako je podkladní folie. Stříkaný kov musí obalit vlákna výztuže a spojit se s folií a tím upevnit vlákno na folii. Nevýhodou je pórovitost stříkané vrstvy, ale můžeme odstranit následným lisováním za tepla. (Míšek, 1993)
Obr. 20 Schéma výroby složeného materiálu plazmovým nástřikem (Míšek, 1993) Elektrolytické nanášení - technologie spočívá v tom, že folie navinutá na buben, je ponořena do elektrolytu a zapojena do obvodu jako katoda. Anodou je nanášený kov. Buben se otáčí a navíjí na sebe zpevňující vlákna a současně probíhá elektrolytické nanášení kovové vrstvy. Tato technologie neumožňuje nanášení slitin kovů, pouze čisté kovy. Výhodou je dokonalé přilnutí vláken a matrice. Vyrábějí se kompozity nikl-uhlíkové vlákno, měď-ocelové vlákno, měď-wolframové vlákno. (Daďourek, 2007)
Obr. 21 Výroba složených materiálů elektrolytickým nanášením matrice (Míšek, 1993) 32
7.2 Výroba složeného materiálu s matricí v tekutém stavu Tento způsob je založen na podmínce schopnosti smáčení vyztužující fáze v matrici. Aby bylo dosaženo dané smáčivosti, vlákna fáze se povrchově upravují, tím se zároveň omezuje vznik intermetalických fází na rozhraní. Při tomto způsobu výroby jsou výrobní teploty mnohem vyšší, je také mnohem vyšší nebezpečí tvorby intermetalických fází. Hlavní výhodou těchto postupů je výroby tvarově složitých součástí. Nevýhodou bývají anizotropické vlastnosti kompozitu, což bývá způsobeno ukládáním vláken v jednom směru. Infiltrace vláken tekutou matricí - tento způsob výroby využívá kapilár. Vlákna jsou uložena do svazku a tekutá matrice mezi nimi proniká úzkými kapilárami podél vláken, při dobré smáčivosti obou složek. Tavenina jak stéká, tak i vzlíná. Tento proces probíhá ve vákuu, aby se zabránilo oxidaci. (Míšek, 1993)
Obr. 22 Schéma výroby složeného materiálu infiltrací (Míšek, 1993) Nanášení tekutého kovu na zpevňující vlákna - zpevňující fáze (vlákna) jsou protahovány přes roztavenou matrici, která ulpí na vláknech a ztuhne. Následujícím lisováním za tepla se z obrobených vláken vytvoří složený materiál. Tato technologie je využívána při výrobě kompozitů s hliníkovou matricí a vlákny z uhlíku a oceli nebo měděnou matricí s wolframovými vlákny. (Míšek, 1993) Kontinuální lití - podobný způsob výroby jako předešlý. Vlákna jsou tažena přes rozdělovač a roztavenou matrici do krystalizátoru, kde se vlákna spojují do svazků. Výsledný profil se získá protažením přes průvlak. Touto technologií můžeme vyrábět 33
kontinuálně různé typy profilů, jako jsou tyče, trubky, nosníky nejrůznějších tvarů (I, T, U, aj.). Vyrábějí se profily tloušťky 1 až 2 mm ze slitin hliníku a vláken B, borsicových a ocelových a slitiny Mg a B vláken. (Míšek, 1993)
Obr. 23 Schéma výroby složeného materiálu kontinuálním litím (Míšek, 1993) Zalévání zpevňující fáze - je to stejná výroba, jako předcházející jen není kontinuální. Matrice se používají Al-Si s uhlíkovými vlákny. Tato metoda je vhodná pro výrobu žárupevných materiálů jako například Ni-W vlákna, ze kterých se vyrábějí lopatky plynových turbín. (Míšek, 1993) Jiné metody výroby složených materiálů: Protlačování za tepla - využívá se při výrobě lehkých konstrukčních materiálů ze slitin Al a B vlákna. Vlákna bóru se zasypou práškem hliníku a slisují se za studena. Výsledná tyč se protlačuje za tepla při 430 oC rychlostí 0,04 m.min-1. Obdobně jsou vyráběny materiály odolné vysokým teplotám. Vlákna molybdenu a wolframu se ovinou folií z niklu, vše se smotá a protlačuje za teploty 950 oC. (Míšek, 1993) Prášková metalurgie - metoda je především vhodná pro přípravu žárupevných materiálů. Zpevňující vlákna (wolframu) se uloží do trubky a prostor mezi nimi se vyplní práškem slitiny Ni. Trubka se na obou koncích zavaří elektronovým paprskem a následně se izostaticky lisuje při teplotě 815 oC až 1090 oC a tlaku 0,138 GPa. (Míšek, 1993) 34
7.3 Zpracování kompozitních materiálů Kompozitní materiály můžeme zpracovávat různými způsoby. Vždy musíme brát v potaz a respektovat jejich vlastnosti a vnitřní stavbu. Je nutno brát v úvahu přítomnost vyztužující fáze při volbě nástrojů na obrábění, orientaci vláken při ohýbání, ale i rozdílný součinitel tepelné roztažnosti při spojování. Obrábění - používají se nástroje s diamantovými řeznými plochami. Vrtá se diamantovými hroty a při větší tloušťce materiálu s větším průměrem vrtaného otvoru se vyžaduje intenzivní chlazení. Tváření - musí proběhnout bez porušení vyztužujících vláken a matrice. Stupeň tváření je závislý na objemovém množství zpevňující fáze (vláken) a na plastických vlastnostech matrice. Tváření za studena je velmi obtížné, obvykle se takto zpracovávají jen kompozity jednosměrně zpevněné a to ve směru vláken a při velkém poloměru ohybu. Snadnější je ohýbání upravených polotovarů, kde v místě ohybu nejsou zpevňující vlákna, nebo pomocí difúzně navařených ocelových plechů na obě strany kompozitu. Nejsnadnější je tváření kompozitu za tepla, kdy je matrice plastičtější a můžeme tvářet i materiály vícevrstvé a nezáleží na orientaci vyztužujících vláken. Svařování - při svařování se využívá především technologie difuzního svařování, ale i tavného svařování. Vždy se provádí ve vakuu, kdy se dosahuje velice kvalitních spojů. Pájení - kdy se využívá pájky s nižší teplotou tání než obou spojovaných materiálů a je ve formě fólie. Ta se vloží mezi spojované očištěné plochy, které se k sobě přiloží a tlakem za tepla se spojí. Další způsoby spojování sou mechanická spojení šrouby, nýty nebo čepy. Také se spojuje pomocí epoxidových lepidel. (Daďourek, 2007), (Míšek, 1993)
35
8 KOMPOZITNÍ MATERIÁLY VYUŽÍVANÉ PŘEDEVŠÍM V AUTOMOBILOVÉM PRŮMYSLU Využití kompozitních materiálů nejen umožnilo rozvoj nejmodernější letecké a kosmické techniky, ale přineslo vysoké energetické a materiální úspory v různých oblastech průmyslu. Například využitím epoxidu vyztuženého hliníkovými vlákny byl vyroben vůz Ford pro 6 osob už v roce 1979 a ušetřilo se 565 kg což byla 1/3 hmotnosti. Uhlíkové kompozity jsou vhodné pro hnací hřídele automobilů, pro listové a vinuté pružiny atd. s vyšší životností a s hmotností 40 až 70 % nižší než u oceli. Rozvíjí se výroba průmyslových strojů a zařízení z kompozitu, výhodou je odolnost agresivnímu prostředí. (Bareš, 1988)
8.1 Ložiskové kompozitní materiály V kompozitu můžeme zkombinovat dva materiály s rozdílnou tvrdostí i rozdílným koeficientem tření, proto jsou některé kompozity vhodné pro vytváření třecích dvojic. Těchto materiálů lze využít především tam, kde nemůžeme použít mazadlo (suché tření), nebo kde vždy není zaručen celistvý mazací film (start motoru). Může se jednat o kompozit z uhlíkové oceli s disperzí stříbrné pájky v podílu až 50 %, nebo bronzová matrice s disperzí olova nebo antimonu. Další typ je vytvořen z běžné nerezoceli s disperzí několika desítek procent částic tuhých mazadel, takto lze dosáhnout koeficientu suchého tření až 0,02 což je desetkrát lepší než u šedé litiny. Můžeme je nalézt ve spalovacích motorech v uloženích vaček, ventilů, ale také na různých strojích, kde dochází k natáčivému nebo lineárnímu pohybu. (Bareš, 1988)
Obr.
24
Ložiskové
kompozitní
tu.cz/loziska/Kluzna_loziska/Loziska_kluzna.jp) 36
materiály
(http://www.imb-
8.2 Pěnokompozity Ať už pěnoplasty nebo pěnokovy, vždy jde o materiál, ve kterém jsou vytvořeny mikrodutiny naplněné plynem. Tyto dutiny mohou být vyplněny mazivem a tím vytvořen samomazný kompozit, nebo v častějších případech pracují jako pohlcovače energie, kdy se hodí jako součást neprůstřelných nebo náraz tlumících systémů. (Daďourek, 2007)
8.3 Karbon Je uhlíková textílie (tkanina černé barvy) složena z karbonových vláken, zalitá nejčastěji epoxidovou pryskyřicí. Jedná se tedy o vláknový kompozitní materiál o průměru vláken 5–8 µm složeného převážně z atomů uhlíku. Atomy uhlíku jsou spojeny dohromady v mikroskopické krystaly, které jsou více méně orientovány paralelně k dlouhé ose vlákna. Krystalové uspořádání způsobuje, že vlákno je na svou tloušťku velmi pevné. Výroba samotného karbonového vlákna je velice složitá a energeticky náročná a proto je tato technologie tak drahá. Vysoká cena je na druhé straně vyvážena nesmírnou pevnosti karbonu a minimální vahou daného výrobku. Karbon má i své nevýhody a to je křehkost. Ikdyž technologií splétání tenkých vláken a spojování křížením vznikají materiály, které jsou velmi pružné a dokážou utlumit a pohltit kmity, ale i velmi silné rázy. Nejčastěji se s karbonem setkáte u horských a silničních kol, které jsou osazeny rámy z tohoto materiálu. Dále u závodních lodí, u aut karbonové nárazníky, přítlačná křídla, boční lišty. Karbonem jsou také potažené některé nádrže motorek atd. Nejznámějším příkladem jsou auta formule 1, které jsou z velké části vyrobeny z karbonu. Díky tomu je formule velice lehká a při nárazu je tento materiál schopen pohltit obrovskou část nárazové energie, čímž jeho použití nemalou mírou přispívá k bezpečnosti jezdců. (http://www.technofiber.cz/motorismus.cz.html)
Obr.
25
Kompozit
(http://www.technofiber.cz/motorismus.cz.html) 37
s karbonovými
vlákny
9 EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST Pro experiment bylo zvoleno porovnání kompozitního materiálu s karbonovými vlákny, s klasickým duralovým materiálem, kdy se jedná o slitinu hliníku, mědi a hořčíku. Oba tyto materiály se používají na nosnou část, takzvanou výztuhu nárazníku automobilu viz obr. 26.
Obr. 26 Držák předního nárazníku (výztuha) Materiál na vzorky byl poskytnut firmou BMW DÍLY BRNO a šlo o díly z vozidla BMW E63 645 ci.
Obr. 27 BMW E36, 645 ci ,rv.2005 38
Vozidlo bylo po havárii předního nárazníku a byly poškozeny a následně vyměněny tyto díly: výztuha, nárazník a drobné díly nárazníku. Originální poškozená výztuha z kompozitu s karbonovými vlákny byla vyměněna za kompatibilní duralovou, pro snížení ceny opravy.
9.1 Příprava zkušebních vzorků Základní materiál byl odebrán z havarovaného automobilu. Makrostruktura kompozitního materiálu i duralu znázorňije obr. 28-29. Byly připraveny vzorky o rozměrech 5x5x100 mm. Na těchto zkušebních vzorcích byly provedeny tyto testy a měření:
Vážení hmotnosti
Zkouška rázové houževnatosti na Charpyho kladivu
Metalografické vyhodnocení lomu i struktury
Obr. 28 Kompozitní materiál s křížovým umístěním uhlíkových vláken
Obr. 29 Klasická makrostruktura duralového povrchu 39
9.2 Hmotnost použitých materiálů Vážení bylo provedeno v laboratorních podmínkách na elektronických vahách s přesností 0,001 g. Ze základního materiálu byly odebrány vzorky, které byly následně opracovány na strojní frézce s přesností 0,1 mm. Rozměry jednotlivých vzorků jsou 5x5x100 mm. Od každého materiálu byly připraveny série po 5 -ti kusech. Tab. 4 Hmotnostní hodnoty jednotlivých vzorků Použitý materiál
Vzorek 1 [g]
Vzorek 2 [g]
Vzorek 3 [g]
Vzorek 4 [g]
Vzorek 5 [g]
Průměr [g]
Kompozit Dural
5,645 13,676
5,599 13,670
5,701 13,672
5,555 13,675
5,404 13,679
5,5808 13,6744
Z Tab. 4 je patrný hmotnostní rozdíl daných materiálů. Použitý kompozit má poloviční měrnou hmotnost než dural.
Obr. 30 Elektronické váhy
40
9.3 Zkouška Charpyho kladivem K určení houževnatosti materiálů se nejčastěji používá zkouška rázem v ohybu na kyvadlovém kladivu. Pro tento experiment byly vyrobeny vzorky bez vrubu o rozměrech 5x5x100 mm. Nejedná se o klasický vzorek pro tuto rázovou zkoušku houževnatosti, proto se mohou vzorky porovnávat pouze mezi sebou. Mírou houževnatosti, je práce spotřebovaná na porušení zkušebního tělesa, vztažená k počátečnímu průřezu tyče. KC= K/S0
[J.mm-2]
Spotřebovaná práce K, je dána rozdílem potenciálních energií kladiva před rázem a po rázu. K=G.(H-h)
[J]
Tab. 5 Hodnoty houževnatosti jednotlivých vzorků Použit materiál Kompozit Dural
Vzorek 1
Vzorek 2
Vzorek 3
Vzorek 4
Vzorek 5
Průměr
[J.mm-2] 0,705 1,543
[J.mm-2] 0,856 1,512
[J.mm-2] 0,812 1,523
[J.mm-2] 0,739 1,534
[J.mm-2] 0,895 1,553
[J.mm-2] 0,8014 1,533
Obr. 31 Charpyho kladivo 41
Na Obr 32-34 jsou znázorněné lomové struktury jednotlivých vzorků.
Obr. 32 Jemnozrnný strukturální lom duralového vzorku Z Obr. 32 je patrný houževnatý lom, kdy lze pozorovat plastickou deformaci základního materiálu.
Obr. 33 Příčný lom kompozitního materiálu
Obr. 34 Podélný lom kompozitního materiálu Z kompozitního materiálu jsou vytrhána karbonová vlákna viz. Obr. 33-34.
42
9.4 Příprava metalografických preparátů Z jednotlivých vzorků byly připraveny metalografické preparáty pro sledování vnitřní struktury daného materiálu. Příprava vzorku proběhla podle standardní metody metalografických výbrusů.
Odebrání základního materiálu: Tato operace byla provedena na metalografické pile Mikron 110. Jedná se o precizní řez bez ovlivnění okolí odběru. Byly připraveny vzorky o rozměrech 10x10 mm.
Metalografický preparát: K zalití vzorků byl použit „dentacryl technický“. Jedná se o dvousložkovou pryskyřici s dobou vytvrzení 24 hod.
Broušení vzorků: Pro vyrovnání povrchových nerovností se vzorky brousí pod vodní lázní. Zrnitost jednotlivých brusných smirků se pohybuje v rozmezí 220- 2 500. Jedná se o počet zrn na čtvereční palec.
Leštění: Touto operací se odstraní zbytky rýh a nerovností po brusném smirku. Standardně se používá brusná pasta se zrnitostí 1 µm.
Leptání: Pro zviditelnění struktury je zapotřebí rozlišit hranice zrn a zvýraznit kontrast jednotlivých fází. Leptání se provádí 4 % roztokem kyseliny dusičné v alkoholu. Záleží ovšem na daném materiálu.
Mikroskopické pozorování: Vyvolaná mikrostruktura je posuzována na metalografickém mikroskopu Neophot 21 s fotografickou dokumentací.
43
Obr. 35 Základní struktura duralového vzorku Na obr. 35 je patrná zhrublá struktura i deformované zrna po tváření. V materiálu se vyskytuje značné množství nečistot.
Obr. 36 Příčný řez karbonovými vlákny
44
Obr. 37 Podélný řez karbonovými vlákny
Obr. 38 Řediny nehomogenity v oblasti křížení vláken Na obr. 38 je patrná struktura uložení vláken a řediny nehomogenity v oblasti křížení.
9.5 Cenová bilance Originální ceník BMW pro rok 2012:
Přední výztuha (slitina hliníku): 7035 Kč
Přední výztuha (kompozitní materiál): 24269 Kč
45
10 ZÁVĚR Bakalářkou práci je možné rozdělit na 2 základní okruhy. Jedná se o fakta zpracovaná v teoretické části a praktický experiment. V úvodní části je zpracována problematika technických materiálu, jejich mechanických vlastností a možnosti využití kompozitních materiálu v praxi. Popisuje historii, jak vznikaly první kompozity a jejich dlouholetou tradici a rozšíření. Zabývá se vlastnostmi kompozitních materiálů, jaké musí splňovat podmínky, co je hlavním kritériem pro kvalitní kompozit. Dále je zde popsána výroba, zkoušení a také rozdělení podle složení a tvaru, což je hlavní rozlišovací znak všech kompozitů. Praktická část se zabývá konkrétními technickými materiály a jejich mechanickými vlastnostmi. Jsou zde zpracována získaná data z měření a zkoušení kompozitního materiálu a hliníkové slitiny. Kompozitní materiál je přibližně 2,5 krát lehčí než zkoušený dural, je též 2 krát méně houževnatý. Z metalografické analýzy jsou vidět deformovaná zrna a značné nečistoty ve slitině hliníku a v kompozitním materiálu je viditelné uložení vláken a řidiny v oblasti křížení. V rámci odlehčení je do vozů BMW značených M standartě montována výztuha z kompozitního materiálu a jiné prvky jako je kapota, střecha a další. Do běžných vozů je na přání zákazníka montována buď z kompozitu, nebo z hliníkové slitiny. Rozdíl cen obyčejné výztuhy a kompozitní je velmi razantní, ale i proto se častěji při opravách volí levnější varianta. Dle mého názoru je cena za odlehčení v rámci několika kilogramů velmi vysoká, což se u běžných automobilů nevyplatí. V motoristickém sportu je to něco jiného, zde záleží na každém dkg váhy a tím je dána i cena těchto vozidel. V nynější době je razantní rozvoj kompozitních materiálů a rozšiřování do všech odvětví průmyslu. Trend této doby je ve zmenšování a hlavně odlehčování různých výrobků se zachováním vlastností nebo jejich zlepšení a také ušetření materiálové investice.
46
11 SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY
BAREŠ R., 1988: Kompozitní materiály. SNLT, Praha, 325 s. DAĎOUREK K., 2007: Kompozitní materiály - druhy a jejich užití. Technická univerzita, Liberec, 114 s. FILÍPEK J., 1988: Technické materiály. Vysoká škola zemědělská, Brno, 196 s. GOTTFRIED W. E., 2006: Polymerní kompozitní materiály. Scientia, Praha, 351 s. MÍŠEK B., 1993: Polymery, keramika, kompozity. VUT, Brno, 155 s. MRÁZ P., TALÁCKO J., 2006: Konstrukce strojů s kompozitními materiály. ČVUT, Praha, 226 s. ŠČERBEJOVÁ M., 1993: Strojírenská technologie. Vysoká škola zemědělská, Brno, 132 s. ŠUBA O., 2011: Mechanika polymerů a kompozitů. Univerzita Tomáše Bati, Zlín 110 s.
Damaškové
nože
[online].
2010
[cit.
Dostupné
2012-04-10].
z:
http://www.damaskovenoze.wbs.cz/Damaskova-ocel.html Ložiska
[online].
2003
[cit.
Dostupné
2012-04-10].
z:
http://www.imb-
tu.cz/loziska/Kluzna_loziska/Loziska_kluzna.jpg Technofiber
[online].
2010
[cit.
2012-04-10].
Dostupné
z:
http://www.technofiber.cz/motorismus.cz.html Walter
[online].
2011
[cit.
2012-04-10].
Dostupné
z:
http://www.walter-
tools.com/SANDVIK/3422/Internet/S001881.nsf/LookPortal/Portal
47
12 SEZNAM OBRÁZKŮ Obr. 1 Nůž z damascénské oceli (http://www.damaskovenoze.wbs.cz.html) ………...10 Obr. 2 Bimetalový článek (Bareš, 1988) ……………………………………………...11 Obr. 3 Znázornění synergického efektu v kompozitu (Daďourek, 2007) ……………..14 Obr. 4 Mechanické zaklínění matrice a disperze (Daďourek, 2007) …………………15 Obr. 5 Kapka smáčivé (vlevo) a nesmáčivé (vpravo) kapaliny na pevném povrchu (Daďourek, 2007) .............................................................................................16 Obr. 6 Princip přímého měření napětí, zleva normálové, smykové, tečné. (Daďourek, 2007) …………………………………………………………….17 Obr. 7 Princip Scratch testu (Daďourek, 2007) ………………………………….…...18 Obr. 8 Princip čtverečkového vrypového testu (Daďourek, 2007) …………………....18 Obr. 9 Princip odlupovacího testu (Daďourek, 2007) ……………………………...…18 Obr. 10 Princip vytrhávací zkoušky V-vytržná vlákna, P-přetržená vlákna, Lk- kritická délky vlákna (Daďourek, 2007) ………………………………………………19 Obr. 11 Princip příčného testu kompozitu (Daďourek, 2007) ……………………...…19 Obr. 12 Složení diagonální pneumatiky (Daďourek, 2007) ………………………...…22 Obr. 13 Náhodně uspořádané kuličky (Míšek, 1993) ………………………...……….24 Obr. 14 Náhodně uspořádaná vlákna (Míšek, 1993) ………………………...……….24 Obr. 15 Stejně orientovaná vlákna (Míšek, 1993) ……………………………..……..24 Obr. 16 Využití slinutých karbidů (http://www.walter-tools.com/SANDVIK) .….…..27 Obr. 17 Schéma výroby jednovrstvého a vícevrstvého materiálu lisováním za tepla (Míšek, 1993) ………………………………………………………….….…..30 Obr. 18 Schéma výroby složeného materiálu válcováním za tepla (Míšek, 1993) ..…..31 Obr. 19 Výroba složeného materiálu výbuchem (Míšek, 1993) ………………….…...31 Obr. 20 Schéma výroby složeného materiálu plazmovým nástřikem (Míšek, 1993) .…32 Obr. 21 Výroba složených materiálů elektrolytickým nanášením matrice (Míšek, 1993) ………………………………………………………………………………….….…..32 Obr. 22 Schéma výroby složeného materiálu infiltrací (Míšek, 1993) ……………..…33 Obr. 23 Schéma výroby složeného materiálu kontinuálním litím (Míšek, 1993) …......34 Obr. 24 Ložiskové kompozitní materiály (http://www.imbtu.cz/loziska/Kluzna_loziska/Loziska_kluzna.jp)……………………...…..............36
48
Obr. 25 Kompozit s karbonovými vlákny (http://www.technofiber.cz/motorismus.cz.html).....................................................37 Obr. 26 Držák předního nárazníku (výztuha) ……………………………………….....38 Obr. 27 BMW E36 645ci ,rv.2005 …………………………………………………......38 Obr. 28 Kompozitní materiál s křížovým umístěním uhlíkových vláken …………….....39 Obr. 29 Klasická makrostruktura duralového povrchu …………………………….….39 Obr. 30 Elektronické váhy ……………………………………………………………..40 Obr. 31 Charpyho kladivo …………………………………………………….……….41 Obr. 32 Jemnozrnný strukturální lom duralového vzorku …………………….…….…42 Obr. 33 Příčný lom kompozitního materiálu ………………………………….……….42 Obr. 34 Podélný lom kompozitního materiálu …………………………….…………..42 Obr. 35 Základní struktura duralového vzorku ………………………….………….....44 Obr. 36 Příčný řez karbonovými vlákny ……………………………………………….44 Obr. 37 Podélný řez karbonovými vlákny …………………………………………..…45 Obr. 38 Řediny nehomogenity v oblasti křížení vláken ……………………….…….…45
13 SEZNAM TABULEK Tab. 1 Vlastnosti některých používaných kovových matric (Míšek, 1993) …………...21 Tab. 2 Nejpoužívanější disperzně zpevněné materiály.(Míšek, 1993) ………………..26 Tab. 3 Vlastnosti některých polymerních látek (Míšek, 1993) …………………….….29 Tab. 4 Hmotnostní hodnoty jednotlivých vzorků ……………………………………..40 Tab. 5 Hodnoty houževnatosti jednotlivých vzorků …………………………………..41
49
