Transcript KOMPOZITY
KOMPOZITY
1
Co je kompozit
Takový materiálový systém složený z více fází z nichž
alespoň jedna je pevná, s makroskopicky
rozeznatelným rozhraním mezi fázemi, který
dosahuje vlastností, které nemohou být dosaženy ani
prostým sečtením - synergický účinek.
Vhodným výběrem materiálu matrice a zpevňující fáze
a volbou jejich vzájemného objemového poměru lze
dosáhnout neobvyklých vlastností.
Výztuž - tvrdší, tužší, pevnější nespojitá fáze
Matrice - spojitá obvykle poddanější fáze, která má
funkci pojiva výztuže
2
Co je kompozit
Podle současného chápání pojmu kompozit
musí být k zařazení vícefázového materiálu
mezi kompozitní materiály splněny následující
podmínky:
podíl výztuže musí být větší než 5 %
vlastnosti výztuže a matrice (mechanické,
fyzikální i chemické) se liší, výztuž je
významně pevnější v tahu a obvykle tužší než
matrice
kompozit musí být připraven smícháním
3
složek
•Podle těchto podmínek nelze za kompozit považovat
plast, obsahující malá množství tuhých barviv, nebo částic
elastomerů (přidávaných pro zlepšení houževnatosti), ani
slitinu kovů, v které během ochlazování nebo při
tepelném zpracování došlo k vyloučení tvrdé fáze.
•Také eutektické slitiny kovů, u kterých během tuhnutí
taveniny došlo k usměrněnému vyloučení tvrdších a
tužších fází v podobě tyčinek nebo lamel, nelze považovat
za pravé kompozity, protože není splněna třetí podmínka.
•Naproti tomu kov disperzně zpevněný částicemi oxidů je
kompozitní materiál, protože se připravuje mechanickým
míšením složek (např. hliník zpevněný částicemi Al2O3). 4
Rozdělení kompozitů
Podle materiálu matrice:
s kovovou matricí
s polymerní matricí - termoplastickou
- reaktoplastickou
- elastomerní
s keramickou matricí
s anorganickou matricí (sírany, silikáty)
jejich kombinace (beton z portlandského
cementu impregnovaný polymery)
5
Podle struktury nebo charakteristiky výztuže:
disperzní (disperzní zpevněné kovy)
částicové
- pravidelných tvarů (koule, destičky)
- nepravidelných tvarů
- s plynnými inkluzemi (lehčené polymery,
pěnobeton)
vláknové
- s dlouhými vlákny
(skleněná, uhlíková, polymerní)
- s krátkými vlákny
6
(uhlíková, wolframová, azbestová)
Způsoby vytvoření kompozitu
7
Disperzně zpevněné kompozity
Obsahují částice o průměru obvykle nepřesahujícímu 0,25
µm.
Částice působí jako překážky pohybu dislokací v matrici a
mají významný zpevňující účinek, který se většinou
zachovává i při vyšších teplotách (dobrá žárupevnost).
Materiál částic musí mít dobrou vzájemnou soudržnost na
fázovém rozhraní částice-matrice.
Př.: SAP (Sintered Aluminium Powder)
Jedná se o slinovaný hliníkový prášek, který tvoří hliníková
matrice zpevněná částicemi Al2O3. Vyrábí se smícháním
obou složek, dalším lisováním směsi a slinováním.
8
Částicové kompozity
částice by měly mít rozměry větší než 1 mm
Musí být rovnoměrně rozptýleny v matrici,
protože jinak dojde k poklesu pevnosti
kompozitu oproti pevnosti samotné matrice, a
to i při poměrně malých podílech částic.
Částice protáhlého nebo destičkovitého tvaru
mohou matrici vyztužovat a zároveň
významně zpevňovat - aktivní částice
9
•Aspektní (štíhlostní) poměr l/d nebo l/t
•Krátká vlákna a whiskery l/d až 200.
•Sférické částice mají štíhlostní poměr roven 1.
10
Kompozity vyztužené částicemi
Slinuté karbidy:
tvrdé částice uložené v kovové matrici.
Tvrdá složka - částice karbidu wolframu o vysoké tvrdosti, tuhosti a
teplotě tání (popř. částice karbidu titanu) uloženy v houževnaté
matrici kobaltu.
Při otupení destičky dojde k vylomení částice karbidu a na hranu
vystoupí nové ostré částice.
Brusiva:
Brusné kotouče obsahují tvrdé částice Al2O3 , SiC, kubického nitridu
boru atd. umístěné v houževnaté polymerní matrici.
11
Slinuté karbidy
12
Brusné kotouče
13
Vláknové kompozity
Negativní mechanické vlastnosti složek se u výsledného
materiálu 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 v matrici ve směru kolmém k ose vlákna dochází k
otupování jejich čel. Trhlina se po interakci s vláknem
šíří v mezifázovém rozhraní.
14
Mechanizmus interakce trhliny
matrice s vláknem
15
Vlákna:
Kovová - drátky z vysokotavitelných kovů - W, Mo
Skleněná - sklovinu tvoří přechlazená tavenina směsi
oxidů Si, Al, Ca, B, Mg
Uhlíková - vyráběná z vláken polyakrylonitrilu,
ropných smol nebo celulózových vláken
Keramická - na bázi Al2O3
Polymerní - aromatické polyamidy,
ultravysokomolekulární polyetylén, LCP kopolyestery
16
Jednovrstvový kompozit s kontinuálními
vlákny
(a) jednosměrně uspořádanými
(b) dvouose orientovanými ve tkané výztuži (výztuž v podobě tkaniny)
(c) nahodile orientovanými vlákny (výztuž v podobě netkané textilie tj. rohože)
(d) s víceosou výztuží
(e) kompozit s krátkými (diskontinuálními) vlákny, jednosměrná orientace
(f) kompozit s krátkými vlákny, nahodilá orientace
17
Lamináty
Potřebná tloušťka stěny kompozitových výrobků
vyztužených kontinuálními vlákny se obvykle
vytváří vrstvením elementárních vrstev.
Při jednosměrné orientaci vrstvy, jsou mechanické
a fyzikální vlastnosti 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
[0°/+45°/-45°/90°]
18
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.
19
Příklady kompozitů s vyztužujícími
vlákny
Vyztužený beton
Pneumatiky výztuž za studena tažený ocelový drát (nebo
nylonová, kevlarová vlákna).
Sklolaminát skleněná vlákna uložená v polymerní matrici.
Skleněná vlákna se pokrývají některými organickými
povlaky.
Kompozity zpevněné vlákny s kovovou matricí
Mají široké uplatnění při výrobě draků letadel i potahů
křídel. (Al-B, Mg-B, Al-SiC).
Žárupevné kompozity - matrice ze slitiny Ni, vlákna wolframová.
20