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