View
4
Download
0
Category
Preview:
Citation preview
1
Přednáška č. 5
ÚVOD DO MODELOVÁNÍ V MECHANICE
MECHANIKA KOMPOZITNÍCH MATERIÁL Ů 1
Prof. Ing. Vladislav Laš, CSc.
2
Vlivem vnějších sil se těleso deformuje a vzniká v něm napětí
Základní pojmy pružnosti
Deformace materiálu
Poměrné prodloužení
Zkouška materiálu při smyku
Normálové napětí
Smykové napětí
Zkouška tahem
[ ]PaNmdA
dN == −2σ
[ ]PadA
dT=τ
l
l∆ε =
y
xtg
∆γγ ==ɺ … zkos
3
Smluvní pracovní diagram
Vztah mezi nap ětím a deformací (p řetvo řením)
Lineární závislost mezi a
Jednoosá napjatost
σ ε
εσ ⋅= E
γτ ⋅= G
MPaE 5101,2 ⋅=
MPaG 5108,0 ⋅=pro ocel
4
Rovinná napjatost
−
−
=
xy
y
x
xy
y
x
G
EE
EE
σσσ
ν
ν
γεε
100
01
01
Gxy
xy
σγ =
[ ]xyy Eσνσε −= 1
( ) ( ) [ ]yxyx
xxx EEEyxσνσ
σνσεεε σσ −=−=+= 1
1−==→= SCεCσσSε
yx εεν =−~
… Poissonovo čísloν
xy εεν =−~
~
~
5
Obdobně při působení :
Vztah mezi nap ětím a deformací u jednosm ěrného kompozitu
Při namáhání na smyk
Při působení :
LT
LTLT G
σγ =
T
TTLTTLLT
TT EE
σνενεσε −=−== ;1
LL
LTTLTTL
LL EE
σνενεσε −=−== ;1
L … longitudinalT … transverseLσ
Tσ
EL … modul pružnosti v tahu pro podélný směrET … modul pružnosti v tahu pro příčný směr
6
Při působení a současně
Maticově
TT
TLL
LL EE
σνσε −= 1
TTL
LTT EE
σνε 1+−=
LTLT
LT σσ
γ 1=
−
−
=
LT
T
L
LT
TL
LT
T
TL
L
LT
T
L
EE
EE
σσσ
σ
ν
ν
γεε
100
01
01
1−=== SC,εCσ,σSε
TL σσ , LTσ
7
Kompozity na bázi kovů• matrice: hliník, hořčík, titan, ocel
tepelná vodivost• výztuha: vlákna z uhlíku, boronu, SiC
tuhost, pevnost
auto-brzdy, bloky motoru,
vrtáky, rámy kol
MMC
Specialized S-Works
Porsche Boxter
8
Speciální kompozity• uhlík-uhlík (RCC)
vysoká tepelná odolnost
• uhlíková nanovlákna (CNT)vylepšují vlastnosti matrice
1 kg = $8000
Columbia
Bugatti Veyron
BMC
9
Osobní automobil HONDA
10
Kompozity obecn ě
= Materiály složené ze dvou či více složek přírodních čiumělých složek majících rozdílné mechanické vlastnosti
– přírodní (dřeva, kosti, zuby, atd.)– umělé
= Materiály cíleně složené z vhodných materiálů složkových:– Pojiva (matrice)
– Plniva (částice, zrna, kuličky, vločky)
– Výztuže (vlákna krátká, dlouhá, nekonečná)
Kompozity um ělé
11
Proč vůbec vláknové kompozity ?
• Vlákna mají v podélném směru nejvyšší specificképevnosti 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.“
12
Kompozitní materiály
19. století výztuž zdiva ocelovými tyčemi → předepjatý beton
1946 metoda vinutých vláken
1942 první laminátový člun (letectví, elektrotechnika)
poč. 20. století fenolové pryskyřice + azbestová vlákna
1950 zavedení vinutých vláken do raketové techniky
1970 kompozity s kovovými matricemi (bor, hliník, ..)
1960 vlákna z vysokopevnostního C
70. léta expanze kompozitních materiálů v letectví,automobilovém průmyslu, sportovním průmyslu, aj.
21. století
Vývojantický Egypt cihly
13
Kompozity lze rozd ělit 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)
14
částicový kompozit - izometrický
částicový kompozit – anizometrický (vlo čkový)
vláknový kompozit
15
Základní pojmy
VláknaPevnost vlákna je vždy významn ě větší než pevnost stejného materiálu v kompaktní form ě. Příčinou je:
a) malý příčný průřez vláken, v tenkých vláknech jsou minimalizovány rozměry vrozených vad materiálu a také nebezpečnost povrchovýchvad je při malých příčných rozměrech menší (menší průměr = menšípovrch), existující vady jsou mikroskopické a orientovány v podélnémsměru vlákna.
b) přednostní nasměrování pevných kovalentních meziatomových vazebv podélném směru vlákna
Existují tři široce používané druhy vláken:
a) skleněnáb) aramidová (známá pod obchodním označením kevlar)c) uhlíková
16
VláknaVlákna lze obecn ě vyráb ět z několika druh ů materiál ů o různých průměrech:
- skleněná … průměr vlákna 5 – 15 µm- uhlíková … 4 – 8 µm- polymerní … 5 – 15 µm- keramická- kovová- přírodní
Aramidové, uhlíkovéa skleněné vlákno
17
Vlákna
d
a b
c
Orientace vláken v matrici
a) jednosměrné uspořádání kontinuálníchvláken
b) dvouosá orientace, křížově položenéjednosměrné prepregy nebo tkanina
c) rohož, nahodilá orientace kontinuálníchnebo krátkých vláken (netkaná textilie)
d) víceosá výztuž z kontinuálních vláken(sešité jednosměrné vrstvy nebo tkaniny)
18
Vlákna
1 7001 6001 5002 500Hustota ρ
(kgm -3)
3 8005 0003 0002 100Pevnost v tahuσσσσfL (MPa)
20 00050 00012 00030 000Modulu pružnostive smykuGfLT (Mpa)
6 00015 0005 40074 000Modul pružnosti v příčném směruEfT (MPa)
390 000230 000130 00074 000Modul pružnosti v podélném směruEfL (MPa)
HM - uhlíkHS - uhlíkAramidSkloTyp vlákna
Základní mechanické vlastnosti
19
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 pozicíchb) pomáhat distribuovat napětíc) chránit vlákna před poškozením abrazíd) kontrolovat elektrické a chemické vlastnostie) zajišťovat interlaminární pevnost
20
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
21
Matrice
Základní mechanické vlastnosti
250 - 300120 - 20060 - 10090 -200Maximální teplotaTmax (oC)
1 4001 3001 2001 200Hustotaρ (kgm-3)
707080130Pevnost v tahuσσσσpm (MPa)
1 1001 1001 4001 600Modulu pružnostive smykuGm (MPa)
0.350.40.40.4Poissonova konst.ννννm ( - )
4 000 -19000
3 0004 0004 500Modul pružnostiEm (MPa)
PolyimidovéFenolovéPolyesterovéEpoxidovéDruh pryskyřice
22
Rozdělení kompozit ůKlasifikace
23
Sendvi čové 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
Recommended