1

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

2

Technologie kompozitů Úvod

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.“

3

Technologie kompozitů Úvod

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

4

Technologie kompozitů 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)

5

Technologie kompozitů Úvod

částicový kompozit - izometrický

částicový kompozit – anizometrický (vločkový)

vláknový kompozit

6

Technologie kompozitů Vlákna

VláknaPevnost 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 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

7

Technologie kompozitů 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, uhlíkovéa skleněné vlákno

8

Technologie kompozitů 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)

9

Technologie kompozitů 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 zvláštěv případě uhlíkových vláken, kde K (řádově 103) je počet vlákenv pramenci.

Další důležitý parametr je zkroucení vlákna. Obvykle jsou nejna-máhanější struktury vyrobeny z vláken s nulovým zkroucením.

“Fiber Sizing” je povrchová úprava pramenců pro lepší adhezik matrici. Je tvořena pryskyřicí (bez tvrdidla) a zlepšuje manipulaci s vláknem.

10

Vlákna

1 7001 6001 5002 500Hustota ρ(kgm-3)

3 8005 0003 0002 100Pevnost v tahuσfL (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

Technologie kompozitů

11

Vlákna

Porovnání cen vláken

0

500

1000

1500

2000

sklo aramid HS - uhlík HM - uhlík

(cena skleněného vlákna = 100%)

cena

(v %

)

Technologie kompozitů

12

MatriceTechnologie kompozitů

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 pozicíchb) pomáhat distribuovat napětíc) chránit vlákna před poškozením abrazíd) kontrolovat elektrické a chemické vlastnostie) zajišťovat interlaminární pevnost

13

MatriceTechnologie kompozitů

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

14

MatriceTechnologie kompozitů

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

15

MatriceTechnologie kompozitů

250 - 300120 - 20060 - 10090 -200Maximální teplotaTmax (oC)

1 4001 3001 2001 200Hustotaρ (kgm-3)

707080130Pevnost v tahuσpm (MPa)

1 1001 1001 4001 600Modulu pružnostive smykuGm (MPa)

0.350.40.40.4Poissonova konst.νm ( - )

4 000 -19000

3 0004 0004 500Modul pružnostiEm (MPa)

PolyimidovéFenolovéPolyesterovéEpoxidovéDruh pryskyřice

16

Technologie kompozitů [1]

17

Technologie kompozitů [1]

18

Technologie kompozitů [1]

19

Technologie kompozitů [1]

20

xxx

21

Výroba – kroky při formováníTechnologie kompozitů

Impregnace (prosycení)

Zpevnění

Polymerizace

Demontáž forem

Konečná úprava

Umístění směsi na formu

VÝZTUŽ MATRICE

22

VýrobaTechnologie kompozitů

Kontaktní formování

Váleček Výztuž: sklo, kevlarMatrice: polyesterová pryskyřice

Separátor + gel coat

23

VýrobaTechnologie kompozitů

Lisování

Separátor + gel coat

Výztuž + matrice

forma

protikus

24

VýrobaTechnologie kompozitů

Vakuování

Atmosférický tlak

Vývěva

Těsnicí tmel

Plsť

SeparátorLaminát

Krycí fólie

25

VýrobaTechnologie kompozitů

Elektronové nebo rentgenové tváření

Urychlovač20 kw – 10 MeVBiologická ochrana

Laminát pod tlakemElektronový svazek Rentgenové záření

26

VýrobaTechnologie kompozitů

Tváření pomocí vstřikování pryskyřice (matrice)

Pryskyřice

27

VýrobaTechnologie kompozitů

Vyhřívaná forma Směs vláken + termosetická pryskyřice

Protikusformy

Tváření pomocí vstřikování směsi vláken a pryskyřice

28

VýrobaTechnologie kompozitů

Směs vláken + termoplastická pryskyřice

Topnétěleso

Tváření pomocí vstřikování směsi vláken a termoplastické pryskyřice

29

VýrobaTechnologie kompozitů

Tváření pomocí vstřikování pěny

Isokyanát

Polyol + sekaná vlákna

Forma

Protikus formy(nízký tlaka teplota) Polyuretan.

pěna

Směs„isokynát+ polyol“

30

VýrobaTechnologie kompozitů

Odstředivé tváření

Forma

Vytápění

Výztuž - tkanina

Pryskyřice

Výztuž – krátká vlákna

31

VýrobaTechnologie kompozitů

Vláknové navíjení

Vlákno, tkanina Topné těleso (polymerizace)

32

Technologie kompozitů

Vláknové navíjení – členěný trn

Výroba

Pryskyřice

Sklo,kevlar

33

VýrobaTechnologie kompozitů

Tváření panelů

Celulózová fólie

Celulózová fólie

Skelnátkanina,vlákno Pryskyřice Polymerizační

pec

34

VýrobaTechnologie kompozitů

Tváření profilů

Pryskyřice

Skelnátkanina,vlákno

Polymerizační pec

35

VýrobaTechnologie kompozitů

Bucharové tváření

Předehřátá deskaSkelná rohož, tkanina

Chlazená matrice

36

VýrobaTechnologie kompozitů

Cívkové tváření

37

ZdrojeTechnologie kompozitů

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