Základnou úlohou mechaniky kompozitných materiálov je stanovenie mechanických vlastností (deformačných a pevnostných) na základe známych mechanických charakteristík zložiek, pri definovanej štruktúre a objemovom zložení kompozitu.
Klasifikácia kompozitných materiálov
Kompozitné materiály je možné rozdeliť z niekoľkých hľadísk:
Podľa materiálu výstuže
Kovy (Fe, W, Mo, Cr, Ni, Ti a ich zliatiny)
Nekovy:
– anorganické materiály • keramické materiály (WC, TiC, BN atď.) • sklá (E, S) • čadič
– organické materiály • polyméry (aramidové vlákna • Kevlar, polyamidové vlákna • Nylon) [1]
Podľa materiálu matrice
Kovy (Al, Ag, Fe, Mg, Ti, Co, Cu, Ni a ich zliatiny)
Nekovy:
– anorganické materiály • keramické materiály (Al_2 O_3,SiC,TiC,Cr_3 C_2) • sklá (E, S)
– organické materiály • polyméry (polyestery, vinylestery, epoxidy, polyamidy atď.)
Podľa geometrického tvaru výstuže
• Časticové
• Vláknové
• Skeletové
Podľa smeru vlákien v matrici
• Jednosmerne dlhé/krátke vlákna
• Dvojsmerné/viacsmerné vystuženie
• Náhodne orientované vlákna (obr. 1)
• Náhodne orientované krátke vlákna
• Časticový model (vystužujúce častice rozptýlené v matrici)
• Skeletový model (tvorený pórovitou matricou prestúpenou súvislým nosným skeletom). [1]
Obr. 1: Kompozitný materiál: 50 % hmotnosti textílie z opotrebovaných pneumatík a 50 % hmotnosti recyklovaný polyvinyl butyral [4] |
Štruktúra kompozitných materiálov
Matricové materiály poskytujú konečný tvar štruktúry kompozitného materiálu a upravujú parametre výrobného procesu. Optimálnou kombináciou vlákien a matrice by sa mali dosiahnuť také vlastnosti, ktoré by mali spĺňať rad prevádzkových a výrobných požiadaviek, ktoré sú niekedy rozporuplné s prírodou. Tuhosť matrice by mala zodpovedať tuhosti vlákna. Vlákna sa vyznačujú relatívne vysokou pevnosťou rozptylu, ktoré by mohli v dôsledku narastajúceho poškodenia vlákna viesť k natrhnutiu.
* * * * *
Kompozitné materiály sú zložené materiály, ktoré sa skladajú z dvoch a viacerých zložiek. Každá z nich plní inú špecifickú funkciu a má iné materiálové vlastnosti, zväčša úplne odlišné. Kompozitné materiály pozostávajú z nosnej časti tzv. výstuže a z matrice, ktorá má spojovaciu funkciu a je kontinuálnou zložkou kompozitného materiálu.
* * * * *
Hlavnou úlohou matrice je zabezpečenie kompaktnosti kompozitného telesa, t.j. bezpochybné spojenie nosnej časti a vytvorenie vonkajšieho tvaru, ktorý musí zabezpečiť riadnu funkciu telesa. Materiálové vlastnosti matrice a vlákien musia byť v zhode pre dosiahnutie optimálnych vlastností celého kompozitu. [4] Kompozitné materiály sú tvorené matricou (spojité prostredie) a cielene rozmiestnenou zložkou (niekedy aj viaceré fázy).
Tieto komponenty kompozitu majú svoju štruktúru a priestorové rozmiestnenie. Funkciou vloženej fázy je spevňovanie matrice, zabezpečovať presun vonkajších zaťažení a plniť rádovo ďalšie úlohy.
Obr. 2: Príprava kompozitného materiálu (matrica – recyklovaný polyvinyl butyral, výstuž – textílie z opotrebovaných pneumatík) [4] |
Výstuž kompozitných materiálov
Kompozitné materiály vystužované vláknami sú prevažne orientované, a preto sa charakterizujú značnou anizotropiou vlastností. Je možné ich vyrábať práškovou metalurgiou, zalievaním vlákien materiálom, valcovaním fólií kovovej matrice, ktoré sú preložené vláknami. [4], [6]
* * * * *
Využitie kompozitov:
• Žiarupevné
• Žiaruvzdorné
• Odolné proti korózii
• Používané v letectve
• Používané v strojárenských výrobných technológiách
• Používané v stavebníctve atď. [1]
* * * * *
Z pohľadu celkových najvýhodnejších vlastností musia byť kompozitné materiály spevnené vláknami s vysokým modulom pružnosti, s malým priemerom vlákien, vysokou pevnosťou vlákien a optimálnou dĺžkou. Najväčšie použitie majú dlhé vlákna, a to buď na usmernené vkladanie do kompozitných materiálov alebo na spracovanie mnohých ďalších polotovarov. Kratšie vlákno sa využíva ako plnivo pre objem kompozitu.
Tab. 1: Charakteristiky termoplastických polymérov |
Pre kompozitné materiály s textilnou výstužou sú používané vlákna sklenené, bórové, čadičové, kovové, uhlíkové, keramické, polymérne, rastlinné a proteínové.(pozri delenie vyššie). Tieto vlákna majú špecifické vlastnosti ako pevnosť, vysokú tuhosť a teplotnú stabilitu. Tieto vlákna sú zväčša spojované polymérnou matricou.
* * * * *
Typy vystužujúcich vlákien:
• Kovové
• Keramické
• Sklenené vlákna
• Polymérne vlákna
• Whiskery (SiC) [3], [6]
* * * * *
Textilné vlákna sa používajú do kompozitných materiálov pre zosilnenie, zvýšenie tuhosti, zníženie teplotnej rozťažnosti a hmotnosti výrobkov. Textilné kompozitné materiály sú zosilnené kontinuálnymi alebo krátkymi vláknami. Vláknové kompozitné materiály obsahujú vlákna s priemerom 1 – 100 μm. Občas sa používajú vlákna s priemerom menším ako je 1 μm, tieto kompozity zaraďujeme medzi nanokompozity [5], [6].
Medzi dôležité vlastnosti vláknitých kompozitných materiálov patria:
• Nízka hmotnosť – Merná hmotnosť vláknových kompozitných materiálov je približne 1,5-krát nižšia ako merná hmotnosť hliníka a približne 4,5-krát menšia ako merná hmotnosť ocele. Táto vlastnosť zabezpečuje jednoduchú manipuláciu. [7]
• Vysoká pevnosť – Kompozitné materiály sa používajú na tvorbu nosných konštrukcií, lebo v porovnaní s oceľami je ich pomer pevnosti k mernej hmotnosti približne dvojnásobný. [7]
• Odolnosť proti korózii – Kompozitné materiály sú odolné voči atmosférickej korózii, ale aj proti korózii, ktorá je spôsobená vodou, chemikáliami, baktériami, olejmi a pod. Preto nie je potrebné ich povrch opatrovať ochrannými povlakmi či nátermi. [7]
• Elektrické vlastnosti – nevodivosť, elektromagnetická transparentnosť.
• Tepelné a požiarne vlastnosti.
TEXT/FOTO: Ing. Svetlana Radchenko, Ing. Lucia Knapčíková, PhD., Ing. Darina Dupláková, doc. Ing. Michal Hatala, PhD., Technická univerzita v Košiciach, Fakulta výrobných technológií, Prešov
Použitá literarúra
[1] CALKO, L. Mechanické vlastnosti kompozitných materiálov vyrobených zo zložiek opotrebovaných pneumatík, Záverečná práca, FVT TUKE, 2014
[2] JONES,F. R.:Handbook of Polymer-Fibre Composites, 1994, ISBN 0-470-23373-7
[3] KELLY, C. Zweben, Encyclopedia of Comprehensive Composite Materials, Vol. 2, Polymer Matrix Composites, 2000, ISBN: 0-08-043720-6
[4] KNAPČÍKOVÁ, L.. Optimalizácia technologických procesov pri zhodnocovaní plastov, Dizertačná práca, FVT TUKE, 2011
[5] Plastics in the automotive industry [online] Citované [09.12.2016]
Dostupné z www.plasteurope.com/news/PLASTICS_IN_THE_AUTOMOTIVE_INDUSTRY_t21
[6] The use of risk assessment in environmental management, Citované [30.11.2016]
Dostupné z www.eea.europa.eu/publications/GH-07-97-595-EN-C2/chapter2h.html
[7] Progresívne vyvíjané polymérne kompozity v automotive [online] Citované [01.12.2016]
Dostupné z www.zapsr.sk/progresivne-vyvijane-polymerne-kompozity-v-automotive/