Aplikácia kompozitov s kovovou matricou

Kompozity ako konštrukčné materiály nachádzajú uplatnenie nielen v le­tectve, ale aj v iných priemyselných odvetviach. K hlavným výhodám týchto materi­álov patria nižšia hmotnosť a vyššia tuhosť štruktúry. Sú však citlivé na poškodenie nára­zom, cudzím objektom i na nadmerné zaťaže­nie. Z tohto dôvodu im treba venovať zvýšenú pozornosť, najmä z hľadiska životnosti a spo­ľahlivosti.

CHARAKTERISTIKA KOMPOZITOV

Kompozit je materiál, ktorý vznikol kombiná­ciou jednoduchých materiálov s využitím po­znatkov fyzikálnej metalurgie. Pozostáva z mat­rice, ktorá má funkciu pojiva a zložky, ktorá má spevňujúci účinok. Túto spevňujúcu fázu mô­žu tvoriť vlákna alebo častice, líšiace sa morfo­lógiou a veľkosťou.

Matrica obklopuje a chráni výstuž pred po­škodením a okolitým prostredím, má relatívne nízku pevnosť v ťahu, ale vysokú tvrdosť a hú­ževnatosť. Materiál matrice zároveň určuje pra­covnú teplotu a podmienky spracovania kom­pozitu.

Pre tieto materiály je typický tzv. synergizmus, čo znamená, že vlastnosti kompozitu sú vyš­šie, ako vlastnosti jednotlivých zložiek, z kto­rých kompozit pozostáva. Typickým príkladom synergizmu je kompozit zložený z keramickej matrice, ktorá je vystužená keramickými vlák­nami. Nakoľko matrica aj vlákna sú jednotlivo veľmi krehké, výsledný kompozit je charakte­ristický určitým stupňom húževnatosti. Vďaka kombinácii matrice a spevňujúcej fázy môžeme teda získať kompozit neobvyklých vlastností.

Kompozity môžeme klasifikovať z hľadiska rôz­nych parametrov, napríklad podľa povahy mat­rice, tvaru spevňujúcej fázy, atď.

KOMPOZITY S KOVOVOU MATRICOU

Do vývojovej skupiny materiálov určených na vysoké namáhanie patria kovové kompozity, v ktorých sa vyžaduje aj vysoký podiel pružnos­ti. Kovová matrica môže byť vytvorená z rôz­nych zliatin na báze horčíka, titánu, niklu, me­di a ďalších zliatin. Medzi najvýznamnejšie patrí matrica zo zliatin hliníka, kde sa využívajú všet­ky typy zliatin, či už zlievarenských alebo tvár­nych. K najvýznamnejším vlastnostiam kom­pozitov s kovovou matricou a s vystužujúcou fázou vo forme častíc patria tvrdosť, pevnosť, oteruvzdornosť a odolnosť voči tečeniu. Vlast­nosti závisia predovšetkým od veľkosti týchto spevňujúcich častíc. Ak sú častice spevňujúcej fázy malé (do 0,1 μm), potom takéto kompozi­ty označujeme ako disperzne spevnené kompo­zity a vyrábajú sa cestou práškovej metalurgie.

K najznámejším disperzne spevneným časti­covým kompozitom patria Al2O3/Al, Y2O3/ Ni a Al2O3/Cu, (Al, Ni, Cu – predstavujú zlia­tiny na báze týchto kovov). Pre svoje vynika­júce vlastnosti sa využívajú hlavne v leteckom, automobilovom, elektrotechnickom priemysle a v jadrovej energetike. Vyrábajú sa z nich kom­ponenty, ktoré majú zvýšenú odolnosť voči ote­ru a deformáciám pri zvýšených teplotách.

Väčšie častice zabezpečujú spevňujúci a vytvr­dzujúci efekt tesným zovretím v matrici a čias­točným prenosom zaťažujúceho napätia z mat­rice na častice.

Tvrdosť kompozitu s mäkkou kovovou matri­cou vystuženou tvrdými časticami rastie s obje­movým podielom týchto častíc. Rastúca tvrdosť kompozitu následne zabezpečuje aj zvýšenú odolnosť voči oteru.

Pevnosť kompozitu dosahuje maximum pri ur­čitom obsahu vystužujúcich častíc, čím je väč­ší povrch týchto častíc a čím je dokonalejší kontakt medzi matricou a vystužujúcou fázou, tým je spevňujúci efekt dokonalejší (obr. 1).

Na obr. 2 je znázornená tepelná odolnosť kom­pozitu (hliníková matrica vystužená časticami z SiC) a veľmi pevnej vytvrditeľnej hliníkovej zlia­tiny. Z obrázku jednoznačne vyplýva, že tvrdosť hliníkovej zliatiny je na začiatku vyššia ako v prí­pade kompozitu, ale s rastúcou teplotou pevnosť duralu klesá oveľa rýchlejšie ako pevnosť kompo­zitu. Pri teplote nad 300 °C je pevnosť kompozi­tu vyššia ako pevnosť hliníkovej zliatiny.

Okrem týchto výstuži sa využívajú aj ďalšie, ako napríklad karbid wolfrámu, karbid hliníka, bo­rid titánu, atď. Tento druh kompozitných mate­riálov má uplatnenie hlavne v leteckom a auto­mobilovom priemysle.

Vláknové kompozity sú významnejšie ako časti­cové kompozity.

Vysokú pevnosť kompozitov spevnených vlák­nami zaručuje kovová matrica a zvýšenie pruž­nosti zabezpečujú samotné vlákna. Patria sem kompozity s titánovou, horčíkovou, hliníkovou matricou a žiarupevné kompozity.

Výstuže vláknových kompozitov možno rozde­liť na:

– kompozity s dlhými vláknami – dĺžka vlá­kien je porovnateľná s dĺžkou hotového vý­robku [obr. 3 b), c)]

– kompozity s krátkymi vláknami – dĺžka vlá­kien omnoho menšia ako v prípade hotové­ho výrobku [obr. 3 a)]

Pevnosť kompozitného materiálu rastie súčas­ne s pomerom vlákno – matrica a s orientáciou vlákien paralelne so smerom zaťaženia. Čím sú vlákna dlhšie, tým je spevnenie efektívnej­šie pri prenášaní zaťaženia. Na druhej strane, kratšie vlákna sa ľahšie spracovávajú a sú preto omnoho lacnejšie. Rastúca hrúbka laminátu ve­die k znižovaniu pevnosti kompozitu a modu­lu pevnosti, nakoľko vzrastá pravdepodobnosť prítomnosti defektov. K znižovaniu dovolenej pevnosti prispieva aj prostredie, ako napríklad únavové zaťaženie, vlhkosť a teplota.

Jedným z prvých typov využívaných v letec­kom priemysle a v kozmonautike boli kompo­zity s kontinuálnymi vláknami typu B/Al (bóro­vé vlákna vystužujú matricu so zliatiny hliníka typu Al-Mg-Si alebo Al-Cu-Mg). Ide o veľmi ľah­ké kompozity, ktoré sa využívali hlavne pri kon­štrukcii trupu a krídiel lietadla a na konštruk­ciu raketoplánov.

Výhodou týchto vlákien je ich vysoká medza pevnosti v ťahu a nevýhodou zasa ich náchyl­nosť k oxidácii pri zvýšených teplotách. Pri vý­robe celkového kompozitu dochádza aj k nežia­ducej reakcii vlákna s hliníkovou matricou. Aby sa zabránilo tejto nežiaducej reakcii, vlákna sa obaľujú ochrannými povlakmi SiC.

V súčasnosti sú bórové vlákna na ústupe a na­hrádzajú ich vlákna z karbidu kremíka (SiC). Aplikujú sa najmä ako výstuže hliníkových (Al­-Mg-Si, Al-Cu-Mg, Al-Si) poprípade titánových matríc. Matrice môžu byť vystužené kontinu­álnymi vláknami, alebo to môžu byť kompozi­ty z SiC whiskerov. Kompozity s kontinuálnymi vláknami sú chemicky a tepelne stabilnejšie ako bórové vlákna, svoju pevnosť si zachovávajú až do teploty 250 °C.

SiC whiskery zaručujú, že daný kompozit je odolný voči tečeniu za vysokých teplôt, voči oteru, pričom sa tieto materiály vyznačujú níz­kou tepelnou rozťažnosťou.

Využívajú sa na výrobu tepelne a mechanicky namáhaných častí leteckých a spaľovacích mo­torov. Nakoľko sú tieto materiály veľmi ľahké a dobre odvádzajú teplo, sú vhodné aj na výro­bu krytov elektrických zariadení.

Ďalším typom vlákien vystužujúcich ko­vovú matricu sú uhlíkové vlákna. Patria k najperspektívnejším materiálom, nakoľko sa vyznačujú vysokými mechanickými vlast­nosťami, vysokou tepelnou stabilitou a níz­kou hmotnosťou. Ich zaujímavosťou je vyso­ká anizotropia vlastností. Napríklad modul pružnosti je niekoľko násobne vyšší v sme­re osi vlákna než v smere kolmom na osi vlá­kien. Rovnako aj tepelná rozťažnosť vykazu­je rozdielnu hodnotu v závislosti od smeru k osi vlákien. Ich nevýhodou je, že v prípade aplikácie v kovových matriciach, ako sú hli­níkové, resp. Horčíkové, majú zlú zmáčavosť a náchylnosť na oxidáciu pri zvýšených tep­lotách. Aby sa zabránilo týmto nežiaducim vplyvom, vlákna sa opatrujú ochrannými po­vlakmi (SiC).

K ďalším perspektívnym materiálom vystužu­júcim matricu z Al zliatín patria krátke vlákna z oxidu hlinitého Al2O3. Vyrábajú sa z organo­hlinitých zlúčenín. Tieto vlákna obsahujú aj ur­čité podiely iných oxidov a sú známe pod ko­merčnými názvami Nextel, Saffil… Ich využitie je sústredené hlavne do automobilového prie­myslu na výrobu komponentov prevádzkova­ných pri vysokých teplotách.

V leteckom priemysle a v kozmonautike ma­jú pre svoje významné vlastnosti, ako nízka hmotnosť, tepelná odolnosť, prípadne zvýšená odolnosť voči účinkom agresívneho prostredia, uplatnenie aj nasledujúce kompozity:

– SiC/Mg a Al2O3 /Mg (krátke SiC alebo Al2O3 vlákna vystužujúce matricu z horčíkových zliatin),

– C/Mg (kontinuálne C vlákna vystužujúce matricu z horčíkových zliatin),

– SiC/Ti (kontinuálne vlákna z SiC vystužujú­ce matricu zo zliatin titánu).

V tabuľke 2 sú na ilustráciu uvedené mechanic­ké vlastnosti vláknových kompozitov.

ZÁVER

Rozvoj kompozitných materiálov v ostatnom čase predstihuje rozvoj klasických, najmä ko­vových materiálov, nakoľko sa neustále roz­širujú možnosti ich aplikácie ako náhrady za klasické materiály vo všetkých priemyselných odvetviach, vrátane letectva. Vzhľadom na to, že z hľadiska čo najširšieho použitia týchto ma­teriálov sa objavuje ešte veľa technologických problémov a cena materiálu je stále veľmi vy­soká, svoju budúcnosť majú tieto materiály ešte stále pred sebou.

TEXT ING. ROMANA DOBÁKOVÁ, PHD., LETECKÁ FAKULTA, TU KIŠICE; ING. PETER KISELY, PHD., FOTO ARCHÍV REDAKCIE