čase obrovského technického rozvoja si nemožno vystačiť už len s vylepšovaním konštrukcie súčiastok, či už v leteckom alebo v automobilovom priemysle. Je potrebné siahnuť aj po úplne nových materiáloch, ponúkajúcich kombináciu rôznych protichodných vlastností. Nové materiály musia spĺňať rôzne výkonové parametre (hmotnosť, pevnosť, tvrdosť, húževnatosť, životnosť atď.), musia disponovať vysokou odolnosťou a spĺňať rôzne regulačné opatrenia a bezpečnostné predpisy. Z tohto dôvodu treba týmto kompozitným materiálom venovať zvýšenú pozornosť z hľadiska ich životnosti a spoľahlivosti.

Charakteristika kompozitov

Kompozity sú známe už niekoľko rokov, ale do popredia sa dostali až vtedy, keď sa začal prudko vyvíjať letecký priemysel. Okrem letectva nachádzajú uplatnenie aj v iných priemyselných odvetviach, napríklad v automobilovom. 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 zároveň aj 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, dokopy. Kompozity môžeme klasifikovať z hľadiska rôznych parametrov, napríklad podľa povahy matrice, tvaru spevňujúcej fázy, atď.

Kompozity s polymérnou matricou

Nielen v leteckom priemysle sa čoraz viac uplatňujú plasty a kompozity s polymérnou matricou. Plasty sa vyznačujú širokou škálou žiaducich vlastností (ľahké, odolné voči chemikáliám a drsnému prostrediu, mäkké, pružné, pevné, s možnosťou tvarovania…) a vďaka ich cenovej efektívnosti sú najviac preferovaným materiálom v širokej škále komerčného použitia. Ak do plastu pridáme výstuž napríklad vo forme vlákien, ktoré majú vysokú tuhosť, pevnosť a teplotnú stabilitu, získame celkom nový konštrukčný materiál s unikátnymi vlastnosťami. Takéto materiály označujeme ako vláknové polymérne kompozity alebo vláknové kompozity s polymérnou matricou, ktoré v súčasnosti nachádzajú čoraz väčšie uplatnenie pri stavbe lietadiel a automobilov. Oproti kovovým a keramickým kompozitom majú polymérne kompozity niekoľko výhod, ako napríklad ľahká výroba a spracovanie, dobré tlmiace vlastnosti, lepšie dynamické vlastnosti, odolnosť voči korózii. Medzi ich dobré vlastnosti patrí aj vysoká tvarová stálosť a fakt, že z nich možno vyrábať zložité diely jednorazovo alebo ich skladať z celkovo menšieho počtu dielov. Ich najdôležitejšou vlastnosťou je vysoká špecifická pevnosť, a to je aj jeden z dôvodov, prečo sú vystužené plasty vhodné pre aplikácie, ktoré musia vydržať nárazy.

Kompozity na báze uhlíkových vlákien a epoxidových živíc CFRP

Vlastnosti kompozitov spevnených vláknami výrazne závisia od viacerých faktorov, ako je výber vlákna a matrice, od spôsobu ich kombinácie, od pomeru vlákno – matrica, dĺžky vlákna, jeho orientácie, hrúbky laminátu a prítomnosti spájacieho prostriedku na zlepšenie spojenia vlákno – matrica. Uhlíkové vlákna majú vysokú pevnosť, tuhosť a nízku hustotu a sú oveľa nákladnejšie, ako napríklad kompozitné materiály spevnené sklenenými vláknami. Najčastejšie používanými matricami sú epoxidy, pretože vykazujú dobre vlastnosti za relatívne nízku cenu. Pevnosť kompozitu rastie spolu s pomerom vlákno – matrica a s orientáciou vlákien paralelne so smerom zaťaženia. Čím sú vlákna dlhšie, tým je spevnenie efektívnejšie pri prenášaní zaťaženia, ale na druhej strane kratšie vlákna sa ľahšie spracovávajú a preto sú aj pomerne lacnejšie. Rastúca hrúbka laminátu vedie k zníženiu pevnosti kompozitu a modulu pevnosti, pretože vzrastá prítomnosť defektov. Vplyv prostredia, ako napríklad únavové zaťaženie, vlhkosť a teplota, znižuje dovolenú pevnosť.

Tab. 1.: Vlastnosti CFRP kompozitov

Hlavným dôvodom využívania kompozitných materiálov, či už v leteckom (Obr. 1) alebo automobilovom priemysle, je zníženie hmotnosti danej konštrukcie a zároveň zníženie spotreby paliva, a tým aj redukcie záťaže na životné prostredie (zníženie produkcie CO2). Ďalším dôležitým faktorom využívania kompozitov je zvýšenie bezpečnosti a odolnosti pri náraze. Kompozity sa vyznačujú schopnosťou pohlcovať energiu nárazu nie deformáciou, ale drvením sa materiálu na malé čiastočky. Výhoda drvenia spočíva v tom, že dochádza k pohlcovaniu energie nie rázovo, ako je to napríklad pri plechových komponentoch, ale postupne a rovnomerne, čím sa zvyšuje bezpečnosť danej konštrukcie (Obr. 2). Množstvo materiálom absorbovanej energie vzhľadom na jeho hmotnosť vyjadruje parameter SEA (anglicky Specific Energy Absorption). Mnohé kompozitné materiály dosahujú vyššie hodnoty SEA ako kovové materiály, takže kompozity dokážu spotrebovať väčšie množstvo energie pri rovnakej hmotnosti (obr. 3). Využitie materiálov ako sú plasty a kompozity dávajú konštruktérom možnosť navrhnúť rôzne tvary komponentov. Ich dizajn má vplyv na bezpečnosť, výkon, aerodynamiku, spotrebu paliva, výrobné náklady a mnoho ďalších dôležitých faktorov. Aplikujú sa v exteriéri aj v interiéri.

Obr. 2.: Typy porúch na povrchu pri testovaní pohlcovania energie

Vyššie uvedený obrázok definuje tri typy porúch pri testovaní. Zľava: "roztrhnutie vlákien", v strede: "fragmentácia" a napravo "krehký lom vlákien".

Obr. 3.: Hodnoty SEA rôznych druhov materiálov

Záver

Rozvoj kompozitných materiálov v poslednej dobe stále napreduje. Čoraz viac sa rozširujú možnosti ich aplikácie ako náhrady za klasické materiály vo všetkých priemyselných odvetviach. Aj keď z pohľadu čo najširšieho použitia týchto materiálov sa objavuje ešte veľa technologických problémov a cena materiálu je stále taká vysoká, že svoju budúcnosť majú tieto materiály ešte stále pred sebou.

TEXT/FOTO ING. ROMANA DOBÁKOVÁ, PHD., LETECKÁ FAKULTA, TU KOŠICE