18MTY – 12. přednáškaKompozity –2

Rekapitulace – jednosměrně vyztužený kompozit

Lamináty - značení

Kvazisotropie

Symetrie!

Průběh napětí v laminátu

+ =

Sendviče

Krátkovláknové kompozity

Krátkovláknové kompozity

Krátkovláknové k. – orientace vláken

Závislost pevnosti vlákna na průměru

materiál modul pružnosti E [GPa]

pevnost v tahu Rm [MPa]

skleněné vlákno typu E 72 2 100 až 3 500

skolivna E 72 100

uhlíkové vlákno 190 až 850 2 000 až 7 000

polykrystalický grafit 10 20

keramické vlákno SiC 400 3 900

monolitický SiC 410 500

polyethylenové vlákno z UHMW PE 80 až 120 3 000

Porovnání mechanických vlastností vláken a kompaktních materiálů

Materiály vláken

Materiál Hustota ϱ (g.cm

-3)

R(MPa) E(GPa) Tažnost (%)

Syntetické dřevo 1,0 900 72,00 ---

celulosa (Fortisan) 1,52 1 100 2,4 ---

polyester (Terylen) 1,38 600 1,2 ---

polyamid (Nylon) 1,14 800 2,9 ---

aramid (Kevlar 29) 1,44 3 450 58,6 4,0

aramid (Kevlar 49) 1,44 3 620 124,0 2,5

aramid (Kevlar 149) 1,45 2 410 146,0 1,5

aramid (Twaron) 1,44 3 000 67,0 3,3

aramid (Twaron HM) 1,45 3 000 125,0 2,3

Vlastnosti vybraných polymerních syntetických vláken

Materiál Hustotaϱ (g.cm

-3)

Rm

(MPa)E

(GPa)Průměr vláken

(µm)Teplotní stabilita

(°C)

Al2O3 3,15 až 4,0 2 070 až 2 800 172 až 470 25 800

ZrO3 4,84 2 000 344 60 1 000

uhlík 1,6 až 2,0 1 700 až 3 400 220 až 690 58 až 76 --

BN 1,90 1 380 až 2 400 90 až 315 66 až 70 2 500

B4C 2,3 až 2,5 2 070 až 2 420 276 až 480 100 2 500

Vlastnosti vybraných polykrystalických vláken

Uhlíková vlákna

PAN = polyakrylonitril … prekurzor … pyrolýza bez přístupu kyslíku, 1000-3000°C

Vlastnosti Vysokomodulovýgrafit

Vysokopevnostnígrafit

Ocel(pro porovnání)

Hustota ϱ [g.cm-3] 1,90 1,90 7,8

Modul pružnosti v tahu E [GPa] 390 240 210

Pevnost v tahu Rm [GPa] 2,1 2,5 0,34 až 2,1

Měrný modul E/ϱ [MPa.g-1.cm3] 205 126 26,9

Měrná pevnost Rm/ϱ [MPa.g-1.cm3] 1,1 1,3 0,043 až 0,27

Vlastnosti uhlíkových vláken při normální teplotě

Materiály vláken

Materiály jako hranice možného

Gossamer Condor, 1977, 2km? Vesmírný výtah, AC Clarke, Rajské fontány

Přistání na Měsíci

J. Verne

Apollo 11, 1969

Samotržná délka

Materiály matric

• Polymerní• Reaktoplasty (termosety)

• Epoxidy• Methylmethakryláty• Polyestery• Vinylestery

• Termoplastické matrice• Polypropylén• Polyetheretherketon (PEEK)• Polyfenylénsulfid (PPS)

• Kovové• Měď• Slinuté karbidy• Cermety

• Keramické• SiC whiskery / Al2O3 matrice• SiC whiskery / Si3N4 matrice• SiC / SiC matrice• vlákna / skelná matrice• Carbon / carbon kompozity

Synergický efekt

•Pravidlo směsí : PRoM = P1f1 + P2f2 (f1 + f2 = 1)

•Synergie Pobserved >>> PRoM•Lomová houževnatost:

• sklo U~ 1 J/m2, • polyester U~ 100-1000 J/m2

• Pravidlo směsí U~ 1 – 1000 J/m2 ale….. • Pozorováno U~ 104 - 105 J/m2 !!

•Proč?

Rozhraní - smáčení

Interakce trhliny s kompozitem

-Matrice se c okolí trhliny deformuje plasticky-Změna směru trhliny u vlákna – napětí není kolmé k směru trhliny-Energie nutná k oddělení vlákna od matrice-Přetržená vlákna jsou vytahována z matrice -tření

Lomová houževnatost kompozitů

Synergie u přírodních kompozitů

Synergie

Další synergie:

MMC Al slitina + C vlákno

C vlákno oxiduje za vyšších T

Al rychle ztrácí pevnost, při

vyšších teplotách, ale odolává

oxidaci

Kompozit = pevný a neoxidující za

vysokých teplot

Lomové vlastnosti kompozitů

Srovnání vlastností kompozitů a jiných tříd materiálů

Zkoušení kompozitních materiálů

• Elastické vlastnosti (4 nezávislé hodnoty)• Modul pružnosti ve směru vláken

• Modul pružnosti ve směru kolmém k vláknům

• Smykový modul

• Poissonovo číslo

• Pevnostní vlastnosti (5 nezávislých hodnot)• Ve směru vláken - tah i tlak

• Ve směru kolmém k vláknům – tah i tlak

• Smyková pevnost

Výroba kompozitů

navíjení

prepregy

Výroba kompozitů

autokláv

Výroba a spojováníkompozitů

lepeníKrátká vlákna