Mechanika kompozitních materiálů 1

ÚVOD DO MODELOVÁN V MECHANICE
MECHANIKA KOMPOZITNÍCH MATERIÁLŮ - 1
Přednáška č. 6
Prof. Ing. Vladislav Laš, CSc.
1
Kompozitní materiál
•
•
•
•
skládá se ze dvou nebo více různých složek
každá složka má jiné vlastnosti (mechanické, chemické)
každá složka plní jinou funkci
výsledné vlastnosti (výhody i nevýhody) jsou dány
kombinací vlastností dílčích složek
2
ADOBE
Hlína + sláma = vepřovice
• sláma působí jako zpevňující složka
• navíc kyseliny uvolněné ze slámy hlínu vytvrzují
• až 3x vyšší pevnost oproti samotné nepálené hlíně
3
Stavby z nepálené hlíny
Huaca del Sol, Peru, 450 AD
Huaca de la Luna, Peru
Tambo Colorado, Peru
4
Citadela Arg-e Bam, Írán, 500 BC – 2003 AD
Přírodní kompozity
srdeční céva
• tkáně živočichů
svaly, cévy,
kosti, schránky
• pletivo rostlin
dřevo
kmen ořešáku
ulita loděnky
5
Kompozity na bázi dřeva
• dřevovláknité desky (dřevotříska, sololit)
lisované, lepené třísky, piliny
• překližky
lepené vrstvy dřeva
Egypt 3500 BC
• pykrete
piliny v ledu
2. světová válka
De Havilland Mosquito
Habakkuk
6
CERMET
Kompozity na bázi keramiky
• keramická matrice + kovová výztuž
keramika – tepelná odolnost
kov – tažnost (nikl, molybden, kobalt)
zubní výplně protézy, elektronické součástky,
povrch raketoplánu, jaderné reaktory
Atlantis
7
MMC
Kompozity na bázi kovů
• matrice: hliník, hořčík, titan, ocel
tepelná vodivost
• výztuha: vlákna z uhlíku, boronu, SiC
tuhost, pevnost
Porsche Boxter
auto-brzdy, bloky motoru,
vrtáky, rámy kol
Specialized S-Works
8
FRP
Kompozity na bázi polymerů
•
•
matrice
(s různými příměsmi)
termoplasty
(lze opakovaně tepelně zpracovávat)
polyetylen, polystyren, PVC, PET
termosety
(nelze opakovaně tepelně zpracovávat,
pevnější, použití za vyšších teplot)
epoxidová, polyimidová, polyesterová, fenolická pryskyřice, bakelit (1907)
výztuha
(s různými povlaky)
Airbus A380
dřevo, sklo (1922), uhlík (1964),
kevlar / aramid (1965), hliník, bor
vlákna – krátká, dlouhá (kontinuální)
částice
tkaniny – (1D), 2D, 3D
9
Aston Martin DBR9
Produkty
10
Speciální kompozity
• uhlík-uhlík (RCC)
vysoká tepelná odolnost
• uhlíková nanovlákna (CNT)
Bugatti Veyron
vylepšují vlastnosti matrice
BMC
Columbia
1 kg = $8000
11
Osobní automobil HONDA
12
Kompozity obecně
= Materiály složené ze dvou či více složek přírodních či
umělých složek majících rozdílné mechanické vlastnosti
– přírodní (dřeva, kosti, zuby, atd.)
– umělé
Kompozity umělé
= Materiály cíleně složené z vhodných materiálů složkových:
– Pojiva (matrice)
– Plniva (částice, zrna, kuličky, vločky)
– Výztuže (vlákna krátká, dlouhá, nekonečná)
13
Proč vůbec vláknové kompozity ?
• Vlákna mají v podélném směru nejvyšší specifické
pevnosti 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.“
14
Výhody a nevýhody FRP
+
+
+
+
+
+
nízká hmotnost
vysoká tuhost a pevnost
směrově orientované vlastnosti
tepelná, chemická odolnost, ohnivzdornost
nižší tepelná roztažnost
elektrická a tepelná vodivost
–
–
–
–
cena
konstrukční návrh, výroba
spoje, opracovatelnost, recyklace
defektoskopie, opravy
15
Kompozitní materiály
Vývoj
19. století
výztuž zdiva ocelovými tyčemi → předepjatý beton
poč. 20. století fenolové pryskyřice + azbestová vlákna
1942
první laminátový člun (letectví, elektrotechnika)
1946
metoda vinutých vláken
1950
zavedení vinutých vláken do raketové techniky
1960
vlákna z vysokopevnostního C
1970
kompozity s kovovými matricemi (bor, hliník, ..)
70. léta
expanze kompozitních materiálů v letectví,
automobilovém průmyslu, sportovním průmyslu, aj.
21. století
16
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)
17
částicový kompozit - izometrický
částicový kompozit – anizometrický (vločkový)
vláknový kompozit
18
Základní pojmy
Vlákna
Pevnost 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 povrchových
vad je při malých příčných rozměrech menší (menší průměr = menší
povrch), existující vady jsou mikroskopické a orientovány v podélném
směru vlákna.
b) přednostní nasměrování pevných kovalentních meziatomových vazeb
v podélném směru vlákna
Existují tři široce používané druhy vláken:
a) skleněná
b) aramidová (známá pod obchodním označením kevlar)
c) uhlíková
19
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, uhlíkové
a skleněné vlákno
20
Vlákna
Orientace vláken v matrici
a) jednosměrné uspořádání kontinuálních
vláken
a
b
c
d
b) dvouosá orientace, křížově položené
jednosměrné prepregy nebo tkanina
c) rohož, nahodilá orientace kontinuálních
nebo krátkých vláken (netkaná textilie)
d) víceosá výztuž z kontinuálních vláken
(sešité jednosměrné vrstvy nebo tkaniny)
21
Vlákna
Základní mechanické vlastnosti
Typ vlákna
Sklo
Aramid
HS - uhlík
HM - uhlík
Modul pružnosti v
podélném směru
EfL (MPa)
74 000
130 000
230 000
390 000
Modul pružnosti v
příčném směru
EfT (MPa)
74 000
5 400
15 000
6 000
Modulu pružnosti
ve smyku
GfLT (Mpa)
30 000
12 000
50 000
20 000
2 100
3 000
5 000
3 800
2 500
1 500
1 600
1 700
Pevnost v tahu
σfL (MPa)
Hustota
(kgm-3)
ρ
22
Matrice
Čtyři hlavní typy polymerních pryskyřic tvořící matrici jsou používány pro
výrobu
kompozitních materiálů:
- epoxidové
- polyesterové
- fenolové
- polyamidové
Hlavní funkce matrice (pryskyřice) jsou:
a) udržet vlákna ve správných pozicích
b) pomáhat distribuovat napětí
c) chránit vlákna před poškozením abrazí
d) kontrolovat elektrické a chemické vlastnosti
e) zajišťovat interlaminární pevnost
23
Matrice
Ve vytvrzeném kompozitu jsou požadovány tyto vlastnosti:
- adhezivní pevnost
- teplotní odolnost
- únavová pevnost
- chemická odolnost a odolnost proti vlhkosti
- vysoký poměr deformace a pevnosti
24
Matrice
Základní mechanické vlastnosti
Druh pryskyřice
Modul pružnosti
Em (MPa)
Poissonova konst.
νm ( - )
Modulu pružnosti
ve smyku
Epoxidové
Polyesterové
Fenolové
Polyimidové
4 500
4 000
3 000
4 000 19000
0.4
0.4
0.4
0.35
1 600
1 400
1 100
1 100
130
80
70
70
1 200
1 200
1 300
1 400
90 -200
60 - 100
120 - 200
250 - 300
Gm (MPa)
Pevnost v tahu
σpm (MPa)
Hustota
ρ (kgm-3)
Maximální teplota
Tmax (oC)
25
Klasifikace
Rozdělení kompozitů
26
Lamináty - tah
[02/902]
[+452/−452]
27
Sendvičové materiály
Tvoří značnou část kompozitních materiálů využívaných k konstrukci.
Slepením nebo svařením dvou tenkých vrstev spolu s lehkým jádrem.
Vlastnosti:
- velmi lehké
- vysoká ohybová pevnost a tuhost
- velmi dobrá teplená izolace
Nevýhody:
- nízká odolnost proti ohni
- riziko ztráty stability
28
Kontakní formování
Váleček
Výztuž: sklo, kevlar
Matrice: polyesterová pryskyřice
Separátor + gel coat
29
Lisování
Výztuž + matrice
protikus
forma
Separátor + gel coat
30
Vakuování
Těsnicí tmel
Atmosférický tlak
Krycí fólie
Plsť
Vývěva
Laminát
Separátor
31
Vstřikování (termosety)
Vyhřívaná forma
Směs vláken +
termosetická pryskyřice
Protikus
formy
32
Vstřikování (termoplasty)
Topné
těleso
Směs vláken +
termoplastická pryskyřice
33
Navíjení vláken (1)
Vlákno, tkanina
Topné těleso
(polymerizace)
34
Navíjení vláken (2)
Sklo,
kevlar
Pryskyřice
35
Tváření profilů - pultruze
Pryskyřice
Skelná
tkanina,
vlákno
Polymerizační pec
36
Základní pojmy MKM
Vztah mezi napětím a deformací u jednosměrného kompozitu
Při působení σ L :
1
ν LT
ε L = σ L ; ε T = −ν LT ε T = −
σL
EL
EL
Obdobně při působení σ T :
L … longitudinal
T … transverse
σT
1
ε T = σ T ; ε L = −ν TL ε T = −ν TL
ET
ET
Při namáhání na smyk
γ LT =
σ LT
GLT
37
Při působení σ L , σ T a σ LT současně
εL =
1
ν
σ L − TL σ T
EL
ET
εT = −
ν LT
EL
+
γ LT =
1
σ LT
σ LT
1
σT
ET
Maticově
 1
 E
 εL   L
 ε  = − ν LT
 T   EL
γ LT  
 0

−
ν TL
ET
1
ET
0

0 

0 

1 

σ LT 
σL 
σ 
 T
σ LT 
ε = S σ , σ = C ε , C = S −1
38