KOMPOZITY 1 Co je kompozit Takov materilov systm

KOMPOZITY 1

Co je kompozit Takový materiálový systém složený z více fází z nichž alespoň jedna je pevná, s makroskopicky rozeznatelným rozhraním mezi fázemi, který dosahuje vlastností, které nemohou být dosaženy ani prostým sečtením - synergický účinek. Vhodným výběrem materiálu matrice a zpevňující fáze a volbou jejich vzájemného objemového poměru lze dosáhnout neobvyklých vlastností. n Výztuž - tvrdší, tužší, pevnější nespojitá fáze n Matrice - spojitá obvykle poddanější fáze, která má funkci pojiva výztuže 2

Co je kompozit n n Podle současného chápání pojmu kompozit musí být k zařazení vícefázového materiálu mezi kompozitní materiály splněny následující podmínky: podíl výztuže musí být větší než 5 % vlastnosti výztuže a matrice (mechanické, fyzikální i chemické) se liší, výztuž je významně pevnější v tahu a obvykle tužší než matrice kompozit musí být připraven smícháním složek 3

• Podle těchto podmínek nelze za kompozit považovat plast, obsahující malá množství tuhých barviv, nebo částic elastomerů (přidávaných pro zlepšení houževnatosti), ani slitinu kovů, v které během ochlazování nebo při tepelném zpracování došlo k vyloučení tvrdé fáze. • Také eutektické slitiny kovů, u kterých během tuhnutí taveniny došlo k usměrněnému vyloučení tvrdších a tužších fází v podobě tyčinek nebo lamel, nelze považovat za pravé kompozity, protože není splněna třetí podmínka. • Naproti tomu kov disperzně zpevněný částicemi oxidů je kompozitní materiál, protože se připravuje mechanickým míšením složek (např. hliník zpevněný částicemi Al 2 O 3). ). 4

Rozdělení kompozitů Podle materiálu matrice: s kovovou matricí s polymerní matricí - termoplastickou - reaktoplastickou - elastomerní s keramickou matricí s anorganickou matricí (sírany, silikáty) jejich kombinace (beton z portlandského cementu impregnovaný polymery) 5

Podle struktury nebo charakteristiky výztuže: disperzní (disperzní zpevněné kovy) částicové - pravidelných tvarů (koule, destičky) - nepravidelných tvarů - s plynnými inkluzemi (lehčené polymery, pěnobeton) vláknové - s dlouhými vlákny (skleněná, uhlíková, polymerní) - s krátkými vlákny 6 (uhlíková, wolframová, azbestová)

Způsoby vytvoření kompozitu 7

Disperzně zpevněné kompozity Obsahují částice o průměru obvykle nepřesahujícímu 0, 25 µm. q Částice působí jako překážky pohybu dislokací v matrici a mají významný zpevňující účinek, který se většinou zachovává i při vyšších teplotách (dobrá žárupevnost). q Materiál částic musí mít dobrou vzájemnou soudržnost na fázovém rozhraní částice-matrice. Př. : SAP (Sintered Aluminium Powder) q Jedná se o slinovaný hliníkový prášek, který tvoří hliníková matrice zpevněná částicemi Al 2 O 3. Vyrábí se smícháním obou složek, dalším lisováním směsi a slinováním. 8

Částicové kompozity částice by měly mít rozměry větší než 1 mm Musí být rovnoměrně rozptýleny v matrici, protože jinak dojde k poklesu pevnosti kompozitu oproti pevnosti samotné matrice, a to i při poměrně malých podílech částic. Částice protáhlého nebo destičkovitého tvaru mohou matrici vyztužovat a zároveň významně zpevňovat - aktivní částice 9

• Aspektní (štíhlostní) poměr l/d nebo l/t • Krátká vlákna a whiskery l/d až 200. • Sférické částice mají štíhlostní poměr roven 1. 10

Kompozity vyztužené částicemi Slinuté karbidy: tvrdé částice uložené v kovové matrici. Tvrdá složka - částice karbidu wolframu o vysoké tvrdosti, tuhosti a teplotě tání (popř. částice karbidu titanu) uloženy v houževnaté matrici kobaltu. n n n Při otupení destičky dojde k vylomení částice karbidu a na hranu vystoupí nové ostré částice. Brusiva: Brusné kotouče obsahují tvrdé částice Al 2 O 3 , Si. C, kubického nitridu boru atd. umístěné v houževnaté polymerní matrici. 11

Slinuté karbidy 12

Brusné kotouče 13

Vláknové kompozity Negativní mechanické vlastnosti složek se u výsledného materiálu již neprojevují. Například kompozit obsahující křehká vlákna uložená v křehké matrici má dobrou odolnost proti křehkému lomu. Oproti homogennímu materiálu mohou být poruchy vláken i matrice četnější a přesto nevedou ke katastrofickému lomu. Příčinou je odlišný mechanizmus šíření poruch. Při šíření trhlin v matrici ve směru kolmém k ose vlákna dochází k otupování jejich čel. Trhlina se po interakci s vláknem šíří v mezifázovém rozhraní. 14

Mechanizmus interakce trhliny matrice s vláknem 15

Vlákna: Kovová - drátky z vysokotavitelných kovů - W, Mo Skleněná - sklovinu tvoří přechlazená tavenina směsi oxidů Si, Al, Ca, B, Mg Uhlíková - vyráběná z vláken polyakrylonitrilu, ropných smol nebo celulózových vláken Keramická - na bázi Al 2 O 3 Polymerní - aromatické polyamidy, ultravysokomolekulární polyetylén, LCP kopolyestery 16

Jednovrstvový kompozit s kontinuálními vlákny (a) jednosměrně uspořádanými (b) dvouose orientovanými ve tkané výztuži (výztuž v podobě tkaniny) (c) nahodile orientovanými vlákny (výztuž v podobě netkané textilie tj. rohože) (d) s víceosou výztuží (e) kompozit s krátkými (diskontinuálními) vlákny, jednosměrná orientace (f) kompozit s krátkými vlákny, nahodilá orientace 17

Lamináty Potřebná tloušťka stěny kompozitových výrobků vyztužených kontinuálními vlákny se obvykle vytváří vrstvením elementárních vrstev. Při jednosměrné orientaci vrstvy, jsou mechanické a fyzikální vlastnosti laminátu značně závislé na orientaci vrstev. Laminát se stává plošně izotropní (tj. modul pružnosti a pevnost v rovině laminátu jsou ve všech směrech stejné) až při skladbě vrstev [0°/+45°/-45°/90°] 18

Má-li mít kompozit vyztužený vlákny dobré mechanické vlastnosti ve všech směrech, je nutné použít třídimenzionální výztuž. Třídimenzionální výztuže se vyrábějí na speciálních tkacích strojích. 19

Příklady kompozitů s vyztužujícími vlákny Vyztužený beton Pneumatiky výztuž za studena tažený ocelový drát (nebo nylonová, kevlarová vlákna). Sklolaminát skleněná vlákna uložená v polymerní matrici. Skleněná vlákna se pokrývají některými organickými povlaky. Kompozity zpevněné vlákny s kovovou matricí Mají široké uplatnění při výrobě draků letadel i potahů křídel. (Al-B, Mg-B, Al-Si. C). Žárupevné kompozity - matrice ze slitiny Ni, vlákna - wolframová. 20