Kompozitní materiály Částicové a vláknové kompozity, výroba kompozitů Definice kompozitů ¨Kompozitem je každý vícesložkový materiál, ve kterém jsou obě složky významně zastoupeny (min. 5 obj.%) a v důsledku čehož je docíleno lepších vlastností. ¨Z přírodních materiálů jde např. o dřevo, kosti, mušle, apod. ¨Kompozity jsou známy od starověku - již před tisíciletími se používaly kompozitní materiály jako papír, slaměné cihly, …). ¨V současné době jde o konstrukční materiály s nízkou specifickou hmotností, ale s vysokou pevností, tuhostí, odolností proti abrazi apod. ¨ n ¨ ¨ Image:Taxus wood.jpg mušle-hot Image:Illu compact spongy bone.jpg Charakteristika kompozitů ¨Většina kompozitů je tvořena pouze dvěma fázemi - matricí, která je spojitá a v které je uložena dispersní fáze. ¨ ¨Vlastnosti kompozitů určují vlastnosti fází, které je tvoří - tj. relativní množství a geometrie fází (složek). ¨ ¨Kompozit je vytvářen k tomu, aby se dosáhlo co nejlepších mechanických vlastností (pevnosti a houževnatost za normálních, ale i zvýšených teplot). ¨ ¨ ¨ Rozdělení kompozitů ¨Kompozity lze rozdělit dle: ¨tvaru dispersní fáze: ¤částicové (s částicemi malými, nebo velkými) ¤vláknové (s dlouhými nebo krátkými vlákny) ¤strukturní (vrstvené) ¨typu matrice: ¤s kovovou matricí (MMC ) ¤s keramickou matricí (CMC) ¤s polymerní matricí (PMC) ¨podle struktury: ¤nanokompozity ¤mikrokompozity ¤makrokompozity ¨ ¨ Rozdělení kompozitů ¨ ¨ Pavouk kopie Částicové kompozity ¨Kompozity zpevňované: -velkými částicemi (od cca 0,1 mm výše) nebo -malými částicemi (obvykle v rozmezí 10-100 nm); ¨společným znakem obou typů je isotropie mechanických vlastností ¨Zlepšení mech. vlastností závisí na kvalitě rozhraní matrice/částice. ¨Částice nemusí mít ideální kulový tvar. ¨Efektivně zpevňují částice malé a rovnoměrně rozložené v celém objemu. ¨ ¨a) Kompozit s makročásticemi (např. beton) ¨ ¨ Částicové kompozity ¨ Beton – směs: štěrk + písek + cement (písek zaplňuje dutiny mezi štěrkem). ¨ Polymerbetony (.. +epoxidová pryskyřice) ¨ ¨b) Kompozit s mikročásticemi ¨Tyto kompozity se označují jako dispersně zpevněné (zpevnění na atomární či molekulární úrovni). ¨Zpevňující fáze může být kovová i nekovová (karbidy, oxidy, např. Al2O3). ¨ SAP (Sintered Aluminium Powder) je práškovou metalurgií vyrobený kompozit. ¨ Odlitky z Al zpevněné částicemi SiC. ¨ ¨ ¨ Částicové kompozity ¨Typ kompozitu (matrice + zpevňující fáze): ¨Al – Al2O3 a Be - BeO (Využití v kosmickém, leteckém výzkumu a jaderné technice) ¨Ni – 20% Cr – ThO2 (Komponenty turbín) ¨W – ThO2, ZrO2 (Elektrotechnika, vlákna, topná tělesa) ¨Co – WC ( Řezné destičky, slinuté karbidy) ¨ ¨ ¨ ¨ Vláknové kompozity ¨Mechanické vlastnosti vláknových kompozitů závisí na vlastnostech vláken a na přenosu sil mezi vlákny a matricí. ¨Pro optimální přenos sil je velmi významná kvalita rozhraní matrice/vlákno (např. minimum nespojitostí, křehkých fází apod.) ¨Vláknové kompozity se často vyznačují anizotropií vlastností. ¨ ¨ ¨ ¨ ¨ uspořádání vláken-hot Uspořádání vláken kompozitu: a) spojitá jednosměrně orientovaná vlákna b) nespojitá náhodně orientovaná vlákna c) spojitá ortogonálně orientovaná vlákna d) spojitá několikavrstevně uspořádaná Vláknové kompozity ¨Mechanické vlastnosti vláknových kompozitů závisí na: -vlastnostech vláken a na přenosu sil mezi vlákny a matricí. -objemovém množství vláken a jejich orientací. - ¨ ¨ ¨ ¨ Materiály vláken ¨Materiály vláken: ¤Whiskery (monokrystalická vlákna) •grafit, SiN, SiC •vysoká dokonalost krystalu a z ní plynoucí vysoká (téměř teoretická) pevnost ¤Vlákna • polymerní nebo keramická (polykrystalická nebo amorfní) • např. Al2O3 , Aramid, Bor, .. ¤Dráty • Kovy – ocel, Mo, W ¨ - ¨ ¨ ¨ ¨ Vlákna - pevnost Strukturní kompozity ¨Strukturní kompozity jsou tvořeny z vrstev různých materiálů, které mají vliv na výsledné vlastnosti – pevnost, tvrdost, korozní odolnost (např. i plechy zpevněné vlákny). ¨Patří sem i tenké povlaky, bimetaly, ale především lamináty a mikrolamináty (kompozity, ve kterých se střídají vrstvy Al a polymeru, zpevněného vlákny). ¨Arall (aramid-Al) a Glare (sklohliníkový laminát). ¨ - ¨ ¨ ¨ ¨ Fig 16_18 Výroba kompozitů ¨Při výrobě složených materiálů je třeba zaručit zejména tyto podmínky: ¨rovnoměrné uložení zpevňujících vláken (částic) ve vrstvě, ¨dobré spojení vláken (částic) s matricí. ¨Výroba kompozitního materiálu s matricí v tuhém stavu: ¨lisování za tepla, ¨válcování za tepla, ¨plazmový nástřik, ¨Výrobu kompozitního materiálu s matricí v tekutém stavu: ¨nanášení tekutého kovu na zpevňující vlákna, ¨kontinuální lití, ¨zalévání zpevňujících vláken. ¨ Výroba kompozitů ¨ Jiné způsoby výroby: technologie práškové metalurgie. ¨ ¨a) Výroba částicového ¨kompozitu (lisování Ag-W): ¨ ¨ ¨ ¨b) Výroba vláknového kompozitu (válcování, odlévání): ¨ - ¨ ¨ ¨ ¨ Použití kompozitů ¨Částicové kompozity - jsou používány např. jako součásti turbinových motorů, v letectví, v jaderné energetice (elektrické kontakty, brusné a řezné kotouče). ¨Vláknové kompozity se uplatňují např. v letectví, kosmonautice nebo automobilovém průmyslu, ve sportu (hokejky, golfové hole, lyže, rybářské pruty aj.). ¨Laminární kompozity jsou často navrhovány pro aplikace s vysokou odolností proti korozi nebo abrazi, apod. ¨ - ¨ ¨ ¨ ¨ V idr010504_1_p3 Závěr ¨Literatura: ¨[1] Askeland, D.R. The Science and Engineering of Materials. Chapman & Hall, 1996. ¨[2] Ptáček a kol. Nauka o materiálu I a II. CERM, 2003, 520+396 s. ¨[3] Hluchý, M., Kolouch, J. Strojírenská technologie 1. Scientia, 2007, 266 s. ¨[4] internet ¨[5] internet < http://ime.fme.vutbr.cz/studijni opory.html > ¨ ¨ 0471736961!w234