Ostatní výroba a technologie | 26. 6. 2019

Aplikačné možnosti použitia výstuže v kompozitných materiáloch

Úvod
Z definícií je známe, že kompozitné materiály sú tvorené minimálne z dvoch alebo viacerých chemicky rozdielnych zložiek. Kde jedna zo zložiek je označená ako matrica (je kontinuálna), druhá zložka – plnivo, je v matrici rozptýlená. [1], [2] Nasledujúca tabuľka (Tab. 1) obsahuje všeobecné informácie o vhodnosti voľby matrice pri výrobe kompozitného materiálu.

Pri voľbe druhu matrice a plniva v kompozitnom materiály je dôležité poznať a zadefinovať základné faktory, od ktorých sa odvíja spôsob prípravy a následná aplikácia materiálu.
Medzi kľúčové faktory patria:

  • vlastnosti plniva a matrice,
  • obsah plniva v kompozite,
  • ak je plnivom vlákno, dôležitá je orientácia a dĺžka vlákien,
  • spôsob výroby kompozitných materiálov.

Charakteristika vybraných druhov vlákien – výstuž kompozitného materiálu
Pri vláknach, ktoré tvoria výstuž, dôležitú úlohu zohráva orientácia vlákien. V závislosti od orientácie vlákien v matrici sa kompozitné materiály rozdeľujú na:

  • Kompozitné materiály s dlhými jednosmerne orientovanými vláknami,
  • Kompozitné materiály s dlhými plošne orientovanými vláknami (lamináty),
  • Kompozitné materiály s priestorovo orientovanými vláknami,
  • Kompozitné materiály s krátkymi neorientovanými alebo prednostne orientovanými vláknami. [3]

Pri jednosmerne orientovaných vláknach je dôležitým znakom závislosť fyzikálnych vlastností látok od smeru pôsobenia sily. Z definícií je známe, že pevnosť kompozitných materiálov v smere orientácie vlákien, t.j. pozdĺžnom, je podstatne vyššia, ako v smere kolmom na os vlákna. [1], [4] Nasledujúca tabuľka (Tab. 2) je všeobecným prehľadom mechanických vlastností zvolených vlákien, ako výstuže do kompozitného materiálu.

Tab. 1: Hlavné rozdiely vlastností konkrétneho druhu matrice [1], [2]

Tab. 2: Charakteristika zvolenej výstuže v kompozitnom materiály

Vhodnou voľbou prípravy kompozitných materiálov dosiahneme spracovateľnosť materiálu a jeho následné aplikačné možnosti do priemyslu. Zatiaľ, ešte stále najjednoduchšou technológiou prípravy kompozitných materiálov je homogenizácia jednotlivých zmesí. [5] Mechanické vlastnosti kompozitných materiálov spevnených dlhými vláknami závisia od výberu výstuže, matrice a tiež od spôsobu prípravy [6] Aramidové vlákna (Obr. 1) majú vysokú pevnosť a nízku hustotu, dôležitou vlastnosťou je, že ich použitie je v oblasti, kde je nutné zabrániť šíreniu ohňa, sú tiež priestupné pre rádiové vlny. Sklené vlákna (Obr. 2) majú najnižšiu pevnosť v ťahu. Uhlíkové vlákna (Obr. 3) majú veľmi vysokú pevnosť, tuhosť a nízku hustotu. CordEnka vlákna (Obr. 4) použité pri výskume sa vyznačujú vysokou pevnosťou.
Kompozitné materiály na polymérnej báze je možné lisovať v otvorených alebo uzatvorených formách. Uzavreté formy sa predovšetkým používajú na výrobu kompozitných materiálov s paralelnou orientáciou vlákien, lebo umožňujú celkovú kontrolu orientácie vlákien v termoplastickej matrici. Ich použitie je predovšetkým pre rozmerovo veľké výrobky. [2], [6] Spôsobom laminácie vlákien je možné vyrábať platne. Úzke miesto pri výrobe vláknových kompozitných materiálov predstavujú hlavne spoje, to znamená, že vlákna nevytvárajú spojenie so samotnou termoplastickou matricou. [7] V prípade aplikačnej možnosti laminátových kompozitných materiálov, spoje dramaticky znižujú ich pevnosť, preto sú spojenia pomocou skrutiek, nitov, klincov nevhodné. Predovšetkým je nutné si uvedomiť, že nie je vždy možné predpovedať konečnú pevnosť materiálu, spôsob a miesto porušenia. Spôsob defektu v materiály predstavuje veľké riziko, či už pri transporte alebo samotnom aplikovaní.

Obr. 1: Spôsob uloženia aramidového vlákna
v kompozitnom materiály [2]

Obr. 2: Spôsob uloženia skleného vlákna
v kompozitnom materiály [2]

Obr. 3: Spôsob uloženia uhlíkového vlákna
v kompozitnom materiály [2]

Obr. 4: Spôsob uloženia vlákna CordEnka
v kompozitnom materiály [2]

Záver
V závere možno konštatovať, čo sa pevnosti kompozitného materiálu týka, tá vo všeobecnosti rastie spolu s pomerom výstuž/matrica a tiež s orientáciou vlákien. Najvhodnejšie uloženie vlákien je paralelne so smerom zaťaženia. Platí, že čím sú vlákna dlhšie, tým je spevnenie materiálov efektívnejšie pri prenášaní samotného zaťaženia. Na druhej strane, kratšie vlákna sa ľahšie spracovávajú (s ohľadom na konkrétny výber technológie spracovania). Rastúca hrúbka materiálu vedie k úbytku pevnosti kompozitného materiálu a následné modulu pevnosti. Týmto spôsobom rastie pravdepodobnosť prítomnosti defektov a následných nepodarkov vo výrobe. Z praxe je známe, že vplyv prostredia, ako napr. vlhkosť, teplota, UV žiarenie, ale aj únavové zaťaženie, znižujú dovolenú pevnosť materiálu.


doc. Ing. Lucia Knapčíková, PhD., Ing.Paed.IGIP
Fakulta výrobných technológií TU Košice so sídlom v Prešove
e-mail: lucia.knapcikova@tuke.sk
www.fvt.tuke.sk


Použitá literatúra
[1] Knapčíková, L. Charakteristika kompozitných materiálov na polymérnej báze (2015). In: Plastics Production. Vol. 10, no. 1, p. 78–79. – ISSN 1802-1549.
[2] Knapčíková, L., Husár, J., Oravec, P.
High-Strength Fiber in Polyvinyl Butyral Matrix (2012). In: Manufacturing Engineering and Management 2012 :
Proceedings of 2nd International Conference : December 5-7, 2012, Prešov, Slovak Republic. – Prešov :
FVT TU, 2012 S. 91-93. –
ISBN 978-80-553-1216-3.
[3] Del Linz, P., Wang.Y. et al.Determining Material Response for Polyvinyl Butyral (PVB) in Blast Loading Situations, (2016).
In Experimental Mechanics, Vol. 56(9), p. 1501–1517,
DOI: 10.1007/s11340-016-0179-5.
[4] Dluhoš, J.: Materiály a technologie: Plasty a vybrané nekovové materiály, 3. st. ed., Ostrava, 1998, 141 p, ISBN 80-7042-131-2.
[5] The use of risk assessment in environmental management,
Citované [30. 11. 2016] dostupné z <http://www.eea.europa.eu/
publications/GH-07-97-595-EN­‑C2/chapter2h.html>
[6] Ptáček, L. Náuka o materiálu I., Akademické nakladatelství CERM, s. r. o., 2001, 505 p., ISBN 80-7204-193-2.
[7] Zhang, W., Ha, Y., Guan, G., Pang, B. (2005).Experimental and numerical studies of laminated glass subject to hypervelocity impact. In: Fourth ECSD. Darmstadt, Germany.