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.









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





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. Al[2]O[3]).

    SAP (Sintered Aluminium Powder) je práškovou metalurgií vyrobený kompozit.

    Odlitky z Al zpevněné částicemi SiC.







Částicové kompozity

Typ kompozitu (matrice + zpevňující fáze):

Al – Al[2]O[3 ] a Be - BeO  (Využití v kosmickém, leteckém výzkumu a jaderné technice)

Ni – 20% Cr – ThO[2 ]   (Komponenty turbín)

W – ThO[2], ZrO[2 ]  (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.











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. Al[2]O[3] , 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).













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.













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 <http://ime.fme.vutbr.cz/vyukazs.html>

[5] internet < http://ime.fme.vutbr.cz/studijni opory.html >