prezentace aplikace powerpoint dad... · 2010-10-11 · • přírodní whiskery některých...
TRANSCRIPT
Druhy vláken
Technická univerzita v LiberciKompozitní materiály, 5. MI© Doc. Ing. Karel Daďourek
2008
Druhy různých vláken
• Přírodní vlákna• Skleněná vlákna• Uhlíková a grafitová vlákna• Aramidová a silonová vlákna• Keramická vlákna• Kovová vlákna• Whiskery
Průměry různých vláken
Rozdělení vláken
• Do průměru 100 nm – nanovlákna• 0,1 až 1 µm – mikrovlákna – whiskery• 1 až 10 µm – střední vlákna – uhlíková,
skleněná, textilní - nejčastější• Nad 10 µm – hrubá vlákna – B, TiB2,
SiC a p.
Monofil a multifil• Jedno vlákno - monofil• Spředená textilní vlákna - multifil• 1 tex - hmotnost 1 km vlákna v g
- údaj o tloušťce T (tex ≡ g/km)• m = ρ*V …. Plocha vlákna
S = 10-9 * T / ρ • Lépe S = 10-3 * T / ρ
( mm2, tex, g/cm3 )• Pro kruhový průřez
d =18 * T / ρ ( µm, tex, g/cm3 )• Pro jednotkovou hustotu (plasty)
1 tex ~ 1000 µm2 ~ 18 µm• Pro pevnost vláken platí
1 N / tex = s GPa, kde s je hustota v g/cm3,
pro jednotkovou hustotu 1 N / tex = 1 GPa
Monofil
Multifil - spojitá vlákna
Multifil - krátká vlákna
Mikrostruktura multifilu
Vzhled multifilu
Přírodní vlákna• Len, bavlna, kokosová vlákna, sisal a p.• Základem je celuloza• Pevnost okolo 0,9 GPa• Youngův modul okolo 100 GPa• Moderní – celulozová nanovlákna
např rozvlákněním dřeva• Velmi aktuální pro rozvojové země• Dobré i pro ekologii – přirozeně degradují
Bavlněné vlákno
Vlevo mikrosnímek, vpravo struktura. K – kutikula (povrchová ochranná vrstva), P, S, T – primární, sekundární a terciární
vrstva lamel, L – lumen – centrální dutina ve vlákně.F – ukázka fibrilární struktury lamely.
Vlastností přírodních vláken
Vlákno : Hustota (g/cm3) :
Mez pevnosti (MPa) :
Youngův modul (GPa) :
Tažnost (%) :
Konopí 1,5 460 70 1,7
Juta 1,3 440 60 2,0
Len 1,5 340 100 1,8
Bavlna 1,5 300 27 10
Druhy skleněných vlákenOznačení skla
Použití Složení v % : Pevnost (GPa)
Prodloužení při lomu (%)
E Elektrické izolace 55 SiO2, 11 Al2O3, 6 B2O5, 18 CaO, 5 MgO
3 3
S Vysokopevnostní kompozity
65 SiO2, 25 Al2O3, 10 MgO 5 5
A Tepelné izolace 72 SiO2, 1 Al2O3, 3 MgO, 10 CaO, 14 K2O
C (Pyrex) Chemické aplikace 65 SiO2, 4 Al2O3, 6 B2O3, 3 MgO, 14 CaO, 9 K2O
2 2
Výroba skleněných vláken
Pevnosti skleněných vláken
1,62,85Pevnost po zpracování GPa
235Prodloužení při lomu %
23,77Pevnost výchozí GPa
Pyrex ( C )
E skloS skloVlákno
Tepelné vlastnosti
13255Tepelná roztažnost 10-6 K-1
1718810,4Tepelná vodivost W/mK
OcelhliníkE sklomateriál
Další vlastnosti
• Hustota okolo 2,5 g / cm3
• Tuhost zhruba jako hliník – 1/3 tuhosti oceli E = 80 až 100 GPa
• Běžné lahvové – A sklo• Malá odolnost skelných vláken únavě• Rozpor mezi vysokou pevností a
vysokou smáčivostí
Vliv povrchových činidel
Uhlíková a grafitová vlákna• Mají asi desetinásobnou tuhost a poloviční
hustotu proti skleněným• Pevnost nižší než u skla nebo aramidu• Vynikající tepelné vlastnosti, pokud jsou
chráněna před oxidací• Stabilní do 1000 oC, při ochraně před oxidací
do 2000 oC• Minimální teplotní roztažnost, dokonce někdy
smrštivost• Do 1000 oC jsou chemicky inertní• Na rozdíl od skla velká odolnost únavě
Další vlastnosti
• Uhlíková vlákna jsou elektricky vodivá• Nejlevnější stojí dvojnásobek proti sklu,
nejkvalitnější až stonásobek• Jsou velmi silně anizotropní – ve směru
osy a kolmo na osu A = 100• Obsahují různé procento grafitu
Vývoj použití uhlíkových vláken
Vývoj ceny uhlíkových vláken
Krystalická struktura grafitu
Tabulka základních vlastností
2,2652,2653,3Hustota g / cm3
0,5 - 10,5 - 110Tvrdost Mohs36,510601200E GPa
27*10-6-1,5*10-60,8*10-6Tep. roztaž. 1/K62000900Tep. vod. W/mK0,0525010-15El. vodiv. 1/Ωm0,3340,1420,154Délka vazby nmGrafit aGrafit cdiamantVlastnost :
Grafit c – v bazální rovině, Grafit a – ve směru kolmém
Úhlová závislost pro E
Struktura grafitového vlákna
Produkty z uhlíkových vláken
PAN – výchozí surovina
Postup výroby• Prekursor – PAN vlákna• Stabilizace – oxidace 1 – 2 hodiny při 200 –
300 oC na vzduchu• Karbonizace – 30 – 60 vteřin při 1200 až
1500 oC v dusíku• Grafitizace – 15 – 20 vteřin při 2000 až 3000
oC v dusíku s argonem• Povrchová úprava – leptání kyselinou
dusičnou
Vliv teploty na vlastnosti
Základní vlastnosti grafitových vláken
400240E GPa
vysokomodulovávysokopevnostníVlákna
0,51,2Prodl. %
2,13,1Ru GPa
HMHToznačení
Aramidová a nylonová vlákna
Polyamid - nylon
Aromatický polyamid – aramid- kevlar
Kevlarová vlákna• Pevnost okolo 2,8 GPa• Při hustotě 1,44 g/cm3 vynikající poměrná
pevnost – pětinásobek oceli• Deformace při lomu poněkud menší než u
skla, ale větší než u grafitu• Při dlouhodobém zahřívání nad 175 oC
degradují vlastnosti• Mají záporný koeficient teplotní roztažnosti• Jsou v zásadě chemicky odolná, napadána
jen silnými kyselinami a louhy• Degradují v UV záření za přítomnosti kyslíku
Základní vlastnosti - porovnání
220427,86ocel
3723,42,54E-sklo
2,4133,62,811,45Kevlar49
463,32,811,44Kevlar
185,621,021,14Nylon
Prodl. %E GPaRu GPas g/cm3vlákno
Keramická vlákna• Velká teplotní odolnost a stabilita• Použití v MMC a CMC pro vysoké teploty• Vysoká tuhost• Malá tepelná roztažnost• Malá závislost pevnosti na teplotě• Na rozdíl od uhlíku a aramidu vydrží i větší
tlak• Jsou k dispozici jako monofil, textilní vlákna
nebo whiskery
Poměr velikostí keramických vláken
Základní vlastnosti
11
Mezní deformace %
3,22402,5spinel
3,93851,4korund
2,552402,8SiC
2,1972,55,8křemen
s g/cm3E GPaRu GPaVlákno
Vliv štíhlosti-keramická vlákna mívají často malou štíhlost-To snižuje dosažitelnou pevnost kompozitu-Znatelný vliv má pokles štíhlosti až pod 5, pak již nejde o vlákna, ale spíše tyčinky-Velké průměry u monofilu zlepšují pevnost v tlaku
Kovová vlákna• Jedny z nejlacinějších• Ocelová vlákna pro zpevnění lehkých
slitin• Wolframová vlákna – na zpevňování
žáropevných materiálů, ale těžká• Velmi zajímavá jsou borová vlákna, ale
nesnadná výroba. Velmi lehká• Nový výzkum vláken z kovových skel
Borová vlákna• Vyrábějí se
chemickou depozicí z par BCl3 na W drát – vydrží do 450 oC, pak oxidace povrchu
• Borsic – obrázek vedle – vydrží do 700 oC
• Rozměry na obrázku v µm
Základní vlastnosti
7,82101,5ocel
1,832401,4berylium
19,34144,2wolfram
2,633852,8bor
s g/cm3E GPaRu GPaVlákno
Whiskery• Průměr pod 1 µm, délka 3 – 4 mm, štíhlost
nad 1000• Speciální způsob pěstování – obsahují jen
jednu šroubovou dislokaci uprostřed• Lze získat z řady látek kondenzací z par.• Nutno rozeznávat od monokrystalických
vláken• Pevnost se blíží teoretické hodnotě –
desetina Youngova modulu• Přírodní whiskery některých keramik - asbest
Pracovní diagram whiskeru
• Má extremně vysokou pevnost, po jejím překročení se chová jako normální krystal
Ruw – mez pevnosti whiskeruRum – mez pevnosti monokrystaluεu – mezní deformace
Nebezpečnost whiskerů• Whiskery látek,
které se v těle nerozkládají, mohou být karcinogenní.
• Délka 5 až 50 μm, průměr 0,1 až 2 μm.
• Trvale dráždí plíce – jako asbest
Základní vlastnosti whiskerů
700192,26C
380143,18Si3N4
240213,17SiC
470153,96Korund
E GPaRu GPas g/cm3whisker
Porovnání všech vlákenE Gpa Ru Gpa s g/cm3 bod tání prodl % spec Ru spec E
e-sklo 72,4 2,4 2,54 850 3 0,944882 28,50394s-sklo 85,5 3,1 2,48 970 5 1,25 34,47581HM grafit 400 2,1 1,9 3650 0,5 1,105263 210,5263HT grafit 240 3,1 1,9 3650 1,2 1,631579 126,3158bor 385 2,8 2,63 2300 1,064639 146,3878křemen 72,5 5,8 2,19 1660 11 2,648402 33,10502wolfram 414 4,2 19,3 3400 0,217617 21,45078berylium 240 1,3 1,83 1284 0,710383 131,1475nylon 5,7 1 1,14 18 0,877193 5kevlar 29 63 2,8 1,4 4 2 45kevlar49 134 2,8 1,5 2,4 1,866667 89,33333ocel 210 1,5 7,8 1500 2 0,192308 26,92308korund-wh 470 20 3,96 2072 5,050505 118,6869SiC - wh 470 20 3,17 2200 6,309148 148,265Si3N4 - wh 380 10 3,18 1900 3,144654 119,4969