Kompozitní materiály
Kompozit - komposite ⇒ compositus ⇒ složený - materiál vyrobený umělým a vědomým způsobem, složený z minimálně dvou fází oddělených čirými rozhraními, kde jedna z fází je zpevňující fáze. Kompozitní materiál (neboli kompozit) je materiál s heterogenní strukturou, složený ze dvou nebo více složek (fází) s různými vlastnostmi.
Vlastnosti kompozitu nejsou nikdy součtem nebo průměrem vlastností jeho složek. Nejčastěji je jednou ze složek pojivo, které zaručuje jeho konzistenci, tvrdost, pružnost a odolnost proti stlačení, a druhou, tzv. konstrukční složka poskytuje většinu zbývajících mechanických vlastností kompozitu.
Moderní vývoj kompozitních materiálů však začal až po zvládnutí procesu výroby syntetické pryskyřice, která je základem pro výrobu laminátů. Jedním z prvních kompozitů na bázi těchto pryskyřic byl bakelit, první zástupce fenolů. Rychlý rozvoj kompozitních materiálů během druhé světové války a po ní souvisel také s rostoucí poptávkou leteckého a automobilového průmyslu po lehkých a odolných materiálech, kterými by bylo možné nahradit ocel a jiné kovy. V současné době se kompozity používají v mnoha technologiích – od implantátů používaných v medicíně až po levné konstrukční materiály používané ve stavebnictví.
Typy kompozitů
Kompozitní materiály dělíme na:
• Konstrukční kompozity, ve kterých jsou spojité struktury konstrukčních prvků - vrstvy (např. překližka), tyče (např. železobeton) nebo pravidelné trojrozměrné struktury, např. připomínající voštinu;
• Lamináty, které se skládají z vláken uložených v pojivech. Podle způsobu uspořádání vláken rozlišujeme kompozitní pásky - vlákna uspořádaná v jednom směru, kompozitní rohože - ve dvou na sebe kolmých směrech nebo neuspořádané, např. pykret;
• Mikrokompozity a nanokompozity, ve kterých je pravidelná struktura dvou nebo více složek organizována na nadmolekulární úrovni. Tyto typy kompozitu se vyskytují v přírodních organismech – například dřevo je druh mikrokompozitu, který se skládá z celulózových vláken „slepených“ ligninem organizovaných ve zkroucených svazcích. V současné době jsou v rámci nanotechnologického výzkumu prováděny pokusy o umělé získávání tohoto typu kompozitu;
• Strukturní slitiny, které jsou typem kovových slitin, kovy s nekovy, polymery mezi sebou navzájem a polymery s kovy a nekovy s velmi pravidelnou mikrostrukturou. Příkladem tohoto typu kompozitu je damašková ocel a dural.
Typy kompozitů
Kompozitní materiály dělíme na:
• Konstrukční kompozity, ve kterých jsou spojité struktury konstrukčních prvků - vrstvy (např. překližka), tyče (např. železobeton) nebo pravidelné trojrozměrné struktury, např. připomínající voštinu;
• Lamináty, které se skládají z vláken uložených v pojivech. Podle způsobu uspořádání vláken rozlišujeme kompozitní pásky - vlákna uspořádaná v jednom směru, kompozitní rohože - ve dvou na sebe kolmých směrech nebo neuspořádané, např. pykret;
• Mikrokompozity a nanokompozity, ve kterých je pravidelná struktura dvou nebo více složek organizována na nadmolekulární úrovni. Tyto typy kompozitu se vyskytují v přírodních organismech – například dřevo je druh mikrokompozitu, který se skládá z celulózových vláken „slepených“ ligninem organizovaných ve zkroucených svazcích. V současné době jsou v rámci nanotechnologického výzkumu prováděny pokusy o umělé získávání tohoto typu kompozitu;
• Strukturní slitiny, které jsou typem kovových slitin, kovy s nekovy, polymery mezi sebou navzájem a polymery s kovy a nekovy s velmi pravidelnou mikrostrukturou. Příkladem tohoto typu kompozitu je damašková ocel a dural.
Kompozity vyztužené vlákny nyní dominují na trhu s kompozitními materiály. Vlákna použitá při jejich výrobě mohou být kontinuální nebo nespojitá, to znamená krátká nebo sekaná. Objemový podíl vláken v kompozitech může být až 90 %. V kompozitech tohoto typu jsou zatížení přenášena vlákny. U kompozitů vyztužených vlákny hraje zvláštní roli matrice, která do jisté míry ovlivňuje celkovou pevnost kompozitu. Jejími nejdůležitějšími úkoly jsou:
a) umožnění tvarování kompozitu,
b) zajištění vlákna proti mechanickému poškození,
c) přenášení zátěže na vlákna,
d) zajištění dobré soudržnosti s vlákny,
e) zabránění mechanickému poškození vláken,
f) v případě výroby kompozitů s tekutou matricí by měl zajistit smáčení vláken.
Negativní faktory související s matricí, které oslabují kompozit, jsou:
a) poréznost,
b) nechtěné vměstky a inkluze,
c) oddělování nečistot na kontaktní hranici vlákna a matrice,
d) reakce matrice s vlákny.
Pro detekci cizích těles a inkluzí ve výrobním procesu doporučujeme systém PI-OPTISCAN. Pro on-line kontrolu gramáže a tloušťky kompozitů (např. prepregů) doporučujeme systém PI-SCANPRO.
a) umožnění tvarování kompozitu,
b) zajištění vlákna proti mechanickému poškození,
c) přenášení zátěže na vlákna,
d) zajištění dobré soudržnosti s vlákny,
e) zabránění mechanickému poškození vláken,
f) v případě výroby kompozitů s tekutou matricí by měl zajistit smáčení vláken.
Negativní faktory související s matricí, které oslabují kompozit, jsou:
a) poréznost,
b) nechtěné vměstky a inkluze,
c) oddělování nečistot na kontaktní hranici vlákna a matrice,
d) reakce matrice s vlákny.
Pro detekci cizích těles a inkluzí ve výrobním procesu doporučujeme systém PI-OPTISCAN. Pro on-line kontrolu gramáže a tloušťky kompozitů (např. prepregů) doporučujeme systém PI-SCANPRO.
Příklad systému PI-SCANPRO na lince s prepregem z uhlíkových vláken
Příklad systému PI-SCANPRO integrovaného s linkou vyrábějící sklolaminát
Námi doporučená zařízení pro měření a kontrolu kompozitních materiálů:
