Druhy výztuží

Zdroj: GRAYSON, M. Encyclopedia of composite materials and components. New York: J. Wiley, c1983

2.3 Matrice

U vláknového kompozitu slouží matrice k fixaci a přenáší namáhání do vláken, jakožto výztuže. Matrice mohou být kovové, keramické nebo polymerní. U polymerních matric je výhodou jejich nízká hustota.⁸

Pro správnou funkčnost kompozitního materiálu je třeba správně stanovit jak použitý druh výztuže, tak i použitý druh matrice. Zejména pokud má být prvek namáhán staticky, či dynamicky a zda bude použit při vysokých nebo nízkých teplotách. Je třeba si uvědomit, že matrice má také vysoký vliv na chování celého kompozitu.⁹

7 DAĎOUREK, K. Kompozitní materiály - modely a vlastnosti. Liberec: Technická univerzita v Liberci, 2005. ISBN 80-7083-972-4 str. 12-14

8 AGARWAL, B. a BROUTMAN, L. Vláknové kompozity. Str. 14

9 BAREŠ, R. Kompozitní materiály. Str. 272

18

Polymerní matrice jsou u vláknových kompozitů matricemi s nejdelší historií.

Standardně se používají matrice z reaktoplastů. Levnější variantou jsou pak matrice zhotovené z termoplastů.

Termoplastové matrice jsou oproti reaktoplastovým levnější přibližně o 25 až 80 %.

Nejvíce používanými termoplasty pro výrobu matric vláknových kompozitů jsou polyamid, polyethylen, polypropylen, polykarbonát a jiné. Jako výztuž této matrice se nejčastěji používají uhlíková, aramidová, nebo skleněná vlákna. Vlastnosti kompozitu s touto matricí jsou ovlivněny mj. výrobním postupem, například orientací vláken v prostoru a ploše, distribucí délek a stupněm porušení vláken.10

Reaktoplastové matrice jsou nejrozšířenějšími matricemi ve vláknových kompozitech.

Jedním z prvních sériově vyráběných kompozitů byly právě kompozity utvořené s reaktoplastovou matricí. Tento objev, použití reaktoplastů se skelnými vlákny, jakožto výroby kompozitu se datuje do roku 1906. Nejčastěji se používají v kombinaci se skleněnými vlákny, avšak používají se i vlákna uhlíková, keramická, kevlarová, či vlákna z přírodních materiálů (juty, lnu, nebo sisalu) atd.

Mezi nejčastěji používané matrice patří polyester, epoxid a fenol. Z těchto matric je nejčastěji používán polyester. Například díky polyesterovým pryskyřicím lze dosáhnout vynikajících mechanických, elektrických a chemických vlastností v kombinaci se skleněnými vlákny.

Výborné mechanické a elektrické vlastnosti mají také epoxidy. Nicméně pouze za předpokladu, že poměr výztuže je vysoký. Používají se například v kombinaci se skleněnými vlákny nebo vlákny uhlíkovými.

Fenolové pryskyřice se používají díky vysoké tepelné odolnosti, jak proti vysokým teplotám, tak i ohni. Zároveň tyto pryskyřice potlačují plamen při hoření. Tato matrice se nejčastěji volí při výrobě různých elektrospotřebičů.11

10 BAREŠ, R. Kompozitní materiály. Str. 279

11 DAĎOUREK, K. Kompozitní materiály - druhy a jejich užití. Str. 47-48

19

2.4 Výztuže

Jak již bylo řečeno, výztuže můžeme dělit na částicové a vláknové. U materiálů vyztužených částicemi s průměrem a vzdáleností větší než 1 µm a objemovou koncentrací větší než 25 % dochází k dělení zatížení mezi matricí a výztuhou. Matrice je zde zpevněna tím, že částice omezují deformace matrice mechanickým odporem.¹² 2.4.1 Vláknové kompozity

Vláknové kompozity můžeme dělit na jednovrstvé a vícevrstvé. Jednovrstvé kompozity můžou být tvořeny z několika vrstev se stejnou orientací a stejnými vlastnostmi. Proto lze považovat celý laminát za jednovrstvový kompozit. U vícevrstvého kompozitu lze tedy říci, že se skládá z několika vrstev (lamin), kde každá vrstva má svojí orientaci a tudíž se jedná o několik lamin jednovrstvového kompozitu. Podle potřeby pak lze kompozit vyztužit buď krátkými vlákny (diskontinuitními) nebo vlákny dlouhými (spojitými). Délka vláken značně ovlivňuje vlastnosti a chování daného kompozitu.

Dlouhá vlákna (spojitá) v jednovrstvovém kompozitu mohou být orientována jedním směrem a tudíž mohou tvořit jednosměrný kompozit. Tyto kompozity lze vyrobit prosycením vláken pryskyřicí, nejčastěji se jedná o pryskyřici polyesterovou nebo epoxidovou. Takto předem impregnované vlákenné vrstvy se nazývají prepregy.13 Mezi vlákenné výztuže patří tyto skupiny vláken:

 přírodní vlákna,

12 BAREŠ, R. Kompozitní materiály. Str. 87-88

13 AGARWAL, B. a BROUTMAN, L. Vláknové kompozity. Str. 14 – 17

20

Průměr použitých vláken je velmi rozdílný v závislosti na užitých vláknech. Průřez vlákna se může pohybovat od několika stovek nanometrů až k desítkám mikrometrů i více.¹⁴

2.4.2 Působení vláken v kompozitu

Rozdílem mezi svazkem vláken a vláknovým kompozitem je takový, že pokud praskne jednotlivé vlákno v kompozitu, může být zatížení z konce vlákna přeneseno smykem do matrice a za místem porušení na druhé straně lomu, může opět přejít do vlákna.

Prasklé vlákno tedy může i nadále přenášet zatížení.¹⁵

Důležité je také to, zda jsou vlákna v kompozitu uložena v jednom směru, nebo jsou orientována zcela nahodile. Díky tomu zde můžeme využívat tzv. řízenou anizotropii, což znamená, že určitý podíl hodnot vlastností v jakémkoliv směru lze měnit. Například můžeme měnit poměr pevnosti podélné a příčné pouhým objemem vláken v jednosměrném vlákenném kompozitu. Například jednosměrný kompozit vyztužený spojitým vláknem funguje tak, že břemeno, tedy zatížení, působí přímo na vlákno a matrice zde funguje pouze jako pojivá a ochranná složka. Toto ovšem funguje především tehdy, pokud používáme vysokomodulová vlákna o velkých koncentracích.16

2.5 Použití kompozitů

Největším pokrokem v konstrukčním využití vláknových kompozitů je rozvoj jejich využití v leteckém a kosmickém průmyslu. Tyto výzkumy byly financovány ze státního rozpočtu. Například v roce 1970 byla zkonstruována ocasní část letadla F 14 z kompozitu epoxid - borové vlákno. Cena byla sice vyšší než při použití kovových materiálů, ale zde bylo hlavním úkolem zredukovat váhu dílu.17

V dnešní době se kompozity objevují v každém odvětví průmyslu, nicméně nejznatelnější využití mají kompozity v leteckém a raketovém průmyslu. Právě díky kompozitu s epoxidovou matricí, ve které byla jako výztuha disperze borových vláken,

14 DAĎOUREK, K. Kompozitní materiály - druhy a jejich užití. Str. 26

15 DAĎOUREK, K. Kompozitní materiály - modely a vlastnosti. Str. 28

16 AGARWAL, B. a BROUTMAN, L. Vláknové kompozity. Str. 17 – 19

17 BAREŠ, R. Kompozitní materiály. Str. 289

21

se zmenšila hmotnost nosníku až o 44 % v porovnání s původním ocelovým nosníkem.

Nicméně tyto materiály jsou většinou dražší, než materiály klasické a proto je potřeba jejich použití předem dobře zvážit. Během roku 2000 byla u automobilů průměrná hmotnost použitých kompozitů 33,5 kg. V roce 2005 vzrostla tato hmotnost až na 37,2 kg. Stejně tak se použití kompozitů nevyhnula ani lodní doprava. Dále se z nejrůznějších kompozitů vyrábějí lopatky pro tryskové motory, ochranné pláště nebo dokonce i rotory vrtulníků.18

2.5.1 Použití kompozitů s výztuhou z přírodních vláken

Použití přírodních vláken se vyskytuje nejen v automobilovém průmyslu, ale směřuje i do ostatních odvětví. Mezi největší výhody těchto vláken zpravidla patří jejich nízká cena, ale i nízká hmotnost, netoxičnost a snadná recyklovatelnost bez uhlíkové stopy a bez využití neobnovitelných zdrojů. Dnes jsou přírodní vlákna používána jak pro výrobu kompozitů do interiéru, tak i exteriéru vozidla. Tyto kompozity se používají například při výrobě karosérií automobilu Fiat FCC II, nebo pro různé díly Mercedesu třídy C.19

2.6 Testování kompozitů na mechanické vlastnosti

Jedná se o zkoušku, která testuje vrubovou houževnatost. Základem přístroje pro měření je kladivo, které se při zahájení zkoušky uvolní a narazí do vzorku. Přístroj zaznamená potřebnou energii k průrazu materiálu a tím získá hodnoty, které jsou nutné pro získání vrubové houževnatosti. Tyto testy se často dělají na vzorcích při různých teplotách20

Nicméně v této práci nebude tento test dále popisován, z důvodu nepoužití při testování vzorků v části experimentální.

18 DAĎOUREK, K. Kompozitní materiály - druhy a jejich užití. Str. 103-107

19 LENDFELD, P. Kompozity s přírodními vlákennými plnivy kokosu [online]. MM Spektrum. Liberec:

Technická univerzita v Liberci. [cit. 2017-03-18]. Dostupné z:

http://www.mmspektrum.com/clanek/kompozity-s-prirodnimi-vlakennymi-plnivy-kokosu.html

20Steel University.Introduction to Chapry Testing [online]. [cit. 2017-04-29]. Dostupné z:

https://web.archive.org/web/20071107034747/http://www.steeluniversity.org/content/html/eng/default.as p?catid=151&pageid=2081271949

22 2.6.2 Pevnost a tažnost

Klasické plošné textilní materiály jsou zkoušeny dle normy ČSN EN ISO 13934-1.

U materiálů kompozitních vyztužených přírodními vlákny je používána norma ČSN EN ISO 527-4.

Pevnost a tažnost patří mezi nejvýznamnější zkoušky mechanických vlastností u textilních materiálů. Podstatou zkoušky je plynulé zatěžování vzorku, který je upnut v čelistech trhacího stroje. Jakmile dojde k porušení celistvosti materiálu, přístroj vyhodnotí maximální pevnost v tahu Fmax [N] a patřičnou tažnost Amax, která je v mm nebo je vztažena procentuálně na upínací délku vzorku v procentech (1),

]

Dále je vhodné hodnotu dosažené nejvyšší síly přepočítat na napětí σm (2). Jeho hodnota se stanoví jako normálová síla Fmax působící kolmo k zatěžované průřezové ploše S0.