włókna techniczne do wzmacniania kompozytów.pdf
(
584 KB
)
Pobierz
Włókna techniczne wzmacniające materiały
kompozytowe
M. Fejdyś, M. Łandwijt
Instytut Technologii Bezpieczeństwa “MOATEX”
Publikacja powstała w ramach realizacji projektu
„Nowoczesne technologie dla włókiennictwa. Szansa dla Polski”,
nr umowy POIG.01.01.01-00-005/09-00, współinansowanego
przez Europejski Fundusz Rozwoju Regionalnego
Wstęp
Obecnie postęp technologiczny jest nierozerwal-
nie związany z inżynierią materiałową, która zaj-
muje się tworzeniem nowych materiałów. Inżynie-
rowie konstruując innowacyjne materiały opierają
się na projektowaniu uwzględniającym warunki eks-
ploatacji oraz obciążenia, którym będzie on poddany.
Tym wymaganiom mogą sprostać materiały kompo-
zytowe. Włókna szklane, węglowe, aramidowe, polie-
tylenowe, polipropylenowe i ceramiczne, omówione
w tym artykule, zyskały bardzo szerokie zastosowa-
nie przy wzmocnieniu materiałów kompozytowych,
zwłaszcza o matrycy polimerowej. Włókno i polimer
(matryca) tworzące kompozyt różnią się właściwoś-
ciami mechanicznymi, cieplnymi oraz charakterem
odkształceń i dlatego wzmocnienie polimerów włók-
nami jest bardzo efektywne. Właściwości kompozytu
nigdy nie prezentują sumy czy średniej wartości po-
szczególnych właściwości jego składników. Generalnie
rola matrycy polega na ochronie materiału wzmacnia-
jącego, przenoszeniu na niego naprężeń zewnętrznych
i nadawaniu żądanego kształtu wytworzonej części
kompozytowej, natomiast funkcja materiału wzmac-
niającego sprowadza się do zapewnienia kompozytowi
wysokich właściwości mechanicznych i wzmocnienia
matrycy w selektywnych kierunkach.
Prezentowane typy włókien posiadają właściwości
pozwalające na ich racjonalne wykorzystanie w pro-
jektowaniu wyrobów kompozytowych przeznaczo-
nych do pracy w zróżnicowanych warunkach. Włókna
szklane w matrycy polimerowej powszechnie są stoso-
wane w lotnictwie i przemyśle motoryzacyjnym. Moż-
na przyjąć, że obok czynnika kosztowego największym
atutem włókien szklanych w kompozytach polimero-
wych jest ich duża zdolność do pochłaniania energii.
Włókna węglowe szczególnie znalazły zastosowanie
do wyrobów kompozytowych eksploatowanych w wil-
goci i przy zmiennych obciążeniach. Do typowych za-
stosowań włókien węglowych należą materiały kom-
pozytowe stosowane w lotnictwie, na produkty spor-
towe, m.in. kije do gry w golfa, ramy rowerów oraz licz-
ne artykuły powszechnego użytku, w tym w technice
komputerowej. Włókna aramidowe i ceramiczne wy-
kazują bardzo dobre własności użytkowe, jednak z po-
wodu zbyt wysokiej ceny wykorzystywane są przede
wszystkim w konstrukcjach, których wyznacznikiem
nie jest koszt, lecz prezentowane właściwości. Bez wąt-
pienia rola kompozytów polimerowych będzie ciągle
rosła, stanowią one odpowiedź na rosnące zapotrzebo-
wanie przemysłu [1–4].
1. Włókno
Istnieją dwa podstawowe typy włókien szklanych-
–E i S. Pierwszy z nich ma gorsze właściwości mecha-
niczne (sprężyste, wytrzymałościowe, zmęczeniowe,
udarnościowe, termiczne, reologiczne), ale znacznie
niższą cenę niż typ S, który produkowany jest z prze-
znaczeniem dla przemysłu obronnego. Wśród włókien
szklanych można wyróżnić włókna o wysokiej odpor-
ności na korozję ECR, o niskiej stałej dielektrycznej D
oraz włókna o bardzo wysokiej wytrzymałości z czy-
stej krzemionki lub kwarcu, które mogą być stosowane
w wysokiej temperaturze. Ponadto stosowane są włók-
na klasy A i C, włókna kanalikowe i dwuskładnikowe
(Tabela 1) [1].
1.1. Metody wytwarzania
Włókna szklane wytwarzane są przez topienie szkla-
nych kulek w wannach zaopatrzonych w system otwor-
ków o średnicy 0,5-3 mm, przez które wypływa stopio-
na masa i wyciągane są włókna, lub przez dozowanie
stopionej masy szklanej do specjalnie podgrzewanych
łódek platynowych, z których włókna są wyciągane
(Rys 1). Masa szklana po stopieniu przetrzymywana
jest w stałej temperaturze celem jej ujednorodnienia
i osiągnięcia określonego stopnia lepkości. Niekorzyst-
ną cechą włókien szklanych jest ich wrażliwość na dzia-
łanie wody, ponieważ wypłukuje ona sole metali alka-
12
Techniczne Wyroby Włókiennicze 2010
pozwala na zachowanie w większym stopniu wytrzy-
małości pierwotnej włókna elementarnego i zapew-
nia pasmu rowingu wytrzymałość około 10% więk-
szą niż preparacja zwykła. Preparacja ta zwana HTS
(ang. High Tensile Strenght) jest stosowana zarówno
na rowingu ze szkła E, jak i ze szkła S oraz jest przydat-
na szczególnie do laminatów epoksydowych [2].
1.2. Charakterystyka
Włókno szklane jest stosowane w postaci rowingu,
tj. pasm włókien połączonych ze sobą bez skrętu i po-
krytych preparacją, oraz wykorzystywane jest również
w postaci tkanin o różnym splocie, rowingu ciętego,
włókien mielonych, mat wykonywanych z rowingu
ciętego połączonego lepiszczem, itd.
Cechą charakterystyczną włókien szklanych jest wy-
soka wytrzymałość na rozciąganie przy stosunkowo
niskim module Younga (mała sztywność), natomiast
wysokim module sprężystości przy ścinaniu. Cechy
wytrzymałościowe włókna szklanego zależą od śred-
nicy i są tym lepsze, im mniejszy jest jego przekrój.
Ze zmniejszaniem średnicy zwiększa się moduł sprę-
żystości i wytrzymałość na rozciąganie, ale jednocześ-
nie maleje wydłużenie przy zerwaniu [1, 3]. Wytrzy-
małość na rozciąganie przemysłowych włókien szkla-
nych w pasmach ze szkła E o średnicy około 10 μm
Rys. 1. Schemat procesu formowania włókien szklanych [3]
licznych, tworząc szczeliny w warstwach powierzch-
niowych [1]. Dlatego też w trakcie procesu produkcji
włókna pokrywane są specjalnym typem preparacji
zabezpieczającej włókno przed wilgocią i ułatwiającą
dalsze jego przetwarzanie. Związkami chemicznymi
stosowanymi do preparacji są różnego rodzaju ksyla-
ny oraz chlorometakrylan chromu [2]. Firma Owens
Corning® opracowała specjalny typ preparacji, która
Tabela 1. Porównanie właściwości wybranych typów włókien szklanych [1]
Właściwości
Rodzaje włókien szklanych
A
E
S
Gęstość, kg/m
3
2550
2460
2490
Twardość w skali Mohsa
6,5º
6,0º
-
Wytrzymałość na rozciąganie, MPa w temperaturze
25ºC
3150
3500
4500
260ºC
-
3000
4200
540ºC
-
1750
2470
Moduł sprężystości w temp. 25ºC, GPa
66,5
73,5
86,5
Liczba Poissona
0,23
0,22
-
Współczynnik rozszerzalności cieplnej liniowej, 1/ºC
7,74·10
-6
4,68·10
-6
-
Przewodność cieplna, W/(m·ºC)
0,94
1,04
-
Stała dielektryczna przy częstotliwości:
10
2
Hz
-
6,43
-
10
10
Hz
-
6,11
-
5·10
15
Hz
6,8
-
5,6
Współczynnik strat dielektrycznych [tgδ] przy częstotliwości:
10
10
Hz
-
0,006
-
5·10
15
Hz
0,007
-
-
Współczynnik załamania światła dla λ=550μm
1,52
1,548
1,513
Chłonność wody, %
0,15-0,25
-
-
13
Techniczne Wyroby Włókiennicze 2010
wynosi 1000–1400 MPa, wydłużenie przy zerwaniu
około 1,5÷3,5%, a moduł sprężystości dochodzi
do 77 GPa [1, 3]. Duża wytrzymałość włókien szkla-
nych wiąże się ściśle z ich strukturą. Na powierzchni
włókna szklanego znajduje się znaczna ilość rys, spę-
kań, nieregularności i innych uszkodzeń [4].
Odkształcenia włókna szklanego są sprężyste, bo-
wiem granica sprężystości w zasadzie jest zgodna
z punktem zerwania.
Włókno szklane nie pali się. Jego odporność cieplna
jest następująca: w granicach temperatury 20÷200°C
wytrzymałość nieznacznie wzrasta, do temperatury
około 300°C nieco maleje, powyżej tej temperatury
wyraźnie się zmniejsza, jednak dopiero ogrzewanie
w ciągu 24 godzin w temperaturze 400°C powoduje
zmniejszenie wytrzymałości pierwotnej o 50%. Po-
wyżej 600°C następuje gwałtowny spadek wytrzyma-
łości włókien szklanych. W temperaturze poniżej 0°C
włókno zachowuje swoje właściwości użytkowe: na-
wet w temperaturze–50°C nie ma widocznych zmian
właściwości mechanicznych [1–4].
Można przyjąć, że obok ceny największym atutem
włókien szklanych w kompozytach polimerowych
jest ich większa zdolność do pochłaniania energii
w stosunku do włókien węglowych [5].
Producentami włókien szklanych są, m.in.: Owens
Corning®, 3B the ibreglass company, HEXCEL®.
do produkcji lamp elektrycznych. Włókna graitowe
pojawiły się na rynku w latach 50-tych. Włókna wę-
glowe w porównaniu z graitowymi posiadają mniej
uporządkowaną strukturę. Obok obszarów o struktu-
rze właściwej dla krystalicznego graitu, występują ob-
szary o zaburzonej sieci krystalicznej, a nawet obszary
całkowicie jej pozbawione. W porównaniu z włóknami
graitowymi mają one gorsze własności mechaniczne,
są natomiast od nich tańsze [6].
2.1. Metody wytwarzania
Substraty wyjściowe, prekursory stosowane w pro-
dukcji włókien węglowych CF (ang. carbon ibre)
to techniczne włókna poliakrylonitrylowe (PAN)
lub odpowiednio rainowane paki mezogeniczne
(Rys. 2). Światowa produkcja włókien węglowych
w 90% opiera się na włóknach PAN. W pierwszej
fazie pirolizy ogrzewa się włókna w temperaturze
220÷250°C przez okres 50 godzin, aż do ich całkowi-
tego utlenienia. W drugiej fazie ogrzewa się włókna
w temperaturze 1000°C, w atmosferze obojętnej. Na-
stępuje wówczas karbonizacja włókna, mająca na celu
głównie usunięcie innych składników poza węglem.
Tworzą się pierścienie heksagonalne, odpowiadające
strukturze graitu, co powoduje zwiększenie ich wy-
trzymałości. W trzeciej fazie pirolizy, w temperaturze
do 3000°C i w podwyższonym ciśnieniu, zachodzi
proces krystalizacji węgla. Struktura włókna upodab-
nia się do struktury naturalnego graitu [3, 6–7].
Z kolei włókno z paku przędzie się metodą ze stopu
i poddaje stabilizacji utleniającej, a następnie karboni-
zacji oraz, jeżeli zachodzi potrzeba, graityzacji (Rys. 2).
2. Włókna węglowe
Obecnie na dużą skalę produkuje się włókna wę-
glowe i graitowe, a ostatnio nanorurki. Włókna
węglowe są znane od dawna, były wykorzystywane
Rys 2. Schemat procesu technologicznego otrzymywania włókien węglowych z poliakrylonitrylu PAN oraz paku [3]
14
Techniczne Wyroby Włókiennicze 2010
Włókno z paku po karbonizacji odznacza się małą wy-
trzymałością na rozciąganie (1000 MPa) i małym wy-
dłużeniem przy zerwaniu, ale bardzo dużym modułem
E (450 GPa). Jeżeli podda się je graityzacji w temp.
2500°C to moduł E wzrasta do ok. 700 GPa [8].
wiednią preparacją zabezpieczającą jego powierzchnię
przed pochłanianiem wilgoci, a także zmniejszającą
podatność włókna na pękanie w czasie wytwarzania
kompozytu lub w czasie pracy [12].
W 2004 r. utworzono w Europie Stowarzyszenie
CFK-Valley Stade e. V. (Stade, Niemcy), które obec-
nie zrzesza ponad 70 renomowanych przedsiębiorstw
i jednostek badawczych związanych proilem wytwór-
czo-badawczym z problematyką kompozytów wzmac-
nianych włóknami węglowymi–CFK (niem. Car-
bonfaserverstärktekunststofe). Celem CFK-Valley
jest opracowanie kompletnych procesów, począwszy
od koncepcji konstrukcji z CFK poprzez ich wytwarza-
nie i obróbkę ubytkową, aż do recyklingu. Od 2011 r.
powinno działać w ramach CFK-Valley centrum recy-
klingu dla CFK z terenu całej Europy. Na rynku włók-
na węglowe są dostępne m. in. pod nazwą handlową
Torayca® (Toray), Tenax® (TohoTenax -Teijin), pozo-
stali producenci włókien węglowych to: Mitsubishi
Rayon, Zoltek, SGL Group he Karbon Company.
Szacuje się, że produkcja tych włókien w 2000 r. wyno-
siła 3300 t i wykazuje tendencję wzrostową o ok. 5%
w skali roku [13–14].
2.2. Charakterystyka
Włókno węglowe składa się prawie wyłącznie z roz-
ciągniętych struktur węglowych podobnych chemicz-
nie do graitu. Z punktu widzenia postaci morfologicz-
nej włókna węglowe mają postać ibrylarną. Wszech-
stronne badania pozwoliły na stworzenie współczes-
nego obrazu powierzchni włókien węglowych. Pozna-
nie morfologii powierzchni pozwoliło na racjonalne
preparowanie powierzchni włókien przed ich inklu-
dowaniem w różnych matrycach [9]. Wysoce zorgani-
zowana struktura włókien węglowych nadaje im dużą
wytrzymałość mechaniczną, a fakt, że składają się pra-
wie wyłącznie z graitu, powoduje, że są one nietopliwe
i odporne chemicznie. Ze względu na wielkość średnie-
go modułu sprężystości oraz wielkość wytrzymałości
na rozciąganie można wyróżnić trzy kategorie włókien
węglowych, a mianowicie włókna wysokowytrzymałe,
wysokomodułowe i ultrawysokomodułowe [10].
Włókna węglowe cechują się małą gęstością, wy-
soką wytrzymałością na rozciąganie i wysokim mo-
dułem Younga, wysoką wytrzymałością zmęczenio-
wą oraz wytrzymałością na pełzanie, dobrze tłumią
drgania i są bardzo odporne na ścieranie, mają rów-
nież dużą stabilność wymiarową, małą przewodność
cieplną w niskich temperaturach, są odporne na nagłe
zmiany temperatury, na działanie wielu ośrodków che-
micznych, charakteryzują się dobrą przewodnością
elektryczną itd. Wysoka wytrzymałość włókna węglo-
wego na rozciąganie, a także jego wysoki moduł Youn-
ga związane są ze stopniem zorientowania struktury
włókna w stosunku do jego osi, a także z gęstością wią-
zań poprzecznych [10].
Odporność cieplna włókien węglowych jest unika-
towa i przewyższa pod tym względem, za wyjątkiem
graitu, jakiekolwiek znane materiały. Nie ulegają
one topnieniu tylko sublimują w temp. 3500°C [11].
Są niepolarne, niezwilżane, ale czułe na utlenianie.
Z kolei w atmosferach nieutleniających, w tempera-
turach do 2000°C włókna węglowe nie tracą swych
właściwości, co wyróżnia je niezwykle korzystnie
z włókien szklanych i aramidowych. Włókna węglowe
wykazują bardzo słabą zdolność do wiązania się z ma-
trycą polimerową, ponieważ są źle zwilżalne przez
żywice. W celu polepszenia tej cechy, przed zalaniem
żywicą powierzchnię włókna poddaje się utlenianiu.
Jeśli po utlenieniu powierzchni włókno ma być prze-
chowywane przez pewien czas, należy pokryć je odpo-
3. Włókna aramidowe
Aramidy to poliamidy, których łańcuchy składa-
ją się z pierścieni aromatycznych i grup amidowych
podstawionych w pozycji meta lub para. Spośród
bardzo dużej liczby znanych poliamidów aromatycz-
nych największe znaczenie i zastosowanie praktyczne,
jako włókna mają włókna aramidowe (p-aramidowe),
zbudowane z liniowych, regularnych i sztywnych łań-
cuchów cząsteczek parafenylenu teretalamidu. Ma-
krocząsteczki poli-(p-fenylenoteretalamidu) (PPTA)
układają się liniowo wzdłuż osi i tworzą wysoce upo-
rządkowaną strukturę powłokową połączoną za pomo-
cą bardzo silnych wiązań wodorowych (Rys. 3) [15].
Regularność tej półkrystalicznej struktury jest od-
powiedzialna za niezwykłe właściwości izyko-mecha-
niczne włókien p-aramidowych, podczas gdy wysoka
stabilność chemiczna pierścieni aromatycznych bez-
pośrednio związanych przez silne (sprzężone) wiąza-
nia amidowe zapewnia trwałość i odporność cieplną.
Badanie włókien p-aramidowych za pomocą mikro-
Rys. 3. Wiązania wodorowe w obszarach krystalicznych
poli-(p-fenylenotereftalamidu) [15]
15
Techniczne Wyroby Włókiennicze 2010
skopii sił atomowych (AFM) przyniosło wiele nowych
informacji na ich temat:, np. o tym, że mikroibryle
PPTA mają długość ok. 500 mm i składają się z jed-
nostek powtarzających o wymiarach 50 nm. Badania
tą techniką pośrednio pozwoliły na przedstawienie
tekstury włókien z PPTA [15]. Elementarne włók-
no p-aramidowe składa się z wysokokrystalicznego
rdzenia i z mniej krystalicznego naskórka (ang. skin-
-core). Włókna aramidowe zbudowane z cząsteczek
poli-(m-fenylenoizotalamidu) (PMFA) (Nomex®)
mechanicznie nie dorównują włóknom z PPTA (Kev-
lar®). Wynika to m.in. z różnicy wiązań wodorowych
w porównaniu do wiązań wodorowych we włóknach
PPTA, a także odmiennej struktury cząsteczek PMFA
o skręconej konformacji [16].
3.2. Charakterystyka
Włókna aramidowe są jednymi z ważniejszych
włókien organicznych, jakie kiedykolwiek wyprodu-
kowano, odznaczają się dużą sztywnością, orientacją
i są połączone między sobą silnymi, gęstymi wiązania-
mi wodorowymi. Powoduje to jedyną w swoim rodza-
ju kombinację właściwości mechanicznych (Tabela 2)
[14,18].
Wytrzymałość właściwa pojedynczych włókien
przekracza 200 cN/tex, a temperatura wytrzymałości
zerowej jest powyżej 500°C. Włókna obok wysokiej
termostabilności wykazują również odporność na dzia-
łanie zasad i kwasów w podwyższonej temperaturze,
a także dobrą elastyczność w pętli i węźle. Cechują
się one także niskim skurczem w gorącej wodzie i pod-
wyższonej temperaturze [13–14]. Włókna aramidowe
cechuje dobry stosunek wytrzymałości do gęstości
(wytrzymałość właściwa). Wytrzymałość tak wyrażo-
na dla włókien Kevlar® jest większa: 5-krotnie niż stali,
10-krotnie niż aluminium i około 3-krotnie niż włókien
szklanych E. Włókna aramidowe mające gęstość o 43%
mniejszą niż włókna szklane, są szczególnie atrakcyjne
do wytwarzania wielu kompozytów. Należy jednak za-
znaczyć, że kompozyty z tymi włóknami charakteryzu-
ją się złą wytrzymałością na ściskanie, co w szeregu za-
stosowań zmusza do stosowania wzmocnień hybrydo-
wych (np. aramid plus włókno szklane lub węglowe).
Krzywe rozciągania włókien aramidowych, podobnie
do włókien szklanych i graitowych, są w przybliżeniu
liniowe, aż do zerwania, co różni je od innych włókien
organicznych, pełzanie ich jest podobne do włókien
szklanych, jednakże włókna aramidowe są mniej po-
datne na zerwanie przy pełzaniu, nawet przy naprę-
żeniach trwałych na poziomie do 70% wytrzymałości
na zerwanie. Mają one także bardzo dobrą wytrzyma-
łość zmęczeniową, odporność na ścieranie, cechują
się dużą energią zniszczenia i dobrymi właściwościa-
mi elektrycznymi. Temperatura stałego użytkowania
3.1. Metody wytwarzania
Przędzenia włókien z aramidów nie można prowa-
dzić prostą i ekologiczną metodą ze stopu, ponieważ
rozkładają się one zanim ulegną stopieniu. Włókna
z poli-(p-fenylenoteretalamidu) przędzie się z anizo-
tropowego roztworu w kwasie siarkowym. Roztwór
ten stanowi stopioną pastę. Ciecz z tej pasty wtrysku-
je się do strefy powietrznej (ang. air gap), a dopiero
następnie do kąpieli koagulacyjnej [17], co zapewnia
większą orientację cząsteczek we włóknach. Tak przy-
gotowane włókno wprowadza się do kąpieli koagu-
lacyjnej o temp. 5°C. Nagłe ochłodzenie i koagulacja
powodują, że włókna zachowują właściwości anizo-
tropowe. Kąpiel koagulacyjną stanowi czysta woda
lub 15%-owy kwas siarkowy. Surowe włókna płucze
się, suszy w temperaturze 150°C pod małym napręże-
niem 0,5 MPa. Ostatecznie włókna poddaje się jeszcze
rozciąganiu w atmosferze azotu w temp. ok. 400°C
przez 1-2 s [18].
Tabela 2. Niektóre właściwości wybranych włókien aramidowych [14,18]
Właściwości
Kevlar
®
29
Kevlar
®
49
Kevlar
®
149
Twaron
®
Hm
Nomex
®
Gęstość g/cm
3
1,44
1,45
1,47
1,44
1,40
Wytrzymałość na rozciąganie MPa
2900
3010
3450
3150
700
Moduł E, GPa
59
125
179
115
17
Wydłużenie przy zerwaniu %
3,6
2,4
1,6
2,5
22
Absorpcja wody,%
7,0
3,5
2,4
3,5
5,3
Temperatura użytkowania w powietrzu
o
C
177
180
225
180
180
Temperatura rozkładu
o
C
420
425
500
425
400
Przewodność cieplna W/m*K
-
0,04
0,042
-
-
Skurcz, %
-
0,10
0,10
0,10
-
Liczba Poissona
-
0,36
-
0,36
-
16
Techniczne Wyroby Włókiennicze 2010
Plik z chomika:
zebrus
Inne pliki z tego folderu:
Kompozyty - Boczkowska(1).pdf
(17707 KB)
German J. - Podstawy mechaniki kompozytów włóknistych(1).pdf
(2829 KB)
Kompozyty z polimerami i włóknami(1).pdf
(3551 KB)
Oczoś K.E. - Kompozyty włókniste - właściwości, zastosowanie, obróbka ubytkowa(1).pdf
(767 KB)
włókna techniczne do wzmacniania kompozytów.pdf
(584 KB)
Inne foldery tego chomika:
Fizyka
leketrotechnika i elektronika
materialy ceramiczne
materiały metaliczne
materiały polimerowe
Zgłoś jeśli
naruszono regulamin