kompozitní materiály

Kompozitní materiály dnes najdeme v letectví, lodní výrobě, automobilovém průmyslu, stavebnictví i ve sportovním vybavení. Díky kombinaci různých složek dokážou nabídnout vlastnosti, které běžné materiály nemají – nízkou hmotnost, vysokou pevnost, odolnost proti korozi i možnost přesného tvarování.

Kompozitní materiály představují moderní řešení tam, kde běžné materiály nestačí. Znalost základních pojmů, technologií a vlastností je klíčová pro správný návrh i výrobu kompozitních dílů.

Tento článek slouží jako základní encyklopedie pojmů z oblasti kompozitů a vysvětluje, z čeho se kompozity skládají, jak se vyrábějí a jaké problémy při výrobě mohou vzniknout.

Kompletní průvodce pojmy ze světa laminátů, vláken a pryskyřic

Co je kompozit

Kompozitní materiál je materiál složený minimálně ze dvou rozdílných složek:

výztuže (nejčastěji vlákna),
matrice (pojivo, typicky pryskyřice).

Každá složka si zachovává své vlastnosti, ale jejich spojením vzniká nový materiál s lepšími parametry než mají jednotlivé komponenty samostatně.

Typickým příkladem je: skelná tkanina + epoxidová pryskyřice = laminát

Matrice (pojivo)

Matrice obaluje výztuž a přenáší zatížení mezi jednotlivými vlákny.

Jako pojivo se nejčastěji používají polymerní pryskyřice:

Základní typy pryskyřic

Epoxidová pryskyřice – vysoká pevnost, přilnavost, nízké smrštění
Polyesterová pryskyřice – levná, snadno zpracovatelná
Vinylesterová pryskyřice – chemicky odolná, houževnatější než polyester
Fenolická pryskyřice – odolná vůči ohni
Polyuretanová pryskyřice – pružná nebo tvrdá dle formulace

Součástí systému je vždy:

tvrdidlo nebo iniciátor,
případně urychlovač či retardér.

Výztuž (vlákna)

Výztuž nese hlavní mechanické zatížení. Podle typu vláken se výrazně liší vlastnosti výsledného kompozitu.

Nejpoužívanější typy vláken

skelné vlákno – univerzální, cenově dostupné
uhlíkové vlákno – velmi lehké a pevné
aramidové vlákno (Kevlar) – houževnaté, odolné proti průrazu
čedičové vlákno – teplotně odolné
přírodní vlákna (len, juta, konopí) – ekologická alternativa

Formy výztuže

Vlákna se dodávají v různých podobách:

tkanina (rovnovážná struktura)
rohož (mat) – sekaná vlákna
roving – svazek nekonečných vláken
UD tkanina – vlákna v jednom směru
prepreg – předimpregnovaná tkanina
multiaxiální tkaniny – více směrů vláken v jedné vrstvě

Způsoby výroby kompozitů

Otevřené formy

ruční laminace
spray-up (nástřik vláken s pryskyřicí)

Výhoda: jednoduchost
Nevýhoda: vyšší emise, nižší kontrola kvality

Uzavřené formy

vakuová infuze
RTM (Resin Transfer Molding)
lisování (SMC, BMC)
pultruze
navíjení vláken (filament winding)
autoklávování prepregů

Výhoda: vyšší kvalita a opakovatelnost
Nevýhoda: vyšší náklady na vybavení

Konstrukce laminátu

Pevnost kompozitu závisí nejen na materiálu, ale i na jeho uspořádání.

Důležité pojmy:

orientace vláken (0°, 45°, 90°)
objemový podíl vláken
sekvence vrstev (layup)
symetrický a antisymetrický laminát
sendvičová konstrukce (laminát + jádro)

Jádrové materiály

PVC pěna
PET pěna
balsové dřevo
voština (honeycomb)

Pomocné materiály

Při výrobě se používají tzv. pomocné nebo spotřební materiály:

separační vosk
separační fólie
peel ply
perforovaná fólie
breather (savá tkanina)
vakuová fólie
těsnicí páska
spirálové hadice

Procesní pojmy

impregnace vláken
odplynění (degazace)
vytvrzování
gel time (doba gelace)
exotermická reakce
pot life (doba zpracovatelnosti)
post-curing (dozrávání za tepla)

Typické vady kompozitů

Při špatném zpracování mohou vzniknout tyto vady, které snižují pevnost a životnost výrobku:

bubliny a porozita
suchá místa
delaminace
prokreslení vláken (print-through)
nedostatečné vytvrzení
přehřátí pryskyřice (exoterm)

Bezpečnost práce

Při práci s kompozity je nutné:

používat ochranné rukavice
respirátor proti výparům
větrat pracovní prostor
řídit se bezpečnostními listy (SDS)
chránit oči a pokožku
správným a zákonným způsobem likvidovat zbytky materiálu a obaly

Nebezpečné látky:

styren (polyester)
aminy (epoxid)
peroxidy (iniciátory)

Proč jsou kompozity tak důležité

Kompozity umožňují:

snižovat hmotnost konstrukcí
zvyšovat pevnost
vyrábět složité tvary
dosahovat vysoké životnosti
kombinovat vlastnosti materiálů

Díky tomu se používají v:

letectví
automobilovém průmyslu
lodní výrobě
stavebnictví
energetice
sportovním vybavení