4.13.2.1 Historie vláknových kompozitů
Ing. Miloš Sova, CSc.
Snahy o snižování spotřeby pohonných hmot a energií vůbec či o použití materiálů odolných proti korozi, které snižují ztráty vzniklé korozí kovů, leží v centru zájmu nejen ekologických hnutí, ale jsou prioritou všech vyspělých společností. Například snižování hmotnosti kolejových i silničních vozidel může samo o sobě ovlivnit snižování spotřeby pohonných hmot až ze šedesáti procent. Použití lehkých konstrukcí umožňuje zvyšovat efektivnost nákladní dopravy a snižovat emise spalin vzniklé provozem dopravních prostředků. Snížení hmotnosti automobilů je i jedním ze základních požadavků nutných pro větší rozvoj elektromobilů (zvětšení dojezdu elektromobilu mezi jednotlivými nabitími baterií a lepší jízdní vlastnosti). Použití materiálů s velkou antikorozní odolností ve speciálním a ekologickém stavebnictví je schopno prodloužit životnost konstrukcí i ve velmi agresivních prostředích, a snížit tak náklady na jejich údržbu na minimum. Nové materiály zahrnující ve struktuře již možnost snadné recyklace snižují potenciální ekologickou zátěž životního prostředí po skončení užitného cyklu výrobku. Plasty samotné, které mají většinu těchto atributů, byly v důsledku svých omezených mechanických vlastností dosud použitelné pouze tam, kde netvořily nosnou část konstrukce. Polymerní kompozity se svým spektrem vlastností vyrovnají tradičním konstrukčním materiálům, a jsou tedy použitelné i při výrobě nosných prvků konstrukcí a proto jsou tedy nejnadějnějšími kandidáty pro náhradu kovů a jiných tradičních materiálů v konstrukčních aplikacích i ve speciálním stavebnictví. Největšího rozšíření v této oblasti dosáhly kompozity, ve kterých jsou pojivem organické polymery a výztužemi jsou různé typy anorganických či organických vláken.
Nejvýznamnější předností kompozitů s organickými matricemi je synergická kombinace snadné tvarovatelnosti málo pevného polymeru s pevností a tuhostí vyztužujících vláken. I ty nejjednodušší kompozity, jako je polyesterová pryskyřice vyztužená skleněnými ručně kladenými vlákny a rohožemi, nabízejí nízkou měrnou hmotnost, vysokou pevnost při statickém i dynamickém namáhání a vynikající odolnost vůči působení korozivních, především kyselých prostředí, nízkou tepelnou vodivost, elektrickou nevodivost a zanedbatelný útlum elektromagnetického záření. Tyto a další fyzikální a chemické vlastnosti mohou být odborníkem znalým materiálového inženýrství „šity na míru” konečné aplikaci prostřednictvím variací ve strukturních parametrech (typ pojiva, typ vláken, forma výztuže, použitá aditiva, prostorové uspořádání výztuží, obsah výztuže atd.).
Velká část i technické veřejnosti se pod dojmem novinových článků či vědecko-populárních statí domnívá, že kompozity jsou výdobytkem vědy druhé poloviny 20. století. Tato představa je mylná a kompozitní materiály jsou lidstvem cíleně vyráběny a používány už od jeho raného vývojového stadia. Použití přírodních kompozitů, jakými jsou dřevo, kosti či jiné živočišné schránky, je ještě mnohem starší. Původní použití vláknových kompozitů bylo především ve stavebnictví, dá-li se tomu tak v dnešním slova smyslu říci. Typickým kompozitem byly cihly vyrobené ze směsi jílu (pojivo) a organických většinou přírodních celulózových vláken (výztuž), které ve srovnání s čistě jílovými nevypalovanými cihlami byly méně křehké. Došlo tak k prvnímu smysluplnému spojení dvou odlišných komponent v novou entitu o vlastnostech nedosažitelných samostatně jednotlivými složkami. První „umělý” kompozit byl na světě.
Důvodem, proč je poslední čtvrtina 20. století nazývána dobou kompozitů, je nesmírně prudký rozvoj jejich průmyslových aplikací, umožněný jednak objevy a výrobou nových pokročilejších komponent (nové polymery, nové výztuže) o vynikajících vlastnostech a jednak nalezením kvantitativních vztahů mezi jednotlivými strukturními parametry a výslednými mechanickými a fyzikálními vlastnostmi kompozitů. Kvantifikace vztahů mezi strukturou kompozitů a jejich výslednými vlastnostmi bylo dosaženo v posledních 30 letech. Tak jako příroda mění vlastnosti vyztužujících vláken (celulóza) a pojiv (lignin) u nejznámějšího vláknového kompozitu - dřeva - vedoucí k výrazným rozdílům mezi vlastnostmi dřeva smrkového, borového či bukového, může člověk měnit prostorové uspořádání vláken, jejich typ, stupeň adheze mezi vlákny a pryskyřicí i vlastnosti pryskyřice ve velmi širokém intervalu (měrná hmotnost 1 - 3 g/cm3, modul pružnosti 10 - 400 GPa, pevnost 100 - 3000 MPa, měrný elektrický odpor 1015 - 10-6 Ů.m). Tato technologicky zvládnutá schopnost napodobit přírodu umožnila velmi rychlý rozvoj aplikací kompozitů v technické praxi. To umožnilo kompetentní design výrobků z kompozitů a skutečné využití všech nabízených výhod. Byly již syntetizovány a v praktických podmínkách ověřeny pryskyřice umožňující kontinuální použití kompozitů při teplotách 250 - 350 °C. Byla rovněž vyrobena a komercionalizována vlákna, jejichž modul pružnosti je 600 - 850 GPa (4krát více než ocel a 12krát více než hliník) s pevnostmi až 6 GPa. Nezanedbatelným atributem tohoto vývoje je i automatizace výroby, která umožnila dosažení vynikající reprodukovatelnosti vlastností a snížení ceny těchto materiálů na úroveň srovnatelnou s tradičními konstrukčními materiály.
Motorem tohoto rozvoje byla v počátku především letecká, raketová a námořní technika pro vojenské účely, naprostá většina poznatků byla získána v USA, které také mají technologie spojené s kompozity od jejich návrhu přes výrobu až po aplikace na nejvyšší úrovni. V posledních 20 letech se rozvíjí výzkum kompozitních materiálů i v EU v rámci programů financovaných Evropskou komisí, především ve VB, Francii, Belgii, Itálii, Švédsko a SRN. Velkou měrou přispěl ke komercializaci původně vojenských materiálů průmysl sportovních potřeb (lyže, tenisové rakety, ochranné pomůcky, golfové hole, rybářské pruty), automobilový průmysl, silnoproudá elektrotechnika, radiokomunikace a speciální stavebnictví. V posledním desetiletí se na tomto trendu začínají projevovat i vlivy medicínských, především ortopedických a stomatologických oborů, ekologické stavitelství a hromadná doprava.
Výzkum i aplikace kompozitů s pryskyřičnými matricemi byly až do poloviny osmdesátých let stimulovány hlavně vojenskými potřebami (raketová technika, bojová letadla, „neviditelné” bombardéry, vrtulníky, lehká pancéřová vozidla, minolovky, balistická ochrana jednotlivce, radiolokační a radarová technika atd.). Od poloviny osmdesátých let se těžiště postupně přesouvá i do civilních oblastí (civilní letectví, silnoproudá elektrotechnika, distribuce elektřiny, stavebnictví, doprava, lodě, sportovní potřeby, informační technologie, medicína). Jen pro ilustraci, spotřeba vláknových polymerních kompozitů civilním sektorem byla jen v USA v roce 1995 celkem 1 405 000 tun, z toho aplikace v dopravě spotřebovaly 835 000 tun a 410 000 tun bylo použito ve stavebnictví. V roce 2000 již výroba vláknových kompozitů jen pro automobilový průmysl (tzv. SMC – Sheet Molding Compound) překročila 2 miliony tun. Většina moderních osobních a téměř všechny nákladní auta mají součásti karoserií (dveře, kapoty atd.) nebo i celé výklopné karoserie…
