5.4.8
Kompozitní materiály
Ing. Josef Trejtnar
Za kompozitní materiály považujeme takové, které jsou složené ze dvou nebo z více složek nejen zcela odlišného chemického složení, ale zároveň i úplně jiných fyzikálních vlastností. Jejich základním součástí je tzv. matrice, tj. spojitá fáze, v níž jsou uloženy tzv. fáze vyztužující, tvořené obvykle vlákny nebo částicemi různého druhu a použití. Od slitin kovů se kompozity liší tím, že jednotlivé složky vložené do systému si ponechávají své přednostní materiálové charakteristiky, které nemohou být dosaženy jiným běžným složením. Vlastnosti kompozitu jsou pak dány jednak vlastnostmi těchto jednotlivých složek, jednak vzájemnou akcí jejich povrchů, protože výztužná fáze působí jako armatura. Vlastní matrice musí mít dobrou soudržnost s výztužnou matricí a obvykle má i menší pevností a vyšší plastické vlastnosti.
Podle druhu matrice se užívají kompozity s matricí kovovou, polymerní nebo s matricí na bázi skel nebo keramiky.
Kovové matrice musí splňovat požadavky např. na dobrou elektrickou či tepelnou vodivost, pevnost, tvárnost, odolnost proti opotřebení nebo vysokou teplotní odolnost apod. Jako kovové matrice jsou nejčastěji používány hliník, hořčík, titan a jejich slitiny včetně některých slitin na bázi niklu. Jako jediný druh lze spojovat difuzním, tavným, případně odporovým svařováním.
Polymerní matrice patří mezi nejčastěji používané. Ve srovnání s matricí na bázi kovů. Mají obvykle nízkou měrnou hmotnost, dostatečnou pevnost, jsou odolané proti korozi, mají nízkou elektrickou i tepelnou vodivost, tlumí kmity a nevyžadují žádné povrchové úpravy. Podle druhu předpokládaného zatížení a budoucích provozních podmínek se používají různé druhy polymerů, většinou termoplastů, elastomerů a raketoplastů. Spojují se nejčastěji lepením.
Keramické a skleněné matrice
Keramika je anorganický nekovový materiál s heterogenní strukturou, kterou tvoří krystaly různého složení a různého uspořádání. Je velmi křehká, nesnadno obrobitelná a často obsahuje náhodné vnitřní defekty. Má však obvykle vysokou pevnost v tlaku a dobrou odolnost proti chemickým činidlům i vysokým teplotám. Skla mají vlastnosti velmi podobné keramice. Jedná se však o amorfní látky, které vznikly ztuhnutím taveniny bez krystalizace. Spojují se také nejčastěji lepením.
Vyztužující fáze
Lze podle tvaru rozdělit na:
- částicové
- vláknové
- skeletové
Jako částicové vyztužující fáze se používají prášky různého tvaru, nejčastěji anorganických sloučenin ocel typu např. oxidů, karbidů, nitridů, boridů případně i křemičitanů.
Vláknové vyztužující fáze jsou tvořeny tenkými vlákny kruhového průřezu o průměru obvykle 10µm až 1 mm nejčastěji z různých druhů ocelí, ale i z polymerních vláken (Kevlar, Twaron, Nomex, Zylon apod), popř. z keramických nebo skleněných vláken. Z hlediska užitných vlastností jsou důležité např. nejnovější tzv.whiskery, tvořené monokrystaly o průměru okolo 1 µm a délky 3 až 4 mm z oxidů hliníku, karbidu křemíku, grafitu a z jiných látek.
Ve skeletovém vyztužení obvykle vytváří matrice a sekundární vyztužující fáze navzájem mechanicky proniknutelné útvary.
Pro vytvoření konstrukčních celků je nutno jednotlivé díly z kompozitů nějakým způsobem spojovat. Vzniklý spoj musí zachovávat dostatečnou pevnost a tuhost a jiné charakteristiky spojovaných dílů, což je někdy, především u vláknových kompozitních materiálů obtížné a mnohdy dosud problematika spojů není úspěšně vyřešena.
Lze konstatovat, že pro spojování kompozitů se používají jak metody mechanického spojování a lepení, tak i metody svařování a pájení.
Pájení kompozitních spojů
Pájet můžeme pouze kompozity s kovovou matricí za použití stejných zásad, jako při pájení jiných materiálů. Běžně se používá metoda přeplátování, kdy mezi oba dokonale očištěné díly je vložena pájka ve tvaru tenké folie (obvykle do 0,01 mm) a spoj je pak vystaven za soustavného tlaku tavící teplotě pájky po určitou dobu.Tento způsob je využíván především v leteckém průmyslu pro spojování dílu např. z kompozitu AlMgSi-B vlákno se slitnou AlMgSi nebo typu Al-B nebo…
