4.13.2.4 Mechanika vláknových kompozitů
Ing. Miloš Sova, CSc.
Obrovskou výhodou vláknových kompozitů je možnost měnit jejich elastické vlastnosti a pevnost „pouhou” změnou výztuže (typ vláken) a prostorového uspořádání výztuže (jednosměrné, vícesměrné), jejího druhu (roving, rohož, tkanina atd.), poměru mezi obsahem výztuže a pojiva a změnou technologie výroby. Použitím stejných základních komponent (vlákna, pryskyřice) můžeme tedy efektivně vyrobit velkou škálu odlišných materiálů. Tato možnost u tradičních materiálů jako ocel, hliník či dřevo prakticky neexistuje nebo je velmi omezená. Jestliže má konstruktér ve svém návrhu použít kompozity místo tradičního materiálu, musí z výše uvedených důvodů znát alespoň základní vztahy dovolující kvantifikovat závislost modulu pružnosti vláknových kompozitů na obsahu výztuže, její prostorové orientaci a typu. To mu umožní kvalifikovaně se orientovat v nabídce kompozitů a snížit na minimum pravděpodobnost neúspěchu. Stejně je tomu u nutnosti znát způsob výpočtu pevnostních charakteristik při konstruování kompozitních výrobků s požadovanými bezpečnostními parametry. To platí v nezmenšené míře i pro materiálového inženýra, který by zase měl reagovat na požadavky konstruktéra a navrhovat materiály co nejlépe vyhovující požadavkům dané aplikace. V této části bychom se měli se základy existujících a praxí ověřených mechanických algoritmů seznámit.
Na poli kompozitních materiálů se setkáváme s pojmy, které charakterizují strukturu a symetrii této struktury a které mají zásadní význam pro mechanickou odezvu vláknových kompozitů. Jako homogenní označujeme jednofázovou, jednokomponentní látku, jejíž fyzikální vlastnosti jsou ve všech bodech tělesa stejné. Jestliže se materiál skládá ze dvou a více komponent nebo fází téže komponenty, říkáme, že je heterogenní. Běžně jsou jednotlivé komponenty kompozitních materiálů tvořeny chemicky odlišnými jednofázovými (homogenními) látkami. Komponenty však mohou být i dvou- a vícefázové, jako je tomu u semikrystalických polymerních matric (PP, PE, PEEK), kde jednu fázi tvoří krystalické domény a druhou amorfní domény.
Další významnou charakteristikou kompozitů je symetrie jejich fyzikálních vlastností, která je zároveň odlišuje od většiny tradičních konstrukčních materiálů. Termín izotropní indikuje, že materiálové vlastnosti jsou ve všech směrech stejné (nejsou funkcí orientace). To znamená, že všechny roviny procházející jedním bodem tělesa vyrobeného z tohoto materiálu jsou rovinami symetrie materiálových vlastností. Jako ortotropní označujeme materiál, který má tři vzájemně kolmé roviny symetrie materiálových vlastností. Jelikož jsou vlastnosti určovány strukturou, lze říci, že stejné roviny jsou i rovinami symetrie struktury kompozitu. V nejjednodušším případě vrstvy s jednosměrně orientovanými vlákny to znamená, že vrstva má jiné vlastnosti ve směru vláken a jiné ve směru kolmém na ně.
Jestliže vlastnosti materiálu nevykazují žádné roviny symetrie, hovoříme o anizotropním materiálu. V teorii laminátů se setkáváme s pojmem kvaziizotropní, který znamená, že daný laminát nebo kompozit je možno v makroskopickém měřítku (celý dílec) považovat za izotropní v rovině vláknité výztuže. Mikroskopicky je však takový materiál anizotropní. Je zřejmé, že s klesající symetrií vlastností narůstá počet materiálových konstant (parametrů), které je nutno znát k úplnému popisu vztahů mezi napětím a deformací daného kompozitního tělesa.
Existující teorie mechanické odezvy vláknových kompozitů umožňuje předpověď hodnoty jejich tuhosti, pevnosti, tepelné roztažnosti a hodnoty dalších fyzikálních parametrů, jestliže jsou známy vlastnosti…
