Laminování - materiály

Technika - Technologie výroby

Laminování - materiály

Vlákna:

Slouží jako výztuž v budoucím kompozitu.

Uspořádání vláken:
- Jednosměrný pás -roving
- Jednosměrná tkanina
- 2D tkaniny
- Trojosé tkaniny
- 2D a 3D pleteniny

Nejpoužívanější jsou rovingy a 2D tkaniny. Tyto tkaniny dělíme podle typu vazby tkaniny, která je důležitá pro tvarování tkaniny ve formě.

Nejpoužívanější typy vazeb tkanin:
- Plátěná vazba
- Keprová vazba
- Saténová vazba

Obrázek: Typy vazeb tkanin. Zleva plátnová, keprová a saténová vazba

Skleněná vlákna

Vyrábějí se tažením z taveniny otvory v platině rychlostí 3-4 km/min. Průměr vláken je 9-15 mikrometrů. Vlákna jsou potažena lubrikační vrstvou chránící před poškozením. Vlákna jsou splétána do prstenců a používána jako rovingy, tkaniny, krátké sekané sklo (3-6 mm) a krátká vlákna (do 1 mm). Používá se na nosné konstrukce kluzáků a malých letadel, u velkých letadel pouze na sekundární konstrukce.

Typy skleněných vláken:
- E-sklo.....bezalkalické sklo, nejběžnější materiál, s nejnižší cenou.
- R,S-sklo...má lepší mechanické vlastnosti (vyšší pevnost) a vyšší cenu.
- D-sklo.....borosilikátové sklo s dielektrickými vlastnostmi.
- C-sklo.....s vyšší chemickou odolností.

Vlastnosti skleněných vláken:

složení	Jednotka	E-sklo	S-sklo	D-sklo	C-sklo
SiO2	%	53-55	60	72-75	60-65
Al2O3	%	14-15	24	-	<6
B2O3	%	6-8	-	<23	<7
CaO	%	17-22	9	-	14
MgO	%	<5	6	-	<3
K2O,Na2O	%	<1	<0,5	<4	8-10
Ost.oxidy	%	1	-	<1	<1,5
Hustota	g/cm3	2,6	2,53	2,14	2,45
Pev. v tahu	MPa	3400	4400	2500	3100
E-modul Rm	GPa	73	86	55	70
Tažnost	%	3,5-4	4,5	3	3,5-4
Spec.el.odpor	ohm/cm	1015	1014-1015	-	1014-1018
Koef.Tep.rozt.	10E-6K	5	4	2-3	7,2

Aramidová vlákna

Aromatický polyamid dodávaný na trh pod obchodním názvem Kevlar® nebo Twaron®. Jsou vyráběna tažena z krystalického roztoku polyparafenyl tereftalamidu v koncentrované kyselině sírové. Má nejlepší rázovou houževnatost, nejnižší hustotu, velmi dobré pevnostní parametry a tlumí vibrace. Je odolné plameni, samozhášivé a netaví se. Vlákna jsou chemicky odolná a mají lepší dielektrické vlastnosti než vlákna skleněná.

Typy aramidových vláken:
- Vysokomodulové - vlákna Kevlar 49®nebo Twaron HM® jsou určena pro letecké aplikace.
- Nízkomodulové - vlákna Kevlar 29®nebo Twaron LM® jsou používána na ochranné prostředky jako jsou rukavice, neprůstřelné vesty, ale také například na lana.

Vlastnosti aramidových vláken:

	Jednotka	Nízkomodulová (LM)	Vysokomodulová (HM)
Hustota	g/cm3	1,44	1,45
Pev. v tahu	MPa	2800	2900
E-modul Rm	GPa	59	127
Tažnost	%	4	1,9
Spec.el.odpor	ohm/cm	1015	1015
Koef.tep.rozt.	10E-6K	-2,3	-4,1
Absorpce vlhkosti	%	7	3,5
Výrobce	DuPont	Kevlar 29	Kevlar 49
	Akzo	Twaron LM	Twaron HM

Uhlíková vlákna

Polotovarem pro výrobu je PAN - polyakrilonitridové vlákno nebo PITCH vlákno vyrobené z ropných produktů. Postup výroby začíná pyrolýzou - prodloužením vlákna při ~200 °C a orientací molekul. Následuje stabilizace v oxidační atmosféře po dobu 10 hodin a teplotě 220 - 300 °C. Dalším zvyšováním teploty v inertní atmosféře roste modul pružnosti a pevnost vlákna, za teploty 1000 - 1500 °C dochází ke karbonizaci a při 2500 - 3000 °C vzniká grafitická mikrostruktura. Při karbonizaci vznikají vlákna vysokopevnostní (HS) a vlákna grafitickou mikrostrukturou jsou vysokomodulová. Vlákna mají nízkou hmotnost, vysokou pevnost a tuhost. Nevýhodou je vysoká cena, křehkost vlákna a intenzivní oxidace už při 400 °C. Uhlíková vlákna jsou používána na primární konstrukce všech typů letadel.

Vlastnosti uhlíkových vláken:

	Jednotka	Vysokopevnostní (HS)	Vysokomodulová (HM)
Hustota	g/cm3	1,79	1,8
Pev. v tahu	MPa	5400	2350
E-modul Rm	GPa	290	358
Tažnost	%	1,7	0,6
Spec.el.odpor	ohm/cm	----	1x10E-3
Koef.tep.rozt.	10E-6K	----	-0,5
Tepelná vodivost	W/m K	----	710

Srovnání pevnosti, modulu a hustoty vláken:

Materiál	E (GPa)	Rm (MPa)	q(g/cm3)
E-sklo	72,4	3500	2,54
S-sklo	85,5	4600	1,48
Uhlík (HM)	390	2100	1,9
Uhlík (HS)	240	2500	1,9
Kevlar 49	130	2800	1,5
Bór	385	2800	2,65
Ocel	210	340-210	7,8
Al-slitiny	70	140-620	2,7

V současné době se začínají používat hybridní tkaniny, vyrobené z více druhů vláken, například uhlík/kevlar. Používají se pro kombinaci vlastností obou druhů vláken. Srovnání vlastností kompozitů vyrobených z hybridních tkanin je v následující tabulce.

Hybridní materiál	Srovnání s CRP	Srovnání s ARP	Srovnání s GRP
CRP/ARP	Zlepšená rázová houževnatost	Vyšší pevnost v tlaku	----
CRP/GRP	Zlepšená rázová houževnatost	----	Nižší hmotnost, Vyšší tuhost
ARP/GRP	----	Vyšší pevnost v tlaku	Nižší hmotnost, Vyšší tuhost

Matrice

Tvoří pojivo, které váže jednotlivá vlákna. Tvoří konečný povrch dílu a chrání vlákna. Určuje chemické a elektrické vlastnosti a chemickou odolnost výsledného kompozitu.

Matrice na bázi reaktoplastů:

Epoxidové pryskyřice

jsou nejpoužívanější pro vláknové kompozity. Má velmi dobrou kohezní pevnost, adhezi k vláknům, malé vnitřní pnutí a malé smrštění při zpracování i během vytvrzování. Možnost ovlivnění konečných vlastností kompozitu použitím různých tvrdidel a plnidel.
Druh tvrdidla ve spojení s daným typem pryskyřice ovlivňuje dobu zpracovatelnosti směsi, vytvrzovací teploty, dobu vytvrzování popřípadě dodatečné dotvrzení za zvýšené teploty. Vytvrzovací reakcí je polymerace, při níž nevznikají žádné vedlejší produkty.
Epoxidové pryskyřice se používají pro všechny zpracovatelské technologie, včetně prepregových.

Vlastnosti epoxidových pryskyřic:
(Epoxidová pryskyřice LF a tvrdidla řady LF firmy R&G)

Vlastnosti	Jednotka	Laminační pryskyřice LF	Tvrdidlo LF1	Tvrdidlo LF2	Tvrdidlo LF3
Hustota	g/cm3/20°C	1,15	0,95	0,96	0,98
Viskozita	mPas/25°C	600	300	400	100
Epoxid.ekv.	100/ekv.	0,6	---	---	---
Aminový ekv.	g/ekv.	---	65	65	65
Směšov.poměr	g	100:	38	38	38
Směšov.poměr	ml	100:	45	45	45
Život.směsi	min	---	50	90	120

Výsledné vlastnosti vytvrzené pryskyřice:

Vlastnosti	Jednotka	Letecký standard	Pryskyřice LF+Tvrdidlo LF1	Pryskyřice LF+Tvrdidlo LF2	Pryskyřice LF+Tvrdidlo LF3
Hustota	g/cm3	---	1,15	1,15	1,15
Ohyb. pevnost	MPa	90	118	110	115
Pevnost v tahu	MPa	55	79	75	73
Rázová pevnost	kJ/m2	---	46	52	50
Tažnost	%	---	4,8	4,7	5,3
Pevnost v tlaku	MPa	120	126	132	129
E-modul	MPa	2,8x10E3	3,4x10E3	3,3x10E3	3,3x103

Výsledné vlastnosti kompozitu: Pryskyřice LF + skleněná vlákna: 16 vrstev tkaniny Interglas 92 626 (296 g/m2), vytvrzeno 24 hodin za pokojové teploty a dotvrzeno 15 hodin za teploty 50-55 °C.

Vlastnosti	Jednotka	Pryskyřice LF+Tvrdidlo LF1	Pryskyřice LF+Tvrdidlo LF2	Pryskyřice LF+Tvrdidlo LF3
Pevnost ve smyku	MPa	41	38	38
Ohyb. pevnost	MPa	484	483	492
Pevnost v tahu	MPa	485	485	485
Pevnost v tlaku	MPa	315	321	325
E-modul	MPa	21x10E3	21x10E3	21x10E3

Pryskyřice LF + uhlíková vlákna: 8 vrstev R&G uhlíkové tkaniny 200g/m2, vytvrzeno 24 hodin za pokojové teploty a dotvrzeno 15 hodin za teploty 50-55 °C.

Vlastnosti	Jednotka	Pryskyřice LF+Tvrdidlo LF1	Pryskyřice LF+Tvrdidlo LF2	Pryskyřice LF+Tvrdidlo LF3
Pevnost ve smyku	MPa	51	48	48
Ohyb. pevnost	MPa	712	693	711
Pevnost v tahu	MPa	383	350	362
Pevnost v tlaku	MPa	383	350	362
E-modul	MPa	48x10E3	45x10E3	46x10E3

Pryskyřice LF + aramidová vlákna: 8 vrstev R&G kevlarové tkaniny, vytvrzeno 24 hodin za pokojové teploty a dotvrzeno 15 hodin za teploty 50-55 °C.

Vlastnosti	Jednotka	Pryskyřice LF+Tvrdidlo LF1	Pryskyřice LF+Tvrdidlo LF2	Pryskyřice LF+Tvrdidlo LF3
Pevnost ve smyku	MPa	28	29	29
Ohyb. pevnost	MPa	349	339	344
Pevnost v tahu	MPa	508	479	503
Pevnost v tlaku	MPa	138	135	147
E-modul	MPa	30x10E3	26x10E3	29x10E3

Polyesterové pryskyřice

Jejich použití je vhodné zejména pro krátkou dobu vytvrzování, nízkou cenu a dobrou odolnost vůči atmosférickým vlivům. Nevýhodou je nízká tažnost a smrštění při zpracování i vytvrzování, proto se při výrobě letadel téměř nepoužívají. Používá se při výrobě krytů a na balistické konstrukce. Doba vytvrzování se může ovlivnit přímo množstvím tvrdidla.
Vlastnost polyesterových pryskyřic:

Vlastnosti	Jednotka	Hodnota
Hustota	g/cm3	1,4
Pevnost v tahu	MPa	40
Tažnost	%	2
E-modul	GPa	2-3

Fenolické pryskyřice

Vytvrzují se polykondenzací za vzniku vody, jako vedlejšího produktu, což vede k tvorbě mikrotrhlin a dutin. Mají dobrou tepelnou a chemickou odolnost. Snášejí provozní teploty do 270 °C. Jsou samozhášivé s malým vývinem kouře. Používají se na interiéry kabin a na sendvičové panely.
Vlastnosti fenolických pryskyřic

Vlastnosti	Jednotka	Hodnota
Hustota	g/cm3	1,4
Pevnost v tahu	MPa	40
Tažnost	%	0,5
E-modul	GPa	7

Polyimidové pryskyřice

Vynikají vysokou teplotní odolností až do 300 °C. Vynikají polyadicí nenasycených imidových monomerů.

Bismaleimidy
Byly vyvinuty speciálně pro letecký průmysl, pro tepelně namáhané součásti. Zpracovatelnost mají obdobnou jako epoxidové pryskyřice. Používají se na vysokoteplotní části jako jsou například obraceče tahu proudových motorů.
Vlastnosti polyimidových pryskyřic:

Vlastnosti	Jednotka	Hodnota
Hustota	g/cm3	1,22-1,35
Pevnost v tahu	MPa	45-90
Tažnost	%	1,5-6
E-modul	GPa	2-3

RDA polyimidy
Mají dobré mechanické vlastnosti a vyjímečně dobrou odolnost proti chemikáliím jako jsou organická rozpouštědla, silné kyseliny a zásady a Provozní teploty mohou dosahovat až 315 °C.

Vlastnosti RDA polyimidů:

Vlastnosti	Jednotka	Hodnota
Hustota	g/cm3	1,3
Pevnost v tahu	MPa	55-80
Tažnost	%	1,1
E-modul	GPa	3,9

Kondenzační polyimidy
Mají také velmi dobrou tepelnou odolnost. Vytvrzují se polykondezací při níž vznikají vedlejší produkty, což má za následek vznik dutin s následným zhoršením mechanických vlastností. Používají se na izolace a části proudových motorů.

Matrice na bázi termoplastů
Oproti reaktoplastickým matricím mají několik výhod. Především větší houževnatost, vyšší „demage tolerance“. Jsou opakovatelně zpracovatelné, za působení zvýšené teploty a tlaku. Také jejich recyklace je snadnější. Nevýhodou je silná závislost mechanických vlastností na teplotě. Používají se na interiéry letadel, protipožární přepážky a konstrukční díly.

Vlastnosti termoplastických matric:

Matrice	Název	Hustota	Pevnost v tahu	E-modul
PA	polyamid	1,14	81	2,8
PP	polypropylén	0,9	25	1,1
PEI	polyeterimid	1,27	104	3,3
PES	polyetersulfon	1,37	84	2,5
PPS	polyfenylensulfid	1,34	74	4,1
PEEK	polypolyetereterketon	1,32	100	3,8

Materiály jader

Materiály jader dělíme na kovové a nekovové. Při výrobě malých letounů není používání kovových jader obvyklé pro vysoké náklady na přípravky a výrobu sendvičů.

Nekovová jádra dělíme:
- pěny
- buněčná jádra

Nejznámějším nekovovým buněčným jádrem je Nomexové jádro, tvořené aramidovými vlákny nanášenými na papír. Po vytvrzení pryskyřice se expanduje celý blok, který se znovu máčí do pryskyřice a znovu vytvrdí v peci.

Pěny dělíme do dvou skupin podle struktury buněk:
- s uzavřenými buňkami
- s otevřenými buňkami

Pěny s otevřenou buněčnou strukturou nejsou pro letecké aplikace vhodné, pro snadné pronikání vlhkosti do konstrukce. Pěny s uzavřenými buňkami jsou dvojího druhu - nadouvané a syntaktické.Bloky pěnového materiálu jsou rozřezány na desky pásovou pilou nebo odporovým drátem. Nejpoužívanější konstrukční pěny jsou polystyren (styrofoam), polymetaakrylimid (rohacell) a polyuretan.

Vlastnosti konstrukční pěny Rohacell:

Vlastnosti	Jednotka	Rohacell 51 WF	Rohacell 71 WF	Rohacell 110 WF	Rohacell 200 WF
Hustota	kg/m3	52	75	110	205
Pevnost v tlaku	MPa	0,4	1,05	2,2	6,4
Pevnost ve smyku	MPa	0,5	1	1,75	3,6
E-modul	MPa	45	75	135	270
Smykový modul	MPa	14	24	40	100

Vlastnosti	Jednotka	Rohacell 31 A	Rohacell 51 A	Rohacell 71 A
Hustota	kg/m3	32	52	75
Pevnost v tlaku	MPa	0,3	0,7	1,3
Pevnost ve smyku	MPa	0,3	0,6	0,9
E-modul	MPa	26	45	75
Smykový modul	MPa	8	13	22

Efin