Druhy vláken

Technická univerzita v LiberciKompozitní materiály, 5. MI© Doc. Ing. Karel Daďourek

2008

Druhy různých vláken

• Přírodní vlákna• Skleněná vlákna• Uhlíková a grafitová vlákna• Aramidová a silonová vlákna• Keramická vlákna• Kovová vlákna• Whiskery

Průměry různých vláken

Rozdělení vláken

• Do průměru 100 nm – nanovlákna• 0,1 až 1 µm – mikrovlákna – whiskery• 1 až 10 µm – střední vlákna – uhlíková,

skleněná, textilní - nejčastější• Nad 10 µm – hrubá vlákna – B, TiB2,

SiC a p.

Monofil a multifil• Jedno vlákno - monofil• Spředená textilní vlákna - multifil• 1 tex - hmotnost 1 km vlákna v g

- údaj o tloušťce T (tex ≡ g/km)• m = ρ*V …. Plocha vlákna

S = 10-9 * T / ρ • Lépe S = 10-3 * T / ρ

( mm2, tex, g/cm3 )• Pro kruhový průřez

d =18 * T / ρ ( µm, tex, g/cm3 )• Pro jednotkovou hustotu (plasty)

1 tex ~ 1000 µm2 ~ 18 µm• Pro pevnost vláken platí

1 N / tex = s GPa, kde s je hustota v g/cm3,

pro jednotkovou hustotu 1 N / tex = 1 GPa

Monofil

Multifil - spojitá vlákna

Multifil - krátká vlákna

Mikrostruktura multifilu

Vzhled multifilu

Přírodní vlákna• Len, bavlna, kokosová vlákna, sisal a p.• Základem je celuloza• Pevnost okolo 0,9 GPa• Youngův modul okolo 100 GPa• Moderní – celulozová nanovlákna

např rozvlákněním dřeva• Velmi aktuální pro rozvojové země• Dobré i pro ekologii – přirozeně degradují

Bavlněné vlákno

Vlevo mikrosnímek, vpravo struktura. K – kutikula (povrchová ochranná vrstva), P, S, T – primární, sekundární a terciární

vrstva lamel, L – lumen – centrální dutina ve vlákně.F – ukázka fibrilární struktury lamely.

Vlastností přírodních vláken

Vlákno : Hustota (g/cm3) :

Mez pevnosti (MPa) :

Youngův modul (GPa) :

Tažnost (%) :

Konopí 1,5 460 70 1,7

Juta 1,3 440 60 2,0

Len 1,5 340 100 1,8

Bavlna 1,5 300 27 10

Druhy skleněných vlákenOznačení skla

Použití Složení v % : Pevnost (GPa)

Prodloužení při lomu (%)

E Elektrické izolace 55 SiO2, 11 Al2O3, 6 B2O5, 18 CaO, 5 MgO

3 3

S Vysokopevnostní kompozity

65 SiO2, 25 Al2O3, 10 MgO 5 5

A Tepelné izolace 72 SiO2, 1 Al2O3, 3 MgO, 10 CaO, 14 K2O

C (Pyrex) Chemické aplikace 65 SiO2, 4 Al2O3, 6 B2O3, 3 MgO, 14 CaO, 9 K2O

2 2

Výroba skleněných vláken

Pevnosti skleněných vláken

1,62,85Pevnost po zpracování GPa

235Prodloužení při lomu %

23,77Pevnost výchozí GPa

Pyrex ( C )

E skloS skloVlákno

Tepelné vlastnosti

13255Tepelná roztažnost 10-6 K-1

1718810,4Tepelná vodivost W/mK

OcelhliníkE sklomateriál

Další vlastnosti

• Hustota okolo 2,5 g / cm3

• Tuhost zhruba jako hliník – 1/3 tuhosti oceli E = 80 až 100 GPa

• Běžné lahvové – A sklo• Malá odolnost skelných vláken únavě• Rozpor mezi vysokou pevností a

vysokou smáčivostí

Vliv povrchových činidel

Uhlíková a grafitová vlákna• Mají asi desetinásobnou tuhost a poloviční

hustotu proti skleněným• Pevnost nižší než u skla nebo aramidu• Vynikající tepelné vlastnosti, pokud jsou

chráněna před oxidací• Stabilní do 1000 oC, při ochraně před oxidací

do 2000 oC• Minimální teplotní roztažnost, dokonce někdy

smrštivost• Do 1000 oC jsou chemicky inertní• Na rozdíl od skla velká odolnost únavě

Další vlastnosti

• Uhlíková vlákna jsou elektricky vodivá• Nejlevnější stojí dvojnásobek proti sklu,

nejkvalitnější až stonásobek• Jsou velmi silně anizotropní – ve směru

osy a kolmo na osu A = 100• Obsahují různé procento grafitu

Vývoj použití uhlíkových vláken

Vývoj ceny uhlíkových vláken

Krystalická struktura grafitu

Tabulka základních vlastností

2,2652,2653,3Hustota g / cm3

0,5 - 10,5 - 110Tvrdost Mohs36,510601200E GPa

27*10-6-1,5*10-60,8*10-6Tep. roztaž. 1/K62000900Tep. vod. W/mK0,0525010-15El. vodiv. 1/Ωm0,3340,1420,154Délka vazby nmGrafit aGrafit cdiamantVlastnost :

Grafit c – v bazální rovině, Grafit a – ve směru kolmém

Úhlová závislost pro E

Struktura grafitového vlákna

Produkty z uhlíkových vláken

PAN – výchozí surovina

Postup výroby• Prekursor – PAN vlákna• Stabilizace – oxidace 1 – 2 hodiny při 200 –

300 oC na vzduchu• Karbonizace – 30 – 60 vteřin při 1200 až

1500 oC v dusíku• Grafitizace – 15 – 20 vteřin při 2000 až 3000

oC v dusíku s argonem• Povrchová úprava – leptání kyselinou

dusičnou

Vliv teploty na vlastnosti

Základní vlastnosti grafitových vláken

400240E GPa

vysokomodulovávysokopevnostníVlákna

0,51,2Prodl. %

2,13,1Ru GPa

HMHToznačení

Aramidová a nylonová vlákna

Polyamid - nylon

Aromatický polyamid – aramid- kevlar

Kevlarová vlákna• Pevnost okolo 2,8 GPa• Při hustotě 1,44 g/cm3 vynikající poměrná

pevnost – pětinásobek oceli• Deformace při lomu poněkud menší než u

skla, ale větší než u grafitu• Při dlouhodobém zahřívání nad 175 oC

degradují vlastnosti• Mají záporný koeficient teplotní roztažnosti• Jsou v zásadě chemicky odolná, napadána

jen silnými kyselinami a louhy• Degradují v UV záření za přítomnosti kyslíku

Základní vlastnosti - porovnání

220427,86ocel

3723,42,54E-sklo

2,4133,62,811,45Kevlar49

463,32,811,44Kevlar

185,621,021,14Nylon

Prodl. %E GPaRu GPas g/cm3vlákno

Keramická vlákna• Velká teplotní odolnost a stabilita• Použití v MMC a CMC pro vysoké teploty• Vysoká tuhost• Malá tepelná roztažnost• Malá závislost pevnosti na teplotě• Na rozdíl od uhlíku a aramidu vydrží i větší

tlak• Jsou k dispozici jako monofil, textilní vlákna

nebo whiskery

Poměr velikostí keramických vláken

Základní vlastnosti

11

Mezní deformace %

3,22402,5spinel

3,93851,4korund

2,552402,8SiC

2,1972,55,8křemen

s g/cm3E GPaRu GPaVlákno

Vliv štíhlosti-keramická vlákna mívají často malou štíhlost-To snižuje dosažitelnou pevnost kompozitu-Znatelný vliv má pokles štíhlosti až pod 5, pak již nejde o vlákna, ale spíše tyčinky-Velké průměry u monofilu zlepšují pevnost v tlaku

Kovová vlákna• Jedny z nejlacinějších• Ocelová vlákna pro zpevnění lehkých

slitin• Wolframová vlákna – na zpevňování

žáropevných materiálů, ale těžká• Velmi zajímavá jsou borová vlákna, ale

nesnadná výroba. Velmi lehká• Nový výzkum vláken z kovových skel

Borová vlákna• Vyrábějí se

chemickou depozicí z par BCl3 na W drát – vydrží do 450 oC, pak oxidace povrchu

• Borsic – obrázek vedle – vydrží do 700 oC

• Rozměry na obrázku v µm

Základní vlastnosti

7,82101,5ocel

1,832401,4berylium

19,34144,2wolfram

2,633852,8bor

s g/cm3E GPaRu GPaVlákno

Whiskery• Průměr pod 1 µm, délka 3 – 4 mm, štíhlost

nad 1000• Speciální způsob pěstování – obsahují jen

jednu šroubovou dislokaci uprostřed• Lze získat z řady látek kondenzací z par.• Nutno rozeznávat od monokrystalických

vláken• Pevnost se blíží teoretické hodnotě –

desetina Youngova modulu• Přírodní whiskery některých keramik - asbest

Pracovní diagram whiskeru

• Má extremně vysokou pevnost, po jejím překročení se chová jako normální krystal

Ruw – mez pevnosti whiskeruRum – mez pevnosti monokrystaluεu – mezní deformace

Nebezpečnost whiskerů• Whiskery látek,

které se v těle nerozkládají, mohou být karcinogenní.

• Délka 5 až 50 μm, průměr 0,1 až 2 μm.

• Trvale dráždí plíce – jako asbest

Základní vlastnosti whiskerů

700192,26C

380143,18Si3N4

240213,17SiC

470153,96Korund

E GPaRu GPas g/cm3whisker

Porovnání všech vlákenE Gpa Ru Gpa s g/cm3 bod tání prodl % spec Ru spec E

e-sklo 72,4 2,4 2,54 850 3 0,944882 28,50394s-sklo 85,5 3,1 2,48 970 5 1,25 34,47581HM grafit 400 2,1 1,9 3650 0,5 1,105263 210,5263HT grafit 240 3,1 1,9 3650 1,2 1,631579 126,3158bor 385 2,8 2,63 2300 1,064639 146,3878křemen 72,5 5,8 2,19 1660 11 2,648402 33,10502wolfram 414 4,2 19,3 3400 0,217617 21,45078berylium 240 1,3 1,83 1284 0,710383 131,1475nylon 5,7 1 1,14 18 0,877193 5kevlar 29 63 2,8 1,4 4 2 45kevlar49 134 2,8 1,5 2,4 1,866667 89,33333ocel 210 1,5 7,8 1500 2 0,192308 26,92308korund-wh 470 20 3,96 2072 5,050505 118,6869SiC - wh 470 20 3,17 2200 6,309148 148,265Si3N4 - wh 380 10 3,18 1900 3,144654 119,4969