A kompozitok erõsítõ anyagai tipikusan száljellegûek

Átírás

1 Alkalmazástechnika A kompozitok erõsítõ anyagai tipikusan száljellegûek Composites Big Business Investment Winners In Next Decade, mondta a Composites Worldwide Inc. Kiadója egyik tanulmányuk megjelenésekor. Ebben a kiadványban a szálerõsítéses kompozitok (FRP) robbanásszerû, %-os bõvülését prognosztizálják erre az évtizedre, az infrastruktúra területén (1. ábra). 1. ábra. ASSET (Advanced Structural Systems for Tomorrow s Infrastructure szerkezeti elem rendszerek kompozit hídelem (Oxford, Egyesült Királyság) A szakértõk a legnagyobb fejlõdést Észak-Amerikában várják, de ütemében követheti ezt Ázsia és Európa is. A kompozitok erõsítõ anyagának mennyiségét tekintve továbbra is az üvegszál (GF) növekedése lesz a legnagyobb, ezt követi a szénszál (CF), melynél a piaci bõvülés jelentõs felerõsödését tapasztaljuk napjainkban. Megállapítható, hogy a kompozitok családjában a szénszállal erõsített mûanyagok, fémek, kerámiák és szervetlen anyagok jobban befolyásolják a mûszaki életet, mint bármely más anyag, amit eddig létrehoztak. 1. Új feladatokhoz, új anyagok A globális energia problémák megoldáskeresése és a technológiák területén jelentkezõ új mûszaki kihívások serkentik ezt a fejlõdést (2. ábra). Követelmény: az alacsony költségû gyártás, a környezet terhelés csökkentése, az anyagok-, rendszerek rugalmassága, a megbízhatóság alapú tervezési módszertan, a csatlakozó technológiák egyszerûsége, a rendszerek és azok teljesítményének élettartama, valamint az anyagok újrahasznosíthatósága Ezeket az összetett követelményeket leginkább többkomponensû, társított anyagokkal, ezen belül erõsített anyagokkal, kompozitokkal lehet kielégíteni. A szerkezeti anyagok ma már nem a véletlenszerû felfedezések eredményei, hanem azokat inkább az alkalmazási célhoz, a szerszámhoz igazítva alakítják ki és DR. MEISZEL LÁSZLÓ okleveles vegyészmérnök 2. ábra. GF/CF hibrid erõsítésû szélerõmû lapátok hozzák létre. Napjainkban a nagy szilárdság és a kis sûrûség kombinációja adja elsõsorban a kompozit anyagok versenyképességét, de sok jelentõs, kevesebbet emlegetett tulajdonság is hozzájárul a piaci sikerhez. Már az is meggyõzõ, ha csak a jó rezgéscsillapítási karakterisztikát, a szénszálak alacsony hõtágulási együtthatóját, a szabályozható elektromos vezetõképességet, a vegyi ellenállási tulajdonságok variálhatóságát, a korrózióállóságot vagy a speciális feladatokhoz való rugalmas tervezhetõséget és gyártást emeljük ki. Ha a végtermék szemszögébõl nézzük, akkor kevesebb alapanyagból, erõsebb, gyorsabban és egyszerûbben összeszerelhetõ, életciklusa alatt olcsóbban fenntartható terméket kínálnak a kompozitok. 2. Magasabb szintû tervezési szabadság A kompozitok abban különböznek a hagyományos anyagoktól, hogy legalább két egymástól nagyon különbözõ alkatrészeiben fázishatárokkal elválasztott összetevõbõl állnak: az erõsítõ anyagból és a mátrixból (M). Ez a kombináció az alkotó elemek között interaktív kapcsolaton keresztül olyan új anyagot hoz létre, melynek tulajdonsága más és több mint a magukkal hozottak egyszerû összegzése. A vékony üvegszál például relatíve nagy húzószilárdsággal rendelkezik, de rideg és törékeny. A legtöbb polimer (P) ezzel szemben viszont alacsony szilárdsággal és kiemelkedõen jó rugalmassággal rendelkezik. Ezeket az anyagokat kombinálva, hiányos tulajdonságaikat kiküszöbölhetjük és önálló, új anyagot hozhatunk létre, ráadásul úgy, hogy az igényelt fizikai jellemzõk egy tartományon, illetve távolságon belül akár folyamatosan is változhatnak. A tervezõk és gyártók ismerik az egyes komponensek egyedi paramétereit, más anyagokkal való kombinálhatóságukat, így képesek kifejleszteni, megtervezni 330 M Û A N Y A G É S G U M I évfolyam, 8. szám

2 olyan megoldásokat, amelyek minden elvárásnak optimálisan megfelelnek. 3. Tipikus erõsítõ anyag: a szál A kompozitok erõsítõ anyaga tipikusan bár nem kizárólag szál (F) jellegû, ami többek között azzal magyarázható, hogy a termékben az igénybevétel jól meghatározott erõvonalak mentén érvényesül. Gyors elterjedésüket segíti az is, hogy a textilipar sok évszázados tapasztalataira alapozva hatékony eljárások állnak rendelkezésre az erõsítõ szál-rendszerek jól kezelhetõ feldolgozási formájának kialakítására. A szál orientáció a mátrixban tudatosan alakítható, így izotróp vagy anizotróp szerkezet is létrehozható akár egy munkadarabon belül is, tehát a tulajdonságokat a várható igénybevételnek megfelelõen lehet kialakítani a különbözõ terhelési irányokban. A kommersz kompozitok széles választékát (mint például autó részegységeket, hajótesteket, korrózióálló ipari szerkezeteket és bevonatokat) nem folytonos, random eloszlású (az esetek többségében GF) vágott szálakkal vagy folytonos, de nem orientált szálformával oldják meg. A high-tech kompozitokban melyek kifejlesztését a katonai és az ûrhajózási igények kezdeményezték a szerkezeti tulajdonságokat folytonos, orientált elhelyezkedésû, nagyszilárdságú erõsítõ szálakkal biztosítják (melyek sorában a legkedveltebbek a szén-, aramid-, vagy az üvegszál, illetve azok kombinációja, az ún. hibrid szerkezetek). 4. Erõsítõ szálak: üvegszál Üvegszál a legrégebbi, ma is a leghasználatosabb (3. ábra), ami lehetõvé tette, hogy a belõle készített kompozitokkal fémszerkezeteket helyettesítsenek (Európában 2003-ban a felhasználás meghaladta az 1 millió tonnát). A GF kb. 60%-kal nehezebb a CF-nél, de nagyobb az ütõ-hajlító szilárdsága. A GF erõsítõ tulajdonságainak és alkalmazástechnikai jellemzõinek széles variációja hozható létre, az üveg típusától, az elemi szálak 3. ábra. Kompozit hajótest átmérõjétõl, a szálat bevonó sizing kémiai összetételétõl és a szál kiszerelés formájától függõen. Az erõsen koptató GF szálak tulajdonságait alapvetõen az anyagösszetétel, a gyártástechnológia és a szálbevonat határozza meg. Alkálikarbonátból, alkáliföldfémkarbonátból és kvarcból készülnek, 3,5 27 mikrométer átmérõ tartományban (jellemzõ 3,5 16 mikrométer). A kvarchomok (mennyisége a keverékekben több mint 50%) mellé adagolt fémoxidok vagy más adalékok segítségével elõnyös tulajdonságok hozhatók létre. Az E-üvegszál típus a leggazdaságosabb erõsítõszál a legtöbb GF kompozithoz, mert megfelelõ szilárdságot biztosít alacsony költségek mellett. Kémiai összetételébõl adódóan kiváló elektromos szigetelõ, és szívesen alkalmazzák olyan esetekben is, ahol fontos követelmény a rádióhullámok torzításmentes áteresztése, mint például a repülõgépek radar vagy antenna burkolatánál vagy a számítógép alaplapoknál. Idõvel az E-üveg vált a kompozit iparban az általánosan használt (standard) száltípussá, ma már 90%-ban lefedve a piaci területet. Az E-üvegek 50%-ban kvarchomokból állnak, az összetétel másik felét alumínium-, bór-, kalcium- vagy más keverékek oxidjai adják, beleértve a mészkövet, bórsavat, folypátot vagy az agyagot is. A hatvanas években, a védelmi szektor igényei alapján, megindult a nagyszilárdságú (high-strength) típusú üvegszálak kifejlesztése. Az S-üveg az USA-ban, az R- üveg Európában és a T-üveg Japánban kifejlesztett speciális termék, melynek szakítószilárdsága elérte a 4830 MPa (700 ksi)-t, de rugalmassági modulusza csak 9 10 GPa (14 Msi). Az S-üveg nagyobb mennyiségben tartalmaz szilícium-, alumínium- és magnézium oxidot, mint az E-üveg, ennek következtében 40 70%-kal erõsebb az E-üvegnél (T op =1050 C). Mindkét száltípus érzékeny a magasabb hõmérsékletre, 538 C hõmérsékletig fokozatosan elveszítheti szilárdságának akár 50%-át is. Az üvegszálak kémiai ellenálló képessége köztudottan jó, de számolni kell az erózióval, ha közvetlen érintkezésbe kerülnek vízzel. Például a 7 mikron átmérõjû E- üvegbõl készült szál elveszíti tömege 0,7%-át, ha 24 órán keresztül meleg vízben tartják, és ez az érték 7 nap után kb. 0,9%. Az erózió nagymértékben függ a szál felületvédelmétõl, amelyre általában szilán bevonatot alkalmaznak. Korróziónak ellenálló üvegként ismert a C-üveg, vagy az E-CR-üveg, amely sokkal jobban ellenáll a savak oldatának, mint az E-üveg. Viszont a nátriumkarbonát oldattal szemben sokkal stabilabb az E-üveg és az S-2 üveg, mint a C-típus. A bórmentes üvegszálak jó mechanikai tulajdonságaik mellett, az E-szálak költségeivel versenyezve alkalmazhatók savas környezetben (hasonlóan, az E-CR üvegekhez), de jobb a rugalmassági moduluszuk, és jobb a magas hõmérsékleti alkalmazhatóságuk évfolyam, 8. szám M Û A N Y A G É S G U M I 331

3 5. High-tech erõsítõszálak A nagyszilárdságú, a nagymoduluszú erõsítõ szálak akár a szénszálakat, akár a szerves polimerekbõl készült vagy a kerámia szálakat nézzük relatíve új termékek. Teljes skálájú ipari méretû termelésük közel 25 éve indult. Jelenlegi kereskedelmi forgalmuk ezer, szénszál esetében tízezer tonnákban mérhetõ, a százezer tonnás éves forgalmú üvegszálak mellett. A high-tech kompozitokhoz nem csak a nagyszilárdságú CF, GF vagy aramid szálakat használják, hanem egyre több nagy moduluszú polietilén szálat (PE), bór-, kvarc-, kerámiaszálat vagy még újabbakat, mint például a poli-p-fenilén-2,6- benzobisoxazol (PBO) szálat vagy a felsoroltak valamilyen kombinációját. A high-tech erõsítõ szálak között a szénszálé a vezetõ szerep. 40 éves szál- és alkalmazástechnikai fejlesztés után indult be széleskörû piachódítása, melyhez nagymértékben hozzájárult a 90-es évek közepén, a textil PAN precursorból való gyártás (4. ábra) megindulásával bekövetkezett radikális árcsökkenés. Mint közismert, döntõen PAN precursorból indul ki a gyártás, de készítenek viszkóz szálból és kátrányból is. A tulajdonságok széles választéka található meg a piacon, a jótól az extrém szakítószilárdságig, és a nagy rugalmassági moduluszig. A petróleum vagy a szén-kátrányból készített szénszálakkal nagy vagy extrém-nagy szilárdság és kicsi vagy negatív axiális hõtágulási együttható érhetõ el. Ezek a tulajdonságok elsõsorban az ûrhajózási alkalmazásokban aknázhatók ki. Jellemzõen ûrhajózási (aerospace) kábel (tow) típus tartomány az 1 K-tól a 12 K-ig. A PAN és a kátrány alapú 12 K-s szénszál elõállítható normál (33 35 Msi, GPa), közepes (40 50 Msi, GPa), nagy (50 70 Msi, GPa) és ultra-nagy ( Msi, GPa) modulusszal. A nehéz CF kábelek, melyek elemi szál tartalma 48 K-tól jelenleg 320 K-ig terjed, lényegesen olcsóbbak az ûrhajózási típusoknál. (Ennek a típusnak a kidolgozásában és elterjesztésében a ZOLTEK CO. úttörõ szerepet játszott és játszik ma is.) Általában GPa (33 35 Msi) modulusszal, és 3800 MPa (550 ksi) húzószilárdsággal jellemezhetõk ezek a szálak. Széles körben használják ipari és építõipari javításoknál, felújításoknál, nagy felületû kompozitok készítésénél, az autóiparban és a szén-szén kompozitok elõállításánál. A nehéz kábelek mechanikai tulajdonságai nem közelítik meg az ûrhajózási típusok értékeit, de lényegesen olcsóbbak. A szénszál erõsebb, mint az üvegszál vagy az aramid-szál, de gyengébb az ütõszilárdsága, és fémekkel való érintkezés során galvanikus korrózió léphet fel. A gyártók úgy küszöbölik ki ez utóbbi problémát, hogy védõbevonatot alkalmaznak vagy GF/epoxi laminálással kerülik el a közvetlen érintkezést. Az aramid (aromás poliamid) szálak (AR) kivételesen nagy ütõszilárdsággal, húzószilárdsággal és hõállósággal rendelkeznek. A standard típusok modulusza 138 GPa (20 Msi), a húzószilárdsága 3450 MPa (500 ksi) körüli. Az MPIA (poli-m-fenil-izoftálamid) fehér színû aramid szálak jó lángállósággal rendelkeznek (T op =550 C). Típusjelzésük m. A PPTA (poli-p-fenilén-tereftalamid), a kiemelkedõ mechanikai és termikus tulajdonságokkal rendelkezõ ún. p típusú paraorientációs szerkezet. Az AR kiemelt szerepet kapott a golyóálló kompozitokban, a helikopter rotor lapátok gyártásánál, a nyomás alatti gáztartályoknál (5. ábra), és minden olyan esetben, amikor a szerkezet erõs stresszhatásnak vagy vibrációnak van kitéve. A nagy moduluszú polietilének (PE) folyamatos elterjedését segíti, hogy a PE a legkönnyebb erõsítõ szál, kiemelkedõen jó a kémiai és a nedvességgel szembeni ellenálló képessége, rendkívüli az ütõszilárdsága, antiballisztikus tulajdonsága, és igen kicsi a dielektromos állandója. Alkalmazhatóságát azonban korlátozza, hogy nagy a nyúlása tartós terhelés esetén, és csak alacsony hõmérséklet tartományban alkalmazható (<98 C, T op = 150 C). Sportszerek gyártásánál és repülõgép belsõ, go- 4. ábra. PAN precursorból történõ CF gyártás elsõ lépcsõje 5. ábra. AR szállal erõsített nyomás alatti gáztartály készítése száltekercseléssel 332 M Û A N Y A G É S G U M I évfolyam, 8. szám

4 lyóálló burkolatainak gyártásánál alkalmazzák elsõsorban. Ahol a tartósságnak kiemelten fontos szerepe van, a kvarcszálak jó alternatív választási lehetõséget jelentenek annak ellenére, hogy a QF drágább, mint az üvegszál. Az E-üvegnél kisebb a sûrûsége, nagyobb a szilárdsága és ütés-állósága, szakadási nyúlása pedig mintegy kétszerese annak. A kvarcszálak hõtágulási együtthatója közel nulla; folyamatos hõhatásnak kitéve ( C tartományban is) megtartják fizikai tulajdonságaikat, többször ismétlõdõ rövidebb perióduson keresztül. A QF határozottan jobb elektromágneses tulajdonságokkal bír, mint a GF, amely alkalmassá teszi arra, hogy olyan speciális alkatrészeket készítsenek belõlük, mint például a repülõgép radarantenna burkolata. A kerámiaszálak ellenállóak a magasabb, és nagyon magas hõmérsékletekkel szemben, de hátrányuk, hogy kicsi az ütésállóságuk, és gyengébbek egyéb jellemzõik is. Miután a kerámiaszálak a kvarcszálakhoz hasonlóan sokkal drágábbak, mint más szálas anyagok, így ha a kerámiaszálra esik a választás, a költségnövekményt csak az elõnyös tulajdonságok magyarázhatják. A kerámiaszálak egyik felhasználása a repülõgépek belsõ terében alkalmazott kompozit borítás, melynek az érvényes elõírások szerint 1093 C-os hõmérsékletnek kell ellenállnia 15 percen keresztül, lángbetörés nélkül. (6. ábra) A poli-p-fenilén-2,6-benzobisoxazol (PBO) többékevésbé új szálanyagnak minõsül. Közel duplája a modulusza és a szakítószilárdsága az aramidénak, és bomlási hõmérséklete is 100 C-kal nagyobb (T op = 650 C), ennél fogva a magasabb hõmérsékletû alkalmazásokhoz megfelelõ. Jelenleg a lõfegyverek elleni védelemhez, sporteszközökhöz, szigeteléshez és abroncsok erõsítéséhez használják. Egy divatos, új anyag: az arany-barnás, üveghez hasonlatos, olcsó bazaltszál, amelynek ipari elõállítására jelenleg elsõsorban Oroszországban és Ukrajnában van kapacitás. A bazalt, kémiai összetétele miatt jobb vegyszer- és lúgállóságú, mint az üveg, ennél fogva kiváló 6. ábra. Kerámia szállal erõsített repülõgép falborítás 7. ábra. Bórszálakkal erõsített farokfelület borítás erõsítõ szál a beton szerkezetekben. A SUDAGLASS az orosz gyártmányú erõsítõ szálat forgalmazza, de egyben tervezik, hogy az elkövetkezendõ két év során egy új gyártó mûvet nyitnak az Egyesült Államokban. A bórszálak ötször erõsebbek és kétszer keményebbek az acélnál. Ezeket vegyi szórási eljárással készítik, ahol a bór permetet wolfram vagy szén elemi szálakra szórják. A bór erõs, kemény, könnyû, kitûnõ fizikai tulajdonságai vannak nyomás esetére, és jó a hajlítószilárdsága is. Bórszállal készítenek kompozitokat sportszerektõl kezdve (pl. horgászbotok, golf eszközök, sílécek, kerékpárvázak) egészen a repülõipari alkalmazásokig, pl. a repülõgép farokfelületének borítása (7. ábra), ûrsikló rácsszerkezeti elemek, elõre gyártott felületjavító elemek. A természetes szálak és rostok legismertebb képviselõi: a szizál, a kender, a len, a juta és a kókusz. A szálak és rostok kis sûrûségûek, de megfelelõen kemények és erõsek a polimer rendszerek tulajdonságainak javításához. Az autóipar elõszeretettel alkalmazza ezeket a rostokat, sõt gyakran az üvegszálak alternatívájaként is. Európai gyárak vezetnek a szerves rostokkal erõsített kompozit anyagok felhasználásában, részben azért, mert az EU szabályozások az autóalkatrészek visszaforgathatóságát szigorúan megkövetelik. 6. Szálak alkalmazási formái A high-tech alkalmazástechnikához az alap kiszerelési forma az ezernyi párhuzamos, folytonos szálból (elemi szálakból, filaments) álló kábel (tow), amit a szénszálak területérõl mindenki jól ismer. A sodratlan pászmák elemi szál tartalmát, az ezres egységeket kifejezõ K érték jelöli. Az üvegszálakkal kapcsolatban jól ismert a roving elnevezés, amely ugyancsak a részkábelek egyesítésével, sodratlanul felcsévélt szálköteg. Egy végû rovingról (Single-end) akkor beszélünk, ha több csévérõl, a szálkötegek végének egyesítésével, párhuzamosan történik a szálelhúzás. Egyesített végû (Multiple-end) roving esetében az egyes rovingok eleje és vége van összeragasztva, így a lehúzott anyag szakaszosan párhuzamos egységekbõl épül fel, de a technológia szempontjából végtelenített kábelként kezelhetõ évfolyam, 8. szám M Û A N Y A G É S G U M I 333

5 A rovingok apríthatók, szõhetõk vagy egyéb módon feldolgozhatóak ahhoz, hogy másodlagos szálas formátumot hozzunk létre a kompozitok erõsítõ rendszerének kialakítására, mint a paplanokat, a szõtt- vagy a fonatolt termékeket, a kötött árukat, illetve a hibrid szerkezeteket. A fonal (Yarn) a szálak sodrásával kialakított kiszerelési forma. Általában vágott szálból épül fel (CF- Yarn), de folytonos szálakból is készíthetõ, amennyiben a száltulajdonságok megengedik (PE-Yarn). Erõsítõ tulajdonságuk gyengébb, mint a párhuzamos, sodratot nem tartalmazó folytonos szálaké. A paplanok, fátylak nem szõtt termékek, olyan szálbundák, amelyet az esetek többségében vegyi kötõanyag tart össze. Kétfajta szálformából készíthetõk: vágott és folyamatos szálakból. A vágottszál-paplan (melynek szálai jellemzõen 28 mm és 63,5 mm közötti hosszúságúak) véletlenszerû eloszlású szálakat tartalmaz mind a három dimenzióban. A folyamatos pászmájú paplan folyamatos elemi szálakból alkotott pászma hurkokból áll. Miután az elemi szálak irányultsága véletlenszerûen alakul, a paplan kvázi izotrópnak minõsül, tehát gyakorlatilag minden irányban azonos teherbíró képességû. A vágott szálból elõállított paplanok alacsony költségigényû megerõsítésre adnak lehetõséget a kézi fektetésû, folyamatos rétegelrendezésû, és néhány zárt sajtolású alkalmazásnál. A szõtt termékek választéka nagyon széles a súly, a szövési mód és a szélesség tekintetében. A szövetek kétirányúak a szálak irányultságra nézve (0 /90 ). Ipari méretben is könnyen kezelhetõek, így megkönnyítik a gyors kompozit készítést. A szõtt termékek húzószilárdsága a szövés típusától függõen némileg kisebb, mint az unidirekcionális (UD) termékeké, a szálak hullámos elhelyezkedése folytán (ahogy az szövés közben egymás alá és fölé fekszik). Ezek a szálak húzás hatására ki akarnak egyenesedni, amellyel feszültséget ébresztenek a mátrix rendszerben is. Hibrid termékeket különbözõ száltípusokból, pászma kompozíciókból lehet készíteni. Így pl. a GF üveg és CF kombinációjával készülnek szövetek. A hibrid szerkezetet úgy is létre lehet hozni, hogy egy szõtt terméket és egy nem szõtt paplant tûznek egymáshoz. Az unidirekcionális (UD) termékek azonos feszültséggel párhuzamosított, majd rögzített, jól kezelhetõ erõsítõ struktúrát jelentenek (50 g/m 2 -tõl). Rögzítéshez megnövelt mennyiségû sizinget, ragasztót, szálat, hálót stb. használnak, ami az alkalmazhatóságot némileg befolyásolja. Kiváló alaptípus a multiaxiális erõsítõ szerkezetek kialakításához, melyeket az unidirekcionális rétegek különbözõ irányban történõ egymásra rakásával, majd utólagos rögzítésével hoznak létre. Az igényeknek megfelelõen bármely irányban meghatározható a szálak iránya és mennyisége. A multiaxiális termékek elõnye az is, hogy a szövéssel járó szálfodrosodás elkerülhetõ, mert a szálak egymáson fekszenek síklap-szerûen (és nem egymás alatt és felett fûzõdnek át), ennek következtében jobban ki lehet használni a szálak szakítószilárdságát. A font termékek általában drágábbak, mint a szövöttek, mert bonyolultabb gyártási folyamattal készülnek és súlyuk is nagyobb. Nagyobb szakítószilárdságuk abból adódik, hogy három vagy négy szálat egybefonnak úgy, hogy közben két szál soha sincs egymás köré csavarva. A fonatok folyamatos felépítésûek és van legalább egy tengelyirányú szál, ami egyenes marad a készítés során. A szálak ily módon történõ rendezése hatékony tehereloszlást eredményez a teljes szerkezetben. A fonatok mind zárt, mind csõ formában léteznek. (A csõszerû fonatok pl. pultrudálhatók annak érdekében, hogy belsõ üregeket képezhessünk ki, mint pl. a széllovas árbocok, a hokiütõk, a lámpaoszlopok és egyéb tartóoszlopok esetében.) A fonatok egyre versenyképesebbek más termékekkel szemben az alacsony elõállítási költségeknél fogva. Az elõformák (preformok) elõre tervezett térbeli formák unidirekcionális, vagy tûzött anyagokból létrehozottak. A bonyolultabb formákat jól megválasztott és többszörös erõsítõ rétegek egymásba integrálásával lehet gazdaságosan kialakítani. Miután alkalmasak a gyártási haté- 8. ábra. CF kiszerelési formák 9. ábra. Prepreg gyártás 334 M Û A N Y A G É S G U M I évfolyam, 8. szám

6 konyság növelésére, új feldolgozási technológiák kerülnek kidolgozásra, új telítési, felmelegítési és szilárdulási eljárásokkal, automatikus felhordási, szálrendezési és tömörítési megoldásokkal. A mûgyantával impregnált, tovább feldolgozható erõsítõ szerkezeteket, melyeket általában prepregeknek hívnak, a szálszerkezet tervezett mennyiségû hõre keményedõ mûgyantával vagy hõre lágyuló polimerrel történõ impregnálásával hozzák létre, oldatos, olvadékos vagy porimpregnációs technológiával (9. ábra). A legtöbb hõre keményedõ prepreget szobahõmérséklet alatt kell tartani, és felhasználhatóságuk idõben korlátozott. A hõre lágyuló prepregek esetében nincs ilyen megkötés. Bõvülõ alkalmazási területet tudhat magáénak, különösen a hõre lágyuló mátrixú kompozitok területén a vágott szál (Chopped Fiber) típus, és különösen az elektromos tulajdonságok kialakításánál az ún. õrölt szál (Milled Fiber), a hagyományos berendezéseken történõ feldolgozást megkönnyítõ pellet formában is. 7. Az elérhetõ eredmény titka a felületkezelés, a sizing? A polimer kompozitok tulajdonságait és alkalmazhatóságát alapvetõen az erõsítõ szálak és a mátrixanyag között kialakuló határréteg tulajdonságai, az adhézió erõssége befolyásolja. Ennek érdekében speciális felületkezelést alkalmaznak vagy bevonatot képeznek az elemi szálak felületén, amelyet sizingnak nevezünk. A sizingot, már a szál elõállításakor felviszik a szálak felületére, olyan minõségben és mennyiségben, amely a tervezett mátrix-polimerhez és a gyártástechnológiához a legmegfelelõbb. A bevonat tulajdonképpen több célt is szolgál: elõsegíti a szálanyag és mátrix közötti kötést, megkönnyíti a szálak kezelhetõségét, és megvédi a szálakat. Habár a sizing rendszerint csak 0,25 0,6%-át teszi ki a szálanyag teljes tömegének, mégis dinamikus szerepet kap a rendszer szilárdsági és tönkremeneteli (mátrix deformáció, réteg elválás, szál kihúzódás, szálszakadás) tulajdonságainak kialakításában. A sizing kémiáját titkosan kezelik a szálgyártók, ezért annak minõsége igen jól megkülönbözteti a piacon elérhetõ termékeket. Ma már gyorsabban és egyenletesebben nedvesedõ, króm összetevõket nem tartalmazó, tisztább vágott üvegszálat lehet beszerezni. GF-hez manapság kötõanyagként fõleg szilánokat alkalmaznak, amelyek az üveg felületén kovalens és hidrogén kötésekkel kapcsolódnak. A mûanyagokhoz funkciós csoportok csatlakoznak a mátrix rendszernek megfelelõen. A sizing nem kevésbé fontos a CF esetében sem. Hagyományosan a szénszál sizingját az epoxi gyantákhoz igazították. Ma már a szálgyártók messzemenõen figyelembe veszik a felhasználók igényeit, követelményeit is abból a célból, hogy a hõre keményedõ, illetve lágyuló polimer mátrixokhoz és az eljárások szélesebb skálájának irányában is kompatibilisek legyenek gyártmányaik. 8. Gazdaságos szál-választás A kompozit tervezésénél széles szál- és mátrix választékból kell kiválasztani azokat a komponenseket, amelyekkel árban is versenyképes termékeket lehet kialakítani. A szálerõsítés biztosítja a mechanikai tulajdonságokat (merevséget, szilárdságot), a mátrix a fizikai (rugalmasságot és ütésállóságot), valamint a kémiai (idõjárás-, UV-, hõmérséklet-, tûz- és korrózió) ellenálló képességet. Jellemzõ tervezési viszonyszám a szál/mátrix arány, amely meghatározó a mechanikai-, fizikai- és kémiai követelmények mellett a kialakítható tömegre és a költségekre. Az alacsony költségszintû, nem szerkezeti anyagként alkalmazandó termékeknél ez az arány általában 20:80. A szerkezeti anyagoknál, mint néhány pultrudált speciális terméknél 70:30, a fejlett kompozitoknál 60:40, vagy nagyobb érték is általánosan jellemzõ. A kívánt mûszaki paramétereket különösen a nem szerkezeti anyagok területén sokféle erõsítõ szállal vagy a szálak kombinációjával is ki lehet alakítani. A szálak keverékei, az ún. szálhibridek egyesítik magukban a különbözõ szálas rendszerek legjobb tulajdonságait, növelik az igénybevételhez legjobban alkalmazkodó szerkezet kialakíthatóságát, és nem elhanyagolható mértékben csökkentik a nyersanyag költségeket. Ez utóbbi megállapítás igazolására szolgáljon a 10. ábra, amelyen a GF és a CF mellett, a hibrid erõsítésekkel elérhetõ modulusz értékek költségvonzatát ábrázoltuk (CF: 13 USD/kg, GF:1,6 USD/kg, M:2 USD/kg). 10. ábra. Az erõsítõ szál megválasztásának hatása a költségekre. A minták száltartalma % állandó CF/GF arány mellett Az erõsítõ rendszer kiválasztásánál célszerû tehát figyelembe venni a szálkeverékeket is. A gyakorlatban pl. a szén/aramid, és a CF/GF hibrid kompozitokat sikeresen alkalmazták bordázott repülõgép motorokban, tolóerõ megfordító szerkezetként, teleszkópok szerkezeti anyagaként és infrastruktúrát hordozó oszlopok erõsítõ borításánál. CF/GF hibrideket gyakran használnak infrastruktúra-építéseknél, amikor költségminimumra törekszenek, ugyanakkor biztosítani kell a CF-fel a megfelelõ szilárdságot (pl. a hídpilléreknél) évfolyam, 8. szám M Û A N Y A G É S G U M I 335