Anyagok az energetikában

Átírás

1 Anyagok az energetikában BMEGEMTBEA1, 6 krp (3+0+2) Kompozitok Dr. Tamás-Bényei Péter november 28.

2 Bevezetés 2 / 36 Polimerek és kompozitjai iparágankénti megoszlása 2017-ben Magyarországon (1572 kt) Forrás: Buzási Lajosné: Magyarország műanyagipara 2017-ben. Polimerek (2018. október 26.)

3 Szerkezeti anyagok 3 / 36 Szerkezeti anyagok hierarchiája Kompozitok Polimerek Fémek Kerámiák

4 Polimer kompozit definíciója 4 / 36 Kompozit definíciója A kompozit olyan többfázisú (alkotóiban fázishatárokkal elválasztott), több anyagból álló szerkezeti anyag, amely nagy szilárdságú és rendszerint nagy rugalmassági modulusú erősítőanyagból (tipikusan szálerősítésből) és rendszerint kisebb szilárdságú, de szívós mátrix (beágyazó) anyagból áll, amelyek között kitűnő kapcsolat (adhézió, tapadás) van, amely a deformáció, az igénybevétel magas szintjén is tartósan fennmarad. 3. Adhézió 1. Erősítőanyag 2. Mátrixanyag Kompozit

5 Térhálós mátrixú polimer kompozitok 5 / 36 ~250 m ~2,3 kg max. 853 fő 285 km/h 354 km/h

6 Térhálós mátrixú polimer kompozitok 6 / 36 Össztömeg üresen: kg Forrás: Boeing Company

7 Polimer kompozitok térnyerése 7 / 36 Előnyök - Kis sűrűségből adódó kis tömeg - Nagy fajlagos szilárdság - Tervezhető anizotrópia - Jó vegyszerállóság Hátrányok - Alacsony hőállóság - Nehézkes újrahasznosíthatóság

8 Szál-formájú erősítés 8 / 36 A kompozit definíciójában utalás történ arra, hogy tipikusan szálerősítés fordul elő a kompozit anyagokban. Miért éppen a szál-formájú erősítőanyagokat szokás alkalmazni? Az adott térfogat csökkenésével csökken a hibák előfordulásának valószínűsége, ami azt jelenti, hogy növekszik a szál elméleti húzószilárdsága.

9 Szál-formájú erősítés 9 / 36 Miért éppen a szál-formájú erősítőanyagokat szokás alkalmazni? 2 d π dπ l + 2 A = = + 2 V d π d l l 4 cél az A/V arány maximálása d<<l szál l<<d korong

10 Erősítőanyagok csoportosítása 10 / 36 Erősítőanyagok Természetes természetben szál formában előforduló - Len - Kender - Szizál - Azbeszt - Hernyóselyem Természetes eredetű mesterséges természetes, de a természetben nem szál formában előforduló - Bazaltszál - Cellulóz szál Mesterséges mesterségesen előállított - Üvegszál - Szénszál - Aramidszál - HOPE

11 Mesterséges szálak jellemzői 11 / 36 Üvegszál Szénszál Aramidszál Olcsó Nagy szilárdság Nagy ütésállóság Alapanyag nagy mennyiségben rendelkezésre áll UV stabil Kis hőtágulási együttható Nagy rugalmassági modulusz Lángálló Jó dinamikai tulajdonságok Villamos szigetelő Kis sűrűség Rossz UV állóság Erős koptató hatás Drága Rossz adhéziós képesség

12 Szálak és gyártástechnológiái 12 / 36 Üveg- és bazaltszál gyártása (olvasztás-szálképzés-írezésösszefogás-felcsévélés) Szénszál gyártása (prekurzor oxidálásakarbonizálás-grafitosításírezés-összefogásfelcsévélés)

13 Erősítőszálak kiszerelési formái 13 / 36 Kiszerelési formák: 1D-s: roving, vágott szál, UD erősítőstruktúra 2D-s: paplan, szövet 3D-s: 3D szövet

14 Mátrixanyagok 14 / 36 Mátrixanyagok Hőre lágyuló nincs reakció a termékgyártás során - PP - PA - ABS - PLA vágott szál folytonos szál szövet Hőre nem lágyuló reakció (térhálósodás) a termékgyártás során - UP - VE - EP - FF vágott szál folytonos szál szövet paplan

15 Térhálósodás 15 / 36 Hőre nem lágyuló avagy sűrűn térhálós mátrixanyagok térhálósodása Epoxi Amin Epoxi

16 Térhálósodás 16 / 36 Hőre nem lágyuló sűrűn térhálós mátrixanyagok térhálósodása G-gélesedési idő, H-kikeményedési idő Forrás:

17 Adhézió 17 / 36 A polimer kompozitokban az egyes alkotók (erősítőanyag és mátrixanyag) együttműködése nem valósulhat meg adhézió nélkül. Adhézió Terhelés felvétele Kompozit Szálak beágyazása, terhelés közvetítése Az adhézióhoz szükséges a mátrix- és erősítőanyag összeférhetősége is. Az adhézió módosítható hosszabb szálak használatával, felületi érdesség módosításával, szál keresztmetszetének módosításával. A megfelelő adhézió kialakítása azonban számos esetben kizárólag a szálak utólagos kezelésével (felületkezelésével) valósítható meg, amelyet az erősítőanyag és a mátrixanyag kémiai szerkezete alapján kell kiválasztani.

18 Felületkezelés 18 / 36 Mátrixanyag Felületkezelés lehetséges módjai - Kapcsolószerek felhasználása - Szálfelület vegyszeres kezelése - Szálfelület kezelése kisüléssel Erősítőszál Határfelület

19 Kelly-Tyson összefüggés 19 / 36 σ f R dσ f π + τ 2Rπ z = ( σ f + z) R dz 2 2 π integrálva L c = D σ fm 2τ Kelly-Tyson összefüggés L c R σ 2 = 2τ fm Meghatározható az L c -vel jelölt kritikus szálhossz, ami felett kihasználjuk a szál teljes szilárdságát a terhelés felvételeként.

20 Miért alkalmazunk szendvics szerkezeteket Szendvics szerkezetek 20 / 36 Hajlítómerevség növelhető nagy mértékben alkalmazásukkal Tipikus maganyagok Anyaga lehet: - Papír - Alumínium - PVC, PS, PA, PUR habok - Aramid - Szintetikus szálak

21 Szendvics szerkezetek 21 / 36 Maganyagok gyártása - Tömbi anyagok esetében habosítással - Méhsejt esetében a lenti ábra szerinti 2 eljárással

22 Gyártástechnológiák 22 / 36 Kézi laminálás Szórás Tekercselés nyitott technológiák Hőre keményedő mátrixú kompozitok gyártástechnológiái Pultrúzió zárt technológiák Vákuummal segített eljárások SMC-BMC préselés

23 Kézi laminálás 23 / 36 Jellemzők: - egyszerű, gyors - olcsó - nehezen reprodukálható - kis darabszámú termék gyártásához - nagy élőmunka igény - elterjedt - bonyolult termékekhez is

24 Szórás 24 / 36 Jellemzők: - viszonylag egyszerű - gépigény - képzettebb munkaerőt igényel - kis darabszámú termék gyártásához - nagy élőmunka igény - termelékenyebb, mint a kézi laminálás - elterjedt

25 Tekercselés 25 / 36 Jellemzők: - kör vagy forgásszimmetrikus termékek - költségesebb - jól reprodukálható - nagy darabszámú termék gyártásához - gépesített - beállítható tekercselési szög

26 Pultrúzió 26 / 36 Jellemzők: - folytonos technológia - profilos termékek - magas száltartalom - teljesen gépesített - magasabb költségek

27 Vákuumos eljárások 27 / 36 Vákuum laminálás Könnyű RTM (Resin transfer molding)

28 Vákuumos eljárások 28 / 36 Vákuummal segített RTM RTM (ez nem vákuummal segített, hanem nyomással)

29 SMC-BMC préselés 29 / 36 Sheet molding compound (SMC) Bulk molding compound (BMC) Jellemzők: - mátrix és erősítőanyag keveréke - szavatossági idő - relatív magas száltartalom - magasabb költségek

30 SMC-BMC préselés 30 / C C C Betáplálás Nyomás Melegítés Térhálósítás Nyomás Betáplálás Szerszám zárás Térhálósítás Szerszám nyitás

31 Autoklávos technika 31 / 36 Jellemzők: - kiinduló anyag prepreg - kiváló jellemzők - kimagasló mechanikai tulajdonságok - gyakorlatilag légzárvány mentes - magasabb költségek Prepreg: előimpregnált erősítőanyag

32 Autoklávos technika 32 / 36

33 Hőre lágyuló mátrixú kompozitok 33 / 36 Hőre lágyuló mátrixú kompozitok gyártástechnológiái Extrúzió Fröccsöntés Préselés - kompaundálás - profilos termék gyártása - vágott szál és folytonos szálak - bonyolult 3D-s termékek gyártása - nagy sorozat - vágott szál és akár szövet is - egyszerűbb geometria - nagy sorozat - vágott szál, folytonos szál és szövet

34 Extrúzió és fröccsöntés 34 / 36 Kompaundálás során az erősítőszálak hossza jelentősen csökken (száltördelődés). A kiinduló méret akár 1/10-ér is csökkenhet. Igaz ez a fröccsöntés előtti fröccsaggregátban történő keverésre is.

35 Préselés 35 / 36

36 Köszönöm a figyelmet!