BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM GÉPÉSZMÉRNÖKI KAR POLIMERTECHNIKA TANSZÉK ELEKRO-SZÁLKÉPZETT NANOSZÁLAKKAL TÁRSÍTOTT

Átírás

1 BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM GÉPÉSZMÉRNÖKI KAR POLIMERTECHNIKA TANSZÉK ELEKRO-SZÁLKÉPZETT NANOSZÁLAKKAL TÁRSÍTOTT HIBRID KOMPOZITOK FEJLESZTÉSE SZAKDOLGOZAT Készítette: Belovay Ákos Szigorló BSc gépészmérnök Konzulens: Dr. Mészáros László egyetemi adjunktus Molnár Kolos doktorandusz 2012.

2 Tartalomjegyzék Tartalomjegyzék... 1 Jelölések és rövidítések... 3 Jelölések... 3 Rövidítések Bevezetés Irodalmi áttekintés Kompozit anyagok Szálerősítéses kompozitok Erősítőszálak Mátrixanyagok Epoxi gyanták Poliészter gyanták Hibridkompozitok Nanokompozitok Nanoszálak előállítása Elektro-szálképzés kapillárisból Nanospider technológia Nanokompozitok tulajdonságai Irodalomkutatás elemzése, célkitűzés Mérések, kiértékelések Felhasznált anyagok Alkalmazott berendezések Száltartalom meghatározása Statikus Rétegközi nyíróvizsgálat Hárompontos hajlító vizsgálat Charpy-féle ütővizsgálat (próbatest lapjára merőlegesen) Charpy-féle ütővizsgálat (próbatest élére merőlegesen) Összefoglalás Summary Irodalomjegyzék

3 6. Melléklet Melléklet. Száltartalom meghatározásának eredményei Melléklet. Statikus rétegközi nyíróvizsgálat eredményei Melléklet. Hárompontos hajlító vizsgálat eredményei Melléklet. Ejtődárdás vizsgálat eredményei Melléklet. Charpy-féle ütővizsgálat (próbatest lapjára) eredményei Melléklet. Charpy-féle ütővizsgálat (próbatest élére) eredményei

4 Jelölések és rövidítések Jelölések a [mm] Próbatest hossza b [mm] Próbatestek szélessége DI [-] Duktilitási index E h [MPa] Hajlító rugalmassági modulusz E max [J] Maximális erő eléréséig felhalmozódott energia E perf1 [J] Perforáció, az első repedésig elnyelt energia E perf2 [J] Teljes perforáció során elnyelt összes energia E telj [J] Tönkremenetel folyamán elnyelt összes energia F max [N] Maximális erő ΔF [N] Erőváltozás, meredekség meghatározásához h [mm] Próbatestek vastagsága k [mm] Maximális erőhöz tartozó lehajlás L [mm] Alátámasztási távolság m cs [g] Csésze tömege égetés előtt m pr [g] Próbatest tömege égetés előtt m cs+pr [g] Csésze és a próbatest együttes tömege m cs [g] Csésze tömege égetés után m sz [g] Szálak tömege kiégetés után m mx [g] Kiégett mátrixanyag tömege m% [-] Tömegszázalék Δs (X) [N] X erőnél leolvasott lehajlási érték, a meredekség meghatározásához t max [s] Maximális erőhöz tartozó időpillanat t kezd [s] Tönkremenetel kezdeti időpillanata t vég [s] Tönkremenetel végének időpillanata v [mm/s] Vizsgálati sebesség (ejtődárda, haljítás, statikus rétegközi nyírás esetén) V% [-] Térfogatszázalék σ hmax [MPa] Maximális hajlítófeszültség τ [MPa] Nyírófeszültség τ max [MPa] Maximális nyírófeszültség 3

5 Rövidítések DMF PA PAN PC PEO PES PET PPO PS PVA SEM UD Dimetilformamid Poliamid Poliakrilnitril Polikarbonát Polietilén-oxid Poliészter Polietilén-tereftalát Polifenilén-oxid Polisztirol Polivinil-alkohol Pásztázó elektronmikroszkóp (Scanning Electron Microscope) Unidirekcionális 4

6 1. Bevezetés A 20. század eleje-közepe óta, a kompozit anyagok egyre nagyobb szerepet kapnak a világ ipari termelésében. A repülőgépipar nyitotta ezt a fejlődési hullámot, de később ezeket az anyagokat kezdték el alkalmazni autóversenyzésnél, hajógyártásnál, hadiiparnál és egyéb sporteszközök előállításánál is. Ha meghatározhatóak az igénybevételi irányok, akkor a számításokra alapozva, az erősítőanyagok orientált elhelyezésével mechanikailag hatékony rendszer építhető. Ezekre az erősítési metódusokra kitűnő megoldás a polimer mátrixú kompozit anyagok alkalmazása. Azokat az összetett szerkezetű anyagokat, amelyek legalább két alkotóból, egy kisebb szilárdságú kisebb sűrűségű hordozó- vagy mátrixanyagból és egy nagy szilárdságú és/vagy nagy rugalmassági moduluszú, rendszerint szálas erősítőanyagból állnak és a benne lévő összetevők (szálak, mátrixanyag) között kitűnő kapcsolat, adhézió alakul ki, amely a magas terhelés mellett is képes fennmaradni kompozitoknak nevezzük [1]. A kompozitok az erősítőszálak keresztmetszet csökkentése felé irányult, mivel a méret csökkenés eredménye a nagyobb szilárdság. A nano mérettartományba eső anyagok kutatása egyre inkább terjedő ágazat, a polimerek, kompozitok világában egyaránt. A nanokompozit olyan kompozit, amelynek az erősítőanyaga valamilyen nanorészecske, vagy nanométeres tartományba eső szál. Ezek az erősítőszálak nm átmérővel rendelkeznek. A nanokompozit tulajdonságainak javítása érdekében törekedni kell a nanorészecskék és szálak homogén, egyenletes eloszlására a mátrix anyagban [2]. A nanoszálak egyik típusa az elektro-szálképzéssel előállított anyagok családja, ilyenekkel találkozhatunk az orvostechnikában, szűrő berendezéseknél, szigeteléseknél, energia tárolóknál, de különleges tulajdonságai miatt széles körben alkalmazható gyógyászati termékeknél is. Ezek a nanoszálak egyaránt előfordulnak high-tech alkalmazásokként a repülőgépiparban, üzemanyagcelláknál, tranzisztoroknál, kondenzátoroknál, közlekedéstechnikában, és az informatikában egyaránt. Alapvetően a nanoszálakat elektroszálképzéssel állítják elő. A technológia már 1902 óta ismert, illetve ekkor került szabadalmi bejegyzésbe. A technológia, a szálak előállításhoz meglehetősen nehézkes és lassú folyamat, ezt mutatja az is, hogy a termelési kapacitást gramm/óra mértékben számolják. A leginkább használt anyagok a Poliamid 6 (PA6), polisztirol (PS), poliakrinitril (PAN), polikarbonát (PC), polietilén-oxid (PEO), polietilén-tereftalát (PET) 5

7 és polivinil-alkohol (PVA). A képzett szálak tulajdonságai függenek az elektrosztatikus mező egységességétől, homogenitásától, a polimer oldat viszkozitásától és egyéb tulajdonságaitól, az elektromos térerősségtől, és az előállító berendezés beállítási paramétereitől is [3]. A nanoszálak és a hagyományos mérettartományú szálak együttes kombinációja még jobb mechanikai tulajdonságokat eredményezhet. A munkám célja, hogy tanulmányozzam az elektro-szálképzéssel előállított nanoszálak befolyását hagyományos szálerősítésű kompozit rendszerekben. A tanulmány során mechanikai vizsgálatokat végeztem nanoszállal ellátott, illetve nanoszál nélküli próbatesteken. Mérések elvégzése után értékelem a vizsgálatokat és levonom a megfelelő következtetéseket. 6

8 2. Irodalmi áttekintés Az irodalomkutatás során a nanotechnológiában alkalmazott elektro-szálképzés technológiája, a nanoszálakkal történő erősítés és a hibrid kompozit rendszerek kerülnek bemutatásra Kompozit anyagok Napjainkban erőteljesen növekszik a kompozit anyagok alkalmazása, amelyek fémek helyettesítésére is alkalmasak nagy mechanikai teherbíró képességük miatt [4]. A kompozitok előállításakor a cél megfelelő mechanikai tulajdonságokkal rendelkező termék létrehozása, ezért különböző típusú anyagokat kombinálnak. A kompozit anyagok többféle szempont szerint csoportosíthatóak: - anyagpárok szerint (fém-fém, polimer-kerámia, fém-kerámia, stb.) - mátrix anyag szerint (polimer, fém vagy kerámia mátrixú) - erősítőanyag szerint (szénszál, üvegszál, aramid, stb.) - a komponensek morfológiája szerint (részecske, szálas, lemezes vagy réteges) [5] ábra. Kompozit kialakítások variációi A kompozit termékek létrehozására elsősorban a következő eljárásokat alkalmazzák: - kézi laminálás - sajtolás - injektálás, fröccsöntés, fröccssajtolás, - folyamatos eljárások (profilhúzás, rétegelés, tekercselés) 7

9 A polimerkompozitok piaci megoszlását a es ábra mutatja. Az ábrán látszik, hogy a kompozit anyagokat legnagyobb százalékban a közlekedésben alkalmazzák. A szárazföldi közlekedésben található a túlnyomó többség, ahol a sportkocsik, motorok, biciklik stb. folyamatos fejlesztésével egyre nagyobb teret kap a szénszálas alkatrészek alkalmazása. A repülőgépek esetén a súlycsökkentés a legnagyobb cél, és ennek érdekében egyre több alkatrészt igyekeznek kiváltani kompozit anyagokkal. Az építőiparban és a szabadidőcikkeknél szintén nagy százalékban vannak jelen a kompozit anyagok ábra. Polimerkompozitok piaci megoszlása Nyugat-Európában [4] Szálerősítéses kompozitok A kompozitokban leggyakrabban szálerősítést alkalmaznak. Ezek a kompozitok megnövelt szilárdsággal, szívóssággal, jó mechanikai tulajdonságokkal rendelkeznek, az erősítőanyag nélküli polimer anyagokhoz képest. A szálak elrendezését tekintve többféle variáció is lehetséges. Ezekkel a különböző szál elrendezésekkel lehetőség nyílik a kívánt anyagtulajdonság létrehozására. A leggyakoribb szál elrendezéseket a ábra mutatja be [5]. 8

10 ábra. Szálak elrendeződési formái [a. egyirányú szálak, b. véletlen orientációjú rövid szálak, c. kétirányú szálak, d. szálpaplan] [5] Erősítőszálak Az erősítőanyagok tulajdonságai nagy szerepet játszanak a kompozit anyagok mechanikai terhelhetőségében. Különböző terhelések felvételére más-más típusú szálak alkalmazása lehetséges. A as ábra a tipikus erősítőanyagok szerkezetét mutatja. Továbbá a táblázatban a szerkezeti kötések típusain kívül látható a kristályosság és az orientáció is. Például a textilanyagban jól ismert PET illetve poliamid (PA) szálak hajlékonysága, illetve nyúlása nagy, viszont mivel kristályosságuk nem megfelelő és rendezetlen az orientációjuk, ezért nem mutatnak kiemelkedő tulajdonságot, emiatt nagyteljesítményű rendszereknél nem alkalmazzák. Ezzel szemben az aramidnál a merev polimer láncok orientáltsága nagy, és a kristályossága is közel 100%-os. Emiatt az aramid mechanikai tulajdonságai is sokkal jobbak, mint például a PA-nak [6]. Szálszerkezetet tekintve a szénszál hosszirányban sokkal erősebb, a merőleges irányú terheléshez képest, azonban az üvegszál, amorf szerkezete miatt közel egyformán erős minden irányban. A szénszál mellett szól azonban az, hogy 40%-al könnyebb, mint az üvegszál, és így nagymértékben csökkenti a kompozit sűrűségét, továbbá a modulusza és szilárdsága is nagyjából háromszorosa az üvegének. 9

11 ábra Erősítőszálak szerkezete [6] Szénszál A magas előállítási költségeik miatt a szénszálakat eleinte csak hadiiparban, atomenergia iparban, űrkutatásban és rakétatechnikában alkalmazták [7]. A szénszál széleskörű alkalmazása egy 40 éves fejlesztést követően indult be, amihez hozzájárult a 1990-es évek közepén meginduló textilipari PAN prekurzorból történő szénszálgyártás, ezzel megindítva a radikális árcsökkenést [8]. A szénszálak lemezes felépítésű kétdimenziós kovalens kötéssel rendelkező szerkezeti anyagok. 100%-ban parakristályos [6] (teljes mértékben kristályos [9]) anyag, ami kiváló tulajdonságokat eredményez. A szénszál elemi szerkezeti egysége a grafitlemez. Gyártása két lépésben történik. Leggyakrabban a PAN-szálat először oxidálják ( C), ezután nitrogén atmoszférában karbonizálják. A szénszál PAN-en kívül kátrányból és egyéb anyagokból is előállítható. Ahhoz, hogy a szénszál Young-moduluszát, a mechanikai tulajdonságok javítása érdekében tovább növeljék, további 2500 C feletti grafitizálásra van szükség [6]. A kiváló műszaki tulajdonságait, a polimerlánc szilárdságát szén-szén kötések erőssége biztosítja. [10]. A szénszál alkalmazásánál döntő többségben hőre keményedő mátrixanyagokat használnak [8]. 10

12 A szénszálak általános jellemzői: nagy szakítószilárdság, nagy rugalmassági modulusz, kis sűrűség, kiemelkedő rezgéscsillapító képesség, vegyi semlegesség, nagy ellenálló képesség savakkal, lúgokkal és szerves oldószerekkel szemben, kis hőtágulás, jó hővezetés és hőállóság, nem mágneses, illetve nem mágnesezhető, jó elektromos vezető képesség, és nedvességet nem vesz fel [7] Mátrixanyagok A mátrixanyagok kisebb szilárdságú, de szívósabb anyagok. Polimerek esetén alapvetően két típust különböztetünk meg, hőre lágyuló, illetve hőre keményedő polimereket. A hőre lágyuló polimerek hő hatására a reverzibilisen megolvaszthatóak. Általában rövid erősítőszálakhoz használják mátrixanyagként, ahol a feldolgozás fröccsöntéssel, vagy extrúzióval történik. A hőre lágyuló mátrixanyagokat könnyű feldolgozásuk miatt előnyben részesítik a hőre keményedőkhöz képest. Azonban a nagyteljesítményű kompozitokban alkalmazott mátrixanyagok, a hőre keményedő polimerek, ahol az előpolimer folyadék halmazállapotból egy irreverzibilis folyamaton keresztül térhálós szerkezetű szilárd halmazállapotba térnek át. Ilyen mátrixanyag például az epoxigyanta és a poliésztergyanta. Szobahőmérsékleten, térhálósítás előtt folyékonyak, így feldolgozásuk könnyű, térhálósításhoz nincs szükség nyomás létrehozásához, viszont térhálós szerkezetük miatt újrahasznosításuk nehézkes [10] Epoxi gyanták Az epoxi gyanták kiváló tulajdonságokkal rendelkeznek. Ezek közül kiemelkednek a mechanikai tulajdonságai és a környezeti hatásokkal szembeni ellenálló képességeik. Előnyük, hogy a viszkozitásuk jól szabályozható, így szobahőmérsékleten is kitűnően kitölti a teret, és könnyedén eloszlik a felületeken. A kicsi zsugorodásuk miatt a térhálósodás utáni belső feszültség is minimális. Az epoxik kedvezőbb szilárdsági és merevségi értékeket mutatnak a poliészterrel szemben, azonban áruk magasabb [10] Poliészter gyanták A poliészter gyanta sav, glikol és monomerek keveredékéből áll. Szobahőmérsékleten viszkózus folyadék, amely sztirolban oldott poliésztert tartalmaz. A poliészter gyanta egy idő elteltével gélesedni kezd, azonban teljes térhálósodás létrejöttéhez gyorsítókat, 11

13 katalizátorokat és hőkezelést alkalmaznak, így egy exoterm folyamat lejátszódása mellett, eléri a teljes kikeményedést [10] Hibridkompozitok Hibrid kompozitnak nevezünk minden olyan erősített rendszert, amely többféle erősítő-, vagy mátrixanyagot tartalmaz [11]. A hibrid kompozitokat elsősorban gazdaságosságuk miatt alkalmazzák, legfőképp szénszál-üvegszál hibrideket, mert így az előállított kompozitnak kevesebb az előállítási költsége, viszont így is megfelelő mechanikai tulajdonságok hozhatók létre [8]. A nanoszálakat és hagyományos erősítő anyagot tartalmazó kompozitok szintén a hibrid kompozitok közé sorolandóak, hiszen a nanoszál, a másodlagos erősítőanyag. A kizárólag nanoszálat tartalmazó kompozit önmagában nem használatos. Inkább más erősítőanyaggal társítják, hibrid rendszereket létrehozva. A tisztán nanoszálas erősítés jelenleg nagyon drága és bonyolult előállítás mellett valósulhatna meg. A hibrid rendszerekben viszont kis százalékban vannak jelen, viszont még így is képesek módosítani a kompozitok tulajdonságait. 2.2 Nanokompozitok A közelmúltban, jelentős mértékben megnőtt a szálerősített nanokompozitok előállítása. Ezekkel újonnan létrehozott hibridkompozitokkal jelentősen megnőhet ezeknek az anyagoknak az alkalmazása az ipar különböző területein. A nanokompozitok nem csak lehetővé teszik a mechanikai tulajdonságok javítását, hanem módosítani, illetve optimalizálni lehet a kompozitokat akár optikai, elektronikai vagy termomechanikai feladatok ellátására is. [12] Nanoszálak előállítása Nanoszálak előállítására több technológiát is ismer a tudomány. Ilyen például a lézeres szuperszónikus szálképzés, sziget a tengerben-típusú konjugált ömledékes szálképzés, ömledékfúvás, stb. A sok technológia közül a leginkább alkalmazott nanoszál képzési eljárás az elektro-szálképzéses (electrospinning) módszer. A legelső 1902-ben szabadalmazott technológia Cooley és Morton nevéhez fűződik. Viszont a ma használatos technológia is már rég óta ismert [13]. Az elmúlt években a nanotechnológia elterjedésével fokozott figyelem irányult az elektro-szálképzéses technológiára is. Számos polimer 12

14 alapanyagból lehet nanoszálakat képezni, a legtöbbet oldatos szálképzéssel és néhányat ömledékes szálképzéses technikával állítottak elő [14]. Az egyik legismertebb elektro-szálképző technológia, a kapillárisos eljárás, a másik szintén népszerű pedig a Nanospider technológia. Az utóbbi eljárással készültek az általam vizsgált kompozit mintákban lévő nanoszálak is Elektro-szálképzés kapillárisból Az elektro-szálképzés egy non-contact (kapcsolat nélküli) folyamat, mely potenciálkülönbségen alapuló szálképzést jelent egy töltött és egy földet rész között. A folyamat során egy elektromosan töltött kapillárison keresztül áramlik át egy polimer oldat, melyből elektro-hidrodinamikai erők hatására megnyúlt cseppek, folyadéksugarak jönnek létre, majd ostorozó mozgással jelentős nyúlás révén nano mérettartományba eső szálakat képez. Az oldatból az oldószer a szálképzés folyamán elpárolog, így tiszta polimer nanoszálakat kapunk [12]. Az elektro-szálképző berendezés a következő alapelemekből áll: 1. Viszkózus polimer oldat, vagy ömledék, 2. Egy elektróda (lehet üreges cső vagy tömör rúd), ami a kapcsolatot létesíti a polimer ömledékkel, 3. Nagyfeszültésgű egyenáramú tápegység, amihez az elektróda csatlakozik, 4. Földelt, vagy ellentétes töltöttségű felület, amely összegyűjti a képzett nanoszálakat. A es ábra egy sematikus illusztráció az elektro-szálképzés laboratóriumi alkalmazásánál alkalmazott berendezésről. Ez az egyszerű kísérleti berendezés tartalmaz egy üveg pipettát is, aminek egyik vége kapilláris nyílással végződik. Ezen a pipettán halad keresztül a magas viszkozitású polimer oldat (pl.: 20% PS oldat metilén-kloridban oldva). Az oldat viszkozitásának elég magasnak kell lenni ahhoz, hogy a függőlegesen álló üveg pipettából ne csöpöghessen. Ez a cső néhány centiméterrel a földelt fémlemez vagy fémdob (pl.: alumínium) felett helyezkedik el. 13

15 ábra. Elekro-szálképző berendezés elvi vázlata. 1. elektróda, 2. üveg pipetta kapillárissal, 3. polimer oldat, 4. motor, 5. forgó gyűjtődob, 6. földelt csatlakozás, 7. tápegység [15] A csőben lévő fém elektróda, amely az oldatba van mártva, a magas feszültségű áramforrás pozitív sarkához van kötve. Az áramforrás bekapcsolása után, áramellátás ellenőrzésével a feszültséget tipikusan kv-ra kell beállítani. A megfelelő feszültséghatár elérésekor a polimer oldat az üveg pipettából a földelt fém felületre érkezve nano-mérettartományba eső szálakat képez [15]. Tehát az elektro-szálképzés akkor következik be, ha a polimer folyadék vagy ömledék felszínén az elektromos erők felhalmozódnak, majd a felületi feszültség hatására, szálak keletkeznek [16]. A mérettartomány szemléltetéséhez a 2.2-es ábrán egy emberi hajszálat, egy pollen szemet és az őket körülvevő nanoszálakat láthatjuk 1000-szeres nagyításban. a. b ábra. a. Nanoszálak aránya az emberi hajszálhoz és egy pollen szemhez [17] b. nanoszálakkal körülvett hajszál [15] 14

16 Nanospider technológia A méréseken használt kompozit mintákban lévő nanoszálak Nanospider technológiával kerültek közvetlen a szénszövet, illetve az egyirányban erősített kelme felületére. A technológiát az Elmarco cég alkalmazza berendezéseiben (Liberec, Cseh Köztársaság). A Nanospider technológia egy szabadalmaztatott [18], kapilláris nélküli, nagyfeszültségű, szabad folyadék felszínű elektro-szálképző folyamat. A technológia azon a felfedezésen alapszik, hogy az úgy nevezett Taylor-kúpokat ( ábra) nem csak kapillárison keresztül lehet létrehozni, hanem egy vékony polimer oldatfilmen is. A nanospider technológia lehetővé teszi a szerves és szervetlen nanoszálak létrehozását víz, sav vagy bipoláris oldószerek alkalmazásánál is ábra. Taylor kúp kialakulása [19] Ezzel a sokoldalú technológiával, a könnyen variálható és optimalizálható polimer oldat segítségével, más-más tulajdonságú, saját igényeket kielégítő nanoszálakat lehet létrehozni. A Nanospider technológiánál egy forgó elektróda van részben mártva az oldatban, így a saját felszínére viszi fel az oldatot film formában, és innen történik a szálképzés. Tehát nincsenek olyan részek, amelyek eltömődhetnek, ellentétben a kapilláris típusú elektro-szálképzéssel. Az eljárással nagyobb szálsűrűség érhető el, melynek következtében a szálak homogenitása és morfológiája is megfelelő, termelésük pedig gyorsabb [20]. 15

17 Nanokompozitok tulajdonságai A laminált kompozitok termomechanikus terhelése alatt, a tönkremenetel során különböző jelenségeket tapasztalhatunk, mint a mikrorepedések, száltörések, szálszakadások, delamináció stb. Jellemzően a mikrorepedés terjedése okozza az első réteg törését, majd ezt követi a delamináció, általában a szálak csak az utolsó szakaszban szakadnak el. A delamináció rétegelválást jelent, miszerint a rétegekre ható erő következtében a rétegek közötti adhézió megszűnik, és elválnak egymástól, csökkentve a szerkezet szilárdságát [22]. Bár már a mikrorepedések és a delamináció is végzetes tönkremenetel lehet szakadás nélkül is. A laminált kompozitoknál létrejövő tönkremenetelek formája bonyolult, és általában az alkotó anyagok tulajdonságaitól, szálak orientációjától, rétegek sorrendjétől stb. függ. A rétegek közötti delamináció a legdominánsabb a tönkremeneteli formák közül [21]. A tönkremenetel a belső réteghatárokon létrejövő normál és nyírófeszültség hatására jön létre [21]. Ezen tönkremenetel az egyik legveszélyesebb, azonban a nanoszálak segítségével a hajlam csökkenthető. Sihn és társai [21], az előbbiekben említett problémákra kerestek megoldást. Kísérleti vizsgálatokat végeztek kompozit lapokon, nanoszálas rétegek hozzáadásával, annak érdekében, hogy csökkenteni tudják a fellépő mechanikai károsodásokat. A nanoszálak létrehozására elektro-szálképző technológiát alkalmaztak 3 hőre lágyuló polimer esetében: polikarbonát (PC), polifenilén-oxid (PPO) és polisztirol (PS). Optimalizálták a keverési arányt (oldószer és a koncentráció), majd megfigyelték, hogy a szálak a koncentráció növekedésével megvastagodnak. Az általuk alkalmazott elektroszálképzéssel előállított nanoszálak pásztázó elektronmikroszkópos (SEM) felvételei a es ábrán láthatóak. PC nanoszálakat helyeztek a rétegek közé, majd [30/- 30/90/90/-30/30] T rétegrenddel laminálták. A mechanikai vizsgálat során egyirányú húzó igénybevétellel terhelték. 16

18 ábra. PC nanoszálak SEM felvételei a. 500 és b szeres nagyításban [21] A végzett mérések alapján a nanoréteg hozzáadásával a delaminációs folyamat megindulását 8,1%-al magasabb igénybevétel hatására érték el, a delamináció során fellépő microrepedéseket pedig 21,6%-al csökkentették. Ezek mellett a kompozit minták szakítószilrdásga 9,8%-al nőtt a nanoszálak beépítésével. [21] A es ábrán az egyirányú terhelés hatására delaminálódott kompozit rétegeket láthatjuk. Az a ábrán a nanoszál nélküli minta, a b ábrán pedig a PC nanoszálas kompozit látható. A képeken is jól látható, hogy csökkentették a delamináció mértékét a PC nanoszál alkalmazásával ábra. SEM felvételek a kompozit mintákról egyirányú terhelés esetén. a. Nanoszál nélküli minta, b. PC nanoszálas minta [21] Akangah és társai [23] elektro-szálképzett Nylon-66 típusú nanoszálakkal erősített, sima és átlapolt kompozit lapok ütésállóságát próbálták javítani. Kapilláris elektroszálkélpző technológiával állították elő a nanoszálakat 12%-os Nylon-66 17

19 koncentrációjú oldatból 35 kv feszültséggel, ahol a kapilláris és a földelt dob közötti távolság 20,3 cm volt. Az ütővizsgálatkor az ütközési sebességet 2 és 4 m/s, az erőt 900 és 2100 N, az energiát pedig 0,46 és 1,8 J közötti értékekre állították. A vizsgálat elvi elrendezése a as ábrán látható. A korábbi tanulmányaikból arra következtettek, hogy a nanorétegek alkalmazásakor a kompozit lapoknál kevesebb, mint 2%-os vastagságnövekedést figyelhető meg. A nanoszálak az ütőerő küszöbértékét mintegy 60%-al megnövelte és felére csökkentette az ütközés következtében létrejött repedéseket. Továbbá csökkentette az ütésállóságot 0,115-ről 0,105 mm 2 /N-ra ábra. Akangah és társai által végzett ütővizsgálat elméleti elrendezése. 1. Acél bilincs, 2. Kör keresztmetszetű acélrúd, 3. Kistler gyorsulásmérő, 4. Gömb alakú acél ütközésmérő, 5. Acél gerenda, 6. Befogó mechanizmus [23] 18

20 2.3. Irodalomkutatás elemzése, célkitűzés Az irodalomkutatás során bemutattam a kompozitok összetételét, előállítását és alkalmazási területeit. Ezen anyagok során a kutatók különböző kompozit rendszereket hoztak létre. Ilyenek a hibrid rendszerek, amelyekkel a cél, a különleges tulajdonságok létrehozása és a költségcsökkentés volt. A hibridkompozitok egy újabb fejlődési lépcsője a nano mérettartományba eső kutatások. Nanorészecskék és nanoszálak alkalmazásával tovább tudták fokozni a különféle anyagok mechanikai és egyéb tulajdonságait. Néhány, az előzőekben bemutatott kutatás alapján, arra következtethetünk, hogy a nanoszálak rétegek közötti alkalmazása a kompozit minták tulajdonságaira különböző hatásokkal vannak. A szakdolgozatban célul tűztem ki, hogy mérésekkel megvizsgáljam a nanoszálak jelenlétét különböző mechanikai terhelések esetén. Statikus és dinamikus terheléseken keresztül elemzem a nanoszálak befolyását a kompozit mintákra. Ezt követően pásztázó elektronmikroszkóppal megvizsgálom, hogy a szálak valóban jelen vannak, és be tudnak épülni a hibrid rendszerbe. 19

21 3. Mérések, kiértékelések 3.1. Felhasznált anyagok A mérések során négy különböző kompozit anyaggal foglalkoztam. A kompozit próbatestek alap, hagyományos erősítőanyaga egyik esetben szövet szerkezetű, a másikban unidirekcionális (UD), vagyis egy irányban erősített szénszálakból álló kelme volt. Mindkét esetben az összehasonlítás érdekében a nanoszállal ellátott anyagon kívül nanoszál nélküli próbatesteken is elvégeztem a méréseket (Ref). A mérések és a kiértékelések folyamán, ennek megfelelő elnevezéseket használtam. A nanoszál nélküli eset a referencia, ahol két eset lehetséges: Szövet ref illetve UD ref. A nanoszállal erősített esetben az Szövet nano és az UD nano elnevezéseket használtam a dolgozat során. A méréseken használt próbatestekben található nanoszálak poliakrilnitril (PAN) oldatból lettek előállítva. A kiváló mechanikai tulajdonságai mellett jó adhéziót alakít ki az epoxi gyantával, ami tipikusan a szénszál erősítésű kompozitok mátrix anyaga. A PAN 50 C-on 6 órán keresztül dimetilformamid (DMF) oldószerben került feloldásra egy mágneses keverő segítségével. Az optimális koncentráció az elektro-szálképzéshez a korábbi kísérletek alapján 11 m% volt. A nanoszálak előállítása Nanospider technológiával történt, a as fejezetben leírtak szerint. A szálak létrehozására használt berendezés elvi vázlata a es ábrán látható. A forgó elektróda és a földelt gyűjtő lemez közötti távolság 130 mm volt. Az alkalmazott egyenáramú feszültség 70 kv. Az elektro-szálképzés egy légkondicionált kamrában történt, ahol a hőmérséklet 20 C, a relatív páratartalom pedig 20% volt. Alacsony relatív páratartalom volt beállítva, mert a kísérletek alapján a forgó elektróda felületén az oldat szakállasodni kezd, tehát a szálképző fejen a létrejövő szálak odaragadnak, egy szakállszerű képződményt létrehozva. Így a szálak a földelt felülethez el sem tudnak érni, és meggátolják a további szálképződés folyamatát is, tehát a homogén bevonat kialakítása szempontjából a magas páratartalom nem megfelelő. 20

22 ábra. Elektro-szálképzés elvi vázlata. 1. forgó elektróda, 2. földelt gyűjtőlemez, 3. tápegység, 4. forgó gyűjtőtekercs, 5. PAN/DMF oldat, 6. nanoszálak A szöveterősítésű próbatestekben alkalmazott szénszövet a Sigratex KDL 8003 (SGL Technologies GmbH, Németország) típusú anyag, melynek területi sűrűsége 200 g/m 2. Ebben a szövetben a fonalak lineáris sűrűsége 200 tex, a rovingok száma 5/cm mindkét irányban. Az unidirekcionális szénszál Panex35 (PX35FBUD300, Zoltek Zrt., Magyarország) típusú kelme, amely 300 g/cm 2 területi sűrűségű. A kompozitok gyártásakor FM20 típusú gyanta és T16 típusú térhálósítót alkalmaztak 100:20 tömegarányban (P+M Polimertechnika Kft., Budapest). Ezek az anyagok ma már MR3009 (gyanta) és MH3120 (térhálósító) (Ipox Chemicals Kft., Magyarország) néven elérhetők. Az erősítőanyagok 40 cm széles csíkokra vágva forgó gyűjtőtekercsre lettek feltekerve, majd a nanoszálak közvetlen a szénszálak, szövetek felületére lettek terítve. Szövet erősítésű kompozit lapok esetén 4 réteg erősítőanyag található os állásban, melyek között rétegenként 1 rétegnyi nanoszál erősítés van. Az UD-s esetben 6 réteg erősítőanyag van egyirányú elrendezésben, és szintén minden réteg között nanoszálas erősítés található. A kompozit lapok kézi laminálással készültek. Laminálást követően 6 órán keresztül 25 Con vákuumpréselve lettek, majd a térhálósítás szintén vákuum alatt történt 4 órán keresztül 60 C-on. Az összes minta egyszerre készült, tehát a szövet és az UD erősítésű kompozitok, nanoszálas és nanoszál nélküli minták is egyforma térhálósodáson mentek keresztül. 21

23 A méréseken használt próbatesteket az előbbiekben bemutatott eljárással előállított kompozit lapokból vágtam ki. A minták geometriái illetve szabványos méretei a mérések alfejezeteiben megtalálhatóak Alkalmazott berendezések A kompozit próbatestek kivágásához és bemetszéséhez Mutronic Diadisc 4200 típusú vágóberendezést használtam, gyémántfejes tárcsával. A próbatestek méreteit Mitutoyo Digimatic típusú digitális tolómérővel mértem le utólagosan 0,01 mm pontossággal. A statikus rétegközi nyíróvizsgálathoz és a hárompontos hajlító vizsgálathoz a es ábrán látható Zwick Z005 típusú szakítógépet használtam. A mérés folyamán 5 mm/perc hajlítási és 1,3 mm/perc rétegközi nyíró sebességet alkalmaztam. A mért értékeket számítógép rögzítette, majd kirajzolta a hajlító illetve nyíró diagramokat. A es ábrán a rétegközi nyíráshoz és a hajlításhoz használt különböző befogó készülékek láthatóak mérések közben ábra Zwick Z005 típusú szakítógép 22

24 a. b ábra a. Hárompontos hajlításhoz illetve b. statikus rétegközi nyíróvizsgálathoz használt befogó készülékek Az ejtő dárdás dinamikus mérésnél a es ábrán látható Ceast Fractovis típusú számítógép vezérlésű ütőművet használtam, mely számítógépen rögzítette az adatokat. Mérés során alkalmazott paraméterek: - ejtődárda súlya: 23,62 kg - becsapódási sebesség: 4,4 m/s - ejtődárda átmérője: 20 mm - leszorító gyűrű átmérője: 40 mm - ejtési magasság: 1 m ábra. Ceast Fractovis típusú számítógép vezérlésű ütőmű DAS 8000 adatgyűjtővel 23

25 A dinamikus hajlító és nyíróvizsgálatkor a Ceast Resil Impactor Junior ütőművet ( ábra) használtam. Az eredményeket Ceast Das 8000 típusú adatgyűjtő rögzítette, majd számítógépen jelenítette meg. Az ütőkalapács energiája 15 J ábra. Dinamikus vizsgálatoknál használt Ceast Resil Impactor Junior ütőmű A kompozitok száltartalmát kiégetéssel határoztam meg, amely során gázégőt és Nabertherm típusú laborkemencét használtam. A ös ábrán látható a kemence és a gázégő (a.), mellettük pedig a kompozit minták (b.) az 1 órás kiégetést követően. A kemence hőmérséklettartomány C, hőntartási pontossága ±10 C. a. b ábra. Kompozit minták száltartalom megállapításához használt berendezések (a.) és az égetés utáni mintadarabok (b.) A kompozit próbatestek morfológiájának meghatározásához a JEOL JSM 6380LA típusú pásztázó elektronmikroszkópot használtam. A os ábrákon az elektronmikroszkóp, illetve a benne elhelyezett próbatestek láthatóak. A vizsgálni kívánt próbatesteket az elektronmikroszkóp használata előtt egy aranyozó berendezésbe helyeztem, ahol az anyagfelületre néhány tíz nanométer vastagságú aranyréteg került, a felesleges elektronok elvezetése érdekében. 24

26 a. b ábra a. JEOL JSM 6380LA típusú pásztázó elektronmikroszkóp, illetve a b. vizsgált próbatestek 3.3. Száltartalom meghatározása Száltartalom meghatározását kiégetéses módszerrel végeztem. Az eljárás során a próbatestekben lévő mátrixanyagot égetéssel eltávolítottam, és a megmaradt erősítőanyag tömegét használtam a száltartalom meghatározásához. A kiégetés során az eddigiekben vizsgált négy különböző anyagtípust, kerámia csészékbe helyeztem el, mindegyik típusból 3-3 mintát. Első lépésként a ábrán látható módon a mátrixanyag nagy részét gázégővel nyílt láng felett kiégettem. Az aktív égés lezajlását követően a próbatestekben lévő maradék mátrixanyagot 600 C-on 1 órán keresztül kemencében izzítottam ábra. Mátrixanyag kiégetése a próbatestekből A kompozitokban az erősítőanyag-mátrix nagyjából tömegszázalékban van jelen. Sűrűségkülönbségük miatt, viszont térfogatszázalékkal szokás a száltartalmat kifejezni. A 25

27 V% [%] V% [%] mintadarabokból csak néhány grammnyit helyeztem el a tégelyekben, így tizedes pontossággal kellett mérnem a tömegeket. Ezért a mérés elvégzése előtt a csészéket tisztára mostam, hogy semmiféle por vagy egyéb szennyeződés ne befolyásolja a mérés pontosságát. A mérés folyamán megmértem a kerámia csészék tömegét (m cs ) a kiégetés előtt, és az égetést követően is. Az anyagok súlyát (m pr ) a kerámia csészékkel együtt mértem, majd az erősítőszálak sűrűségének segítségével és a tömegek ismeretében meghatároztam a tömegre vonatkoztatott száltartalmat. A es ábrán a szövet és az UD erősítésű kompozitok száltartalmának tömegszázalékai láthatóak Szövet_ref 20 Szövet_nano UD_ref 20 UD_nano Szövet Anyagok UD Anyagok a. b ábra. Szövet (a) és UD (b) próbatestek száltartalma térfogatszázalékban A diagramról leolvasható, hogy a száltartalom mind a 4 esetben 38-40%. A nanoszál erősítés sem a szövet, sem az UD-s erősítés esetén nem befolyásolta nagymértékben a mérhető száltartalmat. A regisztrált értékek minden esetben szórásmezőn belül találhatók, tehát biztos következtetés ebben az esetben nem vonható le. A PAN nanoszálak az égés során nagy valószínűséggel teljesen kiégtek a mátrixanyaggal együtt az erősítőanyagok közül, mivel olvadáspontjuk jóval 600 C alatt van, viszont azt tudjuk, hogy négyzetméterenként megközelítőleg 1 gramm volt a mintákban. 26

28 3.4. Statikus Rétegközi nyíróvizsgálat A rétegközi nyíróvizsgálatok során, a nanoszálak jelenléte várhatóan a mechanikai tulajdonságok változását idézi elő. A vizsgálat érdekében a próbatestet alulról és felülről is hornyoltam ( ábra). A próbatestre ható erők nem a szálakban/szövetekben jelentkeznek, hanem a kompozit rétegei között. A hornyolásnak a próbatest vastagságának felénél nagyobbnak kellett lenni, hogy ez valóban létrejöhessen. A nehézség a szöveterősítéses darabok esetében volt, hiszen ha a hornyolás nem volt megfelelő mélységű, a próbatesten végzett kísérlet hibás mérési eredményekre vezetett. A szövet esetében mélyebb hornyokat kellett marni, mivel a szőtt struktúra következtében az anyagon belüli egyenetlenségek mértéke nagyobb volt, és az erőterhelést nem minden esetben a rétegek vették fel, hanem a szövetszerkezet is. Ezek a hibajelenségek szemmel is megállapíthatóak voltak. Ezeket a méréseket a kiértékelés folyamán nem vettem figyelembe. Az UD szálas próbatesteknél ilyen probléma nem merült fel, a mérés gördülékenyebben folyt. A es ábrán a próbatestek tönkremeneteli formája látható. Mind a kettő ábrán (a és b) látható a rétegek szerkezete. Az is látható, hogy a próbatestek a megfelelő képpen roncsolódtak és a mikroszálas erősítőanyagok nem vettek részt a terhelés felvételében. a. b ábra Nanoszállal társított próbatestek a rétegközi nyírások után. Az a. szövet szerkezetű, a b. pedig az UD szálas A méréskor használt próbatestet az ASTM D szabvány [24] alapján vágtam ki. A es ábrán látható próbatesten feltüntettem a szabvány szerinti méretet, illetve az általam alkalmazott jelöléseket. A próbatestek pontos méretei a jelölések szerint a mellékletben megtalálhatóak. 27

29 ábra Nyírószilárdság mérésére használt próbatest geometriája A mérési eredményekből ( ábra) látszik a nanoszálak jelenlétének hatása. A rétegközi nyírószilárdság a szövet erősítés és az UD erősítés esetében is, a nanoszálak alkamazásakor láthatóan megnőtt. A mérésekből továbbá arra is következtethetünk, hogy a nanoszálak jelenlétekor csökkent a szórás. A próbatest méreteihez viszonyítva, a javulás ebben az esetben is jelentősnek mondható. Nagyobb geometriák esetében a nyíróerők értékei közötti különbségek tovább nőnek. Mivel csökkent a szórás, ezért az elméleti számításoknál sokkal pontosabb értékek megadása lehetséges. Tehát különböző terhelések esetén a nanoszálas geometriáknál pontosabban megadható a maximális terhelés, illetve a várható tönkremeneteli határ. A nyírószilárdsági értékek javulása jelentősnek mondható, hiszen az UD-s esetben 9,5%-os, míg a szövet esetében 11,2%-os növekedés tapasztalható, az átlagértékek tekintetében. A as ábrán és a 2-es mellékletben szereplő táblázatról is egyaránt látható, hogy a nanoszálas erősítés valóban javította a terhelhetőséget, és növelte a maximális teherbíró képességeket. A maximális erő értékének szórása is láthatóan jelentősen csökkent, a szövet esetében felére, UD erősítés esetén pedig majdnem a harmadára. Ezek számszerűsített pontos értékei a 2. Mellékletben megtalálhatóak. 28

30 F max [MPa] F max [MPa] τ [MPa] τ [MPa] Szövet ref Szövet nano 8 6 UD ref UD nano Szövet 0 UD a. b Szövet ref 600 UD ref 400 Szövet nano 400 UD nano Szövet UD c. d ábra. Nyírószilárdsági értékek (a,b) és maximális erőértékek (c,d) a négy különböző összetételű próbatesten Az elnyírt próbatesteket elektronmikroszkóppal vizsgáltam, hogy megfigyeljem a töretfelületeken lévő nanoszálakat. A szövet és az UD erősítés orientációja szépen kivehető a felvételeken ( ábra). A ös ábrán a 4 különböző minta töretfelülete látható. A szövet és az UD erősítésű kompozitok nyírt felületein a nanoszálak rendezetlenül szétterülnek és beépülnek a gyantába (a,c). A kiértékelt mérésből látható mechanikai tulajdonság javulást igazolja az is, hogy a nanoszálak a töretfelület teljes felszínén szétterültek, és részt vettek a terhelésfelvételben. Összehasonlításképpen a b illetve d felvételeken a referencia minták láthatóak. 29

31 a b ábra Szövet (a) és UD (b) erősítésű nanoszálas próbatestek SEM felvételei a b c d ábra. Szövet erősítésű nanoszálas (a), nanoszál nélküli (b) illetve UD erősítésű nanoszálas (c), nanoszál nélküli (d) minták töretfelületeinek SEM felvételei 30

32 3.5. Hárompontos hajlító vizsgálat A hárompontos hajlítást az MSZ EN ISO 14125:1999-es szabvány [25] alapján végeztem el. A hajlítás során a es ábrán látható próbatestet a szabvány szerinti alátámasztási hossznál megtámasztva, közepét megadott mérési beállítások és körülmények között nyomó igénybevétellel terheljük. Közben a mérő berendezés méri és regisztrálja a fellépő erő és deformáció értékeket. Kiértékelés folyamán a szilárdságot és a hajlító rugalmassági modulust határozom meg. A hajlítás során beállított alátámasztási hossz a szabvány szerint a próbatest vastagságának 40-szerese. A es ábrán látható próbatesten feltüntettem a szabvány szerinti méretet, illetve az általam alkalmazott jelöléseket. A próbatestek pontos mért méretei a jelölések alapján a mellékletben megtalálhatóak ábra. Hárompontos hajlítás mérésére használt próbatest geometriája A próbatestek elnevezései megegyeznek a 3.1.-es fejezetben leírtakkal. Minden egyes mérés során 7 db próbatest hajlító vizsgálatát végeztem el. A mérés során alkalmazott hajlítási sebesség 5 mm/perc volt. A hárompontos hajlítás kiértékelése folyamán a szabványban leírt képleteket használtam. A hajlítószilárdság, vagyis a töréskor elérhető maximális hajlítófeszültség meghatározásához a következő összefüggés (1) használható: (1) 31

33 E hmax [GPa] E hmax [GPa] ahol F a töréshez tartozó erő, L az alátámasztási távolság, b a próbatest szélessége és h a próbatest vastagsága. A hajlító rugalmassági modulusz (2) meghatározása: (2) ahol L az alátámasztási távolság, b a próbatest szélessége és h a próbatest vastagsága és a ΔF/Δl pedig az erő-lehajlás görbe meredeksége. [1] Az elvégzett számítások alapján készített diagramon ( ábra) a próbatesteken végzett mérések után számított átlagértékek láthatók. A kiértékelésből az látszik, hogy a szövet erősítés esetében a nanoszálak nem javították sem a hajlító rugalmassági moduluszt, sem a maximális hajlítófeszültség értékét. Az UD erősítés alkalmazásakor viszont látható a javulás. Az viszont mindegyik esetben elmondható, hogy a nano és ref típusok maximális átlagértékei mindegyik erősítés esetén, szóráshatáron vagy azon belül vannak Szövet ref 40 UD ref 30 Szövet nano 30 UD nano Szövet 0 UD a. b. 32

34 Erő [N] σ hmax [MPa] σ hmax [MPa] Szövet ref 400 UD ref 300 Szövet nano 300 UD nano Szövet 0 UD c. d ábra. Átlag rugalmassági modulusz szövet (a) és UD-s (b) erősítés, illetve átlag maximális hajlítófeszültség szövet (c) és UD-s (d) erősítés esetén Az erő-lehajlás diagramon ( ábra) a 4 fajta kompozit minták átlag lehajlási görbéi láthatóak. Az ábrán is látszik az es ábrához hasonlóan, hogy az UD-s esetben látható a javulás, míg a szövet erősítésű próbatesteknél nem SZOVET_ref SZOVET_nano UD_ref UD_nano Lehajlás [mm] ábra. A négy különböző típusú próbatesteknek az erő-lehajlás görbéjének alapján pontonként átlagolt viszonyítási diagram 33

35 A töretfelületek vizsgálata során a kompozit anyagokban lévő nanoszálak jelenlétét, illetve a szálak közötti adhéziót, elhelyezkedést és rétegvastagságot vizsgáltam. A vizsgálandó próbatestek erősítőszálai mikro-, illetve nano mérettartományba esnek, ezért sem szemmel, sem pedig optikai mikroszkóppal nem lehet megfigyelni őket. Tehát a vizsgálatot elektronmikroszkóppal végeztem, mely lehetőséget nyújt a nanoszálak tanulmányozására. A méréshez használt 4 darab próbatestet a 3.2.-es fejezetben már korábban bemutatott as ábrán látható módon helyeztem el. A es ábrán nanoszál nélküli szövet erősítésű mintadarab látható 50, 100, 250 és 500-szoros nagyításban. Az a ábrán a próbatest teljes vastagságban látható, melyen a teljes rétegrend is kivehető. Továbbá a képeken felismerhető az erősítés szövet jellege. A d ábrán látható, hogy a minta töreténél a mátrixanyagból a szövet erősítés nagyrészt kivált, és a nyoma tisztán kivehető. a. b. c. d ábra. Nanoszál nélküli szöveterősítésű kompozit minták 50 (a), 100 (b), 250 (c), 500-szoros (d) nagyításban 34

36 A nanoszállal társított szövet erősítésű kompozit minta a ös ábrákon látható. A felvételeken a kis nagyítás miatt még semmi különbség nem vehető észre a nanoszál nélküli társításhoz képest. A os ábrán már gyengén látható a nanoréteg 250-szeres nagyításnál. A felvételeken a szénszövet töretdarabjai is láthatóak. Bár a telepítése közvetlen a feltekercselt szénszövet felületére történt, az elektronmikroszkópikus felvételeken mégis az látszik, hogy a szén erősítőanyag rétegétől távol helyezkedik el, különállva a mátrixanyagba épülve. a. b ábra. Nanoszállal társított szöveterősítésű kompozit minták 50 (a) és 100-szoros (b) nagyításban Azokon az ábrákon, ahol a nanoszálerősítés egybefüggő rétege már látható, ott az is megfigyelhető, hogy a mátrixanyagon belüli repedések a nanoréteget elérve megszűnnek. Tehát a nanoszálas réteg a repedésterjedést gátolja. a. b ábra. Nanoszállal társított szöveterősítésű kompozit minták 250 (a) és 1000-szeres (b) nagyításban 35

37 Mivel a nanoszálak egy különálló réteget képeznek, ezért rétegvastagságuk pontosan meghatározható. A es ábrán méretekkel ellátva látható az elkülönült nanoréteg a kép alján látható szénszálak átmérőjéhez képest. Továbbá látható néhány szénszál darab is, melyek a minta tönkremenetelekor kerültek a töretfelületre. A nanoszálak 15,4 és 19,2 µm rétegvastagságban vannak jelen, ami nagyjából 2-3 szénszál átmérőjének felel meg ábra. Nanoszállal társított szöveterősítésű kompozit minta nanoszál rétegvastagság feltüntetésével A as ábrán a nanoszálak 5000 feletti nagyításban láthatók, ahol 30 kv feszültség beállítása szükséges az éles képek létrehozására. Az ábrákon a nanoszálak rendezetlensége a töretfelületen és az anyagon belül is ugyan olyan lehet, hiszen a szálak csekély mértékben váltak ki a gyantából. Bár a szálak kiválása nyomot hagyott a mátrixban, mégis szemmel láthatóan kitűnőnek mondható az adhézió. 36

38 a. b ábra. Nanoszállal társított szöveterősítésű kompozit minta 5000 (a) és szeres (b) nagyításban Unidirekcionális erősítés esetén a töretfelület más képet adott a szöveterősítésű kompozit mintákhoz képest. A es ábrán megfigyelhető, hogy a töretfelület kialakulásakor a mintadarabnak egy húzott és egy nyomott oldala alakult ki. A húzott oldal esetén a szénszálak kiállnak a próbatestből, teljesen leválva a mátrixanyagról. A nyomott oldalon a gyanta repedezettsége, törése figyelhető meg. a. b ábra. Nanoszál nélküli UD erősítésű kompozit minták 50 (a) és 200-szoros (b) nagyításban A es ábrákon a próbatest két felülete látható. A rétegek elkülönülése ebben az esetben kevésbé kivehető a szöveterősítéshez képest. A es a ábrán szinte a gyanta egyáltalán nem is látható a szénszálak között. Az egyirányú erősítőszerkezet a szénszálak orientáltságából, a minta típusának ismerete nélkül is megállapítható. A 2500-as 37

39 nagyításon a mátrixanyag láthatóan kristályszerűen töredezett, a benne lévő szálak pedig egyáltalán nem találhatóak es és az 5000-es nagyításnál a nanoszálak rétege a szöveterősítésű mintához hasonlóan elkülönül az UD erősítéstől és kizárólag a mátrixanyag veszi körül. Mivel a nanoszálakat ugyanazzal a módszerrel vitték fel az erősítőanyagra, és a kompozitok térhálósítása is megegyezik az eddigiekben vizsgált összes mintával, ezért a nanoszála. b ábra. Nanoszál nélküli UD erősítésű minta húzott (a) és nyomott (b) oldalai A nanoszálak jelenléte az UD-s erősítésű kompozit mintáknál szintén megfigyelhető nagyobb nagyításokban. A es ábrákon a rétegek láthatóan elhatárolódtak, tisztán látszanak a szénszálak és az azokat körülvevő gyanta rétegek. A töretfelületen az erősítőanyag töredezett, szilánkos. a. b ábra. Nanoszállal társított UD erősítésű kompozit minta 250 (a) és 1000-szeres (b) nagyításban 38

40 gyanta adhézió is megegyező. Az unidirekcionális erősítés esetén az nanoszálak a es ábrán láthatóan 13-16,6 µm körülbelüli vastagságban helyezkednek el ábra. Nanoszállal társított UD erősítésű kompozit minta nanoszál rétegvastagság feltűntetésével 3.6. Ejtődárdás vizsgálat Az ejtődárdás mérés során csak a szövet erősítésű próbatesteket mértem. Ennek az az oka, hogy az UD szálerősítéses kompozitlapoknál a dárda átmenne a szálak között. A rovingok közti gyanta törne, és a pontatlan, illetve értékelhetetlen mérési eredményeket kapnánk. A nanoszálak alkalmazásának érdemességét inkább a szöveterősítésű kompozit anyagoknál tudjuk meghatározni, ezért csak két típusú próbatesten végeztem el a mérést, az MSZ EN ISO :2001-es szabvány [26] szerint. A tökéletes tönkremenetel érdekében a próbatestet és az ejtődárdának a próbatesttel érkező felületét szilikon olajjal kentem be. Így a tönkremenetel során a súrlódás jelentéktelen mértékű. Ezáltal a méréskor regisztrált eredmények csak a próbatesten létrejött erőhatások és felhalmozódott energiák értékei. A mérésen használt próbatest geometriája a es ábrán látható. A próbatestek pontos méretei a jelölések alapján a mellékletben megtalálhatóak. 39

41 ábra Ejtődárdás dinamikus méréshez használt próbatest geometriája A mérések elvégzése után a próbatest a es ábrán látható módon károsodott. A tönkremenetel formája a nanoszálas és a nanoszál nélküli mintáknál is megegyező volt. a b ábra. Nanoszálas (a) és nanoszál nélküli (b) kompozit minta tönkremeneteli formája ejtődárdás vizsgálat esetén A as ábrán a próbatesteken végzett mérésekből számított energia, maximális erő és duktilitási index értékeket mutatja be. Az energiaértékeket két időpillanatban számoltam. Az egyik a maximális erő értékénél számított (E perf1 ), a másik pedig a teljes tönkremenetel végéig felhalmozódott energia (E perf2 ). Az E perf1 értéknél történik meg a próbatest első repedése, az E perf2 értéknél pedig a teljes tönkremenetel. A diagramokon a próbatestek vastagságára fajlagosított törési energiája látható E perf1 és E perf2 elnevezésekkel, így a valóban felhalmozódott energia kerülhet összehasonlításra. A diagramokról leolvasható, hogy a nanoszállal társított kompozit próbatestek esetén a teljes perforációs energia kivételével javultak az értékek. Viszont mindegyik értéknél nagy szórás tapasztalható. Tehát ezen mérés esetén, a nanoszálak jelenléte csekély mértékben befolyásolták a 40

42 DI [-] F [N] E' perf1 [J/mm] E' perf2 [J/mm] mechanikai tulajdonságokat. A méréskor regisztrált, majd kiértékelt eredmények a 4-es mellékletben találhatóak. 3,0 7,0 2,5 6,0 2,0 5,0 1,5 1,0 Szövet ref Szövet nano 4,0 3,0 2,0 Szövet ref Szövet nano 0,5 1,0 0,0 0,5 0,4 0,4 0,3 Anyagok Anyagok a. b. 0, ,3 0,2 0,2 Szövet ref Szövet nano Szövet ref Szövet nano 0,1 0, ,0 Anyagok 0 Anyagok c. d ábra. Referencia és nanoszálas próbatestek energia értékei (a-b), duktilitási indexei (c) és maximális erő (d) értékeinek összehasonlítása 3.7. Charpy-féle ütővizsgálat (próbatest lapjára merőlegesen) A mintát a es ábrának megfelelően helyeztem el. 9 próbatesten végeztem méréseket, viszont a pontosság érdekében a kiugró értékeket elhanyagoltam, és csak 7 értékkel számoltam. A próbatestek méreteit egyesével mértem és regisztráltam, hogy a számításnál 41

43 E' perf1 [J/mm] E' perf2 [J/mm] keresztmetszetre tudjam fajlagosítani az energia értékeket. A pontos mért és számított értékek az 5. mellékletben találhatók ábra. Charpy-féle ütővizsgálat (próbatest lapjára) használt próbatest elhelyezése A vizsgálatot MSZ EN 179-2:2000 szabvány [27] alapján végeztem. Dinamikus vizsgálatok esetén a maximális erőnél és a teljes tönkremenetelnél regisztrált adatokból számoltam a fajlagosított energia értékeket (E pef1, E perf2 ). Ezek és a maximális erő értékek a es ábrán láthatóak. 0,14 0,16 0,12 0,14 0,10 0,12 0,08 0,06 0,04 Szövet ref Szövet nano 0,10 0,08 0,06 0,04 Szövet ref Szövet nano 0,02 0,02 0,00 0,00 Szövet Anyagok Szövet Anyagok a. b. 42

44 F max [N] F max [N] E' perf1 [J/mm] E' perf2 [J/mm] 0,04 0,07 0,03 0,06 0,03 0,05 0,02 0,02 UD ref UD nano 0,04 0,03 UD ref UD nano 0,01 0,02 0,01 0,01 0, UD Anyagok 0,00 UD Anyagok c. d. Szövet Anyagok UD Anyagok e. f ábra. A Charpy-féle ütővizsgálatnál (próbatest lapjára) számított energia (a,b,c,d) és a mért maximális erő (e,f) Szövet ref UD ref 400 Szövet nano UD nano Az ábrákról látható, hogy a szórások a nanoszálak alkalmazásakor csökkentek, tehát a maximális értékek pontosabban meghatározhatók ebben az esetben. Viszont a maximális értékek a legtöbb esetben csökkenést mutatnak, illetve szóráshatáron vannak, tehát nem javították az anyagok mechanikai tulajdonságait. A as ábrán az első repedésig és a teljes tönkremenetelig eltelt idő látható min a 7 próbatesten. A szövet esetén egyértelműen elmondható, hogy a nanoszálas erősítéskor egy későbbi, míg az UD esetén nagyjából megegyező időpillanatban volt mindkét tönkremenetel a referenciához képest. A t max a maximális erő eléréséig, a t telj pedig a teljes tönkremenetig mért időtartam. 43

45 t telj [s] t max [s] 2 1,5 1 0,5 Szövet ref Szövet nano UD ref UD nano 0 2, Próbatestek a. 2 1,5 1 0,5 Szövet ref Szövet nano UD ref UD nano Próbatestek b ábra Maximális erő eléréséig (a) és a teljes tönkremenetelig (b) mért időtartam A próbatestekről elektronmikroszkópos felvételeket készítettem a hajlításból kialakult töretek felszínén. A es ábrán a szövet (a) az illetve UD (b) erősítésű nanoszálas minták láthatók 500-as nagyításban. A további képeken látható a nanoszálak mátrixanyagba való beépülése ( ábra. a,c). Az ütővizsgálat nem volt tapasztalható semmilyen minőségi javulás, ami annak az oka, hogy a töretfelület keresztmetszete kicsi, így láthatóan a nanoszálak is csak kevés százalékban segítettek a terhelésfelvételben. Összehasonlításképpen a referencia minták is láthatóak ( ábra. b, d). 44

46 a b ábra. Szövet (a) és UD (b) erősítésű nanoszálas próbatestek SEM felvételei a b c d ábra. Szövet erősítésű nanoszálas (a), nanoszál nélküli (b) illetve UD erősítésű nanoszálas (c), nanoszál nélküli (d) minták töretfelületeinek SEM felvételei 45

47 E' perf1 [J/mm] E' perf2 [J/mm] 3.8. Charpy-féle ütővizsgálat (próbatest élére merőlegesen) A kiértékelést 9 érték mérését követően csak 7 értékkel végeztem, tehát a pontosság érdekében a kiugró értékeket elhanyagoltam. A vizsgálatot MSZ EN 179-2:2000 szabvány [27] szerint végeztem el. Az ütővizsgálatnál a mintát a es ábrán látható módon helyeztem el. A próbatestek méretei, számítógép által rögzített erő és energiaértékei és az ezekből számított fajlagos értékek a 6. mellékletben találhatók ábra. A Charpy-féle ütővizsgálatnál (próbatest élére) használt próbatest elhelyezése Dinamikus vizsgálatok esetén a maximális erőnél és a teljes tönkremenetelnél regisztrált adatokból számoltam a fajlagos energia értékeket (E pef1, E perf2 ). Ezek és a maximális erő értékek a es ábrán láthatóak. 0,18 0,25 0,16 0,14 0,20 0,12 0,10 0,08 0,06 Szövet ref Szövet nano 0,15 0,10 Szövet ref Szövet nano 0,04 0,02 0,05 0,00 Szövet Anyagok 0,00 Szövet Anyagok a. b. 46