Bazaltszövettel erősített polimer mátrixú kompozitok fejlesztése

Átírás

1 Budapsi Műszaki és Gazdaságudmányi Egym Gépészmérnöki Kar Plimrchnika Tanszék Bazalszövl rősí plimr márixú kmpzik fjlszés PhD érkzés Készí: Tamás Pér klvls gépészmérnök Témavző: Dr. Czigány Tibr gymi anár

2 PhD érkzés Nyilakza Alulír Tamás Pér kijlnm, hgy z a dkri érkzés magam készím, és abban csak a mgad frráska használam fl. Mindn lyan rész, amly szó szrin vagy azns aralmban, d áfgalmazva más frrásból ávm, gyérlműn a frrás mgadásával jlölm. Budaps, 203.dcmbr 23. Tamás Pér Tamás Pér 2

3 PhD érkzés Köszönnyilváníás Ezún szrnék köszön mndani mindazknak, akik munkájukkal, valamin haszns anácsaikkal lősgíék dlgzam lkészíésé. Szrném köszönm kifjzni émavzőmnk, Dr. Czigány Tibrnak, kuaásm krdinálásáér, és hgy kialakía a udmánys kuaómunka szmlélm. Köszönl arzm mindn anszéki és MTA kuaócspri kllgámnak, dkrandusz ársaimnak és baráaimnak az érkzésm lkészíéséhz nyúj szakmai sgíségükér. Köszönl arzm diplmázó, TDK-zó, illv szakdlgzaíró hallgaóimnak, akik a szakmai és barái légkör mgrmésévl nagymérékbn hzzájárulak munkám sikréhz. Kiml köszönl arzm Dr. Vas László Mihálynak a mamaikai mdllzésbn nyúj sgíségér, Dr. Grgly Szilvszrnk (BME-VBK Alkalmaz Bichnlógia és Éllmiszrudmányi Tanszék), Szlnki Báának, Brdácsné Bz Kaalinnak, valamin Sói Pérnk (BME- VBK Szrvs Kémia és Tchnlógia Tanszék) a rmgravimriás és spkrszkópiás méréskbn kap sgíségükér. Köszön illi Dr. Mirslava Marsalkvá (Tchnical Univrsiy in Librc) és Dr. Marsfői Béla Bnd (FETI) a villams méréskbn nyúj sgíségér. Lgvégül, d nm ulsó srban köszönöm családmnak a sk ámgaás és mgérés, amivl bizsíák számmra a PhD érkzés lkészíéséhz szükségs nyugd és kigynsúlyz légkör. A munka szakmai aralma kapcslódik a "Minőségrinál, összhangl kaási és K+F+I sraégia, valamin működési mdll kidlgzása a Műgymn" c. prjk szakmai célkiűzésink mgvalósíásáhz. A prjk mgvalósíásá az ÚMFT TÁMOP-4.2./B- 09//KMR prgramja ámgaja. A munka szakmai aralma kapcslódik a "Új hséggndzó prgramk és kuaásk a Műgym udmánys műhlyibn" c. prjk szakmai célkiűzésink mgvalósíásáhz. A prjk mgvalósíásá a TÁMOP B-0/ prgram ámgaja. Tamás Pér 3

4 PhD érkzés TARTALOMJEGYZÉK Jlölés- és rövidíésjgyzék Bvzés Irdalmi ákinés Plimr kmpzik Plimr kmpzik jllmző márixanyagai Plimr kmpzik lglrjdbb rősíőanyagai Plimr kmpzik ipikus rősíősrukúrái Bazalszállal és bazalszövl rősí kmpzik Hibrid plimr kmpzik Szén/üvgszálas hibridk Szén/aramidszálas hibridk Trmészs szálas hibridk Bazalszálas hibridk Alkalmazási példák Hibridkmpzik használaa a mgújuló nrgiafrrásk rülén Irdalmkuaás kriikai lmzés, az érkzés célja Alkalmaz anyagk, chnlógiák és vizsgálai módszrk Flhasznál anyagk A kmpzik készíésénk chnlógiája Alkalmaz anyagvizsgálai módszrk Kísérli rész Előkísérlk Erősíő- és ölőanyagk vizsgálaa Unidirkcinális mn- és hibridkmpzik vizsgálaa Bazalszövl rősí mn- és hibridkmpzik vizsgálaa Környzi ényzők haásai a hibridkmpzikra A hőmérsékl haása Tamás Pér 4

5 PhD érkzés Az UV sugárzás haása A sós-vizs kzlés haása a hibridkmpzikra Hibridkmpzik sziglőképsségénk vizsgálaa Hibridkmpzik régközi nyírószilárdságának javíása Az ismélődő igénybvél haása a hibridkmpzikra Ciklikus húzás mdllzés Ciklikus hajlíás mdllzés Összfglalás Erdményk hasznsulása Tézisk Tvábbi mgldásra váró fladak Irdalmjgyzék Mlléklk A 4.2. fjz mllékli A fjz mllékli A fjz mllékli A 4.4. fjz mllékli A 4.5. fjz mllékli A 4.6. fjz mllékli Tamás Pér 5

6 PhD érkzés Jlölés- és rövidíésjgyzék Alkalmaz jlölésk: a [mm] rpdéshssz fűrésszl és pngévl hrnyl gyüs A [mm 2 ] flül A [mm] gnráló szrzóényző A [mm] anyagényző B [-] gnráló knsans b [mm] próbask szélsség bv [-] vülékirányú bdlgzódás bl [-] láncirányú bdlgzódás bx [-] álags fnalbdlgzódás cx [mm] köésclla x-irányú méri cy [mm] köésclla y-irányú méri dav [μm] álags szálámérő dk (, 0) [-] ablakfüggvény dx [mm] szöv flépíő fnalak x-irányú ámérőj dy [mm] szöv flépíő fnalak y-irányú ámérőj E [MPa] húzó rugalmassági mdulus E (x) [-] valószínűségi válzó középérék E () [GPa] rlaxációs mdulus függvény Ef [GPa] hajlíó rugalmassági mdulus Ef [GPa] lmi szál rugalmassági mdulusa Efr [GPa] rving rugalmassági mdulusa Efsz [GPa] rősíőszöv rugalmassági mdulusa Em [GPa] rugalmassági mdulus Emax [J] ljs örési nrgia f [mm] lhajlás Fmax [N] mér lgnagybb rő h [mm] próbask vasagsága Iz [kgm 2 ] krszmsz z-nglyr száml hlnségi nymaéka KICsaikus [kj/m 2 ] örési szívósság l [mm] hssz l () [-] gységugrás-függvény L [mm] aláámaszási ávlság L0 [mm] próbas vidxnzmérhz kijlöl mérőhssza l [mm] lkródák közi ávlság M (x,) [Nm] nymaék Tamás Pér 6

7 PhD érkzés n [db] ciklusszám N [db] rugóágak száma n [db] lmi szálak száma nr [db] rvingk száma [mm] lkróda krül P [W] mina jlnléébn mér ljsímény P2 [W] mina nélkül mér ljsímény PH [-] hibridkmpzi szőlgs mchanikai ulajdnsága PI [-] I ípusú mnkmpzik ulajdnsága PII [-] II ípusú mnkmpzik ulajdnsága Q [g/m 2 ] szöv srukúra rüli sűrűség R [mm] sugár RS [Ω/mm] flüli llnállás RV [Ω/mm] érfgai llnállás SE [db] lkrmágnss árnyékló-képsség S [mm 2 ] lkróda rül si [mm] lmzdulás 0 [s] félpriódusidő [s] idő V [m 3 ] érfga VI [-] az I ípusú rősíőszálak érfgahányada VII [-] a II ípusú rősíőszálak érfgahányada X [%] dfrmáció grjszés X0 [mm] maximális dfrmáció Xn () [mm] grjszés Ẋ0 [mm/prc] fl- és lrhlési sbsség abszlú érék Y [-] gnráló érék Y () [MPa] fszülségválasz ΔL0 [mm] próbas hsszúságának növkdés a mérési jlk közö αcu [kj/m 2 ] Charpy-fél üőszilárdság (bmszés nélkül próbask sén) εf [%] lmi szál szakadási nyúlása εfi [%] rlaív nyúlás εfr [mm] rving szakadási nyúlása εfsz [mm] rősíőszöv szakadási nyúlása εm [mm] szakadási nyúlás η [Pas] dinamikai viszkziás ρv [Ωcm] fajlags érfgai llnállás ρs [Ωcm] fajlags flüli llnállás σf [MPa] hajlíófszülség σf [MPa] lmi szál szakíószilárdsága Tamás Pér 7

8 PhD érkzés σfr [MPa] rving szakíószilárdsága σfsz [MPa] rősíőszöv szakíószilárdsága σfm [MPa] hajlíószilárdság σf [MPa] s lmzduláshz arzó fszülség σf2 [MPa] s2 lmzduláshz arzó fszülség σm [MPa] húzószilárdság σ [MPa] ε = 0,0005 nyúláséréknél mér húzófszülség σ2 [MPa] ε2 = 0,0025 nyúláséréknél mér húzófszülség [-] időállandó ε0 [mm] nyúlásk szlpvkra κ [mm] görbülk szlpvkra N [N] élrők szlpvkra M [Nm] élnymaékk szlpvkra A [MPa] húzómrvségk márixa B [GPa] kapcslómrvségi márix D [GPa] hajlíómrvségk márixa Alkalmaz rövidíésk: ACCC vzőképs kmpzi mag alumíniumból (Aluminum Cnducr Cmpsi Cr) AE akuszikus misszió BFCFEP bazal-szénszállal rősí pxi gyana BFEP bazalszállal rősí pxi gyana BFP bazal pr CFEP szénszállal rősí pxi gyana CNT szén nancső (Carbn Nan Tub) CVD kémiai gőzfázisú bvnalás (Chmical Vapr Dpsiin) EP pxi gyana FT-IR Furir-ranszfrmációs infravörös spkrszkópia GFCFEP üvg-szénszállal rősí pxi gyana GFEP üvgszállal rősí pxi gyana GpS grafén (Graphn Sh) HMCF nagy rugalmassági mdulusú és kis nyúlású szénszál (High Mdulus) HTCF nagy nyúlású és nagy szilárdságú szénszál (High Tnsin) ILSS régközi nyírószilárdság (Inrlaminar Shar Srngh) IMCF közps mdulusú és nyúlású szénszál (Inrmdia Mdulus) IR infravörös NASA Nmzi Rpülési és Űrhajózási Hivaal (Nainal Arnauics and Spac Adminisrain) Tamás Pér 8

9 PhD érkzés PA pliamid PAN pli- akril- niril PBT pli(builén-rfalá) PE pliilén PEEK pliér-érkn PP pliprpilén RHM hibrid kvrékszabály (Rul f hybrid mixur) RTM gyanainjkálás (Rsin Transfr Mlding) SEM pászázó lkrnmikrszkópia (Scanning Elcrn Micrscpy) SEN-T gyldaln bmsz szakíó próbas vizsgálaa (Singl Edg Nchd Tnsil) UD unidirkcinális rősíősrukúra UP líln pliészr gyana (Unsaurad Plysr) USD amrikai dllár (Unid Sas Dllar) UV ulraiblya VE vinilészr gyana Tamás Pér 9

10 PhD érkzés. Bvzés Élminőségünk jlnősn bflyáslják a bnnünk körülvvő anyagk. Századunk a szinikus anyagk krszaka, ahl fjlődő ársadalmunk és iparunk gyr újabb és újabb anyagka igényl. A krszrű műszaki anyagudmány hárm alapvő csprra, a fémk, a plimrk és a krámiák családjára szja a mérnöki anyagka []. Ezk kmbinál, ársí rndszri a kmpzik, amlyk gysíik az gys összvők lőnyös ulajdnságai. A kmpzik lyan szrkzi anyagk, amlykbn a nagyszilárdságú rősíőanyag és a szívós márix közö rős adhéziós kapcsla van, amly a dfrmáció, az igénybvél nagy szinjén is arósan fnnmarad [2]. A kmpzik nagy lőny, hgy alkalmazásukkal lyan ulajdnságk is lérhők, amlykkl a kmpnnsk külön-külön nm rndlkznk. A plimr kmpzik lglrjdbb rősíőanyagai az üvgszál, a szénszál valamin az aramidszál, aznban gyr inkább r hódíanak a rmészs szálakkal rősí kmpzik is [3]. Mindössz az uóbbi ké évizdbn krül lőérb a bazalszál, min a plimr kmpzik lhségs rősíőanyaga [4, 5, 6]. A bazal gy, a rmészbn sk hlyü mgalálhaó kőzfaja, amly közvlnül alkalmas szálgyárásra. Kémiai szrkzé és ulajdnságai kinv nagyn hasnló az üvgszálhz. Régóa ismr, hgy a bazal ljs gészébn biinr, nm kárs az élő szrvzkr [7]. Kiváló mchanikai ulajdnságai, hő- és vgyszrállósága mia, jó alrnaívája lh az azbsznk és az üvgszálnak is. Flyns bazalszálak lőállíásával jllmzőn Orszrszágban, Ukrajnában és Izralbn fglalkznak, aznban gyr inkább szaprdnak a különböző ípusú bazalszálak gyárásával fglakzó üzmk Kína rülén és a nyugai rszágkban is [8]. A szálrősí kmpzik rén az rősíő srukúra jllmzőn gy-, vagy kédimnziós. Egydimnziós rősíő srukúrának kinhő a szál vagy szálkög (rving), kédimnziósnak pdig a paplan és a szöv. A szál frmájú bazalal rősí kmpzikkal kirjd irdalm fglalkzik [9-0], aznban a bazalszöv rősíésűkkl kapcslas szakirdalm cskély, hl a kmpzik gyakrlai alkalmazása srán skkal nagybb szrp van a különböző szövknk vagy gyéb köö klméknk, mivl zk alkalmazásával az lkészíndő kmpzi mchanikai ulajdnságai síkban vagy érbn gyidjűlg öbb szőlgs irányban is javíani udjuk. A plimr kmpziknál is biznys sbn különlgs igényk mrülhnk fl, amlyk az gys lőnyös ulajdnságk ársíásával érhünk l. Ennk gyik lgkéznfkvőbb módja az rősíőanyagk ársíása, hibridizálása. Jlnlg a Tamás Pér 0

11 PhD érkzés szén/üvgszálas hibridkmpzik a lglrjdbbk, mivl az üvgszál ársíásával gyrész jlnősn csökknhő a szénszálas kmpzik ára, másrész nagymérékbn javíhaó a szénszálas kmpzi szívóssága és üésállósága. A bazal- és az üvgszál hasnlósága mia könnydén kiválhaó lnn az üvgszál bazalszállal. A bazalszál az üvgszállal szmbn skkal llnállóbb agrsszívbb környzbn, köszönhőn a bazal flépíő kémiai lmknk. Jbb hő- és időjárásállóságának köszönhőn a bazalszál lyan spciális rülkn is alkalmazhaó lnn, ahl az üvgszál - az xrém körülményk mia - nm. Az érkzésm célja a bazal xíliával rősí plimr márixú kmpzik mchanikai, ciklikus rhlési és fizikai jllmzőink mghaárzása. Tvábbi céljaim különböző mulifunkciós bazalszálas hibrid plimr kmpzik lőállíása, vizsgálaa és összhasnlíása gymással, valamin mnszálas kmpzikkal. A hibrid szálas kmpzik sébn az slgs szinrgikus haásk flárása és zk kihasználása a kmpzi rmékkbn, valamin a lhségs alkalmazási rülk szélsíés, kiválképpn a mgújuló nrgiafrrásk rülén (szél- és ár-apály rőművk). Tamás Pér

12 PhD érkzés 2. Irdalmi ákinés Ebbn a fjzbn rövid ákinés adk a plimr kmpzikról és lőállíási chnlógiáikról, a lggyakrabban alkalmaz márix- és rősíőanyagkról, illv rősíősrukúrákról, kimlv a különböző gyáráschnlógiával készül bazalszálaka. Ismrm vábbá a mchanikai ulajdnságk összhasnlíásáhz szükségs kmpzimchanikai alapka. 2.. Plimr kmpzik A plimr kmpzik dfiníciója szrin az rősíőszálak lsődlgs fladaa a hrvislés, a márixé a rhlés közvíés, az rősíőszálak védlm és rögzíés []. A plimr kmpzik mchanikai ulajdnságai számíáskkal lőr mghaárzhaók, figylmb vév az anizrópiá, a rhlés irányfüggésé. Az rősíőanyagka gmriájuk jllmzi a lgálalánsabban, zér z flhasználva lh ők csprsíani. A különböző ípusú anyagk gmriai jllmzésükbn dönőn az rősíőlmk hssza és ámérőj, illv zk aránya jászik szrp. Plimr kmpzik sébn a szál frmájú rősíés a jllmző. A szál ípusú rősíés sébn az anyagnak az a ulajdnságá használjuk ki, hgy az anyag szilárdsága szál frmájában jóval nagybb, min ömb frmájában [2]. Ennk ka, hgy ha ad érfgaban ad számú hibahly alálhaó gynls lszlásban, akkr a szál frmájú anyagban kisbb az sély, hgy gy kiválasz krszmsz ad környzébn alálhaó hibahly. A kmpzik sébn a haárflüli adhéziónak kimlkdő szrp van, minőség jlnősn bflyáslja a kmpzi mchanikai ulajdnságainak alakulásá. A jó adhéziós kapcsla ké ényző nagy érékn arásával érhő l. Az lső a haárflüli nyírószilárdság, amly anyagpárnkén mghaárz érék vsz fl, és haárflüli kapcslószrk alkalmazásával haássan javíhaó [2]. A másik ényző az rősíőanyag és a márix érinkzési flül, amly az rősíő anyag mgjlnési frmájának hlys mgválaszásával növlhő. Az gységnyi érfgara vnakza flül hngrs alapgmria flélzés mll az () szrin írhaó fl: 2 A 2R π + 2R π l 2 2 = = + 2 V R π l l R () Tamás Pér 2

13 PhD érkzés ahl A a hngrs rősíő anyag külső flül, V a érfgaa, R a sugara, l a hssza. Az így flírhaó érfgara vnakza flül l>>r, amly gy kis ámérőjű szálnak, l<<r sébn krngnak fll mg. A krng frmájú rősíéssl kapcslaban száms kuaás ismr, aznban chnikailag a szálfrma valósíhaó mg gyszrűbbn, és gyéb lőnyi mia z rjd l kmpzik rősíő anyagakén. Napjainkban is száms kuaás flyik, például: a nanmérs gydi régvasagságú szmcsés régsziliká anyagk lszlaása kmpzikba [3-8]. Összfglalva, rősíő haásról csak akkr bszélhünk, ha vagy a hsszmér jóval nagybb az ámérőnél, vagy pdig az ámérő jóval nagybb a hssznál. Abban az sbn, amikr az rősíőanyag hssz és ámérő aránya jllmzőn gy nagyságrndb arzik (l R), akkr inkább ölö rndszrkről bszélhünk. A ölőanyag jóéknyan haha például a lángállóságra [9, 20], csökknhi a például fröccsönéssl készülő rmékk zsugrdásá [2], ső az önjavíó plimrk sébn is szrp jászik a ölés (önjavíó mikrkapszula, min ölőanyag) [22], aznban a szilárdság kvéssé javíja Plimr kmpzik jllmző márixanyagai Az rősí plimrk lyan szrkzi anyagkén fghajuk fl, amlyknél az gys alkólmk (márix, rősíőanyag) mghaárz fladaka lának l [23]. A különböző kmpzik mchanikai ulajdnságai jlnősn bflyáslják a márixanyagk ulajdnságai is. Az alkalmaz márixanyagk lhnk hőr lágyulóak és hőr nm lágyulók (érhálósak). A kmpzik lkészíéséhz lggyakrabban alkalmaz hőr lágyuló műanyag a pliprpilén (PP), a pliamid (PA), a pliilén (PE) és a pli(builén-rfalá) (PBT) [24], amlyk lgfőbb ulajdnságai a. ábláza [2, 25] muaja. Anyag/Jllmző Rugalmassági mdulus Szakíószilárdság Szakadási nyúlás Sűrűség Egységár 203 [GPa] [MPa] [%] [g/cm 3 ] [HUF/kg] Pliprpilén, ,9 ~250 Pliamid 2, , Pli (builén-rfalá) 2,5 80 4,30 ~400 Pliilén 0, ,93 ~230. ábláza Lglrjdbb hőr lágyuló kmpzi márixanyagk főbb ulajdnságai [2,25] Tamás Pér 3

14 PhD érkzés A pliprpilén (PP) érblilg szabályz (szrrguláris) szrkzénk köszönhőn jó rugalmassági mdulussal, kis szakadási nyúlással, valamin visznylag nagy hőállósággal rndlkzik. Nagy háránya a nagy üvgsdési ámni hőmérsékl (0 C), amly aznban PE kplimrizációjával csökknhő. Fő alkalmazási rüli a gépkcsi műszrfal, lökháríó, valamin házarási gépk burklaa. A pliamidk (PA) álaláns jllmzői a kdvző mchanikai ulajdnságk, a jó üés- és kpásállóság, nagy hőállóság. Hárányai a ndvsségérzéknység, a visznylag szűk lvadási hőmérsékl-armány, valamin a rssz savállóság. Mchanikai ulajdnságai jóval mghaladják a PP ulajdnságai, kivév a szakadási nyúlás; ára öbbszörös a PP árának. Fő alkalmazási rüli siklólmk, rsók, fgaskrkk, nagy mchanikai igénybvélű alkarészk. A pliéilén (PE) is az úgynvz ömgműanyagk közé srlhaó, a lggyszrűbb és a lgnagybb mnnyiségbn lőállí szinikus plimrcsalád. Nagy lőnyi közé arzik a könnyű fldlgzhaóság, a jó sziglőképsség, a jó üés- és vgyszrállóság, amink kövkzébn lőszrl használják az éllmiszriparban is, jllmzőn csmaglóanyagk és különböző árló szközök lkészíéséhz. A pli(builén-rfalá) (PBT) nagy kménységgl, nagy üőszilárdsággal és kpásállósággal rndlkzik, valamin jó hőállóság és villams llnálló-képsség jllmzi. Nagy minőségi színvnalú és mchanikai igénybvélnk ki fröccsönö darabka gyáranak lsősrban a villamsés lkrnikai ipar, a gépjárműipar, valamin házarási készülékk céljára. A érhálós márixanyagk közül a lglrjdbb a pliészr (UP), a vinilészr (VE) és az pxi gyana (EP). A hárm lglrjdbb érhálós gyaná és zk lgfnsabb ulajdnságai a 2. ábláza [2, 26] muaja. Anyag\Jllmző Rugalmassági mdulus Szakíószilárdság Szakadási nyúlás Sűrűség Egységár 203 [GPa] [MPa] [%] [g/cm 3 ] [HUF/kg] Pliészr gyana 4,0 5 2, Vinilészr gyana 3,7 50 3, Epxi gyana 3, , ábláza A lglrjdbb érhálós márixanyagk főbb ulajdnságai [2, 26] A líln pliészr gyanák (UP) a plimr kmpzik krai érhálós márixanyagai, lőnyi a jó mchanikai ulajdnságk, jó hőállóság, jó mgmunkálhaóság, Tamás Pér 4

15 PhD érkzés időjárásállóság, háránya a zsugrdási hajlama és nagy szirlaralma. A érhálós gyanák közül a lglrjdbb alacsny ára mia. A vinilészr gyana (VE) mchanikai ulajdnságai kinv az UP gyanáhz mérhő, ára valamivl az UP gyana ára fl van, mivl vgyszrállóbb és kvésbé örgszik. Az pxi gyana (EP) jó apadási, kiűnő mchanikai, vgyszrállósági és időjárás-állósági ulajdnságai mia kirjd alkalmazási rüll bír (hajózás, auóipar, rpülőgépipar, sb.). Az ára az UP gyanák öbbszörös, zér csak nagy minőségi kövlményű hlykn használják. Ezk mll még jlnős a különböző karbamid [27], furán [28], fnl [29] és mlamin [30] gyanák alkalmazása és fjlszés is Plimr kmpzik lglrjdbb rősíőanyagai A plimr kmpzika flépíő rősíőanyagk közül a lggyakrabban alkalmazak az üvg-, a szén- és az aramidszál, aznban a különböző rmészs (kndr-, ln-, szizálszál), illv rmészs rdű szálak (bazalszál) flhasználása is növkvő ndnciá mua. Üvgszál Az üvg, min szrkzi anyag, a szilikák családjába arzik, amly szrvln, amrf szrkzű. Fő épíőlm a szilícium-xid (SiO2), z adja az üvgk 53-72%-á. Emll aralmaz gyéb fémxidka is, főlg CaO, Al2O3, MgO, Na2O, B2O3 alkóka, d zk az xidk gyü a szilícium dixiddal lénygébn gyln érhálós óriásmlkulává gysülnk, lsődlgs (primr), azaz nagy khéziós nrgiá képvislő kvalns- és ins köéskkl [2]. Az üvgszálak jó rmikus ulajdnságkkal rndlkznk, mivl a plimrknél nagybb hőmérsékln, C közö lágyulnak [3]. A flyns lmi szálak ámérőj álalában 8-4 μm közöi [32]. A flhasználási célkól függőn különböző kémiai összélű üvgből készínk szálaka (3. ábláza) [33, 34]. E-üvg S-üvg C-üvg D-üvg Rug. mdulus [GPa] Szakíószilárdság [MPa] Szakadási nyúlás [%] 4,8 5,4 5,0 4,6 3. ábláza Üvgszál ípusk főbb mchanikai ulajdnságai [33, 34] Tamás Pér 5

16 PhD érkzés Az E-üvg jó lkrms sziglőképsség, a D-üvg kis dilkrms állandó, az S- üvg nagy szilárdság, a C-üvg jó krrózióállóság jllmzi. A műszaki üvgszálak közül a műanyagk rősíésér a visznylag lcsó, E-üvg vál b a lgjbban, az rősíő anyagk öbbség bből készül, d nagybb szilárdsági igényk sén a drágább S-üvg használják. Blskii és ársai [35] különböző gyárók üvgszálai sébn vizsgálák az gys anyagk kémiai összélé és viszkziási ulajdnságai, valamin az adhéziós ulajdnságai a gyárási paramérk függvényébn. Az apaszalák, hgy az gys üvgszál-ípusk kémiai összvői jlnősn bflyáslják a gyárás közbni üvg-lvadék viszkziásá. Kimuaák, hgy a gyárás srán fllépő az lmi szálaka érő rők aránya nagy haással van a szálak flynsságára és flüli jllmzőir. Fih és ársai [36] E- üvgszálak mchanikai ulajdnságinak rmlásá vizsgálák a hőmérsékl haására. Bbiznyíák, hgy már visznylag kis hőmérsékl mll végz rövid idjű hőkzlés is nagymérékbn rnja az üvgszál mchanikai ulajdnságai. A mchanikai ulajdnságk rmlása már 200 C hőmérsékln mgkzdődik. 650 C-n örénő hőkzlés uán az üvgszál szilárdsága az rdi szilárdság mindössz néhány százalékára sik vissza. Spanva és ársai [37] akuszikus missziós ljárással vizsgálák különböző üvgszálas kmpzik ismélődő húzó-igénybvélll szmbni vislkdésé. Az apaszalák, hgy az állandó nagyságú ciklikus rhlés srán a vizsgálai idővl gyü növkd a próbask nyúlása. A vizsgálak srán az AE jlk száma is flyamasan nő a fáraszási vizsgála ciklusszámával. Nacri [38] üvgszálas pxigyana márixú kmpzik sébn vizsgála a ndvsség szakíószilárdságra gyakrl haásá. Hárm lérő ndvsségaralmú közgbn mér a kmpzik lánc- és vülékirányú szilárdságá, rugalmassági mdulusá és nyúlásá. A mérési kimuaák, hgy a páraaralm növkdésévl flyamasan rmlak a mchanikai ulajdnságk. A lgdraszikusabb válzás 96%-s rlaív páraaralm mll vl mgfigylhő. Szénszál A szénszálak az 970-s évkbn jlnk mg, az űrkuaás és a rpülőgép gyárás nagy szilárdságú alapanyagakén [39]. A szénszálak sén a rndkívül nagy grafiszilárdság és nagy rugalmassági mdulus használjuk ki. Szénszálaknak nvzik azka a szálas-anyagka, amlyk szrvs szénvgyülkből pirliikus ún (úgy lh lsznsíni, hgy közbn nm lvad mg és nm ég l) állíanak lő [3]. Előállíásuk Tamás Pér 6

17 PhD érkzés szrin a szénszálak lhnk viszkóz-, akril- és kárányalapúak. A szénszál lggyakrabban használ lőrmék (prkurzra) a pli(-akril- niril) (PAN) szál. A sabilizálás srán az akrilszálaka fszíés közbn ºC-s hőhaásnak szik ki. Ez kövőn az lsznsíés (karbnizálás) srán az xidál szála ºC-s kmncékbn kzlik inr gázban, így a szál szénaralma mgnövkszik. A flyama ulsó lépcsőjébn a karbnizál szála ºC-n inr gázban (argnban) grafiizálják. A karbnszál ipikusan darab 7-8 µm ámérőjű lmi szála aralmazó kögbn (w) készül és krül karbnizálásra. A krskdlmi frgalmban kaphaó szénszálaka ké nagy csprba szhajuk: PAN és kárány alapúakra [40]. A gyárás gyr növkvő mnnyiségénk köszönhőn [4] jlnlg a PAN alapú szénszálak nyújják a lgjbb ár/ljsímény arány. A különböző ípusú szálak mchanikai ulajdnságai a 4. ábláza [40] muaja. A szénszálak lglrjdbb kiszrlési frmája a szöv, amly gyarán alkalmaznak dkrációs és szrkzi rősíés céljára. Napjainkra, a gyárókapaciás növkdésénk köszönhőn, a szénszál ára jlnősn lcsökkn a kzdi 500 USD/kg körüli érékről (980) kvsbb, min a huszadára [4]. Az ár csökknésénk kövkzébn gyr szélsbb körbn alkalmazzák a sprszrgyárásól az épíőiparn á az auóiparig a mindnnapi él gyr öbb rülén. A PAN szál alapú szénszálak mdulusa kisbb, szakadási nyúlásuk aznban nagybb, min a kárány alapúaké, a kvésbé rndz grafis srukúra mia. A HM (High Mdulus - nagy mdulusú) ípusú szénszála nagy rugalmassági mdulus és kis nyúlás, az IM (Inrmdia Mdulus - közps mdulusú) jlű közps mdulus és közps nyúlás, a HT (High Tnsin - nagy nyúlású) ípusú nagy nyúlás és nagy szilárdság jllmzi. A kárány alapú szénszálak jbban grafiizálhaók, zér nagybb rugalmassági mdulus lh vlük lérni. A kárány kölségs iszíása mia aznban a kárány alapú szálak ára magasabb, min a PAN alapúaké. PAN alapú HM PAN alapú IM PAN alapú HT Kárány alapú Rug. mdulus [GPa] Szakíósziladság [MPa] Szakadási nyúlás [%] 0,4-0,7,3-,6,7-,9 0,2-,0 4. ábláza Szénszál ípusk főbb mchanikai ulajdnságai [40] HM (High Mdulus) nagy mdulusú szénszál, IM (Inrmdia Mdulus) közps mdulusú szénszál, HT (High Tnsin) nagy nyúlású szénszál Tamás Pér 7

18 PhD érkzés Szczypa és ársai [42] a szénszál PAN prkurzrá szén nancső öléssl módsíák. A módsí és nrmál lőgyármányból készül szénszálak ulajdnságai hasnlíák össz. A nancsövk haására növkd a prkurzr szálak krisályssága és hőállósága xidaív környzbn. A nancsövk kis mérékbn rnák a szénszálak szilárdságá, aznban növlék a rugalmassági mdulus. Viill és ársai [43] a környzi haásk szénszövl rősí pxigyana márixú kmpzikra gyakrl haásaival fglalkzak. Kéfél környzbn örgíék az anyagka. A ndvsség és hőmérsékl gyüs haására javul a kmpzik üésállósága, aznban rml a szál-márix adhézió. A mchanikai ulajdnságk rmlása hrnyl próbas sébn íz százalékkal nagybb vl, min hrnylalan sbn. Gud és ársai [44] szénszállal rősí pxi gyana márixú kmpzik öbbciklusú vizsgálaával fglalkzak, ahl anulmányzák a különböző önkrmnli módka is. Vizsgálaaik srán kimuaák, hgy a flülkzlésnk nagy haása van a minák élaramára és szálirányú mchanikai ulajdnságaira is. Aramidszál Az aramidszálak, akárcsak az üvgszálak és a szénszálak a nagy ljsíményű szálak lgrégbbi és lgjlnősbb csprjá alkják. Az aramidszál lyan műszál, amlybn a plimr lyan hsszú láncú armás pliamid, ahl az amid csprknak lgalább 85%-a közvlnül ké armás gyűrűvl kapcslódik [45]. Az aramid szálak lhnk armásak és alifásak. A ké anyagcsalád közö a lgfnsabb különbségk, hgy az armás pliamidk vgyszrállóbbak, hőállóbbak, nagybb az üvgsdési ámni és lvadási hőmérséklük, és mchanikai ulajdnságaik is jbbak, min az alifás pliamidknak. A plimrk rősíő anyagakén, illv gumiipari rősíő anyagkén alkalmaz Kvlar 29 és 49 ípusú fnalak mchanikai ulajdnságai és üvgsdési ámni hőmérsékli az 5. ábláza [46-48] aralmazza az alifás Nyln -nal összvv. Az aramid szálak visznylag jól űrik a ciklikus rhlés, bár a flülükön fibrillálódás léph fl, főlg szöv szrkz sén, ahl a szálak lmzdulhanak gymásn [49, 50]. Kúszási hajlamuk nm jlnős, azban UV állóságuk ign gyng. Kvlar 29 Kvlar 49 Nyln Rug. mdulus [GPa] ,5 Szakíószilárdság [MPa] Szakadási nyúlás [%] 4 2,5 8,3 5. ábláza Az armás pliamid szálak, valamin a Nyln szál mchanikai ulajdnságai [46-48] Tamás Pér 8

19 PhD érkzés Bazalszál A bazal ign gyakri, vulkanikus rdű flszíni kőz. Vgyi összélé kinv lgfnsabb alkólmi a SiO2, az Al2O3, a CaO, az MgO, a FO és a F2O3. A bazalka SiO2 aralmuk alapján hárm csprra szjuk: 42 ömgszázalék (m%) SiO2 ala alkáli, 43 és 46 m% közö közpsn savas, 46 m% fölö savas bazalról bszélünk. A bazal jbban llnáll az rős lúgknak, min az üvg, d az rős savakkal szmbn kvésbé llnálló. A bazalszál lgfnsabb lőnyi közé arzik, hgy kiváló villams sziglő, cskély a ndvsségflvél, rmészs anyag, biinr, nm irriaív és környzkímélő. A bazalszálak gészségügyi és környzvédlmi szmpnból gyakrlailag vszélylnk [5]. A bazal régóa alkalmazzák bazalgyapkén, hő- és hangsziglési célból, valamin kmpzikban is rdménysn alkalmazhaó rősíőanyagkén [52]. A bazalszál alkalmazásának lhőség lőször a vl Szvjunióban mrül fl az űrhajózással kapcslasan (az űrhajós szkafandr gyik rég). Ma is Orszrszágban és Ukrajnában állíják lő a lgnagybb mnnyiségbn a kimndan rősíőanyagnak szán bazalszála. Napjainkra száms kísérli és krskdlmi frgalmban kaphaó kmpzi rmék készínk flyns bazalszál, vagy az abból készül szöv flhasználásával. A bazalszál lőállíása álalában gylépcsős chnlógiai flyama, közvlnül a zúz bazalkő flhasználásával örénik. A Junkrs ljárással (. ábra) [3] gyszrűn és lcsón lh rövid bazalszála lőállíani, d zk a szálak visznylag gyngébb mchanikai ulajdnságkkal rndlkznk. Az ilyn ípusú chnlógiák lényg, hgy a bazallvadék gy frgó acélhngrkkl (ún. cnrifugafjkkl) flszrl szálazóbrndzésr vzik. A fjkr apad filmből a cnrifugális rő haására csppk válnak l, és a fúvókákból rábcsá nagysbsségű lvgőáramban a flyadékból szála húznak. A szálgyárási művl srán képződő szálak fkzasan lhűlnk és a szálhsszól függőn a végikn kisbb-nagybb szálfjk maradnak, amlyk lkálisan növlik ugyan a szakíószilárdság, aznban a lör szálfjk ölőanyagkén (fszülségkncnráló gyng hlykén) vislkdv a rpdésk kiindulási pnjaikén szlgálhanak [53]. A kialakuló szálak mchanikai ulajdnságai jlnős mérékbn függhnk a chnlógia paramériől, amlynk köszönhőn a mai napig is kuaásk flynak zzl kapcslaban [54]. Szálhúzással drágább, d jbb mchanikai jllmzőkkl bíró, flyns szála lh gyárani. A chnlógia vázlaá a 2. ábra [55] szmléli. Tamás Pér 9

20 PhD érkzés. ábra Junkrs-fél szálgyárási chnlógia vázlaa [3] (-mglvasz bazal, 2-lvgő fúvókák, 3-gyrsíó hngr, 4-szálazó hngrk, 5-csppk, 6-8-szálképződés flyamaa, 9- szál, 0-szálfj) A bazalkő mglvaszása ké lépésbn örénik: az lsődlgs kmncébn (5) lvadékállapba krül a kőz, innn gy gán áflyva krül a kisbb mérű és pns hőmérsékl-szabályzással llá másdlags kmncéb (6), majd nnan közvlnül a szálhúzó fjn (7) vzik krszül, a fjből kijövő szálaka köglik (8). Ezuán a szálaka a mgfllő szálámérő léréséhz nyújják (9), majd flülkzlő szrkkl vnják b (0), lgvégül pdig flkrcslik () [56]. 2. ábra A bazalszál-gyárás gyszrűsí flyamaa [54]. zúzkő-árló, 2. adagló, 3. vábbíó, 4. szakaszs adagló, 5. lsődlgs lvaszó szakasz, 6. másdlags lvaszó szakasz pns hőmérsékl-szabályzással, 7. szálképző fjk, 8. szálkög képző, 9. szálak nyújása, 0. flülkzlő flhrdás,. aumaikus csévélő Tamás Pér 20

21 PhD érkzés A szálgyárási chnlógia jlnőségé jól szmlélik Gur v-nk és munkaársainak [57] a kuaásai, akik különböző gyárási chnlógiáknak a szál mchanikai ulajdnságaira gyakrl haásá vizsgálák. Hárm alapvő chnlógiá hasnlíak össz: a gázüzlésű kmncébn lvasz bazalkőből örénő szálhúzás, a duplx ljárás, valamin a fúváss ljárás 400 C-s, illv szbahőmérséklű lvgővl (6. ábláza) [57]. Az úgynvz duplx ljárás annyiban különbözik a nrmál szálhúzáss ljárásól, hgy a szálak kialakíása uán lvgő fújnak rájuk, amlynk haására a szálak gyrész mgnyúlnak, másrész gyrsabban lhűlnk. Gyáráschnlógia Jllmző ulajdnság Fúvás, a lvgő hőmérsékl Húzás Duplx 400ºC 25ºC Szálámérő [µm] 2,2 0, 6,3 4,8 Szakíószilárdság [MPa] Rugalmassági mdulus [GPa] 9,9 66,8 7,9 34,9 Szakadási nyúlás [%] 3,29,2,7,90 6. ábláza A gyáráschnlógiák összhasnlíása a szálulajdnságk alapján [57] A bazalszálak szakíószilárdságá a gyáráschnlógia mll száms vábbi ényző bflyáslja, min például a kémiai összél, a szálámérő, a szálszrkzi inhmgniásk. A bazalszálak szakíószilárdsága és rugalmassági mdulusa közvlnül az lőállíás uán a lgnagybb, majd idővl fkzasan csökkn. Ez annak a kövkzmény, hgy az lőállíás srán a gyrs lhűléskr a szálban nm gynsúlyi szövszrkz alakul ki. Később a szövszrkz gynsúlyi állapra örkszik, így gy lágyulási flyaman mgy á, amly a kmpzi gyárása és fldlgzás srán fllépő nagy hőmérsékl jlnős mérékbn mggyrsí. Ez a flyama szálörgdésnk nvzik. A bazalszál azér őrzi mg nagybb mérékbn a kzdi jllmzői, mr a bnn lévő vasxidk gócképzőkén vislkdv finm és visznylag hmgén krisálys szrkz kialakulásá sgíik lő [58] Plimr kmpzik ipikus rősíősrukúrái A szálrősíésű kmpzi anyagk rősíőanyagai szabálys vagy szabályalan szálas-rss rősíő srukúrájú xilipari ljáráskkal alakíják ki. A szálakból flépülő xilrmékk lgjbban a rmékdimnzió alapján szályzhaók [59]. Tamás Pér 2

22 PhD érkzés Az gydimnziós rősíőanyagkról álalánsan lmndhaóak, hgy a ér gyik irányában jóval nagybb a szilárdságuk, min a öbbibn. Ezk flépülhnk közvlnül szálakból, fnalból, illv lhnk össz szalagk vagy kölk. A ér gy kiün irányban rősíőszálaka aralmazó rősíőanyag idgn szóval unidirkcinális srukúrának nvzzük. Kédimnziós rősíőanyagkról bszélünk, ha a srukúra gy sík köré sűrűsödv épül fl rősíőszálakból. Az rősíőszálak lhnk szabálys és szabályalan lhlyzkdésűk is. Kédimnziós rősíőszrkz a szálpaplan, a szöv, a fnal lap és a különböző köö klmék. A hármdimnziós rősíőanyagk a ér mindn irányában aralmaznak rősíőszálaka. Ezk a xilrmékk készülhnk lapk összkapcslásával, fnalással vagy szövéssl. Jln érkzés a kédimnziós, azk közül is a szövl rősí kmpzikkal fglalkzik, zér a vábbiakban nnk jllmzői, valamin a kmpzira gyakrl haásai árgyalm, a köésmina, a régrnd, valamin a régszám bflyásá a szilárdságra. Napjainkban a műszaki gyakrlaban lglrjdbbn alkalmaz gydimnziós rősíőanyagk a rvingk és a szalagk, kédimnziósak a szálpaplank és különböző szövk (álalában 0/90 ípusú), hármdimnziósak a űzö klmék és az ún. PARABEAM. Ez uóbbi gy hármdimnziós üvgszöv, amlybn az gys régk közö krszköésk alálhaóak. A gyanával örénő áiaás haására az gys régk mgmlkdnk. A érhálósdási rakció lzajlásá kövőn szilárd, mrv és nagy hajlíómrvségű lmz kapunk. Az rősíő szöv a lánc- és vülékfnalak gymás krszző rndszr. A lggyszrűbb szövszrkz ípus az úgynvz vászn szöv, amlybn gyszr a lánc, gyszr a vülékfnal van fn (3. ábra) [60]. Az ábrán a krszl jlöl pnk azka a köéspnka muaják, ahl a láncfnal a flső. A különböző szövflépíésk más és más jllgzsség kölcsönöznk a szövknk. 3. ábra A vászn szöv srukúrája [60] Tamás Pér 22

23 PhD érkzés A fnalakból lőállí szabálys lap szrkzé a köéspnk, azaz a fnalak gymással vagy önmagukkal való krszződés és azk rndszr haárzza mg. A krszződésk örvényszrűségi a szövk köésana fglalja össz [6-64]. A minalm a köésszrkz lyan lgkisbb rész, amlynk ké mrőlgs irányú llásával a ljs mina flépíhő. A vüli minalm lgkisbb rész a köésclla, ami szmszéds köéspnk haárlnak (4. ábra) [59]. A műszaki gyakrlaban lggyakrabban alkalmaz szövsrukúráka az 5. ábra [65] muaja. 4. ábra Szrkzi mináza vüli rácsszrkz és köéscllája églarács sébn [59] (cx, cy a köésclla főirányú méri; dx dy a szöv flépíő fnalak ámérőj) 5. ábra A lgjllmzőbb szövsrukúrák [65] a) vásznköés b) panamaköés c) láncripsz d) vülékripsz ) sávlyköés f) ékalakú sávly g) láncalasz h) vülékalasz Ismrs, hgy a xil szövk mchanikai ulajdnságai álalában nm-lináris vislkdés muanak. Ez a nmlinariás a szöv dfrmáció haására bkövkző szrkzi válzása indukálja. A dfrmációs kmpnnsk mghaárzására különböző Tamás Pér 23

24 PhD érkzés lmélk dlgzak ki, amlyk közül a lgismrbbk Kawabaa és munkaársai nvéhz fűződnk [66-69]. Durva közlíéssl a szöv húzószilárdsága mggyzik a rhlés irányában álló gys fnalak gydi húzószilárdságainak összgévl. A szövö szrkzk mchanikai ulajdnságainak vizsgálaa srán apaszalhaó hiszrézis gyrész a szálak, másrész a fnalak közöi súrlódásból rd. A hiszrézishz kisbb mérékbn a szálak viszklaszikus ulajdnságai is hzzájárulnak. A szövö szrkz viszklaszikus vislkdés jlnősn függ a fnalaka és a szöv flépíő lmi szálak ulajdnságaiól, amíg a szöv szövési srukúrájának kisbb a haása. A szálak viszklaszikussága közvlnül bflyáslja a szöv viszklaszikusságá, anélkül, hgy haással lnn a szöv szrkzér [64]. Bishp és Curis [70] szénszálas pxigyana márixú kmpzik sébn vizsgálák a sző és nm-sző rősíőszrkz, valamin a szálrináció haásá, húzó, nymó és jősúlys vizsgálakkal. Az jősúlys mérésk az muaák, hgy bcsapódás uán a kársdási zóna szöv rősíés sén skkal kisbb, min a nm-sző sbn, mr a szöv gála a rpdésrjdés és a dlamináció. Az adak szrin a szöv jlnősn javía a nymó- és a húzószilárdság. A vizsgálak alapján a lgjbb fáradással szmbni llnállással és üésállósággal a ±45 régrndű lamináumk rndlkzk. Műszaki szmpnból a különböző szövkkl rősí kmpzik gyr nagybb jlnőséggl bírnak. A mérnöki gyakrlaban lngdhln az anyagk ulajdnságainak udas módsíása, amlyk mchanikai rvzés uán lh lvégzni. A hrvislő kmpzi lmk álalában öbb régből épülnk fl, amlyk mchanikai érlmbn régl lmzkén lh flfgni. A régl lmzk klasszikus lmél Kirchff nvéhz fűződik [7] Bazalszállal és bazalszövl rősí kmpzik A különböző szálrősíésű kmpzik érnyrésénk köszönhőn a bazalszállal és bazalszövl rősí kmpzik lrjdés jóslhaó. Előnyös ulajdnságai révén lyan hlykn is r nyrhnk, ahl ddig gyálalán nm, vagy csak kis mérékbn használak plimr kmpzika. A bazalszál a drágább szálas anyagka is kiválhaja, köszönhőn kiváló hőálló-képsségénk, ami a szilícium-xid mll mgalálhaó féms lmk kznak. Ebbn a fjzbn a különböző bazalszálas kmpzik Tamás Pér 24

25 PhD érkzés alkalmazhaóságának lmzésévl fglalkzm, illv bmuam a már gyakrlaban is használ bazalszállal rősí anyagka. A bazalszál kémiai összél nagyn hasnló az üvgszáléhz, sűrűség mindössz 5%-kal nagybb, nnk llnér mchanikai ulajdnságai mégis jbbak. Mindké szálnak az alapjá a SiO2 képzi, aznban a bazalszálban alálhaó sk más összvő haására a bazal jbban llnáll az rős lúgknak, a nagy hőmérséklnk, valamin a sós-víznk, min az üvgszál, nnk köszönhőn az épíészbn nagymérékű lrjdés várhaó. Újabban már bnba ágyaz üvgszála is alkalmaznak, ahl az bn burklólmzk rősíésér használják. Ebbn az sbn az üvgszál nm kz szignifikáns szilárdságnövkdés, aznban lőnyösn javíja a bn alakválzó-képsségé. Az üvgszálas bn a hagymánys bnhz képs szívósabb, jbb az nrgialnylő képsség, kisbb a rpdésrjdési hajlama, nagybb a kifáradási haára. Szöv frmában álalában nm ágyazzák bnba, skkal inkább külső burkló-, héjrégkén krcsléssl vagy ragaszással rögzíik különböző szrkzi lmkr, zálal akár földrngés-bizs épülk is készíhők. Mindké sbn drágább a lúgkrróziónak llnálló üvgszála használnak, bazalszál sébn az faja agrsszív közg nm kzna prblémá. Wi és ársai [72, 73] az üvg- és a bazalszál mchanikai ulajdnságainak válzásá vizsgálák sósavas és nárium-hidrxids kzlés haására. Mérésik szrin a bazalszál ömgcsökknés kisbb vl, min az üvgszálé, mind a savas, mind pdig a lúgs kzlés sén. Mindké rősíőanyag kvésbé áll lln a nárium-hidrxids kzlésnk, amly a húzószilárdság válzása is jól biznyí. Az irdalmi adak az muaják [74, 75], hgy a bazalszál kpásállósága kivélsn jó, valamin ljs gészébn biinr, nm kárs a környzér, zér fékbékbn örénő használara is alkalmas [76]. Kiváló hőállósága és hősabiliása kán alkalmas nagybb hőmérséklarmányú működésr is [77]. Akár hőálló ajószrkzkbn is használhaó, min hő- és hangsziglő rég. Szinén flhasználhaó füsgázlvző kéménykbn, min béléss, hiszn bbn az sbn nm csak hőrhlésnk, d nagyfkú krróziónak is ki van év az anyag. Mindzk mll a szűréschnikában is alkalmazhaó lnn nagy hőmérséklű, agrsszív környzbn [76]. A bazalszál szálkög és szöv frmában is kiválóan alkalmazhaó rősíőanyagkén plimr kmpzikban, mivl vgyi összél hasnló az üvgszáléhz, zálal az üvgszálnál alkalmaz flülkzlés a bazalszál sébn is célravző [78]. A hajó- és az úgynvz ffshr szélrőművk gyárása rülén is pimális rősíőanyag lhn, Tamás Pér 25

26 PhD érkzés mivl a ngri lvgő, valamin a különböző környzi haásk (pl.: UV sugárzás) igncsak próbára szik a plimr kmpzik rősíőszálai. Wi és ársai [79] kuaásuk srán állandó kncnrációjú sós vízbn ázaák a próbask, majd vizsgálák a környz húzó- és hajlíószilárdságra gyakrl haásá. Az apaszalák, hgy a bazalszállal rősí pxigyana márixú kmpzi skkal jbban llnáll a sós vizs környz örgíő haásának, min az üvgszálas ársa. Nagy szilícium-xid aralma [56] miai sziglőképsség alkalmassá hi rádió- és radar-, valamin lkrchnikai alkalmazásra is. Sziglőképsség révén, lyan rülkn is alkalmazhaó, ahl sugárzás vszély is fnnáll (röngn). A bazalszál flhasználásával hibrid rősíőszövk készív (pl.: szén/bazal) jlnősn csökknni lh az rősíőanyag árá, a mchanikai ulajdnságk cskély rmlása mll. A flsrl alkalmazási rülkn kívül még száms más rüln várhaó a bazalszállal és bazalszövl rősí kmpzik lrjdés. Összsségébn kimndhaó, hgy a bazalszál szin ljs gészébn képs lnn kiválani az üvgszála. Prgnszizálhaó, hgy az lkövkző néhány évizdbn ugrásszrűn mg fgnak szaprdni a bazalszál gyárásával fglalkzó üzmk, ami a bazalszál árának vábbi csökknéséhz vzh. A műszaki alkalmazásk rülén a bazalszállal a már flsrl pziív jllmzői mia gyr gyakrabban lh alálkzni. Az úépíésbn biznys hlykn bazalszálból készül hálóka hlyznk az aszfal rég alá és az aszfalrégb, zálal javíva az úburkla kis hőmérsékll szmbni llnállóságá [76, 80]. A krskdlmi frgalmban krcsléssl készülő bazalszállal rősí pxigyana márixú nymásálló gázarályka is alálhaunk. Ezzl csökknik a arály gyárási kölségi, mivl krábban drágább S- üvgszála használak rősíőanyagkén [8]. Az auóiparban már közl 5 év használnak bazalszála hő- és hangsziglésr [74]. A kipufgórndszrnél krábban üvgszálas kmpzika alkalmazak, aznban a nagy hőmérsékl és ciklikus igénybvél önkr zk az alkarészk. Ekkr mrül fl az igény a bazalszál irán, amlynk nagybb a hőállósága és jbban űri az ismélődő igénybvélk is. A nmzközi, Frmula Sudn lnvzésű gymk közi vrsnyauó knsrukciós vrsnybn is mgjln már a bazalszál kísérli jllgű alkalmazása [82, 83], ami újabb prspkíváka nyi mg a bazal rősíőanyagkén örénő, szélsbb körű alkalmazása flé. A sprszrgyárók is flfigylk a bazalszál lőnyös ulajdnságaira. A Wilsn cég krskdlmi frgalmban kaphaó BLX rmékcsaládjában már mgjlnik a bazalszál alkalmazása, ahl arany szálakkal ársíva kivéls rzgéscsillapíó-képsségű kmpzi vlak képsk lérhzni [84]. Már Tamás Pér 26

27 PhD érkzés a búriparban is alálhaunk példá bazalszálas kmpzik alkalmazására, ahl gydilg, kézzl készí környzbará küléri búrka készínk kis srzaban bazalszál és rmészs alapú gyanák flhasználásával [85] Hibrid plimr kmpzik A hibridkmpzik fjlszésér napjainkban nagy figylm összpnsul. A kmpzik kéfél módn lhnk hibridk, gyrész az rősíőanyag, másrész a márixanyag ldaláról. A kő, vagy öbb különböző rősíőszál kmbinálásának lhőség plimr márixú kmpzikban, vagyis a hibridszálas kmpzik már régóa kua rül. A kuaásk fő mivációja a szálakban rjlő lőnyös ulajdnságk kmbinálása (szinrgikus haás lérés), az ár és a ljsímény pimalizálása, valamin újabban az gyr szigrúbb környzvédlmi kövlményknk való mgfllés. Shalin mgfgalmazása szrin [86] a hibridkmpzik ö nagy csprra bnhaóak. A kvr (avragd) szálas hibridkmpziknál a különböző ípusú szálak a bfglaló márixanyag gészébn kvrn, mindnfél rndzség nélkül hlyzkdnk l. A régn blüli (inralaminar) hibridkmpzik sébn a különböző szálak gy ad régn blül mghaárz rndzségbn hlyzkdnk l (az gys régk önmagukban is hibridkmpzik). Az régközi (inrlaminar) hibridkmpzi annyiban különbözik ől, hgy gy régbn csak gyfél rősíőanyag kap hly, d a különböző régk ad srrndbn kövik gymás, így a kmpzi szrkz a különböző mnkmpzi régk gymásra hlyzésévl válik hibriddé. A ngydik csprba a különálló rősíőlmk (spara rinfrcing lmns) arznak, ami magába fglalja a különálló rősíő sávka, mrvíő brdáka. Az ulsó, a szuprhibridk (suprhybrids) sébn a plimr kmpzi régk és fémlmzk vagy fóliák mghaárz mina szrin kövik gymás. Míg a plimr kmpzik ulajdnságainak mghaárzására célra vző lh az gyszrű kvrékszabály alkalmazása, addig z az ljárás a hibridkmpzik sébn ign nagy lérésk rdményzh a mér ulajdnságkhz képs. Ennk kiküszöbölésér az ún. hibrid kvrékszabály (RHM - Rul f hybrid mixur) (2) [87] ad lhőség: P H = P V + P V (2) I II II Tamás Pér 27

28 PhD érkzés ahl PH a hibridkmpzi szőlgs mchanikai, PI, PII az I és a II mnkmpzik ulajdnsága, VI, VII az I és a II rősíőszálak érfgahányada ( V V =) [87]. Shan és Lia [88] kimuaák, hgy a hibrid kvrékszabály csak közlíő rdményk ad lyan skbn, ahl az rősíőanyagk szakadási nyúlásai közö jlnős különbség van, így a 6. ábra [88] sgíségévl pnsíák az. A 6. ábrán az A pn jlöli a nagy, míg a D pn a kis nyúlású rősíőszálas mnkmpzi szakíószilárdságá. Így az AD gyns a hibrid kvrékszabály adja, a BD gyns a kis, az AE gyns pdig a nagy nyúlású szál önkrmnléhz arzó szilárdság muaja a hibridkmpziban. Ezk alapján a 2-s görbén a C pnól jbbra (CD gyns) a kisbb nyúlású szál dmináns, míg a C pnól balra (AC gyns) a nagybb nyúlású szál a mghaárzó. + II 6. ábra A szilárdság mdllzés különböző szakadási nyúlású rősíőszálas hibridkmpziknál [88] Az új mgközlíés szrin há, akkr bszélünk pziív hibridhaásról, ha a mér érék az ACD szakasz fölé sik. Üvg/szén hibridszálas pxi gyana márixú kmpzik sébn a C pn 0% üvg/90% szén szálaránynál alálhaó [88]. A régközi (inrlaminar) hibridkmpzik mchanikai ulajdnságainak mghaárzására a Kirchff nvéhz fűződő vékny régl lmzk lmél ad igazán pns rdmény. Ebb az lmélb áülv a régközi hibridkmpzik dfiníciójá, az gys mnkmpzi régk a régl lmz gys régikén fghaóak fl (7. ábra) []. Ebbn az sbn a régl lmzk márixgynlé (3) [89] használhajuk: N A = M B B ε 0 D κ (3) ahl N az élrők, M az élnymaékk, ε0 a nyúlásk, κ a görbülk szlpvkra, A a húzómrvségk, D a hajlíómrvségk márixa, B a kapcslómrvségi márix. A húzó-, a Tamás Pér 28

29 PhD érkzés hajlíómrvségk márixa és a kapcslómrvségi márix a kmpzi flépíő régk, jln sbn a mnkmpzi régk lrndzéséből számíhaó. 7. ábra Régközi (inrlaminar) hibridkmpzik Kirchff-fél mdllj [] A régn blüli (inralaminar) hibridkmpzik jllmzésér az úgynvz mzaik mdll lh használni, amly Ishikawa és Chu [90] alk mg. A mdll a szöv krszz szögállású gységkr bnja [9]. Első lépéskén a rvingkból álló szrkz (8. ábra a) gymásra mrőlgs régkr bnja, majd a régk krszződésénél ké rég alk (0 és 90 -sa). Sávlyköésű szrkzl rősí kmpzi minalm mzaik mdlljé a 8. ábra b) rész muaja. a) b) 8. ábra A mzaik mdll [64] a) régr bnás, b) sávlyköés minalm A rvingk flyamasságá és gynllnségé a hullámssági mdll v lsőkén figylmb [92]. A szöv ismélődő lmé hárm részgység íra l: az gymásra mrőlgsn lhlyzkdő kérégű gység, a hulláms szögállású gység, illv gy iszán márixanyag flélző részgység. A mzaik és a hullámssági mdll a Tamás Pér 29

30 PhD érkzés kédimnziós rősíőanyag gydimnziósnak kzlhő csíkkra szva, lénygébn D-s mdll alk. A mzaik és hullámssági mdll gyü alkalmazva mgalk kapcsl mdll alkalmas sávlyköésű rndszrk mchanikai ulajdnságainak pnsabb lírására [93]. A manapság kifjlsz össz, bnylul mdllk alkalmasak önkrmnli flyamak és idő vagy hőmérséklfüggő vislkdésk lírására [94]. A szakirdalma anulmányzva nagyszámú hibridkmpzikkal fglalkzó írás alálhaó, amlyk négy nagy csprba lh szani az anyagpársíásk szrin Szén/üvgszálas hibridk A műszaki gyakrlaban a lggyakrabban alkalmaz rősíőanyag pársíás az üvgés a szénszál. A szénszál üvgszállal örénő hibridizációjával nagymérékbn csökknhő a szénszálas kmpzik ára és javíhaó üésállóságuk. Tsai és ársai [95] a ndvsség és hőmérsékl haásá vizsgálák rúdszrű unidirkcinális szén-üvgszál rősíésű pxigyana márixú hibridkmpzik rmikus és mchanikai ulajdnságaira. A próbask 32 hén krszül arák incsrél vízbn anyagnkén más-más hőmérséklkn, majd mgállapíák, hgy nagybb hőmérsékln az anyag skkal öbb ndvsség v fl. Vizsgálák a ndvsségaralm üvgsdési ámn hőmérséklr és nyírószilárdságra gyakrl haásá. A ndvsségaralm növkdésévl jlnősn csökkn mindkő. Naik és ársai [96] alasz szén- és vászn üvgszövből készí pxigyana márixú hibridkmpzik, valamin pxigyana márixú alasz szén-, vászn szén- és vászn üvgszöv mnkmpzik nymó igénybvél haására mua vislkdésé anulmányzák vasagság-, lánc- és vülékirányban. A mérésik alapján a nymószilárdság a dfrmációval aránysan növkd. Nagy alakválzással járó rhlés haására a hibridkmpzi nymószilárdságára nagybb érék kapak, min a szénszövl rősí mnkmpzik sébn. A hibridizáció haására a mnkmpzikhz képs mgnövkd a dfrmáció. Mgállapíák, hgy a nymószilárdság vasagságirányban jlnősn nagybb, min lánc- és vülékirányban. Sayr és ársai [97] pxigyana márixú üvg/szénszálas hibridkmpzik üésállóságának vizsgálaával fglalkzak. Mgállapíák, hgy kisbb vizsgálai nrgia érékk mll a kmpzi jllmző önkrmnli frma a márix-dfrmáció és a dlamináció, amíg nagybb nrgiánál a szálszakadás vl. Kimuaák, hgy a különböző anyagú régk srrndj is bflyáslja az anyag nrgialnylő képsségé. Abban az sbn, amikr a szénszálas rég burkla Tamás Pér 30

31 PhD érkzés az üvgszálas, kisbb nrgialnylő képsség mérk, min frdí sbn. Burks és ársai [98] pulrudál, hajlíó igénybvélnk ki, üvg-szénszál rősíésű pxigyana márixú hibridkmpzi mags alumínium köpnys (ACCC - Aluminum Cnducr Cmpsi Cr) nagyfszülségű ávvzék vizsgálák. Az anyag vislkdésé végslms módszrrl is mdllzék. Kimuaák, hgy a ávvzék nymószilárdsága skkal kisbb, min a húzószilárdsága. Mgállapíák, hgy a hibrid mag összél nagymérékbn bflyáslja a szrkzbn ébrdő fszülségk. Abban az sbn, amikr a magban az üvgszál aránya nagybb vl, skkal kisbb axiális fszülség ébrd. Mgfigylék, hgy úlzan kismérű mag sébn az ébrdő nymófszülség haására nagy kirjdésű réglválásk klkzk. Fu és ársai [99] fröccsönéssl gyár különböző szálaralmú, rövid üvg- és szénszállal rősí pliprpilén márixú hibridkmpzik vizsgálaával fglakzak. A mérésk srán kap adak az muaák, hgy az anyaguk vislkdésé kis szénszálaralm mll jól lírja a hibrid kvrékszabály (2) [87]. A szénszál nagybb aránya sén a mérésk nagybb húzószilárdság érékk muaak, min a RHM használaával kapak. Mgfigylék, hgy a szénszál-aralm növkdésévl aránysan növkd a húzószilárdság és a rugalmassági mdulus; a szakadási nyúlás frdían aránysan válz Szén/aramidszálas hibridk A szén/aramid szálak pársíása nm az árak mérséklés mia fns. Az aramidszál jól ismr szívóssága és kiváló üésállósága révén kiválóan kmpnzálja a szénszálas kmpzi ridgségé. Ennk köszönhőn a szénszálas kmpzik üésállósága az rdi érékénk öbbszörösér is nőh. Az ilyn ípusú kmpzik alkalmazása éppn az áruk mia krláz, zér jllmzőn high-ch rülkn használják ők. Kasan [00] pxigyana márixú szén/aramid szálakkal rősí kmpzik sébn vizsgála a szénszál aralm és régk lhlyzésénk mchanikai ulajdnságkra gyakrl haásá. Mérési alapján a szénszál-aralm növlésévl mind a húzó-, mind pdig a hajlíó mdulus növkd, csakúgy, min a húzás srán ébrdő kriikus fszülség. Mérésibn a örési szívósság nagybb érék ér l, amikr az aramidszálas rég burkla a szénszálasa, min frdí sbn. Khjin és ársai [0] a hőmérsékl haásá vizsgálák kézi laminálással készí aramid-szén hibrid- és mnszálrősíésű pxigyana márixú kmpzik mchanikai ulajdnságaira. A vizsgálaka -50, 20, 70, 20 C hőmérséklkn végzék, mérék az lnyl nrgia és a maradó szilárdság éréké Tamás Pér 3

32 PhD érkzés (5, 25, 45 J nrgiájú rhlés uán). Mindn hőmérsékln a hibrid szálrősíésű rndszr muaa a lgjbb nrgialnylő képsség és maradó szilárdság. Kimuaák, hgy a hőmérsékl növkdésévl csökkn a maradó szilárdság és növkd az lnyl nrgia Trmészs szálas hibridk D Rsa és ársai [02] gyanainjkáláss chnlógiával (RTM Rsin Transfr Mlding) készí jua-üvgszál rősíésű hibridszálas pliészr márixú kmpzik üésszrű rhlés uáni mchanikai ulajdnságaival fglalkzak. A próbask ké különböző régrnddl készíék és vizsgálák zknk haásá. Az apaszalák, hgy a szndvicsszrkzű hibridkmpziknál az üésszrű rhlés uán mgmaradó szilárdság nagybb vl, min a másik ípusú régrnd sén. Aiqua és ársai [03] kuaásuk srán knaf- és üvgszállal rősí pliészr márixú hibridkmpzi rndszrk vizsgálak húzó-, hajlíó- és Izd ípusú üővizsgálaal. Mgállapíák, hgy a lgjbb llnállóképsség a 5-5 V% arányú knaf-üvgszál rősíés bizsía. Pászázó lkrnmikrszkópi (SEM) flvélkkl kimuaák, hgy a jllmző önkrmnli frma a szálszakadás és a szál-márix lválás vl. Thw és ársai [04] bambusz- és üvgszállal rősí hibridkmpzik ndvs környzbn örénő örgíésévl és fáraszó vizsgálaával fglalkzak. Erdményik szrin a ndvs környz mindn sbn csökkn az anyagaik húzószilárdságá és rugalmassági mdulusá. Vizsgálaai alapján a bambusz hzzáadása javía az üvgszálas kmpzik fáraszó igénybvélll szmbni llnálló-képsségé, valamin az üvgszál haására javul a bambusszal rősí mina llnálló-képsség a ndvs környzl szmbn Bazalszálas hibridk Armnk és Kadykva [05] szén-üvg és szén-bazal hibridszálakkal rősí fnl-frmaldhid gyana márixú hibrid- és mnkmpzik mchanikai ulajdnságai, kménységé és vízflvélé vizsgálák. A bazalszállal rősí rndszrk az üvgszállal rősíkhz képs 58-60%-kal jbb mchanikai ulajdnságkkal rndlkzk. Az anyagk 2 órán á aró incsrél vízbn örénő ázaása nm válzaa mg a mchanikai ulajdnságka. Kimuaák, hgy az üvgszállal örénő hibridizáció, a szénszálas mnkmpzihz képs, 44-50%-kal rna a szilárdság, amíg a bazalszál mindössz 4%-s szilárdságcsökknés rdményz. Wang és munkaársai [06] vákuuminfúziós Tamás Pér 32

33 PhD érkzés ljárással készík bazal-aramidszállal rősí inr- és inralamináris hibridkmpzika. Kis sbsségű mérésik srán vizsgálák zk lánc- és vülékirányú ulajdnságai. Erdményik alapján kimndhaó, hgy mindké irányban a dukiliási indx, üőszilárdság és az lnyl ljs nrgia érékk az inrlamináris hibridk sébn nagybbak, min inralamináris sbn. A kársdás uáni pikai vizsgálakkal kimuaák, hgy az inrlamináris kmpzik régről-régr mnk önkr (nagybb lnyl nrgia), zzl szmbn az inralamináris hibridk ridgn vislkdk (jlnősn kisbb lnyl nrgia). Prucci és ársai [07] kuaásaik srán bazal-, valamin üvgszála aralmazó rmészs szálas (ln, kndr) pxi gyana márixú hibridkmpzika vizsgálak. Az lkészí anyagk mchanikai ulajdnságai húzó, hajlíó, valamin régközi nyíróvizsgálaal lmzék. Kimuaák, hgy a hibrid minák közül az üvgbazal-lnszállal rősí kmpzik rndlkznk a lgkimlkdőbb mchanikai ulajdnságkkal. A SEM vizsgálak alapján a ln szálak adhéziója mgfllő vl az pxi gyanával, a kndr szálak sén aznban az rősíőanyag és a márix anyag gyng kapcsla alakíak ki gymással. Sarasini és ársai [08] munkájuk srán bazal és aramid szövl rősí kmpzik vizsgálaá űzék ki célul. Első lépésbn az RTM chnlógiával készí kmpzika különböző nrgiával üésszrű igénybvélnk ék ki, majd hajlíó vizsgálakkal lmzék a különböző anyagk haásá a maradó szilárdságra. Vizsgálaai szrin a bazalszövl rősí minák gyngén állak lln az üésszrű igénybvélknk, ami a hibridizálás javí. Kimuaák, hgy a régrnd jlnősn bflyáslja a maradó szilárdság. Vizsgálaaik szrin az álaluk lkészí válakzó régrndű minák skkal jbban llnállak, min a szndvics szrkzűk Alkalmazási példák A hibridkmpzik fjlszésér és alkalmazására nm csak az anyagkuaás ad példáka, gyakrlai alkalmazásuk is jlnős. Használauk nagyn széls körbn lrjd; a vízi járművkől a hidakn, arálykn á gészn a szélrőművkig [09-4]. Zhu és ársai [5] acél csövk és arályk hly alkalmazak üvg/szén hibridszálas pxi márixú kmpzi csöv és arály. Vizsgálaaikban kimuaák, hgy zknk a kmpzi lmknk a krrózióállóságuk és mgfllő szilárdsági ulajdnságuk mll a kúszási vislkdésük is kiváló. Hagymánys fém alkarészk hly öbbn fnal aramid/szén/pxi hibridkmpzi anyagból gyár csövk és prfilk alkalmazásá javaslják, mivl azk kiváló nrgialnylő képsséggl és nagy szakíószilárdsággal Tamás Pér 33