Anyagok az energetikában BMEGEMTBEA1, 6 krp (3+0+2) Kompozitok Dr. Tamás-Bényei Péter 2018. november 28.
Bevezetés 2 / 36 Polimerek és kompozitjai iparágankénti megoszlása 2017-ben Magyarországon (1572 kt) Forrás: Buzási Lajosné: Magyarország műanyagipara 2017-ben. Polimerek (2018. október 26.)
Szerkezeti anyagok 3 / 36 Szerkezeti anyagok hierarchiája Kompozitok Polimerek Fémek Kerámiák
Polimer kompozit definíciója 4 / 36 Kompozit definíciója A kompozit olyan többfázisú (alkotóiban fázishatárokkal elválasztott), több anyagból álló szerkezeti anyag, amely nagy szilárdságú és rendszerint nagy rugalmassági modulusú erősítőanyagból (tipikusan szálerősítésből) és rendszerint kisebb szilárdságú, de szívós mátrix (beágyazó) anyagból áll, amelyek között kitűnő kapcsolat (adhézió, tapadás) van, amely a deformáció, az igénybevétel magas szintjén is tartósan fennmarad. 3. Adhézió 1. Erősítőanyag 2. Mátrixanyag Kompozit
Térhálós mátrixú polimer kompozitok 5 / 36 ~250 m ~2,3 kg max. 853 fő 285 km/h 354 km/h
Térhálós mátrixú polimer kompozitok 6 / 36 Össztömeg üresen: 118.000 kg Forrás: Boeing Company
Polimer kompozitok térnyerése 7 / 36 Előnyök - Kis sűrűségből adódó kis tömeg - Nagy fajlagos szilárdság - Tervezhető anizotrópia - Jó vegyszerállóság Hátrányok - Alacsony hőállóság - Nehézkes újrahasznosíthatóság
Szál-formájú erősítés 8 / 36 A kompozit definíciójában utalás történ arra, hogy tipikusan szálerősítés fordul elő a kompozit anyagokban. Miért éppen a szál-formájú erősítőanyagokat szokás alkalmazni? Az adott térfogat csökkenésével csökken a hibák előfordulásának valószínűsége, ami azt jelenti, hogy növekszik a szál elméleti húzószilárdsága.
Szál-formájú erősítés 9 / 36 Miért éppen a szál-formájú erősítőanyagokat szokás alkalmazni? 2 d π dπ l + 2 A 4 4 2 = = + 2 V d π d l l 4 cél az A/V arány maximálása d<<l szál l<<d korong
Erősítőanyagok csoportosítása 10 / 36 Erősítőanyagok Természetes természetben szál formában előforduló - Len - Kender - Szizál - Azbeszt - Hernyóselyem Természetes eredetű mesterséges természetes, de a természetben nem szál formában előforduló - Bazaltszál - Cellulóz szál Mesterséges mesterségesen előállított - Üvegszál - Szénszál - Aramidszál - HOPE
Mesterséges szálak jellemzői 11 / 36 Üvegszál Szénszál Aramidszál Olcsó Nagy szilárdság Nagy ütésállóság Alapanyag nagy mennyiségben rendelkezésre áll UV stabil Kis hőtágulási együttható Nagy rugalmassági modulusz Lángálló Jó dinamikai tulajdonságok Villamos szigetelő Kis sűrűség Rossz UV állóság Erős koptató hatás Drága Rossz adhéziós képesség
Szálak és gyártástechnológiái 12 / 36 Üveg- és bazaltszál gyártása (olvasztás-szálképzés-írezésösszefogás-felcsévélés) Szénszál gyártása (prekurzor oxidálásakarbonizálás-grafitosításírezés-összefogásfelcsévélés)
Erősítőszálak kiszerelési formái 13 / 36 Kiszerelési formák: 1D-s: roving, vágott szál, UD erősítőstruktúra 2D-s: paplan, szövet 3D-s: 3D szövet
Mátrixanyagok 14 / 36 Mátrixanyagok Hőre lágyuló nincs reakció a termékgyártás során - PP - PA - ABS - PLA vágott szál folytonos szál szövet Hőre nem lágyuló reakció (térhálósodás) a termékgyártás során - UP - VE - EP - FF vágott szál folytonos szál szövet paplan
Térhálósodás 15 / 36 Hőre nem lágyuló avagy sűrűn térhálós mátrixanyagok térhálósodása Epoxi Amin Epoxi
Térhálósodás 16 / 36 Hőre nem lágyuló sűrűn térhálós mátrixanyagok térhálósodása G-gélesedési idő, H-kikeményedési idő Forrás: http://www.meta-synthesis.com/webbook/30_timeline/mm2.jpg
Adhézió 17 / 36 A polimer kompozitokban az egyes alkotók (erősítőanyag és mátrixanyag) együttműködése nem valósulhat meg adhézió nélkül. Adhézió Terhelés felvétele Kompozit Szálak beágyazása, terhelés közvetítése Az adhézióhoz szükséges a mátrix- és erősítőanyag összeférhetősége is. Az adhézió módosítható hosszabb szálak használatával, felületi érdesség módosításával, szál keresztmetszetének módosításával. A megfelelő adhézió kialakítása azonban számos esetben kizárólag a szálak utólagos kezelésével (felületkezelésével) valósítható meg, amelyet az erősítőanyag és a mátrixanyag kémiai szerkezete alapján kell kiválasztani.
Felületkezelés 18 / 36 Mátrixanyag Felületkezelés lehetséges módjai - Kapcsolószerek felhasználása - Szálfelület vegyszeres kezelése - Szálfelület kezelése kisüléssel Erősítőszál Határfelület
Kelly-Tyson összefüggés 19 / 36 σ f R dσ f π + τ 2Rπ z = ( σ f + z) R dz 2 2 π integrálva L c = D σ fm 2τ Kelly-Tyson összefüggés L c R σ 2 = 2τ fm Meghatározható az L c -vel jelölt kritikus szálhossz, ami felett kihasználjuk a szál teljes szilárdságát a terhelés felvételeként.
Miért alkalmazunk szendvics szerkezeteket Szendvics szerkezetek 20 / 36 Hajlítómerevség növelhető nagy mértékben alkalmazásukkal Tipikus maganyagok Anyaga lehet: - Papír - Alumínium - PVC, PS, PA, PUR habok - Aramid - Szintetikus szálak
Szendvics szerkezetek 21 / 36 Maganyagok gyártása - Tömbi anyagok esetében habosítással - Méhsejt esetében a lenti ábra szerinti 2 eljárással
Gyártástechnológiák 22 / 36 Kézi laminálás Szórás Tekercselés nyitott technológiák Hőre keményedő mátrixú kompozitok gyártástechnológiái Pultrúzió zárt technológiák Vákuummal segített eljárások SMC-BMC préselés
Kézi laminálás 23 / 36 Jellemzők: - egyszerű, gyors - olcsó - nehezen reprodukálható - kis darabszámú termék gyártásához - nagy élőmunka igény - elterjedt - bonyolult termékekhez is
Szórás 24 / 36 Jellemzők: - viszonylag egyszerű - gépigény - képzettebb munkaerőt igényel - kis darabszámú termék gyártásához - nagy élőmunka igény - termelékenyebb, mint a kézi laminálás - elterjedt
Tekercselés 25 / 36 Jellemzők: - kör vagy forgásszimmetrikus termékek - költségesebb - jól reprodukálható - nagy darabszámú termék gyártásához - gépesített - beállítható tekercselési szög
Pultrúzió 26 / 36 Jellemzők: - folytonos technológia - profilos termékek - magas száltartalom - teljesen gépesített - magasabb költségek
Vákuumos eljárások 27 / 36 Vákuum laminálás Könnyű RTM (Resin transfer molding)
Vákuumos eljárások 28 / 36 Vákuummal segített RTM RTM (ez nem vákuummal segített, hanem nyomással)
SMC-BMC préselés 29 / 36 Sheet molding compound (SMC) Bulk molding compound (BMC) Jellemzők: - mátrix és erősítőanyag keveréke - szavatossági idő - relatív magas száltartalom - magasabb költségek
SMC-BMC préselés 30 / 36 60-80 C 120-180 C 120-180 C Betáplálás Nyomás Melegítés Térhálósítás Nyomás Betáplálás Szerszám zárás Térhálósítás Szerszám nyitás
Autoklávos technika 31 / 36 Jellemzők: - kiinduló anyag prepreg - kiváló jellemzők - kimagasló mechanikai tulajdonságok - gyakorlatilag légzárvány mentes - magasabb költségek Prepreg: előimpregnált erősítőanyag
Autoklávos technika 32 / 36
Hőre lágyuló mátrixú kompozitok 33 / 36 Hőre lágyuló mátrixú kompozitok gyártástechnológiái Extrúzió Fröccsöntés Préselés - kompaundálás - profilos termék gyártása - vágott szál és folytonos szálak - bonyolult 3D-s termékek gyártása - nagy sorozat - vágott szál és akár szövet is - egyszerűbb geometria - nagy sorozat - vágott szál, folytonos szál és szövet
Extrúzió és fröccsöntés 34 / 36 Kompaundálás során az erősítőszálak hossza jelentősen csökken (száltördelődés). A kiinduló méret akár 1/10-ér is csökkenhet. Igaz ez a fröccsöntés előtti fröccsaggregátban történő keverésre is.
Préselés 35 / 36
Köszönöm a figyelmet!