Kompozity zdroj stále nevyčerpatelných konstrukčních možností

Výhody výrobků s kompozity nejsou dostatečně známé technické veřejnosti. Poměrně krátká historie jejich výroby je provázena dynamickým rozvojem, zdokonalujícím soustavně konstrukční vlastnosti kompozitů. Ty vykazují vysoké pevnostní charakteristiky převyšující v řadě případů charakteristiky ocelí a hmotnost nižší, než je u slitin hliníku. Produkce výrobků s kompozity dosáhla ve světě nyní přibližně 13 mil. t a ročně se zvětšuje přibližně o 10 %. Celková spotřeba různých typů kompozitů je u nás přibližně 15krát menší než v USA a podstatně menší než v nejprůmyslovějších státech EU. Jejich výroba vyžaduje speciální znalosti a zkušenosti, které nejsou příliš rozšířeny. Hmotnost odhadované produkce kompozitních výrobků na bázi nenasycených polyesterů vyztužených skleněnými vlákny dosáhla v české republice přibližně 6000 tun. PODSTATA KOMPOZITŮ Kompozity nejsou materiálem původním slova smyslu, ale strukturou, jejíž vlastnosti jsou účelově navrženy, resp. naprogramovány pro konkrétní výrobek. Jsou vytvářeny předem stanoveným prostorovým uspořádáním vyztužujících vláken nejčastěji skleněných), spojených pryskyřičným, plastovým, silikátovým či kovovým pojivem (matricí). převážné většině případů je kompozitní struktura vyráběna v jednom kroku s konečným produktem. Složení kompozitu je voleno podle požadavků na mechanické a další vlastnosti výrobku (elektrická vodivost, tepelná vodivost, odolnost proti vlivům agresivního prostředí, minimální náročnost na údržbu atd.) Rozhodující roli hraje nejčastěji vysoká mechanická pevnost, životnost a měrná hmotnost třikrát až pětkrát nižší než u oceli. Vyztužující vlákna mají až o dva řády vyšší pevnost a tuhost ve srovnání s pojivem a při vnějším namáhání se deformují méně než pojivo. Na rozhraní mezi vlákny a pojivem vznikají smykové síly přenášející napětí z pojiva do pevných vláken. S postupem času je optimalizováno složení kompozitů, zlepšují se jejich mechanické vlastnosti a ve více případech se snižují ceny pod úroveň cen klasických konstrukčních kovových materiálů. Výhodou používání kompozitů je programovatelnost jejich vlastností. Dosud nedostatečný rozsah databáze vlastností kompozitů ztěžuje projektantům proces návrhu konstrukčních aplikací. VLÁKNA KOMPOZITŮ Skleněná vlákna jsou nejčastěji používanou výztuhou kompozitních materiálů. Mají průměr 4 až 20 mikronů a jsou opatřena lubrikační a apreturní vrstvou. Jsou minimálně o řád levnější než vlákna ostatních výztužných materiálů. Rozsah jejich použití v porovnání s kompozity s jinými výztužnými vlákny je větší než 90 %. Kompozity se skleněnými výztužnými vlákny převyšují pevnostní parametry ocelí i slitin aluminia a vyznačují se malou hmotností i dalšími výhodami. Uhlíková vlákna lze charakterizovat vysokou pevností, vysokým modulem pružnosti a vysokou tepelnou odolností. Pro případy, kde kritériem výběru je poměr meze pevnosti v tahu a měrné hmotnosti, jsou u kompozitů s uhlíkovými vlákny tyto vlastnosti mnohem příznivější než u kompozitů s vlákny skleněnými. Příkladem použití kompozitů s uhlíkovými vlákny jsou např. letecké vrtule a další dílce letadel, např. části křídel, konstrukční dílce kosmických dopravních prostředků. Aramidová vlákna (obchodní název Kevlar) se vyrábějí z vysoce aromatických polymerů. Vyznačují se značnou tuhostí, pevností a houževnatostí, odolávají abrazi a rázovému namáhání. Jejich název vznikl spojením dvou slov - aromatic a polyamide. Vzhledem k jejich vysoké ceně nejsou používány běžně. Význam mají v případech vysokých nároků na houževnatost výrobku. Jejich hlavní využití je v leteckém, kosmickém a obranném průmyslu. Používají se např. ve výrobě náběžných hran křídel, také však ve stavbě plovoucích vrtných plošin. Kromě vláken jsou dodávány i aramidové výztuže ve formě tkaných látek, např. pro výrobu neprůstřelných vest. Tyto kompozity jsou obtížně obrobitelné běžnými nástroji. Bez větších obtíží jsou obrobitelné vodním paprskem a laserem. Vlákna polyesterová s velmi vysokou molekulovou hmotností známá jako vlákna UHMWPE (Ultra High Molecular Weight Polyethilene) mají pro aplikace v kompozitech jistá omezení. Mohou být použita s většinou běžných pryskyřičných pojiv. U některých pryskyřic je však vazba s povrchem vláken příliš pevná a proto se jejich vlastnosti zcela neprojeví ve vlastnostech kompozitních dílů. Dalším limitujícím faktorem použití UHMWPE vláken je jejich sklon ke creepu a ztráta pevnosti při teplotách nad 90 °C. Jsou výhodně využívány ve výrobě osobních ochranných pomůcek. MATRICE Podle druhu pryskyřičného pojiva lze rozdělit kompozity na termoplastové a termosetové. Termoplasty jsou látky, které při zvýšené teplotě měknou a tečou. Po ochlazení přicházejí zpět do původního pevného skupenství. Byly vyvinuty technologie tažení profilů, které se daly působením tepla dodatečně tvarovat. Přestože mají termoplastové kompozity poněkud horší mechanické vlastnosti i chemickou odolnost, je rozšířeno jejich využívání ve stavebnictví a architektuře především z hlediska designu. Termosety jsou pojiva, která vznikají vytvrzením chemickou reakcí při působení katalyzátoru a iniciátoru. Správně vytvrzený termoset odolává vyšším teplotám, neměkne, odolává creepu. Vporovnání s plastem je však křehčí a nelze jej recyklovat. Nejrozšířenějšími termosety jsou polyesterové pryskyřice a epoxydy. Nejužívanějšími pryskyřicemi pro výrobu stavebních prvků jsou polyesterové a pro náročnější aplikace v agresivním prostředí pro více namáhaná zařízení jsou vhodné vinylestery. Epoxydy jsou využívány především tam, kde má význam jejich malá smrštivost. Pro termosety fenolické je charakteristická vysoká tvrdost, vyšší modul pružnosti a malá hořlavost. NAVRHOVÁNÍ KOMPOZITOVÝCH DÍLCŮ Konstruktéři a výpočtáři se nevěnují jen návrhu tvaru a rozměrů budoucího výrobku, ale stejnou, nebo dokonce větší měrou se zabývají vytvářením optimálních kompozitových struktur, které vyhovují předpokládanému zatížení kompozitového výrobku a jeho dalším provozním podmínkám. Limitujícím prvkem bývá předepsaná maximální dovolená deformace konstrukce spíše než její pevnost, kterou mají kompozity většinou vyšší než konstrukční oceli. Chování kompozitních dílců je v různých směrech různé a různá je i odolnost proti jednotlivým typům namáhání (tah, tlak, smyk). Tento druh problémů vyžaduje od konstruktéra často netradiční řešení. Experimentem je ověřováno, jak teoretické představy statických a dynamických charakteristik navrhovaného kompozitového výrobku v aktuálních směrech odpovídají skutečnosti, jaká je opakovatelnost naměřených dat u sériových kompozitových výrobků s přijatelnou tolerancí a jaká je jejich životnost. Pro dynamická zatěžování se statickou složkou se v zahraničí nejčastěji používají elektrohydraulické zkušební stroje firmy IST (Instron Structural Testing Systems) s jedním až třemi i více zatěžovacími kanály a pro ryze statická zatěžování i různé elektromechanické zkušební stroje. Deformace zkoumaného dílce se měří kovovými tenzometry. U některých výrobků postačuje změření statických charakteristik, u jiných výrobků v provozu dynamicky namáhaných má značný význam měření modální analýzy s využitím snímačů parametrů mechanického kmitání. Kvantifikace vztahů mezi strukturou kompozitů a jejich výslednými vlastnostmi je v posledních 40 letech soustavně zdokonalována. Zdaleka však není ukončena. Zvláště při exploataci kompozitového výrobku v agresivním prostředí a při zvýšených teplotách. Výzkum kompozitů je obor s velkou přidanou hodnotou plynoucí ze značného podílu tvůrčí práce. Znalosti o kompozitech a zkušenosti s jejich výrobou mají především pracovníci, kteří se jejich výzkumem, vývojem a výrobou zabývají. Samozřejmě je značný rozdíl např. mezi návrhem a výrobou kompozitové letecké vrtule a jednoduché součásti ochranného zábradlí jako stavební úpravy. Seznam českých firem zabývajících se produkcí kompozitových výrobků v různých oborech a rozdílné složitosti nalezneme na internetu. KDE SE MŮŽEME SETKAT S KOMPOZITNÍMI VÝROBKY Tempo rychlého zvyšování produkce kompozitů, které započalo přibližně před 50 lety, se v posledních letech podstatně zvýšilo. Rozhodující je zlepšení mnoha vlastností kompozitních výrobků v porovnání s kovovými či jinými konstrukčními materiály a ve více případech snížení cen pod úroveň klasických konstrukčních materiálů a zjednodušení konstrukcí mnoha výrobků. Například zadní část trupu letounu Airbus A 310 původně vyráběná ze 2000 kovových součástek, nýtovaná několika desítkami tisíc nýtů byla nahrazena přibližně 200 kompozitovými dílci. Výrobou leteckých vrtulí z kompozitových dílců byly posunuty jejich návrhové parametry za hranice vymezené aplikacemi klasických konstrukčních materiálů s funkčním i cenovým zvýhodněním. V kosmické technice nízká hmotnost a vysoká pevnost řady konstrukčních dílců z kompozitů zvyšuje významné technické i bezpečnostní parametry kosmického dopravního prostředku. Zvětšuje se využití kompozitů ve stavbě námořních lodí i malých plavidel. Zvětšuje se využití kompozitů ve stavebnictví v návrzích nových praktických konstrukcí, které nebylo možné optimálně realizovat z ocelových, dřevěných nebo betonových prvků. Největší stavební aplikace tažených kompozitních profilů v Evropě byla stavba tunelu pod kanálem La Manche. Jde však i o velké množství různých nosných konstrukcí, ochranná zábradlí, schodiště, nástěnné žebříky atd. Podobně pronikají kompozity do průmyslu silničních a kolejových vozidel, do energetiky i jinam (např. ve sportu jde o taková náčiní jako jsou hokejky, golfové hole, tenisové rakety, oštěpy, windsurfingová a snowboardová prkna atd.) Třeba kompozity s aramidovými vlákny tvoří základní výztuž neprůstřelných štítů vojenských vozidel. Kompozitům vzhledem k jejich jedinečným vlastnostem patří budoucnost. Prokazuje to nejen úspěch již hotových výrobků s kompozity, ale i výsledky současného výzkumu a vývoje nových kompozitních struktur a jejich výrobních technologií, které podstatně rozšiřují využití kompozitů s pozoruhodnými technickými parametry potvrzujícími, že tento obor je v permanentním rozvoji. Ten bychom neměli v zájmu našeho průmyslu podcenit. /jč/