Ugrás a tartalomhoz

A polimertechnika alapjai

Czvikovszky Tibor, Nagy Péter, Gaál János (2007)

Kempelen Farkas Hallgatói Információs Központ

14. fejezet - POLIMER KOMPOZITOK

14. fejezet - POLIMER KOMPOZITOK

14.1 A polimer kompozitok alapfogalmai

A kompozitok a műszaki célú szerkezeti anyagok legkorszerűbb családját képezik. Kialakításuk abból a felismerésből indult ki, hogy az alkatrészek terhelése a legritkább esetben azonos a tér minden irányában. A leggyakrabban minden műszaki alkotásban, gépben, gépalkatrészben, építményben vagy bármely használati eszközben az igénybevétel, a terhelés jól meghatározott erővonalak mentén érvényesül. Ezen erővonalak irányában gyakran nagyságrendekkel nagyobb szilárdságra van szükség, mint más irányokban. Ez indokolja a homogén szerkezeti anyagok megerősítését (reinforcing, Verstärkung) nagyobb szilárdságú erősítőanyagokkal, a teherviselés kitüntetett irányában.

A kompozit:

  • többfázisú (alkatrészeiben fázishatárokkal elválasztott),

  • összetett: több anyagból álló szerkezeti anyag, amely

  • erősítőanyagból (tipikusan szálerősítésből) és

  • befoglaló (beágyazó) anyagból: matrix-ból áll,

és az jellemzi, hogy

  • a nagy szilárdságú és rendszerint nagy rugalmassági moduluszú (szálas) erősítőanyag és a

  • rendszerint kisebb szilárdságú, de szívós (nagy ütésállóságú) matrix között

  • kitűnő kapcsolat (adhézió, tapadás) van, amely a deformáció, az igénybevétel magas szintjén is tartósan fennmarad.

A kompozit definíciójában az „összetett” jelleg kihangsúlyozása keveset mond, hiszen atomi, vagy molekuláris szinten minden szerkezeti anyagunk összetett. Többféle „építőanyagból” áll a fémötvözet, sőt maga a homopolimer lánc is. Még a homogén acél is összetett a mikrostruktúra (10-4 – 10-2 mm) szintjén, amelyben pl. a ferrit és perlit komponensek optikai mikroszkóp alatt is megfigyelhetők, megkülönböztethetők. Elvileg ez a többfázisú rendszer is, vagy akár a kristályos és amorf fázist is tartalmazó polipropilén homopolimer is tekinthető kompozitnak. A gyakorlatban azonban csak az ennél nagyobb (>10-2 mm), gyakorlatilag szabad szemmel is megkülönböztethető összetevőkből álló, összetett rendszert nevezzük kompozitoknak. (A tipikus erősítőszálak átmérője 10 µm nagyságrendű.)

Az egymástól megkülönböztethető fázisok szerkezetükben, tulajdonságukban jelentősen eltérnek egyébként azonos kémiai összetétel esetén is. A legjellemzőbb különbség a termodinamikai állapothatározók eltérése. Pl. az entrópia ugrásszerű megnövekedése a fázishatáron a rendezettség mértékének drasztikus csökkenésére utal. Ilyen entrópiaváltozással jellemezhető fázishatárt találhatunk, pl. az önerősített (self-reinforced) poliészter szálas/amorf határfelületén.

A kompozit erősítőanyaga tipikusan – bár nem kizárólag – szál jellegű (fiber-reinforcing, Faser-Verstärkung). A szálas erősítés alkalmazását mindenekelőtt az a műszaki logika indokolja, hogy termékünknek a terhelés kitüntetett irányában kell kiemelkedő szilárdságot mutatnia. Gondoljunk például az előfeszített acélszálakat tartalmazó vasbeton gerendára, a rúdugró üvegszálas kompozit rudjára, vagy a szuperszonikus repülőgép szárnyára.

A szálas erősítést indokolja a méret-hatás (size-effect) jelensége. Az erősítőanyag tönkremenetelét is szerkezeti hibahelyek indíthatják. Ha a hibahelyek számának valószínűsége egy vizsgált térfogatban adott szám, akkor ebből a vizsgált térfogatú erősítőanyagból akkor kapjuk a leghatékonyabb erősítést, ha a lehető legkisebb átmérőjű szálat képezzük belőle. Így minimalizáljuk az esélyt, hogy adott véges hosszúságú szálban akár egyetlen hibahely is akadjon. Ez a méret-hatás jól megmutatkozik abban, hogy az üvegszálak vagy a karbonszálak szilárdsága az átmérő csökkenésével jelentősen megnövekszik, különösen a 10 µm > Ø tartományban.

A szálas erősítés további indoka a fajlagos felület növelése a kompozit tulajdonságaira döntő hatású határfelületen (interface).

A kérdés az, hogy mikor lesz az adott (V) térfogatú és ideális esetben henger alakú szál (fajlagos) felülete (A) maximális? A térfogathoz viszonyított fajlagos felület:

14.1. egyenlet -


ahol r a szál sugara, l a hosszúsága. Átrendezve azt kapjuk, hogy ez a fajlagos felület

14.2. egyenlet -


két szélső esetben lesz igen nagy:

  • ha l » r, vagy

  • ha r » l

Az első eset a (technikailag megvalósítható) minimális átmérőjű, leghosszabb szál, míg a második eset a lehető legvékonyabb lapos korong (lamella). Ez utóbbi, lamella típusú erősítésre is van példa: a hőre lágyuló polimer kompozitokban igen jó erősítő hatást lehet elérni lemezes csillámmal. Az anizotróp, kitüntetett irányban megvalósított erősítő hatást viszont a lehető legkisebb átmérőjű szállal érhetjük el. A későbbiekben – a rövid, vágott szállal erősített polimer kompozitokban – látni fogjuk, hogy a szálak l/d viszonyának (aspect ratio) kitüntetett jelentősége van.

A vékony szálakból felépített erősítést még egy érv indokolja. Ismeretes, hogy a vékony szál, mint rúd hajlítómerevségét az

E·I szorzat határozza meg, ahol

E a rugalmassági modulusz,

I pedig az inercianyomaték, amelynek jellege:

14.3. egyenlet -


és amely tehát a rúd sugarának 4-ik hatványával arányos. Másfelől az is tudott, hogy

14.4. egyenlet -


ahol M: a rúd hajlító nyomatéka

R: a rúd hajlításának görbületi sugara.

A hajlítással szembeni engedékenység, a hajlékonyság az előbbi kifejezés reciproka:

14.5. egyenlet -


Ez a hajlékonyság

14.6. egyenlet -


a hajlított rúd (szál) átmérőjének 4-ik hatványával lesz fordítottan arányos. A finom üvegszál hajlékonysága – szemben az üvegpálca törékenységével – teszi lehetővé a bonyolult, „testre szabott” térformájú kompozitrendszerek technikai kialakítását.