CZ21026U1 - Kompozitový díl - Google Patents

Description

Technické řešení se týká kompozitového dílu, tzn. výrobku, jehož vnitřní struktura obsahuje alespoň jeden pojivém impregnovaný strukturní prvek, tvořený vláknovou výztuží a pojivém.

Dosavadní stav techniky

Pod pojmem „kompozit“ nebo také „vláknový kompozit“ rozumíme v dalším popisu konstrukční materiál složený z dvou a více složek rozdílných mechanických vlastností, zejména z výztužných vláken (vláknové výztuže) a z pojivá. Pojivém tvořícím pojivovou matrici mohou být např, pryskyřice, polymery, kovy, keramika, sklo aj. Předložený vynález se týká zejména kompozitových dílů s pryskyřičnou pojivovou matricí. Výztužná vlákna mohou být uhlíková, skelná, čedičová, polymemí, kovová nebo keramická. Zatímco výztužná vlákna přenášejí síly působící na kompozitový díl, úkolem pojívaje držet výztužná vlákna pohromadě a ve správné poloze a orientaci.

Pod pojmem „lamina“ rozumíme jednu vrstvu kompozitu s jednoznačně definovanou orientací vláken, tj. např. jednu vrstvu tkaniny. „Laminát“ je složen z několika lamin.

is Jsou známé kompozitové díly z krátkých výztužných vláken, např. sekaných, s délkou řádově několik mm a menší, která jsou rozptýlená v pojivu náhodným způsobem.

Dále jsou známé tzv. dlouhovláknové kompozity, u kterých jsou používána kontinuální vlákna, resp. vláknová výztuž je sestavena z dlouhých vláken nebo pramenců probíhajících kompozitovým dílem v podstatě bez přerušení. Může se jednat např, o formy textilie jako je rohož (netkaná úprava vláken, vlákna jsou nahodile uspořádána), nebo tkanina (tkaná úprava vláken do formy tkaniny s různými typy vazeb), nebo pletenina.

Kompozitové díly s kontinuálními výztužnými vlákny se vyrábí tak, že vláknové výztuže se prosytí pojivém a ukládají se do vrstev ve formě (pozitivní nebo negativní). Do vytvářené struktury se podle potřeby může vkládat i lokální vláknová výztuž, která může být ze stejného druhu vlá25 ken jako základní výztuž, nebo se může jednat o jiný druh vláken, zpravidla se jedná o stuhy z rovnoběžných vláken, které nemají podobu souvislých vrstev, a tvoří „žebra“ kompozitového dílu. Po složení se kompozitový díl nechá vytvrdit za normální nebo zvýšené teploty.

Jsou známé i způsoby výroby kompozitových dílů, při kterých se nejprve nakladou do formy suché vláknové výztuže prostřídané vrstvami suchého nebo tixotropního (tekutého) pojivá, a po prosycení vláknových výztuží se díl vytvrdí za normální nebo zvýšené teploty.

Pro prosycení vrstev vláknových výztuží pojivém se používá technologie vakuování, kdy se odsává vzduch z formy, a pojivo v důsledku vyvolaného podtlaku prochází kompozitem podélně mezi jednotlivými vrstvami.

Je známa i technologie označovaná jako „Resin film infusion“, kde forma je zakryta vzduchotěs35 nou fólií, a vzduch je odsáván tak, že vrstva pojivá prochází alespoň jednou vrstvou vláknové výztuže příčně, tedy napříč ke směru vláken. Tato technologie je používaná převážně pro pojivá tvořená epoxidovými pryskyřicemi.

Pro kompozitové díly, které jsou jednosměrně vyztužené vrstvami dlouhovláknových výztuží, je charakteristický výrazný rozdíl mechanických vlastností, zejména tuhosti a pevnosti v tahu a v tlaku, v podélném směru, tj. v rovině vláken, a v příčném směru, tzn. v rovině kolmé na rovinu vláken. V rovině kolmé na vlákna jsou tyto vlastnosti, zejména tlaková odolnost, mnohem horší, což představuje velmi podstatnou nevýhodu kompozitových dílů pro řadu oblastí jejich možného průmyslového využití. Příčinou tohoto stavuje mimo jiné i malá interlaminámí soudržnost kompozitu, tj. malá pevnost a soudržnost v oblasti mezi jednotlivými vrstvami (laminami).

Technické řešení si klade za cíl nalézt a vytvořit kompozitový díl, který by vynikal zvýšenou interlaminámí pevností a zlepšenými mechanickými vlastnostmi ve směru kolmém na rovinu vláken.

-1UZ. 41UAQ Ul

Podstata technického řešení

Vytčeného cíle je dosaženo vytvořením kompozitového dílu podle předloženého technického řešení. Kompozitový díl zahrnuje alespoň dvě na sobě ležící laminy, tj. vrstvy vláknových výztuží z dlouhých vláken, prosycené pojivém, a jeho podstata spočívá v tom, že obsahuje alespoň jednu oblast s interlaminámí vláknovou výztuží, tvořenou krátkými vlákny orientovanými v podstatě kolmo k povrchu lamin a uspořádanými v matrici pojivá. Krátká vlákna vytváří vyztužení pojivové matrice v interlaminámí oblasti, kde by se jinak nacházelo čisté a nevyztužené pojivo.

Pro další zvýšení mterlaminámí pevnosti a soudržnosti je výhodné, když interlammámí vláknová výztuž zasahuje do první vláknové výztuže a/nebo do druhé vláknové výztuže, a v důsledku kontaktního propojení vláknových výztuží vzniká kompaktní a stejnorodý celek s menšími rozdíly mechanických vlastností v podélném a příčném směru.

Ve výhodném provedení kompozitového dílu podle technického řešení jsou vláknové výztuže lamin tvořeny tkaninou, a oblasti s mterlaminámí vláknovou výztuží se nacházejí ve volných prostorech struktury tkaniny mezi překříženými pramenci, U tkaninových výztuží je efekt zvýše15 ní mterlaminámí pevnosti a soudržnosti velmi výrazný, neboť prostory mezi pramenci dříve tvořily oblasti vyplněné čistým pojivém, tzn. s nejhoršími mechanickými vlastnostmi, a řešením podle předloženého vynálezu dochází u těchto prostorů k výraznému zpevnění, což pozitivně ovlivňuje vlastnosti celého kompozitového dílu.

Délka krátkých vláken interlammámí vláknové výztuže se volí podle gramáže a struktury vlák20 nové výztuže laminy, avšak je výhodné, když délka krátkých vláken tvořících mterlaminámí vláknovou výztuž leží v rozmezí 20 až 40 % tloušťky laminy.

Optimální je, když délka krátkých vláken tvořících interlaminámí vláknovou výztuž odpovídá tzv. kritické délce vlákna pro krátkovláknové kompozity. Za kritickou délku vlákna se považuje taková délka vlákna, při níž je dosaženo rovnováhy mezi pevností rozhraní matrice/vlákna a vlastní pevností vlákna. Pokud je délka vláken menší, je vyztuženi kompozitu horší, pokud je délka vláken větší, zůstává pevnost kompozitu již stále stejná, i když se délka vláken zvětšuje.

Pro použití v běžných aplikacích je optimální, když délka krátkých vláken tvořících interlaminární vláknovou výztuž leží v rozmezí od 50 do 80 pm, a jejich průměr leží v rozmezí od 10 do 15 pm.

Nakonec je výhodné, že pojivo je tvořeno pryskyřicí, zejména polyesterovou, epoxidovou nebo fenolovou, vzhledem k tomu že tento materiál je vhodný pro prosycování vláknových výztuží pomocí vakua, jak bude dále popsáno.

Výhody kompozitového dílu podle předloženého technického řešení spočívají zejména v tom, že jednotlivé laminy kompozitu jsou propojeny krátkými vlákny, směřujícími kolmo k povrchu la35 min. Tato krátká vlákna vytvoří interlaminámí vláknovou výztuž mezi laminami, kde by se jinak nacházela pouze čistá a nevyztužená pojivová matrice. Krátká vlákna tak vyztužují matrici ve směru kolmém k rovině rozhraní mezi laminami a vedou k výraznému zvýšení interlaminámí pevnosti a ke zlepšení mechanických vlastností kompozitového dílu, zejména pak odolnosti proti delaminaci a zvýšení mezní pevnosti v tlaku.

Přehled obrázků na výkresech

Technické řešení bude blíže osvětleno pomocí výkresů, na nichž znázorňují obr. 1 řez vláknovou výztuží laminy kompozitového dílu, tvořenou tkaninou, s vyznačením krátkých vláken interlaminámí výztuže, obr. 2 pohled na různé vazby tkanin s vyznačením volných prostor mezi pramenci, kde dochází ke vtahování krátkých vláken a zpevnění interlaminámí vrstvy, obr. 3 řez formou pro výrobu kompozitového dílu.

-2V 1

Příklady provedení technického řešení

Rozumí se, že dále popsané a zobrazené konkrétní příklady uskutečnění technického řešení jsou představovány pro ilustraci, nikoli jako omezení příkladů provedení technického řešení na uvedené případy. Odborníci znalí stavu techniky najdou nebo budou schopní zjistit za použití rutin5 ního experimentování větší či menší počet ekvivalentů ke specifickým uskutečněním technického řešení, která jsou zde speciálně popsána. I tyto ekvivalenty budou zahrnuty v rozsahu následujících nároků na ochranu.

Při výrobě kompozitového dílu podle vynálezu se postupuje tak, že do formy 7 se uloží vrstva pojivá 3. Nejčastěji se jedná o polyesterovou, epoxidovou nebo fenolovou pryskyřici, která může io být v tuhé nebo polotuhé formě v podobě fólie s různou tloušťkou, nebo může být v tekuté tixotropní formě aplikována do formy 7 jako nástřik.

Tloušťka (množství) pojivá 3 se volí podle množství a gramáže použitých vláknových výztuží 2,

2L lamin, v daném případě tkanin z libovolných vláken (sklo, uhlík, aramid apod.). První vrstva vláknové výztuže 2 (tkaniny) se položí na vrstvu pojivá 3 (pryskyřice). Na první vrstvu vláknové výztuže 2 se aplikuje nástřik lepidla pro fixaci tkanin do formy 7. Typ lepidla záleží na typu použitého pojivá 3.

Na nanesené lepidlo se „napráší“ vrstva krátkých vláken 1, která tvoří mletá vlákna o průměru 10 až 15 pm a délce 50 až 80 pm. Délka krátkých vláken I se volí podle gramáže a vazby vláknových výztuží 2, 22 (tkanin) a měla by být v rozmezí 20 až 40 % tloušťky vláknové výztuže 2, 22 ve zhutněném stavu. Optimální je, aby délka krátkých vláken 1 dosahovala kritické délky vlákna udávané pro krátkovláknové kompozity. Typ krátkých vláken 1 je stejně jako u vláknových výztuží 2,22 (tkanin) volen podle potřeby. Nemusí být nutně identický s typem vláknových výztuží 2,22 a vhodným výběrem typu krátkých vláken 1 se dají vhodně upravit vlastnosti interlaminámí vláknové výztuže 4 tvořené krátkými vlákny i, a tím i interlaminámí pevnost celého kompozito25 vého dílu.

Na naprášenou vrstvu krátkých vláken 1 se klade další vláknová výztuž 22 (tkanina) druhé laminy a takto se pokračuje až do požadovaného počtu vrstev (lamin) laminátu,

Alternativně k nanášení na lepidlo se může provádět aplikace krátkých vláken I na vláknové výztuže 2, 22 jejich zátěrem, přičemž hroty krátkých vláken I vnikají (zapichují se) do povrchu vláknové výztuže 2, 22. Aplikace se provádí např. pomocí plstěného válce, který se neodvaluje, ale smýká se po vláknové výztuži 2,22 s krátkými vlákny I, přičemž dochází k jejich zapichování do povrchu. Tato varianta je technologicky spolehlivější, ale vyžaduje specializované zařízení pro provádění zátěru.

Na poslední horní vláknovou výztuž 22 ve formě 7 se položí odsávací separační propustná fólie 9 a na ní odsávací rohož 10. Gramáž odsávací rohože 10 se volí podle tloušťky laminátu a množství pojivá 3. Nakonec se celá skladba ve formě 7 zakryje vakuovací fólií 8 a okraje se utěsní vakuovacím páskem.

Takto připravený kompozitový díl ve formě 7 se odvakuuje lehkým vakuem v rozmezí od 0,4 do 0,8 atmosférického tlaku. Vakuum nesmí být v této fázi hluboké, aby nedošlo k přílišnému stla40 čení vláknových výztuží 2, 22 lamin. Toto stlačení by zabránilo proudění pojivá 3 skrz výztuže 2, 22 a strhávání krátkých vláken 1 proudem pojivá 3, tzn. nedošlo by k vytvoření interlaminámí vláknové výztuže 4 a k propojení nosných výztuží 2, 22, což je podstata procesu.

Následně dojde k zahřátí celé skladby ve formě 7 na zvýšenou teplotu, která je dána především druhem použitého pojivá 3. Pokud je pojivo 3 tuhé nebo polotuhé, dojde k jeho roztavení do te45 kutého stavu. Pokud je pojivo 3 tekuté, dojde ke snížení jeho viskozity a dosažení lepší zabíhavosti. Nahřátá tekutá a vysoce viskózní pryskyřice tvořící pojivo 3 je v důsledku vakua nasávána skrz vláknové výztuže 2, 22 v kolmém směru, a strhává s sebou krátká vlákna i ve směru svého toku, tj. kolmo na povrch laminátu. Tato krátká vlákna 1 vytvářejí interlaminámí vláknovou výplň 4, která spojuje vláknové výztuže 2,22. Krátká vlákna i se vlivem toku pojivá snaží dostat do

-3CZ 21026 Ul volných míst, zejména do volných prostorů 5 mezi překříženými pramenci 6, £ tkaniny tvořící vláknové výztuže 2, 2\

Po úplném nasátí a prosycení všech vrstev vláknových výztuží 2_S 21 dojde ke zvýšení podtlaku na hluboké vakuum v rozmezí od 0,8 do 1,0 atmosférického tlaku, přičemž přebytečné pojivo 3 pro5 chází separaění propustnou fólií 9 a nasává se do odsávací rohože 10 a laminát je zhutněn při zachování směru krátkých vláken 1. kolmo na roviny lamin. Následně při aplikaci vytvrzovacích teplot a cyklů udávaných výrobci pojivá 3 dojde k vytvrzení kompozitového dílu.

Pro demonstraci příkladů provedení vynálezu slouží následující příkladná provedení kompozitových dílů:

io Příklad 1; Panel vnějšího obložení karosérie vozidla

Panel vnějšího obložení karoserie je sendvičový panel tvořený dvěma povrchovými vrstvami kompozitu a jednou vnitřní vrstvou sendvičové výplně. Na výrobu povrchových vrstev je použita technologie, která je popsána výše. Povrchová vrstva sestává ze skelné tkaniny gramáže 350 gr., epoxidové pryskyřice LH 160 a mletých vláken. Díky zvýšené odolnosti kompozitu v tlaku je sendvičový panel výrazně odolnější proti nejčastějšímu způsobu porušení sendvičových dílu zhořčením tvaru, tj. ztrátou tuhosti a následně ztrátou pevnosti.

Příklad 2: Sendvičový nebo skořepinový nosník

Pásnice i stojiny nosníku jsou vyráběny pomocí technologie, která je popsána výše, viz řez skladbou kompozitu, a díky zvýšené pevnosti v tlaku dochází k výrazně vyšší stabilitě všech prvků v tlakové oblasti, a tím pádem k výraznému nárůstu nosnosti nosníků.

Příklad 3: Střešní panel

Sendvičový voštinový střešní panel je složen ze dvou povrchových vrstev vyrobených technologií, která je popsána výše a vyplněn voštinou. Voština může být různé denzity i z různých materiálů. Díky zvýšené pevnosti v tlaku je opět panel výrazně odolnější proti zborcení a ztrátě stabi25 lity.

Příklad 4: Stěnový panel

Sendvičový stěnový panel je složen ze dvou povrchových vrstev vyrobených technologií, která je popsána výše a je vyplněn voštinou nebo pěnovou výplní. Voština nebo pěnová výplň může být různé denzity i z různých materiálů. Díky zvýšené pevnosti v tlaku je opět panel výrazně odolněj30 ší proti zborcení a ztrátě stability.

Průmyslová využitelnost

Předmět technického řešení je využitelných při výrobě kompozitových dílů ve stavebnictví, strojírenství, letectví, automobilovém průmyslu a dále všude tam, kde je potřeba dosáhnout zvýšení interlaminámí pevnosti kompozitových dílů.

Claims (6)

1. 35 NÁROKY NA OCHRANU

   1. Kompozitový díl zahrnující alespoň dvě na sobě ležící laminy, tj. vrstvy vláknových výztuží (2,2') z dlouhých vláken, prosycené pojivém (3), vyznačující se tím, že obsahuje alespoň jednu oblast s interlaminámí vláknovou výztuží (4), tvořenou krátkými vlákny (1) orientovanými v podstatě kolmo k povrchu vláknových výztuží (2, 2') lamin, a uspořádanými v

   40 matrici pojivá (3).

   -441VÍU Ul
2. 2. Kompozitovýdíl podle nároku 1, vyznačující se tím, že interlaminámí vláknová výztuž (4) zasahuje do první vláknové výztuže (2) a/nebo do druhé vláknové výztuže (2').
3. 3. Kompozitový díl podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že vláknové výztuže (2, 2') lamin jsou tvořeny tkaninou, a oblasti s interlaminámí vláknovou výztuží (4) se na5 cházejí ve volných prostorech (5) struktury tkaniny mezi překříženými pramenci (6,6').
4. 4. Kompozitový díl podle alespoň jednoho z nároků laž3, vyznačující se tím, délka krátkých vláken (1) tvořících interlaminámí vláknovou výztuž (4) leží v rozmezí 20 40 % tloušťky vláknové výztuže (2, 2') ve zhutněném stavu.
5. 5. Kompozitový díl podle alespoň jednoho z nároků 1 až 4, vyznačující se tím, že io délka krátkých vláken (1) tvořících interlaminámí vláknovou výztuž (4) odpovídá tzv. kritické délce vlákna.
6. 6. Kompozitový díl podle alespoň jednoho z nároků laž5, vyznačující se tím, že délka krátkých vláken (1) tvořících interlaminární vláknovou výztuž (4) leží v rozmezí od 50 do 80 pm, a jejich průměr leží v rozmezí od 10 do 15 pm.

   15 7. Kompozitový díl podle alespoň jednoho z nároků 1 až 6, vyznačující se tím, že pojivo (3) je tvořeno pryskyřicí, zejména polyesterovou, epoxidovou nebo fenolovou.