CZ302900B6

CZ302900B6 - Kompozitový díl a zpusob jeho výroby

Info

Publication number: CZ302900B6
Application number: CZ20100336A
Authority: CZ
Inventors: Hynek@Petr; Bednárová@Petra; Hynková@Alena
Original assignee: Vysoká škola technická a ekonomická v Ceských Budejovicích
Priority date: 2010-04-30
Filing date: 2010-04-30
Publication date: 2012-01-11
Also published as: CZ2010336A3

Abstract

Kompozitový díl podle rešení zahrnuje alespon dve na sobe ležící laminy, tj. vrstvy vláknových výztuží (2, 2´) z dlouhých vláken, prosycené pojivem (3). Podle rešení díl obsahuje alespon jednu oblast s interlaminární vláknovou výztuží (4), tvorenou krátkými vlákny (1) orientovanými v podstate kolmo k povrchu vláknových výztuží (2, 2´) lamin. Krátká vlákna (1) se nanáší mezi vláknové výztuže (2, 2´) ve forme (7) zakryté vakuovací fólií (8) a pri odvakuování formy (7) lehkým vakuem se s proudem pojiva (3) dostávají do volných prostoru (5) vláknových výztuží (2, 2´). Pri následném zvýšení podtlaku na hluboké vakuum se odsaje prebytecné pojivo (3) pres separacní propustnou fólii (9) do odsávací rohože (10). Dochází k podstatnému zvýšení interlaminární pevnosti kompozitu a tím i k výraznému zlepšení jeho mechanických vlastností, zejména odolnosti proti delaminaci a zvýšení mezní pevnosti v tlaku.

Description

Oblast techniky

Vynález se týká kompozitového dílu, tzn, výrobku, jehož vnitřní struktura obsahuje alespoň jeden pojivém impregnovaný strukturní prvek, tvořený vláknovou výztuží a pojivém, a způsobu jeho výroby.

Dosavadní stav techniky

Pod pojmem „kompozit“ nebo také „vláknový kompozit“ rozumíme v dalším popisu konstrukční materiál složený ze 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 pojivá je 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.

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. dlouho vláknové 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 vláken 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 tixotropní ho (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 vzduchotěsnou 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

-1 CZ 302900 B6 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 nevýhodou kom požito vých dílů pro řadu oblastí jejich možného průmyslového využití. Příčinou tohoto stavuje mimo jiné malá interiaminámí soudrž5 nost kompozitu, tj. malá pevnost a soudržnost v oblasti mezi jednotlivými vrstvami (laminami).

Vynález si klade za cíl nalézt a vytvořit kompozitový díl, který by vynikal zvýšenou interlaminární pevností a zlepšenými mechanickými vlastnostmi ve směru kolmém na rovinu vláken, jakož i způsoby jeho výroby.

Podstata vynálezu

Vytčeného cíle je dosaženo vytvořením způsobu výroby podle tohoto vynálezu, při kterém se do formy klade alespoň jedna vrstva tuhého, polotuhého nebo tekutého pojivá a alespoň dvě vrstvy vláknové výztuže, forma se utěsní vakuovací pistolí a odsáváním vzduchu z formy pojivo prostupuje vláknovými výztužemi lamin ve směru kolmém k jejich povrchu.

Podstata nového způsobu výroby spočívá v tom, že mezi vláknové výztuže lamin se nanáší alesju μυιι vjcuiic uuiíimi uiicriaiiiiiiarni viaiuiuvu vyziiiz, ivurciia Kraixyrni viaMiy, prosior rormy se odvakuuje lehkým vakuem v rozmezí od 0,4 do 0,8 atmosférického tlaku, a celá skladba ve formě se zahřeje na zvýšenou teplotu, přičemž se krátká vlákna v toku pojivá orientují v podstatě kolmo k povrchu lamin. Dochází k tomu, že pojivo prochází vláknovými výztužemi v kolmém směru, unáší s sebou krátká vlákna, která vyplňují volné prostory a orientují se do konečné podoby interiaminámí vláknové výztuže.

Ve výhodném provedení způsobu výroby podle vynálezu, při kterém je odsáváno přebytečné pojivo a dochází ke zhutnění lamin, se na homí laminu před vakuováním pod vakuovací fólii položí separaění propustná fólie a na ni odsávací rohož, a po od vakuování formy lehkým vakuem w a prosycení vláknových výztuží pojivém a zorientování krátkých vláken se celá skladba znovu zahřeje na zvýšenou teplotu, a prostor formy se odvakuuje hlubokým vakuem v rozmezí od

0,8 do 1 atmosférického tlaku, přičemž přebytečné pojivo prochází separační propustnou fólií a nasává se do odsávací rohože, laminy se zhutní a následně se kompozitový díl vytvrdí při vytvrzovací teplotě.

V jednom výhodném provedení aplikace krátkých vláken se postupuje tak, že krátká vlákna pro vytvoření interiaminámí vláknové výztuže se nanáší na nástřik lepidla aplikovaný na vláknovou výztuž laminy.

V jiném výhodném provedení aplikace krátkých vláken se postupuje tak, že krátká vlákna interlamínární vláknové výztuže se aplikují na vláknovou výztuž laminy zátěrem, přičemž jejich hroty vnikají do povrchové vrstvy vláknové výztuže laminy.

Vytčeného cíle je také dosaženo vytvořením kompozitového dílu podle předloženého vynálezu.

Kompozitový díl zahrnuje alespoň dvě na sobě ležící laminy, tj. vrstvy vláknových výztuží z dlouhých vláken, prosycené pojivém, alespoň jednu oblast s interiaminámí vláknovou výztuží, tvořenou krátkými vlákny orientovanými v podstatě kolmo k povrchu lamin a uspořádanými v matrici pojivá. Krátká vlákna vytváří vyztužení pojivové matrice v interiaminámí oblasti, kde by se jinak nacházelo čisté a nevy ztužené pojivo. Pro další zvýšení interiaminámí pevnosti a sou50 držnosti zasahuje interiaminámí vláknová výztuž 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.

Podstata kompozitového dílu podle tohoto vynálezu spočívá v tom, že vláknové výztuže lamin jsou tvořeny tkaninou, a oblasti s interiaminámí vláknovou výztuží se nacházejí ve volných pro-2 CZ 302900 B6 storech struktury tkaniny mezi překříženými pramenci vláknové výztuže. U tkaninových výztuží je efekt zvýšení interlaminámí 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 interlaminámí vláknové výztuže se volí podle gramáže a struktury vláknové výztuže laminy, avšak je výhodné, když délka krátkých vláken tvořících interlaminámí vláknovou výztuž Ježí v rozmezí 20 až 40 % tloušťky laminy.

Optimální je, když délka krátkých vláken tvořících interlaminámí vláknovou výztuž odpovídá tzv. kritické délce vlákna pro krátkovlnné 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 vyztužení kompozitu horší, pokud je délka vláken větší, zůstává pevnost kompozitu již stále stejná, i když se délka vláken zvětšuje.

Výhody kompozitového dílu vyrobeného způsobem podle předloženého vynálezu spočívají zejména v tom, že jednotlivé laminy kompozitu jsou propojeny krátkými vlákny, směřujícími kolmo k povrchu lamin. 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 zvýšeni mezní pevnosti v tlaku.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález bude blíže osvětlen 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.

Příklady provedení vyn

Al,™. o, i v A *4

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

Při výrobě kompozitového dílu podle vynálezu se postupuje tak, že do formy 2 se uloží vrstva pojivá 3. Nejěastěji se jedná o polyesterovou, epoxidovou nebo fenolovou pryskyřici, která může 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.

-3CZ 302900 B6

Na nanesené lepidlo se „napráší“ vrstva krátkých vláken 1, která tvoří mletá vlákna o průměru 10 až 15 μπι a délce 50 až 80 μιη. Délka krátkých vláken 1 se volí podle gramáže a vazby vláknových výztuží 2, 21 (tkanin) a měla by být v rozmezí 20 až 40 % tloušťky vláknové výztuže 2, 21 ve zhutněném stavu. Optimální je, aby délka krátkých vláken i dosahovala kritické délky vlákna udávané pro krátko vláknové kompozity. Typ krátkých vláken Ije stejně jako u vláknových výztuží 2, 21 (tkanin) volen podle potřeby. Nemusí být nutně identický s typem vláknových výztuží 2, 21 a vhodným výběrem typu krátkých vláken X se dají vhodně upravit vlastnosti interlaminámí vláknové výztuže 4 tvořené krátkými vlákny X a tím i interlaminámí pevnost celého kompozitového dílu.

Na naprášenou vrstvu krátkých vláken X se klade další vláknová výztuž 21 (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 X na vláknové

i.s výztuže 2, 21- Aplikace se provádí např. pomocí plstěného válce, který se neodvaluje, ale smýká se po vláknové výztuži 2, 21 s krátkými vlákny X, přičemž dochází k jejich zapíchovánt do povrchu. Tato varianta je technologicky spolehlivější, ale vyžaduje specializované zařízení pro provádění zátěru.

iva posieam nomi vláknovou vyztuz zj. ve rorme / se poiozi oasavact separační propustná íólie 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 2 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 stlačení vláknových výztuží 2,21 lamin. Toto stlačení by zabránilo proudění pojivá 3 skrz výztuže 2, 21 a strhávání krátkých vláken X proudem pojivá 3, tzn. nedošlo by k vytvoření interlaminámí vláknové výztuže 4 a k propojení nosných výztuží 2, 21, což je podstata procesu.

Následně dojde k zahřátí celé skladby ve formě 2 na zvýšenou teplotu, která je dána především druhem použitého pojivá 3. Pokud je pojivo 3 tuhé nebo polotuhé, dojde k jeho roztavení do tekutého 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, 21 v kolmém směru, a strhává s sebou krátká vlákna X ve směru svého toku, tj. kolmo na povrch laminátu. Tato krátká vlákna X vytvářejí interlaminámí vláknovou výplň 4, která spojuje vláknové výztuže 2,21. Krátká vlákna X se vlivem toku pojivá snaží dostat do volných míst, zejména do volných prostorů 5 mezi překříženými pramenci 6, 61 tkaniny tvořící vláknové výztuže 2, 21·

Po úplném nasátí a prosycení všech vrstev vláknových výztuží 2, 21 dojde ke zvýšení podtlaku na hluboké vakuum v rozmezí od 0,8 do 1,0 atmosférického tlaku, přičemž přebytečné pojivo 3 prochází separační propustnou fólií 9 a nasává se do odsávací rohože 10 a laminát je zhutněn při zachování směru krátkých vláken X 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:

Příklad 1: Panel vnějšího obložení karosérie vozidla

Panel vnějšího obložení karosérie 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.,

-4CZ 302900 B6 epoxidové pryskyřice LH 160 a mletých vláken. Díky zvýšené odolnosti kompozitu v tlaku je sendvičový panel výrazně odolnější proti nejčastějšímu způsobu porušení sendvičových dílů zhořčením tvaru, tj. ztrátou tuhosti a následně ztrátou pevnosti.

Příklad 2: Sendvičový nebo skořepinový nosník

Pásnice i stojiny nosníku jsou vyráběny pomocí technologie, kteráje 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, kteráje 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 stability.

Příklad 4; Stěnový panel

Sendvičový stěnový panel je složen ze dvou povrchových vrstev vyrobených technologu, kteráje 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 odolnější proti zborcení a ztrátě stability.

Průmyslová využitelnost

Předmět vynálezu je využitelný při výrobě kompozitových dílů ve stavebnictví, strojírenství, letectví, automobilovém průmyslu a dále všude tam, kde je potřeba dosáhnout zvýšení interlaminární pevnosti kompozitových dílů.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Způsob výroby kompozitového dílu, zahrnujícího alespoň dvě na sobě ležící laminy, tj. vrstvy vláknových výztuží (2, 2’) z dlouhých vláken, prosycené pojivém (3), při kterém se do formy klade alespoň jedna vrstva tuhého, polotuhého nebo tekutého pojivá (3) a alespoň dvě vrstvy vláknové výztuže (2, 2’), forma (7) se utěsní vakuovací fólií (8) a odsáváním vzduchu z formy (7) pojivo (3) prostupuje vláknovými výztužemi (2, 2’) v rovině kolmé k jejich povrchu, vyznačující se tím, že mezi vláknové výztuže (2, 2’) lamin se nanáší alespoň v jedné oblasti interlaminámí vláknová výztuž (4) tvořená krátkými vlákny (1), prostor formy (7) se odvakuuje lehkým vakuem v rozmezí od 0,4 do 0,8 atmosférického tlaku, a celá skladba ve formě (7) se zahřeje na zvýšenou teplotu, přičemž se krátká vlákna (1) vtoku pojivá (3) zorientují v podstatě kolmo k povrchu vláknových výztuží (2, 2’) lamin.
2. Způsob výroby kompozitového dílu podle nároku 1, vyznačující se tím, že na vláknovou výztuž (2’) horní laminy se před vakuováním pod vakuovací fólii (8) uloží separační propustná fólie (9) a na ní odsávací rohož (10), a po odvakuování formy (7) lehkým vakuem a prosycení vláknových výztuží (2, 2’) pojivém (3) a zorientování krátkých vláken (1) se prostor

-5C7. 302900 B6 formy (7) od vakuuje hlubokým vakuem v rozmezí od 0,8 do 1 atmosférického tlaku, přičemž přebytečné pojivo (3) prochází separační propustnou fólií (9) a nasává se do odsávací rohože (10), vláknové výztuže (2, 2’) lamin se zhutní a kompozitový díl se následně vytvrdí při vytvrzovací teplotě.

S
3. Způsob výroby kompozitového dílu podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že krátká vlákna (I) pro vytvoření interlaminámí vláknové výztuže (
4) se nanáší na nástřik lepidla aplikovaný na vláknovou výztuž (2) laminy.

io 4. Způsob výroby kompozitového dílu podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že krátká vlákna (l) pro vytvoření interlaminámí vláknové výztuže (4) se aplikují na vláknovou výztuž (2, 2¹) zátěrem, přičemž jejich hroty vnikají do povrchové vrstvy vláknové výztuže (2, 2’) laminy.

15
5. Kompozitový díl zahrnující alespoň dvě na sobě ležící laminy, tj. vrstvy vláknových výztuží (2,2') z dlouhých vláken, prosycené pojivém (3) a obsahující alespoň jednu oblast s ínterlaminární vláknovou výztuží (4), tvořenou nemagnetickými krátkými vlákny (1) orientovanými v podstatě kolmo k povrchu vláknových výztuží (2, 2’) lamin, a uspořádanými v matrici pojivá (3), přičemž interlaminámí vláknová výztuž (4) zasahuje do první vláknové výztuže (2) a/nebo zu όυ ói uíic viiíMiuvc vyziuze A vyroceny pouie nexiereno z naroKU i az 4, vyznačující se tím, že vláknové výztuže (2, 2’) lamin jsou tvořeny tkaninou, a oblasti s interlaminámí vláknovou výztuží (4) se nacházejí ve volných prostorech (5) struktury tkaniny mezi překříženými pramenci (
6, 6’) vláknové výztuže.

25 6. Kompozitový díl podle nároku 5, vyznačující se tím, že délka krátkých vláken (1) tvořících interlaminámí vláknovou výztuž (4) leží v rozmezí 20 až 40% tloušťky vláknové výztuže (2, 2’) ve zhutněném stavu.
7. Kompozitový díl podle nároků 5 a 6, vyznačující se tím, že délka krátkých vlá3o ken (1) tvořících interlaminámí vláknovou výztuž (4) odpovídá tzv. kritické délce vlákna.

35 2 výkresy