Kompozity - obecně

Obecně jsou kompozity materiály složené ze dvou nebo více složek, s výrazně odlišnými fyzikálními a chemickými vlastnostmi. Významným typem jsou vláknové kompozity skládající se z pojiva, neboli matrice, tvořené plastem či pryskyřicí a vyztužujících vláken. Rozlišujeme kompozity krátkovláknové a dlouhovláknové. My se zde budeme dále zabývat dlouhovláknovými - tj. takovými, u nichž je délka vláken rovna rozměrům celého dílu. Vyztužující vlákna mají o jeden až dva řády vyšší pevnost než matrice a přenášejí tak téměř veškerá napětí zatěžující kompozitní dílec. Jako výztuž se používají nejčastěji vlákna skleněná, uhlíková a kevlarová, matrice bývají nejčastěji polyesterové, epoxidové nebo fenolové.

Výhodou kompozitů je především úspora hmotnosti. Kompozity mají ve srovnání s ocelí vyšší pevnost a přitom nižší hustotu. Zvolíme-li za srovnávací parametr podíl pevnosti a hustoty, předčí kompozity ocel mnohonásobně (oproti sporné výhodě např. hliníku, který je sice ve srovnání s ocelí lehčí, ale má také nižší pevnost).

Důležitou vlastností kompozitů je anizotropie, tj.odlišné mechanické vlastnosti pro různé směry zatížení. Vysoká pevnost platí jen ve směru orientace vláken. V ostatních směrech je pevnost nižší, nejmenší je kolmo na směr vláken. Pro jednoosé zatížení se používají kompozity jednosměrné, kde jsou všechna vlákna rovnoběžná. Pro složitější zatížení se používají kompozity složené z více vrstev s různou orientací vláken nebo vyztužené tkaninou.

Kompozitní profily stálého průřezu se vyrábějí často metodou pultruze. Je to kontinuální proces. Vlákna se odvíjejí a přes naváděcí kladky se rozmístí do průřezu vyráběného profilu. Potom jsou vedena přes impregnační vanu, kde jsou prosycena matricí a dále vstupují do průběžné formy, kde dojde ke konečnému zformování a vytvrzení. Na konci linky je profil dělen na požadované délky. Namísto použití impregnační vany bývá někdy pryskyřice vstřikována přímo do formy.

V širším slova smyslu lze mezi kompozitní materiály řadit i dřevo. V užším slova smyslu bývá často slovem kompozit míněn přímo uhlíkový kompozit, v souvislosti s jehož nástupem se slovo kompozit na veřejnosti více rozšířilo. Pro kompozity se skleněnými vlákny se podobným způsobem zažilo slovo laminát.

Uhlíkové kompozity Midwest

Firma Midwest, kterou zastupujeme dodává profily z dlouhovláknového uhlíkového kompozitu s epoxidovou matricí v podobě tyčí, trubek a pásů (hranolů). Uhlíkové kompozity Midwest jsou jednosměrné, všechna vlákna jsou orientována v podélném směru. Pevnost v podélném směru je vyšší než u oceli, hmotnost je přitom o 40% nižší než při použití hliníku.

Tyče kruhového průřezu se vyrábějí pultruzí a mají zvýšený podíl uhlíkových vláken, což jim dodává vysokou pevnost v tahu. Jsou vhodné pro stavbu lehkých konstrukcí a rámů, výrobu táhel servopohonů a pro zesilování křídel. Také kompozitní pásy obdélníkového průřezu (hranoly) se vyrábějí pultruzí. Hodí se na zesílení jakékoliv konstrukce, typickou aplikací je například zesílení rámu modelu automobilu. Trubky se vyrábějí navinutím několika vrstev vláken na vřeteno (navíjejí se vrstvy, vlákna zůstávají rovnoběžná s podélnou osou trubky), které se po vytvrzení kompozitu vyjme. Trubky mají vynikající poměr tuhosti a hmotnosti a jsou tedy ideální pro stavbu tuhých rámů. Zajímavé jsou také profily čtvercového průřezu s válcovou dutinou. Stejně jako trubky mají vynikající poměr tuhosti a hmotnosti, přitom mají vnější plochy rovné. Do válcové dutiny lze vsunout (a zalepit) menší profil kruhového průřezu (tyč nebo trubku) a vytvořit tak delší nosník s proměnlivou pevností.

Ukázka uhlíkových kompozitů Midwest.

Nověji (asi 2008) byla nabídka kompozitů Midwest doplněna o řadu profilů čtvercového průřezu s válcovou dutinou.

Práce s uhlíkovými kompozity

dělení

Doporučuje se používat rozbrušovací kotoučové nástroje. Nůžky, kleště a další střihací nástroje jsou méně vhodné, protože většinou rozdrtí konec děleného kompozitu. Jednotlivá roztřepená vlákna se snadno lámou, jejich drobné části se rozptýlí ve vzduchu, zapichují se do kůže a vnikají do očí. V takovém případě používejte ochranné rukavice, brýle a respirátor.

broušení

Vždycky byste měli pracovat s ochrannými rukavicemi a brýlemi. Prach z uhlíkových vláken může způsobit podráždění horních cest dýchacích. Nikdy se nedotýkejte broušené plochy, například abyste přejetím rukou posoudili hladkost povrchu. Obnažené konce vláken jsou dost pevné na to, aby snadno pronikly kůží. Ze stejného důvodu nepoužívejte ani samotný smirkový papír. Vždy si ho připevněte na nějaké držátko, například na oblý špalíček.

lepení

K lepení je vhodné kyanoakrylátové vteřinové lepidlo. Lepidlo má samozřejmě menší pevnost, než spojované kompozitní díly, takže nemá smysl lepit je natupo, protože by vysoká pevnost kompozitu zůstala nevyužitá. Jedna možnost je omotat takovýto nastehovaný spoj nějakou tkaninou a ovázaný spoj znovu prosytit lepidlem, druhá možnost je přilepit na konec profilu nástrčnou trubičku s upevňovacím očkem. Pro tento účel lze použít i kousek tepelně smrštitelné trubičky (případně ještě zajištěné kyanoakrylátem).

Při konstrukci rámu z kompozitních profilů je možno využít i další trik. V místě, ke se silnější trubkový profil kříží se slabou tyčkou, do něj vyvrtáme napříč otvor, tak aby tyčka šla prostrčit. Pokud ji pak po obou stranách trubky zajistíme kapičkou lepidla, získáme velmi pevný spoj.

Tenká uhlíková tyčka může posloužit také jako zesílení náběžné hrany křídla. V tom případě ji lepíme epoxidem.

další poznámky

Uhlíkové kompozity Midwest jsou jednosměrné. Mají vysokou pevnost v podélném směru, ve kterém jsou orientována všechna vlákna, ale nízkou ve směrech kolmých na vlákna. Chraňte volné konce profilů (především trubek) před rozštěpením nástrčnou koncovkou nebo omotáním.