kompozitné materiály

Text hesla

kompozitné materiály, kompozity — heterogénne systémy tvorené minimálne dvoma fázami (primárnou a sekundárnou) zvyčajne rozdielneho chemického zloženia, ktoré sa od seba líšia fyzikálnymi a mechanickými vlastnosťami. Primárna fáza má funkciu spojivovej matrice, sekundárna (spevňujúca) fáza, resp. sekundárne fázy, sú plnivá alebo výstuže. Podľa materiálov vytvárajúcich matricu sa rozlišujú kompozitné materiály s kovovou, keramickou a polymérnou matricou, podľa geometrického tvaru a rozmerov sekundárnej fázy kompozitné materiály s časticovými a vláknitými plnivami a podľa vlastností kompozitné materiály s výnimočnými mechanickými vlastnosťami, ktoré sa používajú ako konštrukčné materiály, a kompozitné materiály so špeciálnymi fyzikálno-chemickými vlastnosťami, ktoré sa využívajú najmä ako špeciálne funkčné materiály (napr. v meracích prístrojoch).

Kompozitné materiály s kovovou matricou (kovové kompozity) sú kovy spevnené keramickými časticami s funkciou plnív, najčastejšie ide o hliník spevnený rôznymi časticami. Výrobky z tohto typu kompozitných materiálov sa vyrábajú vmiešaním jemných častíc karbidu kremíka SiC alebo oxidu hlinitého Al2O3 do roztaveného kovu, ktorý sa následne vleje do formy požadovaného tvaru, alebo zmiešaním kovového a keramického prášku, pričom sa získa zmes, ktorá sa následne speká a tvaruje. Výroba kompozitných materiálov s kovovou matricou je energeticky náročná, niektoré druhy (napr. kompozity s hliníkovou matricou) však možno vyrábať z čiastočne recyklovateľného materiálu. Spevnenie kovu keramickými časticami zvyšuje jeho tuhosť, pevnosť a maximálnu pracovnú teplotu bez výraznejšieho zvýšenia hmotnosti. Prednosťou tohto typu kompozitných materiálov je priaznivý pomer ich tuhosti k hmotnosti a pevnosti k hmotnosti, čo umožňuje znížiť hmotnosť automobilov a rôznych náradí, pri ktorých výrobe sa tieto kompozity najčastejšie používajú.

Kompozitné materiály s keramickou matricou (keramické kompozity) boli vyvinuté kvôli odstráneniu krehkosti monolitných keramických materiálov, čo by umožnilo nahradiť ťažké superzliatiny ľahkými keramickými materiálmi aj v náročných podmienkach (turbíny elektrární; vonkajšie, ochranné vrstvy kozmických lodí; brzdy lietadiel a pod.). Ako prvý bol vyvinutý keramický kompozit s uhlíkovou matricou spevnenou uhlíkovým vláknom (navrhnutý pre raketové motory a na ochranné tepelné štíty raketoplánov). Existujú keramické kompozity s rôznym chemickým zložením matrice a plniva. Ako matrice sa najčastejšie používajú nitrid kremíka Si3N4 a karbid kremíka SiC, ako plnivo spevňujúce matricu najčastejšie kontinuálne alebo prerušované vlákna, napr. whiskery a sekané vlákna, ale aj častice veľkosti mikrometrov až milimetrov (kontinuálne vlákna sú z hľadiska mechanického spevnenia najlepšie, sú však drahé a pomerne ťažké, preto sa častejšie používajú whiskery, ktoré materiály tiež veľmi dobre mechanicky spevňujú). Aby sa zabránilo problémom s nekompatibilitou materiálov najmä pri vysokých teplotách, zvyčajne sa vkladajú bezoxidové vlákna do bezoxidových matríc. Aj keď sú keramické kompozity perspektívnymi konštrukčnými materiálmi, ich použitie je stále limitované nedostatkom vhodného spevnenia, náročným spracovaním a vysokou cenou.

Pri polymérnych kompozitných materiáloch (polymérne kompozity) sa rôznym spôsobom kombinujú vlastnosti polyméru (malá hustota, spracovateľnosť pri nízkych teplotách, malá tepelná a elektrická vodivosť) a anorganických (vysoká pevnosť, tuhosť, tvrdosť, pri kovoch vysoká tepelná a elektrická vodivosť a tepelná stabilita) alebo organických (v porovnaní s anorganickými plnivami o niečo nižšia pevnosť, tuhosť, tvrdosť a menšia vodivosť, ale oveľa väčšia dostupnosť a nižšia cena; výhodami sú aj nižšia hustota a abrazívnosť) plnív vo forme častíc alebo vláken. Ako matrice sa najčastejšie používajú polyestery, ktoré majú dobré úžitkové vlastnosti (odolnosť, stálosť na vzduchu a pod.) a sú relatívne lacné, ako aj epoxidy a polyamidy, ktoré sa používajú na výrobu kompozitov so špeciálnymi vlastnosťami, sú však drahé. Na zvýšenie pevnosti spojenia zložiek sa ako apretúra najčastejšie používajú organosilány (→ silány), ktoré spolu s ďalšími funkčnými materiálmi tvoria medzifázu. Kompozity spevnené časticami sa získavajú dispergáciou častíc plniva veľkosti mikrometrov až milimetrov v matrici. Plnivom bývajú mleté minerály a horniny, najmä hlinitokremičitany (mastenec, kaolín), vrstvené hlinitokremičitany (sľuda) a uhličitany (vápenec). Na zlepšenie kĺzavých vlastností a odolnosti proti oteru sa pridávajú častice kovového bronzu kombinované s časticami grafitu, molybdénu alebo polytetrafluóretylénu. Niektoré plnivá znižujú horľavosť polymérov s vysokým podielom anorganických častíc. Polyolefíny (polyetylén a polypropylén) vystužené časticami Mg(OH)2 alebo Al(OH)3 sa dokonca samozhášajú, pretože vystavením plameňu sa z hydroxidu uvoľňuje chemicky viazaná voda. Kompozity spevnené vláknami sa pripravujú lisovaním.

Vlastnosti kompozitov spevnených dlhými vláknami výrazne závisia od výberu vlákna a matrice a ich kombinácie, od hmotnostného pomeru vlákna a matrice, od dĺžky vlákna, jeho orientácie (pevnosť kompozitu rastie s orientáciou vláken paralelne so smerom zaťaženia), spôsobu prípravy a od povahy a intenzity medzimolekulárnych síl na fázovom rozhraní (vlákno – matrica). Ako plnivá sa používajú sklené vlákna, ktoré sa vyznačujú vysokou pevnosťou pri nízkych nákladoch, uhlíkové vlákna, ktoré majú veľmi vysokú pevnosť, tuhosť a malú hustotu, a kevlarové (aramidové) vlákna, ktoré majú vysokú pevnosť a malú hustotu, sú nehorľavé a prepúšťajú rádiové vlny. Polymérne kompozitné materiály vystužené vláknami sa používajú mnohostranne, a to na výrobu ľahkých konštrukčných prvkov do lietadiel i do pozemných dopravných prostriedkov (najmä karosérií a interiérov automobilov), na výrobu plavidiel, športových potrieb (golfové palice, veslá, tenisové rakety), pneumatík (gumová matrica vystužená sadzami a celulózovými, polyamidovými, aramidovými alebo uhlíkovými vláknami) a pod.

K polymérnym kompozitným materiálom patria aj fotokompozity používané ako výplne zubov, pozostávajúce zo syntetických živíc vo forme monomérov a kopolymérov a plniva (sklo, SiO2, Al2O3, B2O3, fosfáty, pigmenty), po vyplnení zuba a ožiarení ultrafialovým žiarením živica spolymerizuje (fotopolymerizácia) a spojí sa so zubnou sklovinou. V poslednom období sa materiálový výskum venuje zvlášť polymérnym nanokompozitom s pozoruhodnými fyzikálnymi vlastnosťami, v ktorých sa spája elasticita polymérnej matrice s vlastnosťami anorganickej alebo organickej nanofázy; rozmer nanofázy aspoň v jednom smere neprekračuje 100 nm. Pri polymérnych nanokompozitoch je na získanie porovnateľných alebo dokonca zlepšených vlastností v porovnaní s konvenčnými mikroplnivami potrebné oveľa menšie množstvo plniva (max. 5 objemových %), pričom sa zachovajú pôvodné vlastnosti polymérnej matrice, ako sú dobrá spracovateľnosť a húževnatosť.

Kompozitné materiály sa využívajú v stavebníctve ako stavebné materiály, napr. rôzne druhy betónu (matricou je stvrdnutá cementová kaša, plnivom kamenivo a železné prúty; → železobetón) alebo podlahové krytiny (matricou je polyvinylchlorid, plnivami drvina z korku alebo z dreva, tkanina a pod.). Moderné kompozitné materiály s epoxidovou živicou ako matricou a so sklenými, s uhlíkovými, aramidovými a i. vláknami spracovanými vo forme lamiel, tkanín alebo tyčí, ako plnivom sa používajú na povrchové spevnenie stavebných prvkov z betónu, z muriva alebo z dreva i na ich ochranu proti vonkajším vplyvom napr. pri rekonštrukčných prácach. Kompozitné materiály, ktorých matricou je syntetický polymér (polyetylén, polypropylén, polyvinylchlorid a i.) a výplňou drevná hmota (piliny, drvina z rastlinného odpadu), sa označujú ako materiály WPC (angl. Wood Polymer Composite). Dosky z týchto materiálov sa využívajú namiesto dreva v exteriéroch (na ploty, zábradlia, terasy, balkóny, altánky) a vďaka výborným tepelnoizolačným vlastnostiam aj ako obklad fasád budov.

Text hesla

kompozitné materiály, kompozity — heterogénne systémy tvorené minimálne dvoma fázami (primárnou a sekundárnou) zvyčajne rozdielneho chemického zloženia, ktoré sa od seba líšia fyzikálnymi a mechanickými vlastnosťami. Primárna fáza má funkciu spojivovej matrice, sekundárna (spevňujúca) fáza, resp. sekundárne fázy, sú plnivá alebo výstuže. Podľa materiálov vytvárajúcich matricu sa rozlišujú kompozitné materiály s kovovou, keramickou a polymérnou matricou, podľa geometrického tvaru a rozmerov sekundárnej fázy kompozitné materiály s časticovými a vláknitými plnivami a podľa vlastností kompozitné materiály s výnimočnými mechanickými vlastnosťami, ktoré sa používajú ako konštrukčné materiály, a kompozitné materiály so špeciálnymi fyzikálno-chemickými vlastnosťami, ktoré sa využívajú najmä ako špeciálne funkčné materiály (napr. v meracích prístrojoch).

Kompozitné materiály s kovovou matricou (kovové kompozity) sú kovy spevnené keramickými časticami s funkciou plnív, najčastejšie ide o hliník spevnený rôznymi časticami. Výrobky z tohto typu kompozitných materiálov sa vyrábajú vmiešaním jemných častíc karbidu kremíka SiC alebo oxidu hlinitého Al2O3 do roztaveného kovu, ktorý sa následne vleje do formy požadovaného tvaru, alebo zmiešaním kovového a keramického prášku, pričom sa získa zmes, ktorá sa následne speká a tvaruje. Výroba kompozitných materiálov s kovovou matricou je energeticky náročná, niektoré druhy (napr. kompozity s hliníkovou matricou) však možno vyrábať z čiastočne recyklovateľného materiálu. Spevnenie kovu keramickými časticami zvyšuje jeho tuhosť, pevnosť a maximálnu pracovnú teplotu bez výraznejšieho zvýšenia hmotnosti. Prednosťou tohto typu kompozitných materiálov je priaznivý pomer ich tuhosti k hmotnosti a pevnosti k hmotnosti, čo umožňuje znížiť hmotnosť automobilov a rôznych náradí, pri ktorých výrobe sa tieto kompozity najčastejšie používajú.

Kompozitné materiály s keramickou matricou (keramické kompozity) boli vyvinuté kvôli odstráneniu krehkosti monolitných keramických materiálov, čo by umožnilo nahradiť ťažké superzliatiny ľahkými keramickými materiálmi aj v náročných podmienkach (turbíny elektrární; vonkajšie, ochranné vrstvy kozmických lodí; brzdy lietadiel a pod.). Ako prvý bol vyvinutý keramický kompozit s uhlíkovou matricou spevnenou uhlíkovým vláknom (navrhnutý pre raketové motory a na ochranné tepelné štíty raketoplánov). Existujú keramické kompozity s rôznym chemickým zložením matrice a plniva. Ako matrice sa najčastejšie používajú nitrid kremíka Si3N4 a karbid kremíka SiC, ako plnivo spevňujúce matricu najčastejšie kontinuálne alebo prerušované vlákna, napr. whiskery a sekané vlákna, ale aj častice veľkosti mikrometrov až milimetrov (kontinuálne vlákna sú z hľadiska mechanického spevnenia najlepšie, sú však drahé a pomerne ťažké, preto sa častejšie používajú whiskery, ktoré materiály tiež veľmi dobre mechanicky spevňujú). Aby sa zabránilo problémom s nekompatibilitou materiálov najmä pri vysokých teplotách, zvyčajne sa vkladajú bezoxidové vlákna do bezoxidových matríc. Aj keď sú keramické kompozity perspektívnymi konštrukčnými materiálmi, ich použitie je stále limitované nedostatkom vhodného spevnenia, náročným spracovaním a vysokou cenou.

Pri polymérnych kompozitných materiáloch (polymérne kompozity) sa rôznym spôsobom kombinujú vlastnosti polyméru (malá hustota, spracovateľnosť pri nízkych teplotách, malá tepelná a elektrická vodivosť) a anorganických (vysoká pevnosť, tuhosť, tvrdosť, pri kovoch vysoká tepelná a elektrická vodivosť a tepelná stabilita) alebo organických (v porovnaní s anorganickými plnivami o niečo nižšia pevnosť, tuhosť, tvrdosť a menšia vodivosť, ale oveľa väčšia dostupnosť a nižšia cena; výhodami sú aj nižšia hustota a abrazívnosť) plnív vo forme častíc alebo vláken. Ako matrice sa najčastejšie používajú polyestery, ktoré majú dobré úžitkové vlastnosti (odolnosť, stálosť na vzduchu a pod.) a sú relatívne lacné, ako aj epoxidy a polyamidy, ktoré sa používajú na výrobu kompozitov so špeciálnymi vlastnosťami, sú však drahé. Na zvýšenie pevnosti spojenia zložiek sa ako apretúra najčastejšie používajú organosilány (→ silány), ktoré spolu s ďalšími funkčnými materiálmi tvoria medzifázu. Kompozity spevnené časticami sa získavajú dispergáciou častíc plniva veľkosti mikrometrov až milimetrov v matrici. Plnivom bývajú mleté minerály a horniny, najmä hlinitokremičitany (mastenec, kaolín), vrstvené hlinitokremičitany (sľuda) a uhličitany (vápenec). Na zlepšenie kĺzavých vlastností a odolnosti proti oteru sa pridávajú častice kovového bronzu kombinované s časticami grafitu, molybdénu alebo polytetrafluóretylénu. Niektoré plnivá znižujú horľavosť polymérov s vysokým podielom anorganických častíc. Polyolefíny (polyetylén a polypropylén) vystužené časticami Mg(OH)2 alebo Al(OH)3 sa dokonca samozhášajú, pretože vystavením plameňu sa z hydroxidu uvoľňuje chemicky viazaná voda. Kompozity spevnené vláknami sa pripravujú lisovaním.

Vlastnosti kompozitov spevnených dlhými vláknami výrazne závisia od výberu vlákna a matrice a ich kombinácie, od hmotnostného pomeru vlákna a matrice, od dĺžky vlákna, jeho orientácie (pevnosť kompozitu rastie s orientáciou vláken paralelne so smerom zaťaženia), spôsobu prípravy a od povahy a intenzity medzimolekulárnych síl na fázovom rozhraní (vlákno – matrica). Ako plnivá sa používajú sklené vlákna, ktoré sa vyznačujú vysokou pevnosťou pri nízkych nákladoch, uhlíkové vlákna, ktoré majú veľmi vysokú pevnosť, tuhosť a malú hustotu, a kevlarové (aramidové) vlákna, ktoré majú vysokú pevnosť a malú hustotu, sú nehorľavé a prepúšťajú rádiové vlny. Polymérne kompozitné materiály vystužené vláknami sa používajú mnohostranne, a to na výrobu ľahkých konštrukčných prvkov do lietadiel i do pozemných dopravných prostriedkov (najmä karosérií a interiérov automobilov), na výrobu plavidiel, športových potrieb (golfové palice, veslá, tenisové rakety), pneumatík (gumová matrica vystužená sadzami a celulózovými, polyamidovými, aramidovými alebo uhlíkovými vláknami) a pod.

K polymérnym kompozitným materiálom patria aj fotokompozity používané ako výplne zubov, pozostávajúce zo syntetických živíc vo forme monomérov a kopolymérov a plniva (sklo, SiO2, Al2O3, B2O3, fosfáty, pigmenty), po vyplnení zuba a ožiarení ultrafialovým žiarením živica spolymerizuje (fotopolymerizácia) a spojí sa so zubnou sklovinou. V poslednom období sa materiálový výskum venuje zvlášť polymérnym nanokompozitom s pozoruhodnými fyzikálnymi vlastnosťami, v ktorých sa spája elasticita polymérnej matrice s vlastnosťami anorganickej alebo organickej nanofázy; rozmer nanofázy aspoň v jednom smere neprekračuje 100 nm. Pri polymérnych nanokompozitoch je na získanie porovnateľných alebo dokonca zlepšených vlastností v porovnaní s konvenčnými mikroplnivami potrebné oveľa menšie množstvo plniva (max. 5 objemových %), pričom sa zachovajú pôvodné vlastnosti polymérnej matrice, ako sú dobrá spracovateľnosť a húževnatosť.

Kompozitné materiály sa využívajú v stavebníctve ako stavebné materiály, napr. rôzne druhy betónu (matricou je stvrdnutá cementová kaša, plnivom kamenivo a železné prúty; → železobetón) alebo podlahové krytiny (matricou je polyvinylchlorid, plnivami drvina z korku alebo z dreva, tkanina a pod.). Moderné kompozitné materiály s epoxidovou živicou ako matricou a so sklenými, s uhlíkovými, aramidovými a i. vláknami spracovanými vo forme lamiel, tkanín alebo tyčí, ako plnivom sa používajú na povrchové spevnenie stavebných prvkov z betónu, z muriva alebo z dreva i na ich ochranu proti vonkajším vplyvom napr. pri rekonštrukčných prácach. Kompozitné materiály, ktorých matricou je syntetický polymér (polyetylén, polypropylén, polyvinylchlorid a i.) a výplňou drevná hmota (piliny, drvina z rastlinného odpadu), sa označujú ako materiály WPC (angl. Wood Polymer Composite). Dosky z týchto materiálov sa využívajú namiesto dreva v exteriéroch (na ploty, zábradlia, terasy, balkóny, altánky) a vďaka výborným tepelnoizolačným vlastnostiam aj ako obklad fasád budov.

Zverejnené 20. novembra 2021.

citácia

Kompozitné materiály [online]. Encyclopaedia Beliana, ISBN 978-80-89524-30-3. [cit. 2021-12-01]. Dostupné na internete: https://beliana.sav.sk/heslo/kompozitne-materialy