Materiály a postupy:

Moderní využití kompozitních materiálů ve výrobě není novinkou, trvá již několik desetiletí a sahá až do počátku 60. let 20. století. A již předtím se kombinace vláken s tekutou matricí používala v různých aplikacích, od osvědčeného sušeného bláta a slámy (cihly adobe) až po koncepční automobil vyvinutý společností Ford Motor Co. (Detroit, Mich, USA) v roce 1941, který obsahoval panely karoserie vyrobené z kompozitů vyztužených přírodními vlákny.

Přesto ve srovnání se staršími materiály, jako je ocel, hliník, železo a titan, kompozity teprve dospívají a teprve nyní jim konstruktéři a výrobní inženýři začínají lépe rozumět. Dále kompozitům brání jejich neizotropní povaha, která ztěžuje jejich modelování a simulaci. Fyzikální vlastnosti kompozitů – v kombinaci s bezkonkurenčně nízkou hmotností – je však činí nepopiratelně atraktivními.

Pro začátečníky v oblasti kompozitů naštěstí existuje naděje, která spočívá v tom, že tyto materiály lze snadno pochopit a aplikovat. Následují základní informace o vláknech a pryskyřicích, které se obvykle používají při výrobě kompozitů.

Vítězné vlastnosti

Vysoká pevnost a nízká hmotnost zůstávají vítěznou kombinací, která posouvá kompozitní materiály do nových oblastí, ale stejně důležité jsou i další vlastnosti. Kompozitní materiály nabízejí dobré tlumení vibrací a nízký koeficient tepelné roztažnosti (CTE), což jsou vlastnosti, které lze navrhnout pro specializované aplikace. Kompozity jsou odolné proti únavě a poskytují konstrukční/výrobní flexibilitu, která může výrazně snížit počet dílů potřebných pro specifické aplikace – což se promítá do hotového výrobku, který vyžaduje méně surovin, méně spojů a spojovacích prostředků a kratší dobu montáže. Kompozity jsou také prokazatelně odolné vůči extrémním teplotám, korozi a opotřebení, zejména v průmyslovém prostředí, kde tyto vlastnosti významně přispívají ke snížení nákladů na životní cyklus výrobku. Díky těmto vlastnostem se kompozity začaly široce používat. Například snaha o úsporu paliva a efektivitu způsobila, že odlehčení se stalo prioritou téměř ve všech druzích mechanické dopravy, od jízdních kol až po velká dopravní letadla.

Od doby, kdy společnost The Boeing Co. (Chicago, Ill., U.S.) 787 Dreamliner – 50 % kompozitů z hmotnosti a 100 % kompozitů na aerodynamických plochách – vstoupil do výroby a v prosinci 2009 úspěšně uskutečnil svůj první let, si kompozity vydobyly své místo v primárních i sekundárních leteckých konstrukcích a našly si ve světě letectví a kosmonautiky stále větší místo v interiéru letadel. Od té doby se k letounu 787 na světovém výsluní přidaly další letouny s velkým podílem kompozitů od jeho konkurenta v oblasti dopravních letadel, společnosti Airbus (Toulouse, Francie) a dalších. S příchodem roku 2015 byl dodán první letoun Airbus A350 XWB vyrobený z 52 % z kompozitů. A společnost Airbus již dříve použila kompozity také ve svém osobním letadle A380 superjumbo a vojenském dopravním letadle A400M. Tyto čtyři programy jsou současným naplněním dlouho očekávané transformace, která předběhla i trh letadel všeobecného letectví a již dlouho je součástí výroby vojenských letadel. Dostupné ve stále rozmanitějších materiálových formách a vyrobitelné rozsáhlou škálou tvářecích a formovacích procesů – zaujaly nebo se chystají zaujmout přední místo ve výrobních arénách po celém světě.

Definitivně odlišný materiál

Kompozity se od tradičních materiálů liší tím, že kompozitní díly se skládají ze dvou výrazně odlišných složek – vláken a matricového materiálu (nejčastěji polymerní pryskyřice) – které po spojení zůstávají oddělené, ale vzájemně fungují a vytvářejí nový materiál, jehož vlastnosti nelze předvídat prostým součtem vlastností jeho složek. Ve skutečnosti je jednou z hlavních výhod kombinace vláken a pryskyřice její komplementární charakter. Například tenká skleněná vlákna vykazují relativně vysokou pevnost v tahu, ale jsou náchylná k poškození. Naproti tomu většina polymerních pryskyřic má slabou pevnost v tahu, ale je extrémně houževnatá a poddajná. Při kombinaci vláken a pryskyřice však každá z nich vyvažuje slabost té druhé, čímž vzniká materiál mnohem užitečnější než kterákoli z jeho jednotlivých složek.

Strukturální vlastnosti kompozitních materiálů jsou odvozeny především od vláknové výztuže. Komerční kompozity pro velké trhy, jako jsou automobilové součásti, lodě, spotřební zboží a průmyslové díly odolné proti korozi, se často vyrábějí z nespojitých, náhodně orientovaných skleněných vláken nebo ze spojitých, ale neorientovaných forem vláken. Pokročilé kompozity, původně vyvinuté pro vojenský letecký a kosmický trh, nabízejí lepší vlastnosti než konvenční konstrukční kovy a nyní nacházejí uplatnění v komunikačních družicích, letadlech, sportovních potřebách, dopravě, těžkém průmyslu a v energetice při průzkumu ložisek ropy a plynu a při stavbě větrných turbín.

Vysoce výkonné kompozity získávají své strukturální vlastnosti z kontinuální, orientované výztuže z vysoce pevných vláken – nejčastěji uhlíkových, aramidových nebo skleněných – v matrici, která podporuje zpracovatelnost a zlepšuje mechanické vlastnosti, jako je tuhost a chemická odolnost.

Orientaci vláken lze řídit, což je faktor, který může zlepšit vlastnosti v jakékoli aplikaci. Například v kompozitních hřídelích golfových holí umožňují bórová a uhlíková vlákna orientovaná v kompozitním hřídeli pod různými úhly co nejlépe využít jejich pevnostních a tuhostních vlastností a odolávat momentovému zatížení a vícenásobným ohybovým, tlakovým a tahovým silám.

Matrice může být polymerní, keramická nebo kovová. Polymerní matrice, které se nejčastěji používají pro kompozity v komerčních a vysoce výkonných leteckých aplikacích, jsou termosetové pryskyřice, sestávající z polymerních řetězců, které se po smíchání s katalyzátorem, působením tepla nebo obojím trvale vytvrzují do zesítěné sítě. Vytvrzování obvykle probíhá za zvýšené teploty a/nebo tlaku v peci a/nebo vakuovém vakuu nebo v autoklávu. Mezi alternativní, ale méně používané technologie vytvrzování patří elektronový paprsek, ultrafialové (UV) záření, rentgenové a mikrovlnné procesy.

Skleněná vlákna se dodávají ve svazcích zvaných prameny. Pramen je soubor souvislých skleněných vláken. Roving obecně označuje svazek nekroucených pramenů, zabalený jako nit na velké cívce. Jednostranný roving se skládá z pramenů tvořených souvislými, vícenásobnými skleněnými vlákny, která se táhnou po celé délce pramene. Vícenásobná rovingová nit obsahuje dlouhá, ale ne zcela souvislá vlákna, která jsou během procesu navíjení přidávána nebo ubírána v rozloženém uspořádání. Příze je soubor pramenů, které jsou spolu stočeny.

Vysoce výkonná vlákna

Vysoce výkonná vlákna používaná v pokročilých kompozitech zahrnují uhlíková vlákna, aramidová vlákna, (známá pod obchodními názvy Kevlar a Twaron), bórová vlákna, polyethylen (PE) s vysokou modulací, novější vlákna, jako je poly p-fenylen-2,6-benzobisoxazol (PBO), a také hybridní kombinace. Kevlar je výrobek společnosti DuPont Protection Technologies (Richmond, VA, USA). Twaronová vlákna vyrábí společnost Teijin (Arnhem, Nizozemsko).

Uhlíková vlákna – zdaleka nejrozšířenější vlákno používané ve vysoce výkonných aplikacích – se vyrábí z různých prekurzorů, včetně polyakrylonitrilu (PAN), rayonu a dehtu. Prekurzory se chemicky upravují, zahřívají a natahují a poté karbonizují, čímž vznikají vlákna s vysokou pevností. První vysoce výkonná uhlíková vlákna na trhu byla vyrobena z prekurzoru rayonu. Dnes vlákna na bázi PAN a dehtu nahradila ve většině aplikací vlákna na bázi rayonu. Uhlíková vlákna na bázi PAN jsou nejuniverzálnější a nejrozšířenější. Nabízejí úžasnou škálu vlastností, včetně vynikající pevnosti – až 1 000 ksi – a vysoké tuhosti. Pitchová vlákna, vyráběná z ropných nebo uhelných dehtových smol, mají vysokou až extrémně vysokou tuhost a nízký až záporný koeficient tepelné roztažnosti (CTE). Jejich vlastnosti CTE jsou zvláště užitečné v aplikacích kosmických lodí, které vyžadují tepelný management, jako jsou skříně elektronických přístrojů. Vlastnosti uhlíkových vláken podněcují hledání alternativních a levnějších prekurzorů, jako je lignin, který se získává z celulózového a papírového odpadu. Ačkoli výzkumné úsilí nabírá na síle, tyto levné vláknové materiály mají ještě daleko k tomu, aby se staly životaschopnou komerční výztuží.

Ačkoli jsou pevnější než skleněná nebo aramidová vlákna, uhlíková vlákna jsou nejen méně odolná proti nárazu, ale také u nich může docházet ke galvanické korozi při kontaktu s kovem. Výrobci tento problém řeší použitím bariérového materiálu nebo závojové vrstvy – často sklolaminátu/epoxidu – při vrstvení laminátu.

Základní formou vláken pro vysoce výkonná uhlíková vlákna jsou svazky souvislých vláken nazývané tows. Vlákno z uhlíkových vláken se skládá z tisíců souvislých nekroucených vláken, přičemž počet vláken se označuje číslem následovaným písmenem „K“, které označuje násobení 1000 (např. 12K označuje počet vláken 12 000). Vlákna mohou být použita přímo, v procesech, jako je navíjení vláken nebo pultruze, nebo mohou být přeměněna na jednosměrné pásky, tkaniny a jiné formy výztuže.

Aramidová vlákna, vytvořená z aromatického polyamidu, poskytují výjimečnou odolnost proti nárazu a dobrou průtažnost (vyšší než uhlík, ale nižší než sklo). Standardní, vysoce výkonná aramidová vlákna mají modul pružnosti přibližně 20 Msi, pevnost v tahu přibližně 500 ksi a prodloužení téměř 3 %. Aramidová vlákna, známá pro své vlastnosti v neprůstřelných vestách a dalších pancéřových a balistických aplikacích, jsou poptávána zčásti kvůli potřebě ochrany osob a pancéřování na policejních a vojenských trzích. Díky svým vlastnostem je aramidové vlákno také vynikající volbou pro lopatky rotorů vrtulníků, trupy námořních plavidel a sportovní zboží, kde je požadována odolnost proti nárazu.

Boronová vlákna jsou pětkrát pevnější a dvakrát tužší než ocel. Bór zajišťuje pevnost, tuhost a nízkou hmotnost a má vynikající tlakové vlastnosti a odolnost proti vzpěru. Využití bórových kompozitů sahá od sportovních potřeb, jako jsou rybářské pruty, hřídele golfových holí, lyže a rámy jízdních kol, až po nejrůznější aplikace v letectví a kosmonautice, jako jsou kůže empennage letadel, příhradové nosníky a prefabrikované záplaty pro opravy letadel.

Vysoká cena vysoce výkonných vláken může být odrazujícím faktorem pro jejich výběr, pokud výrobci zanedbají zkoumání toho, jak je tato vysoká cena zmírněna vyšší výkonností, trvanlivostí a konstrukční volností, které tyto materiály do projektu přinášejí, a následným pozitivním vlivem těchto výhod na klíčový ukazatel: náklady životního cyklu. To platí zejména pro uhlíková vlákna, jejichž výběr byl v minulosti komplikován výraznými výkyvy v nabídce a poptávce po uhlíkových vláknech.

Termosetické pryskyřice

Polymery nejčastěji používané v kompozitech jsou termosety, třída plastových pryskyřic, které se po vytvrzení tepelným a/nebo chemickým (katalyzátor nebo promotor) nebo jiným způsobem stávají v podstatě tavnými a nerozpustnými. Po vytvrzení nelze termoset vrátit do nevytvrzeného stavu. Ačkoli téměř všechny dnes komerčně používané termosety jsou odvozeny z ropných surovin, probíhá výzkum& a vývoj a komercializace v rostoucí oblasti biopryskyřic. Biopryskyřice, vyvinuté především ve snaze využívat obnovitelné zemědělské suroviny, obsahují v různém poměru polyol (ze sóji) a etanol (z kukuřice).

Nenasycené polyesterové pryskyřice jsou díky snadné manipulaci, dobré rovnováze mechanických, elektrických a chemických vlastností a relativně nízké ceně nejrozšířenějšími termosety v komerčních, hromadně vyráběných aplikacích. (Nasycené polyesterové pryskyřice jsou termoplastické polymery.) Polyestery, obvykle ve spojení s výztužemi ze skleněných vláken, se dobře přizpůsobují řadě výrobních procesů a nejčastěji se používají při stříkání do otevřených forem, lisování, lisování s přenosem pryskyřice (RTM) a lití. Vlastnosti polyesterových formulací lze upravit tak, aby splňovaly specifická výkonnostní kritéria, a to na základě výběru glykolových a kyselých prvků a reaktivních monomerů (nejčastěji styrenu). Styren se přidává v množství až 50 % za účelem snížení viskozity, což usnadňuje manipulaci s pryskyřicí a její zpracování.

Epoxidové pryskyřice přispívají k pevnosti, trvanlivosti a chemické odolnosti kompozitu. Nabízejí vysoký výkon při zvýšených teplotách, přičemž provozní teploty za tepla/mokra dosahují až 121 °C. Epoxidy se dodávají v kapalné, pevné a polotuhé formě a obvykle vytvrzují reakcí s aminy nebo anhydridy. Epoxidy se nevytvrzují katalyzátorem jako polyesterové pryskyřice, ale používají tvrdidlo (nazývané také vytvrzovací činidlo). Tvrdidlo (část B) a základní pryskyřice (část A) spolu reagují „adiční reakcí“ podle pevně stanoveného poměru. Proto je velmi důležité použít správný poměr směsi pryskyřice a tužidla, aby byla zajištěna úplná reakce. V opačném případě pryskyřice plně nevytvrdne ani nedosáhne svých plných vlastností. Tvrzené epoxidové pryskyřice – s přídavkem termoplastů a reaktivních pryžových sloučenin proti křehkosti způsobené vysokým stupněm zesíťování – se staly normou ve vysokoprocentních kompozitních dracích letadel, jako je 787 Dreamliner společnosti The Boeing Co. a Airbus A350 XWB.

Fenolické pryskyřice jsou založeny na kombinaci aromatického alkoholu a aldehydu, jako je fenol, v kombinaci s formaldehydem. Nacházejí uplatnění v nehořlavých vnitřních panelech letadel a na komerčních trzích, které vyžadují levné, nehořlavé a nízko kouřové výrobky. Díky vynikající výtěžnosti zuhelnatění a ablativním (teplo pohlcujícím) vlastnostem jsou fenoly dlouhodobě oblíbené pro ablativní a raketové trysky. Osvědčily se také v jiných než kosmických aplikacích, zejména v součástech pro ropné a plynové plošiny na moři, v hromadné dopravě a v elektronice. Fenolické látky však polymerují kondenzační reakcí, při níž se během vytvrzování uvolňuje vodní pára a formaldehyd. Tento jev může způsobit vznik dutin v kompozitu. V důsledku toho jsou mechanické vlastnosti fenolů poněkud nižší než u epoxidů a většiny ostatních vysoce účinných pryskyřic.

Cyanátové estery (CE) jsou univerzální matrice, které poskytují vynikající pevnost a houževnatost, umožňují velmi nízkou absorpci vlhkosti a mají vynikající elektrické vlastnosti ve srovnání s jinými polymerními matricemi, i když tyto výhody jsou spojeny s vyššími náklady. CE se vyznačují provozními teplotami za tepla/mokra do 149 °C a jsou obvykle zpevněny termoplasty nebo sférickými částicemi pryže. Zpracovávají se podobně jako epoxidy, ale jejich vytvrzování je jednodušší díky viskozitnímu profilu CE a nominálním těkavým látkám. Současné aplikace sahají od radomů, antén, raket a ablativů až po mikroelektroniku a mikrovlnné výrobky.

Mezi exotičtější pryskyřice patří bismaleimidy a polyimidy (chemicky blízce příbuzné), které se používají při vysokých teplotách v letadlech a raketách (např. pro součásti gondol proudových motorů). BMI nabízejí horké/mokré provozní teploty (do 232 °C), zatímco některé polyimidy lze krátkodobě používat až do teploty 371 °C. Prchavé látky a vlhkost uvolňovaná při vytvrzování činí práci s polyimidy obtížnější než s epoxidy nebo CE; byly vyvinuty speciální receptury a techniky zpracování, které omezují nebo eliminují vznik dutin a delaminace. BMI i polyimidy tradičně vykazovaly vyšší absorpci vlhkosti a nižší hodnoty houževnatosti než CE a epoxidy, ale v posledních letech bylo dosaženo významného pokroku při vytváření houževnatějších formulací a BMI jsou nyní označovány za látky s lepší odolností proti vnikání kapalin než epoxidy. K většímu používání BMI přispívají nejen nástroje a aplikace, kde provozní teploty přesahují 177 °C, ale také stále častější používání kompozitů v konstrukcích, které potřebují lepší vlastnosti za tepla/mokra a při kompresi v otevřeném otvoru (OHC) při mírných teplotách, např. 80 °C až 120 °C. To je důvodem velké části jeho použití ve stíhacím letounu F-35 Lightning II, které umožňuje vytvářet konstrukce odolné proti poškození při nižší hmotnosti ve srovnání s epoxidem.

Termoplastické pryskyřice

Na rozdíl od zesíťovaných termosetů, jejichž vytvrzovací reakci nelze zvrátit, termoplasty po ochlazení tvrdnou, ale zachovávají si svou plasticitu; to znamená, že se znovu roztaví a lze je přetvořit opětovným zahřátím nad teplotu zpracování. Levnější termoplastické matrice nabízejí nižší teploty zpracování, ale mají také omezené teploty použití. Čerpají z nabídky technických i komoditních plastů, jako jsou polyethylen (PE), polyethylen tereftalát (PET), polybutylen tereftalát (PBT), polykarbonát (PC), akrylonitril butadien styren (ABS), polyamid (PA nebo nylon) a polypropylen (PP). Velkoobjemové komerční výrobky, jako je sportovní obuv, ortézy a lékařské protézy, těží z houževnatosti a odolnosti vůči vlhkosti těchto pryskyřic, stejně jako sací potrubí automobilů a další díly pod kapotou.

Vysoce výkonné termoplastické pryskyřice – polyetheretherketon (PEEK), polyetherketon (PEK), polyamid-imid (PAI), polyarylsulfon (PAS), polyetherimid (PEI), polyethersulfon (PES), polyfenylsulfid (PPS) a polymer tekutých krystalů (LCP) – fungují dobře v prostředí s vysokou teplotou a po vytvrzení neabsorbují vodu ani nedegradují při vystavení vlhkosti. Tyto pryskyřice vyztužené vysoce výkonnými vlákny vykazují dlouhou skladovatelnost prepregů bez nutnosti chlazení a mají výjimečnou odolnost proti nárazu a tlumení vibrací. Nabízejí také možnost využití recyklovaného obsahu a usnadňují recyklaci odpadů a vyřazených konstrukcí.

Mohou však pro výrobce kompozitů představovat určitý problém při zpracování kvůli své relativně vysoké viskozitě. Vyztužené termoplastické kompozity, které obsahují jako matrice pryskyřice s vyššími vlastnostmi, se prosazují v leteckém průmyslu.