Nejnavštěvovanější odborný web
pro stavebnictví a technická zařízení budov

Vliv vláknové výztuže na mechanické a termofyzikální vlastnosti kompozitních materiálů

16.12.2013

Prof. Mgr. Jan Toman, DrSc., Ing.Tomáš Korecký, Katedra materiálového inženýrství a chemie, Stavební fakulta ČVUT Praha

Recenzovaný

V dnešní době je v materiálovém inženýrství trend vyvinout materiály s cílenými vlastnostmi. To umožňují kompozitní materiály, kde se do základní matrice přidávají další složky, které vylepšují její vlastnosti. Podívejme se podrobněji na některé z nich včetně příslušných zkoušek.

Tabulka I.
SX6	teplota	lambda	`c` . `ρ`	`a`	Hmotnost
destička	[°C]	[W/mK]	[x10⁶J/m³K]	[x10⁻⁶m²/s]	[g]
1	25 °C	0,363	1,515	0,240	104,120
	110 °C	0,136	0,849	0,160	89,000
	250 °C	0,137	0,803	0,171	88,450
	450 °C	0,212	0,904	0,235	84,771
	650 °C	0,399	1,138	0,357	83,984
	750 °C	0,432	1,510	0,286	83,786
	1000 °C	0,568	0,587	0,881	83,309

2	základní	0,379	1,475	0,256	103,190
	110 °C	0,140	0,734	0,190	88,120
	250 °C	0,144	0,784	0,184	87,750
	450 °C	0,221	0,920	0,240	83,996
	650 °C	0,420	1,165	0,368	83,245
	750 °C	0,448	1,465	0,306	83,045
	1000 °C	0,599	0,347	1,735	82,647

3	základní	0,365	1,510	0,242	102,117
3	110 °C	0,139	0,866	0,161	887,1

4	základní	0,360	1,495	0,241	104,788
4	250 °C	0,134	0,697	0,192	89,110

5	základní	0,369	1,520	0,244	102,770
5	450 °C	0,212	0,942	0,225	84,23

6	základní	0,368	1,505	0,244	102,77
6	650 °C	0,413	1,38	0,299	82,962

7	základní	0,355	1,490	0,238	103,405
7	750 °C	0,486	1,490	0,327	83,315

8	základní	0,363	1,505	0,241	103,658
8	1000 °C	0,49	1,6	0,308	83,043

9	základní	0,351	1,455	0,241	101,633
	110 °C	0,388	1,37	0,283	100,4
	250 °C	0,13	0,681	0,192	87,39
	450 °C	0,217	0,837	0,261	82,848
	650 °C	0,379	0,930	0,407	82,031
	750 °C	0,460	1,040	0,444	81,719
	1000 °C	0,398	0,559	0,712	81,148

10	základní	0,358	1,495	0,240	104,507
	110 °C	0,332	1,42	0,235	103
	250 °C	0,132	0,801	0,165	89,78
	450 °C	0,225	1,038	0,217	85,177
	650 °C	0,381	1,140	0,360	84,328
	750 °C	0,385	1,41	0,273	84,095
	1000 °C	0,427	0,538	0,794	83,605

11	základní	0,355	1,450	0,245	102,052
11	110 °C	0,349	1,480	0,235	100,700

12	základní	0,365	1,505	0,243	103,069
12	250 °C	0,134	0,792	0,170	88,650

13	základní	0,371	1,535	0,242	104,483
13	450 °C	0,221	1,110	0,199	85,074

14	základní	0,353	1,495	0,235	101,968
14	650 °C	0,396	1,11	0,36	82,362

15	základní	0,355	1,475	0,242	104,360
15	750 °C	0,469	1,455	0,323	84,040

16	základní	0,362	1,505	0,240	104,91
16	1000 °C	0,490	1,600	0,308	84,04

Úvod

V dnešní době je velice důležitý trend v materiálovém inženýrství vyvinout materiály s cílenými vlastnostmi. To umožňují kompozitní materiály, kde se do základní matrice přidávají další složky, které vylepšují její vlastnosti. Pro protipožární obkladové desky vyvinul VÚSTAH Brno materiál, který má základní matrici na bázi modifikované sádry (s vylepšenými termofyzikálními vlastnostmi – označení SX6). Pro zlepšení mechanických vlastností je přidána vláknová výztuž, čedičová vlákna – označení SX6-B.

Pro posouzení vlivu výztuže na fyzikální parametry byly proto proměřeny termofyzikální a mechanické materiálové parametry nejprve u materiálových vzorků vypálených na určité teploty pro materiál SX6 a potom pro materiál SX6-B.

Z termofyzikálních veličin byly proměřovány součinitelé tepelné a teplotní vodivosti a měrná tepelná kapacita a objemová hmotnost. Z mechanických veličin byl měřen modul pružnosti v tahu a stabilita materiálu byla kontrolována součinitelem teplotní délkové roztažnosti a změnou hmotnosti.

Složení materiálů

SX6	sádra fa. Gypstrend – Kobeřice vodní součinitel 0,328 přísady: Retardant GK Peramin 30 vylehčení směsi: 5 % hm. Experlit EP 150
SX6-B	vyztužení vlákny: 3 % hm. Baseltex 6 (čedič)

Měření tepelně technických
materiálových parametrů

Na dodaných materiálových vzorcích materiálů SX6-B a SX6 byla provedena měření podle metodiky použité pro testování deskových materiálů v minulých letech [1, 2]. Měření probíhalo na vzorcích, které byly nejprve namáhány teplotou. Po vychladnutí se měřila hmotnost na vahách a přístrojem IZOMET se měřily součinitelé tepelné a teplotní vodivosti a objemová tepelná kapacita.

Jako příklad tabulkového zpracování a grafické zpracování naměřených výsledků jsou zde uvedena měření provedená na vzorcích materiálu SX6 (Tabulka I. tabulkové zpracování měření termofyzikálních parametrů a Obr. 1 a 2, kde jsou vyneseny teplotní závislosti součinitele tepelné vodivosti obou srovnávaných materiálů).

Podrobné zpracování včetně všech grafických závislostí je v zápisech na katedře Materiálového inženýrství a chemie Stavební fakulty ČVUT v Praze.

Proměřování mechanických vlastností

Byla použita aparatura pro měření modulu pružnosti rezonanční metodou a ultrazvuková metoda měření rychlosti vlnění. Zde je třeba připomenout, že při vysokých teplotách docházelo často k destrukci materiálu, takže nebylo možno měření provést. Další poznatek je ten, že metoda rezonanční dává zřejmě přesnější hodnoty, protože při měření rychlosti UZ se obzvláště u vzorků vypálených na vysokou teplotu značně vsakoval kontaktní gel, a proto byl výsledek zkreslen.

Obr. 1 Lambda na teplotě pro SX6

Obr. 2 Lambda na teplotě pro SX6-B

Obr. 3 Modul pružnosti na teplotě na materiálu SX6

Obr. 4 Modul pružnosti na teplotě na materiálu SX6-B

Měření dilatací

Teplotní závislost součinitele teplotní roztažnosti na teplotě zjistíme tak, že proměříme relativní prodloužení pro určité teploty (nejvhodněji po 100 °C až do 1 000 °C) a tyto naměřené hodnoty vyneseme do grafu v závislosti na teplotě. Tuto funkci analyticky vyjádříme a její derivací potom můžeme určit pro každou teplotu hodnotu α_t.

Měření se provádělo na speciálním dilatometru [3]. Princip měření je v tom, že se konec proměřovaného vzorku, který je umístěn v peci, spojí přes kontaktní tyčinku s indikátorem délky, který je umístěn mimo pec. Do dilatometru se vloží proměřovaný vzorek, postupně se zvyšuje teplota až do 1000 °C a sledují se délkové změny trámečku. Z těchto údajů se potom snadno vypočítá součinitel teplotní roztažnosti.

Protože struktura materiálů nemusí být teplotně stabilní, měření se po vychladnutí vzorku opakovalo. Vypálený vzorek již po opakovaném nárůstu teploty neprojevoval změny, které by vyplývaly z jeho strukturální nestability.

Ilustrativně jsou grafické výstupy (Obr. 5 až 8) zde uvedeny pro závislost relativního prodloužení na teplotě pro první a druhé měření u obou proměřovaných materiálů. Podrobné záznamy měření a výpočty jsou na katedře Mater. inž. a chemie FSv ČVUT v Praze.

Obr. 5 Relativní prodloužení materiálu SX6 – první měření

Obr. 6 Relativní prodloužení materiálu SX6 – druhé měření

Obr. 7 Relativní prodloužení materiálu SX6-B – první měření

Obr. 8 Relativní prodloužení materiálu SX6-B – druhé měření

Diskuse provedených měření

Parametry tepelně technické

Měření ukázala, že na tepelně technické parametry má vliv přítomnost výztuže až při vyšších teplotách (cca nad 300 °C). Při teplotách do 200 °C se součinitel tepelné vodivosti pohybuje u obou materiálů kolem hodnoty 0,2 W/m.K s klesající tendencí – to je způsobeno pravděpodobně vysycháním, a potom je pozorovatelný nárůst, který je u materiálu bez výztuže daleko intenzivněji.

Parametry mechanické

Při porovnání výsledků měření modulu pružnosti je vidět, že výsledky z obou metod (rezonanční a metoda měření rychlosti ultrazvuku na průchod) jsou srovnatelné.

Dále je vidět, že nevysušené materiály mají hodnoty (hlavně při nižších teplotách) vyšší. A konečně je patrný vliv výztuže na modul pružnosti. Zatím co materiál bez výztuže má počáteční hodnotu modulu vyšší než s výztuží, ale jeho hodnota poměrně rychle klesá, materiál s výztuží má hodnotu modulu poměrně stálou, na teplotě prakticky nezávislou.

Dilatace

Z grafického zpracování měření dilatací je vidět, že pro obor vysokých teplot je rozměrová stabilita materiálu velice špatná. Při prvním zahřívání (do teploty cca 110 °C) dochází nejprve k mírnému nárůstu relativního prodloužení. Při překročení teploty cca 100 °C však nastává zlom – materiál se začíná smršťovat. To je způsobeno jednak ztrátou volné vody a jednak se začíná měnit dihydrát sádrovce v hemihydrát. Úbytek krystalické vody způsobuje tedy smrštění. Tato změna je dokončena při teplotě 350–400 °C. Při dalším nárůstu teploty se začíná měnit hemihydrát v anhydrit. Tato pozvolná změna způsobuje, že se rozměry celkem nemění. Přirozená dilatace je kompenzována smrštěním. Při teplotě nad 600 °C dochází k radikální přeměně a proto nastává mohutné smrštění.

Popsané změny byly naměřeny při prvním zahřívání u obou proměřovaných materiálů. Patrný rozdíl je ale v intenzitě změn. Materiál SX6 má proti materiálu SX6-B (který má vláknovou výztuž) podstatně větší délkové diference. To znamená, že výztuž z čedičových vláken zpevňuje materiál a tím se zvýšila jeho strukturální stabilita. Délkové změny u materiálu bez výztuže byly naměřeny až 3× větší.

Zajímavé je, že když se měření opakovalo, smršťování prakticky vymizelo. I když bylo možno předpokládat, že sádrovec nabere ze vzdušné vlhkosti krystalickou vodu. Tato změna ale pravděpodobně probíhá pomalu a proto se při opakovaném měření projevil pouze nárůst relativního prodloužení. A tady už nebyl naměřen vliv výztuže.

Závěr

Ze srovnávacích měření je tedy možno konstatovat, že základní složka kompozitního materiálu na bázi modifikované sádry, která je vylepšena vláknitou výztuží, přináší výhody, pro které byl tento materiál vyvíjen. Tj. lepší vlastnosti tepelně technické, stabilnější mechanické vlastnosti a podstatně lepší objemovou stálost matriálu při vyšších a vysokých teplotách.

Poděkování

Článek vznikl za podpory výzkumného záměru MŠMT č. MSM6840770031.

Literatura

[1] TOMAN, J. – KORECKÝ, T. – MICHALKO, O. – BAŽANTOVÁ, Z. – ČERNÝ, R. – ET AL.: Porovnání mechanických vlastností obkladových protipožárních desek. In: Stavební obzor [online]. 2012, roč. 2012, č. 2, s. 52–55. ISSN 1805-2576.
[2] TOMAN, J. – KORECKÝ, T. – ČERNÝ, R. – FRANK, M.: Porovnání tepelně technických vlastností obkladových protipožárních desek. In: Stavební obzor [online]. 2012, roč. 21, č. 1, s. 15–17. ISSN 1805-2576.
[3] TOMAN J., KRIČKA A., TRNÍK A.: Zařízení pro měření délkových změn materiálu při vysokých teplotách. Užitný vzor č. 21752, ÚPV, 2011.

English Synopsis

Effect of fiber reinforcement on mechanical and thermophysical properties of composite materials

In the article are described the most important physical parameters. All of them were measured on the materials SX6-B (with basalt fibers) and SX6 (without fibers). By comparison of results was made evaluation.