Předpjaté kompozity vyztužené vlákny: Výroba a mechanická charakterizace

Abstract

Kompozity na bázi polymerů vyztužených vlákny (FRP) jsou díky svým vynikajícím mechanickým vlastnostem a nízké hmotnosti dlouhodobě využívány v řadě inženýrských aplikací. Jejich mechanická výkonnost však může být snížena zejména v důsledku problémů při zpracování, které vedou ke zvlnění vláken a vzniku vnitřních zbytkových napětí, což může vést k selhání materiálu. Z tohoto důvodu se výzkum zaměřený na minimalizaci těchto problémů, zejména zbytkových napětí vznikajících při výrobním procesu, stal mimořádně důležitým. Jedním ze slibných přístupů je předpínání vláken, tedy aplikace řízeného zatížení na výztužná vlákna před nebo během vytvrzovacího cyklu kompozitu. Tato technika si klade za cíl indukovat tlaková napětí do materiálu, čímž se kompenzují tahová zbytková napětí a snižuje se zvlnění vláken. Jedná se o nákladově efektivní způsob, jak zlepšit mechanické vlastnosti kompozitních struktur, aniž by bylo nutné zvyšovat hmotnost nebo rozměry materiálu. Tato studie představuje systematické zkoumání vlivu elastického předpínání vláken na vlastnosti laminátů z uhlíkových vláken vyztužených polymerem (CFRP). Byly testovány dvě konfigurace - jednosměrná a křížová - přičemž každá byla vyrobena při šesti úrovních předpětí v rozsahu 0 až 25 MPa pomocí speciálně navržené mechanické přípravky. Lamináty byly podrobeny komplexní charakterizaci zahrnující tahové, ohybové a rázové Charpyho zkoušky; dynamickou mechanickou analýzu (DMA); a měření elektrické vodivosti za stejnosměrného (DC) i střídavého (AC) proudu. Fraktografická analýza byla provedena za účelem identifikace převládajících mechanismů porušení ve vzorcích. Výsledky ukázaly, že elastické předpínání vláken významně zlepšilo mechanické vlastnosti CFRP kompozitů. U jednosměrných laminátů došlo při předpětí 25 MPa ke zvýšení tahového modulu o 32,8 % a pevnosti v tahu o 67,3 %, zatímco ohybová pevnost a rázová odolnost se zlepšily o 34,4 %, resp. 55,7 %. Křížové lamináty vykazovaly mírnější, ale konzistentní zlepšení mechanických vlastností, přičemž maximální nárůst pevnosti v tahu dosáhl 52,1 % a rázová houževnatost vzrostla o 79,8 %. Termická analýza odhalila zvýšený skladovací modul a vyšší teploty skelného přechodu (Tg) u obou konfigurací, což naznačuje lepší vazbu mezi vláknem a matricí. Měření elektrické vodivosti dále prokázalo, že podélná DC a AC vodivost jednosměrného laminátu se s rostoucím předpětím výrazně zlepšila (až o +1500 %). Naopak příčná vodivost mírně poklesla v důsledku sníženého kontaktu mezi svazky vláken. U křížových laminátů byla zaznamenána maximální zlepšení vodivosti při středních úrovních předpětí (5-10 MPa), po jejichž překročení vodivost klesala, pravděpodobně v důsledku redistribuce mezivrstvového napětí. Obecně lze konstatovat, že elastické předpínání vláken účinně zlepšuje výkonnost CFRP laminátů, přičemž optimálních výsledků je dosaženo při předpětí 15-20 MPa. Tento přístup podporuje pokročilé aplikace v letectví, automobilovém průmyslu a inteligentních strukturách.