Česká společnost
pro kompozitní a uhlíkové materiály
Záměry a cíle
podporovat kontakty mezi odborníky zabývajícími se kompozitními a uhlíkovými
materiály
podporovat studenty
vytvořit osobní databázi odborníků
organizovat semináře a konference
Kontakt
Česká společnost pro kompozitní a uhlíkové materiály
ÚSMH AV ČR
V Holešovičkách 41
182 09 Praha 8
Česká republika
Částicové kompozitní materiály a některé jejich bioaplikace
Šárka Rýglová
Ústav struktury a mechaniky hornin AV ČR, V
Holešovičkách 41, Praha 8, 182 09, ČR ryglova@irsm.cas.cz
1. ÚVOD
Částicové kompozity jsou materiály, u kterých je diskontinuální výztuž
tvořená buď částicemi, zejména nevlákenného tvaru nebo whiskery. Teoreticky
bychom mezi ně mohli zařadit i kompozity s krátkovláknovou výztuží. Na
rozdíl od kompozitů s kontinuální vláknovou výztuží je objemový podíl
částicové výztuže menší, bývá od několika procent až do několika desítek
procent, přičemž výztuž je častěji orientovaná nahodile. Hodnoty
mechanických vlastností těchto kompozitů bývají, ve srovnání s příslušnými
kompozity vyztuženými kontinuálními vlákny, nižší, vlivem nespojitosti
výztuže. Úloha matrice je většinou v těchto kompozitech převažující, záleží
ovšem i na jejím objemovém podílu.
Částicové kompozity se liší podle:
spojitosti či nespojitosti jedné či obou fází
podle tvaru dispergované fáze
zda jsou částice v systému segregovány či agregovány.
Obvykle se částicové kompozity používají na modifikaci určitých vlastností
materiálu nebo matrice jako je např:
zvýšení tuhosti (někdy i za cenu snížení houževnatosti)
stabilnější chování materiálu za vyšší teploty např. tvarová stálost
(lepší creepová odolnost)
vyšší odolnost vůči abrazi, opotřebení
zlepšení obrobitelnosti
zvýšení povrchové tvrdosti
snížení tření
na snížení smrštění kompozitu např. při ochlazování
úpravu tepelné a elektrické vodivosti
a v neposlední řadě i na snížení ceny materiálu při zachování
fyzikálně-mechanických vlastností.
Výběr částic závisí na tom, jaké vlastnosti kompozitu chceme získat či
zlepšit. V praxi se nejčastěji používá [1]:
olovo do měděné slitiny pro snazší opracovatelnost
křehké kovy jako wolfram, chrom apod. včleněné do tvárného kovu zlepšují
jeho vlastnosti při vyšších teplotách při zachování tažnosti za pokojové
teploty
elastomery v křehkém polymeru zlepšují houževnatost a odolnost vůči náhlým
změnám zatížení a teploty, díky snížení jejich citlivosti ke trhlinám.
kovy do keramiky (cermety) pro vysokoteplotní aplikace
slídové vločky v polymerní matrici, díky svým vlastnostem mají široké
využití v automobilovém a elektronickém průmyslu, stavebních konstrukcích,
obuvnictví, domácích potřebách apod.
Poslední dva uvedené příklady můžeme považovat za pravý částicový kompozit,
v ostatních příkladech mají částice spíše funkci plniv-aditiv na zlepšení
vlastností materiálu, ale nemají vyztužující charakter.
Částicové kompozity můžeme zhruba rozdělit do 3 skupin [2]:
kompozity I.typu – matrice je spojitá, prakticky bez pórů, plnivo je
segregované
kompozity II.typu – dalším snižováním množství matrice v kompozitu
vznikají uzavřené póry, hlavně mezi zrny mimo kontaktní plošky
kompozity III.typu – s dalším snižováním množství matrice vznikají
otevřené póry, původně uzavřené póry se propojují za vzniku spojitých.
Každý typ se navzájem odlišuje svým chováním od ostatních typů. Hranice
kompozitu I.typu končí tam, kde zrna plniva jsou v nejtěsnější možné
vzdálenosti. To závisí na velikosti částic, tvaru částic, vzdálenosti částic
(tloušťka obalové vrstvy), dále na viskozitě matrice, povrchovém napětí a smáčivosti částic.
Dělení částicových kompozitů podle typu matrice: kompozity I. typu:
kovové matrice
polymerní matrice:
elastomery
termoplasty
termosety (reaktoplasty)
minerální matrice (keramické)
kompozity II. a III. typu:
kovové matrice
polymerní matrice
minerální a smíšené matrice
Částice mohou být:
kovové – práškový kov, bronz
minerální (anorganická) – hlinitokřemičitnany, uhličitan. Výhodou je
jejich poměrně malá teplotní roztažnost a větší povrchová energie než u
matrice, což snižuje riziko tvorby trhlin při smrštění tuhnoucí taveniny
nebo při vytvrzování polymeru, dále zvyšují povrchovou tvrdost matrice,
omezují tvorbu krejzů při napětí v matrici, snižují hořlavost, ovlivňují vzhled a zabarvení, často
redukují náklady při výrobě.
případně organické
Jen některé kombinace matrice a plniva se využívají v průmyslu (např.
žárovzdorná keramika s částicemi na oxidové nebo karbidové bázi = cermety),
ostatní kombinace jsou více méně ve fázi výzkumu a vývoje.
Dále se budeme zabývat kompozity s polymerní matricí.
2. KOMPOZITY S POLYMERNÍ MATRICÍ
Pryskyřice v kompozitech mají funkci pojivové matrice a slouží k přenosu
vnějšího napětí na výztuž. Důležitá je dobrá kompatibilita s výztuží. Vliv
na to má struktura a vlastnosti hraničních fází mezi matricí a výztuží.
Dle zpracovatelnosti a případně i specifického použití dělíme pryskyřice na:
termoplasty – lze je opakovaně zahřát a ochladit. Jsou snadno
recyklovatelné. Často i levnější.. Nevýhodou je jejich creep při vyšších
teplotách a dlouhodobém zatížení. Proto jsou tyto plasty použitelné při
teplotách pod teplotou skelného přechodu. (polypropylen, polyethylen,
polyamidy, PVC apod.)
termosety – lze je pouze jedenkrát zpracovat, s teplotou se síťují a tím
tvrdnou. Obvykle mají příznivější mechanické vlastnosti, vyznačují se
rozměrovou stabilitou, tedy i nízkým creepem při vyšších teplotách než
termoplasty, proto se více používají do kompozitů. Nevýhodou je jejich menší
houževnatost než u termoplastů (epoxidy, nenasycené polyestery, fenolické
pryskyřice, animoplasty, polyuretany, polysiloxany apod.).
termostabilní pryskyřice – mají vysokou tepelnou stabilitu, kompozity z nich
se využívají v letectví a kosmonautice, (polymery s tuhým oligomerním
řetězcem obsahujícím aromatické nebo heterocyklické skupiny v síti polymeru,
dobré výsledky byly dosaženy s aromatickými polyimidy, např. bismaleinimidy)
elastomery – nejčastěji polymery kaučukovitého typu. Používají se často na
zvýšení houževnatosti jinak křehkých termosetů, případně termoplastů. Je
nutno je zabudovat do termosetové sítě tak, aby elastomery zůstaly dokonale
separované a nezpůsobily podstatné snížení i modulu celé sítě.
2.1 PLNIVA A ADITIVA
Plniva a aditiva se pob1jí na zlepšení vlastností pryskyřice jak
fyzikálních a mechanických, tak i opracovatelnosti pryskyřice, plniva se též
využívají jako výztuž. Plniva tvoří až několik desítek % objemu kompozitu.
Většinou pro běžné aplikace stačí 5-30%, ale někde, např. pro některé
elektronické aplikace, bývá plnění až 75% [3]. Aditiva tvoří už jen
maximálně několik %.
PLNIVA – PŘIBLIŽNÉ ROZDĚLENÍ z hlediska fyzikálních vlastností:
nevyztužující
vyztužující
izometrická (sférická) –
vyznačují se rozměry stejnými zhruba ve všech
směrech, jsou charakterizována průměrnou velikostí d, maximální velikostí
nebo velikostí, pod kterou je 97% částic d97. Příkladem je CaCO3.
neizometrická (nesférická)
vrstevnatá –
např. slída, mastek. Poměr průměru k tloušťce d/h > 10
vláknitá –
př. skleněná, uhlíková vlákna, whiskery, charakterizována
poměrem délky k průřezu l/d.
částice nepravidelného tvaru atd.
Morfologické rozdíly mezi částicemi se obvykle charakterizují tvarovým (aspektivním)
poměrem, který je definován jako poměr největšího a nejmenšího rozměru
částice. U kulových částic nabývá hodnotu jedna, u destiček řádově nabývá
jednotek a u krátkých vláken řádově desítek. Čím delší vlákna, tím vyšší
hodnoty aspektivního poměru až ke kontinuálním vláknům.
Z chemického hlediska; podle chemického charakteru povrchu:
báze
kyseliny
povrchové volné radikály
pozn.: kyselá a bazická centra mohou vedle sebe existovat.
Důležité parametry plniv – ovlivňující strukturu a vlastnosti polymerního
kompozitu [4]:
složení plniva
velikost plniva
distribuce velikostí
průměrná mezičásticová vzdálenost
aspektní poměr a tedy i tvar (sférický, vláknitý, destičkovitý..)
povrch částic ( typ vazby, navlhavost, nukleární a katalytická aktivita )
tvrdost, abrazívní chování během zpracování směsi
disperzní chování
závislost na zpracování
Polymerní kompozit se neskládá jen z matrice a výplně, nýbrž i ze
stabilizátorů, kompatibilizátorů a pigmentů. Přítomnost výplně ovlivní přímo
hustotu, tuhost a viskoelastické chování polymeru.
2.1.1 Vyztužující plniva
Sférická plniva [1]
Sférický tvar omezuje soustředění napětí a tedy i náchylnost k praskání
matrice ve srovnání s nesférickými plnivy. Mohou být plné i duté, často i
mikrosféry. Obvykle mají rozměry v průměru 1-150 m. Neměly by být příliš
velké na úkor pevnosti polymeru. Nejčastějším materiálem je sklo, dále mohou
být z uhlíku nebo organických sloučenin jako třeba epoxidy, fenoly nebo
polystyren.
Duté skleněné kulové částice
Jejich výhodou je jejich nízká hustota, která zvýšuje specifický modul
plněné pryskyřice a zároveň snižuje hustotu celého kompozitu, dále jako
plněná pryskyřice vykazuje lepší chování pod tlakem např. při lisování.
Plné skleněné kulové částice
Mají sice vyšší hustotu než duté, ale umožňují pracovat s pryskyřicemi za
většího tlaku.
Nesférická plniva
Jsou nejčastěji jehlicovitého či destičkovitého příp. nepravidelného tvaru –
tzv. acikulární částice, ty mohou polymer nejen vyztužovat, ale i zpevňovat.
Jsou to tzv. aktivní částice. Z nich se nejčastěji používají pro polymery syntetické nebo přírodní
minerály jako např. destičky (vločky) slídy, dále mastek, kaolin (i do
termosetů), karbonáty, Mg(OH)3, dále uhlíkové částice, např. speciální saze
jako vodivé plnivo. Patří mezi ně i krátká vlákna a whiskery. Podrobněji je
o nich zmiňováno v příslušných kapitolách. Zajímavé možnosti nabízejí „tenké
vločky“, díky svému tvaru účinně zpevňují matrici ve všech směrech ve své
rovině. U acikulárních částic se udává tzv. aspektivní poměr. Obvykle se
nesférické částice přidávají do termosetů a termoplastů pro elektrické a
elektronické aplikace (slídové, stříbrné vločky), některé na laky, povlaky
(hliníkové vločky). Z nanočástic se používají např. destičky jílu do folií
na potraviny.
Přítomnost malých částic u kovových nebo keramických matricí může též
významně zvýšit tvrdost, mez kluzu, pevnost, únavovou a creepovou odolnost,
ale lomová houževnatost je menší (při objemovém podílu krátkých vláken 40% v
kovové matrici je kompozit zcela křehký). Do těchto typů matrice se
přidávají oxidy kovu u kovové matrice a SiC u obou typů matric. Do keramiky
jsou vhodné pouze acikulární částice.
2.1.2 Nevyztužující plniva
Používají se hlavně na redukci ceny při zachování kvality. Nemají
vyztužující charakter.
Levná plniva
Vmícháním plniv z mletých hornin a minerálů do pryskyřice se zlepšuje:
viskozita matrice
Youngův modul E
tvrdost
prostorová stabilita
odolnost k tažení a ohýbání
Nejčastěji jsou to silikáty, karbonáty a oxid křemíku SiO2
Plniva zabraňující hoření
Přidávají se do termosetů na snížení hořlavosti. Jsou to např. oxid hlinitý
nebo oxid antimonu.
Plniva na zlepšení vodivosti
Organické pryskyřice jsou tepelné a elektrické izolanty. Jejich vodivost
získáme přidáním:
kovového prášku nebo vloček
kovoskleněných kuliček
kovových mikrovláken
uhlíkových části
2.1.3 Aditiva
Pouhé přidání aditiv do polymeru z něj nedělá polymerní kompozit, aditiva
nemají vyztužující funkci, ale mohou v určitých směrech omezit nežádoucí
vlastnost nebo vylepšit nějakou nebo dokonce získat novou vlastnost
matrice/kompozitu.
Podle účelu použití je můžeme dělit takto:
separační činidla – na lepší oddělování od forem při výrobě
pigmenty a barviva – na získání určité barvy nebo odstínu
prostředky na snížení smrštění a snazší tvarování –
je to jakási prevence,
těmito prostředky se vyplní trhlinky.
světelné stabilizátory – např. UV stabilizátory, absorpcí UV záření se
zamezí degradaci pryskyřice v tomto prostředí.
2.2 PROSTOROVÉ ROZMÍSTĚNÍ PLNIV, VELIKOST PLNIV
Plniva mohou být v kompozitu dispergovány či agregovány. Pro praktické účely
je žádoucí, aby plnivo bylo co nejrovnoměrněji dispergováno, čímž se omezí
tzv. koncentrátory napětí, které jsou velmi pravděpodobnou příčinou defektů
v kompozitu, způsobující snížení lomové houževnatosti. Koncentrátory napětí
mohou být velké primární částice plniva nebo agregáty malých částic.
Kritická hranice velikosti částic nebo agregátů je individuální pro
konkrétní polymer a je určena morfologií polymeru. K prudkému růstu agregátu
dochází při překročení tzv. kritické objemové koncentrace plniva. Shlukování
částic významně zvyšuje vnitřní lokální koncentraci napětí [5]. Překročení
kritické lokální koncentrace plniv dochází k prudkým změnám fyzikálních
vlastností kompozitu, např. elektrické vodivosti, modulu pružnosti apod.
Napěťový koncentrační faktor nemá přímou souvislost s objemovým podílem.
Napětí kolem sledované částice je ovlivněno nejbližším sousedem – částicí
[5]. Vlastní proces dispergace závisí na velikosti částic a na viskozitě
polymeru, tedy při nízkých viskositách a malých částicích bude dispergace
obtížná. Dále závisí na interakci mezi plnivem a polymerem a v neposlední
řadě na dokonalé homogenizaci částic.
2. 3 ADHEZE, POVRCHOVÉ ÚPRAVY PLNIV
Podmínkou úspěšného adhezního spojení je smáčení povrchu (zamezí se vzniku
vzduchových bublin, které jsou posléze iniciátory lomu). Kromě velikosti
povrchové energie, závisí i na viskositě polymeru, výhodnější je nižší
viskosita. Dále u hydrofilních plniv je nutno odstranit zbytky povrchové
vody, blokující možná vazebná místa pro matrici, jinak by vznikaly
nekvalitní kompozity. Smáčející polymer by měl mít podstatně menší
povrchovou energii než plnivo. U semikrystalických termoplastických
kompozitů se může přidáním amorfního podílu zlepšit adheze [4]. Pokud povrch
plniva obsahuje nějaké funkční skupiny, lze využít zakotvení polymeru na
tomto povrchu pomocí vazebného činidla. Např. na povrchy se skupinami –OH se
osvědčila silanová vazebná činidla, organické sloučeniny Ti (typicky
využíváno u skleněných výztuží). Na bazických plnivech se používají úpravy
mastnými kyselinami. U krátkovláknových kompozitů se často používá apretura (např. u skleněných
vláken). Jsou to specifické látky, je známo jen přibližné chemické složení a
používají se na zvýšení adheze vlákna k pojivu. Pokud toto nepostačí,
přidává se ještě vazebné činidlo. Konkrétní úprava povrchu plniva podporuje přednostní formu krystalizace u
termoplastické matrice, následně pod vlivem převládající určité formy
krystalů v matrici se ovlivňují deformační mechanismy a tedy i výsledné
napětí a houževnatost. Např. u PP v přítomnosti plniva upraveného CaCO3
(uhličitan vápenatý) je podporována -krystalizace [4]. Z toho pohledu lze říct, že plniva mají odlišné efekty na termoplastické a
termosetické matrice. Všeobecně platí, že pevná vazba mezi matricí a vláknem
snižuje pohyblivost struktury matrice v závislosti na objemovém zastoupení
vláken, což se projevuje prodloužením střední relaxační doby soustavy,
omezením rozvoje deformací. Jinými slovy vykazují některé vnější projevy
síťování jako u termosetových matric.
2.4 HRANIČNÍ FÁZE PLNIVA A POLYMERU
Někdy jsou povrchové úpravy plniva nedostačující pro dostatečně silnou
adhezi mezi polymerem a plnivem, hlavně ty, které jsou založeny pouze na
mezimolekulárních interakcích jako např. Londonovy síly - slabé přitažlivé
síly nekovalentního charakteru působící mezi těsně interagujícími atomy.
Jsou vyvolány tím, že pohyb elektronů se vzájemně synchronizuje a
interagující atomy jsou k sobě slabě elektrostaticky přitahovány
indukovanými dipóly. Tyto zcela nespecifické všudypřítomné interakce hrají
významnou roli při sbalování a stabilizaci struktur mnoha biopolymerů. Klesá
možnost přenést napětí z matrice na plnivo a při vyšších napětích klesá
creepová odolnost kompozitu. Dále by hraniční fáze měla být schopna
absorbovat mechanickou energii a tím přispět ke zvýšení lomové
houževnatosti. Proto je důležité vytvořit rozhraní optimální struktury. Toho
se v podstatě dosahuje dvěma hlavními způsoby:
použitím kopolymerů s kyselými nebo bazickými skupinami –
na jednom konci
se vytvářejí acidobazické vazby s plnivem a na druhém konci se napojují na
matrici.
použitím kapalných reaktivních nánosů,
kde funkční skupina již dříve
naneseného vazebního činidla reaguje s kapalným polymerem nebo taveninou
polymeru obsahujícím vhodné funkční skupiny.
Poslední dobou se rozvíjí snaha vytvářet hraniční fázi na základě tzv.
fyzikálních sítí na rozdíl od výše uvedených sítí s kovalentními vazbami
[6]. Jejich výhodou je, že jsou snadněji recyklovatelné. Nutno poznamenat,
že pevná mezifázová vazba může v některých případech vyvolat potřebu co
nejhouževnatějšího pojiva. Lze shrnout, že optimalizace složení
termoplastického a také termosetického kompozitu je vždy řešením s několika
kompromisy.
2. 5 MECHANICKÉ VLASTNOSTI ČÁSTICOVÝCH KOMPOZITŮ
Výhodou plněných polymerních materiálů je skutečnost, že mohou být „šité na
míru“. Volba skladby se musí přihlížet nejen ke výsledkům krátkodobých
mechanických zkoušek, ale i ke konkrétním provozním podmínkám. Při znalosti
skladby a fyzikálních i chemických vlastností složek kompozitu lze některé
mechanické vlastnosti poměrně přesně vypočítat. V praxi je to u většiny
kompozitů složitější a teoretické výpočty ani nemohou zahrnout všechny
materiálové a technologické vlivy. Proto se užívají různé semiempirické a
empirické vztahy.
Vzájemné ovlivňování fází při mechanickém i tepelném namáhání závisí na:
chemické konstituci plniva a matrice
způsobu povrchové úpravy částic
velikosti specifického povrchu částic
tvaru částic
objemovém podílu částic Vf
Všechny výše uvedené faktory ovlivňují v různé míře mechanické vlastnosti u
konkrétních kompozitů. Objemový podíl lze přepočítat ze známých hmotnostních
podílů wf a hustoty jednotlivých složek kompozitu. Možný je přepočet i v
opačném směru. Částice o větších modulech pružnosti než matrice, způsobují „vyztužení“
matrice, kdy celý kompozit má v souladu s Vf větší modul pružnosti než
samotná matrice. Při výhodné interakci matrice s částicemi a zároveň vhodně
voleném podílu Vf se může zvýšit pevnost nebo houževnatost celého kompozitu.
Ale zavádění tuhých a pevných vláken, částic nemusí vždy zlepšit mechanické
vlastnosti, často se užívají jen ke snížení ceny, někde jako kompenzace
nepříznivé anizotropie struktury ve výrobku.
Při toku tavenin s částicemi, zejména s anizometrickými nebo
krátkovláknitými dochází k různé orientaci částic v podélném i příčném směru
tělesa. Navíc se objemové podíly částic mohou na různých místech lišit, což
komplikuje stanovení mechanických charakteristik celého tělesa. Obvykle se
orientace částic a Vf v různých oblastech vyhodnocují stereometrickými
metodami podobně jako u polykrystalických kovů.
2.5.1 ELASTICKÉ DEFORMAČNÍ CHOVÁNÍ
V elastické oblasti (do meze pružnosti E) lze popsat deformační chování
kompozitu s kulovitými částicemi do Vf 0,3 pomocí Einsteinovy rovnice [6]
popisující vazký tok newtonské kapaliny s dispergovanými tuhými částicemi.
= m (1 +
Vf)
kde
m je viskozita matrice a Vf je objemový podíl dispergovaných koulí,
je konstanta (= 2,5).
Pro jiné případy jako např. pro velký Vf koulí, jiný tvar částic nebo
přítomnosti vzájemné interakce částic se užívají různé modifikace této
rovnice nebo empirické vztahy. Elastické vlastnosti kompozitů jsou též ovlivněny technologickými vnitřními
napětími, vyplývající z rozdílných koeficientů teplotní roztažnosti částic i
matrice (obvykle větší), tedy při ochlazování dochází v tenké vrstvě v okolí
částic ke vzniku zbytkových napětí, které pak ovlivňují modul pružnosti
kompozitů při různých teplotách.
Nelineární deformační chování
Při zvýšení modulů pružnosti pomocí částicových plniv se u některých
kompozitů s tvárnou matricí nezvýší hodnota napětí na mezi pružnosti
E. U
některých kompozitů, např. s destičkovými plnivy se ale díky usměrnění
částic zvýší i E. Příčinou vzniku této nelinearity je, kromě teploty a
rychlosti deformace, vznik mikrodutin a puklin, případně smykových pásů. Ke
ztrátě soudržnosti mezi fázemi dochází až nad E. Naopak u kompozitů s
křehkou matricí a tuhou částicí je příčinou odklonu od linearity ztráta
soudržnosti. Creep u částicových kompozitů závisí především na
viskoelastických vlastnostech matrice a na vzájemné soudržnosti složek,
která je závislá na hlavních i vedlejších přechodových teplotách, při
kterých mění termoelastické charakteristiky. K popisu deformačního chování
za různých teplot a napětí těchto kompozitů dobře vyhovují semiempirické
vztahy.
2.5.2 PEVNOST
Částice se podílejí na přenosu namáhání v kompozitu, ale už ne tak účinně
jako u kontinuální vláknové výztuže. Účinek částicových plniv na chování
matrice je velmi rozmanitý. Závisí na jejich konkrétních vlastnostech a
kombinaci s vlastnostmi matrice. Proto je důležité při navrhování výrobku s
použitím kompozitu s částicovým plnivem přihlížet k:
tvárnosti matrice
schopnosti plniva vytvářet špičky lokálního napětí v okolí částic
velikosti částic (specifickém povrchu)
objemovém podílu plniv
orientaci anizometrických částic
vzájemné soudržnosti fází
Při namáhání tahem je důležitá dobrá adhezní pevnost fází, jinak dochází k
oddělování částic od matrice už při nízkém napětí a tedy k předčasnému
spojování vzniklých defektů do nebezpečné, rychle se šířící trhliny. Neplatí
ale automaticky, že čím vyšší pevnost, tím lepší houževnatost, spíše naopak.
Lze říci, že u částicových kompozitů zvýšení pevnosti rozhraní nevede
obvykle ke zlepšení mechanických vlastností, na rozdíl od (krátko)vláknových
kompozitů [7]. Křehké matrice, např. epoxidy, s tuhými částicemi mívají
velmi dobrou soudržnost i při vysokém objemovém podílu částic, jsou tedy
velmi pevné, ale vyznačují se křehkým lomem. Zpevňující účinek velmi malých částic plniv spočívá ve vlivu vlastní
tvrdosti na blokádu růstu submikroskopických defektů vzniklých z lokální
koncentrace napětí v jejich okolí, hlavně u aglomerovaných částic, jinými
slovy omezují rozvoj plastických deformací matrice v okolí částic (vlivem
disipace deformační energie spotřebované jak na skluz polymerních segmentů
na povrchu částic, tak i tvorbou kavit pospojováním mikrotrhlin).
2. 5. 3 HOUŽEVNATOST
Houževnatý materiál se vyznačuje vyšší hodnotou lomové energie, lom
materiálu je postupný, „houževnatý“. Hodnota lomové houževnatosti závisí na
soudržnosti fází, na objemovém podílu, ale i na průměru a vzdálenosti
částic. U termoplastů je snaha zlepšovat houževnatost podporováním
mikroplastických deformací. K tomu je ale potřeba dobré adheze mezi plnivem
a matricí, dále zachování optimální velikosti částic a objemového podílu.
Nelze říci, že čím pevnější spojení mezi fázemi, tím houževnatější materiál.
Naopak např. u výše zmíněných epoxidových matricí s tuhými částicemi dochází
ke křehkému lomu. První příznaky poškození se vyskytují, když kompozit
obsahuje slabě nebo vůbec vázané částice, pak dochází k odtržení od matrice
vedoucí, buď k tvorbě relativně stabilních dutin nebo přímo k lomu [4]. Pokud jsou dutiny vytvořeny od větších částic nebo agregátů, je velká
pravděpodobnost vytvoření kritické velikosti trhliny. Větší částice působí
jako defektory, nastává křehký lom za mnohem většího napětí než u nevázaných
částic. Také malé částice, zejména agregáty mají možnost zamezit tvorbě
dutin, tím se nahromadí napětí až se poruší vazba s matricí a nastává křehký
lom. Na druhé straně velké množství malých, rovnoměrně rozptýlených a slabě
vázaných částic iniciuje vznik většího množství malých stabilních dutin,
které umožní matrici se dále deformovat. Obecně nejhouževnatější materiál
získáme z kompozitu obsahujícím téměř monodispergované rozptýlené částice
střední velikosti. Malé částice s dobrou adhezí se také podílí na procesu
zlepšování houževnatosti. Při zátěži v kompozitu nejprve nastane deformace
matrice na mikroskopické úrovni (připomíná strukturu elastomeru v
termoplastu) pak nastane deformace ve větším objemu matrice. Nevázané
částice v houževnaté matrici mají malý vliv na mez kluzu a lomové chování.
Tvorba dutin u dobře vázaných částic vyžaduje větší napětí a energii na
deformaci a chování při lomu. Je sice jednoznačné, že např. při zvyšování
deformační rychlosti při rázové zkoušce hodnocený parametr - energie klesá,
ale zatím nelze vyvodit jednoznačný závěr při zkoumání účinku zátěžové
rychlosti na houževnatost, na rozdíl od zjištěného účinku teploty a napětí.
Toto jednoznačné stanovení komplikuje někdy značný rozsah změn lomových
charakteristik během času. Příčinou zdrojů defektu mohou být:
dutiny na fázovém rozhraní a kolmo k působící síle.
Velikost a způsob deformace závisí na rychlosti
deformace.
při rychlé deformaci se získá rychle dostatek energie na propojení malých
defektů v makroskopickou trhlinu.
při pomalé deformaci roste omezený počet defektů do značné až kritické
velikosti. Při procesu porušování vzniká buď dilatace objemu , což
zapříčiňuje tvorbu některých dutin a puklin, nebo vznikají lokální smykové
deformace [8].
Chování plněných termoplastů [9] je určováno lomovým chováním matrice,
hlavně její houževnatostí. Zhruba lze říct, že závislost na rychlosti
deformace u kompozitu je určena závislostí na rychlosti deformace matrice.
Při středních rychlostech deformace a nižších teplot převládá tvorba dutin a
trhlin. Tvorba dutin se ale většinou dá potlačit buď snížením rychlosti
deformace a vyšší teploty (přichází smykové deformace) nebo za působení
rázové rychlosti i za pokojové teploty, při rázu se předá dostačující
energie na tvorbu nestabilní trhliny s vyústěním v křehký makroskopický lom
[8]. Za přechod mezi křehkým a houževnatým chováním je zodpovědná kritická
vzdálenost částic [10]. Tato vzdálenost je pro danou matrici specifická. Při
nadkritických hodnotách objemového podílu částic (např. oblasti agregovaných
částic), kde jsou částice blízko sebe, dochází k poklesu houževnatosti, což
se vysvětluje vzájemným překrýváním napěťových polí v okolí částic a
zvýšením napětí nad kritickou mez. Při optimalizaci houževnatostních
charakteristik je nutno znát vzájemné korelace mezi morfologií a
houževnatostí. S rostoucí koncentrací částic přitom klesá modul E a mez
kluzu , to ovšem záleží, o jaký typ částic se jedná (tuhé versus
kaučukovité), ale na druhou stranu roste i odpor vůči iniciaci trhliny, také
i množství energie spotřebované na růst trhliny. Klesající teplota mění
přechod mezi křehkým a houževnatým chováním a to především u samotné
matrice. Řízením podmínek při syntéze lze měnit vzdálenost mezi částicemi a
tím ovlivňovat výsledné vlastnosti kompozitu. Tzv. aktivní plniva – částice velmi malých rozměrů, ale s velkým povrchem
též zvyšují pevnost a houževnatost polymeru. Jsou to např. saze, SiO2.
Houževnatost můžeme ovlivnit buď vhodně zvolenými parametry při skladbě
kompozitu nebo modifikací matrice přidáním vhodného elastomeru nebo použitím
vhodného kopolymeru.
3. KOMPOZITY S KRÁTKÝMI VLÁKNY
Patří do skupiny kompozitů s diskontinuální výztuží. Platí pro ně stejné
vztahy, popsané výše pro částicové kompozity obecně (prostorové rozmístění,
adheze, povrch, hraniční fáze atd.). Hlavní rozdíl je ve tvaru jejich
výztuže a tedy z toho vyplývající aspektivní poměr, jenž dosahuje obvykle
desítky až stovky. Díky svému podlouhlému tvaru jsou velmi anizotropní a
vlastnosti kompozitů z nich jsou velmi závislé na orientaci vláken, na
rozdíl od některých částicových kompozitů s víceméně symetrickými/kulovými
plnivy.
Tyto kompozity se připravují podobným způsobem jako kompozity s částicovými
plnivy jiného tvaru. Jejich vyztužující charakter závisí na aspektivním
poměru. Důležitá je volba správné délky vláken [11, 12]. Některé druhy
vláken např. skleněných se upravují apretací, aby se usnadnila manipulace s
vlákny a nepoškodil se jejich povrch. Ke zvýšení přilnavosti vláken k pojivu
je třeba použít vhodnou apreturu nebo vazební prostředky.
O krátkovláknovém kompozitu se mluví, když délka vlákna (přesněji změna
délky vlákna) ovlivňuje vlastnosti celého kompozitu. Rozhraní mezi krátkým a
kontinuálním vláknem je tedy neostré, vlákna s velkým poměrem l/d se svým
chováním blíží ke kontinuálním vláknům. Účinek krátkých vláken se v podstatě
neliší od účinku částicových plniv. S rostoucí koncentrací tuhé nepoddajné
fáze také roste přechodová teplota.
3.1 MECHANICKÉ VLASTNOSTI KRÁTKOVLÁKNOVÝCH KOMPOZITŮ
3.1.1 TEORIE PŘENOSU NAPĚTÍ
Namáhání se přenáší z matrice do vláken smykovým napětím na povrchu vláken
přes konce vláken a válcovým povrchem vláken v okolí konců.. Velikost je
největší na koncích vlákna a směrem ke středu se zmenšuje. Naopak tahové
napětí vzrůstá od nulových hodnot na koncích vlákna směrem ke středu
vlákna a dosáhne, buď maximální hodnoty, nebo mezní hodnoty – je úměrné
hodnotě smykových sil na rozhraní. Je- li vlákno dlouhé, koncové účinky jsou
zanedbatelné, vlákno se chová spíš jako spojité. U krátkých vláken koncové
účinky nelze zanedbat, chování, zpevňující účinky kompozitu jsou funkcí
délky vlákna. Maximální tahové napětí se nemůže zvyšovat donekonečna, ale
dosáhne tzv. mezní pevnosti vlákna, což je možné pouze u vláken s délkou l
lc, pak je vlákno optimálně využito a plní svou vyztužovací a zpevňovací
funkci.
Mezní pevnost je hodnota napětí, kterou by přeneslo spojité vlákno při
zatěžování kompozitu. Kritická délka vlákna může být definována jako
hodnota, kde se již dosáhne mezní pevnosti vlákna (maximálního napětí). Též
je to i maximální hodnota přenosové délky – možno chápat jako délku
přebírající redukované průměrné napětí.. Kritická délka vlákna je důležitá
vlastnost systému, ovlivňuje mezní vlastnosti kompozitu.
Krátký úsek na konci vláken je zatěžován nižší hodnotou napětí než je
maximální napětí, tedy je ovlivněna pevnost, modul pružnosti kompozitu.
Přenos napětí na konci vláken je prakticky bezvýznamný, i když se matrice
přetváří, smykové napětí není konstantní. Proto jsou konce vláken méně
namáhány a nepodílí se tolik na přenosu napětí. Proto vliv konců vláken na
pevnost, modul pružnosti (snížení) kompozitu je výrazný právě u krátkých
vláken a s rostoucím poměrem l/d se zmenšuje.
Dojde-li ke zkrácení vláken pod kritickou délku vlákna, pak ta vlákna
ztrácejí schopnost přenášet vnější napětí napříč kompozitem, a tudíž
přestávají plnit svou vyztužovací funkci. Vlákno se sice neporuší bez ohledu
na zatěžovací napětí, veškeré napětí přebírá často slabší matrice a lom
kompozitu nastává po porušení matrice či rozhraní. Kompozit jako takový se
pak stává prakticky bezcenný.
3.1.2 MODUL PRUŽNOSTI A PEVNOSTI
Podélný a příčný modul jednosměrných kompozitů lze analyticky snadno
vyjádřit pomocí rovnice Halpin-Tsaie. Ta lze použít i pro výpočet modulu
usměrněných krátkovláknových kompozitů. Příčný modul usměrněných
krátkovláknových kompozitů není ovlivněn poměrem l/d, má stejnou hodnotu
jako u dlouhých vláken. U kompozitů s náhodně orientovanými vlákny je určení
vlastností v různých směrech složitější. Lze použít empirickou rovnici pro
náhodně orientovaná vlákna v rovině [12].
EN = ⅜ EL + ⅝ ET
EN je modul kompozitu, EL je podélný modul a ET je příčný modul. EL a ET
mohou být zjištěny buď experimentálně nebo výpočtem. Zde je nutno zachovat
stejné podmínky jako je parametr l/d a objemový podíl počítaného kompozitu.
S rostoucím obsahem vláken roste tuhost kompozitu, ale víceosá napjatost
roste nevýrazně, odpovídá tuhosti ve směru nejmenší tuhosti ( příčné),
nikoliv střední hodnotě modulů E ve směru příčném a podélném [13]. Se
zvyšující se pevností na rozhraní roste i tuhost v kolmém směru (tedy i
víceosá napjatost), ale nijak se nezvýší v podélném směru, pravděpodobně
díky menším skutečným přenosovým délkám vláken. Proto je výhodné rovnoměrné
rozdělení orientace vláken, získá se tím vyšší tuhost vůči rázovému
namáhání.
V souladu s tuhostí pevnost v podélném směru bývá vyšší než v příčném. Dále
závisí na pevnosti rozhraní, v případně silnější vazby na rozhraní se
projevuje větší vyztužovací účinek díky zkracující se lk. U slabého rozhraní
se pevnost s obsahem nadkritických vláken téměř nemění. V příčném směru je
pevnost dokonce menší než u samotné matrice, protože příčná vlákna
nevyztužují a navíc svým vrubovým účinkem zeslabují matrici. Se snižující
teplotou roste pevnost kompozitu, zde je patrný vliv matrice.
3.1.3 LOMOVÁ HOUŽEVNATOST, ÚNAVA, RÁZ
Vyztužovací mechanismus u krátkých vláken je odlišný než u vláken dlouhých.
Zvýšení pevnosti je dosahováno jak rozdělením zatížení mezi vlákna a
matrici, tak i omezením přetváření matrice mezi vlákny. Kdybychom chtěli
srovnat obě skupiny kompozitů dle účelu použití, pak:
dlouhovláknové (spojité) kompozity jsou lehké, vysoce pevné konstrukční
materiály, plně konkurenceschopné v soutěži s konvenčními materiály, často i
lepší.
krátkovláknové kompozity jsou spíše chápány jako zesílené náhrady plastů,
proto často srovnávány s nevyztuženými plasty nebo kovy na vstřikování apod.
V některých případech jsou schopny konkurovat konvenčním materiálům pro
konstrukční účely.
Pravděpodobné mechanismy způsobující houževnaté chování jsou: vytahování
vláken z matrice pod napětím a případně štěpení matrice podél vláken.
V místě trhliny, tam kde je působící napětí největší, se vlákno během
otvírání trhliny napíná, klouže podél matrice a tím koná práci. Po porušení
se vlákno může stáhnout zpět do matrice, uvolní se dosud uchovaná elastická
energie. Některá vlákna jsou schopna se oddělit od matrice v blízkosti čela
trhliny. Po separaci, musí napětí zůstat konstantní podél vlákna , pak se
vlákno poruší v místě nedokonalosti a vytáhne se. To pak redukuje průměrné
napětí ve fragmentu, ten pak může disipovat větší množstvím energie během
vytahování [14]. Uvolňování vláken může právě houževnatost zlepšit.
V případě štěpení podél vlákna se redukuje napěťová koncentrace na špičce
trhliny a tím silně inhibuje další šíření trhliny. Nevýhodou materiálů
náchylných ke štěpení jsou špatné vlastnosti ve smyku.
3.1.3.1 Stanovení lomové houževnatosti
Ke stanovení se používá více koncepcí, základní výběr je podle chování
tělesa s trhlinou [15]:
koncepce LEFM – předpokládá se, že materiál se chová lineárně elasticky
až do lomu, nemůže být aplikována pro příliš malé vzorky, neboť vyžaduje,
aby deformační zóna u čela trhliny byla mnohem menší než délka trhliny a
rozměry vzorku.
koncepce elastoplastické lomové mechaniky FBM – předpokládá se, že v
kořeni trhliny vzniká nezanedbatelná plastická zóna. Též se používá na
určení kritérií selhání pro elastoplastické chování před vznikem lomu.
Podobně lze použít koncept „bridging-law“32 (definován v kapitole o
kompozitech s termosetickou matricí).
koncepce COD (u houževnatého materiálu) – šíření trhliny je kontrolováno
kritickou plastickou deformací v kořeni trhliny. Měřítkem je otevření v
kořeni trhliny CTOD ().
koncepce J-integrálu (rozšířený FBM). J-integrál je křivkový integrál
nezávislý na integrační cestě, která je uzavřená kolem kořene trhliny. Růst
trhliny nastane tehdy, jestliže hodnota J-integrálu pro daný materiál
přesáhne kritickou hodnotu. Často se používá jednoduchého vztahu [15]:
J = 1B . (dU/da)
B-tloušťka tělesa, dU – změna deformační práce, da – změna délky trhliny
R-křivky (u vysoce houževnatých materiálů) – na stanovení odporu materiálu
proti šíření trhliny. Zde se používají parametry J, případně v závislosti
na prodloužení trhliny.
Ji - Tj – Ji je kritická hodnota J-integrálu a Tj modul trhání. Dle této
koncepce vzniká stabilní růst trhliny tehdy, jestliže přebytek disipované
energie v plastické zóně je kompenzována růstem trhliny. Je to vlastně
citlivý indikátor změny houževnatosti u mnoha materiálů. Na Obr. 2 [15] jsou
uvedeny mechanismy selhání u kompozitů s krátkými vlákny.
Obr. 2.: Mechanismy selhání u kompozitů s krátkými vlákny. A – lom vlákna, B
– trhlina obcházející vlákno, C – vytahování, D – odtrhávání, E – plastická
deformace a selhání matrice.
Většina plastů při běžných rychlostech zkoušky a normální teploty se chová
víceméně houževnatě. V závislosti na provozních podmínkách se i houževnaté
plasty mohou porušit křehkým způsobem, proto je nutno stanovit Kic, popř.
dynamické Kicd. Pro křehké materiály jsou známy vztahy, které dávají
kompatibilitu obou kritérií. U kvazikřehkých a houževnatých materiálů není
kompatibilita zaručena ani u homogenních materiálů. Přesto dříve uvedené
metody (vruby, Kic, J-integrál) lze použít pro hodnocení soustav
termoplast-plnivo. Kompatibilnost jednotlivých kritérií je diskutabilní,
někde je závislost na geometrii, někde se musí splnit podmínky pro např.
rovinnou deformaci apod. Houževnatost závisí na podmínkách měření, tedy i na
velikosti vzorku, především jeho tloušťce – malé vzorky vykazují
houževnatější chování, i když takové nejsou, než přirozeně křehké velké
vzorky [16]. Proto je nutno závěry ze záznamů vyvozovat opatrně.
4. WHISKERY, DESTIČKY (PARTICULATES), NANOTUBES
Whiskery a destičky spadají do skupiny diskontinuální výztuží. Od nich se
odlišují především tím, že to jsou monokrystaly, na rozdíl od jinak
polykrystalických vláken a částic. Vykazují výborné mechanické vlastnosti,
ve srovnání s částicemi. Díky své monokrystalické struktuře nejsou hranice
mezi zrny, z čehož vyplývá:
malá defektnost
lepší creepová odolnost
vyšší teplotní kapacita
teoretická pevnost je v blízké shodě s pevností v praxi.
4.1 WHISKERY
Whiskery obvykle dosahují rozměrů 0,01-10 m, mají velký povrch, často mají
nekruhový průřez – tvar bývá dle konkrétní krystalické struktury, může být
trojúhelníkový, šestiúhelníkový, rhombický i jiného tvaru. Průměr
monokrystalu je definován jako odmocnina plochy nekruhového průřezu. Tvar
whiskeru ovlivňuje mezifázovou oblast, což má vliv na fyzikální a mechanické
vlastnosti kompozitu. I u whiskeru se udává aspektní poměr. Obvykle dosahují
poměru více než 10, stejně jako u destiček.
Whiskery mohou v kompozitu existovat jako samotná výztuž nebo se používá v
kombinaci s vlákny, nejvíce na zlepšení houževnatosti. Nečastější mechanismy
porušení jsou: vytažení whiskerů z matrice a vytváření můstků. Nedávné
výzkumy objevily, že whiskery mohou fungovat jako dokonce supervodivé plnivo
[3]. Výroba whiskerů bohužel se potýká s potížemi. Často je riskantní pro
zdraví, další potíž je v dosažení rovnoměrné distribuce, proto probíhají
výzkumy na syntézu whiskerů in-situ [3].
Whiskerů existuje mnoho druhů, zde jsou uvedeny jen nejznámější, či nejvíce
používané [3]:
C-whiskery
Mají nejvyšší specifickou pevnost a modul E mezi ostatními existujícími
výztužemi. Vyznačují se též vysokou elektrickou vodivostí, nevodivý polymer
se po přidání C-whiskerů stane vodivým až dokonce supervodivým. Jeden ze
způsobů výroby C-whiskerů je depozice par obsahující C2H4, s katalyzátorem
Cu-Ni při 400-330°C. Stupeň grafitizace stoupá s teplotou, při 330°C má
whisker lepší vlastnosti jako např. větší průměr, větší aspektní poměr, je
méně zkroucen než při grafitizaci při 400°C.
Keramické whiskery
Existují ve více krystalických formách, často se používají do keramických
matricí, např.. SiC. Jako další přiklad lze uvést Si3N4.
Al, mullite whiskers
Vyznačují se nízkou tepelnou vodivostí, používají se tedy jako izolátory
tepla.
Ti whiskery
Používají se na bílou oxidovou keramiku, do hliníkových matricí. Např. TiC,
TiN whiskery.
Další whiskery mohou být Al-B whiskery, nebo SiO2 whiskery – jsou amorfní,
pro polymerní matrice. Mají vysokou vyztužovací schopnost díky jejich
extrémně vysoké pevnosti vzhledem k jejich velikosti .
4.2 VLOČKY A DESTIČKY
Jejich výhodou je jejich velmi hladký povrch, neorientují se ve směru toku
jako whiskery. Jsou méně anizotropické než whiskery, kompozity z nich mají
nižší tendenci k deformaci než kompozity s whiskery. Také umožňují dosáhnout
relativně vyššího objemového podílu u keramické matrice, díky nižšímu útlumu
zhutňování matrice. V keramických matricích existuje několik mechanismů
efektu zhouževnatění – jako je uvolnění vazby
mezi matricí a whiskery, odklon trhliny, prasknutí můstků a vytažení
výztuže. Všechny mechanismy mohou existovat v různé míře, závisí na
aspektním poměru a morfologii vyztužující fáze a v neposlední řadě i na
vlastnostech mezifáze.
Do polymerních matricí se nejčastěji používají slídové vločky jako levná a
přitom výborná výztuž. Zvláště efektní je v polárních termoplastech, ale
taky je účinná v nepolárních termoplastech a v termosetech. Může zaujmout až
80% objemového podílu. Slídové vločky mívají vrstevnatou strukturu,
vyznačují se vysokou pevností a tuhostí, tepelnou vodivostí, nízkým
koeficientem teplotní roztažnosti, dobrou teplotní a chemickou odolností,
nízkým koeficientem tření, výbornou dielektrickou konstantou [3].
Van der Waalsovy síly mezi vrstvami jsou slabé, proto se destičky snadno
štěpí na tenké ohebné plátky (vlastně se tím odlišují od ostatních
silikátů), štěpením podél tenkého plátku vznikají právě slídové vločky.
4.3 NANOTUBES [17]
Podobně jako whiskery, jsou také acikulární monokrystaly s vysokým aspektním
poměrem, mají málo defektů. Jejich vlastní pevnost nebývá nižší než nejvyšší
pevnosti a moduly u ostatních existujících whiskerů.
Uhlíkové nanotuby
Vyznačují se vynikajícími mechanickými vlastnostmi, jejich nevýhodou mohou
být problémy při výrobě. Mají slabou adhezi k matrici, nízký frikční
koeficient. Slabší adheze k matrici je spíše výhodou u houževnatění
kompozitu, při porušování se spotřebuje více energie. Délka nanotub musí být
delší než kritická, podobně jako u krátkých vláken. Jejich většímu rozšíření
zatím brání jejich vyšší cena, vyřešení technologie produkce výrobků s
vysokou čistotou a možná, v poslední době diskutovaná, toxicita [18, 19, 20,
21].
5. KOMPOZITY VYZTUŽENÉ PÁSKAMI
Zde je jako výztuž páska, kterou můžeme chápat jako vlákno s pravoúhlým
průřezem, kde šířka je mnohem větší než tloušťka. Z jiného pohledu je můžeme
zařadit mezi destičky. Dle tvaru a způsobu uspořádání výztuže můžeme
kompozity z nich rozdělit do dvou skupin [14]:
S pravoúhlými, příp. čtvercovými destičkami – můžou mít pravidelné,
či nepravidelné uspořádání, dále symetricky či nesymetricky rozložené..
Nutno upozornit, že nelze zaměňovat pojmy pravidelné a symetrické
uspořádání. Existuje uspořádání, které je pravidelné, ale přitom
nesymetrické. Závisí na způsobu, jak jsou uspořádány překrývající konce
pásek/destiček a velikost jejich překrývání, zda je všude stejná, či ne.
Z toho pak vyplývá jejich symetrie
a také rozložení napětí v jednotlivých částech výztuže. Jejich aspektní
poměr se vyjadřuje poměrem délky strany destičky ku tloušťce.
Kruhové
destičky s nepravidelným uspořádáním anebo s pravidelným, jak v
lineárním uspořádání, tak v hexagonálním uspořádání. Jejich aspektní poměr
se vyjadřuje poměrem průměru kruhu ku tloušťce.
U různých způsobů kladení výztuže bývá různě složitě rozložené napětí ve
výztuži, z toho vyplývající chování při zátěži, více v lit. [14].
Kompozity vyztužené páskami vykazují vysokou pevnost a tuhost ve 2 směrech v
rovině kompozitu. Jsou téměř izotropní v rovině desky. Vykazují velkou
odolnost vůči proražení ostrými předměty, zároveň vykazují sníženou
propustnost plynů a kapalin ve srovnání s polymery, kompozity. Pásky mohou
být orientovány buď napříč k směru šíření trhliny nebo podél směru šíření
trhliny, viz Obr. 3 [14].
Obr.3.: Destičky orientované napříč (a) a paralelně (b) vůči směru šíření
trhliny.
Aby kompozit vyztužený páskami vykazoval vysokou pevnost, musí být při jeho
přípravě dodrženy určité postupy [12]:
pásky musí mít dobrou adhezi k matrici, jinak
rapidně klesá pevnost s koncentrací pásek
matrice musí být houževnatá s vysokým mezním přetvořením
je nutno zajistit pravidelné uspořádání, plochy jejich překrývání musí být
nad kritickou hodnotou, což je technologicky náročné
v kompozitu by se neměly vyskytovat téměř žádné bubliny a místa se špatnou
adhezí.
Pro zlepšení houževnatosti se osvědčily 2 konfigurace destiček ve vztahu ke
směru čela trhliny [14]:
kolmo k laminátům – šíření v jinak poměrně
tvrdém kompozitu inhibováno jednotlivými měkkými vrstvami laminátů.
paralelně s laminátem – lamináty mají tendenci se rozdělovat přímo před
trhlinou, tím se redukuje napěťová koncentrace a způsobí odchýlení trhliny.
6. DEFORMACE A LOMOVÉ MECHANISMY U KOMPOZITŮ S TERMOSETICKOU PRYSKYŘICÍ
Zatím jsme se zabývali, v obecném smyslu, chováním buď kompozitů s oběma
typy matric (termoplastická, termosetická) nebo jen s termoplastickou
matricí. Dosud bylo provedeno poměrně málo studií výlučně zaměřených na
krátkovláknité kompozity s termosetickou matricí [22]. Termosety se díky své
síťované struktuře, chovají odlišné od semikrystalických termoplastů,
vykazují jiné deformační chování a uplatňují se u nich ve větší míře jiné
lomové mechanismy. Obecně - tuhost, pevnost a houževnatost u termosetických
matricí souvisí se stupněm vytvrzení (síťování). Zcela zesíťované matrice
bývají poměrně tuhé a křehké. V předchozích kapitolách uvedené deformační a
lomové mechanismy pro kompozity s křehkou matricí jsou v podstatě mechanismy
platné i pro kompozity s termosetickou matricí. Zde převládají dva
deformační mechanismy [4] – porušení vazby mezi matricí a částicemi a
postupný vznik smykových pásů v mikroobjemu matrice. Dále podle citlivosti
matrice na šířící se trhlinu může převládnout některý ze tří níže uvedených
mechanismů [4]:
pouhé porušení vazby vedoucí ke křehkému lomu,
nejčastěji za nízké teploty,
omezené porušování vazby před počátkem šíření trhliny, spojené s částečným
poškozením matrice v objemu, převážně za středních teplot. Často je zde
evidentní souvislost mezi intenzitou napětí a rychlosti šíření trhliny – z
toho lze zhruba odhadnout životnost vzorku. Na lomové ploše vzorku po
zkouškách se vyskytují poměrně hladké lomové zóny.
za vyšších teplot, matrice je méně křehká, vznikají rozsáhlé deformace v
objemu matrice před šířením trhliny. Vlastní šíření trhliny je způsobeno
propojováním dutin, díky nim je umožněno matrici se dále plasticky
deformovat postupnými smykovými mechanismy v mikroobjemu. Lomové plochy již
porušených vzorků jsou hrubé.
Při namáhání v tlaku [4] jsou pozorovány smykové pásy v matrici, porušení
vazby mezi plnivem a matricí, porušení částic vedoucí k lomu částic,
mikrotrhlinky v matrici podél zóny porušených vazeb. Často jsou to
nenávratné změny objemu těsně před mezí kluzu.
Pod působením zatížení se většina plněných síťovaných termosetů a tuhých
termoplastů poruší křehce před mezí kluzu. Porušení nastává po objevení,
případně aktivování kritického defektu. Kritéria pro odhad síly, vedoucí ke
křehkému porušení jsou [4]:
napětí v matrici ve směru působící síly
v případě dobré adheze plniva k matrici – napětí kompozitu i matrice
většinou klesá s rostoucím obsahem a průměrnou velikostí částic
pro případ špatné adheze – napětí se přenáší přes síťované pojivo kolmo na
hlavní směr působícího síly.
základní trhliny – velikost trhlin závisí na heterogenitách jako jsou
velikost částic, špatně vázané slabé částice, trhliny vzniklé během procesu
zpracování.
6.1 VLIV ČÁSTIC NA KIC TERMOSETICKÝCH PRYSKYŘIC [4]
Dobře vázané částice ovlivňují makroskopický lom a tím i často Kic. Pro
mnoho systémů platí, že s rostoucím objemovým podílem částic roste i Kic,
neplatí to ale vždy. Termosety s vláknitými plnivy mívají lepší Kic než s
kuličkovými plnivy. V případě „ slabých“ částic je Kic limitováno samotným
porušením částic.
6.2 KRÁTKÁ VLÁKNA A TERMOSETICKÁ MATRICE
Pro stanovení lomových charakteristik u krátkovláknových kompozitů lze
aplikovat „crack-bridging“ koncept, který kombinuje fyzikální popis
poškození a chování makroskopického materiálu. Podstatnou část určuje tzv.
bridging-law [23] – popisuje lomové chování materiálu v poškozené
„přemostěné“ zóně, která u polymerních kompozitů bývá často rozsáhlá, ve
smyslu velikosti porušovacího napětí jako funkce otevírání trhliny. Také
hledá spojitost mezi makroskopickým lomovým chováním a lomovými
mikromechanismy pomocí tzv. law-bridging parametrů. Důležité jsou většinou
tři, a to [24, 25]: maximální lokální napětí pro odtržení/síla
o, maximální
třecí síla a maximální posun/rozevření trhliny
o, kdy vlákna přestávají
přenášet zátěž . Dle průběhu pull-out lze „bridging-law“ rozšířit na 4
parametry (např. 1, 2 a
1, 2) [24] nebo je zúžit na dva -
a [25]).
S pomocí tohoto zákona v souvislosti s analýzou napětí lze určit mechanické
vlastnosti závislé na geometrii, jako jsou pevnost, houževnatost, vrubová
houževnatost apod. V popředí zájmu jsou dva typy použití „bridging-law“:
zjednodušené, s několika parametry pro
aplikace strukturního designu, aby se dosahovalo požadovaného lomového
chování [26]
podrobné pro mikromechanické studie.
6.2.1 LOMOVÁ ENERGIE
U krátkovláknových kompozitů, v některých případech Kc nebo Gc závisí na
délce trhliny. Hodnoty s indexem c patří ke kritické hodnotě faktoru
intensity napětí tedy lomové houževnatosti, což je materiálová konstanta.
Pokud tedy je tato hodnota závislá na délce trhliny, tak zvolený vzorek
neodpovídá podmínkám pro stanovení lomové houževnatosti, pak to nemůže být
materiálová vlastnost. Lze se tomu vyhnout použitím dostatečně velkých
vzorků.
S rostoucí trhlinou roste i velikost přemostěné zóny a otevírání trhliny, a
tím i G do určitého bodu, kde dosáhne podmínky tzv. ustáleného stavu Gc Ta
je závislá na délce trhliny a tím i na Vf. S rostoucím Vf roste i napětí do
porušení a Gc, poměrně úměrně.
Mechanismus porušování je závislý na délce vláken. U velmi krátkých vláken (
ale nad lk) je dominantní vytahování vláken z matrice ( pull-out), v řádu
mm, se širší poškozenou zónou než u delších vláken, protože se trhlina více
odchyluje od „vytyčené cesty“, vlákna se průběžně vytahují během otevírání
trhliny, to se projeví na spojitosti závislosti G vs. otevírání trhliny. Dá
se říci, že průběh pull-outu je v cca 3 etapách [24, 25]:
elastic bonding- s rostoucím posunutím prudce vzroste odtrhovací síla až
do vrcholu, kde nastává
unstable debonding – s prudkým poklesem za současně malého posunutí
frictional sliding – zde napětí pozvolna klesá až na nulu, přitom dochází
k velkému posunutí trhliny, projeví se počáteční účinek vazby a tření na
rozhraní.
Zjednodušeně řečeno, nejprve dojde k úplnému odtržení vazby na rozhraní a až
pak k vytahování vláken. Bylo zjištěno, že se přednostně více vytahují
vlákna z jedné strany matrice/laminátu, nejspíš díky dřívějšímu poklesu
energie právě na této straně [24].
U delších vláken dochází k podstatně většímu množství porušování vláken,
křivka vykazuje nespojitosti. Pokud jsou srovnávány dva vzorky o různé
geometrii, Gc nemusí být stejné, už jen kvůli odlišným směrům vychýlení
vláken z matrice. Díky odlišným lomovým mechanismům může být napětí do
porušení vyšší než příslušná jednoosá pevnost.
6.2.1.1 Vliv délky vláken
S větším Vf klesá vliv modulu matrice, proto Youngův modul laminátu není
citlivý na jednotlivé moduly matric. U kompozitů s:
krátkými vlákny nebyl zjištěn podstatný rozdíl
mezi houževnatou a křehkou matricí v pevnosti a napětí do porušení.
u delších vláken, kompozit s houževnatou matricí vykazoval vyšší pevnost a
napětí do porušení než u kompozitu s křehkou matricí.
Lomová energie u pull-outu i frakce sice stoupá s délkou vlákna, ale od
určité délky prudce se zvýší energetická náročnost pull-out mechanismu
natolik, že se začne postupně zvyšovat podíl mechanismu frakce vláken
vyžadující přece jen menší energii, na úkor vytahování vláken (pull-out).
Proto, i když je u delších vláken vyšší napětí do porušení, tak délka vlákna
by neměla být o moc delší než přibližně dvojnásobek kritické délky, jinak se
počne měnit mechanismus porušování. Optimální délka vláken, je délka, kdy je
ještě maximální pull-out mechanismus za nejvyššího možného napětí, na křivce
symkový modul vs. délka vláken je v tom místě vrchol. Lomová energie má
ještě souvislost s vrubovou citlivostí [27], ta závisí na řádové velikosti
vrubu. Vrubová citlivost se výrazněji projeví, když je vrubová pevnost
změřená na tělese s vrubem asi menší než 85% pevnosti nevrubové. Vrubová
citlivost závisí na délce vláken a na druhu matrice, s rostoucí délkou
vláken a houževnatostí matrice se vrubová citlivost poněkud zvyšuje, také i
velikost poškozené zóny.
Toto byl sice zjednodušený model pro kompozity s křehkou matricí, v reálných
polymerech mohou probíhat i jiné mechanismy porušování. Nicméně mechanismus
vytahování vláken bývá převládající. Celkově lze zhruba shrnout, že na „bridging“
(přemostění) a smykový modul mají vliv strukturní parametry jako jsou:
objemový podíl Vf
délka vláken
průměr vláken
mezifázové smykové napětí při vytahování vláken
kritická délka vláken lk (ta je ovlivněná konkrétní matricí).
Nutno poznamenat, že při působení mechanismu pull-out se vlákna vytahují po
svazcích, zřídka jednotlivě. V tom případě se posuzuje nikoliv vliv délky (aspektivní
poměr) jednotlivých vláken, ale aspektivní poměr svazku [22].
6.2.2 ÚNAVA
Při dlouhodobé cyklické zátěži dochází k materiálové únavě, ta se projevuje
snížením mechanických vlastností, např. modulů. Nebo také náhlým
katastrofickým únavovým lomem. Únavové selhání se projeví, když zbytková
pevnost je rovna maximálnímu aplikovanému napětí. Ten nastává zejména u
křehkých materiálů. Termosetické matrice kompozitů bývají většinou křehké, a
proto je snaha předejít náhlému únavovému lomu. Do určité míry se tento
nepříznivý jev dá zmírnit přídavkem flexibiliseru do matrice [28].
Přídavkem optimálního množství flexibiliseru, kdy se začne projevovat
houževnatost matrice, se zvýší napětí před přetržením, pevnost v tahu nabývá
maxima a sníží se elastický modul. Někdy se projeví prodlužování před
přetržením, v řádu několika %. Předpokládá se, že zvýšením napětí do
porušení se může odsouvat, či „ztratit“ nepříznivý únavový efekt. Bylo ale
zjištěno, že výhoda houževnatějších matric mizí po dlouhé době zatížení
(vysokém počtu zatěžovacích cyklů). Pravděpodobně je to „slabým“ odporem
matric proti únavovému selhání. Bylo ale zjištěno, že se tím poněkud také
může zkrátit životnost kompozitu (snížení počtu únavových cyklů před
selháním) [29]. K tomuto tématu je třeba provést více studií [22]. V
literatuře [28] se vyskytla informace, že křehké matrice dokonce zaručují
lepší únavové vlastnosti. Proto v otázce životnosti kompozitu hraje matrice
důležitou roli. Hlavním faktorem ovlivňující únavové chování je druh
vyztužujících vláken [22]. Menší únavovou citlivost vykazovalo použití
vláken s vyšším modulem. Např. kompozity se skleněnými vlákny, nebo Kevlarem
49 vykazují progresivní degradaci se zvyšujícím počtem cyklů a kompozity s
uhlíkovými vlákny jsou poměrně stabilní po většinu doby své životnosti a pak
najednou podlehnou náhlému únavovému lomu [29]. Chování krátkovláknitých
kompozitů při únavě je podobné chování svých protějšků s kontinuálními
vlákny [22, 29].
7. SHRNUTÍ O KOMPOZITECH S DISKONTINUÁLNÍ VÝZTUŽÍ
Není vůbec jednoduché vyrobit ideální kompozit, respektive kompozit naprosto
vyhovující všem náročným požadavkům na mechanické, chemické a fyzikální
vlastnosti. Zlepšení jednoho parametru mechanických vlastností často vede k
zhoršení jiného. Proto výsledný kompozit je dílem kompromisu se zaměřením na
určitou skupinu mechanických vlastností, které nejvíce vyžadujeme. Přesto
nespočetné výhody převažují nad
nevýhodami a jsou právoplatně smělou konkurencí k převážně jednosložkovým,
často izotropním materiálům v řadě oblastí aplikací od průmyslu až po
medicínu.
Hlavní výhody diskontinuálních plniv, jako jsou whiskery, částice různého
tvaru, destičky, vločky a krátká vlákna, nad kontinuálními vlákny spočívají
v tom, že:
jsou často a také podstatně levnější (kromě whiskerů)
umožňují použití obvyklých technologií zpracování (vstřikování, odlévání,
práškové procesy, případně depozice par.).
umožňují více možností modifikace parametrů výztuže a matrice, tím i
ovlivnění výsledných vlastností kompozitů.
V polymerních matricích jsou nejčastěji používané minerální výztuže jako
jsou vločky, destičky, částice – jsou to nejlevnější výztuže vůbec a při
výrobě kompozitu je možno dosáhnout isotropních vlastností. V keramické a
kovové matrici zase destičky a whiskery – ty mají výborné specifické
vlastnosti a vydrží vyšší teplotu než vlákna.
8. TECHNOLOGIE VÝROBY KOMPOZITŮ
V současné době se dle účelu dalšího použití nejčastěji používají tyto
způsoby:
RRIM – hlavně PUR matric, suspenze s nasekanými výztužnými vlákny je
vstřikována do uzavřené formy.
IM – vstřikování suspenze taveniny termoplastu (termosetu) a krátkých
vláken nebo částic do uzavřené formy.
SMC(R) – lisování prepregu s vlákny v podobě měkké a ohebné desky.
Stříkání – na otevřenou formu se stříká směs katalyzované pryskyřice a
krátkých vláken.
Kontinuální laminování – na vrstvičku pryskyřice se sypou nasekaná vlákna,
pak se vrstva tvaruje.
Rotační odlévání – na výrobu potrubí, do ocelové trubkové formy je vlévána
směs pryskyřice a sekaných vláken.
Pultruze – u nahodile uspořádaných vláken
Extruze – pro částicovou i krátkovláknovou výztuž, Vf 10-30%.
Tlakové vstřikování – několik způsobů: SMC (plocha), BMC (v objemu), GMT
(skleněná rohož + termoplast); nahodile uspořádaná krátkovláknová výztuž
Tepelné formování – hlavně laminátů.
9. ČÁSTICOVÉ BIOKOMPOZITY
Z částicových výztuží jsou v biomedicínckých aplikacích nejrozšířenější
Al2O3, SiO2, skla a bioaktivní skla, hydroxyapatit (HAp), obecně hlavně
keramické částice.
9.1 HYDROXYAPATIT (HA, HAp) [30, 31]
Bioaktivní keramický materiál (zejména s tvrdými tkáněmi, také s kůží a
svaly). Je schopen vytvářet přímé vazby s kostí. Bohužel má poměrně slabé
mechanické vlastnosti, proto se jeho aplikace omezují na použití do nepříliš
namáhaných aplikací. Vyskytuje se ve více formách.
9.1.1 ČISTÝ HAp
Vykazuje Kic menší než 1, což je méně než kost, z toho také vyplývá malá
mechanická spolehlivost. Dále ohybová pevnost cca 200-1000 MPa, dle podmínek
měření.
Lze připravit dvěma hlavními způsoby:
mokrou cestou – srážením, hydrotermální technikou, hydrolýzou kalcium
fosfátu
reakcemi v pevném stavu – sintrováním.
9.1.2 HAp KERAMICKÉ KOMPOZITY
Keramické kompozity na bázi HApu mohou mít několik druhů výztuží – částice,
destičky, whiskery, nanočástice, vlákna. V závislosti na druhu výztuže se
dosahuje Kic 1,4 – 3,9 u kovových vláken až přes 7 MPa.m1/2. Výztuž v HAp
kompozitech sice zvyšuje pevnost a houževnatost, avšak přidáním „cizího“
materiálu do HAp matrice může dojít k poklesu biokompatibility. Příměsi
mohou také podporovat rozklad HAp na TCP vedoucí ke zvýšení biodegradability.
Problematické je také zvyšování modulu přidávání tužší výztuže. Hlavní
výhodou keramických kompozitů je dobrá korozní odolnost, otěruvzdornost a
minimální tkáňové reakce, nevýhodou je jejich obtížná příprava. Příkladem
HAp keramických kompozitů jsou např. HAp/CaSO4 nebo HAp/TCP [30].
9.1.3 HAp KOMPOZITY A BIOAKTIVNÍM SKLEM
Kombinace HApu s bioaktivním sklem vede ke zlepšení mechanických vlastností
bez změny degradability a bez snížení bioaktivity. Nejčastěji se používají
pro méně namáhané aplikace.
bioaktivní sklokeramika – vzniká krystalizací z HAp a/nebo ostatních
krystalických fází ze sklovité matrice za tepla. Vykazují vyšší pevnost než
čistý HAp jak in vivo, tak i in vitro. Kic je v rozmezí 1 – 2,6 MPa.m1/2 a
pevnost dosahuje 100 – 200 MPa. Dají se připravit jednoduchou sintrací,
reakce mezi HAp a sklem závisí na teplotě a složení skla.
HAp keramika s malým množstvím skla – na zlepšení hustoty, pevnosti a/nebo
mechanických vlastností. Kic je v rozmezí 1,3 - 1,7. Bohužel přidání
bioaktivního skla podporuje rozklad HAp a vznik TCP.
9.1.4 HAp/POLYMER KOMPOZITY
Používají se na zlepšení spolehlivosti, snížení tuhosti. HAp prášek může při
nízkých Vf vyztužovat polymer. HAp s polymerní matricí bohužel vykazuje
nižší mechanické vlastnosti než lidská kost, proto jejich aplikace se
omezují do nepříliš namáhaných částí, jako je např. spodina očnice.
Dále jsou známy např.
HAp/PE – s rostoucím obsahem HAp roste Youngův modul (1 – 8 MPa) a
bioaktivita, naopak klesá houževnatost. Nejlepší lomové houževnatosti bylo
dosaženo s HAp pod 40% a v rozmezí 45-50% [30]. Bohužel nejsou
biodegradabilní, přítomnost bioinertního PE snižuje schopnost vazby s kostí.
HAp/kolagen – podobné složení jako kosti, ale už ne s tak komplexní
mikrostrukturou. Stále vykazuje slabé mechanické vlastnosti, ale vyšší osteokonduktivitu než samotný HAp nebo kolagen. Proto jsou považovány za
efektivní výplně do větších defektů.
HAp/poly(L-laktid) – některé mechanické vlastnosti zčásti se překrývající
s mechanickými vlastnostmi kostí. Překážkou v jejich rozšíření jsou toxické
účinky objevené u některých produktů biodegradace a tření [30].
9.2 KALCIUM FOSFÁT (CP) [32, 33]
TCP (trikalcium fosfát) je stechiometricky podobný amorfnímu biologickému
prekursoru kosti. Žádný z uměle připravených CP neexistuje v přírodě, ale i
tyto vykazují srovnatelné biologické chování [33]. Na rozdíl od HAp je TCP
více degradabilní. Největší problém při výrobě je kontrola pórovitosti (vliv
na vrůstání kostní tkáně).
Mechanické vlastnosti CP závisí na:
vhodné hustotě – nemůže se zvýšit nad mez
kvůli pórům; struktury s vyšší hustotou a krystalizací mají sice větší
pevnost, ale podléhají pomalejší resorpci.
vlastnostech základních materiálů - je nutno, aby byly biokompatibilní a
bioresorbovatelné.
architektuře uspořádání struktury – úpravou se dají jednoduše změnit
mechanické vlastnosti, hlavně pevnost a nezávisle odolnost vůči defektům.
9.2.1 KOMPOZITY S CP JAKO MATRICÍ
V tomto případě se jako výztuž používají houževnaté kovy (Al2O3, CoCr
slitiny, Ag, Ti, nerez ocel). V částicové formě zlepšují pevnost a
houževnatost až o 50% oproti monolitickým materiálům. I použitím křehké
výztuže (např. ZrO2 částice) vzroste pevnost až nad 500 MPa a houževnatost
až 2,7 MPa.m1/2, což jsou vyšší hodnoty než s použitím SiC whiskerů. Nutno
připomenout, že zlepšení pevnosti a houževnatosti pomocí takové výztuže,
vždy nevede ke zvýšení životnosti. Také musíme vzít v úvahu možné reakce s
okolní tkání a narušováním osteogeneze (tvorby kostní tkáně).
10. POUŽITÉ SYMBOLY A ZKRATKY
11. LITERATURA
[1] Jean-Marie Berthelot, Composite Materials, Mechanical Engineering Series,
1998
[2] Richard.A.Bareš, Kompozitní materiály, SNTL Praha, 1988
[3] Azar Parvizi-Majidi.: Whiskers and Particulates. Comprehensive Handbook
of Composite Material, Volume 1 (2000); pp. 175-198.
[4] H.H.Kausch, Ph.Béguelin.: Deformation and Fracture Mechanisms in Filled
Polymers. Macromol. Symp. 2001, 142, 79-87.
[5] Sun C.J., Safari P. at al.: Effects of particle arrangement on stress
concentrations in composites.: Materials Science and Engineering A 405
(2005) 287-295.
[6] kolektiv autorů, Polymerní kompozity, edice Macro M-18, Ústav
makromolekulární chemie AV ČR, 1990
[7] Debnath S. at al.: Interface effects on mechanical properties of
particle-reinforced composites.: Dental Materials (2004) 20, 677-686.
[8] C.J.G.Plummer, Ph.Béguelin, H.H.Kausch.: Microdeformation in core-shell
particle modified polymethylmethacrylates. Colloids and Surfaces A:
Physiochemical and Engineering Aspects 127 (1999) 281-296.
[9] Nezbedová E., Poněšický J., Sova M.: Fracture toughness of filled
thermoplasts at dynamical tests. Walter de CruyberCo, Berlin-New York 1986.
[10] Nezbedová E., Gahleitner M., Fiebig J., Grellmann W., Seidler S.,
Starke J.U., Koch T.: Vícefázové PP-systémy, vztah mezi strukturou a
houževnatostí. Plasty a kaučuk 34, (1997), 292.
[11] B.Meisner, V.Zilvar, Fyzika polymerů, SNTL Praha, 1987
[12] Bhagwan D. Agarwal, Lawrence J. Broutman, Vláknové kompozity, překlad
SNTL Praha, 1987
[13] Poněšický J., Nezbedová E.: Polypropylen s krátkými skleněnými vlákny
při jednoosé a víceosé napjatosti s rázovým zatížením. Strojírenství 39
(1989), 747.
[14] M.R.Piggott.: Load Bearing Fiber Composites. Pergamon Press 1980. ISBN
0-08-024230 tvrdé desky, ISBN 0-08-02431-6 měkké desky.
[15] Grellmann W., Seidler S., Nezbedová E.: Lomově mechanické stanovení PP/SV
pomocí R křivek. Plasty a kaučuk 27, (1990), 326.
[16] Kristin Breder..: Toughening Mechanisms in Short Fiber and Particle
Toughened Ceramics. Comprehensive Handbook of Composite Material 2000,
Volume 4; pp.77-93.
[17] J-P. Salvetat-Delmonte, A.Rubio.: Mechanical properties of carbon
nanotubes: a fiber digest for beginners.: Carbon 40 (2002) 1729-1734.
[18] Chlopek J.,Czajkowska B., Szaraniec B., Frackowiak E.,Szostak K.,Beguin
F.:In vitro studie sof carbon nanotubes biocompatibility: Carbon 44 (2006)
1106-1111.
[19] Julie Muller, Francois Huaux, Dominique Lison.: Respiratory toxicity of
carbon nanotubes: How worried should we be?: Carbon 44 (2006) 1048-1056.
[20] Hurt Robert H., Monthioux Marc, Kane Agens.: Toxikology of carbon
nanomaterials: Status, trends, and perspectives on the special issue.:
Carbon 44 (2006) 1028-1033.
[21] Monteiro-Riviere Nancy A., Inman Alfred O.: Challenges for assessing
carbon nanomaterial toxicity to the skin.: Carbon 44 (2006) 1070-1078.
[22] Caprino G. Fatigue in short-fibre termoset composites. In: Harris B,
editor. Fatigue in composites. Cambridge: Woodhead; 2003. p. 269-295.
[23] J.E.Lindhagen, L.A.Berglund.: Application of bridging-law concepts to
short-fibre composites Part 1: DCB test procedures for bridging law and
fracture energy.: Composites Science and Technology 33 (2000) 871-883.
[24] Dai, Shao-Cong and Yan, Wenyi and Liu, Hong-Yuan and Mai, Yiu-Wing
(2004): Experimental study on z-pin bridging law by pullout test. Composites
science and technology, 64 (16). pp. 2451-2457. ISSN 0266-3538
[25] Liu, Hong-Yuan and Yan, Wenyi and Mai, Yiu-Wing (2005): Z-pin bridging
in composite lami nates and some related problems. In: The Fourth
Australasian Congress on Applied Mechanics, 16-18 Feb 2005, Melbourne,
Australia.
[26] J.E.Lindhagen, E.K.Gamstedt, L.A.Berglund.: Application of bridging-law
concepts to short-fibre composites Part 3.: Bridging law derivation from
experimental crack profiles.: Composites Science and Technology 33 (2000)
2883-2894.
[27] J.E.Lindhagen, L.A.Berglund.: Application of bridging-law concepts to
short-fibre composites Part 2: Notch sensitivity. Composites Science and
Technology 33 (2000) 885-893.
[28] U.Prisco, G.Caprino, G.Giorleo.: Influence of flexibiliser kontent on
the monotonic and fatigue behaviour of a polyester resin for composites.:
Composites: Part A 35 (2004) 1081-1089.
[29] S.A.Hitchen, S.L.Ogin, P.A.Smith.: Effect of fibre length on fatigue of
short carbon fibre/epoxy composite. Composites 26 (1995) 303-308.
[30] Suchanek W., Yoshimura M.: Processing and properties of hydroxyapatite-based
biomaterials for use as hard tissue replacement implants. J.Materials
Research, Vol. 13, No. 1, Jan 1998.
[31] J-L.Zhao, T.Fu, Y.Han, K-W.Xu.: Reinforcing HA thermosetting epoxy
composite with 3-D carbon fiber fabric through RTM processing. Materials
Letters 31 (2003) 136-141.
[32] A.Woesz at al.: Towards bone replacement from Calcium phosphates via
rapid prototyping and ceramic gelcasting.: Material Science and Engineering
C 25 (2005) 181-186.
[33] Vaccaro Alexander R., MD.: The role of the Osteoconductive Scaffold in
Synthetic Bone Graft., Orthopedics, May 2002, Vol. 25, No.5, p. 571-577.
28. listopadu proběhl na našem ústavu tradiční podzimní workshop zaměřený na aplikace kompozitních materiálů, nové směry v jejich vývoji a použití nových materiálů jako kompozitních složek.
THERMALLY STABLE POLYIMIDE FILMS MODIFICATION BY HYDROSILICATE AND CARBON NANOPARTICLES OF DIFFERENT MORPHOLOGY
I. Gofman*, V. Svetlichniy*, V. Yudin*, A.
Dobrodumov*, A. Didenko*, I. Abalov*, A. Martinenko,* E. Korytkova**, V.
Gusarov **
* Institute of Macromolecular Compounds of
Russian Academy of Sciences, St-Petersburg, Russia
** Institute of Silicate Chemistry of Russian Academy of Sciences, St-Petersburg,
Russia gofman@imc.macro.ru
The comparative study of polyimide (PI) nanocomposite films based on
nanoparticles with different chemical structures and geometrical shapes has
been carried out. The purpose of this work was to compare the mechanical
properties of PI films filled by different nanoparticles and to choose the
most promising nanoadditives for these films.
In all nanocomposites studied poly(4,4’-oxibiphenylene)piromellitimide was
used as the common PI matrix of extremely high thermal stability. The
nanoparticles were introduced into the solutions of the prepolymer – poly(amic
acid) (PAA) using ultrasonic method. The PAA films have been cast from these
nanocomposite solutions, and then these films have been thermally cured by
heating them up to 360°C to obtain the final PI nanocomposite films.
A wide range of nanoadditives have been tested in this work, but the most
hopeful results were obtained while using three types of nanostructured
materials: natural layered hydrosilicate montmorillonite (ММТ), synthetic
hydrosilicate nanotubes of chrisotile structure Mg3Si2O5(OH)4 (out diameter
~ 20-25 nm, inner diameter ~ 4 nm, aspect ratio ~ 10-50), and carbon
nanofibers (diameter ~ 100-150 nm, aspect ratio ~ 50-100).
While preparing the films of different nanocomposites we have tried to make
them in as identical conditions as possible. The technological variations
were concentrated only at the stage of nanoparticles pretreatment before
introducing them into PAA solutions. These differences originate from
different nature of the nanoparticles under study.
To ensure the maximal effective use of MMT as the nanoadditive for polymer
materials of high thermal stability a special process has been elaborated of
the MMT intercalation by the multinuclei aromatic diamines of these
structures:
whose thermal stability is much higher than that of commonly used
intercalating agents (Fig.1).
The chemical pretreatments of hydrosilicate nanotubes by different organic
matters have been tested to level up the compatibility of these
nanoparticles with PI matrices. In this article the results a presented
obtained while using for nanocomposite films
34 workshop
formation both untreated nanotubes and the fully identical nanotubes
pretreated by pyridine. The carbon nanofibers were used without any
pretreatments.
Fig. 1. TGA curves of the
commercial intercalated MMT 15A and of the MMT intercalated by the aromatic
diamine I.
The stress-strain curves obtained in the mechanical tests of nanocomposite
films with different concentrations of MMT intercalated by the aromatic
diamine I are presented at Fig. 2. Two main tendencies can be traced while
analyzing these curves:
while introducing nanoparticles into the PI matrix the progressive raise of
the film stiffness (first of all – the leveling up of the Young’s modulus E)
takes place along with the depression of the film’s ultimate deformation.
Principally the same effects have been registered at the mechanical tests of
PI films filled by hydrosilicate nanotubes and carbon nanofibers (the
results vary only at the quantitative level). The tendencies of both
processes are presented at Fig. 3, 4.
Fig. 3. Young’s modulus
dependences upon the nanoparticles concentration for polyimide nanocomposite
films containing different types of nanoparticles.
Fig. 4. Ultimate strain dependences upon the
nanoparticles concentration for polyimide nanocomposite films containing
different types of nanoparticles
The pronounced increase of E with the raise of nanoparticle concentration
takes place for all types of nanocomposite films studied. This tendency can
be seen at low concentrations of nanofillers only. The depression of the
speed of this process takes place at the nanoparticles concentrations of
~7-8 vol. %, and the maximal E values are registered at ~ 10 vol. % of
nanofillers. The further incorporation of nanopartcles into the polymer
matrix does not lead to increase of Young’s modulus. This effect originates
from the processes of nanoparticles aggregation, which lead to the phase
separation of the material [1, 2].
The most significant increase of E has been obtained while the pyridine
treated hydrosilicate nanotubes were used as nanofiller (the nanocomposite
film’s modulus at 8 vol. % of nanotubes is 1.52 times higher than that of
the PI film). The slightly modest E raise has been registered while testing
the PI-MMT composite films (1.46 times raise at 8 vol. % of MMT intercalated
by the diamine I). It should be noted that this interrelationship of the E
values obtained at the films filled by nanotubes and by MMT is in good
agreement with the theoretical results [3], which predict the higher
modification effect of the “unidimensional” nanoparticles (nanotubes and
nanofibers) on the polymer matrix as compared to that of nanolayers with the
same aspect ratio.
The less effective modification of the PI matrix has been achieved while
using the carbon nanofibers and pristine, untreated hydrosilicate nanotubes.
The results above demonstrate clearly that to obtain the nanocomposite of
high quality the optimal level of the interaction of nanoparticles with
polymer matrix should be insured. Really, the pyridine pretreatment of
hydrosilicate nanotubes leads to formation of nanocomposite films with Young`s
moduli substantially higher than that of the films filled by the same
nanotubes in the untreated state (Fig. 3). The same conclusion can be drawn
while comparing the results of the introduction into PI matrices of pyridine
pretreated hydrosilicate nanotubes from one hand and of carbon nanofibers (untreated)
from another hand. Really, the main parameter of nanoparticles of a certain
type (in this case the cylindrical ones) that determines the effectiveness
of the modification of polymer matrix is the aspect ratio. This ratio for
carbon nanofibers used in our work was ~ 2-4 times higher than that of the
hydrosilicate nanotubes. But namely these nanotubes after appropriate
chemical pretreatment insure the most effective modification of the PI
matrix – the most pronounced raise of E value. This discrepancy can be
explained by substantially higher level of the interaction of nanocomposite
components existing in the PI-hydrosilicate nanotubes system as compared to
that in the PI-carbon nanofibers composite.
The intense depression of the ultimate deformation has been registered at
all nanocomposite films under study along with the nanofillers concentration
raise up to ~ 3.5-4 vol. % (Fig. 4). Beyond this diapason of nanoparticles
concentrations the speed of leveling down of р values becomes less
pronounced. The highest р values demonstrate the composite films containing
pretreated hydrosilicate nanotubes.
The data presented at Fig. 4 are very important from the practical viewpoint
because namely the process of elasticity fall determines the maximal
nanofiller concentration above which the nanocomposite films become brittle
and so can’t be practically employed.
The level of ultimate strain, which insures the applicability of PI films,
is at about 15% (really during the practical applications these films can be
subjected to the deformations substantially less than this level – these
materials are in the glassy state in all the temperature range of their
efficacy, so above the values of 5-7 % their deformations become
unreversible). For the PI-nanotubes composite this level of
р corresponds
to the nanofiller concentrations ~ 6-7 vol. %. After the optimization of the
technology of homogenization of nanoparticles in the PAA solutions this
concentration can be raised up to 8-9 vol. %, and above this level the
nanoparticles introduction in the PI matrix becomes uneffective because it
does not lead to the raise of Young` modulus of the film (Fig. 3).
Thus, the pyridine covered hydrosilicate nanotubes have been shown to be the
most promising nanofiller for the modification of mechanical properties of
PI films. Quite promising results were obtained also while testing the films
of PI-MMT nanocomposites. The introduction of carbon nanofibers into the
same matrix leads to formation of composite films demonstrating more modest
properties. But while treating these results we should mention that the
possibility of these nanofibers to improve mechanical properties of PI films
can be raised by their appropriate pretreatment to activate their surfaces
before the nanocomposite formation.
References
[1] Aijuan Gu, Shiao-Wei Kuo, Feng-Chih Chang. // J. Appl. Polym. Sci. 2001.
Vol. 79. No 6. P. 1902.
[2] Jin-Hae Chang, Dae-Keun Park, Kyo Jin Ihn. // J. Appl. Polym. Sci. 2002.
Vol. 84 No 12. P. 2294.
[3] E. J. Garboczi, K. A. Snyder, J. F. Douglas, and M. F. Thorpe // Phys.
Review. E. 1995. Vol. 52. No.1. 819-828.
Informace o konferencích
High Performance Materials in Harsh Environments (One day conference)
21 February 2007, Nottingham, UK
Composite materials are increasingly required to operate in a range of harsh
environments. These include extreme temperatures, prolonged contact with
harsh chemicals, challenging loading conditions such as ballistic impact,
and resistance or compatibility with the human body. This one-day conference
will address associated materials and processing requirements for a range of
application areas, starting with a keynote address from Alan Pritchard of
Boeing. Other areas covered will include aerospace, automotive (including
F1), biomedical and ballistic protection.
Programme
9.30 Registration
10.00 Keynote Speaker - Alan Pritchard (The Boeing Company)
10.45 Roger Davidson (Crompton Technology Group) “Composite suspension
systems”
11.45 Ian Thomson (Super Aguri F1 Team) “Born in Japan: Birth of the Super
Aguri F1 Team”
12.15 Geoff Gould (Surface Transforms) “Ceramic matrix composites: from fact
to fiction”
2.00 Gavin Walker (University of Nottingham) “Degradable composites for
biomedical applications”
2.30 John Dominy (Carbon Concepts) “Composite applications in orthopaedic
devices”
3.00 Eluned Lewis (DLO Caversfield) “Between Iraq and a hard plate”
SAMPE Europe 28th International Conference and Forums The Use of Composites
in the 21st. Century to save Energy and Weight
2 - 4 April 2007, Paris, France
The SAMPE Europe International Conference is one of the foremost events in
the Technical Conference calendar associated with Advanced Materials and
Processes. Whilst polymer composites are a strong theme, SEICO 07 will also
focus also on a wide range of other materials and technolgy applications,
including Energy Generation, Energy Exploration, Energy Transportation and
Distribution, and how to save Energy resources by taking advantage of the
inherent weight reduction possibilities of “Advanced Strucutres” compared to
those manufactured with conventional Materials and Technologies. The SAMPE
Europe SEICO 07 will be opened 1 day ahead of the JEC Composites Show. 2007,
to held at the Paris EXPO Complex Porte de Versailles. The SAMPE Europe
SEICO 07 will attract over 400 participants from all over the world with a
choice for of full three-days - or for one or two day registration.
SEICO 07 will be setup on parallel sessions with more than 80 expert papers
to be grouped into specialist sessions – plus Panel Session to be given by
recognised experts in their fields. http://www.sampe-europe.org sebo@sampe-europe.org
SICOMPs International Conference on Manufacturing and Design of Composites
May 28 - 29, 2007, Linköping, Sweden
mportant Dates
March 2,2007 Deadline for receipt of Abstracts
March 16, 2007 Notification of accepted Abstracts
March 30, 2007 Final program ready http://www.sicomp.se
EMMC10 - European Mechanics of Materials Conference
11 - 14 June 2007, Kazimierz Dolny, Poland
Multi-phases and multi-components materials under dynamic loading
This conference aims at the testing and behaviour modelling of multi-phase
and multi-components materials under dynamic loading. The accent is on the
understanding of the difference of deformation, damage, and fracture
mechanisms under quasi-static and dynamic loading. The works on the
experimental observation in microscopic and mesoscopic levels, numerical
mechanism-model simulations and theoretical multiscale analysis are most
encouraged. It will bring together researchers and engineers in this domain
to share their expertise and to better understand loading rate effect on
these heterogeneous combinations.
The conference address especially the following topics (but is not limited
to):
Dynamic experiments on multi-phases and multi-components materials
Microscopic and mesoscopic mechanism observations under dynamic loading
Rate sensitivity mechanism in multi-phases materials
Multiscales analysis of heterogeneous combinations
Numerical simulation of multi-components materials under impact
ICCM-16 Sixteenth International Conference on Composite Materials
8 - 13 July 2007, Kyoto, Japan
This conference follows a pre-eminent tradition of ICCM, the world’s leading
composite conference series. Internationally renowned composite scientists,
engineers and designers continue to attend the ICCM series in order to
present their newest findings and keep up to date with the latest
achievements in these very active high-technology fields.
The main theme of the conference will be “A Giant Step towards Environmental
Awareness: From Green Composites to Aerospace”. This theme symbolizes the
contribution of composite materials to the global environment and two
extreme cases in composites research, namely aerospace applications and
green composites that contain natural reinforcements. This theme is also
highly appropriate as the conference venue is the KICH, birthplace of the
Kyoto Protocol for Carbon Dioxide Reduction. http://www.jscm.gr.jp/iccm-16/index.html iccm16loc@chofu.jaxa.jp
ICCE-15 - Fifteenth Annual International Conference on Composites/Nano
Engineering
15 - 21 July 2007, Hong Kong, China
The ICCE conference is unique in that while it is an
engineering conference, it has attracted numerous chemists, physicists and
scientists from diverse fields in our efforts to promote interdisciplinary
research on composites. Of particular concern is the challenge for materials
engineers to understand the wide diversity of length sacles ranging from
nano to micro to macro and full scale and to question the validity of the
theories or models which are known to be valid only in certain length scales.
The ICCE is among the first composite materials conferences which take a
leading vital role to bridge the gap between nano-chemistry and nano-engineering,
and attracted hundreds of papers in this existing relatively new field of
nano-composites engineering.
http://myweb.polyu.edu.hk/~mmktlau/ICCE/ICCE_Main.htm dhui@uno.edu
Development and Commercialization of Composite Materials and Technologies
Cancom 2007 has a focus on the development and commercialization of
composite materials and technologies. This technical forum facilitates the
sharing of information and ideas about composite materials, process
technologies and structures by bringing together international participants
from industry, government and academia. The event will commence with a one
day special symposium (Aug 14) that will consist of industrial presentations
and an exhibition combined with industrial tours of companies that produce
composite parts for aerospace, ground transportation and civil
infrastructure markets. A three day technical conference (Aug 15-17) will
follow featuring a variety of international keynote speakers and technical
presentations. cancom2007.ca info@cancom2007.ca
ICSAM - 2007: International Conference on Structural Analysis of Advanced
Materials
2-6 September 2007, Patras, Greece
Topics:
Polymers and Polymer Matrix Composites, Metal and Ceramic Matrix Composites,
Sandwich structures, Particulates, Nanocomposites, Biomaterials and medical
applications, Smart materials, Green composites, Stress analysis, analytical
and numerical modelling, Fracture, Fatigue, static and dynamic behaviour,
Viscoelastic behaviour, Experimental techniques, NDT and Thermal Analysis,
Damage characterization and durability, Manufacturing and structural
applications.
In 2007, AVK - Federation of Reinforced Plastics e.V. will
again hold its annual International Conference within the framework of
COMPOSITES EUROPE which will take place from November 6th to 8th in
Stuttgart. For the first time, AVK organised its 9th International AVK
Conference to be held at the start of this European trade fair for fibre
composites which had its successful premiere at the Essen venue in September.
Now,
42 Informace o konferencích
the AVK again decided on COMPOSITES EUROPE as the venue for its conference.
The 9th International AVK Conference took place from September 19th to 20th
at the Congress Center Süd of the Essen Fairgrounds. 480 AVK conference
participants could catch up on the latest results and technical innovations
in the fields of, among others, European markets, raw material resources,
transport and natural fibres.
AVK conference participants will have the opportunity to gain a
comprehensive overview of the latest technologies, processes and products in
the area of fibre composite materials at COMPOSITES EUROPE.
www.composites-europe.com
ECCM13: 13th European Conference on Composite Materials
2 - 5 June 2008, Stockholm, Sweden
On behalf of the local organising committee of ECCM 13 KTH
and SICOMP hereby invite you to attend the thirteenth European Conference on
Composite Materials (ECCM 13) to be held in Stockholm, Sweden from June 2nd
to 5th, 2008. ECCM is Europe’s leading conference on composite materials. As
such it will follow the long tradition of the ECCM conference series with a
wide scope of technical topics in composite materials research. The
conference attracts internationally renowned scientists, engineers and
designers in the fi eld of composites.
Conference Topics
Applications, Bio-based composites, Biomimetic composites, Carbon and
ceramic matrix composites, Damage and fracture, Durability and ageing,
Experimental techniques, Fibres, matrices and interfaces, Health monitoring,
Infrastructure, Interlaminar reinforcements, Interfaces and interphases,
Joint and bearing behaviour, Life cycle analysis and sustainability, Low
cost technologies, Mechanical and physical properties, Metal matrix
composites, Multifunctional composites, Multiscale modelling, Nanocomposites,
NDE technologies, Probabilistic approaches and design, Processing and
manufacturing technologies, Repair technologies, Recycling, Sandwich
technologies, Standardisation, Structural design, Textile composites, Wood
and paper.
Important Dates
Deadline for submission of Abstracts: September 30, 2007
Notification of Acceptance: January 31, 2008
Deadline for Submission of Manuscript and Early Bird registration: March 31,
2008
Každá řada časopisu Acta Montana
vychází 3 až 4 krát ročně. Cena jednoho výtisku je 100Kč + poštovné.
Bankovní spojení:
Česká národní
banka, Praha 1, Na Příkopě 28, 115 03, č. účtu 635-081/0710, Variabilní
symbol 468888
Adresa redakce:
J. Netrestová
IRSM AS CR
V Holešovičkách 41
182 09 Prague 8, Czech Republic
E-mail: irsm@irsm.cas.cz
Tel. +420 266 009 318
INSTRUKCE PRO ČESKÉ AUTORY
Časopis Acta Montana přijímá původní
příspěvky splňující podmínky výše zmíněných disciplin. Rukopis zašlete
e-mailem, resp. 3.5" disketě, ZIP nebo CD-ROM (MS Word libovolné verze),
příp. spolu s dalšími soubory (obrázky, tabulky apod.). Dále je třeba dodat
vytištěný příspěvek, ve třech vyhotoveních. Redakčbí rada rozhodne o přijetí
příspěvku na základě recenze dvou oponentů. První autor obdrží jeden výtisk
Acta Montana a 20 reprintů svých článků zdarma.
Článek musí obsahovat:
Název, celá jména autorů s adresami,
včetně telefonních čísel, faxu, příp. e-mailu, abstrakt, klíčová slova,
vlastní sdělení (vše v angličtině).
Dále může obsahovat:
Tabulky max. velikosti 24x16 cm a
min. velikosti písma 9 b., v textu nebo na zvláštních stránkách. Tabulky
musí být psány jako skutečné tabulky – ve sloupcích, nikoli jako text v
řádcích. Záhlaví všech tabulek musí být na zvláštní stránce. Ilustrace:
Přijímají se černobílé fotografie, kresby a mapy v dobré kvalitě (min. 600
dpi). Grafy se přijímají černobílé, velikosti bodů, tloušťka čar a popisy os
musí být dostatečně velké kvůli možnému zmenšení. U všech grafů v článku je
třeba dodržet stejný styl popisu. Ilustrace mohou být umístěny v textu nebo
v samostatných souborech. Přípustné formáty těchto souborů jsou (*.doc,
*.xls, *.ptt, *.bmp, *.pcx, *.tif, *.jpg, *.gif). Ilustrace jsou číslovány v
pořadí tak, jak je o nich referováno. Popis nesmí být umístěn přímo v
obrázku, soupis všech popisů musí být na samostatné stránce. U popisu
obrázku je třeba uvést jeho požadovanou velikost v textu. Redakce přijímá
rovněž barevné ilustrace (min. 1200 dpi, max. velikost vytištěného obrázku
je 24x16 cm). Barevné ilustrace jsou tištěny jednostranně a umístěny na
konci článku jako příloha. Náklady na tisk těchto barevných příloh hradí
autor. (2000 Kč za stranu). Proměnné, konstanty aj. symboly v matematických
rovnicích a odkazy na ně v textu je třeba psát výhradně v editorech rovnic
MS Equation Editor nebo MathType. Všechny použité symboly musí být
vysvětleny v textu nebo v seznamu symbolů.
Odkazy na literaturu v textu musí
být ve formě (autor, rok), např., (Balik, 2001), (Rudajev et al., 2002).
Soupis všech odkazů v abecedním pořadí musí být na samotné stránce ve tvaru:
Příjmení, iniciály prvního autora,
(příjmení a iniciály dalších autorů, kromě posledního) and (příjmení a
iniciály posledního autora): rok, název článku, název časopisu, číslo,
stránky od-do
např. Mierzejewski, M., Korzak, F.
and Kaczalek, M.: 2002, Geodynamic research of recent movements in the
Karkonosze Mts, Acta Montana ser.A., 15(126), 56-78
Příspěvek musí být zaslán v konečné
verzi. V autorském náhledu je možno opravovat pouze překlepy, jiné zásahy do
textu jsou nepřípustné.
Acta Montana is a multidisciplinary
journal concerned with:
Selected aspects of the geodynamics (series A)
Fuel, carbon and mineral processing (series B)
Extended essays, PhD dissertations or results of grant projects elaborated in
IRSM (series AB)
Acta Montana issues periodically 4 times per annum. Aim: The main purpose of Acta Montana enables a possibility to publish the
results of scientific works and contribute to information exchange among
scientists, engineers and others professionals.
Issues, price list: Acta Montana appears about three times annually for each
series. The price of one issue is 12 EUR plus carriage charges. Back issues can
be obtaining on request.
Bank connection:
Czech National Bank, Prague 1, Na Příkopě street 28, 115 03, account no.
635-081/0710 Variable Symbol 468888
Subscription office:
J. Netrestová
IRSM AS CR
V Holešovičkách 41
182 09 Prague 8, Czech Republic
E-mail: irsm@irsm.cas.cz
Tel. +420 266 009 318
INSTRUCTIONS FOR AUTHORS
Submissions:
Acta Montana accepts original papers in English concerning all aspects of
mentioned disciplines. Authors should submit three hard copies of their
contribution and identical text file in MS Word (any version) and in case of
need other files (figures, tables etc.) by e-mail, on 3.5" floppy disc, ZIP or
CD-ROM. The Editorial Board on the basis of reviews of at least two referees
makes the decision upon their publication. Author first named will receive one
volume of Acta Montana and twenty reprints free of charge.
The manuscript must contain:
Title, full names of all authors, their affiliations and addresses including
phone number, fax number and e-mail address, abstract, keywords and main body of
paper (all in English).
It can be included:
Tables at max. size 24x16 cm and min. font size 9 pt, in text or on separate
pages. Tables must be written really as tables (in columns), not as text (in
rows). Captions of all tables must be on separate page. Figures: Black and white
photographs, drawing or maps in good quality (min. 600 dpi) are acceptable.
Charts and diagrams must be in black and white, description of axes must be at
sufficient size in due to possibility of reducing. Figures may be placed in text
or as separate files. Only permitted formats of these files are (*.doc, *.xls,
*.ptt, *.bmp, *.pcx, *.tif, *.jpg, *.gif). Figures are to be referred as Fig.
Arabic numeral and should be numbered consecutively, according to their sequence
in the text. Caption must no be in placed in the figure area. List of captions
of all figures must be on the separate page. Required size of the pictures in
the text must be denoted at the list of captions. Color illustrations are
tolerable (min. 1200 dpi), but at author's expense 75 EUR per 1 page A4). These
pages, (pressed on one side) will be placed on end of the paper as appendix.
Variables, constants and other symbols in mathematical functions and also in the
text are accepted written exclusively at MS Equation Editor or MS MathType. All
used symbols must be explained in text or in the List of symbols.
References quoted in the text must be in form (author, year), e.g., (Balik,
2001), (Rudajev et al., 2002). All references should be listed together at the
end of the paper in alphabetic order as:
First name, signatures of surnames, (names of other authors except last) and
(First name, signatures of surnames of last author): year, title, journal,
number, pages
e.g. Mierzejewski, M., Korzak, F. and Kaczalek, M.: 2002, Geodynamic research of
recent movements in the Karkonosze Mts, Acta Montana ser.A., 15(126), 56-78
Paper must be supplied as final version. At press-proof it is possible to
correct only typing errors, other changes of text are not acceptable.