Materiál, který se sám opraví. Vlastnosti kompozitů vylepší přidané nanočástice

Kompozitní materiály nacházejí v průmyslu stále širší uplatnění. Jejich význam roste napříč různými odvětvími, od automobilového průmyslu přes letectví až po výrobu sportovního náčiní. Díky specifickým vlastnostem, jako je nízká hmotnost, vysoká pevnost a odolnost proti korozi, se kompozity stávají atraktivní alternativou ke konvenčním materiálům. Výzkum v této oblasti směřuje k adaptabilitě kompozitů či samohojení po poškození. Profesor Josef Jančář z Ústavu chemie materiálů Fakulty chemické VUT v rozhovoru popisuje jejich výhody i nevýhody.

Kde se nyní ve strojírenství využívají nejvíc kompozitní materiály?

Pokud jde o polymerní kompozity vyztužené vlákny, největší absolutní množství, měřeno hmotností nebo objemem, se využívá v automobilovém průmyslu. Jde však často o méně sofistikované kompozity. Z pohledu největšího podílu, který tyto materiály mají v daných výrobcích, vedou kosmické a letecké aplikace, stavba lodí, komponenty větrných elektráren či ruční nářadí a sportovní potřeby. V tomto případě se naopak využívají high‑end technologie. Použití kompozitů ve strojírenství se odvíjí i od schopnosti konstruktérů s nimi pracovat a od dostupnosti mnohdy nákladných výrobních technologií. A jedním z důvodů, proč se v Česku kompozity ve strojírenství používají zatím méně, je i poměrně malá pozornost věnovaná jejich výuce na vysokých školách.

Studenti nepoznají jejich výhody?

Sice se s nimi seznámí, ale často je vnímají jen jako materiál s nízkou měrnou hmotností vhodný především pro letectví a kosmonautiku. Přitom specifikum vláknových kompozitů spočívá v tom, že na rozdíl od kovů, které se dodávají jako prefabrikované polotovary k dalšímu zpracování, se kompozitní materiál často vytváří současně s finálním výrobkem. To zahrnuje řízení směru vláken, výběr typu pojiva a další faktory, s nimiž se konstruktéři a technologové ve školách běžně nesetkávají, pokud se nespecializují na leteckou techniku. Na velkých britských či amerických univerzitách je rozsah výuky kompozitů i desetinásobný ve srovnání s Českem. Přenáší se to samozřejmě i do praxe – nejen do automobilového či leteckého průmyslu, ale nakonec i do oblastí, jako je například výroba sportovních potřeb, ručního nářadí či protetiky.

Dá se tedy čekat, že kompozity jednou nahradí konvenční materiály ve strojírenství?

Nejsou lékem na všechno. Stejně jako u většiny pokročilých materiálů platí, že svými vlastnostmi excelují v jedné oblasti, ale mají obvykle slabiny jinde. Čím jsou specifičtější, tím užší mají využití. Například prepregy, tedy uhlíková vlákna předem impregnovaná epoxidovou pryskyřicí, se využívají hlavně v letectví, třeba u kompozitního trupu Dream­lineru 787 či součástí křídel Airbusu A380. Mají výborné vlastnosti ve směru vláken, ale nikoliv ve směru kolmém. Proto se vrství do laminátů, aby vydržely namáhání ve více osách. Na druhém konci spektra jsou materiály jako nenasycený polyester vyztužený skleněnými vlákny, vhodné třeba na surfová prkna či opravy lodí. Hlavní výhodou kompozitů je možnost přizpůsobit jejich vlastnosti změnou typu matrice a typu, množství a orientace vláken, což například u tradičních materiálů, jako je ocel, nelze. Je tedy možné „ušít“ materiál přesně na míru pro daný výrobek. Konstruktérům, kterým mnohdy u takových materiálů chybí dlouhodobé vlastnosti, se do toho však často nechce.

Proč?

Bývají dost konzervativní, potřebují tabulky s jasně definovanými a garantovanými vlastnostmi, jako je pevnost nebo tuhost, vliv prostředí na dlouhodobé vlastnosti a existence vhodných spojovacích prostředků mezi jednotlivými součástmi konstrukce. U oceli jsou tyto vlastnosti známé více než dvě stě let. Až na výjimky, kompozity ovšem nejsou z pohledu struktury a vlastností unifikované, což získávání dat o jejich dlouhodobých vlastnostech komplikuje. Data existují desítky let, ale protože se materiály neustále inovují, chybí stabilní historická databáze. To je riziko pro konstruktéry, kteří musí zajistit dlouhou životnost navržených konstrukcí.

Uvedu příklad z medicíny, kde obecně mají kompozity velký potenciál. U totálních endoprotéz kolenních kloubů se dnes používá ocel nebo titan. Jejich modul pružnosti neodpovídá tuhosti kosti. Je to, jako kdybyste dali vařečku do těsta. Kost dostává dost zabrat, což nakonec může vést až k uvolnění implantátu a nutnosti reoperace. Částečně to může řešit porézní titan. Ideální by byly vláknové kompozity, jejichž pružnost lze nastavit podle kosti. Přesto se takové inovace často nedostanou na trh – chybějící dlouhodobá data představují právní riziko pro výrobce. Co kdyby se náhodou dřík endoprotézy porušil v korozivním prostředí lidského těla? Na rozdíl od tradičních materiálů, kde existuje stoletá historie použití, u kompozitů tato jistota zatím chybí.

Probíhají nějaké testy, aby konstruktéři tuto jistotu získali?

Takové testy probíhají u tažených kompozitních profilů, SMC (Sheet Moulding Compound, termosetický materiál, skládá se z pryskyřice, vláken a plnidel a vytvrzuje se ve formách za vysokého tlaku a teploty – pozn. red.) nebo prepregů. Ale vzhledem k tomu, že kompozity většinou neexistují ve formě polotovarů unifikovaného složení, je to komplikovanější. Velcí výrobci jako Boeing, Airbus či automobilky provádějí vlastní testy. Netestují však jenom samotný materiál, ale i hotové díly a celé výrobky. Například nárazník nebo letecký díl v reálných podmínkách – vystavují je různým typům namáhání v tisících až milionech cyklů, z čehož potom lze předpovědět jejich životnost.

Tyto testy jsou časově i finančně náročné, a jsou tedy standardem především v leteckém a automobilovém průmyslu. Například při vývoji zubních můstků nebo ortodontických „drátů“ se testy musejí provádět v simulovaných podmínkách ústní dutiny. Menší výrobci nebo výrobci produktů, kde nehrozí nebezpečí selhání s lidskými oběťmi, často spoléhají na metodu pokusu a omylu. Každý výrobek proto vyžaduje specifické testování, které nelze jednoduše zobecnit.

Kdy se tedy použití kompozitů vyplatí, jaké jsou jejich hlavní výhody?

Jejich největší výhodou a zároveň i komplikací je už zmíněná možnost „šít“ specifický kompozit na míru požadavků konečného výrobku a také spojení více komponent původně z klasických materiálů do jedné. Výhodou je kromě nízké měrné hmotnosti i odolnost v korozivním prostředí. Odolávají chemikáliím a korozi lépe než nerezová ocel, využívají se tedy pro různé komponenty konstrukcí v chemickém průmyslu, pro pochůzkové části čistíren odpadních vod a v dalších aplikacích v korozních prostředích.

Nízká měrná hmotnost je klíčová v letectví a v automobilovém průmyslu. Elektromobily mají těžké baterie, a každé snížení hmotnosti auta díky využití kompozitního materiálu výrazně prodlužuje jejich dojezd. U aut se spalovacími motory zase snižují spotřebu paliva. Možnost řídit jejich elektrickou vodivost či nevodivost z nich dělá ideální materiály pro konstrukci lehkých izolátorů pro elektrické rozvody nebo ochranné konstrukce komunikačních zařízení.

Mají kompozity i nevýhody, které se zatím nepodařilo překonat?

Spíše než nevýhoda je to komplikující faktor – vlastnosti vláknových kompozitů závisejí nejen na jejich složení, ale i na technologii výroby konečného dílu. Například u ruční laminace kánoí, surfovacích prken nebo bazénů kvalita závisí na zručnosti pracovníků výrobce, což může vést k nepravidelnostem v impregnaci výztuže a defektům v množství a orientaci vláken způsobujícím rozdílné vlastnosti v různých místech výrobku. Naproti tomu v letectví se používají předem impregnované vrstvy s přesně daným množstvím vláken a pryskyřice, které aplikují roboti, což zajišťuje vyšší reprodukovatelnost a spolehlivost. Výrobní proces také zásadně ovlivňuje konečné vlastnosti materiálu. Vzhledem k tomu, že většina vláknových kompozitů má matrice z reaktoplastů, špatný postup vytvrzování může výsledný materiál výrazně oslabit.

V průmyslu se nyní rozšiřuje využívání 3D tisku. Je možné ho použít i pro kompozity?

Dosud jsme hovořili o kompozitech, kde jsou výztuží dlouhá vlákna, manipulace s nimi je pro aditivní technologie zatím komplikovaná. Proto se nejrozšířenější 3D tiskové technologie využívající termoplastické filamenty hodí spíše pro kompozity s krátkými vlákny na bázi polypropylenového či polyamidového pojiva. Zatím je však využití 3D tisku kompozitů vzhledem k jeho malé technologické rychlosti spíše výjimečné a vhodné pouze do malosériové výroby tvarově komplikovaných dílů. Pro velkoobjemové aplikace se využívá především technologie vstřikování. Hodí se pro držadla ručních nástrojů, jako jsou vrtačky či pohyblivé komponenty v elektronických zařízeních. Tisk kompozitů s dlouhými vlákny je složitější a zatím spíše akademická záležitost. Hlavním limitem nejrozšířenějšího typu 3D tisku jsou dostupné materiály filamentů pro dosažení požadovaných užitných vlastností výrobků.

Jaké jsou nyní hlavní trendy ve výzkumu a vývoji kompozitů?

Kontinuálně pokračuje výzkum povrchových úprav vláken s cílem zlepšit jejich adhezi k polymerní matrici. To je klíčové pro dlouhodobou odolnost kompozitu, zejména v korozních prostředích. Kvalitní spojení zajišťuje efektivní přenos napětí mezi matricí a vlákny, čímž se minimalizuje vznik defektů a zvyšuje pevnost dílu. Tento vývoj probíhá hlavně na úrovni výrobců vláken. Pracuje se také na zlepšování odolnosti matric vůči vyšším teplotám a extrémnímu namáhání. Základní vývoj vláknových kompozitů měl vrchol zhruba před 25 lety, nyní se pozornost přesouvá k hybridním kompozitům. Kombinují různé typy vláken či vlákna přírodní. Další oblastí jsou hierarchické a funkční kompozity obsahující kromě vláken i nanoplniva, čímž kromě mechanických vlastností získávají kompozity další funkce jako elektrickou vodivost, magnetické vlastnosti, samoopravovací schopnosti či adaptabilitu. Rozvíjejí se také zpracovatelské technologie, které často určují, zda je použití kompozitu ekonomicky vhodnější než tradiční materiály. Konečné rozhodnutí závisí především na výrobních nákladech spojených úzce se sériovostí.

Kompozity jsou výrazně dražší než běžné materiály. Dá se čekat, že jejich cena klesne?

Záleží na tom, co srovnáváme. Jejich kilogramová cena je vždy vyšší než u kovů, ale správnější by bylo porovnávat ceny objemově. Například metrový I‑profil z kompozitu může vážit 3 kilogramy, zatímco ocelový 25 kilogramů. Po přepočtu na cenu za hotový díl tedy rozdíl nemusí být tak výrazný jako při porovnání kilogramové ceny. Navíc kompozity umožňují integraci více součástí do jednoho kusu, čímž eliminují dodatečnou montáž a umožňují robotickou výrobu dále snižující výrobní náklady. Přesto se běžně srovnává jen cena za kilogram, kde kompozity nevycházejí výhodně.

Ve srovnání s tradičními materiály se kompozity obtížně recyklují. Dá se to nějak vyřešit?

Snaha o recyklaci existuje, ale jejich množství je oproti tradičním materiálům stále relativně malé. Zatím není co recyklovat. U termosetových matric, tedy epoxidů nebo nenasycených polyesterů, je problém v tom, že při vytvrzování vzniká struktura, kterou nelze jednoduše rozložit. Recyklace je pak možná jen mechanickým rozdrcením na plnivo do betonu či asfaltu, případně je lze spálit. Alternativou jsou kompozity s termoplastickými matricemi, kdy při výrobě kompozitního dílu nedochází k chemické reakci. Po zahřátí je lze znovu tvarovat. Jsou i relativně nové technologie, jako reakční vstřikování speciálních monomerů, kdy se do formy s vlákny vstřikuje tekutý monomer, který po reakci vytváří termoplastickou strukturu. Výhoda těchto materiálů je možnost opětovného zpracování a vyšší houževnatost. Nevýhodou může být creep, tedy tečení za studena – časově závislý nárůst deformace pod konstantním zatížením, což omezuje jejich využití v letectví. Naopak v automobilovém průmyslu se termoplasty hodí například na nárazníky, kde umožňují efektivní recyklaci a mnohdy mají lepší rázové vlastnosti než kovy.

Je možné v oblasti kompozitních materiálů očekávat v následujících pěti deseti letech nějaký vědecký průlom?

V oblasti fundamentálního pochopení kompozitů nelze očekávat zásadní průlomy, spíše pokračuje postupný vývoj. Jde také o efektivnější převedení vědeckých poznatků do praxe. Klíčový pokrok by mohl přijít v technologii výroby a v integraci nanostruktur pro nové vlastnosti a funkce. Jedním z možných směrů je adaptabilita materiálů – například povrchu křídel letadla. Když budete potřebovat zpomalit, vyšlete elektrický impulz, který změní charakter povrchu, zvýší se odpor vzduchu a letoun zpomalí. Nebo kompozity schopné samohojení po poškození, to už jsou záležitosti, které připomínají přírodní materiály. Výzkum probíhá, ale zatím spíše v akademické sféře nebo ve specializovaných aplikacích, jako jsou bionické protézy. Dalším zajímavým směrem je využití kompozitů v metamateriálech, které mají unikátní vlastnosti nepřítomné v přírodě. Mohou sloužit k balistické ochraně, ochraně proti účinkům výbuchu, aktivnímu tlumení hluku, zlepšení odolnosti proti nízkorychlostním nárazům nebo zvýšení bezpečnosti satelitů a dopravních prostředků. V budoucnu by mohly výrazně přispět k ochraně cestujících v letadlech či automobilech.

Budoucnost strojírenství

Stáhněte si přílohu v PDF

Můžeme očekávat, že se kompozity jednou stanou dominantním materiálem v průmyslu?

Je důležité, co za kompozit považujeme – patří sem nejen ty s polymerní matricí, ale i materiály s kovovými nebo keramickými matricemi. Například hliník s uhlíkovými vlákny se používá v leteckých motorech, keramické kompozity najdeme v brzdových destičkách, kde nahrazují azbest a zvyšují odolnost vůči vysokým teplotám. Betonový díl je také kompozit: výztuží je železo, matricí cement. Kompozity se ve strojírenství používají už desítky let a po počátečním nadšení se ukázalo, že jejich výhody jsou v mnoha aplikacích omezeny technologickými komplikacemi. Proto sice v některých oblastech postupně nahrazují tradiční materiály, ale dominantním nebo jediným materiálem se pravděpodobně nestanou, alespoň ne během následujícího půlstoletí. Celkově se však univerzální použití bude omezovat tím, že každý kompozit vyžaduje přesné přizpůsobení složení a technologie výroby podmínkám konečné aplikace. Uplatní se tedy hlavně ve specifických aplikacích, kde nabídnou některou ze zásadních výhod – nižší hmotnost, odolnost proti korozi, nevodivost, houževnatost, elektromagnetické stínění a v budoucnu i nové funkce jako adaptabilita a samohojení.

Článek byl publikován ve speciální příloze HN Budoucnost strojírenství.