BUNKOVÉ TELESÁ: pevné peny a štruktúry honeycomb

Autorom článku je Vladimír Goga.

Bunkové telesá alebo materiály sú relatívne novým typom materiálov, ktoré si pre svoje špecifické vlastnosti, dané prevažne ich štruktúrou, našli široké uplatnenie v priemysle. Majú malú hmotnosť, nízku tepelnú a elektrickú vodivosť, malú tlakovú tuhosť, dobré absorpčné vlastnosti a pod.

V praxi je pre bunkové telesá zaužívaný pojem pena. Pena ale vo všeobecnosti predstavuje plynové bubliny obklopené tenkým filmom kvapaliny, čo robí túto substanciu nestálu. Pre praktické využitie sa preto vyrábajú penové materiály tvorené plynovými alebo kvapalinovými dutinami, ktoré v tuhom materiály vytvárajú tzv. bunky, z čoho plynie názov bunkové teleso. Medzi prírodné bunkové materiály patria napríklad drevo, koraly, huby, kosti, steblá a listy rastlín a pod.

Štruktúru buniek bunkových telies tvoria alebo škrupinové elementy, nazývané honeycomb, alebo priestorová sieť buniek tvorená hranami a stenami tuhého materiálu, ktoré nazývame pevné peny, skrátene len peny. Štruktúry honeycomb sú inšpirované tvarom včelích plastov. Prierez ich buniek je mnohouholník (zvyčajne šesťuholník) alebo do oblúkov tvarovaný profil, ktorý je po celej dĺžke bunky rovnaký. Peny majú dutiny buniek vzájomne priechodné (peny s otvorenými bunkami) alebo od seba odizolované (peny s uzavretými bunkami) alebo ich kombináciou. [1, 5]

Obr. 1. Honeycomb, pena s otvorenými bunkami, pena s uzavretými bunkami. [5, 7]

 

Štruktúra a veľkosť buniek bunkových telies je podmienená speňovaným základným materiálom, ale najmú samotnou technikou ich výroby. Štruktúry honeycomb sa prevažne vyrábajú z kovov, papiera a keramických materiálov ťahaním, formovaním profilov a ich následným spájaním (lepením, zváraním) alebo odlievaním. Výroba pevných pien je závislá od voľby základného materiálu. Polymérové peny vznikajú prevažne chemickou reakciu vhodných prísad, zatiaľ čo pri kovových penách prevláda spracovanie roztaveného materiálu priamym vstrekovaním plynových bublín, primiešaním fyzikálnych speňovadiel alebo prášková metalurgia. V súčasnosti je možná výroba pien nielen z kovov a polymérov, ale aj zo skla a keramiky. [1, 4, 5]

Vlastnosti bunkových telies sú výsledkom kombinácie vlastností základného materiálu a samotnej bunkovej štruktúry telies. Tieto dva faktory spolu s relatívnou hustotou bunkových telies sú určujúcimi parametrami pre ich fyzikálne a mechanické vlastnosti. Nízka hustota, a preto aj hmotnosť bunkových telies ja daná dutinami v objeme telesa, ktoré vypĺňa zvyčajne plyn. Dôležitým parametrom pri porovnávaní bunkových telies je ich tzv. relatívna hustota, ktorá predstavuje podiel hustoty samotného bunkového telesa (peny) a hustoty základného materiálu. Obecne možno povedať, že bunkové telesá majú relatívnu hustotu menšiu ako 0,3, niektoré dokonca až 0,003. Hustota bunkového materiálu je určujúcim faktorom, ktorý ovplyvňuje ostatné, či už fyzikálne alebo mechanické vlastnosti bunkových telies, preto sa jej zmena využíva na dosiahnutie požadovaných vlastností, žiadaných pre špecifické aplikácie týchto telies. [1]

Vodivosť bunkových telies, či už elektrická alebo tepelná je vo všeobecnosti nižšia ako pri plných telesách. Dôvodom je nízky podiel materiálu stien a hrán k objemu bunkového telesa. Tým je zrejmé, že vodivosť narastá s rastom hustoty bunkového telesa.

Zvukové vlny sa v bunkových telesách odrážajú od nepravidelného rozloženia materiálu v objeme telesa. Vibračná energia spôsobuje deformáciu stien a hrán buniek a mení sa na tepelnú energiu. Preto intenzita odrazeného zvuku klesá.

Chemickými vlastnosťami vynikajú prevažne kovové bunkové telesá. Sú nehorľavé, nevylučujú toxické plyny pri ohreve, ale korodujú rovnako ako kovy použité na ich výrobu.

Pri mechanickom zaťažení je výrazný rozdiel v správaní sa pien v ťahu a tlaku. V tlaku je výrazná tzv. plató oblasť, kde deformácie rozsiahle narastajú pri minimálnej zmene zaťaženia až do hodnoty pomerného stlačenia 60-80 %, čím sa zvyšuje ich schopnosť pohlcovať energiu, ktorá sa využíva pri aplikáciách pien ako baliaci, absorpčný a ochranný materiál. V ťahu je táto oblasť veľmi slabo výrazná. Podľa charakteru základného materiálu sa peny správajú elasticky, elasto-plasticky alebo sú krehké. [1-5]

 

Obr. 2. Charakteristický tvar tlakového diagramu pien [5].

 

Enormný rozsah vlastností ponúka širokú oblasť využitia materiálov s bunkovou štruktúrou tam, kde by sa klasické materiály ťažko uplatnili. Nízka hustota a relatívne vysoká pevnosť v tlaku umožňuje vytvárať ľahké a tuhé komponenty ako napríklad vypenené profily v automobilovom priemysle a veľké prenosné konštrukcie akými sú sendvičové panely v leteckom a stavebnom priemysle.

 

Obr. 3. Sendvičové panely s jadrom z pevnej peny [9] a jadrom honeycomb [10].

Obr. 4. Hliníková pena v ráme automobilu [6], nárazový tlmič s penovou výplňou [3].

 

Pre nízku tepelnú vodivosť sú penové materiály lacným a spoľahlivým tepelným izolátorom. Peny sa tiež využívajú ako výplňový materiál pre ich nízku tuhosť, napr. polyuretánové peny sa štandardne používajú ako výplň sedadiel a vyrábajú sa z nej matrace. Takmer konštantná hodnota napätia po dlhú dobu deformácie robí peny vhodné pre aplikácie absorbérov mechanickej energie. Majú široké uplatnenie ako ochranný a baliaci materiál.

Obr. 5. Penová výplň autosedačky [8], izolácia potrubia PUR penou [11].

 

Štruktúra bunkových telies umožňuje ich využitie v chemickom priemysle ako nosičov rôznych mazív, enzýmov a ako filtračného materiálu. Takisto v medicíne je známe ich využitie pre výrobu umelej kože, ktorá sa používa pri liečení ťažkých popálenín. Umelá koža chráni samotnú ranu pred infekciou a navyše umožňuje voľný prístup vzduchu do rany. [1, 2, 3]

 

 

Literatúra:

[1] Gibson, L. J., Ashby, M. F.: Cellular Solids – Structure and Properties, 2nd ed., Cambridge University Press, Cambridge, 1997

[2] Ashby, M.F., Evans, A.G., Fleck, N.A., Gibson, L.J., Hutchinson, J.W., Wadley, H.N.G.: Metal Foams: A Design Guide, Boston: Butterworth-Heinemann, 2000

[3] Kammer, C.: Aliminium foam, TALAT Lecture 1410, EAA – European Aluminium Association, 1999

[4] Banhart, J.: Manufacture, characterisation and application of cellular metals and metal foams, Progress in Material Science, vol. 46, pp. 559-632, 2001

[5] Goga, V.: Modelovanie mechanických vlastností penových materiálov, STU v Bratislave FEI, 2009

[6] http://www.sav.sk/

[7] www.imechanica.org

[8] www.news.cnet.com

[9] http://www.rockwool-coresolutions.com

[10] http://www.nauticexpo.com

[11] http://www.brederoshaw.com