Symbióza plast-kov jako materiálová strategie

Již v době, kdy se na světový trh dostal první syntetický plast s ochrannou značkou Bakelit, vyvstala myšlenka účelně ho kombinovat s kovovými materiály. To, že se existence bakelitu objevila v pravý čas, dokazuje skutečnost, že se velmi rychle stal klíčovým materiálem návrhářského stylu art deco a v kombinaci zejména s chromem a leštěným hliníkem přinesl zcela nové možnosti spojování funkčních vlastností s estetickým ztvárněním výrobků. Mezi průmyslovými návrháři způsobil doslova materiálovou revoluci. Malá hmotnost, nízká cena, dobré mechanické vlastnosti a velmi příznivá technologičnost umožnily, aby si i méně movité rodiny mohly ve 20. a 30. letech minulého století snadněji pořídit různé průmyslové výrobky, jako hodiny, telefony, osvětlovací tělesa, radiopřijímače, ventilátory apod., a přitom každodenně zažívat mimořádný estetický dojem, který přinášely. K vysoké eleganci výrobků navrhovaných ve stylu art deco přispěla i možnost libovolného zabarvení bakelitu.

S příchodem nových polymerů po 2. světové válce a s novými požadavky průmyslové praxe se začaly intenzivně rozvíjet technické aplikace plastů. Vznikla například potřeba pevných spojů mezi plastovými díly navzájem nebo mezi plastovými a kovovými díly. Vyžadovalo to zabudování kovových spojovacích elementů do plastu. Britská firma Tappex Thread Inserts Ltd. založená v r. 1956 se zvláště zasloužila o rozvoj této kombinace plastu a kovu. Kovové zálisky s vnitřním i vnějším závitem i zálisky ve formě elektrických konektorů doznaly od té doby značný rozmach (obr. 1). Technicky přitažlivým spojením kovu a plastu se stal materiál s obchodním názvem Metaloplast patentovaný na počátku 70. let tehdejším Státním výzkumným ústavem materiálu. Jde o samonosné ložiskové fólie z PTFE vyztužené kovovou tkaninou (bronz nebo korozivzdorná ocel), v některých případech navíc plněné grafitem, skleněnými vlákny nebo bronzovým práškem. Fólie mají velmi malý součinitel tření a jsou vysoce odolné proti opotřebení. Široké uplatnění nacházejí u výrobních strojů a zařízení.

Na začátku 60. let minulého století byla realizována myšlenka vyrábět předměty s kovovým vzhledem, ale s hustotou plastů. Do praxe byla uvedena technologie pokovování terpolymeru ABS chromem, později niklem a mědí. Prvotní ohlas měla tato technologie v automobilovém průmyslu, který ji motivoval k dalšímu rozvoji. V posledních letech bylo vyvinuto povlakování plastů kovovými nanočásticemi, například nanostrukturním kobaltem s příměsí fosforu. Takovéto povlaky zvyšují odolnost proti tepelným šokům a technické uplatnění nacházejí především u plastů odolných vyšším teplotám. Jiným příkladem je povlak z nanokrystalické slitiny NiFe s průměrnou velikostí zrn 20 nm. Těmito povlaky lze u výrobků z konstrukčních termoplastů výrazně zlepšit mechanické vlastnosti a jejich teplotní závislosti. Podstatné je, že povlak lze nanášet i selektivně do místa výrobku, kde je zapotřebí např. větší pevnosti v ohybu, větší rázové houževnatosti apod. Nanotechnologie tak přispívají k zaplňování mezery mezi lehkými slitinami a ocelemi v mechanických vlastnostech.

Účelem plastových povlaků na kovy, zejména ocel, je především ochrana proti korozi. Nejúčinnější bariérou pro vodu jsou polyolefiny (PE a PP). Jejich nedostatečná adheze k oceli se řeší mezivrstvami z epoxidů, které mají dobrou adhezi k oceli, a speciálních kopolymerů, které vytvářejí vazbu mezi polárním epoxidem a nepolární vnější ochrannou vrstvou polyolefinu.

Plasty jsou elektrickými i tepelnými izolátory a této jejich přednosti je v široké míře využíváno i v současné technice. Na druhou stranu však tato vlastnost omezuje použití plastů v těch případech, kde hrozí nebezpečí statické elektřiny a je nutno ji odvádět. Přibývá rovněž aplikací, u kterých je vyžadován dobrý přenos tepla. Požadované hodnoty elektrické i tepelné vodivosti může zajistit vhodná kombinace plastu a kovu. Ke zvětšení elektrické vodivosti plastů se vedle uhlíkových částic, nanovláken nebo nanotrubiček používají i kovové prášky. Technologický proces dovoluje vytvořit směs polymer-kovový prášek, kterou je možné zpracovávat do konečného tvaru výrobku klasickými plastikářskými technologiemi, jako je vstřikování. Pro plasty se tím otevírají zcela nové aplikační oblasti. Existující konjugované polymery s vlastní elektrickou vodivostí totiž nejsou alternativou pro objemnější výrobky složitých tvarů s vícefunkčními vlastnostmi, zahrnujícími například kombinaci elektrické vodivosti a mechanických vlastností. Podobně i tepelné vodivosti plastů se dosahuje kovovými příměsemi, například hliníkovými vlákny o délce 1 mm a průměru 90 μm.

Jedny z nejmodernějších materiálů – i když vyvíjených po několik desetiletí – jsou lamináty založené na kombinaci kovu a polymerního kompozitu. Označovány jsou obvykle zkratkou FML (Fiber Metal Laminate) a prvním z těchto materiálů byl ARALL (Aramid Aluminium Laminate), jehož podstatou jsou střídající se tenké vrstvy hliníkové slitiny AlCu4Mg1 o tloušťce několika desetin mm a vrstvy epoxyaramidového kompozitu. Později pak byl vyvinut podobný laminát s obchodním názvem GLARE (Glass Laminate Aluminium Reinforced Epoxy), u kterého byl aramid nahrazen vysokopevnostními skleněnými vlákny S-2. Oproti samotné hliníkové slitině se GLARE vyznačuje unikátní kombinací vlastností. Má lepší odolnost proti únavě, rázovému namáhání i proti šíření trhlin, má příznivější charakteristiky mechanického tlumení, zlepšené korozní vlastnosti a odolnost proti prohoření. Rovněž pevnost laminátu obsahujícího otvory pro nýty, šrouby apod. (blunt notch strength) patří k jeho přednostem. GLARE přináší úsporu hmotnosti až 25 % ve srovnání s hliníkovými slitinami a kombinace jeho vlastností ho předurčuje pro aplikace na primární letecké konstrukce (obr. 2). Analogický kompozit byl vyvinut i na bázi uhlíkoepoxidového kompozitu a titanové slitiny (Ti6Al4V) pro účely dalšího zpevnění a zvýšení bezpečnosti spojů mezi jednotlivými díly kompozitových konstrukcí.

Vyztužování ocelového plechu plastem by se na první pohled mohlo zdát z materiálového hlediska poněkud kuriózní. Snahy o úspory hmotnosti konstrukčních dílů, zejména v automobilovém průmyslu, však vedly ke vzniku technologie umožňující integrovat do jednoho dílu výlisek z tenkostěnného ocelového plechu a plastovou výztuž. Plastová výztuž, nejčastěji ve formě žeber (obr. 3) a její propojení s plechovým výliskem se vytvoří v jedné výrobní operaci konvenční technologií vstřikování. Přínosem takovýchto materiálových řešení je nejenom znatelná úspora hmotnosti, ale zejména také zvýšená odolnost proti deformaci, což přispívá k celkové bezpečnosti automobilů.

Na závěr stojí zato připomenout, že před řadou let, kdy plasty začaly pronikat do technické praxe, bylo možno setkávat se s poněkud vyhraněnými postoji konstruktérů. S vidinou malé hmotnosti výrobku se zastánci plastů snažili nahrazovat kovy plastem, aniž by u plastů brali v úvahu jejich nevýhody. Naproti tomu výhradní zastánci kovových materiálů nebyli ve svých konstrukčních řešeních k plastům příliš vstřícní. Důvodem byla nejenom neznalost výhod plastů, ale i specifických konstrukčních přístupů. Postupem času se oba názorové proudy začaly vzájemně přizpůsobovat a přijímat symbiózu plast-kov jako společnou materiálovou strategii. Řada popsaných příkladů naznačuje, že moderní materiálová řešení stále ve větší míře využívají výhodných vlastností jak kovů, tak plastů a snaží se kombinaci těchto vlastností uplatnit v rámci jednoho výrobku.

prof. Ing. Josef Steidl, CSc., FEng.

jose.steidl@gmail.com