So snahou o zníženie nákladov a zefektívnenie výroby sa v praxi začali používať nové, ľahšie materiály s lepšími mechanickými vlastnosťami. Preto sa v nedávnej dobe výrazne zvýšil záujem o bunkové telesá (cellular solids), tiež nazývané penové materiály alebo peny (foams), obzvlášť polymérové a kovové. Slovo bunka (cell) pochádza z latinského slova cella, ktoré znamená malú časť, uzavretý priestor. Bunkové teleso je zoskupenie buniek s pevnými hranami alebo plochami.

1. Úvod

Pevné bunkové teleso (tiež porézne alebo celulárne teleso) obecne predstavuje teleso, ktorého merná hmotnosť (hustota) je výrazne znížená oproti plnému telesu prítomnosťou dutín v štruktúre hmoty, ktoré vytvárajú tzv. bunky. Dutiny buniek sú vyplnené plynom alebo kvapalinou. Charakter tekutiny v bunkách je podmienený spôsobom výroby a materiálom, z ktorého je takéto teleso vyrábané. V dnešnej dobe možno spracovať do bunkovej štruktúry takmer každý plný materiál – kovy, keramické materiály, sklo a väčšinu polymérov. [1]

Zaužívaným názvom pre bunkové telesá je termín pena. Názov pena, sa ale zvyčajne používa pre látku tvorenú bublinami plynu v kvapaline. Morfológia väčšiny takýchto pien môže byť zachovaná stuhnutím tejto kvapaliny s bublinami, čím sa dosiahne tzv. pevná pena, ktorá predstavuje bunkové teleso. Pod pojmom pena sa potom všeobecne rozumie neustála existencia plynnej fázy v kvapaline alebo v tuhom telese [2], kde je samotný plyn od seba oddelený časťou kvapaliny alebo materiálom bunkového telesa. Pre jednoduchosť bude názov pena nahradzovať pevné bunkové teleso. Obr. 1 znázorňuje možnosti vzájomnej disperzie rôznych fáz materiálov.

Obr. 1 Disperzia rôznych fáz materiálov [2].

Ľudia prírodné bunkové telesá používajú po stáročia, napr. z dôb egyptských pyramíd sú zachované drevené artefakty 5000 rokov staré alebo korok, ktorý sa používal ako zátka vínových fliaš už od doby Rimanov (27 rokov pred našim letopočtom). Medzi prírodné bunkové materiály patrí drevo, korok, huby, koraly, kosti, steblá a listy rastlín a pod. Taktiež chlieb, pečivo a iné potravinárske výrobky tvorené kvasením škrobu sú telesá s bunkovou štruktúrou.. Umelo sa bunkové telesá začali vyrábať začiatkom 20. storočia. Ako prvým komerčným produktom bola gumená hubka (1910 – 1920).

Následne začala expanzia výroby bunkových telies z polymérov, ktoré si našli uplatnenie v mnohých oblastiach priemyslu. V súčasnosti sa bunkové telesá využívajú najmä ako tepelne izolačný materiál, obalový a ochranný materiál, pre ich dobrú schopnosť absorbcie dynamických rázov a ako konštrukčný materiál v stavebníctve, kde sa uplatnili ako jadrá sendvičových panelov. [1]

Z hľadiska ich využitia v technickej praxi je najvýznamnejšou vlastnosťou ich výborný pomer tlakovej pevnosti k hmotnosti, ktorý je kombináciou bunkovej štruktúry s prevažne plynovými dutinami a mechanických vlastností materiálu, z ktorého je dané bunkové teleso vyrobené (základný materiál). Testy osového tlakového zaťaženia bunkových telies rôznej štruktúry a rôznych základných materiálov preukázali charakteristickú odozvu tlakového osového napätia v závislosti od pomerného stlačenia.

Táto odozva (tlakový diagram, tlaková krivka) má nelineárny charakter s troma charakteristickými oblasťami. Ich stlačenie pri relatívne konštantnom napätí dosahuje v závislosti od základného materiálu a hustoty bunkového telesa pomerne vysoké hodnoty do 60 – 80 %. Táto schopnosť sa využíva pri absorbcii nárazovej energie ako aj pri tlmení kmitajúcich prvkov.

Štruktúra bunkových telies

Štruktúru buniek bunkových telies tvoria alebo škrupinové elementy (štruktúry honeycomb), alebo priestorová sieť tvorená hranami a stenami tuhého materiálu (pevné peny, skrátene len peny) [1].

Štruktúry honeycomb sú inšpirované tvarom včelích plastov. Prierez bunky je mnohouholník (zvyčajne šesťuholník) alebo do oblúkov tvarovaný profil, ktorý je po celej dĺžke bunky rovnaký. Tvar bunky je tým pádom určený len jednou rovinou, preto sa tiež nazývajú dvojrozmerné bunkové telesá. Príklad štruktúry honeycomb je na obr. 2a.

Obr. 2 Štruktúra bunkových telies [3]:
a) honeycomb, b) pena s otvorenými bunkami, c) pena s uzavretými bunkami.

Na rozdiel od štruktúr honeycomb sú bunky pien tvorené sieťou hrán a stien v priestore, ktoré vytvárajú už spomínané dutiny. Tieto dutiny sú buď od seba odizolované pevnými tenkými stenami materiálu alebo sú medzi sebou priechodné, a to v prípade, ak bunka je tvorená iba hranami. V prvom prípade hovoríme o penách s uzavretými bunkami (obr. 2c), v druhom prípade o penách s otvorenými bunkami (obr. 2b). Otvorené alebo uzavreté prepojenie buniek je podmienené speňovaným materiálom a samotnou technikou výroby peny. Vyskytujú sa tiež penové materiály s kombináciou otvorených aj uzavretých buniek. Peny sa tiež nazývajú trojrozmerné bunkové telesá.

Aplikácie bunkových telies

Enormný rozsah vlastností ponúka širokú oblasť využitia materiálov s bunkovou štruktúrou tam, kde by sa klasické materiály ťažko uplatnili. Nízka hustota a tým aj hmotnosť dovoľuje vytvárať ľahké a tuhé komponenty ako napríklad vyplnené profily a veľké prenosné konštrukcie v automobilovom, leteckom a stavebnom priemysle. 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 (obr. 4b).

Takmer konštantná hodnota napätia po dlhú dobu deformácie robí peny vhodné pre aplikáciu ako absorbérov mechanickej energie (obr. 4a). Majú široké uplatnenie ako ochranný a baliaci materiál. 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, 4, 5].

Medzi hlavné oblasti použitia bunkových telies patria (v závislosti od vlastností speňovaného materiálu) [6]:

• samonosné ľahké panely pre dopravné a stavebné konštrukcie,
• jadrá pre sendvičové štruktúry alebo priamo sendviče s izotropnými vlastnosťami,
• konštrukčný a obkladový materiál v hoteloch, obchodných domoch a iných verejných priestoroch s tepelne a zvukovo izolačným účinkom, nezaťažujúci významne životne prostredie,
• alternatíva k drevu kvôli nehorľavosti (kovové peny), rozmerovej stabilite, odolnosti voči parazitom a plesniam, ľahkej recyklovateľnosti a pod.,
• ľahké súčasti strojov s vysokou tuhosťou a dobrými tlmiacimi vlastnosťami,
• trvalé jadrá odliatkov,
• vystužovanie dutých profilov v najviac namáhaných prierezoch,
• deformačné časti automobilov na ochranu pasažierov pred nárazom (obr. 3),
• bezpečnostné deformačné zóny pre zdvíhacie a manipulačne systémy.

Obr. 3 Hliníková pena v ráme automobilu [6].

Obr. 4 a) absorbér s penovou výplňou [5], b) penová výplň autosedačky [7].

Použitá literatúra:

1. Gibson, L. J., Gibson and Ashby, M. F.: Cellular Solids – Structure and Properties, 2nd ed., Cambridge University Press, Cambridge, 1997
2. BANHART, J.: Manufacture, characterisation and application of cellular metals and metal foams, Progress in Material Science, vol. 46, pp. 559-632, 2001
3. www.imechanica.org
4. 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
5. KAMMER, C.: Aliminium foam, TALAT Lecture 1410, EAA – European Aluminium Association, 1999
6. www.sav.sk
7. www.news.cnet.com

---

Ing. Vladimír Goga, PhD., FEI STU Bratislava, Ilkovičova 3, 812 19, Katedra mechaniky