Условия создания композитов кратко

Обновлено: 07.07.2024

Материаловедение

Материаловедение изучает общие закономерности создания материалов, устанавливает связи между строением, составом и свойствами материалов. Используя эти закономерности и связи, разработчики новых материалов намечают области поиска и движутся к своей цели осознанно, не блуждая в потемках, как Палисси, создавая французский фарфор, (подробнее: История создания французского фарфора).

Пути, ведущие к цели, сегодня уже достаточно хорошо освещены, на некоторых из них установлены мощные прожекторы, на других повешены маленькие фонарики. По ярко освещенным дорогам можно двигаться быстро, по слабо освещенным — медленнее, преодолевая бугры и пробираясь сквозь заросли, но направление выдерживать можно достаточно четко.

Вот по таким дорогам и движутся сегодня отряды материаловедов. А кто-то открывает новые пути, и им необходима интуиция Палисси. Как же сегодня создаются композиты. Это неверное утверждение, что метод проб и ошибок уже не используется вообще. Используется. Но сравнительно мало.

Армированные композиты

Армированным композитам повезло больше, чем другим материалам. К тому времени, когда созрела мысль о необходимости их разработки, уже существовала теория анизотропных сред, которая позволяла предсказывать заранее свойства композитов по известным свойствам компонентов.

Если древние металлурги, добавляя в расплавленное железо вещество, не знали, как оно повлияет на свойства стали, (подробнее: Тайна булата) то создатели армированных композитов четко знают, что они должны получить, вводя определенный вид волокон в определенную матрицу.

И могут предсказать свойства будущего материала не только качественно, но и количественно. Потому что они опираются на прочный теоретический фундамент.

Теория и практика

Это не означает, что на практике всегда получается то, что предсказывает теория. К сожалению, полное согласие теории с практикой наблюдается далеко не всегда. Теория, как правило, строится для каких-то определенных моделей, которые отражают главные особенности реальных композитов. Главные, но не все.

Все она просто не может учесть, потому что их очень много, и попытка учесть все приводит к такому усложнению, что пользоваться такой теорией просто невозможно. Поэтому каждая теория справедлива в тех рамках, которые оговорены при ее построении. А реальные материалы об этих рамках ничего не знают.

И если их поведение в эти рамки не укладывается, то нужно винить не теорию, а тех, кто ее применяет там, где применять нельзя. Но для большей части армированных композитов теория армированных сред позволяет достаточно надежно оценивать свойства, которые могут быть достигнуты, то есть дает ориентир, к которому следует стремиться.

Эта теория в общем виде довольно сложна, и чтобы ее понять, нужно знать специальные разделы высшей математики. Мы не будем их касаться, а чтобы все-таки получить представление о том, как можно заранее прогнозировать свойства композитов, рассмотрим простейший пример, для понимания которого вполне достаточно знаний среднего пятиклассника.

Пример создания композита

Требуется создать композит на основе алюминия с прочностью 1000 МПа и модулем Юнга 200 ГПа. Достаточно иметь эту прочность только в одном направлении, в остальных допустима прочность на уровне алюминия. Плотность композита не должна превышать плотности алюминиевых сплавов. Алюминий как основа создания композита

Если задачу перефразировать, получится следующее: требуется создать материал на основе алюминия, обладающий прочностью и жесткостью хорошей легированной стали и сохраняющий при этом весовые характеристики алюминия.

Традиционными металлургическими методами (легированием, термической обработкой, пластической деформацией) это сделать невозможно. Прочность чистого алюминия составляет 120—150 МПа, алюминиевых сплавов — до 500—700 МПа. Большего добиться не удается.

Модуль Юнга алюминия и его сплавов примерно 70 ГПа, причем легирование, термообработка и пластическая деформация практически не влияют на его величину. А нам нужно увеличить его почти втрое.

Алюминий относится к числу легких металлов (плотность 2700 кг/м 3 ), и если осуществлять легирование более тяжелыми элементами, чем сам алюминий, это приведет к увеличению плотности и не позволит выполнить поставленные требования.

Рассуждения материаловеда-композитчика

Проследим за ходом рассуждений материаловеда-композитчика. Для него ясно, что задача должна решаться путем создания композиционного материала. Поскольку требуется обеспечить прочность только в одном направлении, нужно создавать армированный материал, в котором армирующие волокна уложены параллельно друг другу.

Вдоль их оси и будет обеспечена максимальная прочность и жесткость. Вопрос в том, какие волокна использовать и сколько их ввести? Ясно, что в качестве арматуры нужны волокна с максимальными значениями прочности и жесткости. Но только этими показателями ограничиваться нельзя.

Например, вольфрамовые волокна, хотя и обладают высокими механическими характеристиками, имеют большую плотность, и, используя их в качестве арматуры, мы заведомо не сможем выполнить требование, касающееся плотности разрабатываемого композита. По той же причине следует отказаться от применения стальных проволок и волокон карбида кремния.

Нитевидные кристаллы, (подробнее: Металлические усы) могли бы помочь решить задачу, но, как мы уже знаем, их использование связано с большими технологическими трудностями и крупными материальными затратами. Пожалуй, наиболее целесообразно попробовать волокна бора и углерода.

Их применение не увеличит плотность композита по сравнению с алюминием (углеродные волокна даже уменьшат ее), а модуль упругости и прочность должны повыситься. Необходимо подсчитаем, сколько волокон нужно ввести, чтобы обеспечить заданные механические характеристики.

Сколько — это значит не сколько штук, а сколько процентов по объему должны занимать в композите волокна.

Правило смесей

Расчет здесь простой. Нужно применить правило аддитивности, т.е. воспользоваться правилом смесей. Раньше в четвертом-пятом классах решали задачи такого типа: килограмм карамелек стоит 1 рубль, а килограмм ирисок — 3 рубля. Сколько будет стоить килограмм смеси, составленной из двух килограммов карамелек и четырех килограммов ирисок?

Казалось бы, кому нужно знать стоимость килограмма этой злосчастной смеси, ведь ни одного нормального покупателя такой вопрос совершенно не волнует. Но оказалось, задачи о смесях на самом деле — очень нужная штука. Их нередко используют в разных технических расчетах и в частности при оценочных расчетах некоторых свойств композитов.

Например, прочность и жесткость композиционного материала в направлении армирования можно рассчитать точно так же, как стоимость одного килограмма смеси. Композит в первом приближении можно рассматривать как смесь матрицы и волокон. (Это можно сделать далеко не всегда, но в данном случае для оценочных расчетов — можно.)

Цена одного килограмма смеси определяется по простой формуле: Ц = Ц₁ N₁ + Ц₂ N₂. В этой формуле Ц₁ Ц₂ и Ц — цены карамелек, ирисок и смеси соответственно; N₁ — доля карамелек в смеси, N₂ — доля ирисок в смеси. При этом в сумме N₁ + N₂ = 1. В смеси, состоящей из 2кг карамелек и 4кг ирисок, доля карамелек N₁ = 2/(2+4) = 1/3, а доля ирисок N₂ = 4/(2+4) = 2/3.

В соответствии с приведенной формулой цена 1кг смеси из карамелек и ирисок составит: Ц = 1(руб/кг) 1/3 + 3(руб/кг) 2/3 = 2 1/3 (руб/кг).

Модуль Юнга для композита

По аналогичной формуле можно рассчитать модуль Юнга для композита в направлении укладки волокон: Е = E_M V_M +E_B V_B. Здесь E_M, E_B, Е — модули Юнга матрицы, (подробнее: Армированные композиты), волокон и композита соответственно; V_M, V_B — объемные доли матрицы и волокон в композите. Бронепластина как яркий пример применения композита

С учетом того, что V_M + V_B = 1, это выражение можно записать в виде: Е = E_M (1-V_B) + E_B V_B. Последней формулой воспользуемся для решения поставленной задачи. Нам нужно получить композит с модулем Юнга Е = 200 ГПа. Модуль Юнга алюминиевой матрицы E_M = 70 ГПа, средний модуль Юнга борных волокон E_B = 400 ГПа, а углеродных волокон E_B = 350 ГПа.

Следовательно, для композита, армированного борными волокнами, формула примет вид: 200=70 (1-V_B) + 400 V_B. Решая это уравнение относительно V_B, получим: V_B = 0,39 = 39 % (по объему). Для композита алюминий — углеродные волокна — 200 = 70(1-V_B) + 350V_B, откуда V_B = 0,46 = 46 % (по объему).

Таким образом, чтобы выполнить требование по жесткости, необходимо ввести в алюминий либо 39 % (по объему) борных волокон, либо 46 % (по объему) углеродных волокон. Прочность композита тоже может быть рассчитана по правилу смесей.

Если волокна менее пластичны, чем матрица (а у нас как раз такой случай), то прочность армированного материала в направлении укладки волокон приближенно оценивается формулой: (Ϭ_B)_к = (Ϭ_B)_в V_B + Ϭ_М (1-V_B) Здесь (Ϭ_B)_к и (Ϭ_B)_в — пределы прочности композита и волокон; Ϭ_М — величина, близкая к пределу текучести матрицы; V_B— объемная доля волокон. Нам нужно получить (Ϭ_B)_к = 1000 МПа.

Борные волокна в среднем имеют (Ϭ_B)_в = 3250 МПа, а углеродные — (Ϭ_B)_в = 2500 МПа, предел текучести алюминия примерно 30 МПа. Таким образом, для алюминия, армированного борными волокнами, получаем 1000 = 3250 V_B + 30(1 - V_B), а для углеалюминия — 1000 = 2500 V_B + 30(1 - V_B). Решение этих уравнений дает для бороалюминия V_B = 0,3 = 30 % (по объему), а для углеалюминия V_B = 0,39 = 39 % (по объему).

Из полученных результатов видно, что задача решается либо созданием бороалюминия, содержащего 39 % (по объему), либо — углеалюминия, армированного 46% (по объему) углеродных волокон.

Композиты такого состава будут иметь требуемую жесткость, прочность их будет выше заданной (это не очень выгодно с экономической точки зрения, но делать материалы менее прочными мы не имеем права, поскольку при уменьшении прочности за счет уменьшения концентрации волокон снижается и модуль Юнга).

Плотность полученных композитов также можно рассчитать по правилу смесей: ɣ = ɣ_B V_B + ɣ_М (1 - ɣ_B). Здесь ɣ, ɣ_B, ɣ_М — плотности композита, волокон и матрицы; V_B — объемная доля волокон.

Взяв значения плотностей борных и углеродных волокон (2630 кг/м 3 и 1700 кг/м 3 ) и зная, что ɣ_М = 2700 кг/м 3 , легко подсчитать, что плотность композита алюминий — 39 % (по объему) борных волокон составляет 2670 кг/м 3 , а композита алюминий — 46 % (по объему) углеродных волокон — 2240 кг/м 3 . Следовательно, требование по плотности выполнено тоже.

Дальше следует решить, на каком из двух выбранных композитов остановиться. Это определяется целым комплексом условий — технологических, конструкционных, экономических. В одних случаях более предпочтительным может оказаться бороалюминий, в других — углеалюминий.

Поскольку дополнительная информация не оговаривается, на этом можно остановиться, считая задачу, о том как создаются композиты, выполненной.

Композиционный материал – это неоднородный сплошной материал из двух или более компонентов с чёткой разницей между ними. Самый простой пример – обычная клееная фанера. Но есть и гораздо более интересные технологии и материалы, используемые в авиастроении, автомобилестроении и других областях. Подробнее – под хабракатом.

Древние первооткрыватели

Два или более неоднородных материала используют вместе, чтобы создать новый уникальный материал или же улучшить характеристики одного из них. Первое использование этого метода относится к 1500 году до нашей эры, когда в Египте и Месопотамии начали использовать глину и солому для строения зданий. Также солому вносили в состав для укрепления керамических изделий и лодок.

Следующая веха – это 1200 год нашей эры. Постарались монголы: они создали первый композиционный лук из таких материалов, как древесина, кость и животный клей. Монгольский лук делали обычно из нескольких слоев древесины (в основном это была береза), которые склеивали с помощью животного клея. Роговые накладки помещали на внутренней стороне лука, закрепляя жилами.

Эра пластиков

Не было бы современных композитов, если бы ученые не придумали пластмассы. До этого единственным источником клея и связующих веществ служили природные смолы, которые получали из животных или растений. А в начале XX века разработали винил, полистирол, фенол и полиэстр. Эти материалы значительно превосходили ранее используемые.

Но и пластмассы не могли обеспечить достаточную прочность. Нужно было армирование получше, и в 1935 году фирма Owens/Corning разработала стекловолокно. В сочетании с пластиковыми полимерами оно представляет собой чрезвычайно прочную и при этом очень легкую структуру. Это стало началом армированной полимерной промышленности.

Первая реклама продукта из стекловолокна относится к 1939 году. Это воздушный фильтр компании Owens-Corning.

В 1957 году компания рекламировала шторы из стекловолокна с принтом.

Еще кое-что из 1970 года – панели из стекловолокна для теплоизоляции при строительстве.

Ранние инновации в композиционных материалах: Вторая мировая

Множество изобретений в этой сфере были придуманы во время войн. Как монголы создали свой композиционный лук, так и Вторая мировая война позволила армированным полимерам перекочевать из лабораторий в реальный мир.

Альтернативные материалы, позволяющие снизить вес конечного изделия, были необходимы в военном авиастроении. Очень быстро инженеры поняли преимущества композитов в плане их веса и прочности.

Адаптация композитов

В общем, к концу войны небольшая ниша композиционной промышленности была заполнена. И теперь стояла непростая задача: как перейти с военных заказов на продукты мирного назначения.

Среди очевидных вариантов были лодки. Первую лодку с композитным корпусом представили в 1946 году. Примерно в то же время сделали доску для серфинга из стекловолокна. И появился метод “протяжки” – “пултрузия”, используемая в производстве полимерных композиционных материалов.

Вот, например, схема сухой пултрузии. Метод значительно упрощал производство.

Автомобили – еще одно важное направление для полимерных композитов.

В 1954 году в США в продаже появился первый спорткар, корпус которого сделан из стекловолокна: Kaiser-Darrin. Эта машинка разгонялась до 60 миль в час за 15,1 секунды. А максимальная скорость – чуть меньше 100 миль в час, то есть около 160 км/ч.

Такие характеристики стали достижимыми при движке в 90 лошадиных сил во много благодаря небольшому весу автомобиля — около 2200 фунтов, то есть 997 кг.

В 1970-х материалы стали еще лучше и сложнее. Компания DuPont, а именно одна группа под управлением Стефани Кволек, разработала арамидные волокна, известные нам как кевлар. Сейчас это общеизвестный материал, используемый в бронежилетах. Кевлар в пять раз прочнее стали. Создавали его материал для армирования автомобильных шин, он и сейчас применяется в этих целях. Также им армируют медные и волоконно-оптические кабели.

Автомобильная шина Wrangler с использованием кевлара.

Рукав из кевлара с доком для iPhone.

Кевлар применяется и в беспилотном авиастроении. Например, для дополнительной защиты беспилотного летательного аппарата RQ-11 Raven.

Космос и авиация

Алюминий и другие металлы при производстве деталей самолетов заменяют на композиты низкой плотности, что позволяет снизить массу самолетов. Это, в свою очередь, экономит топливо. Так что в гражданской авиации сейчас широко используются композиты.

В Boeing 787 DreamLiner из композитных материалов на основе углерода изготовлены 50% элементов фюзеляжа. Таким образом, этот самолет легче и прочнее обычного лайнера с алюминиевым фюзеляжем.

Двигатель Genx от General Electric также имеет в себе композитные материалы: из них изготовлены корпус, лопатки турбины и форсунки, впрыскивающие топливо в камеру внутреннего сгорания.

Оружие

Сменный ствол винтовки Christensen Arms, выполненный из углепластика. Винтовка построена на базе затворной группы Remington-700.

Карабин Carbon Custom R-93 со сменными стволами.

Современные полимерные композиционные материалы

Самая интересная группа композитов – полимеры. Это не фанера и не солома в кирпичах, а сложные в производстве материалы, иногда включающие работу даже на наноуровне (10 в -9 степени).

Немного теории в этот раз. Для армирования используют:
углеродные ткани (карбон);
арамидные ткани (кевлар);
гибридные ткани (карбон + кевлар);
однонаправленные гибридные ткани;
стеклоткани;
мультиаксиальные ткани;
углеродные ленты;
препреги.

Как используют углеродные ткани?

Для изготовления карбоновых деталей применяется как просто углеродное волокно с хаотично расположенными и заполняющими весь объем материала нитями, так и ткань (Carbon Fabric). Наиболее распространены такие виды плетений, как Plain, Twill, Satin.

Плотность ткани, или удельная масса, выраженная в г/м^2, помимо типа плетения зависит от толщины волокна, которая определяется количеством угленитей. Данная характеристика кратна тысячи. Так, аббревиатура 1К означает тысячу нитей в волокне.

В строительстве зданий и дорог, для армирования бетонным емкостей и хранилищ используется углепластиковая и стеклопластиковая арматура, инертная ко всем агрессивным средам, обладающая высокой прочностью и ожидаемым сроком службы 75 лет.

Армировать при строительстве и после него можно и с внешней части: используя углеродную ленту, пропитанную двухкомпонентным эпоксидным составом. Картинку лучше, к сожалению, не нашел.

Асфальт можно армировать с помощью добавления в него фибры. Вспомнили солому и глину в начале поста?

Нанотехнологии

Но в недавнее время на рынок вышли полимерные смолы, выполняющие роль связующего, которые, исходя из процесса их производства, вполне подпадают под определение нанотехнологии.

Медицина

Конечно, изначально военные разработки очень часто превращаются в продукты мирного времени и используются в том числе в медицине.

Начнем со стоматологии. Пломбы вам ставили? С высокой вероятностью это были композиционные материалы. Прямо при вас непосредственно перед установкой врач смешивает компоненты, после чего устанавливает на место и затем держит несколько минут ультрафиолетовую лампу. Это светоотверждаемые пломбы.

Есть и пломбы химического отверждения. Например, стеклоиономерный цемент из порошка и жидкости, в котором порошок — алюмофторсиликатное стекло с фтором, а жидкость — водный раствор полиакриловой кислоты.

Композитные волокна используются при производстве ортезов. Ортез — это специальное приспособление, предназначенное для разгрузки, фиксации, активации или коррекции функций сустава или конечности. Здесь имеются кортезы, бандажи, обувь и другие продукты.

Само собой, протезы также делают из композиционных материалов. В случае с образцами для бегунов это просто необходимо, так как подобную гибкость и прочность другие материалы дать неспособны.

Заключение

Древнейший метод, который помогал делать кирпичи и луки прочнее, в сочетании с современными материалами дает неоценимые преимущества в различных сферах. Среди них авиа- и автомобилестроение, космонавтика, медицина, включая стоматологию и протезирование, и строительство. Даже такая простая вещь, как арматура в бетонных конструкциях, теперь стала более технологичной, выполненной из стеклопластика и углепластика. Пломбы у стоматолога, как я писал выше, также относятся к композитным материалам. Композиционные материалы прочно вошли в нашу жизнь, подчас абсолютно незаметно для нас.

Притом использование этого метода возможно даже в домашних условиях. Я упоминал в одной из прошлых публикаций, что планирую сделать новые моды для своего квадрокоптера. Как только достигну в этом успеха — напишу.

Принципы создания и основные типы композиционных материалов

Принцип создания и основные виды композиционных материалов Композиционные материалы — это материалы, состоящие из двух или более компонентов, причем композиционные материалы по своим характеристикам отличаются от традиционных конструкционных материалов, предопределяют их успешное применение для современных усовершенствований и разработки принципиально новых конструкций, объединяются различными способами в монолит и сохраняют индивидуальные характеристики.

Для композиционных материалов характерно следующее сочетание признаков:•состав, форма и распределение компонентов материала определены заранее; *материал является демаркированным материалом; * материал не виден в природе, но является творением человека. Компоненты композиционного материала различаются по форме. Компонент,

Одни и те же компоненты являются разрывными, делятся на объем композиционного материала, его считают армированным или армированным. В качестве матрицы композиционных материалов могут быть использованы металлы и их сплавы, а также органические и неорганические полимеры, керамика, углерод и другие материалы. Свойства матрицы зависят от технических параметров процесса получения композиции и ее эксплуатационных характеристик (плотности, удельной прочности, рабочей температуры, усталостной стойкости и влияния агрессивных сред).

Композиционные материалы классифицируются по геометрической форме наполнителя, его расположению в Матрице и характеру компонентов. Форма наполнителя композиционного материала делится на три группы: * нулевое заполнение и размеры, имеющие одинаковый порядок в трех измерениях.• Компоновка наполнителя существует три группы композиционных материалов: * волокна, нити, филаменты, филаменты в виде нитевидных кристаллов в матрице, параллельных друг другу. *

Композиционный материал, содержащий компоненты металла или сплава, включая компоненты неорганического соединения, такие как оксид, карбид, нитрид и т. д.; * Композиционный материал, содержащий компоненты неметаллических элементов, углерода, бора и др.* Композиционные материалы, содержащие компоненты органических соединений (эпоксидные, полиэфирные, фенольные и другие смолы); Приведенная классификация не включает Полиармированные композиционные материалы, содержащие слой из двух или более композиций попеременно, матрица отличается по химическому составу.

Свойства композиционного материала зависят не только от физико-химических свойств компонентов, но и от прочности связей между ними. Людмила Фирмаль

Как правило, компоненты композиционных материалов подбираются с существенно отличающимися друг от друга характеристиками. 252 композиционные материалы по сравнению с современными конструкционными материалами демонстрируют более высокую удельную жесткость (E/p) и удельную прочность (PV/p) (рис. 10.1). Модуль упругости композиционного материала может изменяться в желаемом направлении в зависимости от способа армирования. Высокая надежность в работе конструкций из композиционных материалов связана со спецификой распределения их трещин. В обычных сплавах трещины развиваются быстро, и в процессе эксплуатации конструкции детали скорость их роста увеличивается. В композиционных материалах трещины обычно возникают в Матрице и встречают препятствия на границе раздела Матрица-отвердитель. Усиливающий элемент препятствует его распространению и на некоторое время замедляет его рост.

Образовательный сайт для студентов и школьников

Простейшие аналоги композита, приходящие на ум новичку, – кондитерская вафля и древесная фанера. В первом случае между коржами с сеточными выступами располагается кремообразная начинка. Второй вариант – перпендикулярно расположенные слои волокна, которые пропитаны клеящим составом.

Что это такое?

Композит – сочетание слоёв разнородных и разнотипных материалов, отличающихся по ряду физических, технологических и механических свойств. Одно из главных требований – нейтральность, обеспечиваемая значительным сходством химических свойств используемых слоёв. Технологические и механические, а также ряд физических свойств полученного композита отличаются от аналогичных исходных параметров каждого из слоёв в отдельности.

Типов прослоек у композитного материала всего два: матрица с ячейками и наполнитель. Простейший строительный аналог композита – железобетон, образованный стальным каркасом, пространство внутри которого (и отчасти за его пределами) наполнено бетонной заливкой, что затвердела и набрала прочность за месяц с даты заливания бетонного раствора.

Цель композитного материала – улучшение механических параметров в значительной мере.

По структурному строению композитные материалы бывают волокнистыми, дисперсно-упрочненными, частично-упрочненными (не путать с частичным упрочнением, упоминаемым в смысле некоторого улучшения параметров состава) и нанометрическими.

Примеры композитных материалов.

Гербовая бумага для денег и документов, содержащая синтетические волоски, повышающие прочность на разрыв и истираемость. А также они являются одним из многочисленных индикаторов на наличие подделки билета.
Кирпичи из глины, в которую включена солома. Саманный кирпич обретает некоторую стойкость к растрескиванию.
Эпоксидный клей с металлическим или древесным порошком. Последний вводится в состав в целях экономии эпоксидной смолы.
Карбон, ломающийся при разнонаправленных ударах. Не растрескивается он лишь при ударах и вибрации, совпадающих по вектору их воздействия с направлением, по которому движется велосипедист. Если плашмя ударить карбоновой рамой велосипеда по любому предмету, например, о бетонный столб, то углепластик разлетится на осколки.
Триплекс – слои стекла на лобовом и заднем визорах автомобиля, скреплённые слоями целлулоида. При аварии исключено разлетание большого количества клиновидных осколков, зачастую заканчивающееся потерей зрения водителя, попавшего в ДТП.

Слои закалённого стекла разбиваются на мелкое кубическое крошево с притупленными краями, при этом большая часть осколков удерживается слоями пластика от разлёта во все стороны.

Так, бронестекло для полицейских и военных машин изготавливается из трёх и более слоёв закалённого стекла – его можно пробить лишь бронебойными пулями или снарядами. Бронированное стекло относится к слоисто-композитным материалам. Разнообразие имеющихся на сегодня разработок делит композитный материал на десятки видов и разновидностей, каждый из которых пользуется немалым спросом на рынке строительных и ремонтных услуг.

Так, существуют зеркальный, пломбировочный, кварцевый и другие композитные материалы, рассчитанные на конкретные сферы применения. Характеристики каждого из этих видов отличаются друг от друга. Например, нано- и микрокомпозиты, не содержащие полимеров, не горят. Они обугливаются лишь при нагревании не менее чем до сотен градусов по Цельсию, что упрощает их применение при несвойственных для комнатных условий температурах.

Композитные материалы изготавливаются по следующей схеме. Вначале наносится матричный компонент на армирующие волокна, затем с помощью прессующей формы формируются ленты упрочняющего ингредиента и самой матрицы. Получившийся материал выпрессовывается, спекается, на него наносится добавочное покрытие на волокна. Далее образовавшийся вторичный материал (очередная стадия) отправляется на повторное прессование, проходит стадию нанесения матрицы в виде напыления при помощи плазмы. Третье прессование – обжатие – является заключительной стадией. Таким образом, обжатие (прессование) осуществляется не менее трёх раз.

Натуральные

Натуральные композитные материалы отличаются лёгким весом, немалой прочностью и ультрасовременным исполнением. Они применяются главным образом для летательных аппаратов, включая самолёты и ракеты. Несложные композиты созданы уже самой природой, например, годичные кольца древесины, кора. Натуральные композитные материалы, созданные человеком, – кирпич из глины, в которой содержится песок, цементно-песчаные блоки с добавлением древесных опилок и другие.

Классические

Одним из классических композитных волокон признан фиберглас. Он представляет собой пластиковую ленту из композита, которая наклеивается на всевозможные поверхности. Эта матрица удерживает стекловолокнистые нити на их местах. Благодаря стеклянным нитям, спрессованным таким образом, обеспечивается прочность этого материала. Пластик изначально является мягким и гибким, а стекло обладает твёрдой и хрупкой структурой.

Объединив эти свойства, удаётся получить весьма гибкий и в то же время твёрдый материал, в котором пластик и стекло дополняют друг друга. Композит используется для изготовления кузовщины автомобилей и моторных лодок. Стеклянный композит не ржавеет и не окисляется.

Те же свойства присущи углепластику (карбону): в нём углеродные волокна соединены вместе. Распространённый пример – карбоновые рамы велосипедов.

Современные

Более современные, появившиеся значительно позже стройматериалы содержат в качестве основной субстанции металл, керамику и/или полимер. Классификация этих материалов учитывает и неметаллические добавки, к примеру, древесную стружку или пыль. Усиленный пластиком деревянный композит, или композитная доска (и листовой материал, изготовленный из тех же ингредиентов), используется в производстве мебели и при организации настила на веранде либо террасе.

Древесина, измельчённая и смешанная с расплавленным до мягкого состояния полимером, применяется в качестве упрочнённого террасного покрытия, по которому можно ходить и даже передвигать мебель: доска или лист из деревопластика не сломается и не растрескается, будучи сплошным материалом.

Полимерные матричные

МДФ – коробчатый или сплошной профиль, в котором применяется не синтетическая смола или пластик, а исключительно смолы природного происхождения. Измельчённое в щепки и пыль дерево пропитывается этим веществом и проходит затем в печи стадии спекания и прессования. Распространённая продукция, произведённая из МДФ, – двери и ламинат высокого качества. При спекании и затвердевании смолы они полимеризуются – образуется натуральный полимер, в котором растворена древесная пыль (и распределены щепки).

Металлические матричные

Простейший пример – алюминиевый или магниевый сплав, усиленный углеволокном. Но алюминий может дополняться и карбидом кремния, а медно-никелевый состав – дополняться графеном, подвидом углеволокна. Композитные материалы с металломатрицей прочны, обладают приемлемой для решения большинства задач жёсткостью, износостойкие, устойчивы к окислению, обладают относительной лёгкостью по сравнению с цельнометаллическими изделиями.

Они являются дорогостоящими и трудно поддаются обработке. Из современных композитов изготавливают, к примеру, поршневые элементы для дизельных ДВС. Композитный сайдинг для фасада изготавливается из листового алюминия, между слоями которого залит пластик. Придать другой цвет такой отделке помогает окрашивание.

Керамические матричные

Карбидно-углепластиковый композит – одно из наиболее востребованных на рынке композитных материалов средство, позволяющее получить состав, опережающий углеволокно и композит по своим прочностным характеристикам и показателю надёжности заготовок, исполненных из такой субстанции. Применяется такой композит, например, в производстве деталей автомобильной системы торможения и сцепления.

Из-за высокотемпературной среды, в которой они работают, в качестве связывающего компонента не используется пластик – в противном случае материал, скажем, всё той же тормозной колодки быстро стёрся бы.

Композитные материалы будущего

Сегодня не прекращаются разработки более современных материалов, которые заменили бы те, что уже проникли на рынок, насчитывающий десятки тысяч видов изделий, изготовленных из них. Так, размеры армирующих волокон в нанотехнологиях в 1000 раз меньше более длинных их предшественников. Один из материалов будущего – углеродные нанотрубки, из которых изготавливаются, к примеру, хоккейные клюшки. В этом примере наноуглеродное волокно покрыто никель-кобальтовым композитным материалом. Эта клюшка почти втрое более прочная и на одну пятую более подвержена перегибам, при этом не растрескиваясь, чем аналогичное изделие, исполненное из стального сплава.

Дисперсно-упрочнённые композитные материалы относят к наноматериалам, в которых размер основных волокон в длину доведён до значения от 100 нм. Но в последние лет десять наночастицы сократились в длину до 10 нм – подобный подход применяется, к примеру, в полупроводниках и проводниках, образующих собой кристалл микропроцессора, микроконтроллера или микросхем, образующих электронную память. К композитным балкам и панелям применяются жёстко заданные нормативы: так, жёсткость (модуль Юнга) должна быть не ниже 130 гигапаскалей, материалы должны сопротивляться усталостному износу, отличаться размеростабильностью. Цель – решить одновременно все эти задачи. Недостатки – высокая стоимость из-за повышенной наукоёмкой нагрузки при разработке, внедрении и применении на практике этих материалов.

Рынок композитов в России

Российский рынок по производству КМ составляет лишь 3% поставок на экспорт от общемирового уровня. Обусловлено это отсутствием единых нормативных документов, упрощающих производство композитных стройматериалов, а до недавнего времени 90% сырья для производства являлось привозным.

Так, производство углепластика в России только начало развиваться, в то время как, например, Китай является одним из ведущих производителей композита. Новые материалы, в создании которых участвовали и российские учёные, базируются преимущественно на применении наночастиц.

Сферы применения

Композитные материалы применяются в самолетостроении для производства некоторых компонентов двигателей и несущей конструкции самолётов. Космические отрасли применяют их для производства несущих и обшивочных конструкций ракет и спутников, испытывающих сильный разогрев при выходе на орбиту. Автомобильная промышленность использует композит для выделки кузовщины и бамперов. Горнодобывающие отрасли применяют КМ в качестве материала для буров. Гражданское строительство использует КМ для строительства элементов мостов и других высотных сооружений.

Основная предпосылка в разных отраслях машиностроения – облегчение собственного веса автомобилей и спецтехники, всевозможных транспортных средств: до 70% комплектующих – неметаллический материал. Наливной пол (заливка полов), а также заливка лестниц подразумевает использование композита, в котором до его вступления в реакцию с воздухом находится полужидкое, возможно, сиропообразное вещество. Такой композит легко нанести на бетонное основание чернового пола, используя эпоксидный клей, в котором растворён основной наполнитель.

Расчёт

Такая покрышка пройдет не одну, а не менее двадцати тысяч километров, прежде чем сотрётся настолько, что её проколы всё же станут частым явлением. Расчёт стоимости одной такой покрышки, при котором этот ценник может повыситься в 10 раз и более, позволяет получить выгоду за счёт небольшого общего удешевления, не меняя аналогичные покрышки до 10 раз (этот фактор расценивается как затрата времени на ремонтные манипуляции) – при прохождении всё тех же 20000 км на одной и той же резине.

В данном случае велопокрышки являются этаким мультикомпозитом, где используется несколько улучшающих слоёв (матриц), а не один. Расчёт производства определённого вида композитного материала опирается на форму, в которой он используется. Армирующие включения используются в качестве нитей, лент, тонкой материи, волокнистого или жгутового компонента. Количество упрочнителя в материале по объёму и по массе – 30-80%, в зависимости от назначения отдельно взятой разновидности композита.

Количество нитей в нитевых КМ – от трёх. В освоении космоса это имеет решающее значение: килограмм груза, выведенный на низкую околоземную орбиту, равен тысяче долларов, а это не менее важно для экономической эффективности, не влияющей на ход выполнения отдельно взятой миссии.

Читайте также: