Чем отличается композитные материалы от других материалов кратко

Обновлено: 04.05.2024

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.

Композиционные материалы (композиты) – многокомпонентные материалы, состоящие, как правило, из пластичной основы (матрицы), армированной наполнителями, обладающими высокой прочностью, жесткостью и т.д. Сочетание разнородных веществ приводит к созданию нового материала, свойства которого количественно и качественно отличаются от свойств каждого из его составляющих. Варьируя состав матрицы и наполнителя, их соотношение, ориентацию наполнителя, получают широкий спектр материалов с требуемым набором свойств. Многие композиты превосходят традиционные материалы и сплавы по своим механическим свойствам и в то же время они легче. Использование композитов обычно позволяет уменьшить массу конструкции при сохранении или улучшении ее механических характеристик.

Компонентами композитов являются самые разнообразные материалы – металлы, керамика, стекла, пластмассы, углерод и т.п. Известны многокомпонентные композиционные материалы – полиматричные, когда в одном материале сочетают несколько матриц, или гибридные, включающие в себя разные наполнители. Наполнитель определяет прочность, жесткость и деформируемость материала, а матрица обеспечивает монолитность материала, передачу напряжения в наполнителе и стойкость к различным внешним воздействиям.

Полимерные композиционные материалы

Композиты, в которых матрицей служит полимерный материал, являются одним из самых многочисленных и разнообразных видов материалов. Их применение в различных областях дает значительный экономический эффект. Например, использование ПКМ при производстве космической и авиационной техники позволяет сэкономить от 5 до 30% веса летательного аппарата. А снижение веса, например, искусственного спутника на околоземной орбите на 1 кг приводит к экономии 1000 долларов. В качестве наполнителей ПКМ используется множество различных веществ.

Стеклопластики

Полимерные композиционные материалы, армированные стеклянными волокнами, которые формуют из расплавленного неорганического стекла. В качестве матрицы чаще всего применяют как термореактивные синтетические смолы (фенольные, эпоксидные, полиэфирные и т.д.), так и термопластичные полимеры (полиамиды, полиэтилен, полистирол и т.д.). Эти материалы обладают достаточно высокой прочностью, низкой теплопроводностью, высокими электроизоляционными свойствами, кроме того, они прозрачны для радиоволн. Использование стеклопластиков началось в конце Второй мировой войны для изготовления антенных обтекателей – куполообразных конструкций, в которых размещается антенна локатора. В первых армированных стеклопластиках количество волокон было небольшим, волокно вводилось, главным образом, чтобы нейтрализовать грубые дефекты хрупкой матрицы. Однако со временем назначение матрицы изменилось – она стала служить только для склеивания прочных волокон между собой, содержание волокон во многих стеклопластиках достигает 80% по массе. Слоистый материал, в котором в качестве наполнителя применяется ткань, плетенная из стеклянных волокон, называется стеклотекстолитом. Стеклопластики – достаточно дешевые материалы, их широко используют в строительстве, судостроении, радиоэлектронике, производстве бытовых предметов, спортивного инвентаря, оконных рам для современных стеклопакетов и т.п.

Углепластики

Наполнителем в этих полимерных композитах служат углеродные волокна. Углеродные волокна получают из синтетических и природных волокон на основе целлюлозы, сополимеров акрилонитрила, нефтяных и каменноугольных пеков и т.д. Термическая обработка волокна проводится, как правило, в три этапа (окисление – 220° С, карбонизация – 1000–1500° С и графитизация – 1800–3000° С) и приводит к образованию волокон, характеризующихся высоким содержанием (до 99,5% по массе) углерода. В зависимости от режима обработки и исходного сырья полученное углеволокно имеет различную структуру. Для изготовления углепластиков используются те же матрицы, что и для стеклопластиков – чаще всего – термореактивные и термопластичные полимеры. Основными преимуществами углепластиков по сравнению со стеклопластиками является их низкая плотность и более высокий модуль упругости, углепластики – очень легкие и, в то же время, прочные материалы. Углеродные волокна и углепластики имеют практически нулевой коэффициент линейного расширения. Все углепластики хорошо проводят электричество, черного цвета, что несколько ограничивает области их применения. Углепластики используются в авиации, ракетостроении, машиностроении, производстве космической техники, медтехники, протезов, при изготовлении легких велосипедов и другого спортивного инвентаря.

На основе углеродных волокон и углеродной матрицы создают композиционные углеграфитовые материалы – наиболее термостойкие композиционные материалы (углеуглепластики), способные долго выдерживать в инертных или восстановительных средах температуры до 3000° С. Существует несколько способов производства подобных материалов. По одному из них углеродные волокна пропитывают фенолформальдегидной смолой, подвергая затем действию высоких температур (2000° С), при этом происходит пиролиз органических веществ и образуется углерод. Чтобы материал был менее пористым и более плотным, операцию повторяют несколько раз. Другой способ получения углеродного материала состоит в прокаливании обычного графита при высоких температурах в атмосфере метана. Мелкодисперсный углерод, образующийся при пиролизе метана, закрывает все поры в структуре графита. Плотность такого материала увеличивается по сравнению с плотностью графита в полтора раза. Из углеуглепластиков делают высокотемпературные узлы ракетной техники и скоростных самолетов, тормозные колодки и диски для скоростных самолетов и многоразовых космических кораблей, электротермическое оборудование.

Боропластики

Композиционные материалы, содержащие в качестве наполнителя борные волокна, внедренные в термореактивную полимерную матрицу, при этом волокна могут быть как в виде мононитей, так и в виде жгутов, оплетенных вспомогательной стеклянной нитью или лент, в которых борные нити переплетены с другими нитями. Благодаря большой твердости нитей, получающийся материал обладает высокими механическими свойствами (борные волокна имеют наибольшую прочность при сжатии по сравнению с волокнами из других материалов) и большой стойкостью к агрессивным условиям, но высокая хрупкость материала затрудняет их обработку и накладывает ограничения на форму изделий из боропластиков. Кроме того, стоимость борных волокон очень высока (порядка 400 $/кг) в связи с особенностями технологии их получения (бор осаждают из хлорида на вольфрамовую подложку, стоимость которой может достигать до 30% стоимости волокна). Термические свойства боропластиков определяются термостойкостью матрицы, поэтому рабочие температуры, как правило, невелики.

Применение боропластиков ограничивается высокой стоимостью производства борных волокон, поэтому они используются главным образом в авиационной и космической технике в деталях, подвергающихся длительным нагрузкам в условиях агрессивной среды.

Органопластики

Композиты, в которых наполнителями служат органические синтетические, реже – природные и искусственные волокна в виде жгутов, нитей, тканей, бумаги и т.д. В термореактивных органопластиках матрицей служат, как правило, эпоксидные, полиэфирные и фенольные смолы, а также полиимиды. Материал содержит 40–70% наполнителя. Содержание наполнителя в органопластиках на основе термопластичных полимеров – полиэтилена, ПВХ, полиуретана и т.п. – варьируется в значительно больших пределах – от 2 до 70%. Органопластики обладают низкой плотностью, они легче стекло- и углепластиков, относительно высокой прочностью при растяжении; высоким сопротивлением удару и динамическим нагрузкам, но, в то же время, низкой прочностью при сжатии и изгибе.

Важную роль в улучшении механических характеристик органопластика играет степень ориентация макромолекул наполнителя. Макромолекулы жесткоцепных полимеров, таких, как полипарафенилтерефталамид (кевлар) в основном ориентированы в направлении оси полотна и поэтому обладают высокой прочностью при растяжении вдоль волокон. Из материалов, армированных кевларом, изготавливают пулезащитные бронежилеты.

Органопластики находят широкое применение в авто-, судо-, машиностроении, авиа- и космической технике, радиоэлектронике, химическом машиностроении, производстве спортивного инвентаря и т.д.

Сейчас применяются разнообразные наполнители так термореактивных, так и термопластичных полимеров. Карбонат кальция и каолин (белая глина) дешевы, запасы их практически не ограничены, белый цвет дает возможность окрашивать материал.

Применяют для изготовления жестких и эластичных поливинилхлоридных материалов для производства труб, электроизоляции, облицовочных плиток и т.д., полиэфирных стеклопластиков, наполнения полиэтилена и полипропилена. Добавление талька в полипропилен существенно увеличивает модуль упругости и теплостойкость данного полимера. Сажа больше всего используется в качестве наполнителя резин, но вводится и в полиэтилен, полипропилен, полистирол и т.п. По-прежнему широко применяют органические наполнители – древесную муку, молотую скорлупу орехов, растительные и синтетические волокна. Для создания биоразлагающихся композитов в качество наполнителя используют крахмал.

Текстолиты

Слоистые пластики, армированные тканями из различных волокон. Технология получения текстолитов была разработана в 1920-х на основе фенолформальдегидной смолы. Полотна ткани пропитывали смолой, затем прессовали при повышенной температуре, получая текстолитовые пластины. Роль одного из первых применений текстолитов – покрытия для кухонных столов – трудно переоценить.

Основные принципы получения текстолитов сохранились, но сейчас из них формуют не только пластины, но и фигурные изделия. И, конечно, расширился круг исходных материалов. Связующими в текстолитах является широкий круг термореактивных и термопластичных полимеров, иногда даже применяются и неорганические связующие – на основе силикатов и фосфатов. В качестве наполнителя используются ткани из самых разнообразных волокон – хлопковых, синтетических, стеклянных, углеродных, асбестовых, базальтовых и т.д. Соответственно разнообразны свойства и применение текстолитов.

Композиты формируются путем объединения разнородных материалов в общую структуру, свойства которой сильно отличаются от свойств отдельных компонентов

Обычная клеёная фанера является широко распространённым композиционным материалом

Композиционный материа́л (КМ), компози́т — многокомпонентный материал, изготовленный (человеком или природой) из двух или более компонентов с существенно различными физическими и/или химическими свойствами, которые, в сочетании, приводят к появлению нового материала с характеристиками, отличными от характеристик отдельных компонентов и не являющимися простой их суперпозицией. При этом отдельные компоненты остаются таковыми в структуре композитов, отличая их от смесей и твёрдых растворов. В составе композита принято выделять матрицу/матрицы и наполнитель/наполнители. Варьируя состав матрицы и наполнителя, их соотношение, ориентацию наполнителя, получают широкий спектр материалов с требуемым набором свойств. Многие композиты превосходят традиционные материалы и сплавы по своим механическим свойствам и в то же время они легче. Использование композитов обычно позволяет уменьшить массу конструкции при сохранении или улучшении её механических характеристик.