Композит это: Композит – это… Что такое Композит?

Содержание

Композитные материалы – что это такое?

Состав композитного материала и методы его применения

Композитный материал (композит, КМ) — неоднородный сплошной материал, состоящий из двух или более компонентов, сильно отличающихся как химическими и так и физическими свойствами, среди которых можно выделить армирующие элементы, обеспечивающие необходимые механические характеристики материала, и матрицу (или связующее), обеспечивающую совместную работу армирующих элементов. Соединением этих материалов возникает новый материал с уникальными свойствами, которые каждый материал в отдельности обладать не может.

Композитные материалы используют в качестве замены стали и алюминия в авиации

Композитные материалы используют в качестве замены стали и алюминия в авиации, космонавтике, автомобилестроении потому что эти материалы не боятся коррозии, и очень прочные. Композитные материалы прочнее железобетона.

Композиты хорошо воспринимают динамические нагрузки

Композиты хорошо воспринимают динамические нагрузки, т.е. нагрузки, переменные во времени (вибрации, удары и т.п.) именно поэтому их используют в основном на транспорте, в том числе для изготовления яхт и катеров.

Композитные материалы обладают уникальными механическими свойствами

Композитные материалы прочнее стали, тверже титана и легче алюминия, материалы, обладающие уникальными механическими и тепловыми свойствами. Композиционные материалы постепенно занимает все большее место в нашей жизни. Области применения композиционных материалов многочисленны. Они могут быть успешно применены в энергетическом турбостроении, в автомобильной и горнорудной, металлургической промышленности, в строительстве бассейнов и производстве ванн в том числе, ими уже оснащают автомобили, самолеты, ракетную технику, создают из них невесомые велосипеды, крепкие теннисные ракетки, хоккейные клюшки. И промышленность, и спорт, и отдых, и быт требуют их все больше и больше. Диапазон применения этих материалов увеличивается день ото дня и сулит еще много интересного. Можно с уверенностью сказать, что это материалы будущего.

Композитные материалы: понятие, классификация, матрица

Композитными называют материалы, состоящие из нескольких слоев: слоя-наполнителя и слоя-матрицы, основы. Сочетание в одном материале слоев с разными свойствами позволяет получить новый продукт с качествами, отличными от характеристик каждого слоя в отдельности.

В первой части рассказа о композитах мы познакомим вас с этим понятием, расскажем немного о классификации композитов и начнем рассказ о самом большом классе этих материалов: о полимерных композитах.

Все специалисты единодушно признают, что за композитами будущее. Впрочем, само это понятие известно давно. Всем знакомые композиты ДВП, ДСП, текстолиты, триплексные стекла применяются в промышленности и в быту уже достаточно давно.

В ассортименте химического магазина «ПраймКемикалсГрупп», естественно, есть товары, произведенные с использованием композитных материалов. Вот пара таких вещей:

Классификация композитов

Композитные материалы можно классифицировать по:

  • структуре: слоистые, волокнистые, упрочненные частицами;
  • матрице: производятся композиты с полимерной, керамической или металлической матрицей.

К волокнистым композитам можно отнести ДВП, МДФ, ЛДСП, кевлар. Свойства готового продукта можно варьировать, меняя количество волокон и их ориентацию.  Самым ярким примером слоистого материала служат триплексные стекла, состоящие из слоев стекла и полимерной пленки.

Упрочненные частицами композиты делятся на три класса, в зависимости от размера частиц-наполнителей (от 1 мкм до 10 нм) и их количества (от 15 до 25% в объемном соотношении).

Полимерные композиты

Самый большой класс композитов. Матрицей полимерных композитов служат термопласты (сохраняющие свои свойства при многократном нагревании и охлаждении) и термореактивные смолы (принимающие при нагреве определенную структуру необратимым образом). Условно полимерные композиты можно разделить на несколько групп:

  • Стеклопластики, содержащие до 80% волокон из силикатного стекла. Отличаются оптической и радио проницаемостью, низкой теплопроводностью, высокой прочностью, хорошими электроизолирующими свойствами, невысокой стоимостью.
  • Углепластики с искусственными или природными углеродными волокнами на основе целлюлозы, производных нефти или угля. Углепластики легче и прочнее стеклопластиков, не прозрачны, не изменяют линейные размеры при изменениях температуры, хорошо проводят ток. Способны выдерживать высокие температуры даже в агрессивной среде.
  • Боропластики с борными волокнами, нитями и жгутами. Очень твердые и износоустойчивые, не боятся агрессивных веществ. Дорогие. Не выдерживают эксплуатацию при высоких температурах.

В следующей статье продолжим рассказ о полимерных композитах, поговорим о керамических композитных материалах, композитах на основе металлов и о применении композитов.

Стоматологические материалы для лечения

В стоматологической клинике «Доктор Дент» используют наиболее популярные и современные стоматологические материалы, так называемые композиционные или композитные материалы, которые также иногда называют одним словом композиты. Что же они собой представляют?

Композит — универсальный и самый распространенный в стоматологии материал, широко используемый и для пломб, и для протезов. Композит — значит «комбинация». В стоматологии композиты состоят из неорганического вещества и органической связующей массы. В современной стоматологии применяются жидкотекучие композиты, химические композиты, фотокомпозиты.

  • Жидкотекучие композиты применяются для заливки небольших полостей, ремонта небольших дефектов реставрации. Такой полимер не липнет к инструментам, не вытекает из полости, отлично сочетается с другими материалами, кроме того, это прочный и износостойкий материал.
  • Химический композит — более дешевый, хотя и не самый эстетичный материал. Его используют для реставрации боковых зубов и зубов мудрости. Перед нанесением химического композита, стоматолог протравливает эмаль, покрывает кариозную полость бондом и ставит пломбу. Химический композит обязательно полируют, иначе он меняет цвет.
  • Фотокомпозит — один из самых совершенных на сегодняшний день стоматологических материалов, и один из самых дорогих. Пломба из фотокомпозита затвердевает под светом галогеновой лампы. Фотокомпозиты почти не стираются, не темнеют со временем. Врач может накладывать фотокомпозит слой за слоем, и идеально реставрировать как жевательные, так и передние зубы — пломба будет смотреться идеально. Кроме того, широкая цветовая гамма светокомпозитных пломб позволяет полностью воссоздать естественный цвет зубов.
  • Особой популярностью в современной стоматологии пользуются стеклоиономерные цементы сочетающие в себе низкую токсичность, высокую прочность и удовлетворительные эстетические характеристики, а также проявляющие противокариозную активность, т. е. сокращают возможность вторичного образования кариеса. Применяться они при наложении изолирующих прокладок, постоянных пломб, а также для фиксации несъемных ортопедических конструкций и т. д.
  • Весьма популярны и востребованы, особенно в эстетической стоматологии, адгезивные технологии, т. е. способствующие прочному склеиванию разнородных материалов. После применения адгезивных технологий композит и поверхность зуба в месте «склеивания» имеют прочность на разрыв, соизмеримую с прочностью твердых тканей зуба, что дает гарантии качества и долголетия установленных пломб или иных конструкций.

Какой вид композитов или технологии на их основе предпочесть? Выбор определяется не столько новизной технологии, сколько необходимостью и возможностью ее использования. Это вопрос требует предварительного обследования пациента и совместного обсуждения с ним возможных вариантов лечения. Ведь для каждого метода лечения существуют свои показания и противопоказания, цены и степень эстетичности конечного результата.

ИМЕЮТСЯ ПРОТИВОПОКАЗАНИЯ – НЕОБХОДИМА КОНСУЛЬТАЦИЯ СПЕЦИАЛИСТА

что это такое? Полимерные композитные материалы России и зеркальные, пломбировочный композит в строительстве и другие виды, расчет листов

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.

Типы

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

Вместо металла основным материалом в керамическом композите, как легко догадаться, выступила керамика. К примеру, в качестве этого элемента применяется борсодержащее стекло, изготовленное на основе силикатных включений. Оно служит как бы второстепенным матричным компонентом и армировано углеволокном или керамическими включениями, в роли которых применяют карбид кремния. Керамический композит позволяет, к примеру, справиться с ломкостью сплошной керамики, создавая характерное усиление для преодоления явления растрескивания при перегибе.

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

В основе подсчёта целесообразности использования КМ лежит важнейший параметр – эффективность применения соответствующих технологий. Металлическая и неметаллическая матрицы при изготовлении более сложного композита могут сочетаться в разной последовательности. В качестве примера – велосипедная шина, в беговой дорожке которой применяется несколько слоёв армирующего волокна: капрон, кевлар, тонкая стальная проволока и компаунд, позволяющие повысить количество рубежей защиты. Благодаря этим технологиям велосипедисты не «хватают» колючки и кусочки стекла, проволоки, передвигаясь по обочине без асфальта, грунтовкам и каменистым дорогам.

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.

что общего у Boeing и зубных протезов — Российская газета

Производство из естественных материалов – это первобытное прошлое. Чтобы делать современные гаджеты, транспорт, строить дома, люди научились усиливать и комбинировать природные качества материи: жёсткость, упругость, твёрдость, прочность – создав композиты. Об их удивительных свойствах, их настоящем и будущем мы поговорили с генеральным директором компании “АэроКомпозит” Анатолием Гайданским.

Эпоксидка и соломенный кирпич

Композит состоит из нескольких компонентов, но ведь его получают не просто путём смешивания разных веществ, а как-то иначе?

Анатолий Гайданский: Да, технология совсем другая. Большинство полимерных композиционных материалов состоит из двух компонентов: связующей основы (матрицы) и армирующего наполнителя. Последний чаще всего представляет собой ткань или ленту из угля, стекла, керамики или базальта, реже – из чего-то другого.

Армирующий наполнитель укладывают в несколько слоёв и пропитывают связующей основой, например фенольной, кремнийорганической или какой-то другой смолой. И ещё популярна эпоксидная смола, которая под действием отвердителей может образовывать сшитые полимеры. В Советском Союзе любой школьник мог купить так называемую эпоксидку. Ею покрывали собранные вручную модели кораблей и самолётов, чтобы сделать их ещё более похожими на реальные. Затем изделие нагревают в печи и получают конструкцию – лёгкую, но очень прочную.

Почему композиты называют новыми материалами, ведь их создавали и использовали в советское время, да даже в древности…

Анатолий Гайданский: Сам метод получения материалов через комбинацию армирующего и связующего компонентов очень старый. Первые кирпичи, а это было тысячи лет назад, делали прокладывая глину слоями соломы и запекая потом эту смесь на солнце. Более поздние и хорошо известные всем композиты – это железобетон и древесно-стружечная плита, в которых жёсткая арматура или опилки заливаются бетоном или клеем соответственно. Но расцвет композиционных материалов всё же приходится на вторую половину XX века, когда произошёл общий технологический скачок и появились новые материалы для пропитки – те же искусственные смолы.

Слышала, что во время Второй мировой войны в СССР, когда алюминий был в жутком дефиците, самолёты делали из какой-то композиционной древесины.

Анатолий Гайданский: Было такое. В 1940 году изобрели дельта-древесину – берёзовый шпон, пропитанный фенолформальдегидной смолой. В авиации нужны были лёгкие и прочные материалы, которые могли заменить алюминий. Самолёты становились быстрее, манёвреннее. Этот новый материал был практически негорюч, обладал высокой прочностью и износостойкостью, что очень важно. Но, увы, его легко пробивали пули… Вообще авиапром и по сей день та область, где композиционные материалы наиболее востребованы.

Как сейчас обстоят дела в авиации?

Анатолий Гайданский: Современные углепластики позволяют создать крыло более совершенной аэродинамической формы, так называемое крыло большого удлинения, что невозможно при использовании алюминия. Благодаря этому повышается топливная эффективность самолёта.

И это не единственное преимущество. Например, силовые конструкции композитного крыла пассажирского самолёта МС-21, над которым работает наша компания, выполнены интегрально, то есть без дополнительного крепежа. Робот выкладывает заготовки элементов из углеродного наполнителя (углеродной ленты), они собираются друг с другом на специальной оснастке, помещаются в вакуумный мешок и далее пропитываются смолой в термоинфузионном центре. После отвержения при 180 °C мы получаем единую конструкцию длиной 18 метров. А у алюминиевого самолёта крыльевая панель состоит из отдельных частей, которые изготавливаются и крепятся друг к другу огромным количеством болтов. Это сложнее и дольше, а также ведёт к увеличению веса. Кстати, отсутствие болтов – причина, по которой композиты очень широко используются при создании военных самолётов.

Это помогает им быть невидимыми для радаров?

Анатолий Гайданский: Я бы сказал, менее видимыми. Если на воздушном судне стоят болты-заклёпки, они создают дополнительное отражение. Такой самолёт радару легче засечь.

Ракеты, поезда и зубные имплантаты

Можно ли сказать, что будущее авиастроения за композитами?

Анатолий Гайданский: Конечно! Правда, пока мы не можем взять всё от этих материалов, потому что нормы лётной годности деталей написаны исходя из характеристик алюминиевого самолёта, и многие требования просто неприменимы к композитным деталям. Со временем накопиться достаточно знаний по эксплуатации воздушного транспорта из новых материалов, и технические правила будут изменены. А пока мы доказываем безопасность композитных частей самолёта, проводя, так сказать, краш-тесты – ломая тысячи новых образцов самыми разными способами, порой даже экзотическими. Например, метают в композитное крыло мёртвых птиц, имитируя ситуацию, которая может реально возникнуть при взлёте или посадке.

Каково сейчас соотношение алюминиевых и композитных деталей в самолётах?

Анатолий Гайданский: Оно очень разнится. Boeing 787 Dreamliner почти весь состоит из композитов: крыло, хвостовое оперение, части фюзеляжа. На самолётах Airbus A320 или Boeing 747 деталей из углепластика не больше 20-25%. В новом пассажирском самолёте МС-21, головным разработчиком которого является ПАО “Корпорация “Иркут””, доля композитных конструкций составляет 40%.

В морском и речном судостроении углепластик тоже используют?

Анатолий Гайданский: Он для этого слишком дорогой. К деталям кораблей ведь нет таких сверхвысоких требований, как к авиационным, поэтому там используется более дешёвый стеклопластик. Исключения могут составлять спортивные катера. Положительных свойств, важных именно для кораблей, у стеклопластика масса: он довольно лёгкий, очень прочный, не подвержен коррозии, плохо проводит тепло, и, конечно, из него тоже создают цельные корпусные конструкции, что очень важно в судостроении. Также стеклопластик позволяет изготавливать детали сложных геометрических форм. Это не очень актуально для крейсеров или авианосцев, но важно для быстрых и манёвренных фрегатов.

Как насчёт применения в других видах транспорта, помимо воздушного и водного?

Анатолий Гайданский: Композиты используют при производстве скоростных поездов. В автомобилестроении такие материалы применяют в основном в гоночных моделях и автомобилях люксовых брендов. Ну, а если можно назвать транспортом ракеты, то космическая отрасль, конечно, широко применяет композиционные материалы.

Кроме транспорта где они популярны?

Анатолий Гайданский: В альтернативной энергетике: все лопасти ветряков сделаны из композитов, изготавливать эти детали из металла значительно сложнее. В строительстве используют самые разные композиты: стеклопластик, железобетон, углепластик.

Ещё в медицине: протезы, ортезы, пломбы… Много говорят о биоактивных имплантатах из композиционных материалов.

Анатолий Гайданский: Вот представьте, что у вас, не дай бог, случилась проблема с зубом, и вы пошли к стоматологу. Скорее всего, он поставит вам титановый имплантат, а не композитный. Эта область очень молодая. Но я уверен, что со временем огромное количество решений в медицине будет создаваться с использованием композитов.

Гибриды и сверхпроводники

В какую сторону движется развитие композитных материалов?

Анатолий Гайданский: В сторону постепенного улучшения характеристик композитов. К примеру, в авиастроении они имеют невысокую стойкость к удару. Если стукнуть молотком по металлической поверхности, на ней просто останется вмятина. А в композите от удара той же силы могут появиться микротрещины. Причём снаружи их не будет видно – это называется внутренней деламинацией. Если вовремя не обнаружить её в самолёте, может произойти катастрофа. Ещё композитные детали не любят, когда их сверлят.

Однако эти недостатки нивелируются в композитах с добавлением наноструктур. Пока они показывают улучшение свойств лишь на 10-15% при очень высокой стоимости производства. Но это перспективное направление.

Ещё вроде бы есть гибридные конструкции из металла и композита?

Анатолий Гайданский: Да, гибриды действительно лучше переносят ударные и разнонаправленные нагрузки. У композита и металла разные коэффициенты температурного расширения: эти два материала при одинаковых температурах ведут себя по-разному, и гибридная конструкция может разрушиться ещё на этапе производства. Но уже появляются и первые пути решения этой проблемы.

Вы описали поступательное развитие, а может ли в этой области случиться революция?

Анатолий Гайданский: Здесь мяч на стороне исследователей, занимающихся фундаментальной наукой. Настоящий технологический прорыв случится, если учёные создадут сверхпроводящие композиты, которые будут работать при температуре окружающей среды. Пока для сверхпроводников нужны очень низкие температуры. Если такие материалы появятся, можно будет заменить старые линии электропередачи, где огромное количество энергии превращается в тепло и теряется по пути, а это в корне изменит энергетику.

У вас или у вашей компании есть мечта – прорыв, который  вы хотели бы совершить?

Анатолий Гайданский: Я бы очень хотел печатать детали из композитов на ЗD-принтере. Не выкладывать их слой за слоем, как сейчас, а смешивать ингредиенты и моментально создавать нужные конструкции. Это бы позволило делать сверхсложные формы быстрее и дешевле. Даже не могу себе представить, как можно этого достичь, но было бы прекрасно.

Справка

Анатолий Гайданский окончил МГТУ им. Н.Э. Баумана по специальности “робототехнические системы и комплексы”. В должности генерального директора ОАО “Рязанский завод по производству и обработке цветных металлов” организовал строительство и запуск нового корпуса завода мощностью 40 тыс. тонн свинцовых сплавов в год. Руководит компанией “АэроКомпозит” с момента её основания.

В дорожном строительстве будут внедрять композитные материалы — Российская газета

Об увеличении спектра применения композитных материалов, в частности, в машиностроении, сейчас говорят на самых разных уровнях. Тем не менее исполнительный директор Союза производителей композитов Сергей Ветохин уверен, что наиболее емкий рынок потребления композитов – это строительство вообще и дорожное в частности. Но пока присутствие инновационных материалов в этом сегменте оставляет желать лучшего.

Эксперт обозначил причины слабого использования композитов в дорожной отрасли. Это отсутствие нормативных документов, определяющих требования к свойствам, методам, испытаниям и методикам расчета, отсутствие спроса со стороны заказчиков (Росавтодор, ГК “Автодор”), которое вызвано тем, что зачастую подделку невозможно отличить от качественного изделия. “Сертификаты на композитную арматуру сейчас выдают все кому не лень, – заявил Ветохин, – тем самым дискредитируя сам продукт”. То есть потребитель может купить на строительном рынке композитную арматуру, на которую есть сертификат, но сама арматура при этом окажется кустарщиной и через полгода растворится в бетоне. И наконец, отсутствие механизма, позволяющего использовать в проектах конструкций инновационные изделия, на которые еще не разработаны нормативные документы, со стороны Главгосэкспертизы.

На эту проблему обратили внимание участники заседания президиума Госсовета в Новосибирске, посвященного дорожному строительству. “Главгосэкспертиза должна стать активным проводником технического прогресса в дорожном хозяйстве. Внедрение инновационных решений пока упирается в бюрократические стены, что абсолютно не стимулирует проектировщиков и подрядчиков на использование новых, экономически целесообразных, долговечных материалов и строительных технологий”, – подчеркнул Владимир Путин на заседании Госсовета.

По словам директора департамента продаж ГК “Рускомпозит” Михаила Астахова, в дорожном строительстве сейчас находят применение композитные перильные ограждения, лестницы, пролетные строения пешеходных мостов. Так, на автодорогах М-1 “Беларусь” и М-4 “Дон” установлены надземные пешеходные переходы с пролетными строениями из композитных материалов, для монтажа которых потребовалось менее часа. Еще один спектр применения – водопропускные трубы. На их стенах, в отличие от железобетонных и гофрированных, не откладывается грязь. Экономия при монтаже таких труб достигает 40%. По зарубежному опыту можно судить, что срок службы композитных труб – около 50 лет при перепадах температур от минус 60 до плюс 70 градусов. По крайней мере, в Швейцарии водоотвод длиной 3 км, уложенный еще в 1961 году, находится в идеальном состоянии. В США композитные водопропускные трубы используют аж с 1944 года – и те до сих пор служат!

Как рассказал исполнительный директор ассоциации “Неметаллическая композитная арматура” Александр Донец, прекрасно проявила себя и технология армирования асфальтобетона, примененная в России на нескольких участках. При капитальном ремонте дороги М-7 около Ижевска в 2012 году на участке длиной 114 метров под слой асфальтобетона была уложена стеклопластиковая арматурная сетка. В отличие от соседних участков, до сих пор там не появилось ни колейности, ни трещин дорожной одежды. А участок улицы в Перми, уложенный по такой же технологии, не требует ремонта уже больше 7 лет при норме 5 лет. Тем не менее, сообщил Александр Донец, строительные компании не проявляют интереса к армированию дорожного полотна.

“ГОСТ 31938-2011 устанавливает предельную температуру эксплуатации композитной арматуры +60 градусов. Асфальт же укладывают при температуре минимум +120, да еще и сразу прокатывают тяжелым виброкатком. В то же время в России есть целый набор уже применяющихся инновационных способов борьбы с колейностью – добавки в битум, делающие покрытие более прочным, дисперсное армирование (волокно и крошка), геосетки и прочее. Кроме того, нет норм, по которым проектировщик может рассчитать количество композитной арматуры в дорожном покрытии, – сообщил “РГБ” замглавы отдела диагностики компании “Автодор-Инжиниринг” Александр Анисимов. – На участке дороги под Ижевском сетка из арматурных стержней имеет ячейку заметно больше площади отпечатка колеса машины. Это как раз и говорит о том, что просто асфальта, без арматуры, было бы достаточно, иначе дорожное покрытие деформировалось бы между стержнями арматурной сетки и ее “рисунок” проступил на поверхности”.

Впрочем, умалять достоинства композитной арматуры не стоит. “Композитная арматура не ржавеет, как металлическая, и при этом имеет в разы большую прочность и сопоставимую при массовом производстве стоимость. Недостаток – высокая деформативность: бетонные балки с ее применением, запроектированные как если бы это был обычный железобетон, потрескаются и провиснут под нагрузкой. А нормативная база для мостовых конструкций с композитной арматурой отсутствует, как и массив опытно-экспериментальных данных, позволяющих сформировать ее в полном объеме”, – добавил Александр Анисимов.

Сейчас около 30% объема мирового производства композитов, а это свыше 4 млн тонн, используется в строительстве, из них в дорожной отрасли – 2,5 млн тонн. В России же эти показатели пока не впечатляют. Но есть надежда, что в ближайшее время ситуация изменится. По словам начальника управления научно-технических исследований и информационного обеспечения Росавтодора Александра Бухтоярова, в декабре будет готова программа внедрения инновационных композиционных материалов в дорожной отрасли.

Что такое композиты?

В данном посте мы начнем свое знакомство с композитами в целом и с литьевыми композитами в частности – рассмотрим их разновидности, особенности и области применения. Так что же такое композит?

Что такое композит?

Композитом можно назвать многокомпонентный материал, или иначе говоря многокомпонентную систему, в которой наблюдаются границы между составляющими. Мы сталкиваемся с композитами гораздо чаще, чем кажется: ДСП, фанера, железобетон, покрышки, зубные пломбы и многие другие привычные вещи созданы из композитов. Однако композиционные материалы не являются изобретением человека, в природе повсеместно встречаются и естественные композиты: дерево (композит из волокон целлюлозы и лингнина), наши кости (коллаген, белки и фосфатные соли кальция), раковины моллюсков (минералы и белковые связующие) и т.д. Везде, где требуются жесткость и прочность, природа применяет композиты.

Мир композитов необычайно разнообразен и существует множество классификаций композиционных материалов, однако мы обратим внимание на классификацию по типу связующего вещества (или матрицы).

Основные типы матриц, используемые в композитах:

В рамках данного мы остановимся на композитах с полимерной матрицей или полимерных композиционных материалах (ПКМ) (см. рисунок ниже).

Виды полимерных композитов

В случае полимерного композита в качестве матрицы могут использоваться термопластичные и термореактивные полимеры.

Термопластичные полимеры (или термопласты) — полимерные материалы, способные обратимо переходить при нагревании в высокоэластичное, либо вязкотекучее состояние. Именно это свойство делает возможным повторное использование этих материалов.

Рис.1 – Гранулы полистирола

Примерами таких материалов являются:

Термореактивные полимеры (или реактопласты) в отличие от термопластов характеризуются необратимой химической реакцией, приводящей к образованию неплавкого и нерастворимого материала с сетчатой структурой. В основе реактопластов лежат синтетические смолы, отверждение которых обычно инициируется теплом.

Рис. 2 – Полиэфирная смола

Реактопласты, получившие наибольшее распространение, имеют в своей основе следующие типы смол:

Наибольшее распространение в первую очередь ввиду своей дешевизны и высокой технологичности получили полиэфирные смолы.

В качестве наполнителя композитов могут выступать различные материалы, которые обычно классифицируют на следующие группы:

В случае использования частиц в качестве наполнителя, наиболее распространенной технологией изготовления изделий является литье в формы. Литье может осуществляться гравитационным или свободным способом, либо под давлением. Преимущества и недостатки этих методов мы рассмотрим в одном из следующих постов.

Итак, литьевые полимерные композиты представляют собой материалы, сочетающие в себе полимерную матрицу и дисперсный наполнитель. О них подробнее читайте в следующем посте.

#типыкомпозитов #литьевыекомпозиты

Что такое композиты? – Композиты 101

Проще говоря, композиты – это комбинация компонентов. В нашей отрасли композиты – это материалы, изготовленные из двух или более природных или искусственных элементов (с разными физическими или химическими свойствами), которые сильнее как команда, чем как отдельные игроки. Материалы компонентов не смешиваются полностью и не теряют своей индивидуальности; они объединяют и вносят свои наиболее полезные черты для улучшения результата или конечного продукта. Композиты обычно разрабатываются с учетом конкретного использования, такого как дополнительная прочность, эффективность или долговечность.

Композиты, также известные как композиты из армированного волокном полимера (FRP), изготавливаются из полимерной матрицы, армированной инженерным искусственным или натуральным волокном (например, стекло, углерод или арамид) или другим армирующим материалом. Матрица защищает волокна от воздействия окружающей среды и внешних повреждений и передает нагрузку между волокнами. Волокна, в свою очередь, обеспечивают прочность и жесткость, укрепляя матрицу, и помогают ей противостоять трещинам и изломам.

Во многих продуктах нашей отрасли полиэфирная смола является матрицей, а стекловолокно – армированием.Но в композитах используется множество комбинаций смол и армирования, и каждый материал вносит свой вклад в уникальные свойства готового продукта: волокно, мощное, но хрупкое, обеспечивает прочность и жесткость, а более гибкая смола придает форму и защищает волокно. Композиты FRP могут также содержать наполнители, добавки, материалы сердцевины или отделки поверхности, предназначенные для улучшения производственного процесса, внешнего вида и характеристик конечного продукта.

Композиты могут быть натуральными или синтетическими.Дерево, природный композит, представляет собой комбинацию целлюлозы или древесных волокон и вещества, называемого лигнином. Волокна придают дереву прочность; лигнин – это матрица или природный клей, который связывает и стабилизирует их. Другие композиты являются синтетическими (искусственными).

Фанера – это искусственный композит, в котором сочетаются натуральные и синтетические материалы. Тонкие слои шпона склеиваются вместе с помощью клея, образуя плоские листы ламинированной древесины , которые прочнее натурального дерева.

Не все пластмассы являются композитами.Фактически, большинство пластиков – из тех, что используются в игрушках, бутылках с водой и других привычных предметах – представляют собой композиты , а не . Это чистый пластик. Но многие виды пластика можно усилить, чтобы сделать их прочнее. Эта комбинация пластика и армирования позволяет производить одни из самых прочных и универсальных материалов (для своего веса), когда-либо разработанных технологиями.

Полимерные смолы (например, полиэфирные, винилэфирные, эпоксидные или фенольные) иногда называют пластиком.

Для определения композитов FRP используется множество терминов.Модификаторы использовались для идентификации определенного волокна, такого как полимер, армированный стекловолокном (GFRP), полимер, армированный углеродным волокном (CFRP), и полимер, армированный арамидным волокном (AFRP). Другой известный термин – это пластмассы, армированные волокном. Кроме того, с годами были разработаны и другие сокращения, и их использование зависело от географического положения или использования на рынке. Например, армированные волокном композиты (FRC), армированные стекловолокном пластмассы (GRP) и композиты с полимерной матрицей (PMC) можно найти во многих источниках.Каждый из вышеупомянутых терминов означает одно и то же: композиты FRP.

Что такое композитный материал? (Полное руководство)

Композитный материал – это комбинация двух материалов с разными физическими и химическими свойствами. Когда они объединяются, они создают материал, который специализируется на выполнении определенной работы, например, чтобы стать прочнее, легче или устойчивым к электричеству. Они также могут улучшить прочность и жесткость. Причина их использования по сравнению с традиционными материалами заключается в том, что они улучшают свойства основных материалов и применимы во многих ситуациях.

Если у вас есть какие-либо вопросы или вам нужна помощь, напишите нам, чтобы получить консультацию специалиста:

[email protected]

Нажмите здесь, чтобы увидеть наши последние подкасты по технической инженерии на YouTube .

Содержание

Люди использовали композиты тысячи лет. В 3400 г. до н.э. г. первые искусственные композиты были созданы месопотамцами в Ираке. Древнее общество склеивало деревянные полоски друг на друга под разными углами для создания фанеры.После этого, примерно в – 2181 гг. До н.э., г. египтяне начали делать посмертные маски из льняной ткани или папируса, пропитанного гипсом. Позже оба этих общества начали укреплять свои материалы соломой, чтобы укрепить глиняные кирпичи, глиняную посуду и лодки.

В –1200 годах нашей эры монголы начали изготавливать составные луки, которые в то время были невероятно эффективными. Они были сделаны из дерева, бамбука, кости, сухожилий крупного рогатого скота, рога и шелка, скрепленных сосновой смолой.

После промышленной революции синтетические смолы начали принимать твердую форму с помощью полимеризации.В 1900-х годах эти новые знания о химических веществах привели к созданию различных пластмасс, таких как полиэстер, фенол и винил. Затем начали разрабатываться синтетические материалы, бакелит был создан химиком Лео Бэкеландом. Тот факт, что он не проводил электричество и был термостойким, означал, что он мог широко использоваться во многих отраслях промышленности.

1930-е годы были невероятно важным временем для развития композитов. Стекловолокно было представлено компанией Owens Corning, которая также положила начало производству первых армированных волокном полимеров (FRP).Смолы, разработанные в ту эпоху, до сих пор используются, а в 1936 были запатентованы ненасыщенные полиэфирные смолы. Два года спустя стали доступны системы смол с более высокими эксплуатационными характеристиками.

Первое углеродное волокно было запатентовано в 1961 и затем стало коммерчески доступным. Затем, в середине 1990-х годов , композиты начали становиться все более распространенными для производственных процессов и строительства из-за их относительно дешевой стоимости по сравнению с материалами, которые использовались ранее.

Композитные материалы на Boeing 787 Dreamliner в в середине 2000-х годов подтвердили их использование для высокопрочных приложений.

Некоторые распространенные композитные материалы включают:

  • Композит с керамической матрицей: Керамика на керамической матрице. Это лучше, чем обычная керамика, поскольку она устойчива к тепловым ударам и разрушению
  • Композит с металлической матрицей : Металл, растекающийся по матрице
  • Железобетон : Бетон, усиленный материалом с высокой прочностью на разрыв, таким как стальные арматурные стержни
  • Бетон, армированный стекловолокном : Бетон, залитый в структуру из стекловолокна с высоким содержанием диоксида циркония
  • Прозрачный бетон : Бетон, покрывающий оптические волокна
  • Конструкционная древесина : Обработанная древесина в сочетании с другими дешевыми материалами.Одним из примеров может быть ДСП. В этом композите
  • также можно найти специальный материал, такой как шпон.
  • Фанера : Деревянная конструкция путем склеивания множества тонких слоев древесины под разными углами
  • Искусственный бамбук : Полоски бамбукового волокна, склеенные вместе, чтобы образовать доску. Это полезный композит, потому что он имеет более высокую прочность на сжатие, растяжение и изгиб, чем древесина
  • .
  • Паркет : Квадрат из множества деревянных частей, часто собранных из твердой древесины.Продается как декоративный элемент
  • .
  • Древесно-пластиковый композит : пластик, отлитый из древесного волокна или муки
  • Цементное древесное волокно : Минерализованные деревянные детали, отлитые в цемент. Этот композит имеет изоляционные и акустические свойства
  • Стекловолокно : Стекловолокно в сочетании с относительно дешевым и гибким пластиком
  • Полимер, армированный углеродным волокном : Набор из углеродного волокна в пластике с высоким отношением прочности к весу
  • Сэндвич-панель : различные композиты, уложенные друг на друга
  • Составные соты : Набор шестиугольников из композитных материалов, образующих сотовую форму.
  • Папье-маше : Бумага с клеевым переплетом. Они найдены в ремеслах
  • Бумага с пластиковым покрытием : Бумага с пластиковым покрытием для повышения прочности. Пример того, где это используется, – в игральных картах
  • .
  • Синтаксическая пена : Легкие материалы, получаемые при заполнении металлов, керамики или пластика микрошариками. Эти баллоны изготавливаются из стекла, углерода или пластика

Наука и технология композиционных материалов

Послушайте эту тему

В таком развитом обществе, как наше, все мы зависим от композитных материалов в некоторых аспектах нашей жизни.Стекловолокно был разработан в конце 1940-х годов и стал первым современным композитом. Он по-прежнему самый распространенный, составляя около 65 процентов всех производимых сегодня композитов. Он используется для изготовления корпусов лодок, досок для серфинга, спортивных товаров, облицовки бассейнов, строительных панелей и кузовов автомобилей. Вы вполне можете использовать что-то из стекловолокна, даже не подозревая об этом.

Лодки, доски для серфинга, автомобили и многое другое: нас окружают стекловолокно и другие композитные материалы. Источник изображения: sobri / Flickr.

Что делает материал композитным

Композиционные материалы образуются путем объединения двух или более материалов, которые имеют совершенно разные свойства.Различные материалы работают вместе, чтобы придать композиту уникальные свойства, но внутри композита вы можете легко отличить разные материалы друг от друга – они не растворяются и не смешиваются друг с другом.

Композиты существуют в природе. Кусок дерева представляет собой композит, состоящий из длинных волокон целлюлозы (очень сложной формы крахмала), удерживаемых вместе гораздо более слабым веществом, называемым лигнином. Целлюлоза также содержится в хлопке и льне, но именно связующая способность лигнина делает кусок древесины намного прочнее, чем пучок хлопковых волокон.

Это не новая идея

Люди использовали композитные материалы на протяжении тысячелетий. Возьмем, к примеру, сырцовые кирпичи. Если вы попытаетесь согнуть лепешку из засохшей грязи, она легко сломается, но она окажется крепкой, если вы попытаетесь раздавить или сжать ее. Кусок соломы, с другой стороны, обладает большой силой, когда вы пытаетесь ее растянуть, но почти не имеет силы, когда вы ее сминаете. Когда вы объединяете грязь и солому в блок, свойства двух материалов также объединяются, и вы получаете кирпич, который прочен как на сжатие, так и на разрыв или изгиб.Говоря более технически, у него есть и хорошие прочность на сжатие и хорошо предел прочности .

Мужчина реконструирует древнюю цитадель из сырцового кирпича в Иране после того, как она была повреждена в результате землетрясения. Глиняные кирпичи – это те же материалы, которые использовались для его строительства около 2500 лет назад. Источник изображения: OXLAEY.com / Flickr.

Еще один известный композит – бетон. Здесь заполнитель (мелкие камни или гравий) скреплен цементом. Бетон имеет хорошую прочность при сжатии, и его можно сделать более прочным при растяжении, добавив в композит металлические стержни, проволоку, сетку или тросы (таким образом создавая железобетон).

Композиты были сделаны из формы углерода, называемой графеном, в сочетании с металлической медью, в результате чего был получен материал, в 500 раз более прочный, чем сама медь. Точно так же композит графена и никеля имеет прочность более чем в 180 раз больше никеля.

Что касается стекловолокна, то он сделан из пластик армированный нитями или стекловолокном. Эти нити можно либо связать вместе и сплести в мат, либо их иногда можно разрезать на короткие отрезки, которые произвольно ориентированы в пластиковой матрице.

Больше чем сила

В настоящее время многие композиты производятся не только для улучшения прочности или других механических свойств, но и для других целей. Многие композиты предназначены для того, чтобы быть хорошими проводниками или изоляторами тепла или обладать определенными магнитными свойствами; свойства, которые очень специфичны и специализированы, но также очень важны и полезны. Эти композиты используются в огромном количестве электрических устройств, включая транзисторы, солнечные элементы, датчики, детекторы, диоды и лазеры, а также для изготовления антикоррозионных и антистатических покрытий на поверхности.

Композиты, изготовленные из оксидов металлов, также могут иметь определенные электрические свойства и используются для производства кремниевых чипов, которые могут быть меньше и плотнее упакованы в компьютер. Это увеличивает объем памяти и скорость компьютера. Оксидные композиты также используются для создания высокотемпературных сверхпроводящих свойств, которые теперь используются в электрических кабелях.

Изготовление композита

Большинство композитов состоит всего из двух материалов.Один материал (матрица или связующее) окружает и связывает скопление волокон или фрагменты гораздо более прочного материала (армирования). В случае глиняных кирпичей две роли берут на себя грязь и солома; в бетоне – цементом и заполнителем; в дереве целлюлозой и лигнином. В стекловолокне армирование обеспечивается тонкими нитями или стекловолокном, часто вплетенными в нечто вроде ткани, а матрица представляет собой пластик.

Примеры различных форм армирования стекловолокном, которые будут использоваться при создании стекловолокна.Источник изображения: Cjp24 / Wikimedia Commons.

Стекловолоконные нитки из стекловолокна очень прочные при растяжении, но они также хрупкие и ломаются при резком сгибании. Матрица не только удерживает волокна вместе, но и защищает их от повреждений, разделяя любые стресс из их. Матрица достаточно мягкая, чтобы ее можно было придать инструментам, и ее можно размягчить подходящими растворителями, чтобы можно было произвести ремонт. Любая деформация листа стекловолокна обязательно растягивает часть стекловолокна, и они способны этому противостоять, поэтому даже тонкий лист очень прочен.Кроме того, он довольно легкий, что является преимуществом для многих приложений.

За последние десятилетия было разработано много новых композитов, некоторые из которых обладают очень ценными свойствами. Тщательно выбирая арматуру, матрицу и производственный процесс, который их объединяет, инженеры могут адаптировать свойства к конкретным требованиям. Они могут, например, сделать композитный лист очень прочным в одном направлении, выравнивая волокна таким образом, но более слабым в другом направлении, где прочность не так важна.Они также могут выбирать такие свойства, как устойчивость к теплу, химическим веществам и атмосферным воздействиям, выбирая подходящий матричный материал.

Выбор материалов для матрицы

В качестве матрицы многие современные композиты используют термореактивные или термопластичные пластмассы (также называемые смолами). (Использование пластика в матрице объясняет название «армированный пластик», которое обычно дают композитам). Пластмассы полимеры которые удерживают арматуру вместе и помогают определить физические свойства конечного продукта.

Термореактивные пластмассы являются жидкими при приготовлении, но затвердевают и становятся твердыми (т. Е. Затвердевают) при нагревании. Процесс схватывания необратим, поэтому эти материалы не становятся мягкими при высоких температурах. Эти пластмассы также устойчивы к износу и воздействию химикатов, что делает их очень прочными даже в экстремальных условиях окружающей среды.

Термопласты, как следует из названия, твердые при низких температурах, но размягчаются при нагревании. Хотя они используются реже, чем термореактивные пластмассы, они обладают некоторыми преимуществами, такими как более высокая вязкость разрушения, длительный срок хранения сырья, возможность вторичной переработки и более чистое и безопасное рабочее место, поскольку для процесса отверждения не требуются органические растворители.

Керамика, углерод и металлы используются в качестве матрицы для некоторых узкоспециализированных целей. Например, керамика используется, когда материал будет подвергаться воздействию высоких температур (например, теплообменники), а углерод используется для продуктов, которые подвергаются трению и износу (например, подшипники и шестерни).

Изображение под электронным микроскопом в искусственных цветах композита с магниевой матрицей, армированного карбидом титана и алюминия. Источник изображения: ZEISS Microscopy / Flickr.

Выбор материалов для армирования

Хотя стекловолокно является наиболее распространенным армированием, во многих современных композитах сейчас используются тонкие волокна из чистого углерода.Можно использовать два основных типа углерода – графит и углеродные нанотрубки. Оба являются чистым углеродом, но атомы углерода расположены в разных кристаллических конфигурациях. Графит – очень мягкое вещество (используется в «свинцовых карандашах») и состоит из листов атомов углерода, расположенных в виде шестиугольников. Связи, удерживающие шестиугольники вместе, очень прочные, но связи, удерживающие вместе листы шестиугольников, довольно слабые, что и делает графит мягким. Углеродные нанотрубки изготавливаются путем скатывания одного листа графита (известного как графен) в трубку.Это создает чрезвычайно прочную структуру. Также возможно изготовление трубок из нескольких цилиндров – трубок внутри трубок.

Композиты из углеродного волокна легки и намного прочнее, чем стекловолокно, но при этом более дороги. Из этих двух графитовые волокна дешевле и их легче производить, чем углеродные нанотрубки. Они используются в конструкциях самолетов и в высокопроизводительном спортивном оборудовании, таком как клюшки для гольфа, теннисные ракетки и гребные лодки, и все чаще используются вместо металлов для ремонта или замены поврежденных костей.

Нити бора даже прочнее (и дороже) углеродных волокон. Нанотрубки из нитрида бора обладают дополнительным преимуществом, поскольку они намного более устойчивы к нагреванию, чем углеродные волокна. Они также обладают пьезоэлектрическими качествами, что означает, что они могут генерировать электричество при приложении к ним физического давления, например, при скручивании или растяжении.

Полимеры также могут использоваться в качестве армирующего материала в композитах. Например, кевлар, первоначально разработанный для замены стали в радиальных шинах, но наиболее известный благодаря использованию в пуленепробиваемых жилетах и ​​шлемах, представляет собой чрезвычайно прочное полимерное волокно, придающее прочности композитному материалу.Он используется в качестве арматуры в композитных изделиях, которые требуют легкой и надежной конструкции (например, структурные части корпуса самолета). Еще более прочным, чем кевлар, является вещество, состоящее из комбинации графена и углеродных нанотрубок.

Выбор производственного процесса

Для изготовления объекта из композитного материала обычно используется какая-либо форма. Армирующий материал сначала помещается в форму, а затем полужидкий матричный материал распыляется или закачивается для формирования объекта.Можно приложить давление, чтобы вытеснить пузырьки воздуха, а затем форму нагревают, чтобы матрица затвердела.

Процесс формования часто выполняется вручную, но автоматическая обработка становится все более распространенной. Один из этих методов называется пултрузия (термин, образованный от слов «вытягивание» и «экструзия»). Этот процесс идеально подходит для производства прямых изделий с постоянным поперечным сечением, например мостовых балок.

Во многих тонких структурах сложной формы, таких как изогнутые панели, композитная структура создается путем наложения листов тканого армирующего волокна, пропитанных пластиковым матричным материалом, поверх базовой формы соответствующей формы.Когда панель будет достигнута подходящей толщины, матричный материал отверждается.

Сэндвич-композит

Многие новые типы композитов создаются не с помощью матрицы и метода армирования, а путем укладки нескольких слоев материала. Структура многих композитов (например, используемых в панелях крыла и корпуса самолетов) состоит из пластиковых сот, зажатых между двумя обшивками из композитного материала, армированного углеродным волокном.

Сотовая композитная сэндвич-структура от НАСА.Источник изображения: НАСА / Wikimedia Commons.

Эти многослойные композитные материалы сочетают в себе высокую прочность и, в частности, жесткость на изгиб и малый вес. Другие методы включают в себя простую укладку нескольких чередующихся слоев разных веществ (например, графена и металла) для создания композита.

Зачем использовать композиты?

Самым большим преимуществом композитных материалов является прочность и жесткость в сочетании с легкостью.Выбирая подходящую комбинацию армирования и материала матрицы, производители могут добиться свойств, которые точно соответствуют требованиям для конкретной конструкции для конкретной цели.

  • Композиты в Австралии

    Австралия, как и все развитые страны, проявляет большой интерес к композитным материалам, которые многие люди считают «материалами будущего». Основная задача – снизить затраты, чтобы композитные материалы можно было использовать в продуктах и ​​приложениях, которые в настоящее время не оправдывают затрат.В то же время исследователи хотят улучшить характеристики композитов, например сделать их более устойчивыми к ударам.

    Одна из новых технологий включает «текстильные композиты». Вместо того, чтобы укладывать армирующие волокна по отдельности, что является медленным и дорогостоящим процессом, их можно связать или сплести вместе, чтобы получить своего рода ткань. Он может быть даже трехмерным, а не плоским. Пространства между текстильными волокнами и вокруг них затем заполняются матричным материалом (например, смолой) для изготовления продукта.

    Этот процесс довольно легко может быть выполнен машинами, а не вручную, что делает его быстрее и дешевле. Соединение всех волокон вместе также означает, что композит с меньшей вероятностью будет поврежден при ударе.

    По мере того, как стоимость снижается, другие применения композитов начинают выглядеть привлекательными. При изготовлении корпусов и надстроек лодок из композитов используется их устойчивость к коррозии. У минных охотников ВМС Австралии композитный корпус, поскольку магнитный эффект стального корпуса может помешать обнаружению мин.

    Также в разработке находятся вагоны для поездов, трамваев и других средств передвижения, сделанные из композитных материалов, а не из стали или алюминия. Здесь привлекательность заключается в легкости композитов, поскольку в этом случае автомобили потребляют меньше энергии. По той же причине в будущем мы увидим все больше и больше композитов в автомобилях.

Современная авиация, как военная, так и гражданская, является ярким примером. Без композитов было бы гораздо менее эффективно. Фактически, требования, предъявляемые этой отраслью к легким и прочным материалам, были основной движущей силой развития композитов.Сейчас обычным явлением являются крылья и хвостовое оперение, гребные винты и лопасти несущего винта, сделанные из современных композитных материалов, а также большая часть внутренней конструкции и деталей. Каркасы некоторых небольших самолетов полностью сделаны из композитных материалов, как и крыло, хвостовое оперение и панели корпуса больших коммерческих самолетов.

Размышляя о самолетах, стоит помнить, что композиты с меньшей вероятностью, чем металлы (например, алюминий), полностью разрушатся под действием нагрузки. Небольшая трещина в куске металла может очень быстро распространиться с очень серьезными последствиями (особенно в случае самолета).Волокна в композите блокируют расширение любой небольшой трещины и распределяют напряжение вокруг нее.

Правильные композиты также хорошо выдерживают нагрев и коррозию. Это делает их идеальными для использования в продуктах, работающих в экстремальных условиях, таких как лодки, оборудование для обработки химикатов и космические корабли. В целом композитные материалы очень прочные.

Еще одно преимущество композитных материалов состоит в том, что они обеспечивают гибкость конструкции. Из композитов можно придавать сложные формы – отличный плюс при производстве чего-то вроде доски для серфинга или корпуса лодки.

Кроме того, в настоящее время большая работа направлена ​​на разработку композитных материалов, изготовленных из отходов, таких как сельскохозяйственные отходы, строительные материалы или пластиковые контейнеры для напитков.

Обратной стороной композитов обычно является их стоимость. Хотя при использовании композитов производственные процессы часто бывают более эффективными, сырье стоит дорого. Композиты никогда полностью не заменят традиционные материалы, такие как сталь, но во многих случаях это именно то, что нам нужно.И без сомнения, по мере развития технологии будут найдены новые применения. Мы еще не видели всего, на что способны композиты.

Современная авиация была основным двигателем развития композитов. Источник изображения: Пол Нелхэмс / Flickr.

Композитов

Композит получают путем физического объединения двух или более материалов (компонентов) для получения комбинации (смеси) структурных свойств, отсутствующих в каком-либо отдельном компоненте. Они могут, например, обеспечивать большую прочность и жесткость, чем любой из отдельных компонентов, при этом будучи максимально легкими.

Композиты все чаще разрабатываются для решения множества задач. Например, композиты, армированные волокном, используются для замены таких материалов, как металлы и их сплавы.

Композиты могут предложить:

  • малый вес
  • жесткость и прочность
  • низкий коэффициент расширения
  • Устойчивость к усталости
  • простота изготовления сложных форм
  • простой ремонт поврежденных конструкций
  • устойчивость к коррозии

Есть много разных типов композитов.В этом устройстве рассматриваются два наиболее важных элемента, которые в настоящее время разрабатываются для многих целей:

  • Полимерные композиты, армированные волокном
  • Композиты, армированные частицами

Фазы в композитах

Композиты, армированные волокном и частицами, обычно состоят из более или менее непрерывной фазы. Эта непрерывная фаза также известна как матрица , а материал, который распределяется через матрицу, известен как дисперсная фаза (Фиг.1).

Рисунок 1, иллюстрирующий фазы композита.

Дисперсную фазу иногда называют армированием , если это фаза, добавляемая для увеличения прочности. В качестве альтернативы, его называют наполнителем , если он добавляется для других целей, например, для увеличения объема матрицы по низкой цене, не влияя на свойства композита. Также может существовать фаза для создания связи между слоями или фазами, иногда называемая интерфейсом , .

При проектировании композитов необходимо учитывать следующие факторы:

  • Соотношение матрицы и дисперсной фазы может варьироваться в зависимости от предполагаемого использования композита. Матричная фаза может быть сыпучим материалом с диспергированными в нем частицами или волокнами. Это также может быть второстепенная фаза, больше похожая на клей, склеивающий частицы или волокна вместе, придающий жесткость очень гибким волокнистым массивам и придающий структуру тому, что в противном случае было бы рыхлыми частицами.Матрица также служит для защиты дисперсной фазы от механических повреждений и химического воздействия. Если матрица пластичная, она предотвращает распространение трещин между волокнами или частицами, даже когда она подвергается сильному износу.
  • Размер и форма частиц и волокон дисперсной фазы определяют, насколько плотно они могут быть упакованы. Хотя более мелкие частицы обеспечивают большую площадь поверхности для контакта с матрицей, более длинные волокна дают лучшее армирование. Необходимо найти баланс.
  • Граница раздела между матрицей и дисперсной фазой также определяет общие характеристики композита. Прочность композита зависит не только от свойств матрицы, но и от того, насколько хорошо он прилипает к частицам и волокнам дисперсной фазы.

Полимерные композиты, армированные волокном

Полимерные композиты, армированные волокном (FRP, также известные как композиты с полимерной матрицей (PMC)), подразделяются на:

a) Полимерные композиты, армированные углеродным волокном (CFRP)
b) Полимерные композиты, армированные стекловолокном (GFRP)
c) Полимерные композиты, армированные арамидным волокном (AFRP)

В каждом случае волокно заключено в матрицу из смолы (непрерывная фаза).Эти матрицы обычно представляют собой акрилицепоксифенольные или полиэфирные смолы.

Производство

Производство армированного волокном композитного материала включает несколько этапов, на которых изготавливается наполнитель (волокно), а затем, если требуется, выравнивается перед введением матрицы.

Волокна, изготовленные из полимеров (например, арамидов, см. Ниже), стекла и металлов, могут быть получены из расплавленного состояния путем их вытягивания. Большинство углеродных волокон сначала получают из полимера, например поли (пропенонитрила) (полиакрилонитрила), который затем окисляется с последующим пиролизом.Если волокна не выровнены (случайная ориентация) друг с другом, наполнитель и матрица могут быть смешаны вместе в виде порошков или суспензий, сформированы или отформованы, а матрица отверждена и связана с наполнителем под действием тепла или химической реакции. Формование может быть выполнено литьем под давлением или литьем композита. При необходимости перед дальнейшей обработкой для упрочнения композита выполняется дополнительная обработка.

Производство композитных материалов с ориентированным волокном (рис. 1) является более сложным.Волокна могут использоваться как моноволокна, или они могут быть скручены в пряжу, содержащую до 10 000 нитей. Затем пряжу ткут или связывают в двух- или трехмерные ткани, которые затем могут быть сформированы в ленты путем плетения или плетения. Нити также можно перерабатывать в нетканые маты из волокон, произвольно ориентированных в двух измерениях.

Маты, ленты и ткани могут быть пропитаны матричным материалом (или материалами, из которых изготовлена ​​матрица) перед окончательной сборкой и обработкой, и в этом случае они называются препрегом ( preg без обозначения ).

Таким образом, нет необходимости обрабатывать отдельные химические вещества. Его просто раскатывают и используют как ламинат. Отверждение происходит путем нагревания.

Ткани и маты помещают в формы, иногда вручную, пропитывают матричным материалом и обрабатывают. Они могут быть сжаты механически или с помощью методов прессования или вакуумного формования. Нити или ленты также могут быть намотаны, пропуская через ванну с матрицей перед их переработкой в ​​твердую форму.

Простым примером препрега является повязка, которая используется для закрепления сломанных конечностей (Блок 67).Бинт изготовлен из полиэстера и пропитан линейным полиуретаном, матрицей. Повязка, препрег, гибкая и наматывается на сломанную конечность. При замачивании молекулы полиуретана вступают в реакцию с водой, образуя поперечные связи между молекулами, создавая сильный, но легкий отблеск.

(a) Полимерные композиты, армированные углеродным волокном (углепластик)

Углеродные волокна обычно получают путем нагревания нитей из поли (пропенонитрила) (полиакрилонитрила, PAN) при температуре 500 K в атмосфере воздуха с образованием окисленного PAN.Окисленный ПАН затем помещают в печь с инертной атмосферой газа, такого как аргон, и нагревают до ~ 2000 К, процесс, известный как пиролиз, нагрев вещества в отсутствие воздуха. Продукт, углеродное волокно, содержит цепочки атомов углерода, которые связаны из стороны в сторону (лестничные полимеры), образуя узкие слои атомов углерода толщиной в один атом, известные как графен. Выделение графена профессорами Андре Геймом и Константином Новоселовым из Манчестерского университета настолько важно, что эти два ученых были удостоены Нобелевской премии по физике в 2010 году.

Можно представить это как кусок проволочной сетки в очень маленьком (атомном) масштабе. Графен также является основной структурой графита и углеродных нанотрубок. В случае углеродного волокна листы сливаются, образуя единую круговую нить. Углеродные волокна используются в качестве наполнителя в непрерывной матрице полимера, часто эпоксидной смолы. Слои ткани из углеродного волокна укладываются в требуемой форме, обычно в форме, которую затем заполняют эпоксидной смолой и нагревают.

использует

Композиты из углеродного волокна являются относительно дорогими строительными материалами и поэтому используются, когда их легкость и прочность имеют первостепенное значение.Примеры использования включают высококачественное спортивное оборудование, такое как рамы теннисных ракеток, клюшки для гольфа и удочки, а также в ноутбуках и фотоаппаратах.

Они также широко используются при строительстве самолетов. Фюзеляжи новейших коммерческих самолетов (Boeing 787 (Dreamliner) и Airbus A350) изготавливаются в основном из углепластика из-за его превосходной легкости и прочности.

Другое свойство углепластика используется в тормозах самолетов. Они необходимы для быстрого поглощения значительного количества энергии без механических повреждений или заеданий.Обычная конструкция основана на нескольких вращающихся и неподвижных дисках, температура поверхности которых может достигать 3000 К. Следовательно, материал диска должен иметь отличную термостойкость и ударопрочность, а также высокотемпературную стойкость вместе с хорошей теплопроводностью. Углерод – идеальный материал, а диски изготовлены из углеродного композита, в котором наполнитель – углеродное волокно, а матрица – углерод, полученный в результате пиролиза метана. Кроме того, они весят примерно на 30% меньше, чем стальные диски, и поэтому значительно экономят топливо.

Углепластик

также использовался в течение многих лет для изготовления кузовов гоночных автомобилей F1, обеспечивая водителям более надежную защиту даже при авариях на скорости более 300 км / ч -1 . В настоящее время они используются в автомобилях класса люкс (часть линейки Mercedes Benz и для крыши GM Corvette ZR1) и в качестве защитного снаряжения для мотоциклистов.

Углепластики

все чаще используются для «модернизации» существующих крупных конструкций, таких как мосты из железобетона. Ткань из углеродного волокна оборачивается вокруг деталей, нуждающихся в укреплении.

(b) Полимерные композиты, армированные стекловолокном (GFRP)

Стекловолокно изготовлено из кремнезема (песка), карбоната натрия и карбоната кальция вместе с другими соединениями, которые придают необходимые свойства. Материалы нагреваются до температуры около 1700 К в печи, а затем экструдируются прямо из печи через металлические (платина / родиевый сплав) отверстия различного диаметра (4–34 мкм) для получения нитей. Высокоскоростная намоточная машина, вращающаяся быстрее выходящего расплавленного стекла, втягивает их под натяжением в очень тонкие волокна.Количество отверстий от 200 до 8000.

Нити покрыты смазкой, чтобы защитить их, и собраны вместе на барабане, выглядя как катушка с нитью.

В стекловолокне, в котором стекловолокно является наполнителем (дисперсная фаза), матрица обычно представляет собой полиэфирную смолу, хотя также используются эпоксидные и акриловые полимеры.

использует

GFRP широко используются в производстве лодок по причинам стоимости и обслуживания. В то время как большие суда обычно строятся из стали, более 80% корпусов судов длиной менее 40 м изготовлены из полимера, армированного стекловолокном.Это гораздо более дешевый процесс, и за корпусом легче ухаживать. Кроме того, существуют определенные применения, в которых магнитные, электрические или тепловые свойства GFRP являются предпочтительными, например, тральщики, которые должны быть немагнитными, чтобы избежать активации мин.

Препреги на основе стеклофенольной смолы также используются для улучшения защиты бронированных автомобилей.

(c) Полимерные композиты, армированные арамидом (ARPC)

Арамид – полимерный ароматический амид.Кевлар ® – особенно широко используемый арамид.

С ним очень трудно обращаться, так как единственный эффективный растворитель – концентрированная серная кислота. Кевлар ® состоит из легких атомов, но при этом очень прочный и гибкий, его вес для веса в пять раз сильнее стали. Его сила зависит от того, как полимерные цепи выровнены, а плоские молекулы удерживаются вместе водородными связями. Эти слои молекул могут складываться вдоль оси волокна (рис. 2).

Эти уже прочные волокна используются в качестве наполнителя в ARPC с фенольной смолой или эпоксидной смолой в качестве матрицы.Они особенно полезны там, где необходимо поглощать и рассеивать энергию, и они также способны противостоять истиранию.

Рис. 2 Структура кевлара ® .

использует

Эти композиты широко используются в авиации, для лопастей винта вертолетов, в спорте, для изготовления ракеток для тенниса, бадминтона и сквоша, а также для изготовления лодок, таких как каяки и шлюпки.

Рис. 3 Кевлар ® и другие полиароматические амиды также используются в качестве волокон в тканях для защитной одежды.Их огнестойкие свойства приводят к тому, что их используют пожарные, а их прочность означает, что они используются для бронежилетов.
С любезного разрешения DuPont.

Композиты, армированные частицами (PRC)

Существует два основных типа композитов, армированных частицами: композиты, армированные крупными частицами, и композиты, армированные мелкими частицами. Материалы классифицируются не строго по физическим размерам частиц, а скорее по механизму армирования.В материале, армированном мелкими частицами, механизм находится на молекулярном уровне, и частицы могут диспергироваться в матрице или осаждаться из нее.

Армирование крупными частицами, как следует из названия, включает более крупные частицы и распределение нагрузки между фазами. Какой бы ни была их геометрия, частицы малы по сравнению с размером структуры и равномерно распределены в ней.

Частицы могут улучшить прочность композита на излом по сравнению с матрицей, предотвращая или препятствуя распространению трещин через матрицу, либо физически блокируя и останавливая трещины, либо отклоняя и разделяя их, чтобы препятствовать их продвижению по куску.Они также могут улучшить жесткость и прочность композита по сравнению с матрицей, перенося часть нагрузки.

использует

Бетон – простой повседневный образец PRC, состав которого варьируется в зависимости от предполагаемого использования. Наиболее распространенной матрицей является паста из портландцемента, которая подвергается химическим реакциям, приводящим к схватыванию в течение нескольких часов, а затвердевание продолжается в течение нескольких недель или месяцев. Этот материал армирован заполнителем (дисперсной фазой), например галькой или стружкой (1-2 см) и песком (1-2 мм).Помимо армирования, дисперсная фаза дает и другие преимущества. Реакции начального схватывания бетона являются экзотермическими, и, когда используются только цемент и вода, это приводит к проблемам с отводом тепла и растрескиванием. Добавление заполнителя решает эту проблему, действуя как теплоотвод, снижая скорость и величину повышения температуры.

Бетон часто содержит дополнительную фазу в виде стальной проволоки, стержней или троса для придания еще большей прочности.

Тугоплавкие карбиды – это твердые износостойкие керамические материалы, такие как карбиды титана и вольфрама (TiC и WC). Они могут быть включены в матрицу из металла, часто из кобальта или никеля, для изготовления режущих кромок станков. Это пример металлокерамики, комбинации керамики и металла. Твердый сплав обеспечивает износостойкую режущую кромку, но сам по себе может расколоться при ударе с формируемым металлом. Металлическая матрица повышает упругость и упрощает изготовление.Со временем, по мере того, как частицы удаляются, новые частицы обнажаются, чтобы удерживать острую режущую кромку, в результате чего инструмент в некоторой степени самозатачивается.

Технический углерод по существу состоит из сферических частиц углерода, образующихся при сжигании нефти или газа при ограниченном поступлении кислорода, и часто называется печной сажей. Наиболее важное использование частиц – это армирующая фаза в виде твердых частиц в резине, используемой при производстве шин. Шины могут быть изготовлены из различных смесей натурального каучука и синтетических каучуков, причем смесь зависит от предполагаемого использования (например, для боковой стенки, протектора или внутренней облицовки).

К синтетическим каучукам относятся:

Использование технического углерода в резине улучшает износостойкость. Однако для того, чтобы усиление было эффективным, частицы должны иметь размер 20-50 нм, быть равномерно распределенными в количестве до 30% и хорошо сцепленными с матрицей. Хотя производство покрышек из этого композита дороже, они обладают большей долговечностью.

Дата последнего изменения: 18 марта 2013 г.

10 удивительных примеров композитных материалов – SMI Composites

10 удивительных примеров композитных материалов

Скорее всего, они у вас на полу, в стенах, в машине и даже в ванной.Их называют композитами.

Но что такое композиты? Как они используются и почему они важны?

Если у вас возникают эти вопросы или вы хотите удивительные образцы композитных материалов, то вы попали в нужное место.

Читайте дальше, чтобы узнать о композитных материалах и 10 самых удивительных примерах композитных материалов.

Примеры композитных материалов

Композит – это материал, полученный путем объединения двух или более веществ с разными физическими свойствами.Идеальный композит состоит из материалов, которые дополняют недостатки друг друга. Например, материал, который хорошо сжимается, можно комбинировать с материалом, который хорошо растягивается, с образованием сжимаемого и растяжимого композитного материала.

Обещание «бескомпромиссного» материала, который выполнит именно то, что вы хотите, звучит как фантастика. Тем не менее, композитным материалам это удается.

1. Грязевые кирпичи

Нет лучшего способа представить композиты, чем говорить о сырцовых кирпичах.Грязевые кирпичи появились, когда люди поняли, что солома устойчива к растяжению и что засохшая грязь хорошо справляется со сжатием.

Древние египтяне использовали смесь глины с соломой. Развивающиеся страны строят свои хижины из сырцового кирпича. Возможно, появление сырцового кирпича послужило вдохновением для создания гораздо более продвинутых композитов, как мы увидим позже.

2. Дерево

Древесина (и, конечно, деревья) существуют уже тысячи лет. Тем не менее, вы можете быть удивлены, узнав, что дерево на самом деле представляет собой композит.Дерево состоит из длинных волокон целлюлозы, которые удерживаются вместе более слабым веществом, называемым лигнином.

Организация целлюлозы в древесине – это то, что делает одни виды древесины (например, железное дерево) более прочными, чем другие. Обработанная древесина, такая как фанера, использует более слабую древесину, разрезая ее на тонкие кусочки, а затем склеивая их вместе. Это придает фанере гибкость и более мягкие качества, которые позволяют вбивать ее в фанеру.

3. Стекловолокно

Стекловолокно – это просто пластик, который сочетается со стекловолокном.Вполне вероятно, что ваши ванны, двери, настил и оконные рамы каким-то образом используют стекловолокно.

Стекловолокно

особенно полезно в окнах, поскольку стекловолокно и оконное стекло имеют почти одинаковый коэффициент расширения, а это означает, что при высоких и низких температурах все окно может расширяться и сжиматься как одно целое.

4. Светопрозрачный бетон

Бетон является примитивным примером композитного материала из-за комбинации небольших камней и цемента, который он удерживает.Когда оптические волокна, подобные тем, которые содержатся в стекловолокне, добавляются к бетону, вы получаете полупрозрачный бетон. Внешний вид бетона может варьироваться в зависимости от соотношения цемента и оптических волокон.

5. Абсорбирующий бетон

Видео с этим бетоном уже давно ходят по Интернету. Впитывающий бетон может показаться чем-то прямо из комиксов, но, хотя это действительно кажется невозможным, на самом деле есть приличная доля науки, подтверждающая это.

Впитывающий бетон работает, позволяя воде (и другим вязким жидкостям) просачиваться через крупные гальки в другой слой щебня.Этот тип бетона может оказаться полезным при борьбе с наводнением, если его внедрить в больших масштабах.

6. Кевлар

Хотя кевлар сам по себе не является композитом, он часто используется в составе композитных материалов. Это связано с чрезвычайно высокой прочностью кевлара на растяжение, что означает, что он может довольно хорошо сопротивляться растяжению. Прочность кевлара на сжатие составляет примерно 1/10 его прочности на разрыв, поэтому его используют в композитах.

Самолеты, лодки, велосипеды, одежда для мотоциклов и обувь Nike – все это использует исключительно высокую прочность кевлара на разрыв.

7. Углеродное волокно

Углеродное волокно часто комбинируется с пластиком в так называемый полимер, армированный углеродным волокном. Эти соединения используются в крыльях самолетов, деталях кузовов автомобилей и спортивном оборудовании.

Преимущества углеродного волокна включают, помимо прочего, высокую жесткость и прочность, легкость, коррозионную стойкость и низкий коэффициент теплового расширения (что означает, что оно не очень хорошо расширяется или сжимается).

8. Pykrete

Лед и дерево по-своему достаточно прочны, но в сочетании они образуют композит, называемый пикретом.Пикрет (также известный как пуленепробиваемый лед) представляет собой комбинацию льда и древесной массы, которая может быть до 14 раз прочнее льда.

9. Сотовый композит

Это широкая категория композитов, которые имеют общие характеристики сотовой конструкции. Искусственные композитные соты полезны из-за их высокой прочности на сжатие и сдвиг. Сотовые конструкции могут удешевить изделия, поскольку для достижения той же желаемой прочности требуется меньше материала.

10. Разработанный бамбук

Фанеру, бамбуковые полоски и клей можно комбинировать для создания искусственного бамбукового пола.Высокая прочность на растяжение, твердость и легкий бамбук делают его желательным в сочетании с композитным напольным покрытием.

Фактически, временные бамбуковые хижины были построены для жертв цунами 2004 года в Индийском океане. Это просто показывает, насколько полезен бамбук в легких строительных конструкциях.

Это еще не все!

В современном мире существуют сотни, если не тысячи примеров композитных материалов. Применения в медицине, авиакосмической, автомобильной и военной областях существуют в изобилии.

Если вы ищете композитные материалы, обязательно посетите нас. Мы поставляем композиты для различных отраслей промышленности, включая автомобилестроение, аэрокосмическую, оборонную, медицинскую и спортивную / рекреационную промышленность.

Для получения дополнительной информации о том, как мы можем быть подходящим поставщиком для ваших нужд, перейдите на нашу страницу «О нас».

Что такое композитный материал? – Определение и типы

Что такое композитный материал?

Композитный материал – это комбинация двух материалов с разными физическими и химическими свойствами.Когда они объединяются, они создают материал, который специализируется на выполнении определенной работы, например, чтобы стать прочнее, легче или устойчивым к электричеству. Они также могут улучшить прочность и жесткость.

Причина их использования по сравнению с традиционными материалами заключается в том, что они улучшают свойства своих основных материалов и применимы во многих ситуациях.

  • Композиты с металлической матрицей
  • и другие современные композитные материалы
  • Есть несколько причин, по которым может быть предпочтение отдается новому материалу.Типичными примерами являются материалы, которые дешевле, легче или прочнее по сравнению с обычными материалами.

    В последнее время исследователи также начали активно включать в композитные материалы, известные как роботизированные материалы, функции датчиков, срабатывания, вычислений и коммуникации.

    Что такое композиты?

    Композит – это материал, состоящий из двух или более различных материалов, которые в совокупности оказываются прочнее, чем эти отдельные материалы.

    Проще говоря, композиты – это комбинация компонентов.В нашей отрасли композиты – это материалы, изготовленные из комбинации двух или более природных или искусственных элементов (с разными физическими или химическими свойствами), которые сильнее как команда, чем как отдельные игроки.

    Материалы компонентов не смешиваются полностью или теряют свою индивидуальность. Они объединяют и передают свои самые полезные свойства для улучшения результата или конечного продукта. Композитные материалы обычно разрабатываются для определенного использования, например для дополнительной прочности, эффективности или долговечности.

    Из чего состоят композиты?

    Композиционные материалы, также известные как армированные волокном полимерные композиты (FRP), состоят из полимерной матрицы, армированной инженерным, искусственным или натуральным волокном (например, стеклом, углеродом или арамидом) или другим армирующим материалом.

    Матрица защищает волокна от воздействия окружающей среды и внешних повреждений и передает нагрузку между волокнами. Волокна, в свою очередь, обеспечивают прочность и жесткость, укрепляя матрицу, и помогают противостоять трещинам и разрывам.

    Композитные материалы

    Во многих продуктах нашей отрасли полиэфирная смола является матрицей, а стекловолокно – армированием. Однако в композитах используется множество комбинаций смол и армирующих материалов, и каждый материал вносит свой вклад в уникальные свойства конечного продукта: волокно, мощное, но хрупкое, обеспечивает прочность и жесткость, а более гибкая смола придает форму и защищает волокно.

    Композиты FRP могут также содержать наполнители, добавки, основные материалы или поверхности для улучшения производственного процесса, внешнего вида и характеристик конечного продукта.

    Природные и синтетические композиты

    Композиционные материалы могут быть натуральными или синтетическими. Дерево, природный композит, представляет собой комбинацию целлюлозы или древесного волокна и вещества, называемого лигнином. Волокна придают дереву прочность; Лигнин – это матрица или природный клей, который связывает и стабилизирует его. Другие композиты являются синтетическими (искусственными).

    Фанера – это искусственный композит, сочетающий в себе натуральные и синтетические материалы. Тонкие слои шпона склеиваются друг с другом, образуя плоские листы ламината, которые прочнее натурального дерева.

    Пластмассы – это композиты?

    Не все пластмассы являются композитами. Фактически, большая часть пластика, используемого в игрушках, бутылках с водой и других привычных предметах, не является композитом. Это чистый пластик. Однако многие виды пластмасс можно армировать, чтобы сделать их прочнее. Такое сочетание пластика и армирования позволяет создать одни из самых прочных и универсальных материалов (для своего веса), которые когда-либо разрабатывала технология.

    Полимерные смолы (например, полиэфирные, виниловые, эпоксидные или фенольные) иногда называют пластиками.

    Краткая история

    Люди использовали композиты на протяжении тысячелетий. 3400 г. до н.э. Первые искусственные композиты были изготовлены месопотамцами в Ираке. Старое общество склеивало деревянные полоски друг на друга под разными углами, чтобы получилась фанера. После этого примерно в 2181 году до нашей эры египтяне начали делать посмертные маски из льна или папируса, пропитанного гипсом. Позже оба общества начали укреплять свои материалы соломой, чтобы укрепить глиняные кирпичи, глиняную посуду и лодки.

    В 1200 году нашей эры монголы начали строительство составных арок, которые в то время были невероятно эффективными. Они были сделаны из дерева, сухожилий крупного рогатого скота, рога, бамбука, кости и шелка, скрепленных сосновой смолой.

    После промышленной революции синтетические смолы приобрели твердую форму в результате полимеризации. В 1900-х годах это новое знание химикатов привело к производству различных пластмасс, таких как полиэстер, фенол и винил. Затем началась разработка пластмасс, бакелит изготовил химик Лео Бекеланд.Тот факт, что он не проводил электричество и был термостойким, означал, что его можно было широко использовать во многих отраслях промышленности.

    1930-е годы были невероятно важным временем для развития композитов. Стекловолокно было представлено Оуэнсом Корнингом, который также основал первую отрасль производства армированных волокном полимеров (FRP). Смолы, разработанные в этот период, используются по сей день, а ненасыщенные полиэфирные смолы были запатентованы в 1936 году. Два года спустя стали доступны более мощные системы смол.

    Первое углеродное волокно было запатентовано в 1961 году, а затем стало коммерчески доступным. В середине 1990-х годов композиты становились все более популярными в производственных процессах и строительстве из-за их относительно низкой стоимости по сравнению с ранее используемыми материалами.

    Композитные материалы на Boeing 787 Dreamliner в середине 2000-х годов подтвердили их использование для высокопрочных применений.

    Какие бывают типы?

    Некоторые распространенные композитные материалы включают:

    • Композит с керамической матрицей : Керамика, разложенная в керамической матрице.Они лучше, чем обычная керамика, поскольку они устойчивы к термическому удару и разрушению
    • Композит с металлической матрицей : Металл, растекающийся по матрице
    • Железобетон : Бетон, усиленный материалом с высокой прочностью на разрыв, таким как стальные арматурные стержни
    • Бетон, армированный стекловолокном : Бетон, который заливается в структуру из стекловолокна с высоким содержанием диоксида циркония.
    • Прозрачный бетон: Бетон, покрывающий оптические волокна.
    • Конструкционная древесина: Промышленная древесина в сочетании с другими дешевыми материалами.Одним из примеров может быть ДСП. В этом композите также можно найти специальный материал, такой как шпон.
    • Фанера: Искусственная древесина путем склеивания множества тонких слоев древесины вместе под разными углами
    • Искусственный бамбук : Полоски бамбукового волокна, склеенные вместе, чтобы образовать доску. Это полезный композит, потому что он имеет более высокую прочность на сжатие, растяжение и изгиб, чем древесина.
    • Паркет: Квадрат из множества деревянных деталей, часто собранных из твердой древесины.Он продается как декоративный элемент.
    • Древесно-пластиковый композит : Литье из древесного волокна или муки из пластика
    • Древесное волокно на цементной связке : Элементы из минерализованной древесины, отлитые в цемент. Этот композит обладает изоляционными и акустическими свойствами.
    • Стекловолокно: Стекловолокно в сочетании с относительно недорогим и гибким пластиком
    • Полимер, армированный углеродным волокном : Углеродное волокно в пластике с высоким отношением прочности к весу
    • Сэндвич-панель : различные композиты, которые накладываются друг на друга.
    • Композитная сотовая структура : набор композитов в виде множества шестиугольников, образующих сотовую форму.
    • Папье-маше : Бумага с клеевым переплетом. Их можно найти в ремесленных изделиях.
    • Бумага с пластиковым покрытием : Бумага с пластиковым покрытием для повышения прочности. Пример того, где это используется, – игральные карты
    • Синтаксическая пена : Легкие материалы, созданные путем заполнения металлов, керамики или пластика микрошариками. Эти баллоны изготавливаются из стекла, углерода или пластика.

    Каковы преимущества композитных материалов?
    • Низкие затраты по сравнению с металлами
    • Гибкость конструкции
    • Устойчивость к широкому спектру химических веществ
    • Малый вес
    • Долговечность
    • Электроизоляция
    • Высокая ударная вязкость

    Зачем использовать композиты?

    Снижение веса – одна из основных причин использования композитных материалов вместо обычных материалов для компонентов.Хотя композиты легче, они также могут быть прочнее других материалов. Например, армированные углеродные волокна могут быть в пять раз прочнее, чем сталь марки 1020, и весить всего одну пятую от веса, что делает их идеальными для конструкционных целей.

    Еще одним преимуществом использования композитного материала по сравнению с материалами обычного типа является термическая и химическая стойкость, а также электроизоляционные свойства. В отличие от традиционных материалов, композиты могут обладать множеством свойств, которые не часто встречаются в одном материале.

    Армированные волокном композитные материалы, такие как армированный волокном пластик (композитные материалы из стеклопластика), все чаще используются при разработке и производстве конечных продуктов для сбыта продукции.

    Примеры использования композитных материалов:

    • Электрооборудование
    • Аэрокосмические конструкции
    • Инфраструктура
    • Трубы и резервуары
    • Дома могут быть обрамлены пластиковыми ламинированными балками

    Часто задаваемые вопросы

    Что такое композитные материалы ?

    Композитный материал – это комбинация двух материалов с разными физическими и химическими свойствами.Когда они объединяются, они создают материал, который специализируется на выполнении определенной работы, например, чтобы стать прочнее, легче или устойчивым к электричеству. Они также могут улучшить прочность и жесткость.

    Что такое композиты?

    Композит – это материал, состоящий из двух или более различных материалов, которые в сочетании друг с другом прочнее, чем эти отдельные материалы сами по себе. Проще говоря, композиты – это комбинация компонентов. Композиты обычно разрабатываются с учетом конкретного использования, такого как дополнительная прочность, эффективность или долговечность.

    Какие бывают виды композитов?

    Типы композитов в строительстве :
    1. Композит с полимерной матрицей (PMC)
    2. Композит с металлической матрицей (MMC)
    3. Композит с керамической матрицей (CMC)
    4. Композиты, армированные частицами.
    5. Композиты чешуйчатые.
    6. Композиты, армированные волокном (волокнистые композиты)
    7. Композиты слоистые.

    СВЯЗАННЫЕ СООБЩЕНИЯ

    Что такое определение композитного материала?

    В широком смысле композит – это комбинация двух или более различных материалов, в результате которой получается превосходный (часто более прочный) продукт.Люди создавали композиты на протяжении тысяч лет, чтобы построить все, от простых убежищ до сложных электронных устройств. В то время как первые композиты были сделаны из натуральных материалов, таких как грязь и солома, современные композиты создаются в лаборатории из синтетических веществ. Независимо от их происхождения, композиты сделали возможной жизнь, которую мы знаем.

    Краткая история

    Археологи говорят, что люди использовали композиты не менее 5000-6000 лет.В Древнем Египте кирпичи из глины и соломы использовали для ограждения и укрепления деревянных конструкций, таких как форты и памятники. В некоторых частях Азии, Европы, Африки и Америки коренные народы строят конструкции из плетня (досок или полосок дерева) и мазков (смеси из грязи или глины, соломы, гравия, извести, сена и других веществ).

    Другая развитая цивилизация, монголы, также были пионерами в использовании композитов. Примерно с 1200 года нашей эры они начали строить армированные луки из дерева, кости и натурального клея, обернутые берестой.Они были гораздо более мощными и точными, чем простые деревянные луки, помогая Монгольской империи Чингисхана распространяться по Азии.

    Современная эра композитов началась в 20 веке с изобретения первых пластиков, таких как бакелит и винил, а также изделий из дерева, таких как фанера. Другой важный композит, Fiberglas, был изобретен в 1935 году. Он был намного прочнее, чем более ранние композиты, его можно было формовать и придавать форму, а также он был чрезвычайно легким и прочным.

    Вторая мировая война ускорила изобретение еще большего количества композитных материалов на основе нефти, многие из которых используются до сих пор, включая полиэстер.В 1960-х годах появились еще более сложные композиты, такие как кевлар и углеродное волокно.

    Современные композитные материалы

    Сегодня использование композитов превратилось в обычно включающее структурное волокно и пластик, который известен как армированный волокном пластик или сокращенно FRP. Подобно соломе, волокно обеспечивает структуру и прочность композита, а пластиковый полимер скрепляет волокна. Общие типы волокон, используемых в композитах FRP, включают:

    • Стекловолокно
    • Углеродное волокно
    • Арамидное волокно
    • Волокно борное
    • Базальтовое волокно
    • Натуральное волокно (дерево, лен, конопля и др.))

    В случае стекловолокна сотни тысяч крошечных стеклянных волокон собраны вместе и жестко удерживаются на месте пластичной полимерной смолой. Общие пластмассовые смолы, используемые в композитах, включают:

    • Эпоксидный
    • Виниловый эфир
    • Полиэстер
    • Полиуретан
    • Полипропилен

    Распространенное использование и преимущества

    Самый распространенный пример композита – бетон. В этом случае арматура из конструкционной стали обеспечивает прочность и жесткость бетона, в то время как затвердевший цемент удерживает арматуру в неподвижном состоянии.Сама по себе арматура могла бы слишком сильно прогнуться, а один лишь цемент легко потрескался бы. Однако при объединении в композит образуется чрезвычайно жесткий материал.

    Композитный материал, который чаще всего ассоциируется с термином «композит», – это пластик, армированный волокном. Этот тип композита широко используется в нашей повседневной жизни. Обычные повседневные применения пластиковых композитов, армированных волокном, включают:

    • Самолет
    • Лодки и морское судно
    • Спортивное снаряжение (шахты для гольфа, теннисные ракетки, доски для серфинга, хоккейные клюшки и т. Д.))
    • Автомобильные компоненты
    • Лопасти ветряных турбин
    • Бронежилет
    • Строительные материалы
    • Водопроводные трубы
    • Мосты
    • Ручки для инструментов
    • Лестничные перила

    Современные композитные материалы имеют ряд преимуществ перед другими материалами, такими как сталь. Возможно, самое главное, композиты намного легче по весу. Они также устойчивы к коррозии, гибки и устойчивы к вмятинам. Это, в свою очередь, означает, что они требуют меньшего обслуживания и имеют более длительный срок службы, чем традиционные материалы.Композитные материалы делают автомобили более легкими и, следовательно, более экономичными, делают бронежилеты более устойчивыми к пулям и делают лопасти турбин, которые могут выдерживать нагрузку от высоких скоростей ветра.

    Источники

    • Сотрудники BBC News. «Смерть изобретателя кевлара Стефани Кволек». BBC.com. 21 июня 2014 года.
    • Персонал Министерства энергетики. «9 главных фактов об углеродном волокне, которые вы не знали». Energy.gov. 29 марта 2013 г.
    • Сотрудники Королевского химического общества.”Композитные материалы.” RSC.org.
    • Уилфорд, Джон Ноубл. «Восстановление дани из глиняных кирпичей покойному египетскому царю». NYTimes.com. 10 января 2007 г.
    .

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован.