Виды и применение композитных материалов
Композитные материалы (КМ) – это «супер-вещества», которые получают соединением двух и более компонентов. Компоненты в существенной степени отличаются друг от друга по своим свойствам. Сочетание их приводит к тому, что образуются новые материалы с уникальными свойствами, отличными от исходного сырья. То есть это суперновые материалы, вобравшие в себе, все лучшее от родителей.
Структура композитных материалов
Композитные соединения состоят из двух основных частей. Первая – это матрица, вторая – это наполнитель. Новые композитные вещества превосходят привычно используемые материалы по прочностным, механическим характеристиками и выгодно отличаются по массе, имея легкий вес.
Для примера композитных материалов можно привести клееную фанеру.
По своей структуре композитные материалы можно разделить на несколько групп:
Волокнистые композиты – это материалы, улучшение свойств которых производится волокнами или нитевидными кристаллами. Например, кирпич с соломой. Незначительное введение добавки наполнителя приводит к появлению новых, уникальных свойств.
А, к примеру, добавка электропроводящих волокон придает материалу новое свойство – проводить электрический ток.
Если композитный материал имеет слоистую структуру, то в нем матрица и наполнитель располагаются слоями. Примером можно привести стекло, покрытое слоями полимерных пленок.
Другие представители композитных материалов имеют структуру, которая представлена матрицей и наполненными ее частицами, отличающимися по размерам.
Полимерные композитные материалы
Полимерные композитные материалы (ПКМ), имеют в качестве своей базы полимерную основу-матрицу. Это самый многочисленный вид КМ. Их применение позволило значительно снизить вес и улучшить эксплуатационные характеристики многих вещей. Так, к примеру, применение ПКМ при изготовлении искусственного спутника земли привело к снижению его веса, а облегчение на 1 кг дает экономию в 1000 долларов.
Стеклопластики
Полимерные композиты, армирование которых проводят стеклянными волокнами. Данные волокна получают формированием при нагревании неорганического стекла. В качестве матрицы выступают фенольные, эпоксидные смолы или термопластичные полимеры.
Материалы характеризуются: прозрачностью к радиоволнам, прочностью и электроизоляцией, низкой теплопроводностью.
Стеклопластики – это дешевый и доступный материал, его применяют в приборостроении, судостроении, строительстве, при изготовлении спортивных товаров.
Углепластики
В данных КПМ наполнителями служат углеродсодержащие волокна, которые «добывают» из натуральных или искусственно созданных волокон.
Матрицей также служит термореактивный или термопластичный полимер.
Преимущества: низкая плотность, высокий коэффициент упругости, они легкие по массе, но в тоже время очень прочные, хорошо проводят электрический ток.
Применяются в авио-, машино- и ракетостроении, а также при производстве космической техники, спортивных товаров, медицинских протезов.
Боропластики
Матрица – термореактивный полимер.
Наполнитель – борные волокна, борные жгуты.
Борные волокна имеют большую прочность при сжатии, чем волокна других материалов. Поэтому и получаемые с их использованием материалы обладают отличными прочностными, износостойкими характеристиками, а также характеризуются инертностью к агрессивным средам. Но в тоже время, им свойственна хрупкость, что вводит определенные ограничения на использование.
Есть у данных ПКМ еще один минус – высокая цена, по данной причине область их использования достаточно узкая. Применяются главным образом только при изготовлении деталей, которые используются при высокой нагрузке и требует высокой надежности.
Органопластики
Основа – преимущественно используют эпоксидные, полимерные, фенольные смолы.
Отличаются низкой плотностью, легкостью. Имеют высокую прочность. Отличное сопротивление к ударам, а также устойчивость к динамическому воздействию, нагрузкам. Но при всем при этом их прочность при изгибе и сжатии мала.
Применяются при машино-, авио-, судостроении, космической и авиационной технике, производстве спорт инвентаря и радиоэлектроники.
Полимеры наполненные порошками
В наше время применяют дешевые наполнители, такие как каолин, для термопластичной/термополимерной матрицы. Данные соединения используют для изготовления электроизоляционных материалов, труб. Сажу применяют для наполнения при изготовлении резин.
Текстолиты
Это полимерные материалы, имеющие слоистую структуру и применяемые для изготовления, например кухонных поверхностей, в качестве армирующего элемента используют ткани.
Композитные материалы с металлической матрицей
Название «материалы с металлической матрицей» говорит само за себя. Матрица – металл. Это может быть никель, или алюминий, или медь. Так как мы говорим о композиционных материалах, то нужно указать и наполнитель, в качестве которого применяют волокна. Главное условия при их выборе, они не должны растворяться в матрице. Упрочнение металла за счет использования наполнителей придает ему новые свойства – повышается жаростойкость и прочность. К примеру, алюминий можно использовать при температуре 250-300 0 С, а если провести его армирование волокнами бора, то температурные рамки расширяется до 450-500 0 С.
Композитные материалы на основе керамики
Не все волокна для керамики «одинаково полезны», но, тем не менее, применение некоторых из них дает возможность получить материалы с повышенной прочностью.
Использование металлических волокон позволяет незначительно увеличить сопротивление растяжению и повысить стойкость к тепловому воздействию.
Применение в качестве, наполняющих частиц – дисперсных металлических добавок, дает возможность получить керметам – материал с повышенной теплопроводностью и стойкостью к термоударам.
Из данных материалов изготавливают части, детали электропечей, газовых турбин, ракетной и реактивной техники, а также режущие инструменты.
Композиционные материалы – это улучшенные соединения, это как валенки с калошами и тепло, и ноги не промокают.
Два ключевых момента, которые нужно знать о чудо композитных материалах:
Что такое композитный материал и что такое ламинат?
Главная страница » Что такое композитный материал и что такое ламинат?
Нелогичным видится результат для математики, если складывая две единицы, получают в сумме три. Однако подобная логика приобретает смысл, когда речь заходит о композитах. Но что это такое — композитный материал, именуемый сокращённо «композит»? Если взять два разных материала и объединить каким-либо образом, в результате получится третий объект. В ущерб математике, это будет уже совершенно другая структура, отличная от двух сложенных. В некотором смысле, такая структура превосходит любой из оригинальных составляющих компонентов.
Раскрыть тайну композитных структур
Композитные материалы изначально воспринимаются незнакомыми вещами. Но подобного рода вещи распространены достаточно обширно в окружающем мире. На основе композитных материалов делаются многие знакомые вещи:
Корпуса автомобилей, самолётов, катеров традиционно производят из композитных материалов, подобных стекловолокну или карбону. Поэтому характеризовать композитный материал суперсовременным продуктом не стоит.
Корпус автомобиля, сделанный на основе карбона – композитного волокна, обладающего уникальными свойствами, в которых нуждается современная техника на колёсах
Проще оглянуться вокруг: бетон, дерево, костяшки — всё это композитные материалы. Ламинат, кстати, тот же самый композит, где слои разных материалов склеены один с другим, с целью придания дополнительной прочности, долговечности и других преимуществ.
Что представляет собой структура композитных материалов?
Цели изготовления композитных материалов путём объединения двух или более разных структур, видится очевидной. Таким способом стремятся достичь улучшения структуры при условии сохранения чётких и разных идентичностей в конечном продукте. Поэтому композитный материал не следует представлять:
Рассматривать композитный материал логичнее в рамках сравнения, например, с бетоном, где между цементом распределяются камни разных размеров.
Железобетон также представляет собой композитный стройматериал, изготовленный из стальных арматурных стержней, помещенных в жидкий бетон, за счёт чего фактически образуется композит из композита. Стекловолокно представляет собой смесь крошечных стеклянных частиц, склеенных внутри пластика.
Внутри бетона, железобетона, стекловолокна и т.п., оригинальные ингредиенты достаточно легко обнаружить. Так, в структуре бетона явно просматриваются камни в окружении цемента – эти компоненты не исчезают и не растворяются.
Для чего нужны композитные материалы?
Необходимость в композитном материале объясняется главным моментом – конечный продукт должен быть лучше составляющих, из которых изготовлен. Иначе необходимость в надобности полностью отпадает.
Рассматривая тот же бетон, можно отметить силу продукта в случае использования для сооружения вертикальных балок. Чтобы держать вес здания или конструкции с нагрузкой вниз, бетон удачно работает на сжатие. Но бетон демонстрирует явную слабость и тенденцию к разрушению, если используется горизонтально, когда превалируют силы на растяжение.
Структура композиционного бетона – как пример создания продукта, наделённого более выраженными эксплуатационными свойствами в том или ином варианте
Последним случаем формируется серьёзная проблема для зданий, где много горизонтальных бетонных балок. Решением проблемы является заливка плотных стальных стержней (арматурных стержней) жидким бетоном, создавая, таким образом, композитный материал — железобетон.
Сталь натягивает бетон и сопротивляется силам растяжения, а бетон защищает сталь от ржавчины и гниения. В итоге получается композитный материал, удачно работающий на растяжение и на сжатие.
Усиление структуры — наиболее распространенная причина создания композитных материалов, но не единственная. Иногда стремятся сделать структуру, обладающую другими свойствами.
Например, требуется деталь самолёта, обладающая более высоким сопротивлением усталости по сравнению с металлом. Такая деталь не ломается от многократных напряжений, присутствующих в процессе полёта.
Или, допустим, нужна деталь двигателя, способная сохранять целостность структуры при более высоких температурах, чем обычная керамика. Возможно, потребуется пластик, более жёсткий и прочный, но лёгкий, или пластик с лучшими тепловыми изоляционными свойствами, чем даёт обычный пластик. Композитный материал способствует решению задач в таких ситуациях.
Как изготавливается композитный материал?
Структура композита, как правило, изготавливается на основе двух составляющих (но не исключены добавки):
Не следует рассматривать армирование исключительно волоконной структурой (подобно стекловолокну). Такая конфигурация поддерживается не всегда. Структура железобетона, к примеру, содержит «волокна», которые по факту являются крупногабаритными витыми стальными стержнями.
Структура стекловолокна состоит из крошечных «стеклянных усов». Иногда арматурный элемент изготавливается на основе гранул, частиц или усов, не исключается исполнение на основе сложенного текстиля.
Армированные волокном композитные конструкции на основе термопластичных матриц со встроенными пьезокерамическими модулями: 1, 4 – термопластичная несущая плёнка; 2 – поверхностно-металлизированная пьезокерамическая пластина; 3 – опорная конструкция электрода; 5 – гребенчатый электрод; 6 – пьезокерамический пластинчатый композит
Расположением частиц армирования в матрице определяются механические свойства композитного материала в каждом направлении (изотропные) или свойства в разных направлениях (анизотропные).
Все волокна, направленные одинаково, делают состав анизотропным — более сильным в одном направлении, чем в другом. С другой стороны, частицы, усы или волокна, случайно ориентированные в структуре композита, сделают продукт одинаково прочным во всех направлениях.
Какую бы форму не принимал композитный материал, работа подкрепления состоит в том, чтобы противостоять внешним силам. Работа матрицы заключается в жёстком креплении арматуры на месте и защите арматуры от вредных воздействий окружающей среды.
Какие существуют типы композитных материалов?
Разнообразие типичного исполнения достаточно обширное. Рассматривая это разнообразие, можно выделить наиболее часто попадающиеся на практике экземпляры.
Натуральные композиты
Как правило, представляются композиты прочными, лёгкими, ультрасовременными изделиями. Такие изделия тщательно спроектированы для конкретных применений, например в конструкциях космических ракет и реактивных самолётов. Но если рассматривать исключительно такие продукты, легко забыть природные композитные материалы, существующие изначально и всегда.
Структура натурального дерева: 1 – годичное кольцо; 2 – лучи; 3 – возрастной индикатор; 4 – заболонная древесина; 5 – слой камбия; 6 – кора; 7 – береста; 8 — сердцевина
Древесина – пример натурального композита, состоящего из целлюлозных волокон (армирование), растущего внутри лигнина (матрица из органических полимеров на основе углерода). Кость – пример другого натурального композита, где коллагеновые волокна усиливают матрицу гидроксиапатита (кристаллический минерал на основе кальция).
И даже созданные искусственно композиты не обязательно должны выступать высокотехнологичными и современными. Бетон и кирпич – стройматериалы, сделанные из глины, усиленные соломой, являются примерами композитов, сделанными искусственно. Такие материалы активно использовались в течение тысяч лет.
Классические композиты
Первым современным композитным материалом считается стекловолокно (первоначальное название «фибреглас»). Время изобретения — 30 годы XIX столетия.
Современное стекловолокно обычно выпускается в виде лент, которые допустимо наклеивать на поверхности. Пластмассовая защитная лента — это матрица, удерживающая стеклянные волокна на месте, но именно волокна обеспечивают высокую прочность матрицы.
Пластик имеет относительно мягкую и гибкую структуру, а стекло прочную, но хрупкую. Если же соединить две структуры вместе, получается прочный, долговечный продукт, подходящий для производства, к примеру, кузова автомобиля или корпуса лодки.
Структура конструкции речного (морского) катера, корпус которого изготовлен на основе композита: 1 – корпус судна; 2 – структурная сетка; 3 – основа (подошва) кабины (рубки); 4 – палуба; 5 – центральная консоль
Стекловолокно легче металлов или сплавов, из которых допустимо производить те же самые вещи, но стекловолокно не подвержено коррозии. Углепластик похож на стекловолокно, но вместо стеклянных волокон структура углепластика включает углеродное волокно.
Современные композиты
Современные композитные материалы, как правило, основаны на металле, пластике (полимере) или керамике. Это даёт три основных типа современных композитных материалов:
Металлические матричные композиты (ММК)
Этот вид композитных материалов имеют матрицу из легкого металла — алюминия или сплава магния, усиленного керамическими или углеродными волокнами. Примеры включают алюминий, армированный карбидом кремния, и сплав меди и никеля, армированный графеном (тип углеродного волокна). Включением графена в металлы на несколько порядков усиливается свойство прочности по отношению к обычному виду.
Металлические матричные композиты:
но, как правило, дорогостоящие продукты и трудно поддаются обработке. ММК широко используются в авиакосмической промышленности (детали реактивных двигателей), для военных целей (нитрид бора используется для усиления резервуаров), в автомобильной промышленности (поршни дизельных двигателей) и в режущих инструментах.
Керамические матричные композиты (КМК)
Эта разновидность построена на керамической основе (боросиликатное стекло), выступающей в качестве фоновой матрицы, с углеродными или керамическими волокнами (карбид кремния).
Волокна усиливают и помогают преодолеть ключевую слабость обычной керамики. Примеры включают карбид кремния, армированный углеродным волокном (C/SiC), и карбид кремния, армированный карбидом кремния (SiC/SiC).
Пример керамического матричного композита – вариант продукта, который достаточно часто можно встретить на строительстве специальных объектов
Первоначально КМК разрабатывались для аэрокосмического и военного применения, где очень важны легкость и высокотемпературные характеристики (газотурбинные установки, выхлопные сопла реактивных двигателей).
Однако в последующем КМК также нашли применение в производстве автомобильных тормозов и сцепления, подшипников, теплообменников и ядерных реакторов.
Поскольку керамические матричные композиты обычно используются для высокотемпературных применений, полимерные волокна и обычные легкоплавкие стеклянные волокна не используются в качестве армирующих элементов.
Полимерные матричные композиты (ПМК)
Композиты с полимерной матрицей (ПМК) имеют свои отличающие особенности. В то время как волокна КМК делают материал более жестким и менее хрупким, внутри структуры ПМК керамические или углеродные волокна повышают прочность и жёсткость фонового пластика. Такие свойства, как:
делают полимерные матричные композиты (стекловолокно и др.), отличными материалами для производства деталей автомобилей, лодок, самолётов и т.д. Полимерные матричные композиты также широко используются в производстве спортивных товаров (теннисные ракетки, клюшки для гольфа, сноуборды, лыжи и т.п.).
Композитные материалы будущего
Многие современные исследования направлены на совершенство композитных материалов с использованием волокон примерно в 1000 раз меньше традиционных. Такой подход обещает дать гораздо больший эффект.
Эти так называемые нанокомпозиты являются примером нанотехнологий, где используются углеродные нанотрубки (наночастицы) в качестве подкрепления.
Проверка на прочность хоккейной клюшки конструкции «Colt Hockey» показала удивительные результаты. Таких результатов помогла достичь уникальная композитная структура
Композитные материалы будущего представляются более дешёвыми, обладающими лучшими механическими и электрическими свойствами по сравнению с традиционными композитами.
Яркий пример композитного материала будущего: продукт «Colt Hockey» — хоккейная клюшка из углеродного волокна, покрытого никель-кобальтовым нанокомпозитом. Согласно утверждениям производителей, эта хоккейная клюшка в 2,8 раза прочнее и на 20% более гибкая, чем стальной вариант.
Что такое ламинат?
Своего рода особый вид композитного материала, сформированного путём сращивания слоев двух или более других материалов при помощи клея – называется ламинатом.
Поскольку слои ламината обычно составлены разными материалами, ламинаты являются очевидными примерами композитных материалов, несмотря на отсутствие технологии объединения подобно другим (матричными) композитам.
Важно отметить: ламинат — это не просто несколько отдельно взятых слоёв материалов. Все составляющие ламината постоянно склеены, поэтому представлены как единый материал. Клей (или несколько различных клеев) также выступает составляющей частью ламината.
Структура несложного ламината: 1 – упругий высоко-износостойкий верхний слой; 2 – декоративное покрытие высокой чёткости; 3 – влагостойкая доска сердечника типа HDF, сделанная из натуральных волокон древесины; 4 – обработанное смолой балансное покрытие
Почему существует необходимость ламината? Объясняется потребность просто. Например, бумага, дерево, стекло, — материалы недостаточно прочные и долговечные в их натуральном виде.
Так, бумага легко пропитывается водой, а выполнить печать на пластике достаточно сложно. Между тем, печать можно выполнить на бумаге, после чего покрыть бумагу пластиком. Ламинированный композитный материал приобретает дополнительные свойства.
Примеры использования ламинирования
Примеров для разъяснения этого вопроса можно набрать больше чем достаточно. Рассмотрим некоторые из реальных примеров, которые встречаются на практике.
Ламинированная древесина
Полы из натуральной древесины пользуются высокой популярностью, демонстрируют яркий пример износостойкости. Здесь логично рассмотреть обычный пол из твёрдой древесины и пол ламинированный. В отличие от традиционного пола из твердой древесины, ламинированный пол обычно состоит из четырех слоев:
Многие недорогие мебельные изделия, напоминающие твёрдую древесину, реально представляют ламинаты, изготовленные из древесных материалов более низкого качества (ДСП, ДВП) с тонким покрытием из шпона, пластика или даже бумаги. Основным недостатком ламинированных полов является неспособность противостоять влаге.
Ламинированное стекло
Ветровые и пуленепробиваемые стёкла — фактически тяжёлые ламинаты, собранные из нескольких слоёв стекла и пластика. Наружные слои стекла устойчивы к атмосферным воздействиям и царапинам, в то время как внутренние слои пластика обеспечивают прочность и некоторый процент гибкости, предотвращая разрушение стекла. Стекло также ламинируется пластиком для изготовления композитов, подобных, например, стеклу, армированному пластиком.
Тканевые ламинированные материалы
Большая часть обуви и верхней одежды, как правило, сделаны из ламинированных материалов. Типичный плащ обычно имеет водонепроницаемую мембрану между износостойким наружным слоем и мягким, комфортным внутренним слоем. Иногда мембрана непосредственно связана с внутренним и внешним слоями.
Таким способом делается прочная и долговечная одежда на основе 3-слойного ламината. Если мембрана связана с внешней тканью без внутренней подкладки, это называется 2,5-слойным ламинатом. Водонепроницаемая одежда, изготовленная таким способом, видится более «дышащей», чем трехслойные ламинаты, так как используется лёгкий вариант удаления влаги.
Бумажные ламинированные материалы
Часто в бытовой и хозяйственной практике пользуются портативными машинами для ламинирования. Такой техникой покрывают кусочки бумаги, карты или фотографии тонким, но прочным слоем пластика. Достаточно приобрести пакет пластиковых «мешочков», вставить внутрь бумажный предмет и пропустить набор через машину.
Ламинирующая машина нагревает, склеивает пластик и плотно прижимает два разных структуры, создавая атмосферостойкое и долговечное покрытие. Идентификационные (ID) карты и кредитные карты также ламинированы прозрачным пластиком. Поэтому карты используются без проблем несколько лет.
КРАТКИЙ БРИФИНГ
Ликбез по композитным материалам (4 фото)
Постоянное развитие техники требует появления и материалов, разработанных с учетом обновленных требований к ним. Рассматривать современные материалы просто как «что-то из чего сделано всё» совсем безграмотно даже для человека, малосвязанного с материаловедением. Новые материалы могут изготавливаться по «классической технологии», а могут использоваться и иные подходы для достижения поставленных целей. Одним из таких подходов является создание композитов.
Что такое композитный материал
Классический композитный материал изготавливается из совершенно разных компонентов и объединить можно материалы с диаметрально противоположными свойствами. Например, если мы имеем хрупкий материал, то объединив его с материалом упругим, мы можем получить сразу несуществующий ранее образец с феноменальными свойствами. Упругий материал можно вплавить в виде сетки в толщу основного материала и тем самым армировать эту конструкцию. В итоге мы сохраним высокую твердость хрупкого материала и получим рост пластичности композита.
Объединять можно самые разные группы материалов. Органические и неорганические, металлы и неметаллы, полимеры и мономеры, полимеры и воздух, и все возможные и невозможные сочетания, которые сложно даже себе представить. Этих материалов не обязательно должно быть два. В общей конструкции можно объединить сразу множество материалов, если получится сделать это физически.
Что такое матрица, а что такое набивка
Традиционно композиты имеют такие структурные элементы, как матрица и набивка. В разных источниках их называют по-разному, но смысл от этого не меняется.
Как разрабатывается композитный материал
Разработка композита начинается с того, что перед инженером-материаловедом ставится техническое задание, в котором обозначены все требуемые параметры нового материала.
Логика строится весьма простым образом. Для того, чтобы получить новые свойства, нужно как-то увязать в единую логику материалы, обладающие и тем, и тем физическим или механическим свойством.
Дальше проводится большая работа по анализу возможных сочетаний, ну а затем следует отработка технологии и испытания. В процессе испытаний часто всплывает множество комичных моментов.
На пример горных велосипедов можно проанализировать логику внедрения технологии по применению углепластика или карбона.
Велосипедисту нужна прочная рама, которая будет обладать минимальной массой, но при этом останется прочной. Для того, чтобы добиться такого эффекта рационально взять что-то очень прочное и что-то очень легкое. Примерно по такой логике и начали использовать сверхпрочные углеродные усы для армирования. Но эти усы сами по себе гнутся в руках как веревка! Поэтому, их нужно как-то удержать «в форме рамы». Для этого усы закладываются по длине всей велосипедной рамы, а сверху заливаются матрицей из любого пластика с подходящими свойствами.
Чуть выше мы отметили, что такие работы бывают веселыми. Первые велосипеды из углепластика плавились от яркого солнца в жаркую погоду. При этом цена была их огромная. Инженеры не предполагали, что велосипед будет использоваться в таких условиях и применили в качестве матрицы пластик, не способный выдерживать окружающую температуру. Так, велосипед, покрашенный черной краской и оставленный на солнце, стекал как шоколадка.
Главная проблема композитов
Согласитесь, не очень хорошо получится, если в какой-то момент матрица отделится от набивки. Например, если представить себе железобетонный дом, то по этой логике может остаться стоять арматура, а весь бетон сдует ветром. Или представьте себе, что материал матрицы будет медленно разъедать армирующие волокна. Очевидно, что это станет причиной деградации свойств. Подобные ситуации совершенно недопустимы!
Именно поэтому главная проблема при разработке заключается в том, что нужно увязать разные материалы без вреда для них. Адгезия матрицы и набивки должны быть максимальны, а химическая активность сопоставима.
Композитные или композиционные?
Когда мы говорим про композиты, часто всплывает и понятие «композиционные материалы«. Оно хоть и является схожим по физическому смыслу, но не является синонимом.