Композитні матеріали: що це таке, властивості, виробництво і застосування

У різних галузях промисловості використовуються композитні матеріали. Що це таке? Це матеріали на основі декількох компонентів, що зумовлює їх експлуатаційні і технологічні характеристики. В основі композитів лежить матриця на основі металу, полімеру або кераміки. Додаткове армування виконується наповнювачами у вигляді волокон, ниткоподібних кристалів і різних частинок.

За композитами – майбутнє?

Пластичність, міцність, широка сфера застосування – ось чим відрізняються сучасні композитні матеріали. Що це таке з точки зору виробництва? Ці матеріали складаються з металевої або неметалевої основи. Для посилення матеріалу використовуються нитки, волокна, пластівці більшої міцності. Серед композиційних матеріалів можна виділити пластик, який армується боровими, вуглецевими, скляними волокнами, або алюміній, армований сталевими або бериллиевими нитками. Якщо комбінувати зміст компонентів, можна отримувати композити різної міцності, пружності, стійкості до абразивів.

Основні типи

Класифікація композитів заснована на їх матриці, яка може бути металевої та неметалевої. Матеріали з металевою матрицею на основі алюмінію, магнію, нікелю та їх сплавів отримують додаткову міцність за рахунок волокнистих матеріалів або тугоплавких частинок, які не розчиняються в основному металі. Композити з неметалевою матрицею в основі мають полімери, вуглець або кераміку. Серед полімерних матриць найбільш популярні епоксидна, поліамідна і фенолформальдегидная. Форма композиції надається за рахунок матриці, яка виступає своєрідною сполучною речовиною. Для зміцнення матеріалів використовуються волокна, джгути, нитки, багатошарові тканини.


Виготовлення композитних матеріалів ведеться на основі наступних технологічних методів:

просочення армуючих волокон матричним матеріалом;

формування в прес-формі стрічок упрочнителя і матриці;

холодне пресування з компонентів подальшим спіканням;

електрохімічне нанесення покриття на волокна і подальше пресування;

осадження матриці плазмовим напиленням і подальше обтиснення.

Який ущільнювач?

У багатьох сферах промисловості знайшли застосування композитні матеріали. Що це таке, ми вже сказали. Це матеріали на основі декількох компонентів, які обов'язково зміцнюються спеціальними волокнами або кристалами. Від міцності і пружності волокон залежить і міцність самих композитів. В залежності від виду упрочнителя всі композити можна поділити:

на стекловолокнити;

карбоволокнити з вуглецевими волокнами;

бороволокнити;

органоволокнити.

Упрочнительние матеріали можуть укладатися в дві, три, чотири і більше нитки, чим їх більше, тим міцніше і надійніше в експлуатації будуть композиційні матеріали.

Деревні композити

Окремо варто згадати деревне композит. Він виходить шляхом поєднання сировини різного типу, при цьому в якості основного компонента виступає деревина. Кожен деревно-полімерний композит складається з трьох елементів:

частинок подрібненої деревини;

термопластичного полімеру (ПВХ, поліетилену, поліпропілену);

комплексу хімічних добавок у вигляді модифікаторів – їх у складі матеріалу до 5 %.

Найпопулярніший вид деревних композитів – це композитна дошка. Її унікальність в тому, що вона об'єднує в собі властивості деревини, полімерів, що істотно розширює сферу її застосування. Так, дошка відрізняється щільністю (на її показник впливає базова смола і щільність древесинних частинок), хорошим опором на вигин. При цьому матеріал екологічний, зберігає текстуру, колір і аромат натурального дерева. Використання композитних дощок абсолютно безпечно. За рахунок полімерних добавок композитна дошка знаходить високий рівень зносостійкості і вологостійкості. Її можна використовувати для обробки терас, садових доріжок, навіть якщо на них припадає велике навантаження.

Особливості виробництва

Деревні композити мають особливу структуру за рахунок поєднання в них полімерної основи з деревиною. Серед матеріалів подібного типу можна відзначити деревно-стружкові, деревоволокнисті плити різної щільності, плити з орієнтованою тріски і деревно-полімерний композит. Виробництво композитних матеріалів даного типу ведеться в декілька етапів:

Деревина подрібнюється. Для цього використовуються дробарки. Після дроблення деревину просівають і ділять на фракції. Якщо вологість сировини - вище 15 %, його обов'язково висушують.

Дозуються і змішуються основні компоненти в певних пропорціях.

Готовий виріб пресується і форматується для отримання товарного вигляду.

Основні характеристики

Ми описали найбільш популярні полімерні композитні матеріали. Що це таке, тепер зрозуміло. Завдяки шаруватої структурі є можливість армування кожного шару паралельними безперервними волокнами. Варто окремо сказати про характеристики сучасних композитів, які відрізняються:

високим значенням тимчасового опору і межі витривалості;

високим рівнем пружності;

міцністю, яка досягається армуванням шарів;

за рахунок жорстких армуючих волокон композити мають високу стійкість до напругам на розрив.

Композити на основі металів відрізняються високою міцністю і жароміцність, при цьому вони практично нееластичні. За рахунок структури волокон зменшується швидкість поширення тріщин, які іноді з'являються в матриці.

Полімерні матеріали

Полімерні композити представлені в різноманітті варіантів, що відкриває великі можливості щодо їх використання в різних сферах, починаючи від стоматології і закінчуючи виробництвом авіаційної техніки. Наповнення композитів на основі полімерів виконується різними речовинами. Найбільш перспективними сферами використання можна вважати будівництво, нафтогазову промисловість, виробництво автомобільного і залізничного транспорту. Саме на частку цих виробництв доводиться близько 60 % обсягу використання полімерних композиційних матеріалів. Завдяки високій стійкості полімерних композитів до корозії, рівною і щільної поверхні виробів, що отримуються методом формування, підвищується надійність і довговічність експлуатації кінцевого продукту. Розглянемо найпопулярніші види полімерних матеріалів.

Склопластики

Для армування цих композиційних матеріалів використовуються скляні волокна, сформовані з розплавленого неорганічного скла. Матриця ґрунтується на термоактивних синтетичних смолах і термопластичних полімерах, які відрізняють висока міцність, низька теплопровідність, високі електроізоляційні властивості. Спочатку вони використовувалися при виробництві антенних обтічників у вигляді купольних конструкцій. У сучасному світі склопластики широко застосовуються в будівельній сфері, суднобудуванні, виробництві побутового інвентарю та спортивних предметів, радіоелектроніці. У більшості випадків склопластики виробляються на основі напилення. Особливо ефективний цей метод при дрібно - і середньосерійному виробництві, наприклад корпусів катерів, човнів, кабін для автомобільного транспорту, залізничних вагонів. Технологія напилення зручна економічністю, так як не потрібно раскраиваться стекломатериал.

Вуглепластики

Властивості композитних матеріалів на основі полімерів дають можливість використовувати їх в самих різних сферах. В них в якості наповнювача використовуються вуглецеві волокна, одержувані з синтетичних і природних волокон на основі целюлози, пеков. Волокно термічно обробляється в кілька етапів. Порівняно з стеклопластиками вуглепластики відрізняються більш низькою щільністю і більш високим модулем пружності при легкості і міцності матеріалу. Завдяки унікальним експлуатаційним властивостям вуглепластики знаходять застосування в машино - і ракетобудуванні, виробництві космічної та медичної техніки, велосипедів і спортивного приладдя.

Боропластики

Це багатокомпонентні матеріали, в основі яких лежать борні волокна, введені в термореактивную полімерну матрицю. Самі волокна представлені мононитями, джгутами, які обплітаються допоміжної скляній ниткою. Велика твердість ниток забезпечує міцність і стійкість матеріалу до агресивних факторів, але при цьому боропластики відрізняються крихкістю, що ускладнює обробку. Борні волокна коштують дорого, тому сфера застосування боропластиков обмежена в основному авіаційної та космічної промисловості.

Органопластики

У цих композитах в якості наповнювачів виступають в основному синтетичні волокна – джгути, нитки, тканини, папір. Серед особливих властивостей цих полімерів можна відзначити низьку щільність, легкість у порівнянні зі скло - і углепластиками, високу міцність при розтягуванні і високий опір ударам і динамічним навантаженням. Цей композиційний матеріал широко використовується в таких сферах, як машино-, судно-, автобудування, при виробництві космічної техніки, хімічному машинобудуванні.

У чому ефективність?

Композитні матеріали за рахунок унікального складу можуть використовуватися в самих різних сферах:

в авіації при виробництві деталей літаків і двигунів;

космічній техніці для виробництва силових конструкцій апаратів, які піддаються нагріванню;

автомобілебудуванні для створення полегшених кузовів, рам, панелей, бамперів;

гірничої промисловості при виробництві бурового інструменту;

цивільному будівництві для створення прольотів мостів, елементів збірних конструкцій на висотних спорудах.

Використання композитів дозволяє збільшити потужність двигунів, енергетичних установок, зменшуючи при цьому масу машин і устаткування.

Які перспективи?

На думку представників сфери промисловості Росії, композиційний матеріал відноситься до матеріалів нового покоління. Планується, що до 2020 року зростуть обсяги внутрішнього виробництва продукції композитної галузі. Вже зараз на території країни реалізуються пілотні проекти, спрямовані на розробку композитних матеріалів нового покоління. Застосування композитів доцільно в самих різних сферах, але найбільш ефективно воно в галузях, пов'язаних з високими технологіями. Наприклад, сьогодні жоден літальний апарат не створюється без використання композитів, а в деяких з них використовується близько 60 % полімерних композитів. Завдяки можливості поєднання різних армуючих елементів і матриць можна отримати композицію з певним набором характеристик. А це, в свою чергу, дає можливість застосовувати ці матеріали в самих різних сферах.