Композитные материалы — что это такое?

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.

Композиционные материалы и их классификация

Композиционные материалы (композиты, КМ) – искусственно созданные материалы, состоящие из двух или более неоднородных и нерастворимых друг в друге компонентов, соединяемых между собой физико-химическими связями.

Одним из компонентов композиционных материалов является арматура, или наполнитель, обеспечивающие необходимые механические характеристики материала, а другим компонентом – матрица (или связующее), обеспечивающая совместную работу армирующих элементов. В качестве матрицы используют полимерные, металлические, керамические и углеродные материалы, в зависимости от типа которых композиционные материалы получают общее название.

Упрочнителями служат стеклянные, борные, углеродные, органические, нитевидные кристаллы (карбидов, боридов, нитридов и др.) и металлические проволоки, обладающие высокой прочностью и жесткостью. При формировании композиции эффективно используются индивидуальные свойства составляющих элементов композиций.

Свойства композиционных материалов зависят от состава компонентов, количественного соотношения и прочности связи между ними. Комбинируя объемное содержание компонентов, можно в зависимости от назначения получить материалы с требуемыми значениями прочности, жаропрочности, модуля упругости или получать композиции с необходимыми специальными свойствами, например магнитными и т.п.

Композиционные материалы имеют высокую удельную прочность, жесткость (модуль упругости 130–140 ГПа), высокие износостойкость, усталостную прочность. Из них можно изготовить размеростабильные конструкции. Композиционные материалы являются весьма перспективными конструкционными материалами для многих отраслей машиностроения.

Но некоторые виды композитов имеют недостатки: высокую стоимость, анизотропию свойств, повышенную наукоемкость производства, необходимость специального дорогостоящего оборудования и сырья, а следовательно, развитого промышленного производства и научной базы.

Композиционные материалы классифицируют по геометрии наполнителя, расположению его в матрице и природе компонентов, схеме расположения наполнителей, по природе компонентов, структуре композиционного материала.

По природе компонентов композиционные материалы (КМ) делят на четыре группы:

1. КМ, содержащие компоненты из металлов или сплавов;
2. КМ, включающие компоненты из неорганических соединений оксидов, карбидов, нитридов и др.;
3. КМ, состоящие из неметаллических элементов, углерода, бора и др.;
4. КМ, содержащие компоненты из органических соединений (эпоксидные, полиэфирные, фенольные и другие смолы).

По структуре композиты делятся на несколько основных классов: волокнистые, слоистые, дисперсно-упрочненные, упрочненные частицами и нанокомпозиты.

Волокнистые композиты армированы волокнами или нитевидными кристаллами. Механические свойства композита могут изменяться за счет ориентации размера и концентрации волокон. Кроме того, армирование волокнами позволяет придать материалу анизотропию свойств (различие свойств в разных направлениях). За счет добавки волокон проводников можно придать материалу электропроводность вдоль заданной оси. В слоистых композиционных материалах матрица и наполнитель располагаются слоями.

Остальные классы композиционных материалов характеризуются наполнением матрицы частицами армирующего вещества, различающегося дисперсностью частиц. Так, дисперсно-упрочненные композиты включают от 1 до 15% (по объему) частиц размером от 0,01 до 0,1 мкм. Композиты, упрочненные частицами, содержат 20–25% (по объему) частиц размером более 1 мкм. Размеры частиц, входящих в состав нанокомпозитов, составляют 10–100 нм.

Что такое композитные материалы

Композитные материалы для строительства

Системы внешнего армирования углеродными лентами для реконструкции любых инженерных конструкций набирают популярность в России. Благодаря своим уникальным характеристикам они незаменимы в ремонте ветхого жилья. А в числе перспективных разработок для нового строительства: углепластиковая арматура и фибробетоны.

Системы внешнего армирования углеродным волокном предназначены для ремонта и усиления несущих конструкций зданий с целью устранения последствий разрушения бетона и коррозии арматуры в результате длительного воздействия природных факторов и агрессивных сред в процессе эксплуатации сооружений.

На стадии строительства и эксплуатации система внешнего армирования позволяет решить следующие задачи: устранить ошибки проектирования или исполнения работ, увеличить несущую способность конструкций при увеличении расчетных нагрузок, а также устранить последствия повреждения несущих конструкций возникшие в ходе эксплуатации.

Системы внешнего армирования необычайно легки в применении. Технология предполагает наклеивание высокопрочных материалов на поверхность усиливаемой конструкции с помощью эпоксидных компаундов. Преимущества применения Системы внешнего армирования очевидны. Это прежде всего сокращение временных и трудовых затрат. При усилении Системой внешнего армирования не требуется никакой дополнительной громоздкой техники. Работы можно проводить без остановки эксплуатации зданий и сооружений.

Для нового строительства зданий жилого фонда одним из наиболее перспективных продуктов из полимерных композиционных материалов на основе углеродного волокна является композитная углеволоконная арматура. Основные направления применения углепластиковой арматуры в новом строительстве: высокоответственные конструкции, требующие уникальных свойств материалов; конструкции, работающие в условиях высокоагрессивных сред; высокопрочные элементы сложных конструктивных схем и решений. Также углепластиковую арматуру применяют при ремонте и реконструкции железобетонных и каменных конструкций в качестве внешней арматуры. Преимущества материала: огнеупорность, жаростойкость, химическая устойчивость, радиационная стойкость, ударная вязкость и т.д.

Важнейшим направлением в строительстве является снижение энергоемкости, трудоемкости, материалоемкости изготовления изделий и конструкций, повышение их качества, надежности. Одно из возможных решений этой проблемы – применение композиционных материалов, достоинством которых, является возможность создавать из них элементы с параметрами, наиболее полно отвечающими характеру и условиям работы конструкций.

Композиты — городские технологии

Композиты в ремонте участка МКАД

Ремонт музея «Воды» с применением композитов

Композитные перила установили в регионах России

Испытания балок и колонн, усиленных углеволокном

Система внешнего армирования незаменима для сейсмоусиления кирпичных зданий

Система внешнего армирования незаменима для ремонта зданий и сооружений

Система внешнего армирования незаменима для сейсмоусиления зданий и сооружений

Преимущества использования композитов в строительстве

Доска, армированная композитами, не ломается под напором невероятного веса.

Испытания балок и призм, армированных углеродными лентами

Композиты и композитные (полимерные) материалы для автомобилестроения

Развитие автомобильной промышленности, повышение требований к качеству и безопасности используемых материалов требует создания и применения новых форм. Материалы из углеволокна наиболее полно отвечают современным требованиям, так как обладают рядом уникальных характеристик и демонстрируют наилучшее соотношение цены и качества.

Композитные материалы для автомобилей заметно потеснили на рынке привычный металл. Причём не только сталь, но и алюминиевые сплавы, которые до недавнего времени считались во всех отношениях лучшими. В настоящее время композиционные материалы используются при создании практически любого узла автомобиля. Выпускают даже концепт-кары, корпус которых целиком состоит из композитовКомпозиты в автомобилестроении

Композиционные материалы и изделия на основе непрерывных волокон и армирующих тканей широко используются для производства внешних деталей автомобиля. Чаще всего из них делают:

• Силовые конструкции – силовые структуры дверей и сидений, защитные элементы днища.

• Элементы крепления бамперов и радиаторов.

• Декоративные элементы – декоративные панели салона, внешние декоративные панели.

• Крышки багажников, кузовные панели, тормозные диски, элементы кузова, термо- и звукоизоляцию.

Всё чаще кузова многих типов машин (в том числе тяжёлых грузовиков) полностью создаются из лёгких, прочных и недорогих углепластиков.

Углепластик в автомобилестроении

Композитные материалы для автомобилестроения – это в первую очередь продукция из углеродного волокна. Она используется в автомобилестроении уже много лет, и с каждым годом объём его применения растёт. Наиболее важное преимущество углеволокна — небольшой вес и высокая прочность. Углепластик в 5 раз легче стали и в 1,8 раза легче алюминия. Использование композитов в автомобилестроении позволяет снизить массу транспортного средства на 20-25%. За счёт этого заметно повышается эффективность работы двигателя и снижается расход горючего.

Углеродные волокна производят из синтетических и природных волокон на основе полимеров. В зависимости от режима обработки и исходного сырья получают материалы разной структуры и с разными свойствами. В этом заключается главное преимущество композитных материалов. Их можно создавать с изначально заданными свойствами под определённую задачу.

Карбон в автомобилестроении

По прочности карбон превосходит сталь (чёрный металлопрокат) в 12,5 раз. Когда мы говорим «карбон», то вспоминаем, конечно, капоты тюнинг-каров. Сейчас нет ни одной кузовной детали, которая не была бы сделана из карбона. Из него изготавливают не только капоты, но и крылья, бампера, двери и крыши. Факт экономии веса очевиден. Средний выигрыш в весе при замене капота на карбоновый составляет 8 кг. Впрочем, для многих главным будет тот факт, что карбоновые детали практически на любой машине выглядят очень стильно.

Углеродное волокно для автомобилей широко применяется в гоночной одежде. Это карбоновые шлемы, ботинки с карбоновыми вставками, перчатки, костюмы, защита спины и. т. д. Такая экипировка не только хорошо смотрится, но и повышает безопасность и снижает вес костюма (очень важно для шлема). Особой популярностью карбон пользуется у мотоциклистов. Самые продвинутые байкеры одевают себя в карбон с ног до головы.

Развитие технологии в автомобилестроении в первую очередь связано с развитием автоспорта. Наблюдая технический прогресс в области развития и применения композиционных материалов, можно уверенно сказать, что в ближайшем будущем появятся серийные автомобили с полностью композитным кузовом и многими узлами и агрегатами.

В Москве производством композитных материалов и конечных изделий для автомобилестроения занимаются компании, входящие в холдинг «Композит». Мы предлагаем одно- и двунаправленные, а также мультиаксиальные ткани, препреги, готовые изделия из композиционных материалов. Получить консультацию и заказать необходимое количество изделий вы можете по телефону +7 (495) 787-88-28.

Композитные материалы в решении проблем экологии на рубеже 2100 года.

Цели и задачи проекта     

Все вокруг нас состоит из различных веществ и материалов: дерево, металл, стекло, камень…

 Все это органические материалы, которые дала нам природа, но сегодня запасов природных материалов нам не хватает, поэтому человечеству необходимо находить возможность изобретать новые материалы.

Такими материалами и являются композиты, которые сотрут границу между настоящим и будущим, а также помогут справиться с глобальными проблемами экологии на рубеже столетия…

К размышлению  на эту тему, меня сподвигло участие в Международном молодежном конкурсе научно-практических и научно-фантастических работ «Горизонт-2100».

В рамках этого проекта, для изучения взаимосвязи проблем экологии и композитов проведена исследовательская и рактическая работа.

На пути к новому столетию мы должны ставить задачи по утилизации неразлагающихся отходов. мне видится возможным, наладить сбор подходящего вторсырья для последующего  изготовления предметов интерьера, садовой мебели, мебели для мест общего пользования и т.д

Встречая на морском побережье неорганический мусор, который выглядит непривлекательно, отравляет животный мир, расстраивает нас своей локацией и объемами,  часто приходят на ум конструктивные и декоративные решения для утилизации и решения этой проблемы.

Я провел исследование и серию экспериментов для решения и воплощения в жизнь своей идеи. Изучая особенности и характеристики композитных материалов, пришел к выводу, что такой симбиоз: надёжное связующее и «начинка» из вторсырья, отличное решение поставленной задачи.

Мне видится возможным, для преодоления глобальной угрозы экологической катастрофы на горизонте 2100 годов, регулировать на государственном уровне, вопрос использования таких решений по  производству мебели для государственных учреждений, мест общего пользования: школ, садов, музеев, театров, больниц, транспорта и т.д.

Заинтересовать подобным материалом строительные организации для сооружения  торгового оборудования и отделки помещений. Применять подобные материалы в градостроении.

Предприятия, внедряющие подобные перспективные программы 2100гг.,

могли бы иметь дополнительные налоговые послабления, бесплатную социальную рекламу, преимущества в государственных и коммерческих тендерах.

Так, мы могли бы иметь механизмы, которые могли бы влиять на интерес производителя и реализацию сбыта.

«Хранитель» — такое название для проекта по решению проблем захоронения мусора, мне видится интересным. В корне названия, виден двойной смысл — охрана окружающей среды, нашей планеты от наших, и хранение отходов в конструктиве объектов общего/личного пользования.

Для начала реализации такой программы, у меня возникло предложение по созданию  монумента – своеобразного  «визуального знамени» с символикой движения «Хранитель», из материалов, включающих в себя неразлагающийся мусор, выступающий арматурой и попутно декором.

        Исследование на тему композитных материалов

Композитный материа́л (КМ), компози́т — многокомпонентные материалы, состоящие, как правило, из пластичной основы (матрицы), армированной наполнителями, обладающими высокой прочностью.

КМ — это неоднородные сплошные материалы из двух или более компонентов с чёткой границей между ними.

 Цель изготовления композитных материалов путём объединения двух или более, разных структур, видится очевидной. Таким способом удаётся достичь улучшения структуры в конечном продукте.

Матрицей в композиционных материалах может служить широкий спектр металлов, полимеров, цементов и керамики.

Спектр наполнителей еще более широк: крупноразмерные, листовые, волокнистые, дисперсные, мелкодисперсные, микродисперсные, наночастицы.

Наполнитель, как правило, обеспечивает прочность, жесткость и деформируемость композита, а матрица — его монолитность, передачу напряжений и стойкость к внешним воздействиям.

           Преимущества композитных строительных материалов.

• Высокая прочность: при одинаковом диаметре с металлической, композитная арматура сетки способна выдерживать более высокие нагрузки на растяжение, изгиб и вырыв из стены, т.е. прочнее в 3-4 раза;
• Высокая коррозионная и химическая стойкость: отличная сопротивляемость химикатам, солям и коррозии даже в условиях высокой влажности и агрессивных сред;
• Легкость: вес наиболее распространенной металлической сетки (50*50*3 мм, 0,5*2 м) составляет 2,22 кг/м2, аналогичная сетка из композитной арматуры весит 300-360 гр/м2, т.е. легче в 6 раз;
• Низкая теплопроводность — 0,46 Вт/м2, в то время как у металла этот показатель составляет 40-60 Вт/м2, т.е. примерно в 100 раз выше. Это означает, что металлические сетки, находясь в стене, являются «мостиками холода» и снижают теплоэффективность конструкций. Применение композитной сетки позволяет устранить этот недостаток;
• Надежность и долговечность: согласно отчетам об исследованиях, проведенных в Университете Шеффилда (Великобритания) фактор снижения прочности в условиях влажности за период 100 лет составляет 1.25, что соответствует сохранению прочности на 79.6%;
• Высокая прочность сцепления с бетоном благодаря зернистому покрытию;
• Диэлектрик;
• Не намагничивается;
• Экоогичность: при производстве композитной кладочной сетки выделяется в 40 раз меньше углекислого газа, чем при производстве металлической;
• Низкий модуль упругости позволяет быстро и без последствий гасить вибрацию;
• При нарушении бетонной конструкции сохраняет свою форму, предотвращая дальнейшее разрушение объекта.

               Для чего нужны композитные материалы?

Итак, необходимость в композитном материале объясняется главным моментом – конечный продукт должен быть лучше составляющих, из которых он изготовлен

по характеристикам.

Например, требуется деталь самолёта, обладающая более высоким сопротивлением усталости по сравнению с металлом.

Такая деталь не ломается от многократных напряжений, в процессе полёта.

                      Области применения композитов

• Аэрокосмическая отрасль и авиация
• Судостроение
• Автомобилестроение
• Гражданское и промышленное строительство:
• Дорожное строительство:
• Лёгкая промышленность
• Текстильные технологии
• Медицина (протезы, пломбирующие стоматологические материалы)

ИСТОКИ

                Древние первооткрыватели   

 Два или более неоднородных материала используют вместе, чтобы создать новый уникальный материал или же улучшить характеристики одного из них.

Первое использование этого метода относится к 1500 году до нашей эры, когда в Египте начали использовать глину и солому для строения зданий. Саманные кирпичи, изготовлены из глины в которой использовалась солома, обеспечивающая дополнительную прочность.

 В Древней Греции железными прутьями укрепляли мраморные колонны при постройке дворцов и храмов. Древние римляне активно использовали в массовом строительстве бетон — искусственный материал, получаемый из смеси вяжущего вещества и дроблёных камней. Знаменитый Пантеон до сих пор остается самым крупным в мире объектом, купол которого выполнен из неармированного бетона.      

Один из древнейших композиционных материалов — булат, в котором тончайшие слои (иногда нити) высокоуглеродистой стали «склеены» мягким низкоуглеродным  железом.

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

Сделано в СССР: прорывы в области композитов

Дельта-древесина

Один из самых известных композитов, появившихся на свет в Советском Союзе в 1932 году, — это дельта-древесина, она же древесный слоистый пластик или ДСП-10.

Полвека назад дельта-древесина была одним из важнейших композитов аэрокосмической отрасли — из неё изготовляли силовые конструкции самолётов и планеров, вертолётные винты (например, лопасти Ми-10) и так далее.

ДСП-10 гораздо прочнее и дерева, и фанеры, в ней нет, и не может быть пустот и воздушных карманов, она легко поддаётся обработке и не разрушается со временем.

Материал является невероятно прочным, относительно лёгким и, что важно, негорючим!

В 2016 году со дна реки Усманка был поднят истребитель ЛаГГ-3 — сбитый в 1942-м.

На снимке — изготовленные из дельта-древесины элементы конструкции. Они пролежали на дне три четверти века и по-прежнему сохранили форму и не прогнили.

Инженер-изобретатель Семён Лавочкин, к слову, презентовал новый композит лично Сталину, который сперва попытался поджечь образец (часть лонжерона), а затем — порезать перочинным ножом. Когда у него это не получилось, он отдал распоряжение наградить изобретателя орденом.

Одно из характерных современных применений дельта-древесины — это рукояти ножей, инструментов и другого работающего в напряжённых условиях оборудования.

ирование сетчатой конструкцией

Важно разработать не только материал, но и правильную технику применения. Простой пример: есть композитный материал, который позволяет увеличить прочность конструкции, а заодно облегчить систему — технология сетчатых конструкций — не просто использовать, а совместить композит с сетчатой структурой, предложенной ещё Шуховым и используемой в промышленном строительстве. Со стройплощадки — в ракету? Да, звучало странно…

Но идея, нашла своё гениальное применение, решая вопросы максимального облегчения ракет при сохранении прочности структуры и жёсткости.

Проблемы экологии и композитные материалы

Эксперты прогнозируют, что к 2100 году человечество исчерпает все природные ресурсы…

Уже сейчас мы живём в долг у природы.

Беда в том, что люди расходуют за девять месяцев столько, сколько Земля сможет вырабатывать только за 12 месяцев. Печальный прогноз, в частности, касается воды, лесов и рыбы.

Засорение почвы и водоемов отходами жизнедеятельности человека – одна из злободневных проблем нашего времени.

Часть мусора со временем разлагается, часть оседает в недрах или остается на поверхности навсегда.   

Уже сейчас, глобальная катастрофа нависает над нами, мусорные полигоны и стихийные свалки отравляют воздух, являются причиной болезни людей, вымирания животных. Для хранения и переработки  отходов в данный момент необходимо задействовать все возможные ресурсы: ограничение использования пластика, сортировка бытовых отходов, переработка и вторичное использование, бережное, экономное использование предметов обихода.

Если мы будем использовать все доступные меры, то сможем замедлить приближение катастрофы. Но без инновационных идей/методов захоронения отходов, приближение катастрофы не остановить…

   Развитие современного направления. Стратегическая цель.

Развитие отрасли производства композитных материалов с 2013 года относится к приоритетному направлению развития промышленности РФ.

За последние годы наблюдается уверенный рост объёмов производства и потребления композитов различного типа в строительстве, авиации, специальном и транспортном машиностроении, производстве товаров народного потребления, расширяется объём научных и экспериментальных работ в области композитов.

Также для студентов и школьников существует множество платформ для исследования композитов. В этом году мне удалось принять участие в программе «Курс молодого инженера» на базе МГТУ им. Баумана, «Композиты России».

Это и послужило почвой к размышлениям на тему композитных материалов.

              Цели и задачи.

В результате поставленного опыта я получил отличный образец материала для решения поставленных задач.

Опытный образец КМ демонстрирует:

50. Прочность
50. Красоту и изящество
50. Универсальность в применении полученного материала в быту (примеры)
50. Экологичность

Целью данной работы является получение новых композитных материалов.

 Связующим компонентом (матрицей) является смесь из эпоксидной смолы, отвердителя и пигмента с наполнением различными компонентами. Я использовал «начинку» из кусков пластика, металлической стружки (вторсырьё, отходы производства).

При добавлении пигмента в смеси происходит окрашивание матрицы — смолы. Это добавляет визуальных эффектов.

Выбор компонентов КМ обусловлен задачей: найти способ избавления

от медленно разлагающегося вторсырья, путём создания из него наполнителя для новых материалов. Второе важное назначение этого наполнителя – повышение антикоррозионных свойств покрытия. Массовая доля наполнителя в проведенных опытах составляла 20-50% по отношению к эпоксидной смоле. В присутствии наполнителя твёрдость композита повышается.

          Заключение

   Древнейший метод, который помогал предкам делать кирпичи и самолеты прочнее, в сочетании с современными технологиями дает неоценимые преимущества в различных сферах. Среди них авиа- и автомобилестроение, космонавтика, строительство и медицина, включая стоматологию и протезирование.

В этом проекте мне было интересно рассмотреть применение композитных материалов с точки зрения охраны окружающей среды, в целях экономии ресурсов на рубеже 2000-2100гг.

Склады отходов на полигонах разлагаются крайне медленно и оказываются фактором, загрязняющим окружающую среду.

Захоронение и утилизация отходов требует гигантских вложений и энергозатрат.

Хотелось бы обратить ваше внимание на полимерные композиты, которые позволяют нам создавать уникальные комбинации с использованием вторсырья.

Притом, использование этого метода возможно даже в домашних условиях, как я продемонстрировал на моем опыте.

Если не останавливаться и пойти дальше, то можно находить множество изящных решений для утилизации отходов и создания множества прекрасных вещей с использованием композитов.

Экологическая ситуация подталкивает нас к таким решениям, с которыми хорошо справляются композитные материалы.  

                   Возьмём привычные предметы: сумки, зонты, спортинвентарь, предметы интерьера, садовую, парковую мебель, как безопасное и виртуозное решение — вместилище отходов, и сырьё для качественных новых материалов, которые могут быть прекрасным вложением и решением проблем экологии…                                    

 Представьте малые архитектурные формы, детские площадки и даже целые города, которые способны вместить в свой конструктив мусор океана и мощь композита…

                    Список использованной литературы:

 Статьи в периодических изданиях:

• «Популярная механика»
• «Техника молодёжи»
• «ЭКО»-информ // ЭКО. Всероссийский экономический журнал, №11, 2017.

Печатные издания:

• Композиционные материалы. Справочник. Васильев В.В.,1990.

Интернет-ресурсы:

• https://emtc.ru/МИЦ «Композиты России» МГТУ им. Н.Э. Баумана

Лекции из курса на базе центра «Инжинириум» МГТУ им. Н.Э. Баумана

Композитные материалы

С появлением нового, можно сказать совершенного строительного материала – ДПК или композита — у современного рынка сформировались дополнительные стимулы и возможности для полного удовлетворения растущего спроса на высококачественную продукцию. Это сырьё сразу зарекомендовало себя как идеальный материал для изготовления множества изделий, успешно заменив во многом натуральную древесину.

Композитные материалы нашли своё применение и в нашем производстве уличной мебели и МАФ – с 2014 года мы ввели в серийное производство композитные скамейки и другие элементы садово-парковой мебели.

Что же такое композит и какими особенностями он обладает?

Древесно-полимерный-композит (ДПК) или просто композит – это наилучший материал для эксплуатации в «непростых» условиях: на открытом воздухе, под постоянным воздействием влаги, при температурных перепадах и т.п. Современные технологии объединили в этом сырье все знаменательные свойства натуральной древесины и суперсовременных полимеров. Лёгкость обработки, экологические преимущества и отличные теплоизоляционные свойства, которыми обладает натуральная древесина – всё это дублируется и в материалах ДПК, только плюс ко всему добавляются такие замечательные свойства как высокая износостойкость и долговечность. Сегодня это самый практичный строительный материал, не требующий сверхзатрат в процессе эксплуатации. Наряду с характеристиками древесины свойства композитных материалов более многогранны и выгодны для строительной отрасли.

Особенности ДПК:

— материал устойчив к ультрафиолетовому излучению, на солнце не выгорает и не коробится, температурная стойкость -50° +70° С;
— не выделяет и не впитывает влагу, при намокании форма и фактура не изменяется, зимой не покрывается наледью, устойчив к морской воде;
— материал ударопрочный, отмечается высокая стойкость к механическим повреждениям, на квадратный метр возможны нагрузки до 500 кг.;
— не подвержен коррозии, гниению, грибковым и бактериальным поражениям, не интересен насекомым;
— обладает высокой огнеустойчивостью, не поддерживает горение;
— не нуждается в первоначальной или последующей обработке, дополнительной пропитке или покраске в течение всего периода эксплуатации;
— материал экологически безопасный, не наносит никакого вреда окружающей среде;
— не изменяет своих свойств до 50 лет, долговечный, прочный, износостойкий, эстетичный;
— имеет приятную поверхность, широкую цветовую гамму, оптимальные фактуры обработки;
— прост в уходе, чистка может осуществляться струёй воды или обычными моющими средствами;
— легко монтируется, принимает при производстве любую форму.

Другими словами, ДПК незаменим там, где необходим прочный, влагостойкий, красивый и экологичный материал.

Уличная мебель, малые архитектурные формы, скамейки из композита – это самое современное решение в благоустройстве городов и частных территорий. Приобретая конструкции из ДПК, вы одновременно облагораживаете местность и избавляетесь от проблем с культуризацией пейзажа на многие годы. Композитные материалы обладают исключительными антивандальными качествами, а в сочетании с алюминиевыми опорами, уличная мебель становится по-настоящему вечной, не требующей ни ухода, ни обслуживания в течение более чем 25 лет.

Ну и стоит упомянуть о не менее важном – о цене композитных изделий. Стоимость уличной мебели и МАФ из ДПК лишь незначительно превышает стоимость изделий из натуральной древесины. Однако, если учесть, что деревянные конструкции требуют дополнительных расходов на средства обработки и защиты, которые необходимо применять периодически, каждые несколько лет, плюс время и силы на поддержание надлежащего вида, то и получится, что композитные скамейки и прочее городское оборудование благодаря своим преимуществам оправдывают свою стоимость, а, значит, являются более практичным и экономичным решением благоустройства территорий.

Посмотреть композитные скамейки на сайте

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 вопросы или вам нужна помощь, напишите нам, чтобы получить консультацию специалиста:

[email protected]

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

Содержание

Люди использовали композиты на протяжении тысячелетий. 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. до н.э. египтяне начали делать посмертные маски из льна 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 в производственных процессах и строительстве 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, например стальными арматурными стержнями
• Бетон, армированный стекловолокном : Бетон, залитый в структуру из стекловолокна с высоким содержанием диоксида циркония
• Прозрачный бетон : Бетон, покрывающий оптические волокна
• Обработанная 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 соотношением прочности и веса
• Сэндвич-панель : различные композиты, уложенные друг на друга
• Композитные соты : Набор шестиугольников из композитных материалов, образующих сотовую структуру.
• 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.

Идея не нова

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 восстанавливает 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 обладает хорошей прочностью 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 превышающую прочность никеля.

Что касается стекловолокна, то оно производится 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 иметь определенные магнитные свойства; 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 формовать с помощью инструментов, 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, объединяющий их, 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 жесткими (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, такого как скручивание или растяжение.

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, которое придает прочность 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-композиты

Многие новые типы композитов создаются не с помощью матрицы и метода армирования, а путем укладки нескольких слоев материала. Структура многих композитов (например, тех, которые используются 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 композитных материалов, 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.

Композитные материалы — обзор

VI Использование композитов

Композиционные материалы в той или иной форме внедрены почти во все отрасли промышленности. Мы рассмотрим некоторые преимущества использования композитов и обсудим некоторые отрасли, в которых эти материалы использовались.

Широкий диапазон значений свойств, достигаемых с помощью композитов, и возможность изменять свойства являются преимуществом. Композиционные материалы также обычно имеют более высокое отношение прочности и модуля к массе, чем традиционные конструкционные материалы. Эти функции могут снизить вес системы на 20–30%. Снижение веса означает экономию энергии или повышение производительности. Усовершенствованные композиты демонстрируют желаемые динамические свойства, обладают высоким сопротивлением ползучести и хорошими демпфирующими характеристиками.Фактически, превосходные усталостные характеристики композитных материалов позволяют использовать их для ремонта металлических планеров с усталостными повреждениями.

Поскольку композитным материалам можно придать практически любую форму, они обеспечивают большую гибкость при проектировании и сокращают количество деталей для изделий. Возможность выбрать компоненты, адаптировать их для получения требуемых свойств, а затем посредством проектирования оптимально использовать эти свойства — ситуация, которая делает композиты очень привлекательными для многих отраслей промышленности.

Матричный полимер может придавать композитам высокую химическую и коррозионную стойкость. В транспортной отрасли широко используются композитные материалы. Легкий вес и высокая прочность, а также возможность легко изготавливать аэродинамические формы привели к снижению затрат на топливо. Отсутствие коррозии материалов и низкие затраты на техническое обслуживание снизили стоимость владения и продлили срок службы многих деталей и продуктов. Примеры продукции в этой отрасли включают кузова и детали для автомобилей и грузовиков, прицепы, цистерны, специальные автомобили и производственное оборудование.

Композиты добавили новые измерения в проектирование и строительство зданий. Их простота изготовления, легкий вес, высокая прочность, низкие эксплуатационные расходы, декоративность и функциональность оказали значительное влияние на промышленность. Время нового строительства было сокращено, и была добавлена ​​большая гибкость при проектировании конструкций.

Композитные материалы повлияли на морскую промышленность на раннем этапе своего развития, и их влияние продолжает расти. Отсутствие коррозии, низкие эксплуатационные расходы и гибкость конструкции способствовали принятию композитов.Легкость изготовления очень больших и прочных изделий из одной части была другой. Помимо прогулочных катеров, изготавливаются большие военные и коммерческие катера и корпуса судов. На кораблях использовались большие резервуары для топлива, воды и груза. Композиты оказали наибольшее влияние на индустрию спортивных товаров, революционно вытеснив традиционные материалы. Такие приложения, как стержни клюшек для гольфа, удочки, теннисные ракетки, лыжное снаряжение, оборудование для катания на лодках и многие другие продукты спортивного снаряжения, теперь производятся почти исключительно с использованием современных композитов.В большинстве случаев изменение материала привело к повышению производительности или безопасности участников.

Аэрокосмический и военный рынки — это две области, на которые пришлось наибольшее усилие в разработке и продвижении композитных технологий. Потребность в более прочных, жестких и легких структурах дала возможность композитным материалам продемонстрировать свое превосходство над более широко используемыми материалами. Прочность и низкие эксплуатационные расходы — дополнительные преимущества.Это увеличивает срок службы и снижает стоимость обслуживания систем. Разработка новых и усовершенствование существующих производственных процессов привели к снижению производственных затрат. Было уменьшено количество деталей, необходимых для изготовления некоторых компонентов, с использованием литья и композитных материалов. Уникальные особенности композитов позволили дизайнерам разрабатывать передовые системы, которые можно было бы изготавливать только из композитных материалов. В конструкции новых военных самолетов почти исключительно используются современные композиты.Корпуса, сопла и носовые обтекатели ракетных двигателей используются в ракетах. Купола радара, лопасти ротора, пропеллеры и многие компоненты вторичной конструкции, такие как обтекатели, двери и панели доступа, также изготавливаются из современных композитных материалов. Многочисленные сосуды высокого давления, вооружение и элементы космической техники изготавливаются из отборных композитных материалов.

Использование композитных материалов будет продолжать расти. По мере того, как все больше инженеров начинают понимать композиты, для их использования будет открываться больше возможностей.По мере увеличения использования композитов будет происходить больше разработок в областях составляющих материалов, анализа, проектирования и изготовления. Композитные материалы обладают огромной гибкостью при адаптации, гибкостью конструкции и низкой стоимостью обработки с минимальным воздействием на окружающую среду. Эти атрибуты создают очень яркое будущее композитных материалов.

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.

Прочтите, 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, так как 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 после крупномасштабного внедрения.

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 довольно хорошо сопротивляется 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, частях автомобильных кузовов 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 материалом.

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? | Композиты

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.

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

Типичные инженерные композитные материалы включают :

• Армированный бетон и каменную кладку
• Композитная древесина, например фанера
• Армированные пластмассы, такие как армированный волокном полимер или стекловолокно
• Композиты с керамической матрицей (композитные керамические и металлические матрицы)
• 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 этих отдельных материалов.

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 полимерные композиты, армированные волокном (FRP), состоят из полимерной матрицы, армированной инженерным, искусственным или натуральным волокном (таким как 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 противостоять трещинам и разрывам.

Композиционные материалы

Во многих продуктах нашей отрасли полиэфирная смола является матрицей, а стекловолокно — армированием. Однако в композитах используется множество комбинаций смол и армирования, 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. Эта комбинация пластика и армирования может создать одни из самых прочных и универсальных материалов (для своего веса), которые когда-либо разрабатывались в технологии.

Полимерные смолы (такие как полиэфир, сложный виниловый эфир, эпоксидная смола или фенол) иногда называют пластиком.

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
• Армированный бетон : 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, вмещающий оптические волокна.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 частей, 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, наложенные друг на друга
• Композитные соты : 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 в разработке и производстве конечных продуктов для сбыта продукции.

Примеры использования композитов:

• Электрооборудование
• Аэрокосмические конструкции
• Инфраструктура
• Трубы и резервуары
• Дома могут быть каркасными с использованием ламинированных пластиковых балок

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.

Связанное сообщение

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 облицовки и укрепления деревянных конструкций, таких как форты и памятники. В некоторых частях Азии, Европы, Африки и Америки коренные народы строят конструкции из плетня (доски или полоски дерева) и мазки (составной глины 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 эволюционировало, чтобы обычно включать структурное волокно и пластик, это известно как армированные волокном пластмассы 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 скомпонованы вместе и жестко удерживаются на месте пластмассовой полимерной смолой. Общие пластмассовые смолы, используемые в композитах, включают:

• Эпоксидная смола
• 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 пристань
• Спортивное снаряжение (рукоятки для гольфа, теннисные ракетки, доски для серфинга, хоккейные клюшки и т. Д.)
• Автомобильные компоненты
• Лопасти ветряной турбины
• 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.
• Персонал Министерства энергетики. «9 главных фактов об углеродном волокне, которые вы не знали». Energy.gov. 29 марта 2013.
• 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.

Материалы и процессы: Введение | CompositesWorld

Высокая прочность и малый вес остаются выигрышной комбинацией, которая продвигает композитные материалы на новые арены, но другие свойства не менее важны. Композиционные материалы обеспечивают хорошее демпфирование колебаний и низкий коэффициент теплового расширения (КТР) — характеристики, которые могут быть разработаны для специальных применений.Композиты устойчивы к усталости и обеспечивают гибкость при проектировании / изготовлении, что может значительно уменьшить количество деталей, необходимых для конкретных применений, что превращается в готовый продукт, для которого требуется меньше сырья, меньше соединений и креплений, а также более короткое время сборки. Композиты также доказали свою устойчивость к перепадам температур, коррозии и износу, особенно в промышленных условиях, где эти свойства значительно снижают затраты на жизненный цикл продукта. Эти характеристики привели к широкому использованию композитов.Стремление к экономии топлива в условиях роста цен на нефть, например, сделало облегчение веса приоритетом почти во всех видах механического транспорта, от велосипедов до больших коммерческих самолетов.

С тех пор, как компания Boeing Co. (Чикаго, Иллинойс, США) 787 Dreamliner — 50% композитного материала по весу и 100% композитов на его аэродинамических поверхностях — была запущена в производство и в декабре 2009 года успешно совершила свой первый полет, композиты стали проложили себе путь в основных и второстепенных аэрокосмических конструкциях и заняли большее место в салоне самолета в аэрокосмическом мире.С тех пор к 787-му в мире всеобщего внимания добавились и другие самолеты, использующие композитные материалы, от его коммерческого конкурента по транспортным самолетам, Airbus (Тулуза, Франция) и других. Первые 52% (по весу) композитные Airbus A350 XWB были поставлены на заре 2015 года. Компания Airbus ранее использовала композиты в своем пассажирском суперджамбо-самолете A380 и военно-транспортном самолете A400M. Эти четыре программы являются настоящим завершением долгожданной трансформации, которая также охватила рынок самолетов авиации общего назначения и долгое время была частью производства военных самолетов.Как продемонстрируют статьи, сопровождающие это вступительное заявление, композиты, доступные во все более разнообразных материальных формах и производимые с помощью обширного набора процессов формования и формования, заняли или готовы занять внимание на производственных аренах по всему миру.

Совершенно другой материал

Композиты отличаются от традиционных материалов тем, что составные части состоят из двух совершенно разных компонентов — волокон и матричного материала (чаще всего полимерной смолы), которые при объединении остаются дискретными, но действуют интерактивно, создавая новый материал, свойства которого не может быть предсказан простым суммированием свойств его компонентов.Фактически, одним из основных преимуществ комбинации волокно / смола является ее взаимодополняющий характер. Например, тонкие стекловолокна обладают относительно высокой прочностью на разрыв, но подвержены повреждениям. Напротив, большинство полимерных смол обладают слабой прочностью на разрыв, но чрезвычайно жесткими и пластичными. Однако в сочетании волокно и смола противодействуют слабости друг друга, производя материал, гораздо более полезный, чем любой из его отдельных компонентов.

Структурные свойства композитных материалов в первую очередь определяются армированием волокном.Коммерческие композиты для крупных рынков, такие как автомобильные компоненты, лодки, потребительские товары и коррозионно-стойкие промышленные детали, часто изготавливаются из прерывистых, случайных стеклянных волокон или непрерывных, но неориентированных волокон. Усовершенствованные композиты, первоначально разработанные для военно-космического рынка, предлагают характеристики, превосходящие характеристики обычных конструкционных металлов, и теперь находят применение в спутниках связи, самолетах, спортивных товарах, транспорте, тяжелой промышленности и в энергетическом секторе при разведке нефти и газа и ветряных турбинах. строительство.

Высококачественные композиты получают свои структурные свойства за счет непрерывного, ориентированного, высокопрочного армирования волокном — чаще всего углеродом, арамидом или стеклом — в матрице, которая способствует технологичности и улучшает механические свойства, такие как жесткость и химическая стойкость.

Ориентацию волокна можно контролировать, что может улучшить производительность в любом приложении. Например, в композитных валах клюшек для гольфа бор и углеродные волокна, ориентированные под разными углами внутри композитного вала, позволяют ему наилучшим образом использовать их свойства прочности и жесткости и выдерживать крутящие нагрузки и многочисленные силы изгиба, сжатия и растяжения.

Матрица может быть полимерной, керамической или металлической. Полимерные матрицы, наиболее широко используемые для композитов в коммерческих и высокоэффективных аэрокосмических приложениях, представляют собой термореактивные смолы, состоящие из полимерных цепей, которые постоянно отверждаются в сшитую сетку при смешивании с катализатором, под воздействием тепла или и тем, и другим. Отверждение обычно происходит при повышенной температуре и / или давлении в печи и / или вакуумном мешке или в автоклаве. Альтернативные, но менее используемые технологии отверждения включают электронный луч, ультрафиолетовое (УФ) излучение, рентгеновские лучи и микроволновые процессы.

Другим наиболее часто используемым типом матрицы является термопластичная (TP) смола, которая становится все более популярным вариантом для производителей композитов. Образуются термопластичные линейные полимерные цепи, которые могут быть преобразованы в твердые тела определенной формы путем плавления или размягчения с последующим охлаждением материала. Термопласты, которые часто продаются в виде листов или панелей, могут быть обработаны методами консолидации на месте, такими как простая штамповка (см. «Методы изготовления»), чтобы изготавливать прочные детали почти чистой формы без необходимости отверждения в автоклаве или вакуумном мешке. термореактивными пластинами.Возможность реформирования TP дает возможность исправлять аномалии или устранять повреждения в процессе эксплуатации.