Композитні матеріали: поняття, класифікація, матриця
Композитними називають матеріали, що складаються з кількох шарів: шару-наповнювача та шару-матриці, основи. Поєднання в одному матеріалі шарів з різними властивостями дозволяє отримати новий продукт з якостями, відмінними від характеристик кожного шару окремо.
У першій частині розповіді про композитах ми познайомимо вас із цим поняттям, розповімо трохи про класифікацію композитів і почнемо розповідь про найбільший клас цих матеріалів: про полімерні композити.
Усі фахівці одностайно визнають, що за композитами майбутнє. Втім, саме це поняття відоме давно. Всім знайомі композити ДВП, ДСП, текстоліти, триплексне скло застосовуються в промисловості та в побуті вже досить давно.
В асортименті хімічного магазину "ПраймКемікалсГруп", природно, є товари, вироблені з використанням композитних матеріалів. Ось пара таких речей:
Класифікація композитів
Композитні матеріали можна класифікувати за:
- структурі: шаруваті, волокнисті, зміцнені частинками;
- матриці: виробляються композити з полімерною, керамічною чи металевою матрицею.
До волокнистих композитів можна віднести ДВП, МДФ, ЛДСП, Кевлар. Властивості готового продукту можна варіювати, змінюючи кількість волокон та їхню орієнтацію. Найяскравішим прикладом шаруватого матеріалу є триплексне скло, що складається з шарів скла і полімерної плівки.
Зміцнені частинками композити поділяються на три класи, залежно від розміру частинок-наповнювачів (від 1 мкм до 10 нм) та їх кількості (від 15 до 25% в об'ємному співвідношенні).
Полімерні композити
Найбільший клас композитів.Матрицею полімерних композитів служать термопласти (що зберігають свої властивості при багаторазовому нагріванні та охолодженні) і термореактивні смоли (що приймають при нагріванні певну структуру незворотним чином). Умовно полімерні композити можна поділити на кілька груп:
- Склопластики, що містять до 80% волокон із силікатного скла. Відрізняються оптичною та радіопроникністю, низькою теплопровідністю, високою міцністю, хорошими електроізолюючими властивостями, невисокою вартістю.
- Вуглепластики зі штучними або природними вуглецевими волокнами на основі целюлози, похідних нафти або вугілля. Вуглепластики легші і міцніші за склопластики, не прозорі, не змінюють лінійні розміри при змінах температури, добре проводять струм. Здатні витримувати високі температури навіть у агресивному середовищі.
- Боропластики з борними волокнами, нитками та джгутами. Дуже тверді та зносостійкі, не бояться агресивних речовин. Дорогі. Не витримують експлуатацію за високих температур.
У наступній статті продовжимо розповідь про полімерні композити, поговоримо про керамічні композитні матеріали, композити на основі металів і про застосування композитів.
Список тематичних статей
1. Композиційні чи композитні матеріали – матеріали майбутнього.
Після того як сучасна фізика металів докладно роз'яснила нам причини їхньої пластичності, міцності та її збільшення, почалася інтенсивна систематична розробка нових матеріалів. Це призведе, мабуть, вже у уявному майбутньому до створення матеріалів із міцністю, що багато перевищує її значення у звичайних сьогодні сплавів.При цьому велика увага приділятиметься вже відомим механізмам загартування сталі та старіння алюмінієвих сплавів, комбінаціям цих відомих механізмів з процесами формування та численними можливостями створення комбінованих матеріалів. Два перспективні шляхи відкривають комбіновані матеріали, посилені або волокнами, або твердими диспергованими частинками. У перших у неорганічну металеву або органічну полімерну матрицю введені найтонші високоміцні волокна зі скла, вуглецю, бору, берилію, сталі або ниткоподібні монокристали. В результаті такого комбінування максимальна міцність поєднується з високим модулем пружності та невеликою щільністю. Саме такими матеріалами майбутнього є композиційні матеріали.
Композиційний матеріал – конструкційний (металевий або неметалевий) матеріал, в якому є елементи, що його підсилюють, у вигляді ниток, волокон або пластівців більш міцного матеріалу. Приклади композиційних матеріалів: пластик, армований борними, вуглецевими, скляними волокнами, джгутами або тканинами на їх основі; алюміній, армований нитками сталі, берилію. Комбінуючи об'ємний вміст компонентів, можна отримувати композиційні матеріали з необхідними значеннями міцності, жароміцності, модуля пружності, абразивної стійкості, а також створювати композиції з необхідними магнітними, діелектричними, радіопоглинаючими та іншими спеціальними властивостями.
2. Типи композиційних матеріалів.
2.1. Композиційні матеріали із металевою матрицею.
Композитні матеріали або композиційні матеріали складаються з металевої матриці (частіше Al, Mg, Ni та їх сплави), зміцненої високоміцними волокнами (волокнисті матеріали) або тонкодисперсними тугоплавкими частинками, що не розчиняються в основному металі (дисперсно-зміцнені матеріали). Металева матриця пов'язує волокна (дисперсні частинки) єдине ціле. Волокно (дисперсні частинки) плюс зв'язка (матриця), що становлять ту чи іншу композицію, отримали назву композиційні матеріали.
2.2. Композиційні матеріали з неметалевою матрицею.
Композиційні матеріали з неметалевою матрицею знайшли широке застосування. В якості неметалевих матриць використовують полімерні, вуглецеві та керамічні матеріали. З полімерних матриць найбільшого поширення набули епоксидна, фенолоформальдегідна та поліамідна.
Вугільні матриці коксовані або піровуглецеві одержують із синтетичних полімерів, підданих піролізу. Матриця пов'язує композицію, надаючи їй форми. Зміцнювачами служать волокна: скляні, вуглецеві, борні, органічні, на основі ниткоподібних кристалів (оксидів, карбідів, боридів, нітридів та інших), а також металеві (дроти), що мають високу міцність і жорсткість.
Властивості композиційних матеріалів залежать від складу компонентів, їх поєднання, кількісного співвідношення та міцності зв'язку між ними.
Армують матеріали можуть бути у вигляді волокон, джгутів, ниток, стрічок, багатошарових тканин.
Зміст зміцнювача в орієнтованих матеріалах становить 60-80 об. %, у неорієнтованих (з дискретними волокнами та ниткоподібними кристалами) – 20-30 об. %.Чим вище міцність і модуль пружності волокон, тим вище міцність та жорсткість композиційного матеріалу. Властивості матриці визначають міцність композиції при зсуві та стиску та опір втомному руйнуванню.
За виглядом зміцнювача композитні матеріали класифікують скловолокніти, карбоволокніти з вуглецевими волокнами, бороволокніти і органоволокніти.
У шаруватих матеріалах волокна, нитки, стрічки, просочені сполучною, укладаються паралельно один одному в площині укладання. Плоскі шари збираються в пластини. Властивості виходять анізотропними. Для роботи матеріалу у виробі важливо враховувати напрямок діючих навантажень. Можна створити матеріали як з ізотропними, так і з анізотропними властивостями.
Можна укладати волокна під різними кутами, варіюючи властивості композиційних матеріалів. Від порядку укладання шарів за товщиною пакета залежать згинальні та крутильні жорсткості матеріалу.
Застосовується укладання зміцнювачів із трьох, чотирьох і більше ниток.
Найбільше застосування має структура із трьох взаємно перпендикулярних ниток. Зміцнювачі можуть розташовуватися в осьовому, радіальному та окружному напрямках.
Тривимірні матеріали можуть бути будь-якої товщини у вигляді блоків, циліндрів. Об'ємні тканини збільшують міцність на відрив і опір зсуву в порівнянні з шаруватими. Система із чотирьох ниток будується шляхом розкладання зміцнювача по діагоналях куба. Структура з чотирьох ниток рівноважна, має підвищену жорсткість при зсуві головних площинах.
Проте створення чотириспрямованих матеріалів складніше, ніж трьох спрямованих.
3. Класифікація композиційних матеріалів.
3.1. Волокнисті композиційні матеріали.
Часто композиційний матеріал є шаруватою структурою, в якій кожен шар армований великою кількістю паралельних безперервних волокон. Кожен шар можна армувати також безперервними волокнами, зітканими в тканину, яка є вихідною формою, за шириною і довжиною, що відповідає кінцевому матеріалу. Нерідко волокна сплітають у тривимірні структури.
Композиті матеріали відрізняються від звичайних сплавів вищими значеннями тимчасового опору та межі витривалості (на 50 – 10 %), модуля пружності, коефіцієнта жорсткості та зниженою схильністю до тріщиноутворення. Застосування композиційних матеріалів підвищує жорсткість конструкції за одночасного зниження її металоємності.
Міцність композиційних (волокнистих) матеріалів визначається властивостями волокон; матриця переважно повинна перерозподіляти напруги між армуючими елементами. Тому міцність і модуль пружності волокон повинні бути значно більшими, ніж міцність і модуль пружності матриці.
Жорсткі армуючі волокна сприймають напруги, що виникають у композиції при навантаженні, надають їй міцність та жорсткість у напрямку орієнтації волокон.
Для зміцнення алюмінію, магнію та їх сплавів застосовують борні, а також волокна з тугоплавких сполук (карбідів, нітридів, боридів та оксидів), що мають високу міцність і модуль пружності. Нерідко використовують як волокна дріт із високоміцних сталей.
Для армування титану та його сплавів застосовують молібденовий дріт, волокна сапфіру, карбіду кремнію та бориду титану.
Підвищення жароміцності нікелевих сплавів досягається армуванням їх вольфрамовим або молібденовим дротом.Металеві волокна використовують і в тих випадках, коли потрібні високі теплопровідність та електропровідність. Перспективними зміцнювачами для високоміцних і висококомодульних волокнистих композиційних матеріалів є ниткоподібні кристали з оксиду та нітриду алюмінію, карбіду та нітриду кремнію, карбідобору та ін.
Композиційні матеріали на металевій основі мають високу міцність і жароміцність, в той же час вони малопластичні. Однак волокна в композиційних матеріалах зменшують швидкість поширення тріщин, що зароджуються в матриці, і практично повністю зникає раптове крихке руйнування. Відмінною особливістю волокнистих одновісних композиційних матеріалів є анізотропія механічних властивостей вздовж і поперек волокон і мала чутливість до концентраторів напруги.
Анізотропія властивостей композиційних волокнистих матеріалів враховується при конструюванні деталей для оптимізації властивостей шляхом узгодження поля опору з полями напруги.
Армування алюмінієвих, магнієвих та титанових сплавів безперервними тугоплавкими волокнами бору, карбіду кремнію, добориду титану та оксиду алюмінію значно підвищує жароміцність. Особливістю композиційних матеріалів є мінімальна швидкість розміцнення в часі з підвищенням температури.
Основним недоліком композиційних матеріалів з одно і двомірним армуванням є низький опір міжшарового зсуву та поперечного обриву. Цього позбавлено матеріалів з об'ємним армуванням.
3.2. Дисперсно-зміцнені композиційні матеріали.
На відміну від волокнистих композиційних матеріалів дисперсно-зміцнених композиційних матеріалах матриця є основним елементом, що несе навантаження, а дисперсні частинки гальмують рух у ній дислокацій.
Висока міцність досягається при розмірі частинок 10-500 нм при середній відстані між ними 100-500нм та рівномірному розподілі їх у матриці.
Міцність та жароміцність залежно від об'ємного вмісту зміцнювальних фаз не підкоряються закону адитивності. Оптимальний вміст другої фази для різних металів неоднаково, але зазвичай не перевищує 5-10 об. %.
Використання як зміцнювальних фаз стабільних тугоплавких сполук (оксиди торію, гафнію, ітрію, складні сполуки оксидів і рідкоземельних металів), що не розчиняються в матричному металі, дозволяє зберегти високу міцність матеріалу до 0,9-0,95 Т [pic]. У зв'язку з цим такі матеріали частіше застосовують як жароміцні. Дисперсно-зміцнені композиційні матеріали можуть бути отримані на основі більшості застосовуваних у техніці металів та сплавів.
Найбільш широко використовують сплави на основі алюмінію - САП (спечений алюмінієвий порошок).
Щільність цих матеріалів дорівнює щільності алюмінію, вони не поступаються йому покорозійною стійкістю і навіть можуть замінювати титан і корозійностійкі сталі при роботі в інтервалі температур 250-500 °С. По тривалої міцності вони перевершують алюмінієві сплави, що деформуються. Тривала міцність для сплавів САП-1 та САП-2 при 500 ° С становить 45-55 МПа.
Великі перспективи у нікелевих дисперсно-зміцнених матеріалів.
Найбільш високу жароміцність мають сплави на основі нікелю з 2-3 про. % двооксиду торію або двооксиду гафнію.Матриця цих сплавів зазвичай твердий розчин Ni + 20% Cr, Ni + 15% Mo, Ni + 20% Cr та Mo. Широке застосування отримали сплави ВДУ-1 (нікель, зміцнений двоокисом торію), ВДУ-2 (нікель, зміцнений двоокисом гафнію) і ВД-3 (матриця Ni +20% Cr, зміцнена окисом торію). Ці сплави мають високу жароміцність. Дисперсно-зміцнені композиційні матеріали, так само як волокнисті, стійкі до зміцнення з підвищенням температури і тривалості витримки при даній температурі.
Скловолокніти - це композиція, що складається з синтетичної смоли, що є сполучною, і скловолокнистого наповнювача. Як наповнювач застосовують безперервне або коротке скловолокно. Міцність скловолокна різко зростає із зменшенням його діаметра (внаслідок неоднорідностей і тріщин, що виникають у товстих перерізах). Властивості скловолокна залежать також від вмісту у його складі лугу; кращі показники у безлужних стекол алюмоборосилікатного складу.
Неорієнтовані скловолокніти містять як наповнювач коротке волокно. Це дозволяє пресувати деталі складної форми, сметалевою арматурою. Матеріал виходить з ізотопними характеристиками міцності, набагато вищими, ніж у прес-порошків і навіть волокнитів. Представниками такого матеріалу є скловолокніти АГ-4В, а також ДСВ (скловолокніти, що дозуються), які застосовують для виготовлення силових електротехнічних деталей, деталей машинобудування (золотники, ущільнення насосів і т. д.). При використанні в якості сполучного ненасичених поліефірів отримують премікси ПСК (пастоподібні) та препреги АП і ППМ (на основі скляного мату).Препреги можна застосовувати для великогабаритних виробів простих форм (кузова автомашин, човна, корпуси приладів тощо).
Орієнтовані скловолокніти мають наповнювач у вигляді довгих волокон, що розташовуються орієнтовано окремими пасмами і ретельно склеюються. Це забезпечує більш високу міцність склопластику.
Скловолокніти можуть працювати при температурах від -60 до 200 ° С, а також у тропічних умовах, витримувати великі інерційні навантаження.
При старінні протягом двох років коефіцієнт старіння К = 05-07.
Іонізуючі випромінювання мало впливають на їх механічні та електричні властивості. З них виготовляють деталі високої міцності, з арматурою та різьбленням.
Карбоволокніти (вуглепласти) є композиції, що складаються з полімерного сполучного (матриці) і зміцнювачів у вигляді вуглецевих волокон (карбоволокон).
Висока енергія зв'язку С-С вуглецевих волокон дозволяє їм зберегти міцність за дуже високих температур (у нейтральній і відновлювальних середовищах до 2200 ° С), а також при низьких температурах. Від окиснення поверхні волокна оберігають захисними покриттями (піролітичними). На відміну від скляних волокон карбоволокна погано змочуються сполучною.
(Низька поверхнева енергія), тому їх піддають травленню. При цьому збільшується ступінь активування вуглецевих волокон за вмістом карбоксильної групи на їх поверхні. Міжшарова міцність при зсуві вуглепластиків збільшується в 16-25 рази. Застосовується віскеризація ниткоподібних кристалів TiO [pic], AlN і Si [pic] N [pic], що дає збільшення міжшарової жорсткості в 2 рази і міцності в 2,8 рази. Застосовуються просторово армовані структури.
Сполучними є синтетичні полімери (полімерні карбоволокніти); синтетичні полімери, піддані піролізу (коксовані карбоволокніти); піролітичний вуглець (піровуглецеві карбоволокніти).
Епоксифенольні карбоволокніти КМУ-1л, зміцнені вуглецевою стрічкою, та КМУ-1у на джгуті, висскеризованому ниткоподібними кристалами, можуть довго працювати при температурі до 200 °С.
Карбоволокніти КМУ-3 і КМУ-2л отримують на епоксианіліноформальдегідному сполучному, їх можна експлуатувати при температурі до 100 ° С, вони найбільш технологічні. Карбоволокніти КМУ-2 та
КМУ-2л на основі поліімідного сполучного можна застосовувати при температурі до
300 °С.
Карбоволокніти відрізняються високим статистичним і динамічним опором втоми, зберігають цю властивість при нормальній і дуже низькій температурі (висока теплопровідність волокна запобігає саморозігріву матеріалу за рахунок внутрішнього тертя). Вони водо- та хімічностійкі. Після на повітрі рентгенівського випромінювання [pic] і Епочти не змінюються.
Теплопровідність вуглепластиків у 1,5-2 рази вища, ніж теплопровідність склопластиків. Вони мають такі електричні властивості: [pic] = 0,0024-0,0034 Ом·см (вздовж волокон); ? = 10 і tg =0,001 (при частоті струму 10 Гц).
Карбоскловолокніти містять поряд з вугільними склянимиволокнами, що здешевлює матеріал.
3.5. Карбоволокніти з вуглецевою матрицею.
Коксовані матеріали отримують із звичайних полімернихкарбоволокнітів, підданих піролізу в інертній або відновлювальній атмосфері. При температурі 800-1500 ° С утворюються карбонізовані, при 2500-3000 ° С графітовані карбоволокніти.Для отримання піровуглецевих матеріалів зміцнювач викладається за формою виробу і поміщається в піч, в яку пропускається газоподібний вуглеводень (метан). При певному режимі (температурі 1100 ° С і залишковому тиску 2660 Па) метанрозкладається і утворюється піролітичний вуглець осаджується на волокнах прочнителя, зв'язуючи їх.
Що утворюється при піролізі сполучного кокс має високу міцність зчеплення з вуглецевим волокном. У зв'язку з цим композиційний матеріал володіє високими механічними та абляційними властивостями, стійкістю дотермічного удару.
Карбоволокнит з вуглецевою матрицею типу КУП-ВМ за значеннямпрочності та ударної в'язкості в 5-10 разів перевершує спеціальні графіти; при нагріванні в інертній атмосфері та вакуумі він зберігає міцність до 2200
°С, на повітрі окислюється при 450 °З вимагає захисного покриття.
Коефіцієнт тертя одного карбоволокніта з вуглецевою матрицею інакше високий (0,35-0,45), а знос малий (0,7-1 мкм на торможення).
Бороволокніти є композиції з полімерного зв'язуючого і зміцнювача - борних волокон.
Бороволокніти відрізняються високою міцністю при стисканні, зсуві і зрізі, низькою повзучістю, високими твердістю і модулем пружності, теплопровідністю та електропровідністю. Комірчаста мікроструктура борних волокон забезпечує високу міцність при зрушенні на межі розділу з матрицею.
Крім безперервного борного волокна застосовують комплексні боростеклоніти, в яких кілька паралельних борних волокон обплітаються склонінням, що надає формостійкість. Застосування боростеклонітей полегшує технологічний процес виготовлення матеріалу.
В якості матриць для отримання боровлокнітів використовують модифіковані епоксидні та поліімідні сполучні. Бороволокніти КМБ-1 та
КМБ-1к призначені для тривалої роботи за температури 200 °С; КМБ-3 і КМБ-3к не вимагають високого тиску при переробці та можуть працювати при температурі не понад 100 °С; КМБ-2к працездатний за 300 °С.
Бороволокніти мають високі опори втоми, вони стійкі до впливу радіації, води, органічних розчинників і пально-мастильних матеріалів.
Органоволокніти є композиційними матеріалами, що складаються з полімерного сполучного та зміцнювачів (наповнювачів) у вигляді синтетичних волокон. Такі матеріали володіють малою масою, порівняновисокими питомою міцністю і жорсткістю, стабільні при діїзнакозмінних навантажень і різкій зміні температури. Для синтетичнихволокон втрати міцності при текстильній переробці невеликі; вони малочутливі до пошкоджень.
До органоволокнит значення модуля пружності та температурних коефіцієнтів лінійного розширення зміцнювача і сполучного близькі.
Відбувається дифузія компонентів сполучного у волокно і хімічно взаємодія між ними. Структура матеріалу бездефектна. Пористість не перевищує 1-3% (в інших матеріалах 10-20%). Звідси стабільність механічних властивостей органоволокнітів при різкому перепаді температур, дії ударних та циклічних навантажень. Ударна в'язкість висока (400-700кДж/мІ). Недоліком цих матеріалів є порівняно низька міцність при стисканні та висока повзучість (особливо для еластичних волокон).
Органоволокніти стійкі в агресивних середовищах та у вологому тропічному кліматі; діелектричні властивості високі, а теплопровідність низька. Більшість органоволокнітів може тривалий час працювати при температурі 100-150 °С, а на основі поліімідного сполучного іполіоксадіазольних волокон – при температурі 200-300 °С.
У комбінованих матеріалах поряд із синтетичними волокнами застосовують мінеральні (скляні, карбоволокна та бороволокна). Такі матеріали мають більшу міцність і жорсткість.
4. Економічна ефективність застосування композиційних матеріалів.
Області застосування композиційних матеріалів не обмежені. Вони застосовуються в авіації для високонавантажених деталей літаків (обшивки, лонжеронів, нервюр, панелей і т. д.) і двигунів (лопаток компресора і турбіни і т. д.), в космічній техніці для вузлів силових конструкцій апаратів, що піддаються нагріванню, для елементів жорсткості, панелей , в автомобілебудуванні для полегшення кузовів, ресор, рам, панелей кузовів, бамперів і т. д., у гірській промисловості (буровий інструмент, деталі комбайнів і т. д.), у цивільному будівництві (прольоти мостів, елементи збірних конструкцій висотних споруд і т.д. д.) та в інших галузях народного господарства.
Застосування композиційних матеріалів забезпечує новий якісний стрибок у збільшенні потужності двигунів, енергетичних і транспортних установок, зменшенні маси машин та приладів.
Технологія отримання напівфабрикатів та виробів із композиційних матеріалів досить добре відпрацьована.
Композитні матеріали з неметалевою матрицею, а саме полімерні карбоволокніти використовують у судно- та автомобілебудуванні (кузовагоночних машин, шасі, гребні гвинти); їх виготовляють підшипники, панелі опалення, спортивний інвентар, частини ЕОМ. Високомодульні карбоволокніти застосовують для виготовлення деталей авіаційної техніки, апаратури для хімічної промисловості, в рентгенівському обладнанні та іншому.
Карбоволокніти з вуглецевою матрицею замінюють різні типи графітів. Вони застосовуються для теплового захисту, дисків авіаційних гальм, хімічно стійкої апаратури.
Вироби з бороволокнітів застосовують в авіаційній та космічній техніці (профілі, панелі, ротори та лопатки компресорів, лопаті гвинтів і трансмісійні вали вертольотів і т. д.).
Органоволокніти застосовують як ізоляційний і конструкційний матеріал в електрорадіопромисловості, авіаційній техніці, автобудуванні; з них виготовляють труби, ємності для реактивів, покриття корпусів суден та інше.
Композити: що це, особливості, технологія виробництва
У композитних матеріалах з'єднуються два або більше компонентів з різними фізичними та хімічними властивостями. Вони ніколи не змішуються і не набувають однорідності: між ними є помітна межа. Їх поєднують у тому, щоб підсумковий матеріал набув поліпшені властивості — наприклад, міцність чи стійкість до негативним умовам довкілля.
Особливості композитів
Композитні матеріали - поєднання двох і більше матеріалів, що не поєднуються між собою. При поєднанні фізичні та хімічні властивості сировинних матеріалів залишаються незмінними.Це дозволяє їм з'єднуватися синергетично щоб одержати композиту зі своїм окремим списком функцій, відмінних від особливостей сировини.
Можна сказати, що композити гетерогенні, тобто різнорідні за своїм складом.
У матеріалознавстві використовуються терміни для позначення складових частин композиту:
- матриця, зазвичай полімерна смола, яка потрібна для скріплення наповнювача і надання матеріалу певної форми;
- наповнювач, зазвичай волокнистий, який ще й допомагає зміцнювати композит так само, як арматура зміцнює бетон.
Головною характеристикою наповнювача є співвідношення сторін. Зазвичай це волокна, і співвідношення сторін вони — десятки до десятків тисяч, залежно від довжини волокна. Трохи рідше замість волокон використовуються овальні або еліпсоїдні «частки, що армують».
Приклад композиту – залізобетон або клеєна фанера. За рахунок поєднання різних матеріалів композит виходить міцнішим і легшим за некомпозитні аналоги.
Технологія виробництва
Зазвичай до створення композитів використовуються:
- наповнювачі: скловолокно, вуглецеві волокна, арамід, базальт, льон, бамбук;
- матриці: полімерні смоли, біосмоли, бетон, кераміка та інші;
- добавки та присадки, що дозволяють завершити матеріал.
Виробництво композитів складається з багатьох етапів і задіює масу технологій, серед яких, наприклад, лиття з переносом смоли, інфузія, пултрузія, намотування ниток, укладання волокон, 3D-друк. Етапи моделювання та тестування відіграють важливу роль в оптимізації процесів виробництва, а також у забезпеченні найвищого рівня якості та продуктивності.
Комбінації матеріалів, виробничих процесів та всіх технологій, задіяних у композитній промисловості, пропонують необмежений спектр можливостей для використання. Навіть просте зміна співвідношення наповнювача та матриці вже дає інший результат.
Цікаві композити минулого та сьогодення
Про будь-який предмет найпростіше розповідати з прикладами, тим більше про композиційні матеріали, які супроводжували людство з давніх-давен. Про деякі композити ми навіть не думаємо в такому ключі, настільки звичними та звичайними вони для нас стали.
Єгиптяни додавали в глиняну цеглу солому для того, щоб зробити їх міцнішою і запобігти руйнуванню. Це можна назвати першими композитними матеріалами історії. Приблизно те саме вони робили з папірусом, додаючи до нього асфальт для армування.
У XVIII столітті французький дослідник природи Рене Антуан Реомюр створив скловолокно, а в XIX столітті винахід поліпшив британець Луї Шваб, створивши верстат для скловолоконного виробництва.
З XX століття винаходи йшли одне за одним, на очах змінюючи і промисловість загалом, і композитне відгалуження зокрема. Була розроблена фенолова смола, а потім до неї були додані лляні волокна. У 1913 році світ побачив перший в історії композитний матеріал у тому сенсі, який ми вкладаємо у цей термін сьогодні.
1930 року був створений поліестер, 1938 року — епоксидна смола. Потім з'явилося посилене скловолокно, а потім композитні складові для літаків. Це сталося в 1943 році, у розпал Другої світової війни, і першими літаками, що отримали композитні деталі, стали британський винищувач «Спітфайр» та американський BT-15.
В 1954 Вільям Стаут представив повністю композитний автомобільний кузов, що складається з поліестеру і скловолокна. Через чотири роки було створено вуглецеві волокна, які згодом стануть одним із дуже популярних наповнювачів для композитів. За роботу взялися не лише британці та американці, а й японці, і скоро композитні виробництва з'явилися практично повсюдно. Мікромеханіка, теорія ламінування, підключення до роботи промислових організацій – технологія розвивалася семимильними кроками.
З 1970-х років композити використовуються в армії, у виробництві спортивного інвентарю, пасажирському літакобудуванні; з 2000-х – у проектуванні громадського транспорту, коліс та мостів. З 2010-х років для створення композитних матеріалів почала використовуватись 3D-друк.
Зараз складно уявити світ без композитних матеріалів, тому що вони оточують людину буквально скрізь. У перспективі цей напрямок буде тільки розвиватися, тому що ідея отримати більш міцний, витривалий та стійкий матеріал шляхом поєднання двох інших геніальна у своїй простоті та доступності.
