Композит: классификация и свойства композиционных материалов из пластика
Композитные материалы играют важную роль на протяжении всей истории человечества, начиная от строительства жилья для ранних цивилизаций и заканчивая созданием инноваций в будущем. Композиты обладают множеством преимуществ, основными из которых являются коррозионная стойкость, гибкость конструкции, долговечность, легкий вес и прочность. Композиты проникают в нашу повседневную жизнь, используются в строительстве, медицине, нефтегазовой промышленности, транспорте, спорте, аэрокосмической отрасли. В этой статье рассматриваются преимущества полимерных композитных материалов, дается их классификация, описываются свойства и примеры использование материалов в различных областях применения.
Оглавление- Композиционные материалы
- Что такое композит? Историческая справка
- Эффективность и преимущества применения композиционных материалов
- Типы композиционных материалов
- Полимерные композитные материалы (ПКМ): термопласты и реактопласты
- Классификация полимерных композиционных материалов
- Сферы применения композиционных материалов
Композиционные материалы
Композитные материалы (они же композиционные материалы, композиты) образуются путем соединения двух или более материалов, которые имеют совершенно разные свойства, не растворяются и не смешиваются друг с другом.
В целом, композит состоит из трех компонентов:
- матрица как непрерывная фаза
- армирующие элементы как дисперсная фаза (включая волокна и частицы, жгуты, нити, ленты, ткани)
- тонкая межфазная область, также известная как граница раздела
Тщательно выбирая матрицу, арматуру и производственный процесс, который соединяет их вместе, инженеры могут настроить свойства итогового композиционного материала для удовлетворения конкретных требований.
Что такое композит? Историческая справка
Композит – не изобретение человека, они существуют и в природе. Например, кусок дерева – это композит, в котором длинные целлюлозные волокна удерживаются вместе веществом под названием лигнин. Различные материалы в композите работают вместе, придавая композиту уникальные свойства.
Люди используют композитные материалы уже тысячи лет в различных областях. Первые случаи применения композитов относятся к 1500 году до н.э., когда первые египтяне и месопотамские поселенцы использовали смесь грязи и соломы для создания прочных и долговечных зданий. Сочетание грязи и соломы в кирпичном блоке придавало ему прочные свойства как на сжатие, так и на разрыв или изгиб.
В 1200 году нашей эры монголы изобрели первый композитный лук, используя комбинацию "животного клея", кости и дерева. Луки прессовались и обматывались берестой. Эти луки были мощными и точными. Композитные монгольские луки помогли обеспечить военное господство Чингисхана.
Благодаря своим преимуществам, таким как малый вес и прочность, многие из величайших достижений в области композитов стали результатом потребностей военного времени. Во время Второй мировой войны было разработано множество композитных материалов, которые были перенесены из лабораторий в реальное производство.
Развитие и потребность в композитных материалах также привели к появлению индустрии полимеров, армированных волокном. К 1945 году более 7 миллионов килограмм стекловолокна было использовано для производства различных изделий, в основном военного назначения. После войны производство композитных материалов продолжало набирать обороты и быстро развивалось в 1950-е годы. Новаторы в области композитов амбициозно пытались внедрить композиты на другие рынки, такие как аэрокосмическая промышленность, строительство и транспорт. Вскоре преимущества стекловолоконных композитов, особенно их коррозионная стойкость, стали известны в государственном секторе. Лодки были одним из очевидных продуктов, которые выиграли от этого. Первый корпус коммерческой лодки из композитного стекловолокна был представлен в 1946 году. Полный корпус автомобиля был изготовлен из композита и испытан в 1947 году.
Наступление автомобильной эры привело к появлению нескольких новых методов формовки, таких как компрессионная формовка объемной формовочной смеси и листовой формовочной смеси. Эти два метода стали доминирующими методами формовки для автомобильной промышленности и других отраслей. В начале 1950-х годов были разработаны такие методы производства, как крупномасштабная намотка нитей и формовка в вакуумных мешках. В 1960-х годах рынок морских перевозок стал крупнейшим потребителем композитных материалов.
В 1961 году было запатентовано первое углеродное волокно, которое через несколько лет стало коммерчески доступным.
В 1970-х годах индустрия композитов начала развиваться. В этот период было разработано множество лучших смол и усовершенствованных армирующих волокон для применения в композитах. В 1970-х годах автомобильный рынок превзошел морской как рынок номер один, и эта позиция сохраняется и сегодня.
В конце 1970-х - начале 1980-х годов композиты впервые стали применяться в инфраструктуре в Азии и Европе. Первый полностью композитный пешеходный мост был установлен в Аберфелди, Шотландия, в 1990-х годах.
Композиты продолжают находить широчайшее применение и сегодня. Наноматериалы включаются в улучшенные волокна и смолы, используемые в новых композитах. Нанотехнологии начали использоваться в коммерческих продуктах в начале 2000-х годов. Объемные углеродные нанотрубки могут использоваться в качестве композитного армирования в полимерах для улучшения механических, тепловых и электрических свойств объемного продукта.
Эффективность и преимущества применения композиционных материалов
Преимущества композитных материалов и вариативность соединения веществ позволяют добиться высокой экономической целесообразности их производства. Разработка и применение композита в какой-либо области промышленности или производства дает значительный экономический эффект, упрощая конструкционные решения и тем самым снижая стоимость технологического процесса. Например, использование ПКМ при производстве космической и авиационной техники позволяет сэкономить от 5 до 30 % веса летательного аппарата. А снижение веса, например, искусственного спутника на околоземной орбите на 1 кг приводит к экономии 1000$.
Типы композиционных материалов
За последние десятилетия было разработано множество новых композитов, некоторые из которых обладают очень ценными свойствами.
Любой материал может служить матричным материалом для композита. Однако матричные материалы обычно бывают трех типов:
- Керамика
- Металлы
- Полимеры
В действительности, большинство композитных материалов, существующих на рынке композитов, являются полимерами. Из полимерных матриц наибольшее распространение получили эпоксидная, фенолоформальдегидная и полиамидная.
Существует несколько различных полимерных матриц, которые могут быть использованы в композитных материалах:
- Термореактивные матрицы
- Термопластичные матрицы
Среди композитов с полимерной матрицей преобладают композиты с термореактивной матрицей, а не с термопластичной. Хотя термореактивные и термопластичные материалы звучат похоже, они имеют совершенно разные свойства и области применения. Понимание различий в характеристиках может помочь в принятии лучших решений по выбору поставщиков и проектированию изделий из композитов.
Структура композитных материалов
По структуре композиты делятся на несколько основных классов:
- волокнистые
- дисперсно-упрочненные
- упрочненные частицами
- нанокомпозиты
Полимерные композитные материалы (ПКМ): термопласты и реактопласты
Композиты, в которых матрицей служит полимерный материал, являются одним из самых многочисленных и разнообразных видов материалов. В целом ПКМ делятся на две большие группы по типу матрицы – термореактивные (реактопласты) и термопластичные (термопласты).
Термореактивные полимерные матрицы - это полимерные материалы, которые подвергаются химической реакции или отверждению и обычно переходят из жидкого состояния в твердое. В незатвердевшем виде материал имеет небольшие, несвязанные молекулы, известные как мономеры. Добавление второго материала в качестве сшивателя, отверждающего агента, катализатора и/или присутствие тепла или других активирующих воздействий инициирует химическую реакцию или реакцию затвердевания. В ходе этой реакции молекулы сшиваются и образуют значительно более длинные молекулярные цепи и сеть поперечных связей. Изменение термореактивного состояния является постоянным и необратимым. Впоследствии воздействие высокой температуры после затвердевания приведет к разрушению материала, а не к его плавлению. Это происходит потому, что эти материалы обычно разрушаются при температуре ниже той, при которой они могут расплавиться.
Термопласты - это пластмассы, способные к расплавлению. Термопластичные материалы обрабатываются теплом. Когда добавляется достаточно тепла, чтобы температура пластика поднялась выше точки плавления, пластик плавится, разжижается или становится достаточно мягким для переработки. Когда источник тепла удаляется и температура пластика опускается ниже точки плавления, пластик снова застывает в стеклоподобное твердое вещество. Этот процесс может повторяться, при этом пластик плавится и застывает по мере того, как температура поднимается выше и опускается ниже температуры плавления, соответственно. Однако в расплавленном состоянии материал может подвергаться все большему разрушению, поэтому существует практический предел количества раз, которое может быть проведено при такой переработке, прежде чем свойства материала начнут ухудшаться. Многие термопластичные полимеры являются полимерами добавочного типа, способными создавать очень длинные молекулярные цепи или очень высокие молекулярные веса.
Как термореактивные, так и термопластичные материалы имеют свое место на рынке. В общих чертах, термореактивные материалы, как правило, существуют уже долгое время и занимают прочное место на рынке, часто имеют более низкую стоимость сырья и легкое формование конечной геометрии детали. Другими словами, термореактивные материалы часто легче обрабатывать, чем термопластичные.
Термопластики, как правило, более жесткие или менее хрупкие, чем термореактивные материалы. Они могут обладать лучшей химической стойкостью, не нуждаются в охлаждении, как это часто бывает с неотвержденными термореактивными материалами, и легче поддаются переработке и ремонту. В таблице представлено сравнение между термореактивными и термопластичными материалами.
Сравнение термопластов и реактопластов
Термореактивный материал |
Термопластик |
|
Обработка |
Содержат мономеры, которые в процессе отверждения сшиваются между собой, образуя необратимую химическую связь. Процесс сшивания устраняет риск расплавления продукта при воздействии тепла, что делает термореактивные материалы идеальными для применения в высокотемпературных областях, таких как электроника и бытовая техника. |
Гранулы размягчаются при нагревании и становятся более текучими при дополнительном нагреве. Это свойство позволяет повторно формовать и перерабатывать термопласты без негативного влияния на физические свойства материала. |
Особенности и преимущества |
|
|
Классификация полимерных композиционных материалов
Полимерные композитные материалы делятся на классы по типу наполнителя. Всего насчитывается несколько основных классов.
Стеклопластики (стекловолокниты, стеклопласты)
Стеклопластик – это самый распространенный тип синтетических композиционных материалов, отличающийся легкостью и прочностью. Прочность стеклопластика может превышать прочность стали. Этот композиционный материал состоит из полимерной матрицы (термопласт или реактопласт) и стекловолоконного наполнителя. В качестве наполнителя могут быть волокна стекла или кварца; волокно бывает непрерывное или короткое.
Из стеклопластика изготавливают корпуса лодок, трубы, архитектурные и строительные конструкции, детали оборудования и многое другое.
Углепластики (карбоволокниты, углепласты, карбон)
Углепластик это композитный материал, который можно встретить очень широко – от вязальных спиц до деталей космических ракет. Этот композит состоит из переплетенных нитей углеродного волокна, расположенных в матрице из полимерных смол. Главное отличие – устойчивость к высоким температурам. Углепластики характеризуют такие свойства как высокая прочность, жесткость, легкость.
К минусам углепластов относится их хрупкость и высокая стоимость. Высокая стоимость углепластика объясняется в первую очередь тем, что для изготовления данного композита требуются высококачественные дорогостоящие компоненты и используется сложный процесс производства.
Из углепластика делают конструкционные детали, которые значительно прочнее алюминиевых при снижении их веса до 10%.
Боропластики (боропласты)
Боропластиками называют композиционные материалы, в армирующей части которых использованы волокна упрочнителя – борного волокна (в виде моноволокна или комплексных боростеклянных нитей или лент). Данный композит отличается низким весом и высокой прочностью. Применяется для создания конструкционных материалов в авиационной и космической технике для снижения массы высоконагруженных деталей – боропласт способен снизить вес детали на 40% без снижения прочности. Боропласт – дорогой материал, поэтому его не встретить в сфере бытовых товаров.
Органопластики (органопласты)
Органопластики получают методом соединения полимерной матрицы и органических волокон (арамидные волокна). Эти композиты отличаются низкой плотностью (1,1-1,4 г/см3), благодаря чему способны поглощать механическую и звуковую вибрацию намного сильнее, чем другие виды полимерных композиционных материалов.
Органопластики в зависимости от типа волокна проявляют свойства: прочность, ударная вязкость, химическая стойкость, радиопрозрачность. Кроме того у них хорошие диэлектрические и теплоизоляционные характеристики.
Органопластики применяют в авиа- и космической технике, судостроении и машиностроении. Самое известное применение органопластов - это изготовление пуленепробиваемой брони (арамид, кевлар). Органопласты хорошо зарекомендовали себя также в химическом машиностроении.
Полимеры наполненные порошками (наполненные полимеры)
Данный композиционный материал получают при соединении термопластичного или реактопластичного полимера с порошкообразным наполнителем. Существуют сотни марок наполненных полимеров, которые невозможно описать по единой схеме, так как свойства и качества каждого композита определяются сферой его применения. Наполнителем может быть тальк, глина, костная мука, карбонат кальция, каолин, древесная пыль, сажа и многое другое. Для создания биоразлагающихся композитов в качество наполнителя используют крахмал.
Полимеры наполненные применяют для изготовления жестких и эластичных материалов для производства труб, электроизоляции, облицовочных плиток.
Текстолиты
Текстолит – это композитный материал, в котором в качестве дисперсной фазы используется ткань. Это отличный электроизоляционный конструкционный материал, применяемый для производства подшипников скольжения, шестеренок и других деталей агрегатов. Текстолитовые пластины применяются в электро- и радиотехнике.
Текстолит на основе стеклоткани называется стеклотекстолитом или стеклопластиком.
Нанопластики
Углепластики, усиленные углеродными нанотрубками называются нанопластики (CNRP). Это новый революционный вид композиционных материалов, который сильно отличается по своим свойствам от углепластика. Армирующие волокна представляют собой углеродные нанотрубки. Они в несколько раз прочнее и гибче чем другие нити армирования. Их легкость просто ошеломляет – они весят меньше воздуха.
Сферы применения композиционных материалов
В настоящее время композитная индустрия продолжает развиваться, причем значительная часть роста сейчас сосредоточена вокруг возобновляемых источников энергии. Лопасти ветряных турбин, в частности, постоянно расширяют границы размеров и требуют передовых композитных материалов. Например, инженеры могут разработать композит с учетом требований к производительности, сделав композитный лист очень прочным в одном направлении путем выравнивания волокон, но более слабым в другом направлении, где прочность не так важна. Инженеры также могут выбирать такие свойства, как устойчивость к нагреванию, химикатам и атмосферным воздействиям, выбирая соответствующий материал матрицы. В последние годы растущее экологическое сознание и понимание необходимости устойчивого развития повысили интерес к использованию натуральных волокон в качестве армирующих элементов в композитах взамен синтетических волокон.
Композиты обладают множеством преимуществ, таких как коррозионная стойкость, легкий вес, прочность, снижение стоимости материалов, повышение производительности, гибкость конструкции и долговечность. Поэтому в самых разных отраслях промышленности используются композитные материалы и некоторые из их распространенных применений.
Аэрокосмическая отрасль
Потенциал использования композитных материалов для широкомасштабного применения в авиации очень высок. К производителям композитов часто обращаются за инновационными подходами и решениями для конструирования самолетов, ракет и космических аппаратов. Композиты с термореактивными материалами используются для переборок, фюзеляжей, крыльев и других применений в коммерческой, гражданской и военной аэрокосмической промышленности. Существует ряд других применений композитов в таких областях, как поверхности воздушных теплообменников, антенные конструкции, лопасти компрессоров, двери моторного отсека, лопасти вентиляторов, маховики, конструкции трансмиссии вертолетов, реактивные двигатели, радары, ракетные двигатели, солнечные отражатели, спутниковые конструкции, лопасти турбин, валы турбин, валы роторов в вертолетах, конструкции коробки крыл.
Бытовая техника и приборостроение
Композитные материалы обеспечивают гибкость в проектировании и обработке, поэтому композитные материалы могут быть использованы в качестве альтернативы металлическим сплавам в бытовой технике и приборах. В отличие от большинства других отраслей промышленности, тенденции в сегменте бытовой техники меняются довольно быстро. Кроме того, дизайн и функции зависят как от развития технологий, так и от меняющегося вкуса потребителей. Композитные материалы используются в бытовой технике и коммерческом оборудовании, например, в панелях оборудования, рамах, ручках и отделке приборов, электроинструментах и многих других областях. Композиты применяются в быту в посудомоечных машинах, сушилках, морозильных камерах, духовках, холодильниках и стиральных машинах. Компоненты оборудования, в которых использовались композиты, включают пульты, панели управления, ручки, накладки, корпуса двигателей, кронштейны полок.
Архитектура
Благодаря своим эстетическим качествам, функциональности и универсальности, композитные материалы становятся предпочтительным материалом для архитектурного применения. Композитные материалы позволяют архитекторам создавать конструкции, которые будут непрактичны или невозможны при использовании традиционных материалов. Композиты в архитектуре улучшают тепловые характеристики и энергоэффективность строительных материалов, а также соответствуют требованиям строительных норм и правил. Композитные материалы обеспечивают гибкость дизайна и могут быть сформованы в сложные формы: могут быть гофрированными, изогнутыми, ребристыми или контурными с различной толщиной. Кроме того, внешний вид натурального некомпозитного материала (медь, хром или золото, мрамор и камень) может быть достигнут за меньшую часть стоимости при использовании композитных материалов.
Автомобильная промышленность и транспорт
Автомобильная промышленность - один из крупнейших рынков для композитных материалов. Снижение веса является самым большим преимуществом использования композитных материалов. Автомобиль или грузовик с меньшим весом более экономичен, так как требует меньше топлива для движения вперед. Помимо того, что композиты позволяют создавать принципиально новые конструкции автомобилей, они помогают сделать транспортные средства более легкими и экономичными. Композитные материалы используются в подшипниковых материалах, корпусах, шатунах, коленчатых валах, цилиндрах, двигателях, поршнях и т.д. В то время как полимеры, армированные волокнами, такие как углепластик в легковых автомобилях, привлекают наибольшее внимание, композиты также играют большую роль в повышении эффективности использования топлива в грузовых автомобилях и транспортных системах.
Строительство
Строительство является одним из крупнейших рынков для композитов во всем мире. Композиты могут иметь очень высокую прочность и являются идеальными строительными материалами. Термореактивные композиты заменяют многие традиционные материалы для архитектурных компонентов домов и офисов, включая двери, светильники, лепнину, кровлю, душевые кабинки, бассейны, раковины, стеновые панели и оконные рамы. Композиты используются во всем мире для строительства и ремонта самых разных объектов инфраструктуры, от зданий и мостов до дорог, железнодорожных путей и опор.
Коррозионные среды
Изделия из композитных материалов обеспечивают долговременную устойчивость к воздействию тяжелых химических условий и температурных сред. Композитные материалы часто являются предпочтительным материалом для применения в условиях химической обработки, коррозионной среды, на открытом воздухе и в других суровых условиях, таких как химические заводы, нефте- и газоперерабатывающие заводы, целлюлозно-бумажная промышленность и водоочистные сооружения. Распространенные области применения включают шкафы, воздуховоды, вентиляторы, решетки, кожухи, насосы и резервуары. Полимерные композитные трубы, армированные волокном, используются во всех областях - от модернизации канализации и проектов по очистке сточных вод до опреснения воды, нефти и газа. Когда коррозия становится проблемой для труб, изготовленных из традиционных материалов, то армированный волокнами полимер является оптимальным решением.
Электротехника
С учетом своих сильных диэлектрических свойств композитные материалы находят все большее применение в электронике. Изделия из композитов включают дугоотводы, дугозащитные экраны, шинные опоры и компоненты освещения, автоматические выключатели, компоненты систем управления, измерительные приборы, микроволновые антенны, устройства управления двигателями, изоляторы стоек, стойки и аппаратура полюсных линий и печатные платы, оборудование подстанций, распределительные устройства, клеммные блоки и клеммные панели.
Энергетика
Технология композитных материалов развивалась в сфере энергетики от использования стекловолокна до углеродных волокон, которые легче и прочнее. Композитные материалы позволяют использовать энергию ветра и солнца и повышают эффективность традиционных поставщиков энергии, поскольку предлагают производителям ветроэнергетики прочность и гибкость с дополнительным преимуществом в виде легкого веса компонентов и изделий. Композиты играют жизненно важную роль в производстве таких конструкций, как лопасти ветряных турбин.
Судостроительная отрасль
Как и в других инженерных областях, основной задачей строения судов является создание как можно более легкой конструкции. В морской промышленности композиты используются для того, чтобы сделать корпуса судов более легкими и устойчивыми к повреждениям. Благодаря своей коррозионной стойкости и легкости композиты применяются для изготовления корпусов судов, переборок, палуб, мачт, гребных винтов и других компонентов для военных, коммерческих и прогулочных судов и кораблей. Композиты можно найти во многих других областях морского и речного судостроительства, включая внутреннюю обшивку и мебель.
Спорт и отдых
Композитные материалы, армированные волокном, обладают рядом превосходных характеристик, включая легкость формовки, высокий модуль упругости, высокую прочность, малый вес, хорошую коррозионную стойкость и так далее. Поэтому композитные материалы, армированные волокном, находят широкое применение в производстве спортивного оборудования. От велосипедных рам до лыжных палок, от футбольных шлемов до хоккейных клюшек – везде можно найти применение композиционного материала. Композиты идут на изготовление турников, досок для прыжков, байдарок, параллельных брусьев, стоек, теннисных ракеток до гребли. Углеродные волокна и композитные материалы из стекловолокна помогают спортсменам достичь своих самых высоких спортивных возможностей и обеспечивают прочное и легкое оборудование.