Композитные материалы¶

Композитные материалы — это искусственно созданные неоднородные сплошные материалы, состоящие из двух или более компонентов, различающихся по химическим и физическим свойствам, разделённых в материале выраженной границей. Компоненты объединяются таким образом, чтобы использовать преимущества каждого из них, создавая материал с характеристиками, превосходящими свойства отдельных составляющих. Как правило, композит состоит из матрицы (основы) и армирующего наполнителя (упрочнителя). Матрица обеспечивает монолитность, передачу нагрузки и защиту наполнителя, а наполнитель воспринимает основные механические нагрузки, придавая материалу прочность, жёсткость или другие специфические свойства.

¶История развития

Идея создания композитных материалов не является изобретением XX века. В древности люди использовали природные композиты, такие как дерево (целлюлозные волокна, армированные лигнином) и кость. Одним из первых искусственных композитов стала саманная глина, где в качестве армирующего наполнителя применялась солома. В Древнем Египте около 1500 года до н. э. для изготовления гробов и лодок использовали фанеру — слоистый композит из шпона. В средневековье для изготовления луков и арбалетов применяли композиты на основе дерева, сухожилий и рога.

Современная эра композитов началась в XX веке с развитием химии полимеров. В 1930-х годах были разработаны первые стеклопластики — полимерные матрицы, армированные стекловолокном. В 1940-х годах началось промышленное производство стеклопластиков для авиации и судостроения. В 1960-х годах появились высокопрочные углеродные волокна, что привело к созданию углепластиков. В 1970—1980-х годах композиты на основе углеродных, арамидных и борных волокон стали широко применяться в аэрокосмической, военной и спортивной отраслях. В 1990-х годах развитие получили нанокомпозиты, в которых наполнители имеют размеры в нанометровом диапазоне.

¶Классификация

Композитные материалы классифицируются по нескольким основным признакам.

¶По типу матрицы

• Полимерные композиты (ПКМ). Наиболее распространённый тип. Матрица — термореактивные (эпоксидные, полиэфирные, фенольные) или термопластичные (полиамид, полипропилен, полиэфирэфиркетон) полимеры. Армирующие наполнители — стеклянные, углеродные, арамидные, базальтовые волокна.
• Металлические композиты (МКМ). Матрица — алюминий, титан, магний, медь и их сплавы. Армирующие наполнители — волокна бора, углерода, карбида кремния, а также дисперсные частицы оксидов.
• Керамические композиты (ККМ). Матрица — керамика (оксид алюминия, карбид кремния, нитрид кремния). Армирующие наполнители — волокна карбида кремния, углерода, а также частицы или усы. Отличаются высокой термостойкостью и твёрдостью.
• Углерод-углеродные композиты (УУКМ). Матрица и наполнитель — углерод. Получают путём пиролиза полимерной матрицы. Обладают высокой термостойкостью (до 3000 °C в инертной среде) и низкой плотностью.

¶По типу армирующего наполнителя

• Волокнистые композиты. Армируются непрерывными волокнами (нити, жгуты, ленты) или дискретными волокнами (штапельные волокна). Различают однонаправленные (волокна ориентированы в одном направлении), тканые и объёмно-армированные структуры.
• Дисперсно-упрочнённые композиты. Армируются мелкими частицами (размером от 0,01 до 10 мкм), равномерно распределёнными в матрице. Упрочнение достигается за счёт препятствия движению дислокаций в металлической матрице или путём дисперсионного твердения.
• Слоистые композиты. Состоят из чередующихся слоёв различных материалов (например, металл-полимер-металл, или слои шпона в фанере). К этому типу также относятся биметаллы и сэндвич-панели.

¶По геометрии наполнителя

• С нульмерным наполнителем (частицы, порошки).
• С одномерным наполнителем (волокна, нити, усы).
• С двумерным наполнителем (пластины, чешуйки, ткани).
• С трёхмерным наполнителем (объёмные каркасы, сетки).

¶Характеристики и свойства

Основные преимущества композитных материалов перед традиционными (металлами, керамикой, полимерами) обусловлены возможностью комбинировать свойства компонентов.

• Высокая удельная прочность и жёсткость. Отношение прочности (или модуля упругости) к плотности у углепластиков и боропластиков в 2–5 раз выше, чем у алюминиевых и титановых сплавов.
• Анизотропия свойств. В зависимости от ориентации армирующих волокон можно создавать материалы с заданными свойствами в определённых направлениях, что позволяет оптимизировать конструкцию.
• Коррозионная стойкость. Полимерные композиты устойчивы к воздействию агрессивных сред, морской воды, кислот и щелочей.
• Усталостная прочность. Композиты, особенно на полимерной матрице, обладают высокой устойчивостью к циклическим нагрузкам.
• Низкая теплопроводность и электропроводность (для большинства полимерных композитов). Углеродные волокна, напротив, обладают высокой электропроводностью.
• Возможность формования сложных деталей. Композиты позволяют изготавливать детали практически любой формы без последующей механической обработки.

Недостатки композитов включают:

• Высокую стоимость (особенно для углепластиков и керамических композитов).
• Сложность контроля качества и обнаружения внутренних дефектов (расслоения, поры).
• Чувствительность к ударным нагрузкам (полимерные композиты могут разрушаться при ударе, образуя невидимые трещины).
• Трудность ремонта и утилизации (многие композиты не подлежат вторичной переработке).

¶Применение

Композитные материалы находят применение в широком спектре отраслей промышленности.

¶Авиация и космонавтика

В авиастроении композиты используются для изготовления элементов планера (крылья, фюзеляж, хвостовое оперение), обшивки, лопаток вентиляторов двигателей, внутренних панелей. В гражданской авиации доля композитов в конструкции современных самолётов (Boeing 787 Dreamliner, Airbus A350) достигает 50% по массе. В ракетно-космической технике из углерод-углеродных композитов изготавливают сопла ракетных двигателей, носовые обтекатели, теплозащитные экраны.

¶Судостроение

Стеклопластики и углепластики применяются для строительства корпусов яхт, катеров, маломерных судов, а также подводных аппаратов. Композиты обеспечивают лёгкость, коррозионную стойкость и возможность придания сложных гидродинамических форм.

¶Автомобилестроение

В автомобильной промышленности композиты используются для изготовления кузовных панелей, элементов подвески, карданных валов, пружин, а также в гоночных автомобилях (Formula 1) для создания монококов и аэродинамических элементов.

¶Энергетика

Лопасти ветрогенераторов изготавливаются из стеклопластика и углепластика. Композиты также применяются в производстве изоляторов для линий электропередач, корпусов аккумуляторных батарей и топливных элементов.

¶Строительство

В строительстве используются композитные материалы для армирования бетона (стеклопластиковая и базальтопластиковая арматура), изготовления мостовых конструкций, фасадных панелей, кровельных материалов, оконных профилей. Композитная арматура не подвержена коррозии, что увеличивает срок службы бетонных конструкций.

¶Спорт и медицина

Из композитов изготавливают спортивный инвентарь (теннисные ракетки, клюшки для гольфа, лыжи, сноуборды, велосипедные рамы, удочки), а также медицинские имплантаты (протезы, эндопротезы, зубные коронки) и ортопедические изделия.

¶Технологии производства

Основные методы изготовления изделий из полимерных композитов:

• Ручное формование. Наиболее простой метод, при котором в открытую форму укладывается армирующий материал и пропитывается матрицей вручную. Применяется для мелкосерийного производства.
• Вакуумная инфузия. Армирующий материал укладывается в форму, накрывается герметичной плёнкой, и под вакуумом в неё подаётся связующее. Обеспечивает высокое качество и низкую пористость.
• Намотка. Непрерывные волокна, пропитанные связующим, наматываются на вращающуюся оправку. Используется для изготовления цилиндрических и сферических изделий (трубы, баллоны, корпуса ракет).
• Пудинг (pultrusion). Непрерывный процесс, при котором волокна протягиваются через ванну со связующим и затем через нагретую фильеру, где происходит отверждение. Применяется для производства профилей постоянного сечения (стержни, трубы, уголки).
• Прессование. Армирующий материал и связующее помещаются в пресс-форму и подвергаются нагреву и давлению. Используется для изготовления деталей сложной формы.

¶Интересные факты

• Первый серийный самолёт с планером из стеклопластика — лёгкий спортивный самолёт «Виндэкер» (Windecker Eagle), сертифицированный в 1969 году.
• Самый большой в мире самолёт Ан-225 «Мрия» (разрушен в 2022 году) имел композитные элементы конструкции, в том числе законцовки крыла и обтекатели.
• Углеродное волокно в 5 раз прочнее стали при той же массе, но в 2 раза легче.
• В 2010-х годах российские учёные разработали технологию получения композитной арматуры из базальтового волокна, которое является более дешёвой и экологичной альтернативой стеклопластику.

¶Источники

1. Композиционные материалы: Справочник / Под ред. В. В. Васильева, Ю. М. Тарнопольского. — М.: Машиностроение, 1990.
2. Любин Д. Справочник по композиционным материалам. В 2-х томах. — М.: Машиностроение, 1988.
3. Берлин А. А., Вольфсон С. А., Ошмян В. Г. Композиционные материалы: свойства, применение, технологии. — М.: Научные основы и технологии, 2012.
4. Харрис Б. Инженерные композиты. — М.: Интеллект, 2011.
5. Васильев В. В., Морозов Е. В. Механика и конструкция композитных материалов. — М.: Физматлит, 2008.