Композитные материалы: определение и свойства

Композитные материалы (композиты) — это многокомпонентные материалы, состоящие из двух или более различных по физико-химическим свойствам компонентов, которые, объединяясь, образуют новый материал с характеристиками, превосходящими свойства каждого из компонентов в отдельности. Композиты создаются путём объединения матрицы (связующего вещества) и армирующего наполнителя (упрочняющего элемента), при этом границы раздела между ними сохраняются, что отличает их от сплавов и растворов.

История развития

Первые композитные материалы были созданы человеком ещё в древности. Около 3000 лет до н. э. в Месопотамии и Древнем Египте использовали саман — смесь глины с соломой, где глина служила матрицей, а солома — армирующим наполнителем, предотвращавшим растрескивание. В средневековье для изготовления луков и доспехов применяли слоистые композиты из дерева, рога и сухожилий, склеенные животным клеем.

Современная эпоха композитов началась в XX веке. В 1930-х годах были разработаны стеклопластики — материалы на основе стекловолокна и полимерных смол. В 1940-х годах, в ходе Второй мировой войны, стеклопластики начали применяться в авиации и судостроении. В 1960-х годах появились углепластики (углеволокно в полимерной матрице), которые произвели революцию в аэрокосмической промышленности. В СССР и России активные исследования в области композитов велись с 1950-х годов, особенно в рамках космической программы и оборонной промышленности. К 1970-м годам были созданы композиты на металлической и керамической матрицах.

Классификация композитных материалов

Композиты классифицируют по нескольким признакам: типу матрицы, форме и материалу наполнителя, а также по структуре.

По типу матрицы

• Полимерные композиты — матрица из полимеров (эпоксидные, полиэфирные, фенольные смолы). Наиболее распространённый тип. Примеры: стеклопластик, углепластик, органопластик (с наполнителем из органических волокон, например, арамидных).
• Металлические композиты — матрица из алюминия, титана, магния или их сплавов. Армируются волокнами бора, карбида кремния или оксида алюминия. Применяются в авиакосмической технике, где требуются высокая прочность и термостойкость.
• Керамические композиты — матрица из керамики (оксид алюминия, карбид кремния, нитрид кремния). Армируются волокнами или частицами. Отличаются высокой термостойкостью (до 1500 °C и выше) и твёрдостью, используются в бронезащите и деталях двигателей.
• Углерод-углеродные композиты — матрица из пиролитического углерода, армированная углеродными волокнами. Сохраняют прочность при температурах до 3000 °C в инертной среде. Применяются в ракетной технике (сопла двигателей, тормозные диски).

По форме и типу наполнителя

• С дисперсными частицами — наполнитель в виде порошка (частицы металлов, керамики, сажи). Улучшают твёрдость, износостойкость, теплопроводность.
• С волокнистым наполнителем — армирование непрерывными или рублеными волокнами. Обеспечивают максимальную прочность в направлении волокон. Различают однонаправленные, тканые и объёмные армирующие структуры.
• Слоистые композиты — состоят из чередующихся слоёв разных материалов (например, металл-полимер-металл). Пример: сэндвич-панели с сотовым заполнителем.
• Гибридные композиты — содержат несколько типов наполнителей (например, стекловолокно и углеволокно в одной матрице) для достижения комбинации свойств.

По структуре

• Микрокомпозиты — размеры армирующих элементов от 1 до 100 мкм.
• Нанокомпозиты — наполнитель имеет размеры менее 100 нм (нанотрубки, наночастицы, нанослои). Позволяют достичь уникальных свойств при малом содержании наполнителя (1–5 % по массе).

Основные свойства композитных материалов

Свойства композитов определяются свойствами компонентов, их объёмным соотношением, геометрией наполнителя и прочностью связи на границе раздела фаз.

Механические свойства

• Высокая удельная прочность — отношение прочности к плотности у композитов (особенно углепластиков) в 2–5 раз выше, чем у алюминиевых сплавов и стали. Например, углепластик имеет прочность на разрыв до 3500 МПа при плотности около 1,6 г/см³, тогда как сталь — до 2000 МПа при плотности 7,8 г/см³.
• Высокая жёсткость — модуль упругости углепластиков может достигать 300 ГПа (близко к стали).
• Анизотропия свойств — свойства зависят от направления армирования. Вдоль волокон прочность и жёсткость максимальны, поперёк — минимальны. Это позволяет проектировать материал под конкретные нагрузки.
• Усталостная прочность — композиты, особенно полимерные, обладают высокой стойкостью к циклическим нагрузкам, превосходя металлы в 2–3 раза.
• Вязкость разрушения — у многих композитов ниже, чем у металлов, что делает их хрупкими при ударных нагрузках. Однако существуют композиты с повышенной ударной вязкостью (например, на основе арамидных волокон).

Термические свойства

• Термостойкость — керамические и углерод-углеродные композиты сохраняют свойства при температурах свыше 1000 °C. Полимерные композиты ограничены температурой разложения матрицы (обычно 150–300 °C).
• Низкий коэффициент теплового расширения — у углепластиков он близок к нулю и даже может быть отрицательным, что важно для прецизионных конструкций (телескопы, спутники).
• Теплопроводность — может варьироваться в широких пределах: от изоляционных (стеклопластики) до высокопроводящих (композиты с углеродными волокнами или металлическими частицами).

Химические и физические свойства

• Коррозионная стойкость — полимерные композиты устойчивы к большинству кислот, щелочей, морской воде и атмосферным воздействиям. Металлические и керамические композиты могут быть подвержены коррозии в зависимости от состава матрицы.
• Электрические свойства — стеклопластики являются диэлектриками, углепластики — проводниками (удельное сопротивление около 10⁻³ Ом·м). Композиты с металлическим наполнителем могут иметь регулируемую проводимость.
• Плотность — полимерные композиты имеют плотность 1,2–2,0 г/см³, металлические — 2,5–5,0 г/см³, керамические — 2,5–4,0 г/см³. Это значительно ниже, чем у стали (7,8 г/см³) и никелевых сплавов (8,5 г/см³).

Технологии производства

Методы изготовления композитов зависят от типа матрицы и формы изделия.

• Ручное формование — укладка армирующего материала в форму и пропитка смолой вручную. Применяется для мелкосерийного производства (лодки, корпуса).
• Намотка — непрерывное волокно пропитывается смолой и наматывается на оправку. Используется для цилиндрических изделий (трубы, баллоны высокого давления).
• Пуллизия — протяжка волокон через ванну со смолой и через нагретую фильеру. Позволяет получать профили постоянного сечения (стержни, уголки).
• Вакуумная инфузия — сухой армирующий материал помещается в форму, затем под вакуумом засасывается смола. Обеспечивает высокое качество и низкую пористость.
• Автоклавное формование — заготовка помещается в автоклав, где под давлением и температурой происходит отверждение. Используется в авиации для ответственных деталей.
• Порошковая металлургия — для металлических композитов: смешивание порошков матрицы и наполнителя, затем прессование и спекание.
• Химическое осаждение из газовой фазы — для углерод-углеродных композитов: осаждение углерода из газовой среды на углеродный каркас.

Применение

Композиты находят применение во многих отраслях промышленности благодаря сочетанию лёгкости, прочности и коррозионной стойкости.

• Авиация и космонавтика — до 50 % массы современных самолётов (Boeing 787, Airbus A350) составляют полимерные композиты. В России композиты используются в самолётах МС-21 (крыло из углепластика), Су-57, вертолётах, а также в ракетно-космической технике (ракеты «Протон», «Ангара»).
• Автомобилестроение — кузовные панели, пружины, карданные валы, тормозные диски. Снижение массы автомобиля на 10 % уменьшает расход топлива на 6–8 %.
• Судостроение — корпуса яхт, катеров, военных кораблей (минные тральщики, корветы). Стеклопластик не гниёт и не ржавеет.
• Строительство — арматура для бетона (стеклопластиковая арматура не подвержена коррозии), мостовые конструкции, фасадные панели, сэндвич-панели.
• Энергетика — лопасти ветрогенераторов (длиной до 100 м), корпуса аккумуляторов, изоляторы для ЛЭП.
• Медицина — протезы, ортопедические имплантаты, стоматологические материалы (композитные пломбы).
• Спорт и туризм — лыжи, сноуборды, велосипедные рамы, удочки, клюшки для гольфа, ракетки для тенниса.
• Военная техника — бронежилеты (кевларовые и керамические композиты), броня танков, корпуса беспилотников.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Высокая удельная прочность и жёсткость.
• Возможность проектирования анизотропных свойств под конкретную нагрузку.
• Коррозионная стойкость и химическая инертность.
• Низкая плотность (лёгкость).
• Хорошие диэлектрические или регулируемые электрические свойства.
• Усталостная долговечность.

Недостатки

• Высокая стоимость исходных компонентов (углеродные волокна, эпоксидные смолы) и производства.
• Трудность ремонта и утилизации (полимерные композиты плохо перерабатываются).
• Хрупкость при ударных нагрузках (расслоение, трещины).
• Ограниченная термостойкость полимерных матриц.
• Чувствительность к влаге и ультрафиолету (для некоторых полимеров).
• Анизотропия требует точного расчёта и проектирования.

Перспективы развития

Современные исследования в области композитов направлены на создание нанокомпозитов с улучшенными свойствами, самовосстанавливающихся материалов, композитов с интегрированными датчиками (структурный мониторинг), а также на разработку экологичных биоразлагаемых матриц. В России ведётся работа по импортозамещению углеродных волокон и связующих, в том числе в рамках программы развития композитной отрасли до 2030 года. Активно развиваются технологии 3D-печати композитами, позволяющие создавать сложные геометрические формы без оснастки.

Источники

• Композиционные материалы: энциклопедия / под ред. И. В. Горынина. — М.: Машиностроение, 2015.
• Материаловедение: учебник для вузов / Б. Н. Арзамасов, В. И. Макарова, Г. Г. Мухин и др. — М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2008.
• ГОСТ Р 57940-2017 «Композиты полимерные. Термины и определения».
• Кессельман Г. С. Композиционные материалы в авиастроении. — М.: Физматлит, 2019.
• Отчёт Минпромторга РФ «Стратегия развития композитной отрасли России до 2030 года», 2021.