Композитный материал — определение, виды, свойства¶

Композитный материал — это искусственный материал, созданный из двух и более компонентов (матрицы и наполнителя), которые сочетаются так, чтобы получить свойства, недостижимые для каждого компонента в отдельности. Простыми словами: композит — это «смешанный» материал, в котором армирование (стекло, углерод, базальт, кевлар) даёт прочность, а связующее вещество (полимер, металл, керамика) удерживает наполнитель и принимает нагрузки на себя.

¶Принцип композиции

Ключевая идея композита — синергия компонентов. Наполнитель (обычно волокна или частицы) обладает высокой прочностью, но сам по себе не может работать как конструкционный элемент: волокна нужно связать. Матрица (полимер, металл или керамика) распределяет нагрузку между волокнами, защищает их от внешней среды и придаёт форму изделию. В результате композит легче металлов при сопоставимой или большей прочности.

¶Классификация

По виду матрицы композиты делят на:

• Полимерные композиты (ПКМ) — наиболее распространённые. Матрица: эпоксидная смола, полиэфирная смола, полиимид, бисмалеимид. Наполнитель: стекловолокно, углеволокно, базальтовое волокно, кевлар.
• Металлические композиты — матрица из алюминия, титана, магния с наполнителем из карбидов, оксидов или волокон.
• Керамические композиты (СВМК — супервысокомодульные керамические) — керамическая матрица с волокнистым упрочнением, используются при экстремальных температурах.
• Углерод-углеродные композиты — матрица из углерода с углеродным наполнителем, выдерживают температуры до 3000 °C в инертной атмосфере.
• Бетон как композит — цементная матрица с заполнителем (песок, щебень) и арматурой.

По форме наполнителя:

• Волокнистые — наиболее распространённый тип (стеклопластик, углепластик, базальтопластик).
• Наполненные — частицы (графит, SiC, Al₂O₃) в полимерной матрице.
• Слоистые — слои разных материалов, склеенные вместе (например, текстолит).
• Сетчатые — наполнитель в виде трёхмерной сетки.

¶Основные виды волокнистых композитов

¶Стеклопластик (стеклопластик)

Стекловолокно в полимерной матрице. Самый дешёвый волокнистый композит. Прочность на растяжение — 200–1500 МПа. Применяется в судостроении, для производства лодок, ванн, корпусов автомобилей, ветропластин, труб.

¶Углепластик (углекомпозит)

Углеволокно в эпоксидной или другой полимерной матрице. Прочность на растяжение до 3000 МПа при плотности 1,5–1,6 г/см³ (вдвое легче стали). Высокая жёсткость, химическая инертность. Применяется в авиации (корпуса Boeing 787 и Airbus A350 на 50 % состоят из углепластика), ракетостроении, спортивном инвентаре, автоспорте.

¶Базальтопластик

Базальтовое волокно в полимерной матрице. По свойствам близок к стеклопластику, но более химически стойкий и термостойкий (до 200–250 °C). Производство базальтового волокна в России развито: крупнейшие заводы работают в Подмосковье, Башкортостане, Карелии.

¶Кевлар (арамидный композит)

Арамидное волокно в полимерной матрице. Отличается высокой ударной вязкостью, не разрушается при растяжении, гасит энергию удара. Используется в бронежилетах, шлемах, корпусах катеров, шинном корде.

¶Свойства

Композиты обладают сочетанием характеристик, недоступным традиционным материалам:

• Высокая удельная прочность — прочность, отнесённая к массе. Углепластик в 5–7 раз прочнее стали при вдвое меньшей плотности.
• Анизотропия — свойства зависят от направления. Волокна работают вдоль своей оси, поэтому при изготовлении ориентируют их по направлению нагрузки. Это одновременно достоинство (оптимизация) и недостаток (непредсказуемость при неправильном расчёте).
• Коррозионная стойкость — полимерные композиты не подвержены электрохимической коррозии.
• Низкая теплопроводность — стеклопластик в 100 раз хуже проводит тепло, чем сталь.
• Демпфирующие свойства — композиты гасят вибрации.

К недостаткам относят: сложность переработки (нужно оборудование для формовки), относительно низкую температуру применения полимерных матриц (обычно до 150–300 °C), трудность ремонта, высокую стоимость углеволокна.

¶Производство

Основные технологии изготовления изделий из ПКМ:

• Ручная укладка — слои сухого волокна укладываются в форму и пропитываются смолой. Простая технология, применяется для крупногабаритных изделий (лодки, ветропластины).
• Автоклавное формование — заготовка помещается в автоклав, где под давлением и температурой смола полимеризуется. Даёт высокое качество, используется в авиации.
• Намотка — волокно наматывается на оправку с пропиткой. Для цилиндрических изделий: баллоны, трубы, корпуса ракет.
• Пултрузия — непрерывное протягивание пропитанного волокна через нагреваемую фильеру. Для профилей: уголки, швеллеры, стержни.
• Литьё под давлением — для наполненных композитов (пластик с добавкой частиц).

¶Применение

• Авиастроение — планер, оперение, элементы крыла (Boeing 787, Airbus A350, МС-21, Ил-114-300).
• Космос — корпуса спутников, топливные баки, теплозащита.
• Автопром — кузовные панели, элементы шасси (в автоспорте и в массовых моделях).
• Судостроение — корпуса катеров, яхт, лодок.
• Энергетика — лопасти ветрогенераторов (длина до 100 м), изоляторы ЛЭП, трубы.
• Строительство — арматура из стеклопластика (не подвержена коррозии, применяется в агрессивных средах), композитная арматура для бетона.
• Спортивный инвентарь — велосипедные рамы, лыжи, теннисные ракетки, мачты яхт.
• Медицина — протезы, элементы имплантов.

¶Композиты в России

Россия обладает полным циклом производства композитов: от синтеза прекурсоров до готовых конструкций. Крупнейшие предприятия:

• «Композит» (Москва) — производство стеклопластиков и углепластиков.
• «Новосибирский завод искусственного волокна» — стекловолокно.
• «Уралхимпласт» (Свердловская область) — стеклопластиковые трубы.
• «Базальтовые технологии» — базальтовое волокно.
• «Композитные системы» (Санкт-Петербург) — углеволокно.

В России разработаны и выпускаются композитные баллоны для газа, трубы для нефтегазовой отрасли, лопасти ветрогенераторов, элементы конструкций МС-21 и Байкал.

¶История

Термин «композит» в современном смысле появился в середине XX века, хотя композиционные материалы известны с древности: саман (глина с соломой), папье-маше, бронза (сплав, но по сути композит олова и меди). Индустриальные полимерные композиты начали развиваться в 1940-х годах в США и Великобритании — с появлением стеклопластика. Углеволокно было создано в 1960-х годах, базальтовое — в 1970-х (в СССР и США параллельно). Массовое применение композиты получили в 1990–2000-х годах с удешевлением производства углеволокна.

¶Источники

• Фомин Л. С., Кришталь М. М. Композиционные материалы: учебное пособие.
• Малышевский В. А. Композиционные материалы в машиностроении.
• ГОСТ Р 53977-2010. Материалы композиционные. Термины и определения.
• Крылов С. В. Материаловедение полимеров и композитов.