Композиционные материалы¶

Композит — это обобщённое название группы материалов, полученных путём сочетания двух и более компонентов (компонентов-наполнителей и связующего вещества) с целью получения материала с комплексом свойств, недостижимых для каждого из компонентов в отдельности. К композитам относятся бетон, стеклопластик, углепластик, керметы, армированные пластмассы и многие другие конструкционные материалы. В отличие от сплавов, в которых компоненты образуют гомогенную структуру на атомном уровне, композиты характеризуются неоднородностью: в их структуре различимы отдельные фазы — наполнитель и матрица (связующее).

¶Состав и структура

Композит состоит из двух основных элементов:

• Наполнитель — дисперсная или волокнистая фаза, придающая материалу прочность, жёсткость и другие механические свойства. В качестве наполнителей используют стеклянные, углеродные, базальтовые, керамические и металлические волокна, а также частицы минералов, песок, щебень.
• Матрица (связующее) — непрерывная фаза, удерживающая наполнитель в заданном положении и передающая ему нагрузку. Матрицей могут служить полимеры (эпоксидные смолы, полиэстер, полиамид), металлы (алюминий, никель, титан), керамика или цементный камень.

Соотношение компонентов, их форма и ориентация определяют итоговые свойства материала. Так, при одинаковом составе композит с ориентированными волокнами вдоль направления нагрузки обладает прочностью в несколько раз выше, чем композит с хаотично расположенными волокнами.

¶Классификация

Композиты классифицируют по нескольким признакам.

По типу матрицы:

По виду наполнителя:

• Волокнистые (стеклянные, углеродные, базальтовые волокна);
• Дисперсные (частицы карбида, нитрида, оксидов);
• Слоистые (слоистые пластики, текстолит);
• Сетчатые (стеклосетка, арматурные сетки).

По назначению: конструкционные (несущие нагрузку), теплоизоляционные, электроизоляционные, фрикционные, коррозионностойкие.

¶Свойства

Композиты ценятся за комплекс свойств, недостижимых для монолитных материалов:

• Высокая удельная прочность — отношение прочности к плотности у углеволоконных композитов в 5–10 раз выше, чем у сталей.
• Анизотропия — свойства зависят от направления, что позволяет «проектировать» материал под конкретную нагрузку.
• Коррозионная стойкость — полимерные матрицы не подвергаются электрохимической коррозии.
• Малый вес — плотность композитов на полимерной основе составляет 1,5–2,0 г/см³ против 7,8 г/см³ у стали.
• Технологичность — возможность изготовления сложногабаритных изделий формованием, намоткой, напылением.

К недостаткам относят относительно низкую температуру эксплуатации полимерных матриц (обычно до 150–250 °C), сложность переработки и вторичной утилизации, а также высокую стоимость углеродных и керамических наполнителей.

¶Производство

Основные технологии изготовления композитов:

• Литьё под давлением — для дисперсно-наполненных пластмасс.
• Намотка — непрерывное намотывание пропитанного смолой волокна на оправку (изделия цилиндрической формы: баллоны, трубы).
• Автоклавное формование — прессование слоёв препрегов (предварительно пропитанных волокнистых материалов) в автоклаве при температуре 120–180 °C и давлении 0,5–1 МПа.
• Распылительное формование — напыление волокон и смолы на форму.
• Пултрузия — непрерывное протягивание пропитанного волокна через формующую головку (профили, прутки).
• Спекание и спекание с горячим изостатическим прессованием — для керметов и керамических композитов.

¶Применение

Композиты применяются практически во всех отраслях промышленности:

• Авиастроение и космос — до 50–70 % массы современного пассажирского самолёта (например, Boeing 787, МС-21) составляют композитные материалы.
• Автомобилестроение — кузовные панели, элементы шасси, лопасти ветрогенераторов.
• Строительство — железобетон (наиболее массовый композит в мире), стеклопластиковые трубы, армирование грунтов.
• Судостроение — корпуса катеров, яхт, подводных аппаратов.
• Спортивный инвентарь — велосипедные рамы, лыжи, теннисные ракетки, удочки.
• Медицина — имплантаты, протезы, материалы для пломбирования.

В России производством композитов занимаются предприятия в Перми, Королёве, Томске, Саратове и других городах; развитию отрасли способствует федеральная программа поддержки композитной промышленности.

¶История

Первые композиты — глина с соломой, дерево (природный композит целлюлозных волокон в лигниновой матрице) — использовались человеком с древнейших времён. Индустриальные композиты появились в начале XX века: в 1907 году Лео Бекеланд запатентовал бакелит — первый синтетический полимер, использовавшийся как матрица. Стеклопластик как конструкционный материал получил распространение в 1940-х годах, а массовое производство углеволоконных композитов началось в 1960-х годах в СССР и США для нужд авиации и ракетостроения. В 1970-е годы в СССР были созданы первые отечественные технологии автоклавного формования, а в 1980-е — композитные конструкции для космических станций «Буран» и «Мир».

¶Источники

• Фёдоров В. П. «Композиционные материалы»
• Крылов С. В. «Композиционные материалы в машиностроении»
• ГОСТ Р 52622-2006 «Материалы композиционные. Термины и определения»
• Белов Н. П. «Композиционные материалы: механика и технология»