Композиционный материал¶

Композит (композиционный материал) — материал, полученный сочетанием двух и более компонентов (основы и наполнителя, либо нескольких слоёв разнородных материалов), обладающий свойствами, недостижимыми для каждого компонента в отдельности. В широком смысле к композитам относят бетон, стеклопластик, углепластик, керамику с металлическим наполнителем и многие природные материалы (кость, дерево, раковины моллюсков). Термин «композит» происходит от латинского compositus — «сложенный, составной».

¶Общие сведения

Композиционный материал состоит из двух основных фаз: непрерывной (матрица) и дискретной (наполнитель). Матрица удерживает наполнитель, передаёт ему нагрузку и защищает его от внешней среды. Наполнитель обеспечивает прочность, жёсткость и другие целевые свойства. Взаимодействие фаз на границе раздела определяет конечные характеристики материала.

Ключевые достоинства композитов по сравнению с монолитными материалами:

• высокая удельная прочность и жёсткость;
• возможность «подгонки» свойств под конкретную задачу изменением состава и структуры;
• коррозионная стойкость (при использовании полимерной матрицы);
• малый вес;
• технологичность формования сложных изделий.

К недостаткам относят анизотропию свойств (в зависимости от направления нагрузки), сложность вторичной переработки, высокую стоимость некоторых наполнителей (углеволокно, кевлар) и трудности неразрушающего контроля.

¶Классификация

По типу матрицы композиты делят на:

По характеру наполнителя различают:

• волокнистые (длинноволокнистые и коротковолокнистые) — наиболее распространённый класс, наполнитель в виде волокон стекла, углерода, кевлара, бора;
• частицовые (дисперсно-упрочнённые) — наполнитель в виде порошковых частиц;
• слоистые — набор плёнок или листов;
• сетчатые — армирующая сетка в матрице.

¶Основные типы композитов

¶Стеклопластик

Стеклопластик (стеклопластик, СТК) — композит на основе термореактивной смолы (эпоксидной, полиэфирной, винилэфирной) и стекловолокна. Наиболее дешёвый из массовых композитов, применяется в судостроении, строительстве резервуаров, изготовлении лодок, ванных, корпусов автомобилей.

¶Углепластик

Углепластик (УП) — композит с матрицей из полимерной смолы и наполнителем из углеволокна. Удельная прочность в 5–7 раз превышает сталь при весе в 4–5 раз меньшем. Применяется в авиации (корпуса и элементы планера Boeing 787, Airbus A350 составляют до 50 % массы), в велоспорте, формуле-1, производстве рыболовных удилищ, корпусов яхт.

¶Кевларопластик

Кевларопластик — композит на основе арамидного волокна (кевлар, российский аналог — тварон). Обладает высокой ударной вязкостью, применяется в бронежилетах, шлемах, лопастях вертолётов, спасательных шлюпках.

¶Бетон

Бетон — наиболее массовый композиционный материал в мире: цементное вяжущее (матрица) + песок, щебень (наполнитель). Разновидности — фибробетон (с волокнистым наполнителем), железобетон (с арматурой), лёгкий бетон с керамзитом.

¶Металломатричные композиты

Металломатричные композиты (ММК) получают введением в расплав металла керамических частиц (Al₂O₃, SiC) или карбидов. Применяются в тормозных системах, деталях двигателей, космической технике.

¶Производство

Основные технологии изготовления волокнистых композитов:

• намотка — намотка пропитанного смолой волокна на оправку (баллоны, трубы, сосуды);
• ручная укладка — послойная раскладка листов препрега в форму (штучные крупногабаритные изделия);
• автоклавное формование — подача давления и температуры в автоклаве для полимеризации;
• RTM (Resin Transfer Molding) — инъекция смолы в закрытую форму с сухим наполнителем;
• экструзия и литьё — для термопластичных композитов;
• пиролиз — получение углеуглерода из полимерного прекурсора при 800–3000 °C.

В России производством композитов занимаются предприятия в Перми, Ульяновске, Томске, Москве (НПО «Композит», «Титан-Барс», «Комполог» и другие). Основные российские наполнители — стекловолокно («Стеклопластик», Березники), углеволокно («Композит-Волокно», Ефремов).

¶Применение

Композиты применяются в авиации и космосе (корпуса ракет, обшивка самолётов, теплозащитные элементы), судостроении, автомобилестроении, энергетике (лопасти ветрогенераторов до 100 м длиной), спортивном инвентаре, медицине (протезы, импланты), строительстве (армирование, фасадные панели), нефтегазовой отрасли (трубы, обсадные колонны).

¶Интересные факты

• Натуральные композиты существуют миллионы лет: древесина — это целлюлозные волокна в лигниновой матрице, кость — коллаген с гидроксиапатитом.
• Первые искусственные композиты — клеёный щит и лук из слоёв дерева и рога — применялись ещё в бронзовом веке.
• Углепластик впервые широко использован в авиации в 1960-х годах; доля композитов в Boeing 787 достигает 50 % от массы планера.

¶Источники

• Маслов М. А. Композиционные материалы: учебное пособие. — М.: Машиностроение, 2010.
• Фридрихсберг Д. А. Курс коллоидной химии. — Л.: ЛГУ, 1984.
• Романов Д. Б. Композиционные материалы в технике. — СПб.: Политехника, 2005.
• Кречмар Г. К. Полимерные композиционные материалы. — Л.: Химия, 1979.