Композитные материалы; особенности свойств и основные виды

Композитные материалы — особенности свойств и основные виды

Композитные материалы (КМ) – говорят, первые упоминания о подобных материалах можно найти в Библии. Композит — это материал, состоящий из двух и более компонентов, которые усиливают и дополняют свойства друг друга. Благодаря чему, конечный материал обладает свойствами, достижение которых невозможно каждым компонентом по отдельности. Возьмем, к примеру, стеклопластик. Так, если бы какая то деталь была полностью из стекла, она обладала бы очень большой теоретической прочностью на растяжение или сжатие. Но на практике, многочисленные поверхностные трещины приводят к разрушению изделия задолго до достижения ее теоретической прочности. В таком же изделии из стеклопластика, рост какой-то конкретной микротрещины ограничится обрывом одного волокна. А полимерная матрица перераспределит нагрузку на оставшиеся волокна. Примерно так работает самая обычная стеклопластиковая арматура. Так же, при изготовлении изделия можно заложить направление волокон с учетом предполагаемых направлений нагрузки на изделие. Что позволит избежать излишнего количества материалов в «ненужных» нам направлениях.

Полимерные композиты

Полимерными композитами называется материал с соответствующей матрицей. Они наиболее популярны среди отраслей народного хозяйства. Современная аэрокосмическая отрасль уже немыслима без ПКМ. Например, в последнем поколении французского штурмового истребителя Дассо Рафаль ПКМ составляют почти четверть планера. Полимерные композитные материалы не корродируют, меньше страдают от статического электричества, не требуют дорогостоящих покрасочных эмалей, весьма легкие. Обратная сторона — материал недешевый, но кумулятивный экономический эффект очевиден сразу.

Производство изделий из композитных материалов

Производство изделий из композитных материалов производится разными методами. Для его реализации требуется специальное оборудование. Технология создания заключается в процессе соединения связующего наполнителя и основы. Чаще всего, при создании изделия сложной конфигурации используется технология, суть которой, заключается в сухой выкладке «основы», которая пропитывается связующим составом. Это может быть формовка, обмотка, вакуумная пропитка. Эти операции могут проводиться вручную или автоматически. Существуют такие методы:

  • на основу накладывается холодный пресс, затем происходит спекание изделия;
  • на волокна наносятся электрохимическое покрытие, затем все прессуется;
  • волокна пропитываются матричным материалом;
  • использование пресс-формы для намотки лент и матрицы;
  • плазменное напыление матрицы с последующим обжатием;
  • диффузная сварка многослойных лент;
  • одновременная прокатка компонентов.

Метод использования, зависит от назначения изделия, его физических и химических качеств. Чтобы изделие получилось качественным, следует правильно подобрать материал и способ его производства. Для правильных расчетов используются специальные компьютерные программы. Они помогают изготавливать качественные конструкции, которые прослужат долго, будут иметь эстетический вид. В зависимости от метода производства (ручная выкладка, выкладка волокон, формование) программа анализирует послойную возможную деформацию, что позволяет устранить дефекты. Это исключает человеческий фактор, экономит материал при производстве, повышает качество продукции.

Древесные композиты

Отдельно стоит упомянуть древесный композит. Он получается посредством сочетания сырья разного типа, при этом в качестве основного компонента выступает древесина. Каждый древесно-полимерный композит состоит из трех элементов:

  • частиц измельченной древесины;
  • термопластичного полимера (ПВХ, полиэтилена, полипропилена);
  • комплекса химических добавок в виде модификаторов – их в составе материала до 5 %.

Самый популярный вид древесных композитов – это композитная доска. Ее уникальность в том, что она объединяет в себе свойства и древесины, и полимеров, что существенно расширяет сферу ее применения. Так, доска отличается плотностью (на ее показатель влияет базовая смола и плотность древесинных частичек), хорошим сопротивлением на изгиб. При этом материал экологичный, сохраняет текстуру, цвет и аромат натурального дерева. Использование композитных досок абсолютно безопасно. За счет полимерных добавок композитная доска обретает высокий уровень износостойкости и влагостойкости. Ее можно использовать для отделки террас, садовых дорожек, даже если на них приходится большая нагрузка.

Состав композитов

Классификация субстанций учитывает химический состав, размер фракций, состав частиц, уровень наполнения, метод отвердевания, консистенцию, назначение. Каждый параметр определяет группу композитных материалов.

Учитывая химический состав матрицы, субстанции делятся на традиционные, ормокеры. Последние представляют собой органически модифицированную керамику – современный состав, полученный усовершенствованием обычным матриц. Ормокеры характеризуются малой усадкой, при этом высокой степенью биологической совместимости, надежным соединением с наполнителями того или иного типа.

Размер и состав частиц

Частицы наполнителя обеспечивают полируемость, износостойкость уже готового результата. Чем меньше их размер, тем выше перечисленные параметры. Крупные частицы получают из солей бария, а с ним алюминия, лития, кварца, др. Если речь о нанонаполнителе, он изготавливается из двуокиси кремния. Когда частицы наполнителя имеют разные размеры, производитель выводит среднее значение.

Известно, что смесь частиц наполнителя мельчайшего и самого крупного размеров ощутимо повышает прочность, а с ней стойкость к абразивному воздействию, краевое прилегание. Различают однородные, неоднородные, тотально-выполненные.

Метод отверждения, консистенция, назначение

Отверждение (полимеризация) происходит за счет трансформации мономеров в полимеры. Сам процесс сопровождается сокращением объема вещества, повышением его плотности, из-за чего происходит усадка материала на 2-6%. Отверждение запускается инициатором (световым, химическим).

Композиты могут быть пастообразными, текучими. Чтобы их изготовить, нужны модифицированные матрицы со смолами определенной текучести. Учитывая плотность, различают обычную вязкость, текучую, пакуемую, конденсируемую.

С учетом того, для каких зубов (жевательных либо фронтальных) предназначена субстанция, она разнится по характеристикам. Стоматологи используют разные составы под реставрацию моляров, передних зубов, а также универсальные материалы.

Субстанции характеризуются рядом характеристик, заложенных во время их производства. Для выбора подходящего состава нужно знать все его параметры. Основные свойства веществ, которые должен учитывать стоматолог:

  • прочность на механическое растяжение и сжатие. Она варьируется в зависимости от консистенции, наполненности. У самых прочных вариантов – 450 МПа, а у текучих – 220 МПА,
  • износостойкость. Чем меньше размер у частиц наполнителя, тем выше этот показатель,
  • оптические характеристики – опаковость, опалесценция,
  • рентгенконтрастность. Варьируется от типа и объема наполнителя. К слову, рентгенконтрастность у дентина – 150%, у эмали – 230%. Чем выше параметр, тем лучше материал заметен на рентгене, что делает более точной диагностику,
  • тиксотропность. Показатель указывает, как вязкость изменится от механической нагрузки, как изменится текучесть,
  • полимеризационная усадка. Минимальный параметр 1,6%, максимальный – 5,5%,
  • эластичность. Показывает, как материал сопротивляется растяжению, сжатию,
  • биосовместимость. Регламентируется международными стандартами. После окончания полимеризация полученные составы не токсичны,
  • рабочие свойства. Учитываются такие параметры, как удобство и скорость проведения стоматологических манипуляций, весьма экономичный расход, универсальность,
  • эстетика. Учитывается длительность сохранения блеска, цветовая гамма, полируемость.

Содержание

  • 1 Классификация композитов
  • 2 Преимущества композиционных материалов
  • 3 Недостатки композиционных материалов
    • 3.1 Высокая стоимость
    • 3.2 Анизотропия свойств
    • 3.3 Низкая ударная вязкость
    • 3.4 Высокий удельный объём
    • 3.5 Гигроскопичность
    • 3.6 Токсичность
    • 3.7 Низкая эксплуатационная технологичность
  • 4 Области применения
    • 4.1 Товары широкого потребления
    • 4.2 Спортивное оборудование
    • 4.3 Медицина
    • 4.4 Машиностроение
      • 4.4.1 Характеристика
      • 4.4.2 Технические характеристики
      • 4.4.3 Технико-экономические преимущества
      • 4.4.4 Области применения технологии
    • 4.5 Авиация и космонавтика
    • 4.6 Вооружение и военная техника
  • 5 См. также
  • 6 Примечания
  • 7 Литература
  • 8 Ссылки

Волокнистые композиционные материалы

Волокнистые композиты представляют собой матрицу армированную наполнителем или т.н. арматурой. Роль арматуры выполняют волокна различной формы: нити, стержни, ленты или сетки. Армирование волокнистых композитов может осуществляться по одноосной, двухосной и трехосной схеме. Прочность и жесткость таких материалов определяется свойствами армирующих волокон. Технологически, волокнистые композиты получить намного сложнее, чем дисперсно-упрочненные композиты. К волокнистым материалам, которые применяются в промышленности можно отнести:

  • полимеры на основе термореактивных (эпоксидных, полиэфирных, полиамидных и др.) и термопластичных связующих, армированных стеклянными волокнами (стеклопластики), углеродными волокнами (углепластики), органическими волокнами (органопластики), борными волокнами (боропластики);
  • металлические композиционные материалы на основе сплавов Mg, Al, Ti, Cu, Сг, Ni, армированных борными, углеродными или карбидокремниевыми волокнами. В этой группе, в качестве армирующего компонента может применяться стальная, молибденовая или вольфрамовая нить;
  • композиционные материалы на основе углерода, армированного углеродными волокнами (углерод-углеродные материалы);
  • композиционные материалы на основе керамики, армированной углеродными или жаростойкими волокнами.
Читайте также  Как крепить пластиковые панели на металлический профиль

Свойства полимерных композиционных материалов

Как уже говорилось выше, ПКМ являются очень прочными материалами. Сказать о том, что абсолютно все подобные материалы обладают одинаковыми свойствами, будет не верно. Ведь, в процессе производства путем компоновки разных материалов получается совершенно новый ПКМ со своими индивидуальными свойствами. Однако, некоторые, так сказать, общие свойства, присущи практически каждому такому материалу, все таки существуют. К ним относятся:

  1. Упругость;
  2. Жесткость;
  3. Низкий удельный вес;
  4. Устойчивость к разного рода химическим воздействиям (например, кислоты, щелочи, растворителей, масел, морской воды);
  5. Теплостойкость;
  6. Радиопрозрачность;
  7. Вибростойкость;
  8. Электроизоляционность;
  9. Демпфирующие способности;
  10. Отсутствие чувствительности к магнитному полю;
  11. Привлекательный внешний вид;
  12. Отсутствие необходимости в дополнительном покрытии разными лакокрасочными материалами.

Стоит также отметить, что ПКМ имеют ряд преимуществ, в отличие от других материалов, которые заключаются в технологичности, относительно низкой стоимости, простоте изготовления, а также в низкой плотности. Однако, стоит упомянуть и о недостатках, которые также присутствуют, несмотря на множество положительных характеристик. К недостаткам можно отнести малый температурный диапазон, при котором допустимо использовать данные материалы, относительно малые значения межслойной сдвиговой прочности и отрыва. На сегодняшний день присутствуют такие связующие, которые позволяют работать с изделиями из ПКМ при температурах, не выше 300-400 градусов Цельсия.

Изделия из полимерно-композитных материалов

В состав полимерно-композитных материалов входят разные наполнители. Различные комбинации меняют его свойства, химические и физические характеристики. Благодаря тому, что изготовление материала и изделия возможно одновременно, это уменьшает его себестоимость.

Метод изготовления конкретного изделия из полимеров, определяется множеством факторов:

  • особенности конструкции;
  • технические требования (точность размера, чистота поверхности);
  • особенности связующего компонента;
  • свойства наполнителя;
  • себестоимость производства.

Во время формования изделия из полимерных композитов, возможно изменение структуры и свойств полимера. Из одного и того же состава, после обработки, могут получиться изделия с разными свойствами. Внешние факторы обработки могут влиять на изделие. Это температура плавления и охлаждения, давление при формовании.

Полимерные композитные материалы имеют основные типы, в зависимости от состава матрицы:

  • стеклопластик;
  • углепластик;
  • боропластик;
  • органопластик;
  • текстолиты;
  • полимеры.

Полимерный самый большой класс композитов, что позволяет его применять в разных областях. Каждый вид обладает разными характеристиками, имеет свои особенности применения.

В стеклопластиках содержится наибольшее количество стекла (80%). Этот материал обладает оптической и радио проницаемостью, плохо проводит тепло. Его применение очень распространено. Это строительство, машиностроение, судостроение. Из него делают детали машин, мосты, оборудование в приборостроении, электротехнике.

Углепластики по своим характеристикам имеют свои особенности. Они не прозрачны и в своем составе имеют волокна целлюлозы, что делает материал легче. Он не проводит ток, выдерживает высокие температуры и не подвергается деформации. За счет этих свойств его используют в самолетостроении, в разных двигателях. Они выдерживают различные агрессивные среды, что важно в химической промышленности и машиностроении.

Боропластики имеют в своем составе волокна бора. Имеют высокую твердость и износоустойчивость, не боятся действия разных химических веществ. Использовать при высокой температуре нельзя, может произойти деформация. Применяются в космической и авиационной промышленности для изготовления винтов, обшивки, профилей, панелей.

Органоволокниты используют как изоляционный материал в радиопромышленности, авто и самолетостроении. Обшивают корпуса морских судов.

Текстолит – материал, который используют в машиностроении для изготовления подшипников скольжения, шестеренок, различных деталей.