Все о композите

Простейшие аналоги композита, приходящие на ум новичку, – кондитерская вафля и древесная фанера. В первом случае между коржами с сеточными выступами располагается кремообразная начинка. Второй вариант – перпендикулярно расположенные слои волокна, которые пропитаны клеящим составом.

Композит – сочетание слоёв разнородных и разнотипных материалов, отличающихся по ряду физических, технологических и механических свойств. Одно из главных требований – нейтральность, обеспечиваемая значительным сходством химических свойств используемых слоёв. Технологические и механические, а также ряд физических свойств полученного композита отличаются от аналогичных исходных параметров каждого из слоёв в отдельности.

Типов прослоек у композитного материала всего два: матрица с ячейками и наполнитель. Простейший строительный аналог композита – железобетон, образованный стальным каркасом, пространство внутри которого (и отчасти за его пределами) наполнено бетонной заливкой, что затвердела и набрала прочность за месяц с даты заливания бетонного раствора.

По структурному строению композитные материалы бывают волокнистыми, дисперсно-упрочненными, частично-упрочненными (не путать с частичным упрочнением, упоминаемым в смысле некоторого улучшения параметров состава) и нанометрическими.

Примеры композитных материалов.

• Гербовая бумага для денег и документов, содержащая синтетические волоски, повышающие прочность на разрыв и истираемость. А также они являются одним из многочисленных индикаторов на наличие подделки билета.
• Кирпичи из глины, в которую включена солома. Саманный кирпич обретает некоторую стойкость к растрескиванию.
• Эпоксидный клей с металлическим или древесным порошком. Последний вводится в состав в целях экономии эпоксидной смолы.
• Карбон, ломающийся при разнонаправленных ударах. Не растрескивается он лишь при ударах и вибрации, совпадающих по вектору их воздействия с направлением, по которому движется велосипедист. Если плашмя ударить карбоновой рамой велосипеда по любому предмету, например, о бетонный столб, то углепластик разлетится на осколки.
• Триплекс – слои стекла на лобовом и заднем визорах автомобиля, скреплённые слоями целлулоида. При аварии исключено разлетание большого количества клиновидных осколков, зачастую заканчивающееся потерей зрения водителя, попавшего в ДТП.

Так, бронестекло для полицейских и военных машин изготавливается из трёх и более слоёв закалённого стекла – его можно пробить лишь бронебойными пулями или снарядами. Бронированное стекло относится к слоисто-композитным материалам. Разнообразие имеющихся на сегодня разработок делит композитный материал на десятки видов и разновидностей, каждый из которых пользуется немалым спросом на рынке строительных и ремонтных услуг.

Так, существуют зеркальный, пломбировочный, кварцевый и другие композитные материалы, рассчитанные на конкретные сферы применения. Характеристики каждого из этих видов отличаются друг от друга. Например, нано- и микрокомпозиты, не содержащие полимеров, не горят. Они обугливаются лишь при нагревании не менее чем до сотен градусов по Цельсию, что упрощает их применение при несвойственных для комнатных условий температурах.

Композитные материалы изготавливаются по следующей схеме. Вначале наносится матричный компонент на армирующие волокна, затем с помощью прессующей формы формируются ленты упрочняющего ингредиента и самой матрицы. Получившийся материал выпрессовывается, спекается, на него наносится добавочное покрытие на волокна. Далее образовавшийся вторичный материал (очередная стадия) отправляется на повторное прессование, проходит стадию нанесения матрицы в виде напыления при помощи плазмы. Третье прессование – обжатие – является заключительной стадией. Таким образом, обжатие (прессование) осуществляется не менее трёх раз.

Натуральные композитные материалы отличаются лёгким весом, немалой прочностью и ультрасовременным исполнением. Они применяются главным образом для летательных аппаратов, включая самолёты и ракеты. Несложные композиты созданы уже самой природой, например, годичные кольца древесины, кора. Натуральные композитные материалы, созданные человеком, – кирпич из глины, в которой содержится песок, цементно-песчаные блоки с добавлением древесных опилок и другие.

Одним из классических композитных волокон признан фиберглас. Он представляет собой пластиковую ленту из композита, которая наклеивается на всевозможные поверхности. Эта матрица удерживает стекловолокнистые нити на их местах. Благодаря стеклянным нитям, спрессованным таким образом, обеспечивается прочность этого материала. Пластик изначально является мягким и гибким, а стекло обладает твёрдой и хрупкой структурой.

Объединив эти свойства, удаётся получить весьма гибкий и в то же время твёрдый материал, в котором пластик и стекло дополняют друг друга. Композит используется для изготовления кузовщины автомобилей и моторных лодок. Стеклянный композит не ржавеет и не окисляется.

Более современные, появившиеся значительно позже стройматериалы содержат в качестве основной субстанции металл, керамику и/или полимер. Классификация этих материалов учитывает и неметаллические добавки, к примеру, древесную стружку или пыль. Усиленный пластиком деревянный композит, или композитная доска (и листовой материал, изготовленный из тех же ингредиентов), используется в производстве мебели и при организации настила на веранде либо террасе.

Древесина, измельчённая и смешанная с расплавленным до мягкого состояния полимером, применяется в качестве упрочнённого террасного покрытия, по которому можно ходить и даже передвигать мебель: доска или лист из деревопластика не сломается и не растрескается, будучи сплошным материалом.

МДФ – коробчатый или сплошной профиль, в котором применяется не синтетическая смола или пластик, а исключительно смолы природного происхождения. Измельчённое в щепки и пыль дерево пропитывается этим веществом и проходит затем в печи стадии спекания и прессования. Распространённая продукция, произведённая из МДФ, – двери и ламинат высокого качества. При спекании и затвердевании смолы они полимеризуются – образуется натуральный полимер, в котором растворена древесная пыль (и распределены щепки).

Простейший пример – алюминиевый или магниевый сплав, усиленный углеволокном. Но алюминий может дополняться и карбидом кремния, а медно-никелевый состав – дополняться графеном, подвидом углеволокна. Композитные материалы с металломатрицей прочны, обладают приемлемой для решения большинства задач жёсткостью, износостойкие, устойчивы к окислению, обладают относительной лёгкостью по сравнению с цельнометаллическими изделиями.

Они являются дорогостоящими и трудно поддаются обработке. Из современных композитов изготавливают, к примеру, поршневые элементы для дизельных ДВС. Композитный сайдинг для фасада изготавливается из листового алюминия, между слоями которого залит пластик. Придать другой цвет такой отделке помогает окрашивание.

Вместо металла основным материалом в керамическом композите, как легко догадаться, выступила керамика. К примеру, в качестве этого элемента применяется борсодержащее стекло, изготовленное на основе силикатных включений. Оно служит как бы второстепенным матричным компонентом и армировано углеволокном или керамическими включениями, в роли которых применяют карбид кремния. Керамический композит позволяет, к примеру, справиться с ломкостью сплошной керамики, создавая характерное усиление для преодоления явления растрескивания при перегибе.

Карбидно-углепластиковый композит – одно из наиболее востребованных на рынке композитных материалов средство, позволяющее получить состав, опережающий углеволокно и композит по своим прочностным характеристикам и показателю надёжности заготовок, исполненных из такой субстанции. Применяется такой композит, например, в производстве деталей автомобильной системы торможения и сцепления.

Сегодня не прекращаются разработки более современных материалов, которые заменили бы те, что уже проникли на рынок, насчитывающий десятки тысяч видов изделий, изготовленных из них. Так, размеры армирующих волокон в нанотехнологиях в 1000 раз меньше более длинных их предшественников. Один из материалов будущего – углеродные нанотрубки, из которых изготавливаются, к примеру, хоккейные клюшки. В этом примере наноуглеродное волокно покрыто никель-кобальтовым композитным материалом. Эта клюшка почти втрое более прочная и на одну пятую более подвержена перегибам, при этом не растрескиваясь, чем аналогичное изделие, исполненное из стального сплава.

Дисперсно-упрочнённые композитные материалы относят к наноматериалам, в которых размер основных волокон в длину доведён до значения от 100 нм. Но в последние лет десять наночастицы сократились в длину до 10 нм – подобный подход применяется, к примеру, в полупроводниках и проводниках, образующих собой кристалл микропроцессора, микроконтроллера или микросхем, образующих электронную память. К композитным балкам и панелям применяются жёстко заданные нормативы: так, жёсткость (модуль Юнга) должна быть не ниже 130 гигапаскалей, материалы должны сопротивляться усталостному износу, отличаться размеростабильностью. Цель – решить одновременно все эти задачи. Недостатки – высокая стоимость из-за повышенной наукоёмкой нагрузки при разработке, внедрении и применении на практике этих материалов.

Российский рынок по производству КМ составляет лишь 3% поставок на экспорт от общемирового уровня. Обусловлено это отсутствием единых нормативных документов, упрощающих производство композитных стройматериалов, а до недавнего времени 90% сырья для производства являлось привозным.

Так, производство углепластика в России только начало развиваться, в то время как, например, Китай является одним из ведущих производителей композита. Новые материалы, в создании которых участвовали и российские учёные, базируются преимущественно на применении наночастиц.

Композитные материалы применяются в самолетостроении для производства некоторых компонентов двигателей и несущей конструкции самолётов. Космические отрасли применяют их для производства несущих и обшивочных конструкций ракет и спутников, испытывающих сильный разогрев при выходе на орбиту. Автомобильная промышленность использует композит для выделки кузовщины и бамперов. Горнодобывающие отрасли применяют КМ в качестве материала для буров. Гражданское строительство использует КМ для строительства элементов мостов и других высотных сооружений.

Основная предпосылка в разных отраслях машиностроения – облегчение собственного веса автомобилей и спецтехники, всевозможных транспортных средств: до 70% комплектующих – неметаллический материал. Наливной пол (заливка полов), а также заливка лестниц подразумевает использование композита, в котором до его вступления в реакцию с воздухом находится полужидкое, возможно, сиропообразное вещество. Такой композит легко нанести на бетонное основание чернового пола, используя эпоксидный клей, в котором растворён основной наполнитель.

В основе подсчёта целесообразности использования КМ лежит важнейший параметр – эффективность применения соответствующих технологий. Металлическая и неметаллическая матрицы при изготовлении более сложного композита могут сочетаться в разной последовательности. В качестве примера – велосипедная шина, в беговой дорожке которой применяется несколько слоёв армирующего волокна: капрон, кевлар, тонкая стальная проволока и компаунд, позволяющие повысить количество рубежей защиты. Благодаря этим технологиям велосипедисты не «хватают» колючки и кусочки стекла, проволоки, передвигаясь по обочине без асфальта, грунтовкам и каменистым дорогам.

Такая покрышка пройдет не одну, а не менее двадцати тысяч километров, прежде чем сотрётся настолько, что её проколы всё же станут частым явлением. Расчёт стоимости одной такой покрышки, при котором этот ценник может повыситься в 10 раз и более, позволяет получить выгоду за счёт небольшого общего удешевления, не меняя аналогичные покрышки до 10 раз (этот фактор расценивается как затрата времени на ремонтные манипуляции) – при прохождении всё тех же 20000 км на одной и той же резине.

В данном случае велопокрышки являются этаким мультикомпозитом, где используется несколько улучшающих слоёв (матриц), а не один. Расчёт производства определённого вида композитного материала опирается на форму, в которой он используется. Армирующие включения используются в качестве нитей, лент, тонкой материи, волокнистого или жгутового компонента. Количество упрочнителя в материале по объёму и по массе – 30-80%, в зависимости от назначения отдельно взятой разновидности композита.