что такое композитные изделия
Композиционный материал
Композицио́нный материа́л (компози́т, КМ) — искусственно созданный неоднородный сплошной материал, состоящий из двух или более компонентов с четкой границей раздела между ними. В большинстве композитов (за исключением слоистых) компоненты можно разделить на матрицу и включенные в нее армирующие элементы. В композитах конструкционного назначения армирующие элементы обычно обеспечивают необходимые механические характеристики материала (прочность, жесткость и т.д.), а матрица (или связующее) обеспечивает совместную работу армирующих элементов и защиту их от механических повреждений и агрессивной химической среды.
Механическое поведение композиции определяется соотношением свойств армирующих элементов и матрицы, а также прочностью связи между ними. Эффективность и работоспособность материала зависят от правильного выбора исходных компонентов и технологии их совмещения, призванной обеспечить прочную связь между компонентами при сохранении их первоначальных характеристик.
В результате совмещения армирующих элементов и матрицы образуется комплекс свойств композиции, не только отражающий исходные характеристики его компонентов, но и включающий свойства, которыми изолированные компоненты не обладают. В частности, наличие границ раздела между армирующими элементами и матрицей существенно повышает трещиностойкость материала, и в композициях, в отличие от однородных металлов, повышение статической прочности приводит не к снижению, а, как правило, к повышению характеристик вязкости разрушения.
Для создания композиции используются самые разные армирующие наполнители и матрицы. Это — гетинакс и текстолит (слоистые пластики из бумаги или ткани, склеенной термореактивным клеем), стекло- и графитопласт (ткань или намотанное волокно из стекла или графита, пропитанные эпоксидными клеями), фанера… Есть материалы, в которых тонкое волокно из высокопрочных сплавов залито алюминиевой массой. Булат — один из древнейших композиционных материалов. В нем тончайшие слои (иногда нити) высокоуглеродистой стали «склеены» мягким низкоуглеродным железом.
В последнее время материаловеды экспериментируют с целью создать более удобные в производстве, а значит — и более дешёвые материалы. Исследуются саморастущие кристаллические структуры, склеенные в единую массу полимерным клеем (цементы с добавками водорастворимых клеев), композиции из термопласта с короткими армирующими волоконцами и пр.
Содержание
Классификация композитов
Композиты обычно классифицируются по виду армирующего наполнителя: [1]
Преимущества композиционных материалов
Главное преимущество КМ в том, что материал и конструкция создается одновременно. Исключением являются препреги, которые являются полуфабрикатом для изготовления конструкций. Стоит сразу оговорить, что КМ создаются под выполнение данных задач, соответственно не могут вмещать в себя все возможные преимущества, но, проектируя новый композит, инженер волен задать ему характеристики значительно превосходящие характеристики традиционных материалов при выполнении данной цели в данном механизме, но уступающие им в каких-либо других аспектах. Это значит, что КМ не может быть лучше традиционного материала во всём, то есть для каждого изделия инженер проводит все необходимые расчёты и только потом выбирает оптимум между материалами для производства.
Причём, разные классы композитов могут обладать одним или несколькими преимуществами. Некоторых преимуществ невозможно добиться одновременно.
Недостатки композиционных материалов
Композиционные материалы имеют достаточно большое количество недостатков, которые сдерживают их распространение.
Высокая стоимость
Высокая стоимость КМ обусловлена высокой наукоёмкостью производства, необходимостью применения специального дорогостоящего оборудования и сырья, а следовательно развитого промышленного производства и научной базы страны.
Анизотропия свойств
Низкая ударная вязкость
Низкая ударная вязкость также является причиной повышения коэффициента запаса прочности. Кроме этого, низкая ударная вязкость обуславливает высокую повреждаемость изделий из КМ, высокую вероятность возникновения скрытых дефектов, которые могут быть выявлены только инструментальными методами контроля.
Высокий удельный объем
Высокий удельный объем является существенным недостатком при применении КМ в областях с жесткими ограничениями по занимаемому объему. Это относится, например, к сверхзвуковым самолётам, у которых даже незначительное увеличение объема самолёта приводит к существенному росту волнового аэродинамического сопротивления.
Гигроскопичность
Композиционные материалы гигроскопичны, т.е. склонны впитывать влагу, что обусловлено несплошностью внутренней структуры КМ. При длительной эксплуатации и многократном переходе температуры через 0 по Цельсию вода, проникающая в структуру КМ, разрушает изделие из КМ изнутри (эффект по природе аналогичен разрушению автомобильных дорог в межсезонье). Так одной из возможных причин авиакатастрофы American Airlines Flight 587, в которой от фюзеляжа оторвался композитный киль, названо разрушение структуры композитного киля от периодически замерзавшей в ней воды. Аналогичные примеры отделения композитного киля от фюзеляжа происходили также в России. [2]
КМ могут впитывать также другие жидкости, обладающие высокой проникающей способностью, например, авиационный керосин.
Токсичность
При эксплуатации КМ могут выделять пары, которые часто являются токсичными. Если из КМ изготавливают изделия, которые будут располагаться в непосредственной близости от человека (таким примером может послужить композитный фюзеляж самолета Boeing 787 Dreamliner), то для одобрения применяемых при изготовлении КМ материалов требуются дополнительные исследования воздействия компонентов КМ на человека.
Низкая эксплуатационная технологичность
Композиционные материалы обладают низкой эксплуатационной технологичностью, низкой ремонтопригодностью и высокой стоимостью эксплуатации. Это связано с необходимостью применения специальных трудоемких методов, специальных инструментов для доработки и ремонта объектов из КМ. Часто объекты из КМ вообще не подлежат какой-либо доработке и ремонту.
Области применения
Товары широкого потребления
Спортивное оборудование
Машиностроение
В машиностроении композиционные материалы широко применяются для создания защитных покрытий на поверхностях трения, а также для изготовления различных деталей двигателей внутреннего сгорания (поршни, шатуны).
Характеристика
Технология применяется для формирования на поверхностях в парах трения сталь-резина дополнительных защитных покрытий. Применение технологии позволяет увеличить рабочий цикл уплотнений и валов промышленного оборудования, работающих в водной среде.
Композиционные материалы состоят из нескольких функционально отличных материалов. Основу неорганических материалов составляют модифицированные различными добавками силикаты магния, железа, алюминия. Фазовые переходы в этих материалах происходят при достаточно высоких локальных нагрузках, близких к пределу прочности металла. При этом на поверхности формируется высокопрочный металлокерамический слой в зоне высоких локальных нагрузок, благодаря чему удается изменить структуру поверхности металла.
Полимерные материалы на основе политетрафторэтиленов модифицируются ультрадисперсными алмазографитовыми порошками, получаемыми из взрывных материалов, а также ультрадисперсных порошков мягких металлов. Пластифицирование материала осуществляется при сравнительно невысоких (менее 300 °C) температурах.
Металлоорганические материалы, полученные из природных жирных кислот, содержат значительное количество кислотных функциональных групп. Благодаря этому взаимодействие с поверхностными атомами металла может осуществляться в режиме покоя. Энергия трения ускоряет процесс и стимулирует появление поперечных сшивок.
Технические характеристики
Защитное покрытие в зависимости от состава композиционного материала может характеризоваться следующими свойствами:
Технико-экономические преимущества
Области применения технологии
Авиация и космонавтика
В авиации и космонавтике с 1960-х годов существует настоятельная необходимость в изготовлении прочных, лёгких и износостойких конструкций. Композиционные материалы применяются для изготовления силовых конструкций летательных аппаратов, искусственных спутников, теплоизолирующих покрытий шатлов, космических зондов. Всё чаще композиты применяются для изготовления обшивок воздушных и космических аппаратов, и наиболее нагруженных силовых элементов.
Вооружение и военная техника
Благодаря своим характеристикам (прочности и лёгкости) КМ применяются в военном деле для производства различных видов брони:
Композитная история
Произнося слово «композитный», большинство из нас представляет что-то современное и инновационное. Например, обшивку для космического корабля или новейшего самолета, в крайнем случае – композитную пломбу или коронку на зуб. Редко мы задумываемся над тем, что композиты появились несколько тысяч лет назад, уходят своими корнями в Древний Египет. Об истории развития композитных материалов в мире, их современном применении и перспективах – в нашем материале.
История и устройство: от железобетона до нанокомпозитов
Композитный материал или просто композит – это материал, состоящий из двух или более компонентов, каждый из которых обладает различными физическими и химическими свойствами. При этом в сочетании друг с другом они создают новый материал или улучшают характеристики одного из них. Сегодня многие исследователи уверены, что за этими материалами будущее и называют XXI столетие веком композитов. Удивительно, но сама идея их создания родилась задолго до нашей эры.
Композитами, по сути, можно назвать даже саманные кирпичи, которые использовались в Древнем Египте. Главными компонентами такого древнего композита выступали глина и солома. Еще один пример античного композитного материала – бетон, который придумали древние римляне. Такой композит из смеси вяжущего вещества и дробленых камней использовался при строительстве масштабных зданий той эпохи. К примеру, знаменитый Пантеон считается самым крупным зданием в мире, купол которого выполнен из неармированного бетона.
Первым же «официальным» композитным материалом стал железобетон, который появился в конце XIX века. На его примере легко объяснить принцип строения композитов. Железобетон включает в себя два компонента: металлическую сетку и бетон. Главное, что граница между ними хорошо различима. Это и есть основная характеристика любого композита – он состоит из нескольких материалов, но с четкой границей между ними. Для сравнения, другой многокомпонентный материал – сталь – не является композитом. В ней углерод внедряется в кристаллическую решетку железа, и граница исчезает. Итак, в составе композита выделяют матрицу и наполнитель. Изменяя их состав и соотношение можно получить множество видов новых материалов с различными свойствами.
По структуре композиты делятся на несколько основных классов: волокнистые, дисперсно-упрочненные, упрочненные частицами и нанокомпозиты. Как следует из названия, волокнистые композиты армированы волокнами или нитевидными кристаллами. Самыми простыми и наглядными примерами могут послужить кирпичи с соломой и папье-маше.
Остальные три вида композиционных материалов объединяет тот факт, что их матрицы наполнены частицами армирующего вещества, а различаются они размерами этих частиц. В композитах, упрочненных частицами, их размер больше 1 мкм, а содержание составляет 20-25% от общего объема, тогда как в дисперсно-упрочненных композитах до 15% частиц размером от 0,01 до 0,1 мкм. Нанокомпозиты являются новым поколением композиционных материалов. В их состав входят частицы совсем маленькие – размером до 100 нм.
Эра пластика: универсальность полимерной матрицы
Различные волокна или кристаллы в композитах наполняют основную матрицу. Она в свою очередь тоже может быть разной: полимерной, деревянной, керамической или на основе металла. Композиты, в которых матрицей служит полимерный материал, являются сегодня самыми распространенными.
Пластик считается одним из основных новшеств прошлого века. Этот легкий и удобный материал обладал одним недостатком – хрупкостью. Именно эту проблему технологам удалось решить, армировав пластик по аналогии с железобетоном. Так появились углепластики и стеклопластики – полимерные материалы, с которыми мы связываем само понятие «композиты».
Использование стеклопластиков, где наполнителем является расплавленное неорганическое стекло, началось в середине XX века в оборонной промышленности. Тогда из них изготавливались антенные обтекатели. Сегодня стеклопластики широко используют в строительстве, судостроении, радиоэлектронике, производстве бытовых предметов, например, оконных рам, и так далее.
Углепластики – полимерные композиты, где наполнителем служат углеродные волокна. Легкость и высокая прочность – основные достоинства этих материалов. Углепластик в пять раз легче стали и примерно вдвое легче алюминия. Есть углепластики, которые способны на протяжении долгого времени выдерживать температуры до 3000 °С. Они применяются для создания высокотемпературных деталей ракет и самолетов. Например, для изготовления тормозных колодок для скоростных самолетов и многоразовых космических кораблей.
Композиты в небе и на земле
Сегодня «Технология» производит множество композиционных конструкций для космоса и авиации. Это обтекатели для ракет-носителей, панели для самых современных спутников, детали для военных и гражданских самолетов. К примеру, на предприятии создаются композитные конструкции для новейшего авиалайнера МС-21 и двигателей самолета Sukhoi Superjet 100.
Композиты сейчас применяются не только в космической индустрии и авиастроении, их можно встретить везде. Например, еще в 1980-х годах они «перекочевали» в автопром. Наглядной рекламой композитов для автомобилестроения послужила тогда победа на международных автогонках первого углепластикового болида. С тех пор с каждым годом объем композитов в современных машинах растет. Их использование позволяет снизить массу автомобиля примерно на четверть, а значит повысить эффективность двигателя и уменьшить расход горючего.
По мере развития науки композитные материалы становятся разнообразнее и дешевле. Всего столетие назад европейские монархи заказывали алюминиевые короны и сервировали столы алюминиевой посудой – тогда алюминий стоил дороже золота. Позже алюминий научились изготавливать в промышленных масштабах, и сегодня любой может купить газировку в алюминиевой банке и использовать фольгу. Композиты проходят тот же путь, и их развитие способно предоставить промышленности совершенно новые технологические возможности.
Что такое композит?
Что такое композит?
Простыми словами о сложном.
В современном мире существует огромное множество различных материалов, как природного происхождения, так и искусственного. Все эти соединения обладают разнообразными свойствами и внешним видом. В зависимости от данных характеристик, материалы используются – каждый для своей определенной цели.
Например, бывают, теплоизоляционные материалы, которые применяются в строительстве. Задача данных теплоизоляционных веществ – сохранение тепла внутри помещений.
Или же биоматериалы, которые достаточно широко востребованы в области медицины и биологии. Попытка использования данных материалов в других, противоположных целях – явно не принесет успеха производителю.
А это значит, что при создании своей продукции или товара, изготовитель должен тщательно подбирать необходимый, именно ему, материал.
Если говорить, о защитных подносках, которые успешно производим мы – ООО «Мелания», для создания самой оптимальной и продаваемой специальной обуви – то мы, как очень ответственное и грамотное предприятие, берем для подносков самые прочные материалы.
Цель защитных подносков – обеспечение безопасности ног сотрудников, чья работа, связана с потенциальным риском получения травм: порезов, ушибов, повреждений от электротока или химических реагентов. Поэтому, материал, из которого создаются прочные и безопасные защитные подноски обязан обладать универсальными свойствами.
Ранее, как уже известно, из предыдущих статей нашего блога, огромной популярностью пользовались подноски для обуви, изготовленные из металлов. Однако, металлические защитные подноски, не всегда справляются со своими прямыми обязанностями, хоть данный материал и считается достаточно прочным и надежным.
Сейчас, на смену этой металлической основы, пришло новое, прочное, совершенное соединение, которое, как показывает многолетняя практика – отлично справляется с защитой ног рабочих от различного рода травм. Данный материал получил название композит.
Хоть и композитные соединения, считаются достаточно сложными по своей структуре, мы, сегодня, постараемся рассказать вам о них, как можно больше интересной и познавательной информации, простым и доступным языком.
Композитные материалы – это соединения, при изготовлении которых, используются разнообразные, по своим свойствам, материалы. Композит может включать в свой состав два компонента, три компонента, или же, может являться многокомпонентным.
Теперь, когда у нас есть минимальное представление, что же такое композит, можно смело приступать к изучению современной классификации композитных материалов.
Не трудно догадаться, что любой композитный материал, может отличаться от другого, набором определенных соединений, свойств и прямых функций. Мы, сегодня, рассмотрим разнообразие видов композита, в зависимости от структуры своих соединений.
Наука делит композиты на три больших вида:
Волокнистые композитные материалы
Данный вид композитов – это прочное соединение, состав которого усилен надежной арматурой, арматурными наполнителями. Данная арматура, в большинстве своем, выполнена в виде нитей, лент, сеток и т.д.
Наличие данных усилителей в составе композита, делает материал намного прочнее, улучшает его механические свойства.
Волокнами армируются разнообразные материалы: пластмассы, металлы, матрицы из углерода и керамики.
Волокнистые композитные материалы различаются по способу укладки волокон в матрице – основном составе композита.
Сами армирующие волокна – это разнообразные, прочные и надежные усилители: борные, углеродные, карбидные и другие нити.
Конечно, получить такой композитный материал, усиленный прочной арматурой достаточно сложно, однако результат определенно стоит таких трудов.
Мы начали рассматривать материалы – композит, именно с волокнистых соединений, так как ярчайшим примером использования этого материала – мы считаем изготовление наших надежных защитных подносков.
И ведь действительно, отличительный состав этих композитных подносков –армирование прочными кевларовыми нитями.
Кевларовые волокна – настолько прочный элемент, что он, с успехом, используется при создании бронированных автомобилей и бронежилетов.
Это значит, что сомневаться в надежности композитных подносков – нет никакой необходимости.
А легкая матрица композитных подносков из полимеров делает их достаточно легкими и удобными в применении.
В заключение, о волокнистых композитных материалах, хочется добавить один интересный факт.
Хоть соединение и кажется нам довольно сложным по своему составу и происхождению, однако, первый прототип этого материала был создан еще в Древнем Египте.
Оболочки, для египетских мумий, изготавливали из папируса, который являлся волокнистым соединением и смолы, признанной основной матрицей композитного материала.
Гранулированные композитные материалы
Иногда, композит носит название порошковых или зернистых.
Гранулы, успешно, дополняют собой матрицу композитного материала. Зернистый наполнитель усиливает состав, делая его значительно прочнее. В результате чего, риск возникновения трещин при использовании соединений, стремится к нулю.
Гранулы, усиливающие материал, могут различаться по своим размерам и способу своего происхождения.
По размерам они делятся на: крупные или мелкие зерна, по способу происхождения на: естественные и искусственные.
К естественным относят: мел, тальк, кварц и многое другое.
К искусственным относят: углероды, металлы, силикаты и иное.
Использование мелкозернистых гранул придает материалу высокий уровень прочности, в отличие от сырья с крупными зернами усилителя.
Если в работе, имеется возможность создания зерен размеров менее 0,1 мкм (микрометр – международная единица измерения длины, равна миллионной доле одного метра), то композиты, с данным наполнителем, можно считать дисперсионно – упрочненными.
Эти мелкие гранулы наполнителя для композитов, имеют названия наночастиц или нанопорошка.
В качестве основного материала, часто используют полимерные матрицы, например полиуретан, эпоксидные смолы, поликарбонаты и другое.
Область применения этих композитов достаточно обширна: начиная от авиастроения, заканчивая областью народного хозяйства. Один из самых запоминающихся примеров данного гранулированного композита – кузов и бампер автомобиля.
Слоистые композитные материалы
К данному виду композитов относят материалы, структура которых, выполнена слоями из разнообразных соединений. В настоящее время, это один из самых популярных и доступных способов изготовления композитов.
Впервые, такой вид материала, начали использовать для изготовления надежных металлических доспехов, из многих слоев стали.
Состав структуры слоистого композита не ограничен.
Производители используют огромное разнообразие вариаций смешанных слоями соединений, в зависимости от требований к непосредственному изделию.
В составе могут присутствовать как природные материалы, так и искусственные, созданные человеком. При этом допустима и поочередная выкладка слоев материала из наполнителя и матрицы.
Главная особенность этих композитов – это своеобразная пластичность, возможность изгиба материала и износостойкость.
В зависимости от толщины самих слоев композита, материалы делятся на: пластины (1 – 10 мм.), фольгу (0,05 – 1 мм.), пленку (0,001 – 0,05 мм.).
В современном, высокотехнологичном мире для данных композитов, часто используют знакомые нам термопласты и реактопласты (подробнее о данных полимерах, вы можете узнать в нашей статье – «Применение пластмасс и ее разновидности»).
Для чего же, в конечном итоге, создаются несколько слоев в материале – композит, и какие у них функции?
Наглядным примером многослойного композитного изделия можно считать автомобильные стекла.
В их составе имеется, как органическое стекло, так и полимер, в виде пленки. За счет данного состава изделия, в случае удара по стеклу автомобиля, пленка предотвратит моментальное рассыпание стекла, это достаточно практично и безопасно для автолюбителей.
Рассмотрев эти три обширных вида композитов, следует сделать вывод, что это самый универсальный материал, при помощи которого, существует возможность изготавливать неповторимые элементы, с неограниченными функциями.
Область применения композитов не имеет границ, ежедневно, с помощью данных технологий, производят сотни тысяч незаменимых деталей.
Композитные материалы были изобретены не в процессе погони ученых за абсолютным соединением, а еще в древнее время, в условиях срочной потребности в прочных материалах.
Однако, именно современные знания и мощная техника, позволила усовершенствовать составы этих соединений и их структуры.
Новейшие композитные изделия делают существование общества значительно интереснее и проще.
К слову, большинство медицинских протезов, изготавливаются из прочных композитов.
Поэтому, композитный материал – просто незаменимая часть нашей жизни.
Не исключено, что в возможном будущем, учеными – техниками и химиками будет совершено новое колоссальное открытие и на смену композитам придет другой популярный материал.
Однако, в настоящее время, приоритетным и высокофункциональным, для изготовления прочных деталей и элементов, остается композит.
ООО «Мелания»
Именно поэтому, мы ООО «Мелания», производим надежные защитные подноски для специальной обуви из композитных материалов.
Состав наших композитных подносков позволяет избежать всевозможных травм на производстве. Поэтому обувь с данным защитным подноском очень популярна и достаточно быстро продается.
Если вы находитесь в поиске отличного защитного элемента для рабочей и специальной обуви, то будьте уверены, что прочнее, современнее и безопасней материала, чем композит – не существует.
А мы, как крупное предприятие, с многолетним опытом работы – готовы изготовить для вас партии подносков, любых объемов именно из этого незаменимого соединения.
Наши специалисты создают подноски из композита по геометрии ваших колодок. А это значит, что при изготовлении собственной обуви – не возникнет проблем с монтажом элемента.
Ваш бизнес станет лучше, прибыльнее и популярнее, стоит только связаться с нашими сотрудниками!
Выражаем большую благодарность за прочтение нашей статьи. Нам будет очень приятно, если вы поделитесь нашими контактами со своими знакомыми. Ведь может прямо сейчас, кто – то из них, заинтересован в сотрудничестве с нами!