Композитні матеріали: історія, склад, застосування
За матеріалами Wikipedia
Композитний матеріал, також званий композиційний матеріал або композит - це штучно створений неоднорідний суцільний матеріал, що складається з двох або більше компонентів, різних за фізичними і хімічними властивостями, які залишаються роздільними на макроскопічному рівні в фінішній структурі.
Механічне поведінка композиту визначається співвідношенням властивостей армуючих елементів і матриці, а також міцністю зв'язку між ними. Ефективність і працездатність матеріалу залежать від правильного вибору вихідних компонентів і технології їх поєднання, покликаної забезпечити міцний зв'язок між компонентами при збереженні їх початкових характеристик.
Найпримітивніший композитний матеріал - це цеглини з глини і соломи, які застосовувалися в будівництві ще в стародавньому Єгипті. Космічні кораблі служать прикладами найбільш просунутих композитів, що витримують роботу в екстремальних середовищах. Найпоширеніший композит це асфальтобетон або цемент зі сталевою арматурою. Також ми можемо зустріти його і на кухні, де з композитного матеріалу роблять стільниці, з гранітної або мармурової крихтою.
Що таке композитний матеріал
Матеріал матриці оточує і фіксує армуючий матеріал, надає виробу форму. Армуюче речовина передає виробу свої механічні і фізичні властивості, і, таким чином, підсилює властивості матриці. Такий взаємозв'язок дозволяє створити більш досконалий матеріал з набором властивостей, недоступним кожному з вхідних в його склад матеріалів окремо. Широка гамма армуючих і матричних матеріалів дає можливість створювати матеріал з тими властивостями, які відповідають призначенню виробу.
Для того, щоб надати форму композитного матеріалу використовується оснащення. Матричний матеріал укладається в оснастку разом з армуючим матеріалом. Потім матриця застигає, тим самим створюючи форму виробу. Залежно від того, що за матеріал використовується в якості матриці, цей процес називають хімічної полімеризації або схоплюванням.
Термін «композитний матеріал» найбільш часто застосовується щодо композитів на основі полімерних матриць або смоли. Полімери дуже різноманітні, нам цікаво кілька видів (званих по назві основних речовин в їх складі) - епоксидні, поліефірні, винилефірні, фенольні, поліпропіленові та ін. Як армуючі речовин найбільш поширені волокна і сипучі речовини. Великий вплив на властивості композитного матеріалу надає підсумкове співвідношення матриці та армуючих волокон. Чим менше в виробі смоли, тим міцніше виріб. Удосконалення технології в області формування направлено на досягнення ідеальних пропорцій компонентів в матеріалі.
Методи формування виробів з композитних матеріалів
У процесі виробництва, що називається формуванням, що становлять вироби, армирующее речовина і матриця об'єднуються, і йому надається форма. Форма деталі незмінна, за винятком випадків руйнівних впливів. Для термореактивних полімерних матричних матеріалів процес формування полягає в хімічній реакції затвердіння. Для термопластичних полімерних матриць, процес формування полягає в застиганні з розплавленого стану. Як правило, процес здійснюється при кімнатній температурі і нормальному тиску.
Ручне або контактна формування, як найпоширеніший і дешевий метод створення ламінату, має ряд серйозних недоліків:
- велика кількість смоли в виробі, що робить його ламким
- складність досягнення ідеальних пропорцій матричного і армуючого речовини
- нерівномірність товщини ламінату та повітряні пастки всередині
Все це призводить до того, що виріб стає крихким, неміцним, важким, нездатним витримувати механічні навантаження. Повітряні пастки всередині ламінату з часом починають руйнувати його зсередини. Більш досконалі технології формування усувають частково або повністю недоліки ручного формування, ось деякі з них.
вакуумне формування
У цьому процесі використовується відкрита оснащення, в яку вкладаються компоненти композитного матеріалу. Зверху оснащення закривається полімерною плівкою (вакуумним пакетом) або силіконової мембраною. Потім накладається вакуум. Процес може проходити при кімнатній або підвищеній температурі і при атмосферному тиску. Варіації цієї технології використовують підвищений тиск повітря або пара з зовнішньої сторони плівки (мембрани).
Вакуумна інфузія (вакуумна просочення)
Процес вакуумної інфузії це техніка, яка використовує силу вакуумного тиску для введення смоли в ламінат. Матеріали майбутнього композиту викладаються в сухому вигляді в оснастку, потім накладається вакуум, до введення смоли. Як тільки досягається тиск вакууму, смола засмоктується в ламінат по спеціальних трубках. У цьому процесі використовується набір допоміжних матеріалів та інструментів.
RTM (Resin transfer moulding) Інжекція в закриту форму
RTM - метод виробництва виробів середніх серій. У цьому процесі сполучні впорскується в закриту форму, вже містить сухий армуючий матеріал. Вироби, відформовані методом RTM, мають дві гладкі сторони і точно витриману форму і розмір. Варіації технології використовують вакуум або тиск для введення смоли. Процес може проводитися при кімнатній або підвищеній температурі.
Інші види, такі як пултрузії, намотування, формування під тиском SMC (Sheet Moulding Compound), DMC (Bulk Moulding Compound), відкрите формування (контактна формування і напилення) ми не будемо детально розглядати, як специфічні.
Композитні матеріали завоювали свою популярність, незважаючи на високу вартість, в галузях, де механічні властивості повинні поєднуватися з низькою вагою і можливістю витримувати високі навантаження. Найбільш часто згадуються авіакосмічні компоненти (хвости, крила, фюзеляж, пропелери), корпусу і весла суден, кузова автомобілів, велосипедні рами, вудилища. Крила і фюзеляж нового Боїнга 787 Dreamliner більш ніж на 50% виконані з композитних матеріалів.