Понимание композиционных материалов: типы, применение и преимущества

Композиционные материалы объединяют два разных материала с разными химическими и физическими свойствами. Это сочетание приводит к созданию материала, предназначенного для выполнения специфической задачи: стать электрически стойким, легче, прочнее или повысить жесткость.

Одна из причин, по которой пользователи предпочитают композиты традиционным материалам — их способность улучшать свойства базового материала. Другая — их полезность в разных применениях.

Краткая история

Человеческое использование композитов датируется тысячелетиями назад. Создание первых композитов датируется 3400 г. до н.э. в Ираке. Это древнее общество соединяло деревянные полосы друг с другом под разными углами для создания фанеры. Затем около 2181 г. до н.э. египтяне начали производить погребальные маски из льна или папируса, промасленного гипсом. После этого оба общества начали усиливать свои материалы соломой для укрепления лодок, гончарных изделий и кирпичей.

1200 г. н.э. монголы начали проектировать композитные луки, очень эффективные тогда. Они изготавливались из кости, дерева, шелка, рога, сухожилий скота и бамбука, скрепленных сосновой смолой.

После промышленной революции синтетические смолы приняли твердые формы через полимеризацию. В 1900-х знания о химии привели к созданию разных пластиков: виниловых, фенольных, полиэстерных. Разработка синтетиков ускорилась, и химик Лео Бэкеланд создал бакелит. Благодаря теплостойкости и диэлектричности он полезен в разных отраслях.

В 1930-х пришел великий период развития композитных материалов, получивших название «композиты». Owens Corning разработал стекловолокно и участвовал в создании индустрии полимеров, усиленных волокнами. Эти инженеризированные смолы актуальны до сих пор, и патент на насыщенные полиэстерные смолы получен в 1936 г. Через два года стали доступны смольные системы с более высокой производительностью.

В 1961 г. углеродное волокно (первое) было запатентовано и стало коммерчески доступным. В середине 1990-х композиты стали очень распространены в строительстве и производстве благодаря низкой стоимости по сравнению с ранее используемыми материалами.

Композиты Boeing 787 Dreamliner в середине 2000-х доказали их применение в высокопрочных приложениях.

Что такое композиционный материал?

Композит — составной материал, созданный комбинированием двух или более компонентов, каждый с разными химическими и физическими характеристиками. Такой тип комбинации обычно производит материал, предназначенный для выполнения определенной функции. Например, они могут быть легче, прочнее или более стойкими к электричеству. Следовательно, композиционный материал также может улучшать прочность, жесткость и долговечность.

Они более предпочтительны к традиционным материалам, так как известны улучшением свойств базовых материалов и полезны в большинстве промышленных применений: авто, авиа, морское, энергетика и др.

Несмотря на непохожие физические или химические свойства каждого компонента, они комбинируются для производства материала с уникальными свойствами, отличными от индивидуальных элементов. В комбинированной структуре эти индивидуальные элементы остаются разделенными, отличая композиты от твердых растворов и смесей.

Примеры инженеризированных композитов:

• композитное дерево, как фанера
• металломатричные композиты
• Армированный бетон и камень
• керамикоматричные композиты
• Усиленные пластики: стекловолокно или волокно-усиленный полимер.

Существует множество причин, почему новые материалы могут быть включены в эту категорию. Эти материалы прочнее, дешевле, легче или долговечнее обычных материалов.

Исследователи начали включать продвинутые функции: вычисления, сенсирование, коммуникацию, актуацию в композиты, известные как роботизированные материалы.

Композиционные материалы известны своим широким спектром применений, особенно в зданиях и мостах. Они также общеупотребительны для структур: панелей бассейнов, резервуаров, столешниц, душевых кабин, кузовов гоночных машин, имитации гранита, культивированных раковин из мрамора, корпусов лодок. Также становятся популярнее в автоприменениях. Другие передовые примеры отличны для требовательных сред: авиации и космонавтики.

Из чего сделаны композиты?

Композиты производятся из конкретной полимерной матрицы, усиленной натуральным или искусственным волокном: арамидным, стеклянным, углеродным, а также другими усиливающими материалами.

Матрица защищает волокна от внешнего или экологического ущерба и помогает передавать нагрузку между волокнами. Кроме того, волокна обеспечивают жесткость и предельную прочность на разрыв для усиления матрицы и помогают сопротивляться переломам и трещинам.

В большинстве промышленных продуктов матрица — полиэстерная смола, а усиление — стекловолокно. Однако существует множество сочетаний материалов усиления и смол в композитах. Множество комбинаций усиления и смол используются в композитах, каждый материал вносит вклад в особые свойства готового продукта. Волокно мощное, но хрупкое, дает жесткость и прочность на разрыв, а смолы, более гибкие, дают форму и защищают волокно.

Синтетические и натуральные композиты

Композиционные материалы могут быть в натуральной или синтетической форме. Например, дерево — натуральный композит, состоящий из древесного волокна и лигнина. Волокна вносят вклад в прочность дерева, лигнин связывает его и дает стабильность.

С другой стороны, фанера — композит, состоящий из синтетических и натуральных материалов. В случае фанеры тонкие слои шпона формируют плоские листы, более прочные по сравнению с натуральным деревом.

Являются ли пластики композитами?

Хотя некоторые пластики — композиты, некоторые — чистые пластики. Например, арамид-волокно-усиленные пластики популярны в производстве и близко имитируют свойства кевларовых пластиков, используемых для бронеплит и шлемов. Следовательно, другие пластики вроде полиэстера и эпоксидных смол усилены вторичным материалом в малых количествах. Так они повышают механическую прочность и долговечность без потери исходных свойств базового пластика.

Как композиты делаются на фабриках?

Вы можете путать рукотворные и промышленные композиты, они по сути одно и то же. Все композиты, недоступные в природе, называются рукотворными, будь то ручная укладка или машинное изготовление.

На фабриках есть разные методы: литье с передачей смолы (RTM), распыление, пультрузия, автоклавная обработка, нитевитое намотание и др. Однако производственные компании не делают сами композиты. Они выбирают правильный композит у поставщиков и обрабатывают их на ЧПУ в готовые композитные детали или продукты по проектным спецификациям.

Основные свойства композиционных материалов

Композиционные материалы обладают определенными уникальными свойствами, делающими их полезными в самых требовательных приложениях. Эти свойства способствуют их производительности.

Обсудим различные свойства, высоко полезные для производственных проектов.

Долговечность

Композиты можно использовать в суровых погодных условиях или коррозионных средах. Они также хорошо работают под повторяющимися нагрузками: механическими ударами и вибрациями. Все это делает их идеальным выбором для космических, авто и авиаприложений.

Ударная стойкость

Композиты спроектированы для переноса и рассеивания ударных сил без повреждений. Важное свойство для приложений, подверженных ударам. Их стойкость к повреждениям от столкновений или шоков делает их незаменимыми в аварийных структурах.

Прочность

Композиты известны как прочнее своих компонентов. Они усиливают прочность и жесткость, делая их отличным вариантом для приложений, требующих высокой несущей способности.

Гибкость

Композиты достаточно гибки для изгиба и деформации. Их можно спроектировать для изгиба в разных направлениях без разрыва. Их гибкая природа способствует широкому использованию в производстве протезных конечностей. Также композиты дают инженерам и дизайнерам лучший вариант для приложений, подверженных динамическим нагрузкам или вибрациям.

Химическая стойкость

Композиты выдерживают атаки агрессивных химикатов или сред. Поэтому идеальны для химически стойких покрытий и химического оборудования.

Легкость

Композиты — материалы с высокой плотностью энергии, позволяющие производить легкие компоненты и структуры. Их высокое отношение прочности к весу служит критическим свойством в отраслях, где снижение веса приоритет.

Тепловая стабильность

Композиционный материал устоен к деформации в высокотемпературных условиях. Способность сохранять структурную целостность в таких условиях — важное соображение для приложений, подверженных экстремальным температурам.

Электрическая проводимость

Композиты обладают отличной электрической проводимостью. Эти материалы спроектированы для достижения великих электрических свойств: изоляции или проводимости.

Акустическая изоляция

Другое отличительное свойство композитов — способность снижать или предотвращать передачу шума. Это звукоизоляционное свойство делает их идеальными для звукоизоляционных приложений.

Каковы преимущества композитов?

Композиты стали популярным материалом, который мы используем каждый день. От машин, которые мы водим, до гольф-инвентаря и труб в нашей среде — эти материалы играют огромную роль. Даже сложные устройства вроде ракетных кораблей нуждаются в композитах для работы. Важность этих материалов в нашей среде и повседневной жизни не может быть переоценена.

Композиты по сравнению с традиционными материалами предлагают гораздо больше преимуществ. Это можно атрибутировать их уникальным свойствам. Поэтому они стали более популярным выбором среди инженеров, дизайнеров и архитекторов. В некоторых требовательных средах, где тепловая стабильность или экстремальная прочность — приоритет, композиты обычно материал выбора.

Ниже стоимость

Композиты более экономичны, чем традиционные материалы вроде дерева и металла. Помимо меньшей стоимости, они предлагают большую функциональность. Также более экологичны, так как имеют меньше отходов.

Меньше производственного времени и усилий

Использование композитов в производстве сокращает время и усилия на сборку разных традиционных материалов.

Гибкость дизайна

Другое преимущество композитов — инженеры могут формировать их в любые желаемые формы и очертания. Поэтому они могут создавать сложные компоненты из этих материалов.

Типы композиционных материалов

Доступно несколько типов композитов на основе типа матричного материала и усиливающей среды. Они предлагают уникальные физико-механические свойства, делая их подходящими для широкого спектра требований.

Ниже приведены некоторые распространенные типы:

Нанокомпозиты

Этот тип композита существует в натуральной или искусственной форме. Обычно усилитель существует как наноматериал: графен или углеродные нанотрубки, добавляемые в полимерную смесь. Также может быть добавлением кремниевых наночастиц к стали для обеспечения тонкого и идеального кристаллического роста.

Тальк или карбонат кальция могут быть эффективны для обеспечения более прочных и жестких полимерных композитов в некоторых приложениях.

Типичные нанокомпозиты используют наноматериальные добавки для добавления жесткости, прочности, а также других свойств: тепловой или электрической проводимости к разным полимерным матрицам. Натуральные примеры: раковина и кость. В некоторых ситуациях наноматериалы представляют огромные риски для здоровья, поэтому их производство может быть проблемой.

Металломатричные композиты (MMC)

Металломатричные композиты используют металлическую матрицу: магний или алюминий, и волокнистый усилитель высокой прочности в виде усов или частиц.

Обычно усилители — частицы карбида кремния или углеродного волокна, создающие особые свойства, превышающие пределы базовых металлических компонентов: повышение температурной стойкости, повышение прочности перед началом лучшей износостойкости, ослабления и сниженного коэффициента теплового расширения.

Кроме того, металломатричные композиты полезны в авто и авиапроме и предлагают низкий вес и высокую прочность. Также полезны в спортивных товарах, медицинских приборах, электронике. Обработка этих композитов сложнее по сравнению с большинством типов. Это из-за высоких температур и проблем с равномерным распределением усилителя.

Полимероматричные композиты (PMC)

Это наиболее легко понятные и распространенные формы композитных материалов. Термин включает ручную укладку стекловолокна и углеродного волокна, а также впрыскиваемые, ручные или предпропитанные полиэстерные и эпоксидные смолы, формирующие матрицу.

Кроме того, PMC-композиты дают разные преимущества: высокую прочность и жесткость (в противовес весу детали), высокую химическую, термическую, абразивную и механическую стойкость. Также PMC требуют высококвалифицированного труда, что значит более высокие затраты, хотя обычно не чрезмерные для приложений, требующих высокопрочных результатов.

Также PMC очень полезны в морской, авто, авиа, спортивных товарах, наслаждаясь преимуществами жесткости, высокой прочности и легкости. Производство PMC имеет дело с методами сборки: нитевитое намотание и ручная укладка, которые могут быть медленными. Необходим точный контроль над всем процессом отверждения для достижения наиболее подходящих свойств материала.

Стекловолокно-усиленные полимеры (GFRP)

Эти образуют группу полимероматричных композитов, специфичную для полиэстерных и эпоксидных смол, скрепленных стекловолокном. Эти стекловолокна могут быть в рубленых прядях, предлагая анизотропную прочность структурам через смешанную ориентацию этих волокон.

Также усилитель может включать ткань, делая процесс более упорядоченным, но неподходящим для объемных компонентов, так как все волокна уложены в плоскости. С тканым прядением можно улучшить качество укладки и достичь большей прочности.

Гибридные композиты

Эти композиты существуют как минимум двух разных усиливающих волокон, включенных в итоговый материал. Комбинация может быть углеродного волокна и стекла в укладке — для лучшей стойкости. При производстве ракеток обычно используют титановые нити или сетку. Это помогает улучшить изгибную и растягиваемую производительность.

Материалы могут быть сложными, так как проблемы совместимости могут влиять на поведение материала — например, конкретное волокно может образовывать лучшую связь в противовес другому. Необходимо значительное тестирование для подтверждения реализуемости гибридной матрицы. Гибридные композиты делят похожие применения с PMC; однако из-за более высоких затрат их использование ограничено.

Керамикоматричные композиты (CMC)

Композит материалов: карбид кремния, алюминий, карбид бора, углерод — образует керамическую матрицу. Затем эта матрица усиливается прочными волокнами для формирования CMC. Эти керамические матрицы предлагают экстремальную коррозионную и температурную стойкость, а также отличные износные свойства. Однако керамика обычно хрупка, когда не усилена. Добавление фильтров из карбида кремния, углерода или аллюмины может сделать материал более пригодным и противодействовать хрупкости.

CMC полезны для изготовления лопаток газовых турбин, теплообменников, авиа/ракетных компонентов. Эти композиты очень дороги и довольно хрупки, ограничивая их использование. Однако эта сфера — одно из великих исследований, свойства улучшаются.

Натурально-волокнистые композиты (NFC)

Использование натуральных волокон становится трендом в производстве композитов. Это снижает воздействие этих материалов на среду при их использовании. Некоторые натуральные волокна: дерево, джут, хлопок, лен — важны по-разному.

Натуральные волокна, скрепленные смолой, полезны в производстве внутренних панелей авто. Эти волокна проходят прессовку для принятия конкретной формы, после чего обиваются кожей или пластиками для финальной поверхности.

Для обеспечения большей прочности и создания древесного эффекта можно добавлять древесные волокна к полимерам. Также доски для скейтбордов широко используют натуральные волокнистые усиления в полиэстерных матрицах.

Углеродноволокно-усиленные полимеры (CFRP)

Эти образуют подмножество полимероматричных композитов. Специфичны для полиэстерных и эпоксидных смол, скрепленных углеродными волокнами. Рукотворные укладки требуют углеродного волокна как тканого прядения, используя узоры плетения для разных типов распределения напряжений и нагрузок.

Здесь вы пропитываете волокна термически активируемыми смолами. Это укладывает гибкий материал, затем он сжимается для помощи в ликвидации и отверждении смолы, производящий жесткий результат. Также возможно пультрудировать углеродные фильтры с разными полимерами для создания непрерывных длин CFRP в разных сложных сечениях.

Арамидноволокно-усиленные полимеры (AFRP)

Эти образуют другую группу полимероматричных композитов, использующих арамид как усилитель. Арамидноволокнистые компоненты полезны в высокоударных приложениях. Обычно арамид полезен как тканая ткань. Кроме того, они предпропитаны полиэстерными и эпоксидными смолами.

Другой композит здесь — арамид/бумага медовой ячейки, полезные в низкопрофильных напольных панелях — эпоксидных склеенных и слоистых с алюминиевыми листами.

Функционально-градуированные композиты (FGC)

Функционально-градуированные композиты формируют часть всех типов композитов. В этом материале можно модифицировать компоненты в приложении через производительность структуры. Когда свойства постепенно транзитят, они полезны для избежания концентраций напряжений.

Также функциональная градация может быть такой легкой, как изменение или добавление волокнистого содержимого в точке повышенного напряжения; прогрессивная гибридизация для помощи ударной устойчивости в некоторых регионах; изменения в узоре плетения в прядении для изменения распределения нагрузки.

FGC полезны для изготовления более устойчивых и легких космических и авиационных компонентов: ракетных сопел и турбинных лопаток.

Макро-композиты

В отличие от микро- или нано-форм, макро-композиты комбинируют компоненты в крупной форме. Слои или структура четко видны. Они толще и могут вмещать разные типы материалов в разных зонах одного листа или прутка.

Микро-типы используются в высокопрочных приложениях: структурных элементах и грузовых аксессуарах. Следовательно, они могут быть фактически кастомизированы для выполнения специфических требований: механической прочности и гибкости.

Каковы промышленные применения композиционных материалов?

Ниже некоторые области применения композиционных материалов:

• Фанера в строительстве
• Стеклоусиленный пластик для высокопрочной формовки
• Корпуса лодок, каяки, обшивки самолетов, мотоциклетские обтекатели
• Оправы очков (обычно литье пластика над конкретной металлической структурой)
• Углеродное волокно (эпоксидное) в удочках
• Железобетон для строительных целей
• Напольные покрытия самолетов

Заключение

RapidDirect обладает обширным опытом проведения исследований и вовлечен в разработку композиционных материалов. Наша экспертиза охватывает все области использования композитов: дизайн, моделирование, обработка, НК, ремонт, соединение, тестирование и многое другое.

Кроме того, наша dedicadaя команда по обработке композитов ведет ваш проект для соответствия всем проектным спецификациям и требованиям. Наш кастомный подход к инструментарию для ЧПУ-услуг позволяет нам обрабатывать углеродное волокно, полимерную матрицу, кевлар и другие жесткие композиты. Пришлите нам ваш дизайн, если ищете высокопрочные детали.

Частые вопросы

Являются ли композиты в целом пластиками?

Нет, композиты в целом не пластики. Хотя большое число композитов включают полимеры как базовый материал, другие материалы, такие как керамика или металлы, могут служить базовым компонентом композитов. Некоторые композиты даже включают натуральные волокна.

Что дороже: композиты или традиционные материалы?

Тип материалов, комбинируемых для производства композита, определит его стоимость. Факторы вроде производственных процессов и типов материалов могут сделать композиты дороже традиционных в некоторых случаях. Однако композиты — низкозатратный материал в терминах их улучшенной производительности, меньшего веса и большей долговечности.

Каковы основные категории композиционных материалов?

Композиционные материалы делятся на четыре основные категории. Это: углеродноматричные композиты (CMC), полимероматричные композиты (PMC), керамикоматричные композиты (CMC) и металломатричные композиты (MMC).

Являются ли композиты экологически дружественными?

В большинстве случаев композиты экологически дружественны. Однако другие факторы, как их материаловый состав, могут быть детерминантом. Пока некоторые композиты хороши для переработки, другие могут представлять угрозу для среды из-за своих компонентов. Недавние исследования направлены на разработку перерабатываемых композитов.

Какие матричные материалы обычно используются в композитах?

Полимеры разных типов — распространенные материалы для производства композитов. Другие включают керамику вроде аллюмины, металлы вроде титана или алюминия, и углерод.

Каковы недостатки композиционных материалов?

Как и другие материалы, композиты имеют недостатки. Они трудны в ремонте и обслуживании, восприимчивы к делиминации и очень сложны в производстве для некоторых конкретных приложений. Также ударная стойкость ниже по сравнению с традиционными материалами вроде металла.

Какие волокнистые материалы обычно используются в композитах?

Большинство композитов всегда включают материалы вроде арамидных волокон (Кевлар), углеродных волокон, стекловолокон, металлических волокон (алюминий), натуральных волокон (конопля, лен).