Понимание композитных материалов:типы, применение и преимущества

Композиционные материалы представляют собой сочетание двух разных материалов с разными химическими и физическими свойствами. Эта комбинация приводит к созданию материала, предназначенного для выполнения конкретной задачи, например, повышения устойчивости к электричеству, облегчения, прочности или улучшения жесткости. 

Одна из причин, по которой пользователи предпочитают композитные материалы традиционным материалам, связана с их способностью улучшать свойства основного материала. Другая причина — их полезность в различных приложениях.

Краткая история

Использование человеком композитов началось тысячу лет назад. Создание первых композитов произошло в 3400 г. до н.э. в Ираке. Это древнее общество соединяло деревянные полосы друг с другом под разными углами, чтобы создать фанеру. Затем, примерно в 2181 году до нашей эры, египтяне начали производить посмертные маски из льна или пропитанного гипсом папируса. После этого оба общества начали укреплять свои материалы соломой, чтобы укрепить лодки, керамику и кирпичи.

В 1200 году нашей эры монголы начали создавать композитные луки, которые на тот момент были очень эффективными. Их изготавливали из кости, дерева, шелка, рога, сухожилий крупного рогатого скота и бамбука, скрепленных сосновой смолой.

После промышленной революции синтетические смолы приобрели твердую форму посредством полимеризации. В 1900-х годах эти знания о химических веществах привели к созданию различных пластмасс, таких как винил, фенол и полиэстер. Вскоре началась разработка синтетических материалов, и химик Лео Бакеланд создал бакелит. Благодаря своей термостойкости и неспособности проводить электричество он находит применение в различных отраслях промышленности.

В 1930-е годы наступило прекрасное время для разработки сложных материалов, получивших название «композиты». Оуэнс Корнинг разработал стекловолокно и участвовал в создании индустрии полимеров, армированных волокном. Эти модифицированные смолы используются до сих пор, а патентование ненасыщенных полиэфирных смол произошло в 1936 году. Два года спустя стали доступны системы смол с более высокими характеристиками.

В 1961 году было запатентовано углеродное волокно (впервые в истории); тогда он был коммерчески доступен. В середине 1990-х годов композиты стали очень распространены в строительных и производственных процессах из-за их низкой стоимости по сравнению с используемыми ранее материалами.

Композиты Boeing 787 Dreamliner, используемые в середине 2000-х годов, доказали свою эффективность в высокопрочных приложениях.

Что такое композитный материал?

Композит – это сложный материал, изготовленный путем объединения двух или более компонентов, каждый из которых имеет разные химические и физические характеристики. В результате такого типа комбинации обычно получается материал, предназначенный для выполнения определенной функции. Например, они могут быть легче, прочнее или более устойчивыми к электричеству. Следовательно, композитный материал также может улучшить прочность, жесткость и долговечность.

Они более предпочтительны по сравнению с традиционными материалами, поскольку известно, что они улучшают характеристики своих основных материалов и полезны в большинстве промышленных применений, в автомобильной, аэрокосмической, морской, энергетической и т. д.

Несмотря на различные физические или химические свойства каждого из составляющих материалов, они объединяются, образуя материал с уникальными свойствами, отличными от их отдельных элементов. В объединенной структуре эти отдельные элементы разделены, что отличает композиты от твердых растворов и смесей.

Примеры инженерных композитов включают:

• композитная древесина, например фанера.
• композиты с металлической матрицей
• Железобетон и каменная кладка.
• композиты с керамической матрицей 
• Армированные пластмассы, такие как стекловолокно или армированный волокном полимер. 

Существуют различные причины, по которым новые материалы могут быть включены в эту категорию. Эти материалы прочнее, дешевле, легче и долговечнее обычных материалов.

Исследователи начали включать в композиты, известные как роботизированные материалы, расширенные функции, такие как вычисления, распознавание, коммуникация и приведение в действие.

Композитные материалы известны широким спектром применения, особенно в зданиях и мостах. Они также обычно используются для таких конструкций, как панели бассейнов, резервуары для хранения, столешницы, душевые кабины, кузова гоночных автомобилей, искусственный гранит, раковины из искусственного мрамора и корпуса лодок. Кроме того, они становятся все более популярными в автомобильной промышленности. Другие продвинутые примеры отлично подходят для использования в сложных условиях, таких как самолеты и космические корабли.

Из чего состоят композиты?

Композиты изготавливаются из особой полимерной матрицы, армированной натуральными искусственными волокнами, такими как арамид, стеклоуглерод, а также другими армирующими материалами.

Матрица обеспечивает защиту волокон от любых внешних повреждений или повреждений окружающей среды и помогает передавать нагрузку между этими волокнами. Кроме того, волокна обеспечивают жесткость и прочность на разрыв, укрепляя матрицу, а также помогают противостоять изломам и трещинам.

В большинстве промышленных продуктов матрица представляет собой полиэфирную смолу, а армирование — стекловолокно. Однако в композитах используется множество смесей армирующих материалов и смол. Однако в композитах используется множество комбинаций армирующих материалов и смол, причем каждый материал придает особые свойства готовому изделию. Волокно прочное, но хрупкое, оно обеспечивает жесткость и прочность на разрыв, а более гибкие смолы придают волокну форму и защищают его.

Синтетические и натуральные композиты

Композитные материалы могут быть натуральными и синтетическими. Например, древесина – это природный композит, состоящий из древесного волокна и лигнина. Волокна способствуют прочности древесины, а лигнин связывает ее и обеспечивает стабильность. 

С другой стороны, фанера – это композит, состоящий как из синтетических, так и из натуральных материалов. В случае фанеры тонкие слои шпона образуют плоские листы, более прочные по сравнению с натуральной древесиной.

Являются ли пластмассы композитами? 

Хотя некоторые пластмассы являются композитами, некоторые представляют собой чистые пластмассы.  Например, армированные арамидными волокнами пластики популярны в производстве и близко имитируют свойства пластиков Кельвар, которые используются для изготовления броневых пластин и шлемов. Следовательно, другие пластмассы, такие как полиэфирные и эпоксидные смолы, армируются вторичным материалом в небольших количествах. Так, они повышают механическую прочность и долговечность, не теряя при этом первоначальных свойств основного пластика.

Как композиты производятся на заводах? 

Вас могут спутать с искусственными композитами и промышленными композитами, по сути это одно и то же.  Все композиты, недоступные в природе, называются искусственными, независимо от того, складываете ли вы их вручную или используете машину.

На фабриках используются разные методы; Трансферное формование смолы (RTM), напыление, пултрузия, автоклавная обработка, нитевая сварка и т. д. Однако компании-производители сами не производят композиты. Они выбирают подходящий композит у поставщиков и превращают его в готовые композитные детали или изделия в соответствии с разработанными спецификациями.

Основные свойства композиционных материалов

Композитные материалы обладают некоторыми отличительными свойствами, которые делают их полезными в самых требовательных приложениях. Эти свойства композитов способствуют их эксплуатационным характеристикам.

Давайте обсудим различные свойства, которые очень полезны для производственных проектов. 

Долговечность  

Композитные материалы могут использоваться в суровых погодных условиях или агрессивных средах. Кроме того, они хорошо работают при повторяющихся нагрузках, таких как механические удары и вибрации. Все это делает их идеальным выбором для космических кораблей, автомобилестроения и аэрокосмической промышленности.

Ударопрочность

Композиты предназначены для того, чтобы выдерживать и рассеивать ударные силы, не повреждая их. Это важное свойство для приложений, подвергающихся воздействию. Их устойчивость к повреждениям в результате столкновений или ударов делает их незаменимыми в аварийных конструкциях.

Сила 

Известно, что композиты прочнее материалов, входящих в их состав. Они повышают прочность и надежность, что делает их отличным вариантом для применений, требующих высокой несущей способности.

Гибкость

Композиты достаточно гибки для изгиба и деформации. Их можно спроектировать так, чтобы они сгибались в разных направлениях, не ломаясь. Их гибкий характер способствует их широкому использованию в производстве протезов конечностей. Кроме того, композитные материалы предлагают инженерам и дизайнерам лучший вариант в приложениях, подверженных динамическим нагрузкам или вибрации.

Химическая устойчивость

Композиты могут выдержать воздействие агрессивных химикатов или окружающей среды. Поэтому они идеально подходят для химически стойких покрытий и химико-технологического оборудования 

Легкий

Композиты — это мощные материалы, которые позволяют производить легкие компоненты и конструкции. Их высокое соотношение прочности и веса является критически важным свойством в отраслях, где снижение веса является приоритетом.

Термическая стабильность

Композиционный материал устойчив к деформации в условиях высоких температур. Эта способность сохранять свою структурную целостность в таких условиях является важным фактором для применений, подвергающихся воздействию экстремальных температур. 

Электрическая проводимость

Композиты обладают превосходной электропроводностью. Эти материалы разработаны для достижения превосходных электрических свойств, таких как изоляция или проводимость.

Акустическая изоляция

Еще одной отличительной особенностью композитов является их способность уменьшать или предотвращать передачу шума. Эти звукоизоляционные свойства делают его идеальным для звукоизоляции.

Каковы преимущества композитов?

Композиты стали популярным материалом, который мы используем каждый день. От автомобилей, на которых мы ездим, до оборудования для гольфа, которое мы используем, и труб, используемых в окружающей среде, — эти материалы выполняют огромную функцию. Даже некоторым сложным устройствам, таким как ракетные корабли, для работы необходим композит. Важность этих материалов в нашей окружающей среде и повседневной жизни невозможно переоценить.

Композиты по сравнению с традиционными материалами предлагают гораздо больше преимуществ. Это можно объяснить их уникальными свойствами. Поэтому они стали более популярным выбором среди инженеров, дизайнеров и архитекторов. В некоторых сложных условиях, где термическая стабильность или чрезвычайная прочность являются приоритетом, композиты обычно являются подходящим материалом.

Снижение затрат

Композиты более экономичны, чем традиционные материалы, такие как дерево и металл. Помимо того, что они дешевле, они обладают большей функциональностью. Кроме того, они более экологичны, поскольку содержат меньше отходов.

Меньше времени и усилий

Использование композита в производстве сокращает время и усилия, затрачиваемые на сборку различных традиционных материалов.

Гибкость дизайна

Еще одним преимуществом композитных материалов является то, что инженеры могут придавать им любые желаемые формы. Поэтому из этих материалов можно создавать сложные детали.

Типы композитных материалов

Доступно несколько типов композитов в зависимости от типа матрицы материала и армирующей среды. Они обладают отличными физическими и механическими свойствами, что делает их пригодными для широкого спектра требований. 

Ниже приведены некоторые распространенные типы; 

Нанокомпозиты

Этот тип композиционного материала существует либо в естественной, либо в искусственной форме. Обычно усилитель существует в виде наноматериала, такого как графема или углеродные нанотрубки, которые добавляются в полимерную смесь. Это также может быть добавление наночастиц кремния в сталь для обеспечения тонкого и идеального роста кристаллов. 

В некоторых случаях тальк или карбонат кальция могут быть эффективными для получения более прочных и жестких полимерных композитов.

В типичных нанокомпозитах используются добавки наноматериалов для придания жесткости, прочности, а также других свойств, включая теплопроводность или электропроводность, различным полимерным матрицам. Их природные примеры включают скорлупу и кость. Более того, в некоторых ситуациях наноматериалы представляют огромный риск для здоровья, поэтому производство этих материалов может стать проблемой.

Композиты с металлической матрицей (MMC)

В композитах с металлической матрицей используется металлическая матрица, такая как магний или алюминий, а также армирующее волокно высокой прочности в форме нитевидных кристаллов или частиц. 

Как правило, армирующие материалы представляют собой частицы карбида кремния или углеродного волокна, которые создают особые свойства, превосходящие пределы основных металлических компонентов, включая повышение термостойкости, увеличение прочности, перед началом лучшей износостойкости, ослабления и снижения коэффициента теплового расширения.

Кроме того, композиты с металлической матрицей используются в автомобильной и аэрокосмической промышленности и обладают малым весом и высокой прочностью. Кроме того, они полезны в спортивных товарах, медицинских приборах и электронике. Обработка этих композитов более сложна в отличие от большинства типов композитов. Это связано с высокими температурами, а также с проблемами с равномерным распределением армирующего материала.

Композиты с полимерной матрицей (ПМК)

Это наиболее понятные и распространенные формы композитного материала. Этот термин включает ручную укладку тканей из стекловолокна и углеродного волокна, а также инжектирование вручную или предварительно пропитанную полиэфирную и эпоксидную смолу, образующую матрицу.

Кроме того, композиционные материалы PMC обладают различными преимуществами, в том числе высокой прочностью и жесткостью (в отличие от веса детали), а также высокой химической, термической, абразивной и механической стойкостью. Кроме того, композиты с полимерной матрицей требуют очень квалифицированной рабочей силы, что означает более высокие затраты, хотя они обычно не являются чрезмерными для любого применения, требующего высокопрочных результатов.

Кроме того, ЧВК очень полезны в морской, автомобильной, аэрокосмической, а также спортивной промышленности, поскольку обладают такими преимуществами, как жесткость, высокая прочность и легкий вес. Производственные ЧВК используют такие методы сборки, как намотка накаливания и ручная укладка, что может быть медленным процессом. Для достижения наиболее подходящих свойств материала необходим точный контроль над всем процессом отверждения.

Полимеры, армированные стекловолокном (GFRP)

Они образуют группу композитов с полимерной матрицей, которые характерны для полиэфирных и эпоксидных стекловолоконных материалов. Эти стеклянные волокна могут находиться внутри рубленых прядей, придавая структурам некоторую анизотропную прочность за счет смешанной ориентации этих волокон. 

Также в качестве армирования можно использовать ткань, что сделает процесс более упорядоченным, но не подходит для объемных деталей, поскольку все волокна уложены в плоскости. С помощью тканого ровинга можно улучшить качество укладки и добиться большей прочности.

Гибридные композиты

Эти композиты существуют как минимум в виде двух разных армирующих волокон, которые включаются в конечный материал. Комбинация может представлять собой комбинацию углеродного волокна и стекла, чтобы обеспечить лучшее сопротивление. При изготовлении ракеток обычно используют титановые пряди или сетку. Это помогает улучшить характеристики изгиба и растяжения.

Материалы могут быть сложными, поскольку проблемы совместимости могут повлиять на поведение материала — например, определенное волокно может образовывать лучшее соединение по сравнению с другим. Необходимо провести серьезное тестирование для подтверждения осуществимости гибридной матрицы. Гибридные композиты имеют те же области применения, что и PMC; однако из-за более высокой стоимости их использование ограничено.

Композиты с керамической матрицей (КМК)

Керамическую матрицу составляет композит таких материалов, как карбид кремния, алюминий, карбид бора и углерод. Затем эта матрица армируется прочными волокнами с образованием КМЦ. Эти керамические матрицы обладают исключительной устойчивостью к коррозии и температурам, а также отличными износостойкими свойствами. Однако керамика обычно становится хрупкой, если она не армирована. Добавление фильтров из карбида кремния, углерода или оксида алюминия может сделать материал более пригодным для использования и снизить его хрупкость.

КМЦ полезны при изготовлении лопаток газовых турбин, теплообменников и компонентов аэрокосмической и ракетной техники. Эти композиты очень дороги и достаточно хрупки, что ограничивает их применение. Тем не менее, эта область является одной из самых интересных для исследований, и ее свойства продолжают улучшаться.

Композиты из натуральных волокон (NFC)

Использование натуральных волокон становится тенденцией в производстве композитов. Это снижает воздействие этих материалов на окружающую среду во время их использования. Некоторые натуральные волокна, включая дерево, джут, хлопок и лен, важны по-разному.

Натуральные волокна, связанные смолой, используются при изготовлении внутренних панелей автомобиля. Эти волокна подвергаются компрессионному формованию, чтобы принять определенную форму, после чего их обшивают кожей или пластиком для окончательной обработки. 

Для обеспечения большей прочности и создания эффекта древесины в полимеры можно добавлять древесные волокна. Кроме того, в деках скейтбордов широко используется армирование из натуральных волокон в матрицах из полиэфирной смолы.

Полимеры, армированные углеродным волокном (CFRP)

Они образуют подмножество композита с полимерной матрицей. Они специфичны для полиэфирных и эпоксидных углеродных волокон. Ручная укладка требует использования углеродного волокна в качестве ровницы с использованием рисунков переплетения для различного распределения напряжения и типов нагрузки. 

Здесь вы пропитываете волокна термоактивированными смолами. При этом гибкий материал складывается, а затем сжимается, что способствует разжижению и отверждению смолы, что приводит к получению жесткого результата. Также возможно пултрудировать угольные фильтры с различными полимерами для создания непрерывных отрезков углепластика в различных сложных секциях.

Полимеры, армированные арамидным волокном (AFRP)

Они образуют еще одну группу композитов с полимерной матрицей, в которых в качестве армирующего элемента используется арамид. Компоненты из арамидного волокна полезны при работе с высокими ударными нагрузками. Обычно арамид используется в качестве тканого материала. Дополнительно они предварительно пропитываются полиэфирными и эпоксидными смолами. 

Еще одним композитом здесь является сотовый материал из арамида и бумаги, который можно использовать в низкопрофильных панелях для полов, которые скреплены эпоксидной смолой и уложены слоями с использованием алюминиевых листов.

Функционально классифицированные композиты (ФГК)

Функционально-градуированные композиты входят в состав всех типов композитов. В этом композитном материале вы можете изменять составные части в приложении посредством характеристик структуры. Когда свойства постепенно изменяются, они полезны для предотвращения концентрации напряжений. 

Кроме того, функциональная классификация может быть такой же простой, как изменение или добавление содержания клетчатки в точке повышенного напряжения; прогрессивная гибридизация, которая поможет повысить устойчивость в некоторых регионах; изменения рисунка переплетения ровницы для изменения распределения нагрузки.

FGC полезны для создания более устойчивых и легких компонентов космических кораблей и самолетов, таких как сопла ракет и лопатки турбин.

Композитные макросы

В отличие от микро- или наноформ, макрокомпозиты объединяют составляющие материалы в более крупной форме. Вы можете ясно видеть слои или структуру. Они толще и позволяют размещать разные типы материалов на разных участках одного листа или бруска.

Микротипы используются в высокопроизводительных приложениях, таких как конструкционные элементы и грузовые аксессуары.  Следовательно, их можно настраивать в соответствии с некоторыми конкретными требованиями, такими как механическая прочность и гибкость.

Каково промышленное применение композитных материалов?

Ниже приведены некоторые области применения композитных материалов.

• Фанера во время строительства.
• Пластик, армированный стекловолокном, обеспечивает высокую прочность формования.
• Корпуса лодок, каяков, обшивки самолетов и обтекатели мотоциклов.
• Оправы для очков (обычно пластик формируется поверх определенной металлической конструкции)
• Углеродное волокно (эпоксидное связующее) в удочках.
• Железобетон полезен в строительстве.
• Полы самолетов

Заключение

RapidDirect имеет огромный опыт проведения исследований и занимается разработкой композиционных материалов. Наш опыт охватывает все области использования композитов, включая проектирование, моделирование, обработку, неразрушающий контроль, ремонт, соединение, испытания и многое другое.

Кроме того, наша специализированная команда по обработке композитных материалов реализует ваш проект в соответствии со всеми разработанными спецификациями и требованиями. Наш индивидуальный подход к инструментам для обработки на станках с ЧПУ позволяет нам работать с углеродным волокном, полимерной матрицей, кевларом и другими прочными композитами. Итак, пришлите нам свой проект, если вам нужны высокопроизводительные детали.

Часто задаваемые вопросы

Являются ли композиты пластиками?

Нет, композиты – это, как правило, не пластики. Хотя большое количество композитов включают в себя полимеры в качестве основного материала, другие материалы, такие как керамика или металлы, могут служить основным компонентом композитов.  Некоторые композиты даже содержат натуральные волокна.

Что дороже, композитные или традиционные материалы?

Тип материалов, из которых производится композитный материал, будет определять его стоимость. Такие факторы, как производственные процессы и типы материалов, в некоторых случаях могут сделать композиты более дорогими, чем традиционные материалы. Однако композиты являются дешевым материалом с точки зрения их улучшенных характеристик, меньшего веса и большей долговечности.

Каковы основные категории композиционных материалов?

Композитные материалы делятся на четыре основные категории. Это композиты с углеродной матрицей (CMC), композиты с полимерной матрицей (PMC), композиты с керамической матрицей (CMC) и композиты с металлической матрицей (MMC).

Являются ли композиты экологически чистыми?

В большинстве случаев композиты экологически безопасны. Однако определяющим фактором могут быть и другие факторы, такие как состав материала. Хотя некоторые композиты пригодны для вторичной переработки, другие могут представлять угрозу для окружающей среды из-за входящих в их состав материалов. Недавние исследования направлены на разработку перерабатываемых композитов. 

Какие матричные материалы обычно используются в композитах?

Полимеры разных типов являются распространенными материалами, используемыми при производстве композитов. Другие включают керамику, такую как оксид алюминия, металлы, такие как титан или алюминий, и углерод.

Каковы недостатки композитных материалов?

Как и другие материалы, композиты имеют свои недостатки. Их трудно ремонтировать и обслуживать, они подвержены расслоению и очень сложны в изготовлении для некоторых конкретных применений. Кроме того, ударопрочность ниже по сравнению с традиционными материалами, такими как металл.

Какие волокнистые материалы обычно используются в композитах?

Большинство композитов всегда включают такие материалы, как арамидные волокна, такие как кевлар, углеродные волокна, стеклянные волокна, металлические волокна, такие как алюминий, и натуральные волокна, такие как конопля или лен.