Композитные материалы: определение, виды, свойства и применение

Что такое композитные материалы?

Композитный материал — комбинация двух материалов с разными физическими и химическими свойствами. При соединении они создают материал, специализированный для конкретной задачи: более прочный, легкий или электрически стойкий. Также могут улучшать прочность и жесткость.

Причина их применения вместо традиционных материалов — улучшение свойств базовых материалов и широкая применимость.

Эти составляющие имеют заметно различные химические или физические свойства и объединяются в материал со свойствами, не свойственными отдельным элементам. В готовой структуре отдельные элементы остаются разделенными и отличимыми, что отличает композиты от смесей и твердых растворов.

Типичные инженерные композитные материалы:

• Железобетон и кладка
• Композитное дерево (фанера)
• Укрепленные пластики: волокнисто-усиленные полимеры или стекловолокно
• Керамические матричные композиты (керамические и металлические матрицы)
• Металломатричные композиты
• и другие передовые композитные материалы

Различные причины делают новые материалы предпочтительными. Типичные примеры: менее дорогие, легкие, более прочные или долговечные по сравнению с обычными материалами.

Недавно исследователи начали активно включать в композиты функции 감지рования, актуации, вычислений и связи — так называемые роботизированные материалы.

Композиты применяются в зданиях, мостах, конструкциях: корпусах лодок, панелях бассейнов, кузовах гоночных машин, душевых кабин, ваннах, резервуарах, имитации гранита, культивированных мраморных раковинах и столешницах. Все чаще используются в общем автопроме.

Самые передовые примеры регулярно работают на космических и авиационных аппаратах в экстремальных условиях.

Что такое композиты?

Композит — материал из двух или более составляющих. Эти компоненты имеют заметно различные химические или физические свойства и объединяются в материал со свойствами, не свойственными отдельным элементам.

Простыми словами, композиты — комбинация компонентов. В нашей отрасли композиты — материалы из двух и более натуральных или искусственных элементов (с разными физическими или химическими свойствами), которые как команда сильнее, чем по отдельности.

Компоненты не смешиваются полностью и не теряют индивидуальность; они соединяются и вносят свои лучшие качества для улучшения итогового продукта. Композиты обычно проектируют под конкретное применение: добавленная прочность, эффективность или долговечность.

Из чего сделаны композиты?

Композиты, также известные как волокнисто-усиленные полимеры (FRP), изготавливаются из полимерной матрицы, усиленной инженерным, искусственным или натуральным волокном (стекло, углерод, арамид) или иным усилительным материалом.

Матрица защищает волокна от среды и внешних повреждений и передает нагрузку между волокнами. Волокна, в свою очередь, дают прочность и жесткость для усиления матрицы и помощи в сопротивлении трещинам и разрывам.

Во многих наших продуктах полиэфирная смола — матрица, стекловолокно — усиление. Но используется множество комбинаций смол и усилений, каждое вносит вклад в уникальные свойства готового изделия: волокно, сильное но хрупкое, дает прочность и жесткость, а более гибкая смола — форму и защиту волокна.

FRP-композиты могут также содержать наполнители, добавки, сердечники или покрытия для улучшения технологичности, внешнего вида и характеристик готового изделия.

Природные и синтетические композиты

Композитные материалы могут быть природными или синтетическими. Дерево, природный композит, — сочетание целлюлозы (древесного волокна) и вещества лигнин. Волокна дают дереву прочность; лигнин — матрица, натуральный клей, связывающий и стабилизирующий. Другие композиты — синтетические (искусственные).

Фанера — искусственный композит, сочетающий природные и синтетические материалы. Тонкие слои шпона склеивают в плоские ламинированные листы, прочнее натурального дерева.

Являются ли пластики композитами?

Не все пластики — композиты. Большинство пластиков в игрушках, бутылках и других привычных изделиях — не композиты. Это чистые пластики. Однако многие виды пластиков можно усилить для большей прочности. Сочетание пластика и усиления создает одни из самых прочных, универсальных материалов (по весу), созданных технологией.

Полимерные смолы (полиэфир, винилэфир, эпоксид, фенол) иногда называют пластиком.

Краткая история

Люди используют композиты тысячелетиями. 3400 г. до н.э. — первые искусственные композиты месопотамцами в Ираке. Клеили полоски дерева друг на друга под разными углами для получения фанеры.

Египтяне с ~2181 г. до н.э. делали погребальные маски из льна или папируса, промачанных гипсом. Позже оба общества начали укреплять материалы соломой для усиления сырцовых кирпичей, керамики, лодок.

1200 г. н.э. — монголы строили составные дуги невероятной эффективности. Из дерева, коровьих сухожилий, рога, бамбука, кости, шелка, связанных сосеновой смолой.

После промышленной революции синтетические смолы обрели твердую форму полимеризацией. В 1900-х это знание привело к производству полиэстера, фенола, винила. Развитие пластиков началось: бекелит химиком Лео Бэкелендом. Непроводимость электричества и теплостойкость дали широкое применение.

1930-е — критически важное время для композитов. Стекловолокно ввел Оуэнс Корнинг, основав первую FRP-индустрию. Смолы того периода используются до сих пор, насыщенные полиэфирные смолы запатентованы в 1936 г. Через два года появились более мощные смольные системы.

Первое углеродное волокно запатентовано в 1961 г. и стало коммерчески доступным. В середине 1990-х композиты стали все популярнее в производстве и строительстве благодаря сравнительно низкой стоимости.

Композиты Boeing 787 Dreamliner в середине 2000-х подтвердили их пригодность для высокопрочных применений.

Разные типы композитных материалов

Некоторые распространенные композитные материалы:

• Керамический матричный композит: керамика в керамической матрице. Лучше обычных керамик — устойчивы к термическим шокам и трещинам
• Металломатричный композит: металл, распределенный по матрице
• Железобетон: бетон, усиленный материалом с высокой растяжной прочностью (арматура)
• Стекловолокнисто-усиленный бетон: бетон, залитый в стекловолокнистую структуру с высоким содержанием циркония
• Прозрачный бетон: бетон с оптоволокном внутри
• Инженерное дерево: промышленное дерево с дешевыми материалами. Пример — ДСП. Спецматериалы вроде шпона тоже входят
• Фанера: инженерное дерево, склеивание множества тонких слоев дерева под разными углами
• Инженерный бамбук: полоски бамбукового волокна, склеенные в плиту. Полезен за более высокую сжимательную, растяжную и изгибную прочность, чем дерево
• Паркет: квадрат из множества деревяных элементов, часто из твердых пород. Продается как декор
• Древесно-пластиковый композит: древесное волокно или мука в пластике
• Цементно-древесное волокно: минерализованные древесные частицы в цементе. Имеет тепло- и звукоизоляционные свойства
• Стекловолокно: стекловолокно с пластиком, относительно недорогое и гибкое
• Углеродное волокно в полимере: углеродное волокно в пластике с высоким отношением прочность/вес
• Сэндвич-панель: разные композиты, слоистые друг на друге
• Композитная сотовая структура: выбор композитов в гексагонах для сотовой формы
• Папье-маше: бумага, связанная клеем. В поделках
• Пластик-накладная бумага: бумага с пластиковым покрытием для долговечности. Пример — игральные карты
• Синтактические пены: легкие материалы, заполнение металлов, керамик или пластиков микршарами (стекло, углерод, пластик)

Преимущества композитов

Композиты проникли в повседневную жизнь: автомобили, гольф-клюшки, трубы для сточных вод и многое другое. Некоторые применения, вроде ракет, не взлетели бы без композитов.

Композиты дают много преимуществ. Ключевые: прочность, легковесность, коррозионная стойкость, конструктивная гибкость, долговечность.

• Прочные. На фунт композиты прочнее стали. Два основных компонента — волокна и смолы — обеспечивают прочность. Волокна воспринимают нагрузку, смолы распределяют вес по детали.
• Легкие. Композиты легче большинства деревьев и металлов. Почему легче — лучше? Меньший вес = топливная эффективность авто и самолетов. Легче транспортировать и монтировать — от столбов до мостовых настил.
• Стойкие. Устойчивы к погоде и агрессивным химикатам, разъедающим другие материалы. Хороши при постоянном контакте с морской водой, токсичными химикатами, температурными перепадами.
• Гибкие. Широкий диапазон комбинаций материалов дает свободу проектирования. Материалы можно адаптировать под уникальные требования. Легко отливаются в сложные формы.
• Долговечные. Конструкции из композитов служат долго и требуют мало обслуживания. Многие изделия (лодки) в эксплуатации более полувека.

Зачем использовать композиты?

Экономия веса — одна из главных причин выбора композитов вместо обычных материалов. Будучи легче, они могут быть прочнее. Например, усиленные углеродные волокна могут быть в 5 раз прочнее стали 1020 и весить в 5 раз меньше — идеально для несущих целей.

Другое преимущество — термо- и химическая стойкость, а также диэлектрические свойства. В отличие от традиционных материалов, композиты могут сочетать множество свойств, редко встречающихся в одном материале.

Волокнисто-усиленные композиты (стеклопластик, GRP) все чаще используются в разработке и производстве конечных продуктов для рынка.

Примеры применения композитов:

• Электрооборудование
• Аэрокосмические конструкции
• Инфраструктура
• Трубы и резервуары
• Дома можно строить из пластиково-ламинированных балок

Часто задаваемые вопросы

Что такое композитный материал?

Композитный материал — комбинация двух материалов с разными физическими и химическими свойствами. При соединении создают материал для конкретной задачи: стать прочнее, легче, электрически стойким. Улучшают прочность и жесткость.

Что такое композит?

Композит — материал из двух или более составляющих. Они имеют заметно различные химические или физические свойства и объединяются в материал со свойствами, не свойственными отдельным элементам.

Примеры композитных материалов?

Примеры строительных композитов: бетон, усиленные пластики, цемент, железобетон, композитные деревянные балки. Обычно долговечны и прочны.

Что такое пример композитных материалов?

Примеры композитных материалов:

• Сырцовые кирпичи. Что лучше для введения в композиты?
• Дерево. Дерево (и деревья) существуют тысячелетиями.
• Стекловолокно.
• Прозрачный бетон.
• Поглощающий бетон.
• Кевлар.
• Углеродное волокно.
• Пайкрет.

Каковы 4 типа композитов?

Композиты классифицируют по типу матрицы. Четыре основные категории: полимерноматричные (PMC), металломатричные (MMC), керамикоматричные (CMC), углеродноматричные (CAMC).

Каковы основные типы композитных материалов?

Много типов: углеродопластик, стекловолокнисто-усиленный алюминий, композиты с углеродными нанотрубками и др. Другие типы: металломатричные и керамикоматричные композиты.

Составлен ли композит из пластика?

Не все пластики — композиты. Сочетание пластика и усиления дает одни из самых прочных, универсальных материалов (по весу). Полимерные смолы (полиэфир, винилэфир, эпоксид, феноловые) иногда называют пластиком.

Что такое пример композита?

В математике составные числа — целые числа с более чем двумя делителями. Целые, не являющиеся простыми, — составные, так как делятся на более двух чисел. Пример: 4, 6, 8, 9, 10 — первые составные числа.

Где используются композиты?

Композиты теперь применяются в транспорте и оборудовании: панели, рамы, внутренние компоненты, другие детали. Инфраструктурные применения: здания, дороги, мосты, сваи.

В чем разница между полимером и композитом?

Ключевое различие: полимерная смесь — смешивание двух и более полимеров для однофазной системы, композит — комбинация двух и более элементов для многофазной, многокомпонентной системы.

Каковы 2 компонента композитных материалов?

Композиты создаются из исходных материалов — составляющих. Две основные категории: матрица (связующее) и усиление.

Являются ли кирпичи композитами?

Примеры композитов: кирпич, стекловолокно, углеродное волокно, бетон, фанера, кевлар.

Почему используют композитные материалы?

Главное преимущество — прочность и жесткость при легкости. Подбирая усилитель и матрицу, производители получают свойства, точно соответствующие требованиям конкретной конструкции.

Каковы недостатки композитных материалов?

Недостатки:

• Стеклопластик (GRP).
• Дорогой материал.
• Требуется специализированное производство.
• Нужен качественный штамп.
• Углеродное волокно.
• Очень дорогой материал.
• Только в черном цвете.
• Требуются высокоспециализированные процессы.

В чем разница между композитом и сплавом?

И сплавы, и композиты — смеси элементов. Главное различие — в составе. Сплав должен содержать минимум один металл; композиты не содержат металлических компонентов.

Что такое волокно в композитных материалах?

В композите волокно, удерживаемое матричной смолой, вносит растяжную прочность, улучшая характеристики готового изделия: прочность, жесткость, при минимальном весе.

Каковы преимущества композитных материалов?

Другие ключевые преимущества:

• Размерная точность при формовке. Тесные допуски, повторяемые отливки.
• Химическая стойкость.
• Консолидированные детали и функции.
• Коррозионная стойкость.
• Конструктивная гибкость.
• Долговечность.
• Высокий модуль изгиба для тяжелых нагрузок. Высокая ударная прочность.
• Высокая производительность при повышенных температурах.

Является ли фанера композитом?

Фанера — базовая форма композита, созданная ламинированием тонких листов дерева для более толстого, прочного продукта.

Является ли бетон композитом?

Бетон — композитный материал из мелкого и крупного заполнителя, связанных жидким цементом (цементным молочком), который твердеет (отвердевает) со временем. Бетон — второе по употреблению вещество в мире после воды и самый распространенный строительный материал.

Сколько типов композитных материалов существует?

Три основных типа матричных материалов: керамическая матрица — керамикоматричные композиты (CMC) — подгруппа композитов. Состоят из керамических волокон в керамической матрице, образуя керамическое волокнисто-усиленное керамическое (CFRC) материал.

Является ли стекловолокно композитом?

Наиболее широко используемый композит — стекловолокно в полиэфирной смоле, обычно называемое стекловолокном. Легкое, коррозионностойкое, экономичное, легкообрабатываемое, хорошие механические свойства, более 50 лет истории.

Что такое композитный материал и его применение?

Композитный материал — комбинация двух материалов с разными физическими и химическими свойствами. При соединении создают материал для конкретной задачи: стать прочнее, легче, электрически стойким. Улучшают прочность и жесткость.

Является ли нейлон композитным материалом?

Нейлон — более сложный полимер, чем ПП, с полярными группами на цепи, дающими гидрофильную природу. Из-за полярности обоих ожидается, что нейлон и дерево соединятся с сильным сцеплением, давая композит с более высокой жесткостью и прочностью.

В чем разница между композитом и смесью?

Композит — смесь разных компонентов; бленд — смесь двух и более вещей.

Является ли бетон полимером или композитом?

Полимербетон — композитный материал, где заполнитель связан в матрице с полимерным связующим.

Что такое углеродное волокно?

Углеродное волокно из органических полимеров — длинных цепочек молекул, связанных атомами углерода. ~90% углеродных волокон — процесс полиакрилонитрила (ПАН). ~10% — из вискозы или нефтяного питча.

Могут ли композиты заменить сталь?

Композиты применяются в конструкциях с высокими требованиями к механическим свойствам. Высокие отношения прочность/вес и жесткость/вес позволили развить более легкие конструкции, часто заменяющие обычные металлические.