Композиционный материал

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Обычная клееная фанера является широко распространённым композиционным материалом

Композицио́нный материа́л (КМ), компози́т — искусственно созданный неоднородный сплошной материал, состоящий из двух или более компонентов с чёткой границей раздела между ними. В большинстве композитов (за исключением слоистых) компоненты можно разделить на матрицу (или связующее) и включённые в неё армирующие элементы (или наполнители). В композитах конструкционного назначения армирующие элементы обычно обеспечивают необходимые механические характеристики материала (прочность, жёсткость и т. д.), а матрица 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 связей между ними. Характеристики создаваемого изделия, как и его свойства, зависят от выбора исходных ком­понентов и технологии их совмещения.

В результате совмещения армирующих элементов и матрицы образуется композиция обладающая набором свойств, отражающими не только исходные характеристики его компонентов, но и включающий новые 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 нём 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.

Классификация композитов[править | править исходный текст]

Композиты обычно классифицируются по виду армирующего наполнителя:[1]

  • волокнистые (армирующий компонент — волокнистые структуры);
  • слоистые;
  • наполненные пластики (армирующий компонент — частицы)
    • насыпные (гомогенные),
    • скелетные (начальные структуры, наполненные связующим).

Также композиты иногда классифицируют по материалу матрицы:

Преимущества композиционных материалов[править | править исходный текст]

Composite 3d.png

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[править | править исходный текст]

Композиционные материалы имеют достаточно большое количество недостатков, которые сдерживают их распространение.

Высокая стоимость[править | править исходный текст]

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[править | править исходный текст]

Анизотропия — зависимость свойств КМ от выбора направления измерения. Например, модуль упругости однонаправленного углепластика вдоль волокон в 10-15 раз выше, чем в поперечном.

Для компенсации анизотропии увеличивают коэффициент запаса прочности, что может нивелировать преимущество КМ в удельной прочности. Таким примером может служить опыт применения КМ при изготовлении вертикального оперения истребителя МиГ-29. Из-за анизотропии применявшегося КМ вертикальное оперение было спроектировано с коэффициентом запаса прочности кратно превосходящим стандартный в авиации коэффициент 1,5, что в итоге привело к тому, что композитное вертикальное оперение Миг-29 оказалось равным по весу конструкции классического вертикального оперения, сделанного из дюралюминия.

Низкая ударная вязкость[править | править исходный текст]

Низкая ударная вязкость также является причиной необходимости повышения 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 объём[править | править исходный текст]

Высокий удельный объем является существенным недостатком при применении КМ в областях с жесткими ограничениями по занимаемому объёму. Это относится, например, к области сверхзвуковой авиации, где даже незначительное увеличение объёма самолёта приводит к существенному росту волнового аэродинамического сопротивления.

Гигроскопичность[править | править исходный текст]

Композиционные материалы гигроскопичны, то есть 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[править | править исходный текст]

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[править | править исходный текст]

Композиционные материалы могут иметь низкую эксплуатационную технологичность, низкую ремонтопригодность и высокую стоимость эксплуатации. Это связано с необходимостью применения специальных трудоёмких методов (а подчас и ручного труда), специальных инструментов для доработки и ремонта объектов из КМ. Часто изделия из КМ вообще не подлежат какой-либо доработке и ремонту.

Области применения[править | править исходный текст]

Товары широкого потребления[править | править исходный текст]

Примеры:

Спортивное оборудование[править | править исходный текст]

Композиты надёжно обосновались в спорте: для высоких достижений нужны высокая прочность и малый вес, а цена особой роли не играет.

  • Велосипеды
  • Оборудование для горнолыжного спорта — палки и лыжи
  • Хоккейные клюшки и коньки
  • Байдарки, каноэ и вёсла к ним
  • Детали кузовов гоночных автомобилей и мотоциклов
  • Шлемы

Медицина[править | править исходный текст]

Материал для зубных пломб. Пластиковая матрица служит для хорошей заполняемости, наполнитель из стеклянных частиц повышает износостойкость.

Машиностроение[править | править исходный текст]

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[править | править исходный текст]

Durasteel frontal view.jpg

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[править | править исходный текст]

Защитное покрытие в зависимости от состава композиционного материала может характеризоваться следующими свойствами:

  • толщина до 100 мкм;
  • класс чистоты поверхности вала (до 9);
  • иметь поры с размерами 1 — 3 мкм;
  • коэффициент трения до 0,01;
  • высокая адгезия к поверхности металла и резины.

Технико-экономические преимущества[править | править исходный текст]

  • На поверхности формируется высокопрочный металлокерамический слой в зоне высоких локальных нагрузок;
  • Формируемый на поверхности политетрафторэтиленов слой имеет низкий коэффициент трения и невысокую стойкость к абразивному износу;
  • Металлоорганические покрытия являются мягкими, имеют малый коэффициент трения, пористую поверхность, толщина дополнительного слоя составляет единицы микрон.

Области применения технологии[править | править исходный текст]

  • нанесение на рабочую поверхность уплотнений с целью уменьшения трения и создания разделительного слоя, исключающего налипание резины на вал в период покоя.
  • высокооборотные двигатели внутреннего сгорания для авто и авиастроения.

Авиация и космонавтика[править | править исходный текст]

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 шаттлов, космических зондов. Всё чаще композиты применяются для изготовления обшивок воздушных и космических аппаратов, и наиболее нагруженных силовых элементов.

Вооружение и военная техника[править | править исходный текст]

Благодаря своим характеристикам (прочности и лёгкости) КМ применяются в военном деле для производства различных видов брони:

См. также[править | править исходный текст]

Примечания[править | править исходный текст]

  1. Дж. Любин. 1.2 Термины и определения // Справочник по композиционным материалам: В 2-х кн = Handbook of Composites. — М.: Машиностроение, 1988. — Т. 1. — 448 с. — ISBN 5-217-00225-5
  2. Игорь Мангазеев. Андреапольские МиГи разваливаются от старости. Тверской информационный портал eTver (27-01-2009). Архивировано из первоисточника 4 августа 2012.

Литература[править | править исходный текст]

  • Васильев В. В. Механика конструкций из композиционных материалов. — М.: Машиностроение, 1988. — 272 с.
  • Карпинос Д. М. Композиционные материалы. Справочник. — Киев, Наукова думка

Ссылки[править | править исходный текст]