Что такое композит материал. Композитные материалы: что это такое, свойства, производство и применение. Недостатки композиционных материалов

Сегодня со стороны строителей к композитным панелям приковано огромное внимание. Эти усовершенствованные современные материалы позволяют создать редкий архитектурный стиль новому зданию. Используют композитные панели для фасадов, прослуживших длительное время. В результате их применения существенно улучшается внешний вид построек.

Их можно использовать в жарких и холодных регионах благодаря устойчивости к разным температурам. Облицовка фасадов таким материалом приводит к созданию внутри зданий благоприятного микроклимата и к тому же позволит снизить затраты на кондиционирование в летнее время года и отопление в зимнее.

Из чего состоят панели?

Алюминиевые композитные панели - это изделия, которые состоят из двух окрашенных листов алюминия. Структура этого материала выглядит следующим образом:

• защищающее покрытие, наделенное антикоррозийными свойствами;
• слой, в основе которого лежит грунтовка;
• высокопрочный алюминиевый лист;
• огнеупорный минеральный либо полимерный наполнитель, это может быть полиэтилен, полиуретан, полипропилен, полистирол;
• еще один слой высокопрочного алюминия;
• грунтовка;
• слой лака;
• защищающая пленка.

Каждая панель для придания большей прочности покрыта специальным составом. Все слои друг с другом соединены по особой технологии, благодаря которой изделие приобретает высокую устойчивость к расслаиванию. В зависимости от назначения с двух либо одной стороны на изделие может быть, кроме краски, нанесено лаковое покрытие против ржавчины, в результате у алюминиевой композитной плиты повышается износостойкость. Выпускается готовая продукция непрерывной лентой. Наличие большого разнообразия габаритных размеров очень удобно для потребителей.

Композитная панель изготавливается способом изгиба алюминиевых листов.

Желательно, чтобы радиус закругления при этом был самым маленьким, если он будет таким же, как и толщина пластины, значит, изделие отвечает всем нормативным стандартам. В процессе производства материал обретает точные плоскостные характеристики, при этом защитные и поверхностные красочные слои нанесены однородно.

Поверхность алюминиевых композитных панелей для фасада может копировать:

• древесину;
• штукатурку;
• кирпич;
• природный камень.

На строительном рынке встречаются алюминиевые композитные панели с эффектом благородного металла, что становится возможным благодаря способу гальванотехники.

Свойства монтажных профилей

Все монтажные профили делятся на 3 вида:

• открытая стыковка;
• стык с уплотнением;
• с использованием влагозащитного экрана.

Для того чтобы фасад из композитных панелей стал более жестким, часто применяют дополнительные элементы. На свойства этого изделия влияет наполнитель, который лежит в основе центрального слоя. Производители в начале изготовления такого изделия использовали полимерный материал в качестве наполнителя - вспененный полиэтилен.

Алюминиевый композит обладает:

• незначительным весом;
• неплохой пластичностью;
• хорошими шумоизоляционными свойствами.

Но у данного типа есть главный минус, который заключается в том, что полиэтилен горит, поддерживает процесс горения, плавится и выделяет вредный дым. Таких недостатков не имеют алюминиевые листы с минеральным наполнителем. В составе этого вспененного полиэтилена есть существенное количество антипиренов. Благодаря этим минеральным добавкам очень сильно меняются его физические свойства. В этом случае наполнитель загорается от открытого пламени, но если нет источника огня, сразу гаснет, а также он:

• не выделяет токсичного дыма;
• не течет.

Производителями из Китая и Европы выпускаются технологические новинки — наполнители А и А2 классов. Гидроокись алюминия является их базовым компонентом. Эти композитные фасадные панели входят в разряд негорючих. Они могут выдерживать 2–4 часа открытого огня. Однако это положительное свойство способствует тому, что готовые изделия тяжело сделать округлыми либо другой неправильной формы. Все дело в том, что у них отсутствует пластичность. Алюминиевые композитные панели стоят дорого.

Их применяют на сооружениях и зданиях с самыми жесткими противопожарными требованиями.

Композитные алюминиевые с сотовой структурой - это отдельно стоящий класс изделий. В них между двумя металлическими листами находится сеть алюминиевых тонких перемычек рисунков:

• сотового;
• сетчатого;
• линейного.

Они отличаются:

• прочностью на изгиб;
• легким весом;
• дороговизной.

Такая разновидность не обладает достаточной способностью поглощать шум и вибрацию. От механического воздействия они продавливаются.

Главные плюсы

Композитный материал выпускается в различных цветах. Изделия бывают однотонных цветов, а также копирующие текстуру естественных материалов:

• дерева;
• мрамора;
• гранита.

Лицевая сторона служит длительное время благодаря нанесенному лакокрасочному покрытию. К другим положительным свойствам относится простота разных процессов обработки. К примеру, благодаря фрезеровке на поверхности фасадных алюминиевых панелей можно делать технические отверстия. Легкость в обработке повышает в несколько раз сферу его использования. Конструкция материала позволяет преобразовать его в любую форму, сгибать и резать.

Результатом становится возможность использовать для отделки нестандартных построек, в которых предусмотрены купола, арки, пирамиды.

Вентфасад из композитных алюминиевых панелей обладает способностью ослаблять электромагнитные излучения. К прочим положительным свойствам относится возможность защитить стены от ветра и сырости. Небольшой вес не способен утяжелить здание. При облицовке композитом внешний вид стен будет пребывать в первоначальном состоянии длительное время, потому что такое покрытие устойчиво к погодным и химическим воздействиям. Благодаря тому что поверхность гладкая, на ней не скапливается пыль и грязь. Навесной фасад из композита ставить на высотные здания очень выгодно, потому что в этом случае поверхность обладает способностью к самоочищению.

Облицовка композитными панелями проводится в короткий срок. Они придадут сооружению стильный современный внешний вид, обеспечат ему значительные эстетические свойства.

Композитные материалы снижают потери тепла, безопасны с экологической точки зрения и не способны накапливать электричество. Они продолжительное время могут противостоять внешнему влиянию. Этот материал очень устойчив к воздействию ультрафиолетовых лучей. Композит почти никак не реагирует на агрессивные среды.

Облицовка фасада сооружений вредного производства рекомендуется именно таким видом композита.

Однако надо иметь в виду, что у материала имеются и минусы. Так изделие не является теплоизоляционным. Нужно учитывать его низкую пригодность к ремонту. В том случае если обшивка из композитных панелей повреждена, то отремонтировать достаточно сложно. При необходимости замены кассеты нужно будет менять и рядом находящиеся. У композитного материала низкого качества плита может расслаиваться, и тогда на фасаде образуются пузыри.

Области использования алюминиевых панелей

В наше время вентилируемые фасады из композитных панелей пользуются огромной популярностью. Экстерьеры всевозможных сооружений - это самая распространенная сфера применения. Композитный фасад состоит из многослойных алюминиевых панелей, которые применяются для внешней облицовки зданий.

Вентфасад, отделанный композитом, приобретает неповторимый современный внешний вид. При наличии еще и утеплителя можно достичь ощутимого сбережения электрической энергии без привлечения каких-либо дополнительных расходов на то, чтобы укрепить фундамент и несущие стены.

Монтаж вентилируемых фасадов прост благодаря тому, что есть возможность устанавливать панели на стенки из различного материала. При этом не надо их предварительно подготавливать, а значит, можно существенно сэкономить денежные средства. Легкий небольшого веса вентилируемый фасад из композитных материалов позволяет воплотить в реальность любую задумку дизайнера.

Этот материал нередко встречается во внутреннем пространстве общественных заведений в:

• торговых центрах;
• больницах;
• поликлиниках;
• аэропортах;
• вокзалах;
• автомобильных салонах;
• школах.

Это те места, в которых требуется прочный материал, способный в неизменном состоянии выдержать продолжительную эксплуатацию. Кроме вентилируемых фасадов, композит используется и в других местах. Его часто используют при реставрации здания, сооружении необычных конструкций для наружной рекламы, строительстве легких временных построек. Нередко алюминиевые композитные панели участвуют в сооружении различных декоративных карнизов, поясков, наружных подвесных потолков, в облицовке колон.

Фасады из композита позволяют сформировать современный архитектурный стиль. И все это стало возможным благодаря небольшому весу, простоте обработки, повышенной гибкости и разнообразию красок.

Композиционные материалы – это материалы, состоящие из двух или несколько компонентов, которые отличаются по своей природе или химическому составу, где компоненты объединены в единую монолитную структуру с границей раздела между компонентами, оптимальное сочетание которых позволяет получить комплекс физико-химических и механических свойств, отличающихся от комплекса свойств компонентов.

В широком смысле понятие «композиционный материал» включает в себя любой материал с гетерогенной структурой, т.е. структурой, состоящей из двух и более фаз.

Первым создателем композиционных материалов была сама природа. Множество природных конструкций (стволы деревьев, кости животных, зубы людей и т.д.) имеют характерную волокнистую структуру. Она состоит из сравнительно пластичного матричного вещества и более твердых и прочных веществ, имеющих форму волокон. Например: древесина – это композиция, состоящая из пучков высокопрочных целлюлозных волокон трубчатого строения, связанных между собой матрицей из органического вещества (лигнина), придающего древесине поперечную жесткость.

Примерами композиционных материалов могут быть и такие природные образования, как минералы. Нефрит – состоит из плотноупакованных игольчатых кристаллов, связанных друг с другом на поверхностях раздела. Такая структура обеспечивает высокую вязкость нефрита и поэтому различные племена использовали его как материал для изготовления топоров.

Общая характеристика композиционных материалов

И их классификация

Внимание к композиционным материалам в последнее время непрерывно возрастает. Это объясняется тем, что возможности повышения механических свойств традиционных конструкционных материалов в значительной степени исчерпаны.

Композиционные материалы по удельным прочности и жесткости, прочности при высокой температуре, сопротивлению усталостному разрушению и другим свойствам значительно превосходят все известные конструкционные сплавы. Уровень заданного комплекса свойств проектируется заранее и реализуется в процессе изготовления материала.

Рис. 20.1. Удельные прочность и жесткость стали, титановых, алюминиевых сплавов и композитов (КАС-1, ВКА-1Б).

Свойства композиционных материалов в основном зависят от физико-механических свойств компонентов и прочности связи между ними. Отличительной особенностью данных материалов является то, что в них проявляются достоинства компонентов, а не их недостатки. Вместе с тем композиционным материалам присущи свойства, которыми не обладают отдельно взятые компоненты, входящие в их состав. Для оптимизации свойств композиции выбирают компоненты с резко отличающимися, но дополняющими друг друга свойствами.

По своему составу композиционные материалы состоят из основы (матрицы) и наполнителя (упрочнителя, армирующего компонента).

Основой (матрицей) композиционных материалов служат металлы или сплавы, полимеры, углеродные и керамические материалы.

Матрица связывает композицию, придает ей форму. От свойств матрицы в значительной степени зависят технологические режимы получения композиционных материалов и такие важные эксплуатационные характеристики как: рабочая температура, сопротивление усталостному разрушению, плотность и удельная прочность.

Созданы композиционные материалы с комбинированными матрицами, состоящими из чередующихся слоев (двух и более) различного химического состава. Такие материалы называют полиматричными. Для полиматричных материалов характерен более обширный перечень полезных свойств. Например, использование в качестве матрицы наряду с алюминием титана увеличивает прочность композиционных материалов в направлении, перпендикулярном оси волокон. Алюминиевые слои в матрице способствуют уменьшению плотности материала.

В матрице равномерно распределен другой компонент, называемый арматурой или армирующим компонентом, или, иногда наполнителем. Понятие «армирующий» означает – «введенный в материал с целью изменения свойств», но не несет в себе однозначного понятия «упрочняющий».

Армирующие компоненты должны обладать высокими прочностью, твердостью, и модулем упругости. По этим свойствам они значительно превосходят матрицу.

Свойства композиционных материалов зависят также от формы или геометрии, размера, количества и характера распределения наполнителя (схемы армирования).

По форме наполнители разделяют на три основные группы:

1. Нульмерные наполнители, имеющие в трех измерениях очень малые размеры одного порядка (частицы);

2. Одномерные наполнители имеют малые размеры в двух направлениях и значительно превосходящий их размер в третьем измерении (волокна);

3. Двухмерные наполнители имеют два размера соизмеримых с размером композиционного материала и значительно превосходят третий (пластины, ткань).

Нитевидная форма армирующих элементов имеет как положительные так и отрицательные стороны. Преимущество их состоит в высокой прочности и возможности создать упрочнение только в том направлении, в котором это требуется конструктивно. Недостаток такой формы заключается в том, что волокна способны передавать нагрузку только в направлении своей оси, тогда как в перпендикулярном направлении упрочнения нет, а в некоторых случаях может проявиться даже разупрочнение.

Наполнители, используемые в качестве арматуры, должны иметь следующие свойства: высокую температуру плавления, малую плотность, высокую прочность во всем интервале рабочих температур, технологичность, минимальную растворимость в матрице, высокую химическую стойкость, отсутствие токсичности при изготовлении и в эксплуатации.

Композиционные материалы, которые содержат два и более различных наполнителя, называют полиармированными.

Если композиционные материалы состоят их трех и более компонентов, они называются гибридными.

Композиционные материалы классифицируются по нескольким основным признакам:

а) материалу матрицы и армирующих компонентов;

б) структуре: геометрии и рапсоложению компонентов;

в) методу получения;

г) области применения.

Рассмотрим некоторые классификационные характеристики композиционных материалов.

Материалы на основе нескольких компонентов, что обусловливает их эксплуатационные и технологичные характеристики. В основе композитов лежит матрица на основе металла, полимера или керамики. Дополнительное армирование выполняется наполнителями в виде волокон, нитевидных кристаллов и различных частиц.

За композитами - будущее?

Пластичность, прочность, широкая сфера применения - вот чем отличаются современные композитные материалы. Что это такое с точки зрения производства? Эти материалы состоят из металлической или неметаллической основы. Для усиления материала используются хлопья большей прочности. Среди можно выделить пластик, который армируется борными, углеродными, стеклянными волокнами, или алюминий, армированный стальными или бериллиевыми нитями. Если комбинировать содержание компонентов, можно получать композиты разной прочности, упругости, стойкости к абразивам.

Основные типы

Классификация композитов основана на их матрице, которая может быть металлической и неметаллической. Материалы с металлической матрицей на основе алюминия, магния, никеля и их сплавов обретают дополнительную прочность за счет волокнистых материалов или тугоплавких частиц, которые не растворяются в основном металле.

Композиты с неметаллической матрицей в основе имеют полимеры, углерод или керамику. Среди полимерных матриц наиболее популярны эпоксидная, полиамидная и фенолформальдегидная. Форма композиции придается за счет матрицы, которая выступает своеобразным связующим веществом. Для упрочнения материалов используются волокна, жгуты, нити, многослойные ткани.

Изготовление композитных материалов ведется на основе следующих технологических методов:

• пропитка армирующих волокон матричным материалом;
• формование в пресс-форме лент упрочнителя и матрицы;
• холодное прессование компонентов с дальнейшим спеканием;
• электрохимическое нанесение покрытия на волокна и дальнейшее прессование;
• осаждение матрицы плазменным напылением и последующее обжатие.

Какой упрочнитель?

Во многих сферах промышленности нашли применение композитные материалы. Что это такое, мы уже сказали. на основе нескольких компонентов, которые обязательно упрочняются специальными волокнами или кристаллами. От прочности и упругости волокон зависит и прочность самих композитов. В зависимости от вида упрочнителя все композиты можно поделить:

• на стекловолокниты;
• карбоволокниты с углеродными волокнами;
• бороволокниты;
• органоволокниты.

Упрочнительные материалы могут укладываться в две, три, четыре и больше нити, чем их больше, тем прочнее и надежнее в эксплуатации будут композиционные материалы.

Древесные композиты

Отдельно стоит упомянуть древесный композит. Он получается посредством сочетания сырья разного типа, при этом в качестве основного компонента выступает древесина. Каждый древесно-полимерный композит состоит из трех элементов:

• частиц измельченной древесины;
• термопластичного полимера (ПВХ, полиэтилена, полипропилена);
• комплекса химических добавок в виде модификаторов - их в составе материала до 5 %.

Самый популярный вид древесных композитов - это композитная доска. Ее уникальность в том, что она объединяет в себе свойства и древесины, и полимеров, что существенно расширяет сферу ее применения. Так, доска отличается плотностью (на ее показатель влияет базовая смола и плотность древесинных частичек), хорошим сопротивлением на изгиб. При этом материал экологичный, сохраняет текстуру, цвет и аромат натурального дерева. Использование композитных досок абсолютно безопасно. За счет полимерных добавок композитная доска обретает высокий уровень износостойкости и влагостойкости. Ее можно использовать для отделки террас, садовых дорожек, даже если на них приходится большая нагрузка.

Особенности производства

Древесные композиты имеют особенную структуру за счет сочетания в них полимерной основы с древесиной. Среди материалов подобного типа можно отметить древесно-стружечные, разной плотности, плиты из ориентированной щепы и древесно-полимерный композит. Производство композитных материалов данного типа ведется в несколько этапов:

1. Измельчается древесина. Для этого используются дробилки. После дробления древесину просеивают и делят на фракции. Если влажность сырья - выше 15 %, его обязательно высушивают.
2. Дозируются и смешиваются основные компоненты в определенных пропорциях.
3. Готовое изделие прессуется и форматируется для обретения товарного вида.

Основные характеристики

Мы описали самые популярные полимерные композитные материалы. Что это такое, теперь понятно. Благодаря слоистой структуре есть возможность армирования каждого слоя параллельными непрерывными волокнами. Стоит отдельно сказать о характеристиках современных композитов, которые отличаются:

• высоким значением временного сопротивления и предела выносливости;
• высоким уровнем упругости;
• прочностью, которая достигается армированием слоев;
• за счет жестких армирующих волокон композиты обладают высокой стойкостью к напряжениям на разрыв.

Композиты на основе металлов отличаются высокой прочностью и жаропрочностью, при этом они практически неэластичны. За счет структуры волокон уменьшается скорость распространения трещин, которые иногда появляются в матрице.

Полимерные материалы

Полимерные композиты представлены в многообразии вариантов, что открывает большие возможности по их использованию в разных сферах, начиная от стоматологии и заканчивая производством авиационной техники. Наполнение композитов на основе полимеров выполняется разными веществами.

Наиболее перспективными сферами использования можно считать строительство, нефтегазовую промышленность, производство автомобильного и железнодорожного транспорта. Именно на долю этих производств приходится порядка 60 % объема использования полимерных композиционных материалов.

Благодаря высокой устойчивости полимерных композитов к коррозии, ровной и плотной поверхности изделий, которые получаются методом формования, повышается надежность и долговечность эксплуатации конечного продукта.

Рассмотрим популярные виды

Стеклопластики

Для армирования этих композиционных материалов используются стеклянные волокна, сформованные из расплавленного неорганического стекла. Матрица основывается на термоактивных синтетических смолах и термопластичных полимерах, которые отличают высокая прочность, низкая теплопроводность, высокие электроизоляционные свойства. Изначально они использовались при производстве антенных обтекателей в виде куполообразных конструкций. В современном мире стеклопластики широко применяются в строительной сфере, судостроении, производстве бытового инвентаря и спортивных предметов, радиоэлектронике.

В большинстве случаев стеклопластики производятся на основе напыления. Особенно эффективен этот метод при мелко- и среднесерийном производстве, например корпусов катеров, лодок, кабин для автомобильного транспорта, железнодорожных вагонов. Технология напыления удобна экономичностью, так как не требуется раскраиваться стекломатериал.

Углепластики

Свойства композитных материалов на основе полимеров дают возможность использовать их в самых разных сферах. В них в качестве наполнителя используются углеродные волокна, получаемые из синтетических и природных волокон на основе целлюлозы, пеков. Волокно обрабатывается термически в несколько этапов. По сравнению со стеклопластиками углепластики отличаются более низкой плотностью и более высоким при легкости и прочности материала. Благодаря уникальным эксплуатационным свойствам углепластики находят применение в машино- и ракетостроении, производстве космической и медицинской техники, велосипедов и спортивных принадлежностей.

Боропластики

Это многокомпонентные материалы, в основе которых лежат борные волокна, введенные в термореактивную полимерную матрицу. Сами волокна представлены мононитями, жгутами, которые оплетаются вспомогательной стеклянной нитью. Большая твердость нитей обеспечивает прочность и стойкость материала к агрессивным факторам, но при этом боропластики отличаются хрупкостью, что осложняет обработку. Борные волокна стоят дорого, поэтому сфера применения боропластиков ограничена в основном авиационной и космической промышленностью.

Органопластики

В этих композитах в качестве наполнителей выступают в основном синтетические волокна - жгуты, нити, ткани, бумага. Среди особенных свойств этих полимеров можно отметить низкую плотность, легкость по сравнению со стекло- и углепластиками, высокую прочность при растяжении и высокое сопротивление ударам и динамическим нагрузкам. Этот композиционный материал широко используется в таких сферах, как машино-, судо-, автостроение, при производстве космической техники, химическом машиностроении.

В чем эффективность?

Композитные материалы за счет уникального состава могут использоваться в самых разных сферах:

• в авиации при производстве деталей самолетов и двигателей;
• космической технике для производства силовых конструкций аппаратов, которые подвергаются нагреванию;
• автомобилестроении для создания облегченных кузовов, рам, панелей, бамперов;
• горной промышленности при производстве бурового инструмента;
• гражданском строительстве для создания пролетов мостов, элементов сборных конструкций на высотных сооружениях.

Использование композитов позволяет увеличить мощность двигателей, энергетических установок, уменьшая при этом массу машин и оборудования.

Какие перспективы?

По мнению представителей сферы промышленности России, композиционный материал относится к материалам нового поколения. Планируется, что к 2020 году вырастут объемы внутреннего производства продукции композитной отрасли. Уже сейчас на территории страны реализуются пилотные проекты, направленные на разработку композитных материалов нового поколения.

Применение композитов целесообразно в самых разных сферах, но наиболее эффективно оно в отраслях, связанных с высокими технологиями. Например, сегодня ни один летательный аппарат не создается без использования композитов, а в некоторых из них используется порядка 60 % полимерных композитов.

Благодаря возможности совмещения различных армирующих элементов и матриц можно получить композицию с определенным набором характеристик. А это, в свою очередь, дает возможность применять эти материалы в самых разных сферах.

Особенности проектирования и внедрения изделий из КМ

При проектировании, изготовлении и внедрении изделий из компо­зиционных материалов на основе волокнистых наполнителей (ВКМ) не­ обходимо учитывать ряд особенностей, присущих этому классу мате­риалов:

а) Анизотропия физико-механических характеристик ВКМ.

Если традиционные материалы (сталь, чугун), а также дисперсно-упрочненные КМ обладают изотропностью свойств, то ВКМ имеют ярко выраженную анизотропию характеристик. При значительном различии характеристик волокнистой арматуры и матрицы соотношение между характеристиками ВКМ в различных направлениях может варьировать­ся в широких пределах: от 3-5 раз до 100 раз и более.

б) При проектировании конструкций, сооружений из традиционных материалов конструктор имеет дело с полуфабрикатами в виде листо­вого, профильного проката, литья и т.д. с гарантированными поставщи­ ком свойствами. Его задача состоит в выборе подходящих полуфабри­катов, определении геометрии, исходя из функционального назначения, и способов соединения отдельных деталей. Задача технолога - обес­печить заданную форму, размеры и качество соединения конструктив­ных элементов. Анализ процессов, протекающих на всех этапах созда­ния полуфабриката, получение материала с требуемым уровнем харак­ теристик относится к компетенции материаловедов. Сложилось вре­менное и организационное разделение процесса получения изделий из традиционных материалов на три этапа:

- материаловедческий - получение материала с требуемыми ха рактеристиками;

- конструкторский - проектирование изделий конструкций;

- технологический - изготовление изделий и машин.

Эти этапы разнесены по времени и могут считаться не связанными между собой, если конструктор руководствуется характеристиками ма­териала, достигнутыми материаловедами, и имеет общие представле­ния об уровне современных технологий.

Изготовление конструкций из КМ происходит, как правило, за одну технологическую операцию с созданием материала. При этом синхрон­но с изготовлением конструкции протекают сложные физико-химические и теплофизические процессы, связанные с образованием структуры и агрегатными превращениями матрицы, взаимодействием ее с арми­рующим материалом. Им сопутствуют механические явления, прямо влияющие на свойства материала и несущую способность композитных деталей, на образование в ней дефектов в ненагруженном состоянии. Поэтому конструктор, проектирующий изделия из КМ , должен знать и учитывать при разработке материаловедческие принципы создания КМ и технологические приемы получения изделий из КМ. Технолог без кон­структорских знаний по условиям нагружения и эксплуатации создавае­ мого изделия из ВКМ не может изготовить изделия, эффективно ис­пользуя отличия КМ от традиционных материалов, т.к. свойства КМ за­висят от структурно-геометрических факторов (объемного содержания армирующих волокон и матрицы, количества и расположения слоев и др.), которые заранее не известны. Поэтому подход должен быть кон структорско-технологическим, а это определяет организационные осо­ бенности производства изделий из КМ .

в) В связи с тесной взаимосвязью этапов изготовления конструк ций из КМ - создание материала, конструкций и технологии получения - более эффективно становится использовать специализированные КБ, имеющие конструкторский и технологический потенциал, оснащенные вычислительной техникой и мощным, но гибким опытным производ­ ством, потому как все конструктивные решения необходимо отрабаты вать на опытных образцах изделий. Такой поход в организации производства должен быть в каждой отрасли, где КМ находят широкое при­ менение: в строительстве, на транспорте, в авиации, химическом ма шиностроении, электротехнической промышленности и др., т.к. предъ являемые к ним требования сильно различаются.

г) При конструировании деталей из полимерных КМ необходимо учитывать их недостатки:

Малую сдвиговую прочность;

Невысокие характеристики при сжатии;

Повышенную ползучесть;

Сравнительно низкую теплостойкость ПКМ.

Особое внимание следует уделить соединениям изделий из ПКМ в связи с малой сдвиговой и контактной прочностью.

д) Несмотря на большой интерес к вопросам предельного состояния, надежных методик, позволяющих определить запасы прочности конструкционных элементов из КМ , нет. В связи со сложностью про блем, связанных с прочностью изделий из КМ , возрастает значение выбора методов при обработке результатов экспериментальных испыта ний.

В настоящее время оценка прочности конструкций из КМ состоит из комплекса испытаний, включающих:

100% испытания эксплуатационными нагрузками;

Выборочные испытания с доведением конструкции до разруше ния.

Гарантию качества и успешное прохождение этих двух видов испы­таний обеспечивает стабильность технологических процессов.

В последние годы на первый план выходит индивидуальная оценка прочности каждой детали с помощью неразрушающих методов испыта­ ния - ультразвук, акустическая эмиссия и др.

е) Определение допусков и посадок на детали из КМ .

Т.к. формирование поверхностей в изделиях из КМ происходит различными способами (намотка, прессование, выкладка и т.д.) и они чаще всего не подвергаются механической обработке, то система до пусков и требования к чистоте поверхности должны строится весьма гибко. Аналогичный подход должен быть и к регламентации разброса массы, связанной с разбросом параметров исходных материалов и их соотношением в КМ , появлением в ходе технологического процесса объемов, различающихся по ориентации наполнителя, и т.д.

ж) Переход на КМ при изготовлении машиностроительной продук­ции затрагивает вопросы детализации узлов машин. Т.к. материал конструируется под конкретные детали, которые в дальнейшем нежелательно подвергать механической обработке, то, естественно, встает вопрос стыковки отдельных деталей. Методы, принятые при изготовле­нии аналогичных узлов машин из металлов, в данном случае либо ма лоэффективны, либо вообще неприемлемы. В связи с этим целесооб­ разно изготавливать из КМ целиком узел, ранее расчленяемый на ряд деталей, которые затем собирались в изделие с помощью разъемных или неразъемных соединений. Это направление весьма эффективно, т.к. сокращаются трудозатраты и энергозатраты , хотя сокращение опе­ раций требует перестройки технологического оборудования и процесса производства.

Например, в США в 1970 г. в массовое производство легковых ав­томобилей была внедрена передняя панель с проемом под облицовку радиатора, впервые изготовлявшаяся из листового КМ . Помимо сниже­ ния массы на 50%, было достигнуто значительное сокращение расхо­ дов за счет объединения нескольких деталей в одну. Эта цельная па­нель исключила множество операций листовой штамповки, механиче­ской обработки на станках и сборки, устранила связанные с ними штам­ пы, формы и станочные зажимные приспособления. Она объединила 16 листовых штамповок и отлитых под давлением деталей в одну деталь из КМ . В 1979 г. на более чем 35 моделях легковых автомобилей стали применять передние панели из КМ , включающие корпуса и гнезда фар, стояночных фонарей, стоп-сигналов, сигналов поворота и габаритных огней.

з) Необходимо изменение подходов к определению экономической эффективности применения КМ . Как правило, экономический эффект от применения КМ образуется у «Потребителя» в виде повышения такти­ ко-технических, эксплуатационных характеристик изделия, его долго­вечности, ремонтопригодности и т.п. Поэтому экономический эффект можно определить только при использовании системного подхода, учи­тывающего все составляющие общего эффекта от замены традицион­ ного материала на КМ , и перехода на новую технологию при изготовле­нии деталей или конструкций в целом.

Только индивидуальный подход с учетом указанных особенностей делает переход к использованию КМ взамен металлов эффективным и перспективным, раскрывающим новые горизонты для развития и со­вершенствования техники.

Классификация композиционных материалов

По типу армирующих наполнителей современные КМ могут быть разделены на две группы:

Дисперсно-упрочненные;

Волокнистые.

Дисперсно-упрочненные композитные материалы (ДУКМ) представляют собой материа­лы, в матрице которых равномерно распределены мелкодисперсные частицы, которые призваны исполнять роль упрочняющей фазы. Дисперсные частицы наполнителя вводят в матрицу специальными технологическими приемами. Частицы не должны активно взаимодействовать с матрицей и не должны растворяться в ней вплоть дотемпературы плавления. В этих материалах основную нагрузку воспринимает матрица, в которой за счет армирующей фазы создается структура, затрудняю­щая движение дислокаций. Дисперсно-упрочненные КМ - изотропны. Их применяют в авиации, ракетостроении и др. Содержание дисперсной фазы составляет ~5-7% (трубки, проволоки, фольга, прутки и т.п.).

Механизм упрочняющего действия от включения дисперсных частиц в матрице, отличается для разных типов ДУКМ.

1) Дисперсно-упрочненные композиционные материалы «пластичная матрица – хрупкий наполнитель»

Для этого типа материалов матрица может быть представлена, например, следующими металлами: Al , Ag , Cu , Ni , Fe , Co , Ti . В качестве наполнителя чаще всего выбираются соединения из оксидов (Al 2 O 3 ; SiO 2 ; Cr 2 O 3 ; ThO 2 ; TiO 2), карбидов (SiC ; TiC ), нитридов (Si 3 N 4 ; AlN ), боридов (TiB 2 ; CrB 2 ; ZrB 2).

На основании опытных данных могут быть сформулированы следующие требования к материалу наполнителя, обеспечивающие наиболее эффективное его использование в качестве упрочняющей фазы. Он должен обладать:

Высокой тугоплавкостью (t пл . > 1000 ° С);

Высокой твердостью и высоким модулем упругости;

Высокой дисперсностью (удельная поверхность – S уд ≥ 10 м 2 /г);

Должна отсутствовать коалесценция (слияние) дисперсных частиц в процессе получения и эксплуатации;

Должно иметь место низкое значение скорости диффузиидисперсных частиц в металлическую матрицу.

Механизм упрочнения композиционные материалы «пластичная матрица – хрупкий наполнитель» .

Упрочнение идет по дислокационному механизму: если расстояние между частицами достаточно, то дислокация под действием касательного напряжения выгибается между ними, ее участки смыкаются за каждой частицей, образуя вокруг частиц петли. В областях между дислокационными петлями возникает поле упругих напряжений, затрудняющее проталкивание новых дислокаций между частицами (рис. 1). Этим достигается повышение сопротивления зарождению (инициированию) трещины.

Рис. 1. Схематическое изображение процесса формирования дислокационных петель в пластичной матрице:

1 – дисперсные частицы; 2 – линии дислокаций; 3 – дислокационные петли; 4 – поле упругих напряжений;

d – размер частицы наполнителя; L – расстояние между соседними частицами наполнителя;

τ – направление действия касательных напряжений.

Получение композиционных материалов «пластичная матрица – хрупкий наполнитель» .

В общем случае последовательность технологических операций для получения ДУКМ типа «пластичная матрица – хрупкий наполнитель» является следующей:

а) Получение композитного порошка;

б) Прессование;

в) Спекание;

г) Деформация полуфабриката;

д) Отжиг.

2) Дисперсно-упрочненные композиционные материалы «хрупкая матрица – пластичный наполнитель»

Структура таких ДУКМ представлена керамической матрицей с равномерно распределенными в ней дисперсными металлическими частицами наполнителя. Эти композиты относятся к классу керметов . Расстояние между соседними частицами задается путем варьирования их объемной доли, а эффект от армирования может проявляться при содержании частиц 15-20% объема.

В качестве керамической фазы могут использоваться тугоплавкие оксиды и некоторые тугоплавкие неоксидные соединения: Al 2 O 3 , 3Al 2 O 3 ∙ 2SiO 2 , Cr 2 O 3 , ZrO 2 , ThO 2 , Y 2 O 3 , Si 3 N 4 , TiN , ZrN , BN, ZrB 2 , TiB 2 , NbB 2 , HfB 2 . В качестве металлической фазы – Fe , Co , Ni , Si , Cu , W, Mo , Cr , Nb , Ta , V, Zr , Hf , Ti . Выбор каждой конкретной керметной пары для получения композита обусловлен возможностью создания стабильной границы раздела в результате твердофазного взаимодействия при температуре, не превышающей температуру плавления наиболее легкоплавкой составляющей пары, либо температуру образования эвтектического расплава.

Механизм торможения разрушения композиционных материалов «хрупкая матрица – пластичный наполнитель» .

Процесс разрушения таких композитов условно можно разделить на две стадии. На первой стадии в ходе нагружения сначала инициируется хрупкое разрушение в матрицевследствие повышенной концентрации напряженийна микронеоднородностях ее структуры: микропорах, границах зерен, крупных неравноосных зернах. При достижении некоторого критического уровня напряжений происходит старт трещины.

На второй стадии распространяющаяся трещина взаимодействует с пластичными металлическими частицами (рис. 2): у ее вершины действуют максимальные напряжения, которые приводят к деформации, удлинению и разрыву металлических частиц. При этом работа разрушения данного композита существенно возрастает по сравнению с таковой характеристикой для неармированного материала. Это происходит за счет затрат энергии трещины на работу пластической деформации всех частиц, попадающих во фронт трещины. В результате сопротивление развитию трещины повышается, поскольку ее берега перекрываются «мостиками связи» из пластичного металла.

Рис. 2. Иллюстрация процесса торможения разрушения в хрупкой матрице:

1 – металлические частицы перед фронтом трещины; 2 – «мостики связи» образованные деформированными

металлическими частицами; 3 – разрушенные металлические частицы; 4 – берега трещины; σ р – растягивающие напряжения

Получение композиционных материалов «хрупкая матрица – пластичный наполнитель» .

Последовательность технологических операций, используемых для получения:

а) Получение композиционной порошковой смеси;

б) Введение в смесь органической связки;

в) Прессование;

г) Удаление органической связки;

д) Спекание;

е) Механическая обработка.

Для обеспечения прессуемости (придания пластичности) смеси порошков компонентов вводят органическую связку путем смешивания с раствором какого-либо органического вещества (поливиниловый спирт, поливинилбутираль , этиленгликоль, каучук и др.) с последующей сушкой для удаления растворителя. В результате выполнения этой операции каждая частица порошковой смеси покрыта тонким слоем пластификатора. Тогда при приложении давления прессования к порошковой смеси, засыпанной в пресс-форму, происходит связывание ее частиц по прослойкам пластификатора. После, путем термообработки изделий в вакууме или в порошковой засыпке из глинозема или сажи, происходит удаление связующего вещества при температуре термодеструкции или сгорания (300 – 400 ° С). После удаления органической связки частицы в объеме изделия удерживаются преимущественно за счет сил трения. Температура спекания композита лимитируется температурой спекания керамической матрицы. Оно проводится в нейтральных газовых средах (аргон, гелий) или в вакууме. В случае необходимости спеченный материал подвергают механической обработке с помощью алмазного инструмента.

Волокнистые КМ можно классифицировать по типу армирующего наполнителя. При их изготовлении в качестве арматуры применяются высокопрочные стеклянные, углеродные, борные, органические волок­на, металлические проволоки, нитевидные кристаллы ряда карбидов, оксидов, нитридов и др.

Армирующие материалы используются в виде моноволокон , нитей, жгутов, сеток, тканей, лент, холстов. Волокнистые КМ можно различать также по способу армирования: ориентированное и стохастическое (случайное). В первом случае композиты обладают четко выраженной анизотропией свойств; во втором - квизиизотропны . Объемная доля наполнителя в волокнистых КМ составляет 60-70%.

По типу матрицы композиты различают:

Полимерные (ПКМ);

Металлические (МКМ );

Керамические (ККМ);

- углерод-углеродные (УУКМ).

Полимерные композитные материалы – это гетерофазные композиционныематериалы с непрерывной полимерной фазой (матрицей), в которой хаотически или в определенном порядке распределены твердые, жидкие или газообразные наполнители. Эти вещества заполняют часть объема матрицы, сокращая тем самым расход дефицитного или дорогостоящего сырья, и (или) модифицируют композицию, придавая ей нужные качества, обусловленные назначением, особенностями технологических процессов производства и переработки, а также условиями эксплуатации изделий. К ним относятся подавляющее большинство пластмасс , резин, лакокрасочных материалов, полимерных компаундов, клеев и др.

В зависимости от типа полимерной матрицы различают наполненные реактопласты, термопласты (по­лиэтилен, поливинилхлорид, капрон и др.), синтетические смолы (полиэфирные, эпоксифенольные и др.) и каучуки. В зависимости от типа наполнителя ПКМ делят на дисперсно-наполненные пластики (наполнитель - дисперсные частицы разнообразной формы, в т. ч. измельченное волокно), армированные пластики (содержат упрочняющий наполнитель непрерывной волокнистой структуры), газонаполненные пластмассы, масло-наполненные каучуки; по природе наполнителя наполненные полимеры подразделяют на асбопластики (наполнитель-асбест), графито-пласты (графит), древесные слоистые пластики (древесный шпон), стеклопластики (стекловолокно), углепластики (углеродное волокно), органопластики (химические волокна), боропластики (борное волокно) и др., а также на гибридные, или поливолокнистые пластики (наполнитель-комбинация различных волокон).

По способу изготовления ПКМ можно разделить на полученные: выкладкой, намоткой, пултрузией , прессованием и др.

Знакомит читателя с композитами на основе металлов и керамическими композитными материалами. Также в ней рассказывается об основных видах применения композитов.

• Органопластики с органическими волокнами естественного и искусственного происхождения. Легче, чем стекло- и углепластики. Отличаются высокой прочностью на удар, но низкой - на растяжение/изгиб. К пластикам этого типа относится, например, кевлар.
• Текстолиты, изготовленные из матрицы из полимера и тканей различной природы в качестве наполнителя. Некоторые текстолиты изготавливаются с матрицей из неорганических веществ (силикатов, фосфатов). Свойства материалов очень разнообразны, зависят от вида волокон ткани. Волокна производят из хлопка, асбеста, базальта, стекла, искусственных материалов и пр.
• Полимеры с порошковым заполнением (полиэтилены, полипропилены, смолы с различными наполнителями, например, тальком, крахмалом, сажей, карбонатом кальция и пр.) - разработано уже более 10 тыс. видов пластиков этого типа. Обратите внимание, что у нас можно купить различные наполнители и другое необходимое сырье для изготовления композитов.

Композиты на основе металлов

Металлокомпозиты изготавливают на основе многих цветных металлов, например, меди, алюминия, никеля. Для наполнения берутся волокна, устойчивые к высоким температурам, не растворяющиеся в основе. Чаще всего используются металлические волокна или монокристаллы из оксидов, нитридов, керамики, карбидов, боридов. Благодаря этому получаются композиты, гораздо более огнестойкие, прочные и износоустойчивые, чем исходный чистый металл.

Керамические композиты

Керамические композиты изготавливают методом спекания под давлением исходной керамической массы с добавлением волокон или частиц. В качестве наполнителей чаще всего применяются металлические волокна - получаются керметы. Они отличаются устойчивостью к тепловому удару, высокой теплопроводностью.

Керметы используются для производства износоустойчивых и термостойких деталей, например, газовых турбин, электропечей. Также они востребованы для изготовления режущего инструмента, деталей тормозных систем, тепловыделяющих стержней для атомных реакторов.

Применение композитов

Композитные материалы уже сейчас используются практически во всех областях производства. Их применяют:

• в строительстве;
• производстве безопасных и бронированных стекол для транспортных средств, витрин и дверей;
• медицинских протезов;
• покрытий для кухонных столов и основы для электронных плат;
• деталей и корпусов бытовых приборов;
• оконных рам и многого другого.

Это интересно: композиты с экстремальными свойствами востребованы в самолето-, авто-, судо- и ракетостроении. Они нужны при производстве деталей для космических аппаратов, атомных станций, спортивного инвентаря (например, легких и прочных велосипедов). Применяются для изготовления элементов приборов и оборудования, эксплуатирующихся в агрессивных средах и при высоких температурах.