Композиционные материалы

Композицио́нный материа́л (компози́т, КМ) — искусственно созданный неоднородный сплошной материал, состоящий из двух или более компонентов с четкой границей раздела между ними. В большинстве композитов (за исключением слоистых) компоненты можно разделить на матрицу и включенные в нее армирующие элементы. В композитах конструкционного назначения армирующие элементы обычно обеспечивают необходимые механические характеристики материала (прочность, жесткость и т.д.), а матрица (или связующее) 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 связи  между ними. Эффективность и работоспособность  материала зависят от правильного  выбора исходных ком­понентов и технологии их совмещения, призванной обеспечить прочную связь между компонентами при сохранении их первоначальных характеристик.

В результате совмещения армирующих элементов и матрицы образуется комплекс свойств композиции, не только отражающий исходные характеристики его  компонентов, но и включающий 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 нем 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

 

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).

 

Преимущества  композиционных материалов

 

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.

высокая удельная прочность (прочность 3500 МПа)

высокая жёсткость (модуль упругости 130…140 - 240 ГПа)

высокая износостойкость

высокая усталостная прочность

из КМ возможно изготовить размеростабильные конструкции

легкость

Причём, разные классы композитов могут обладать одним или несколькими  преимуществами. Некоторых преимуществ  невозможно добиться одновременно.

 

Недостатки композиционных материалов

 

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

 

Высокая стоимость

 

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

 

Анизотропия - непостоянство  свойств КМ от образца к образцу. 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

 

Низкая ударная вязкость также является причиной повышения  коэффициента 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 объем

 

Высокий удельный объем является существенным недостатком при применении КМ в областях с жесткими ограничениями  по занимаемому объему. Это относится, например, к сверхзвуковым самолётам, у которых даже незначительное увеличение объема самолёта приводит к существенному  росту волнового аэродинамического  сопротивления.

Гигроскопичность

 

Композиционные материалы  гигроскопичны, т.е. 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.

 

КМ могут впитывать  также другие жидкости, обладающие высокой проникающей способностью, например, авиационный керосин.

 

Токсичность

 

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

 

Композиционные материалы  обладают низкой эксплуатационной технологичностью, низкой ремонтопригодностью и высокой  стоимостью эксплуатации. Это связано  с необходимостью применения специальных  трудоемких методов, специальных инструментов для доработки и ремонта объектов из КМ. Часто объекты из КМ вообще не подлежат какой-либо доработке и  ремонту.

 

Области применения

 

Товары широкого потребления

Примеры:

Железобетон — один из старейших  и простейших композиционных материалов

Удилища для рыбной ловли  из стеклопластика и углепластика

Лодки из стеклопластика

Автомобильные покрышки

Металлокомпозиты

 

Спортивное оборудование

оборудование для горнолыжного спорта — палки и лыжи

Хоккейные клюшки и коньки

байдарки, каноэ и вёсла  к ним

 

Машиностроение

 

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

 

 

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

 

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

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

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

 

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

 

Вооружение и военная  техника

 

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

бронежилетов (см. также кевлар)

брони для военной техники