Композиционный материал

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:

• 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

Низкая ударная вязкость

Высокий удельный объем

Гигроскопичность

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

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.

• брони для военной техники

Литература

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

См. также

Примечания

Ссылки

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Композиционный материал" в других словарях:

КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ, состав, созданный путем сочетания двух или более других материалов, как, например, бетон, стеклопластик или фанера. Обычно композиционный материал по свойствам превосходит те, из которых он сделан … Научно-технический энциклопедический словарь

композиционный материал - композит Материал неоднородной структуры, состоящий из нескольких однородных материалов (компонентов). [ПБ 03 576 03] Дополнительная информация в интернете: http://www.xumuk.ru/encyklopedia/2085.html Тематики полимерные и др. материалы Синонимы… … Справочник технического переводчика

композиционный материал - 3.3 композиционный материал: Материал, содержащий активный резиновый порошок в качестве основы, а также целевые и функциональные добавки, предназначенный для модифицирования асфальтобетонных смесей. Источник … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

Композитом называют сплошной неоднородный материал, который был искусственно создан из нескольких компонентов с разными физическими и химическими свойствами. Механические характеристики композитного материала определяет соотношение свойств матрицы и армирующих элементов, а также прочность их связи, которая обеспечивается при правильном выборе исходных компонентов и способе их совмещения.

Наиболее примитивным композитным материалом являются кирпичи из соломы и глины, которыми пользовались еще древние египтяне.

Чаще всего композитом называют материалы на основе смолы или полимерных матриц. Для изготовления композитных материалов используются фенольные, эпоксидные, винилэфирные, полиэфирные и полипропиленовые полимеры. Армирующими веществами при изготовлении композитов выступают сыпучие вещества и волокна. Прочность материала зависит от количества смолы – чем ее меньше, тем он прочнее. Сегодня для достижения идеальных пропорций всех компонентов в композитном материале постоянно совершенствуется технология формования.

Методы формования композитных материалов

В процессе формования матрица композитного материала объединяется с его армирующим веществом, в результате чего можно изготовить то или иное изделие. Термореактивные полимерные матрицы в процессе формования проходят через химическую реакцию отверждения. Термопластичные полимерные матрицы в процессе формования расплавляются и застывают в заданной форме. Данный процесс обычно проходит в комнатной температуры и нормального давления.

Самым распространенным композитом сегодня считается цемент с металлической арматурой или асфальтобетон.

Также существует контактное (ручное) формование, которое обладает рядом серьезных недостатков. В изделии, сформованном этим методом, содержится повышенное количество смолы, что делает его более хрупким. Кроме этого, при нем сложно достичь идеальных пропорций матрицы и армирующего вещества, а также соблюсти толщину изделия, избежав при этом внутренних воздушных ходов.

Процесс вакуумного формования предполагает использование открытой оснастки, в которую помещаются компоненты композита, накрываемые силиконовой мембраной или полимерной пленкой. Затем на оснастку в условиях атмосферного давления и повышенной температуры накладывают вакуум.

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.

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.

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.