Композиционные материалы и их классификация
Композиционные материалы (композиты, КМ) – искусственно созданные материалы, состоящие из двух или более неоднородных и нерастворимых друг в друге компонентов, соединяемых между собой физико-химическими связями.
Одним из компонентов композиционных материалов является арматура, или наполнитель, обеспечивающие необходимые механические характеристики материала, а другим компонентом – матрица (или связующее), обеспечивающая совместную работу армирующих элементов. В качестве матрицы используют полимерные, металлические, керамические и углеродные материалы, в зависимости от типа которых композиционные материалы получают общее название.
Упрочнителями служат стеклянные, борные, углеродные, органические, нитевидные кристаллы (карбидов, боридов, нитридов и др.) и металлические проволоки, обладающие высокой прочностью и жесткостью. При формировании композиции эффективно используются индивидуальные свойства составляющих элементов композиций.
Свойства композиционных материалов зависят от состава компонентов, количественного соотношения и прочности связи между ними. Комбинируя объемное содержание компонентов, можно в зависимости от назначения получить материалы с требуемыми значениями прочности, жаропрочности, модуля упругости или получать композиции с необходимыми специальными свойствами, например магнитными и т.п.
Композиционные материалы имеют высокую удельную прочность, жесткость (модуль упругости 130–140 ГПа), высокие износостойкость, усталостную прочность. Из них можно изготовить размеростабильные конструкции. Композиционные материалы являются весьма перспективными конструкционными материалами для многих отраслей машиностроения.
Но некоторые виды композитов имеют недостатки: высокую стоимость, анизотропию свойств, повышенную наукоемкость производства, необходимость специального дорогостоящего оборудования и сырья, а следовательно, развитого промышленного производства и научной базы.
Композиционные материалы классифицируют по геометрии наполнителя, расположению его в матрице и природе компонентов, схеме расположения наполнителей, по природе компонентов, структуре композиционного материала.
По природе компонентов композиционные материалы (КМ) делят на четыре группы:
- КМ, содержащие компоненты из металлов или сплавов;
- КМ, включающие компоненты из неорганических соединений оксидов, карбидов, нитридов и др.;
- КМ, состоящие из неметаллических элементов, углерода, бора и др.;
- КМ, содержащие компоненты из органических соединений (эпоксидные, полиэфирные, фенольные и другие смолы).
По структуре композиты делятся на несколько основных классов: волокнистые, слоистые, дисперсно-упрочненные, упрочненные частицами и нанокомпозиты.
Волокнистые композиты армированы волокнами или нитевидными кристаллами. Механические свойства композита могут изменяться за счет ориентации размера и концентрации волокон.
Кроме того, армирование волокнами позволяет придать материалу анизотропию свойств (различие свойств в разных направлениях). За счет добавки волокон проводников можно придать материалу электропроводность вдоль заданной оси. В слоистых композиционных материалах матрица и наполнитель располагаются слоями.
Остальные классы композиционных материалов характеризуются наполнением матрицы частицами армирующего вещества, различающегося дисперсностью частиц. Так, дисперсно-упрочненные композиты включают от 1 до 15% (по объему) частиц размером от 0,01 до 0,1 мкм. Композиты, упрочненные частицами, содержат 20–25% (по объему) частиц размером более 1 мкм. Размеры частиц, входящих в состав нанокомпозитов, составляют 10–100 нм.
Исследовательская работа «Композитные материалы» — RA SOVA
Композит – многокомпонентный материал, состоящий из пластичной основы (матрицы) и армирующего наполнителя, придающего композиту прочность и жесткость.
Сочетание разнородных веществ приводит к созданию нового материала, свойства которого качественно и количественно превосходят свойства его составляющих.
Многие композиты опережают по своим полезным свойствам традиционные материалы и сплавы и в то же время они легче. Использование композитов позволяет увеличить прочность конструкции, снизить вес и увеличить долговечность.
После того как современная физика металлов подробно разъяснила нам причины их пластичности, прочности и ее увеличения, началась интенсивная систематическая разработка новых материалов. Это приведет, вероятно, уже в вообразимом будущем к созданию материалов с прочностью, во много раз превышающей ее значения у обычных сегодня сплавов. При этом большое внимание будет уделяться уже известным механизмам закалки стали и старения алюминиевых сплавов, комбинациям этих известных механизмов с процессами формирования и многочисленными возможностями создания комбинированных материалов. Два перспективных пути открывают комбинированные материалы, усиленные либо волокнами, либо диспергированными твердыми частицами. У первых в неорганическую металлическую или органическую полимерную матрицу введены тончайшие высокопрочные волокна из стекла, углерода, бора, бериллия, стали или нитевидные монокристаллы.
Объектом исследования являются композитные материалы, а именно карнизные блоки, перильные ограждения, композитные опоры, полимерные трубы, футерованные колодцы, шумозащитные экраны, геоматериалы, лотки, ЛОС/КНС, стеклопластиковые колодцы, композитные трубы. Предметом исследования является технология производства композиционных материалов. Цель исследования – изучить композиционные материалы их свойства и технологию производства.
Задачами исследования являются:
- Рассмотреть технологию производства композиционных материалов.
- Рассмотреть композиционные материалы и их свойства.
Результаты и выводы. Изучая композиционные материалы, их свойства и технологию производства, ненароком начинаешь задумываться о будущем.
Уже невозможно представить автомобиль без композиционных материалов. Области применения композиционных материалов многочисленны. Кроме авиационно-космической, ракетной и других специальных отраслей техники, они могут быть успешно применены в энергетическом турбостроении, в автомобильной и горнорудной, металлургической промышленности, в строительстве и т.д. Диапазон применения этих материалов увеличивается день ото дня и сулит еще много интересного. Можно с уверенностью сказать, что это материалы будущего.
Композиционные материалы встречаются нам везде, во всей нашей повседневной жизни. Сидите дома, а вокруг вас окружает один из самых простейших видов композиционных материалов – железобетон. Пошли в гараж, отопление в котором проведено армированными трубами. Выезжаете на машине, у которой бампера из стеклопластика, не говоря уже о поршнях, шатунах, покрышках, тормозных колодках и т.д. Соберётесь на рыбалку, как же обойтись без суперлёгкой и прочной углепластиковой удочки. А если вас заберут в армию, бронежилеты, броня для танков, приклады автоматов, всё состоит из композиционных материалов.
композитный материал | строительство | Британника
- Похожие темы:
- композитный материал с керамической матрицей углерод-углеродный композитный материал ручная укладка предварительно пропитанная лента укладка ленты
См. все связанные материалы →
композитный материал , также называемый композит , твердый материал, который получается, когда два или более разных вещества, каждое со своими характеристиками, объединяются для создания нового вещества, свойства которого превосходят свойства оригинальные компоненты в конкретном приложении. Термин «композит» более конкретно относится к конструкционному материалу (например, пластику), в который встроен волокнистый материал (например, карбид кремния).
Далее следует краткое описание композитных материалов. Для полной обработки см. Материаловедение.
Викторина «Британника»
Строительные блоки предметов повседневного обихода
Из чего сделаны сигары? К какому материалу относится стекло? Посмотрите, на что вы действительно способны, ответив на вопросы этого теста.
Замечательные свойства композитов достигаются за счет встраивания волокон одного вещества в матрицу другого вещества. В то время как структурная ценность пучка волокон невелика, прочность отдельных волокон можно использовать, если они встроены в матрицу, которая действует как клей, связывая волокна вместе и придавая материалу прочность. Жесткие волокна придают композиту структурную прочность, а матрица защищает волокна от воздействий окружающей среды и физических повреждений, а также придает им термическую стабильность. Комбинация волокна и матрицы также снижает вероятность полного перелома; если одно волокно выходит из строя, трещина может не распространяться на другие волокна, тогда как трещина, которая начинается в монолитном (или одиночном) материале, обычно продолжает распространяться до тех пор, пока этот материал не выйдет из строя.
Большинство обычных композитов напоминают фанеру тем, что состоят из тонких слоев, каждый из которых армирован длинными волокнами, уложенными в одном направлении.
Такие материалы проявляют повышенную прочность только вдоль направления волокон. Для получения композитов, прочных во всех направлениях, волокна вплетаются в трехмерную структуру, в которой они лежат вдоль трех взаимно перпендикулярных осей.
Структурный компонент композита может состоять из волокон из стекла или углеграфита, более коротких «усов» из карбида кремния или оксида алюминия или более длинных вольфрамово-борных нитей. Материалом матрицы может быть эпоксидная смола или другой высокотемпературный пластик, алюминий или какой-либо другой металл, или керамика, такая как нитрид кремния. Армированный стекловолокном пластик является наиболее известным композитом и нашел широкое применение как в бытовых товарах, так и в промышленных изделиях. Однако композиты находят наибольшее применение в аэрокосмической промышленности, где их жесткость, легкость и термостойкость делают их предпочтительными материалами для армирования капотов двигателей, крыльев, дверей и закрылков самолетов.
Эта статья была недавно пересмотрена и обновлена Адамом Августином.
Что такое композиты? — Композиты 101
Композит — это материал, изготовленный из двух или более различных материалов, которые в сочетании прочнее, чем отдельные материалы по отдельности.
Проще говоря, композиты представляют собой комбинацию компонентов. В нашей отрасли композиты — это материалы, изготовленные путем объединения двух или более природных или искусственных элементов (с разными физическими или химическими свойствами), которые сильнее как команда, чем как отдельные игроки. Материалы компонентов не смешиваются полностью и не теряют своей индивидуальности; они объединяют и вносят свой вклад в улучшение результата или конечного продукта.
Композиты, как правило, разрабатываются с учетом конкретных целей, таких как дополнительная прочность, эффективность или долговечность.
Композиты, также известные как композиты из армированного волокном полимера (FRP), изготавливаются из полимерной матрицы, армированной инженерным, искусственным или натуральным волокном (таким как стекло, углерод или арамид) или другим армирующим материалом. Матрица защищает волокна от воздействия окружающей среды и внешних повреждений и передает нагрузку между волокнами. Волокна, в свою очередь, обеспечивают прочность и жесткость, укрепляя матрицу и помогая ей сопротивляться растрескиванию и разрушению.
Придает прочность и жесткость (стекло, углерод, арамид, базальт, натуральные волокна)
Защищает и распределяет нагрузку между волокнами (полиэстер, эпоксидная смола, винилэфир и др.) смола – это матрица, а стекловолокно – это армирование. Но в композитах используется множество комбинаций смол и армирующих материалов, и каждый материал вносит свой вклад в уникальные свойства готового продукта: мощное, но хрупкое волокно обеспечивает прочность и жесткость, а более гибкая смола придает форму и защищает волокно.
Композиты FRP могут также содержать наполнители, добавки, материалы сердцевины или отделки поверхности, предназначенные для улучшения производственного процесса, внешнего вида и характеристик конечного продукта.
Композиты могут быть натуральными или синтетическими. Древесина, природный композит, представляет собой комбинацию целлюлозы или древесных волокон и вещества, называемого лигнином. Волокна придают дереву прочность; лигнин представляет собой матрицу или природный клей, который связывает и стабилизирует их. Другие композиты являются синтетическими (искусственными).
Фанера представляет собой искусственный композит, который сочетает в себе натуральные и синтетические материалы. Тонкие слои деревянного шпона соединяются клеем, образуя плоские листы из ламинированного дерева , которые прочнее натуральной древесины.
Не все пластмассы являются композитами. На самом деле, большинство пластмасс — те, что используются в игрушках, бутылках с водой и других привычных предметах, — это композиты , а не .
Это чистый пластик. Но многие виды пластика можно армировать, чтобы сделать их прочнее. Эта комбинация пластика и армирования позволяет производить одни из самых прочных и универсальных материалов (для своего веса), когда-либо разработанных с помощью технологий.
Полимерные смолы (такие как полиэфирные, винилэфирные, эпоксидные или фенольные) иногда называют пластмассами.
Многие термины используются для определения композитов FRP. Модификаторы использовались для идентификации конкретного волокна, такого как полимер, армированный стекловолокном (GFRP), полимер, армированный углеродным волокном (CFRP), и полимер, армированный арамидным волокном (AFRP). Еще один знакомый термин — армированные волокном пластмассы. Кроме того, с годами были разработаны другие аббревиатуры, и их использование зависело от географического положения или использования на рынке. Например, армированные волокном композиты (FRC), стеклопластики (GRP) и композиты с полимерной матрицей (PMC) можно найти во многих источниках.
