Композиционные и порошковые материалы
Содержание страницы
Композиционные материалы – новый класс высокопрочных материалов. Принципиально иной способ достижения высокой конструкционной прочности (рис. 1).
Рис. 1 Схемы композиционных материалов
Классификация композиционных материалов
Композиционные материалы с металлической матрицей
(рис. 2)
Рис. 2 Схема процесса получения композита с металлической матрицей
Композиционные материалы с неметаллической матрицей
(рис. 3)
Рис. 3 Схема композиционного материала: 1– матрица, 2 – армирующие компоненты, 3 – переходный слой на границе раздела компонентов
Характеристика по виду упрочнителями
Свойства композиционных материалов
Композиты
На рис. 4, 8.5, 8.6 изображены многофазные композиционные системы
Рис. 4 Армированный бетон
Рис. 5 Биметаллические провода
Рис. 6 Плакированная сталь обеспечивает высокую коррозионноэрозионную стойкость «ледового пояса»
Композиционные порошковые материалы (рис. 4).
Рис. 4 Штампованные изделия из композиционных порошковых материалов
Виды композиционных порошковых материалов
Применение порошковых материалов (рис. 5)
Рис. 5 Изделия из порошковых материалов
Композиционные материалы отличаются высоким сопротивлением распространению трещин, так как при её образовании, например, из-за разрушения волокна, трещина «вязнет» в мягкой матрице. Кроме того, композиционные материалы, использующие высокопрочные и высокомодульные волокна и лёгкую матрицу, могут обладать высокими удельной прочностью и жёсткостью.
Маркировка порошковых материалов
Изготовляют большое количество порошковых конструкционных (СП10-1 … СП10-4, СП30-1 … СП30-4, СП30Д3-2, СП60Н2Д2-2, СП30Н3М-2, СП40Х-2, СП45Х3-2 и др.), мартенситно-стареющих (СПН12К5М5Г4ТЮ, СПН12Х5М3Т и др.), коррозионностойких (СПХ17Н2, СПХ18Н15, СПХ23Н28 и др.) и других сталей. В маркировке сталей добавочно введены буква «С», которая указывает класс материала – сталь, и буква «П» – порошковая. Цифра после дефиса показывает плотность стали в процентах. Стали подвергают термической обработке.
Сплавы на основе цветных металлов (АЛП-2, АЛПД-2-4, АЛПЖ12-4, БрПБ–2, БрПО10–2, БрПО10Ц3–3, ЛП58Г2-2 и др.) нашли широкое применение в приборостроении электротехнической промышленности и электронной технике. В марке сплавов первые буквы, указывают класс материала («Ал» – алюминий, «Б» – берилий, «Бр» – бронза, «Л» – латунь и т.д.), буква «П» – порошковый сплав и число после дефиса – плотность материала в процентах. Буквы («Д» – медь, «Ж» – железо, «Г» – марганец и др.) и цифры в марке указывают состав сплава. Так же как обычные сплавы, порошковые сплавы на основе цветных металлов обладают высокой теплопроводностью и электропроводимостью, коррозионной стойкостью, немагнитны, хорошо обрабатываются резанием и давлением.
Просмотров: 546
Некоторые методы изготовления продуктов из композитов / Хабр
Прошлый свой пост я посвятил истории композитных материалов. Я продолжаю занимать свой досуг этой теме и сегодня хочу рассказать немного о терминах и технологиях прототипирования с использованием полимерных композитов. Если вам нечем заняться длинными зимними вечерами, то вы всегда можете смастерить из углепластиковой ткани сноуборд, корпус для мотоцикла или чехол на смартфон. Конечно, процесс может в итоге выйти дороже, нежели покупка готового продукта, но интересно что-то мастерить своими руками.Под катом — обзор методов изготовления изделий из композитных материалов. Буду вам благодарен, если в комментариях вы меня дополните, чтобы в результате получился более полный пост.
Композиционный материал создается минимум из двух компонентов с четкой границей между ними. Есть слоистые композитные материалы — например, фанера. Во всех же других композитах можно разделить компоненты на матрицу, или связующее, и армирующие элементы — наполнители. Композиты обычно разделают по виду армирующего наполнителя или по материалу матрицы. Подробнее об использовании композитов вы можете прочитать в посте История композиционных материалов, а эта публикация посвящена методам изготовления продуктов из композитов.
Ручное формование
В случае с изготовлением изделий единичными экземплярами наиболее распространенным методом является ручное формование. На подготовленную матрицу наносится гелькоут – материал для получения хорошей отделки на внешней части армированного материала, позволяющий также подобрать цвет для изделия. Затем в матрицу укладывается наполнитель – например, стеклоткань – и пропитывается связующим. Удаляем пузырьки воздуха, ждем, пока все остынет, и дорабатываем напильником – обрезаем, высверливаем и так далее.
Этот метод широко используется для создания деталей корпуса автомобилей, мотоциклов и мопедов. То есть для тюнинга в тех случаях, когда он не ограничивается наклейкой пленки «под карбон».
Напыление
Напыление не требует раскроя стекломатериала, но взамен нужно использование специального оборудования. Данный метод часто используется для работы с крупными объектами, такими как корпусы лодок, автотранспорт и так далее. Точно так же, как и в случае с ручным формованием, сначала анносится гелькоут, затем стекломатериал.
RTM (инжекция)
При методе инжекции полиэфирной смолы в закрытую форму используется оснастка из матрицы и ответной формы – пуансона. Стекломатериал укладывается между матрицей и ответной формой, затем в форму под давлением вливается отвердитель – полиэфирная смола. И, конечно, доработка напильником после отверждения – по вкусу.
Вакуумная инфузия
Для метода вакуумной инфузии необходим пакет, в котором с помощью насоса создается вакуум. В самом пакете располагается армирующий материал, поры которого после откачки воздуха заполняются жидким связующим.
Намотка
Метод намотки композитов позволяет сделать сверхлегкие баллоны для сжатого газа, для чего используют РЕТ-лейнер, подкачанный до 2-5 атмосфер, а также композитные трубы, используемые в нефтедобывающей отрасли, химической промышленности и в коммунальном хозяйстве. Из названия легко понять, что стеклоткань наматывают на подвижный или неподвижный объект.
На видео — процесс намотки стеклоткани на баллон.
Пултрузия
Пультрузия – это “протяжка”. При этом методе происходит непрерывный процесс протягивания композиционного материала сквозь тянущую машину. Скорость процесса составляет до 6 метров в минуту. Волокна пропускаются через полимерную ванну, где пропитываются связующим, после чего проходят сквозь преформовочное устройство, получая окончательную форму. Затем в пресс-форме материал нагревается, и на выходе мы получаем окончательный затвердевший продукт. Процесс производства шпунтовых свай методом пултрузии.
Прямое прессование
Изделия из термопластов изготавливают в пресс-формах под давлением. Для этого используют высокотемпературные гидравлические прессы с усилием от 12 до 100 тонн и максимальной температурой около 650 градусов. Таким способом делают, например, пластиковые ведра.
Автоклавное формование
Автоклав необходим для проведения процессов при нагреве и под давлением выше атмосферного с целью ускорить реакцию и увеличить выход продукта. Внутрь автоклава помещаются композитные материалы на специальных формах.
Продукты из композитов
Композитные материалы широко используются в авиастроении. Например, Solar Impulse построен из них.
Автопром.
Протезы и ортезы.
Спорт.
Если у вас появились дополнения, то обязательно напишите о них в комментариях. Спасибо.
Композитные панели — что это, назначение, характеристики, преимущества и область применения
Содержание:
- Что такое композитный пластик
- Структура и характеристики композита
- Виды композитных панелей
- Типовые размеры композитных панелей
- Преимущества композитных панелей
- Область применения композитных панелей
- Особенности выбора композитных панелей
- Технология монтажа навесных вентилируемых фасадов
- Изготовление кассет
- Преимущества фасадов из композитных панелей
Композит объединяет в своем составе несколько различных материалов в единое целое.
Основу композитных панелей составляет пластичная матрица, армированная различными наполнителями. Внешне они представляют собой прямоугольные многослойные листы.
На строительном рынке представлены композитные материалы, различающиеся по составу наполнителей, количеству слоев, виду отделочных и защитных покрытий.
Структура и характеристики композита
Все слои листов композита соединены между собой по особой технологии, создающей прочную, надежную, устойчивую к расслаиванию конструкцию.
Лицевая поверхность может окрашиваться в разные цвета, быть однотонной или иметь различные рисунки.
Панели представляют собой прямоугольные листы с металлической или полимерной основой и теплоизоляционной прослойкой.
Внутренний слой покрывается антикоррозийным покрытием. На тыльную сторону панелей наносятся знаки в виде стрелок, указывающие направление резки при раскрое листов.
Внешний лицевой слой имеет декоративные и защитные слои из полиэстера или PVDF, защищающие материал от ультрафиолетовых лучей и неблагоприятных погодных факторов. Лицевая поверхность панелей может окрашиваться в разные цвета, иметь рисунок под древесину или кирпич, природный камень или декоративную штукатурку, быть матовой или глянцевой.
Для придания прочности, жесткости и укрепления панелей применяются алюминиевые, стальные или синтетические листы.
Основу композита составляет полимерный наполнитель, отвечающий за технические свойства материала.
Скрепляет многослойную конструкцию слой клея или смолы PVDF.
Композитные панели могут эксплуатироваться при температурах от -50 до +80°С.
Материал не подвержен коррозии, устойчив к агрессивным природным воздействиям, не поражается плесенью и микроорганизмами. Относится к слабо горючим.
Нормами пожарной безопасности материал допускается к применению в облицовке индивидуальных жилых домов и общественных зданий.
Виды композитных панелей
На строительном рынке композитные панели представлены в нескольких разновидностях, отличающихся по составу и количеству слоев, размерам и цветовой палитре:
Алюминиевые
Состоят из тонких алюминиевых пластин. Характеризуются высокой прочностью и жесткостью при небольшом весе. Алюминиевые панели не боятся ветровых нагрузок. Стоят дороже аналогов. Могут устанавливаться на фасадах высотных зданий и не стабильных несущих ограждающих, рекламных и декоративных конструкциях.
Минеральные
Имеют в своем составе вспененный полиэтилен и антипиреновые соединения, снижающие горючесть материала. Под действием открытого огня материал не плавится. В процессе горения выделяется незначительное количество дыма
Полимерные
Основу материала составляет поликарбонат. Отличаются небольшим весом и доступной стоимостью. Уступают по прочности, жесткости и несущей способности алюминиевым и минеральным аналогам. Применяются для внутренней отделки помещений.
В качестве декоративного и защитного покрытия используются прочные и устойчивые составы:
- Краски PVDF — создают качественный декоративный слой, не выгорающий на солнце, не деформирующийся на морозе и в условиях жаркого климата. Не задерживают грязь и пыль. Не теряют привлекательности до 25 лет.
- Ламинирующие пленки способны имитировать натуральные материалы из дерева, кирпича, камня и металла. Служат от 15 до 20 лет. Отличаются разнообразием рисунков и расцветок, высоким качеством отделки и более дорогой, чем у аналогов ценой.
- Оксидные покрытия образуют на поверхности зеркальное, стойкое к коррозии долговечное покрытие, способное служить без потери качества до 20 лет.
Палитра цветов композитных панелей составляет более 200 позиций по каталогу RAL, из них более 17 — металлических оттенков.
Рис.2. Выбор оттенков композитных панелей.
Типовые размеры
|
Длина, мм |
Ширина,мм |
Толщина, мм |
|
1500 |
|
От 2 до 6 |
|
1220 |
4000 |
|
|
1500 |
6000 |
|
|
1220 |
6000 |
Возможны и другие размеры панелей по индивидуальному заказу.
Преимущества панелей
Композитные материалы экологичны и безопасны. Отличаются хорошими теплозащитными качествами. Не выгорают на солнце. Сочетают в себе прочность, жесткость и пластичность.
Композитные плиты обладают высокими эксплуатационными показателями:
- Легкостью. Вес одного квадратного метра листа составляет от трех до восьми килограммов, в зависимости от используемых материалов. Композитные панели легче стальных листов аналогичной жесткости в 3-4 раза, алюминиевых — в 1,5-2 раза.
- Прочностью. Благодаря этим показателям, кассеты изготавливаются больших размеров, что позволяет производить монтажные работы в короткие сроки с минимальными трудозатратами.
- Стойкостью к температурным перепадам и агрессивным воздействиям окружающей среды. Могут эксплуатироваться в условиях жаркого климата и экстремально низких температур.
- Надежностью и долговечностью. Отделочные покрытия из композитных панелей могут служить до 50 лет без потери качества и привлекательного внешнего вида.
- Повышенной звукоизоляцией. В сочетании с утепляющими слоями и воздушной прослойкой при монтаже вентилируемых фасадов способны значительно повысить звукоизоляцию помещений и защитить от уличного шума.
Широкая цветовая гамма и отличная гибкость позволяет создавать уникальные конструкции фасадов и внутренние интерьеры зданий.
Вентилируемые фасады можно навешивать на любые стены без предварительной подготовки, что значительно экономит затраты на строительство или ремонт.
К отрицательным свойствам относятся низкая ремонтопригодность. При повреждении композитного листа отремонтировать его практически невозможно.
Риск появления царапин на облицовке повышает требования к монтажу, складированию и транспортировке материала.
Область применения
Одна из самых распространенных сфер использования композитных листов — устройство навесных вентилируемых фасадов.
Листы композита получили широкую популярность при строительстве и реконструкции зданий.
Рис.3. Использование композита при строительстве нестандартных объектов.
Листы из композита применяются при создании различных сооружений и конструкций:
- отделка лоджий и балконов, монтаж навесов и карнизов;
- изготовление вывесок, информационных и выставочных стендов, конструкций наружной рекламы;
- создание стел, указателей, малых архитектурных форм в городском дизайне;
- оформление стен, колонн, потолков, внутри зданий;
- устройство офисных перегородок, специальной мебели;
- обшивка холодильных камер и автомобильных рефрижераторов;
- строительство автозаправочных станций, киосков, остановочных павильонов и прочих нестандартных объектов.
Композитные листы широко применяются в дизайне зданий. Легко имитируют кирпичи и натуральные камни, зеркала и металл.
Рис. 4. Фасад торгового центра из композитных кассет.
Композитные кассеты не рекомендуется монтировать на детские дошкольные и образовательные учреждения и больницы.
Особенности выбора
Для самостоятельного монтажа композитных конструкций стоит приобретать материал в комплекте с кронштейнами, направляющими профилями, крепежными деталями и другими приспособлениями.
От качества панелей зависит надежность монтажа и срок эксплуатации конструкций.
При выборе композитных панелей нужно руководствоваться следующими рекомендациями:
- На внутренней стороне панели должна содержаться информация о дате выпуска, номере партии, указываться производственный код и тип панели.
- Любая партия композита комплектуется технической документацией, подтверждающей качество и огнестойкость материала.
- При получении товара проверяйте панели на целостность защитной пленки, отсутствие дефектов, вмятин и царапин. Важно помнить, что панели с высокой степенью горючести не могут использоваться при строительстве жилых домов и общественных помещений.
На защитной пленке указывается направление расположения композитных листов на фасаде, чтобы избежать разнотона при монтаже.
Рис.5. Маркировка материала на защитной пленке.
Технология монтажа навесных вентилируемых фасадов
Навесные вентилируемые фасады пользуются большой популярностью при отделке не только общественных зданий, но и современных частных домов.
Они монтируются по современным технологиям и подходят для стен из кирпича и газобетона, железобетонных панелей и дерева.
Конструкция вентфасада включает в себя:
- облицовку из композитных кассет;
- стальную подсистему;
- утепляющие, пароизолирующие и ветрозащитные материалы.
Между утеплителем и облицовочным слоем устраивается воздушный зазор.
Благодаря воздушной прослойке, работающей по принципу вытяжной трубы, конденсирующая под фасадной облицовкой влага вытягивается с восходящим воздушным потоком в атмосферу.
Кроме того, прослойка из воздуха является дополнительным теплоизолятором. Она сглаживает термические деформации, возникающие при температурных перепадах, тем самым предотвращает преждевременное разрушение несущих и ограждающих конструкций.
ия можно использовать стекло матовое или более темных тонов. В продаже имеется поликарбонат в широкой гамме цветов: опал, бронзовый, бирюзовый, голубой, оранжевый.
Возможно вас заинтересует:
| Композитные панели | Размеры | Стоиомость листа |
| ALTEC зеркало золотое (RAL 0007) al 0.21 | 1500х4000х3 |
10352 руб |
| ALTEC графит металлик (RAL 0009) al 0.21 | 1500х4000х3 | 4500 руб |
| ALTEC шампань металлик (RAL 0004) al 0.21 | 1500х4000х3 | 4500 руб |
| ALTEC бронза металлик (RAL 0002) al 0.21 | 1500х4000х3 | 4500 руб |
| ALTEC золото металлик (RAL 0003) al 0.21 | 1500х4000х3 | 4500 руб |
| ALTEC зеркало золотое (RAL 0007) al 0.3 | 1220х4000х3 | 9760 руб |
| ALTEC зеркало серебрянное (RAL 0007) al 0.3 | 1220х4000х3 | 9760 руб |
| ALTEC графит металлик (RAL 0009) al 0.3 | 1220х4000х3 | 5002 руб |
| ALTEC шампань металлик (RAL 0004) al 0.3 | 1220х4000х3 | 5002 руб |
| ALTEC бронза металлик (RAL 0002) al 0.3 | 1220х4000х3 | 5002 руб |
Весь ассортимент >>>
Устройство навесных вентилируемых фасадов производится в определенной последовательности:
- Выполняется вертикальная разметка фасада при помощи лазерной рулетки, мерных реек и рулетки. Отмеченные точки соединяются горизонтальными и вертикальными линиями при помощи красящего малярного шнура.
- В месте крепления кронштейнов высверливаются отверстия и вставляются анкерные дюбели.
- Монтируются кронштейны, состоящие из неподвижного несущего элемента и регулируемой подвижной вставки, которая закрепляется при помощи отвесов на нужном уровне. Шаг кронштейнов должен составлять 40-55 сантиметров по вертикали. Интервал направляющих по горизонтали нужно устанавливать исходя из размеров композитных кассет.
- На кронштейны каркаса устанавливаются плиты из минеральной ваты, пеноплекса или пенополистирола. В месте, где изоляция навешивается на выдвижку кронштейна, в плите делаются надрезы крест-накрест. Утеплитель в центре и по углам закрепляется на стене клеем.
- Поверх утеплителя укладывается паро- и ветрозащитная фасадная мембрана с нахлестом между полотнами в 10-15 сантиметров. Все слои крепятся к стене тарельчатыми дюбелями.
- Для монтажа композитных панелей к кронштейнам на саморезы или заклепки крепятся вертикальные направляющие П-образной формы. В полость профилей заводятся распорные пластины, которые служат зацепом для фасадных кассет. Важно обеспечить надежное и жесткое закрепление всех элементов каркаса строго в одной плоскости.
- Навешивание кассет нужно начинать с нижней части обрешетки, выравнивая панели строго по горизонтали и фиксируя в верхних углах при помощи саморезов. Следующие листы крепятся аналогично, с соблюдением одинаковых зазоров в 10-12 миллиметров.
Для изоляции металла от стены под каждым кронштейном устанавливаются терморазрывные прокладки из изолирующего материала.
Рис. 6. Монтажный узел навесного вентилируемого фасада.
Изготовление кассет
Для устройства фасадов из композита, предварительно, в соответствии с проектными чертежами, изготавливаются кассеты.
Для этого с четырех сторон композитного листа формируются углы с использованием фрезерных и гибочных станков.
Рис. 7. Схема развертки заготовки и готовая композитная кассета.
При формировании углов, на фрезерном станке вырезается слой композита в виде углов 90° или 135° или прямоугольника шириной 14 мм, оставляя в точке изгиба слой полиэтилена толщиной от 0,5 до 1,5 мм.
Рис. 8. Схема вариантов гибки композитных листов.
Преимущества фасадов из композитных панелей
Вентилируемые навесные фасады из композитных кассет пользуются большой популярностью из-за значительных преимуществ перед другими вариантами отделки:
- не требуют предварительного выравнивания стен;
- обеспечивают защиту несущих ограждающих конструкций от холода и жары, прямых солнечных лучей, дождя и ветра;
- способны утеплять и повышать шумоизоляцию зданий;
- легкий вес навесной системы не требует дополнительного укрепления несущих конструкций.
Вентилируемые фасады исключают грязные процессы в отделке и позволяют монтировать конструкции в сжатые сроки независимости от времени года и погоды.
Рис. 9. Монтаж кассет из листов композита.
Строго соблюдая последовательность и технологию производства работ, можно создать надежное и красивое покрытие, придать фасаду неповторимый, яркий и современный внешний вид, повысить звукоизоляцию, добиться ощутимого энергосбережения здания.
История композитных материалов
Роман Барский
08 сентября 2020, 08:01
Композиты появились несколько тысяч лет назад. Из композитных материалов сделаны погребальные маски фараонов Древнего Египта — их изготавливали из папируса, пропитанного древесной смолой. Кирпичи из глины и соломы, саман, — тоже композит. Жилища из самана строили еще в девятом тысячелетии до нашей эры. Конечно, ни о какой науке речи не шло — мастера того времени и не думали, что, соединяя разные материалы, создают композит. Они просто смешивали их друг с другом и выбирали подходящую комбинацию.
Наверняка вы много раз читали о том, что советский многоразовый космический корабль «Буран» был покрыт теплоизоляционной керамической плиткой. Произнося слово «керамический», каждый представляет что-то свое. Кто-то раковину в ванной комнате, кто-то любимую кружку, кто-то тонкий фарфор и керамический «Буран» в струях плазмы. На самом деле космический корабль был покрыт плиткой из легкого материала, по структуре, похожего на мелкий, воздушный … засохший зефир. Делались плитки из взбитых, практически вспененных, кварцевых волокон.
Итак, поговорим о компопозитах.
Железобетон — первый «осмысленный» композитный материал. Его придумали в конце XIX века. Можно сказать, что композитные технологии появились именно тогда. Композит состоит из нескольких материалов, и что важно, с четкой макрограницей между ними. Так, упомянутый выше железобетон состоит из двух компонентов: металлической сетки и бетона с хорошо различимой границей. Другой многокомпонентный материал, сталь, — не композит. В ней углерод внедряется в кристаллическую решетку железа, и граница становится неразличима.
Многие интересные материалы появились благодаря военным разработкам. Во времена Второй мировой войны во Всесоюзном институте авиационных материалов придумали дельта-древесину — легкий и прочный материал из древесного шпона, пропитанного фенолили крезолоформальдегидной смолой. Из-за острой нехватки металла из дельта-древесины изготавливали силовые структуры самолетов, части их фюзеляжа и крыльев. Деревянные самолеты отлично показали себя в бою. Другой необычный материал, пайкерит, — тоже заслуга военных.
Британцы создали ковкий и прочный композит из целлюлозы и льда. Материал оказывает примерно такое же сопротивление взрыву, как бетон, а тает при этом намного медленнее, чем обычный лед. Пайкерит в 1940-е годы планировали использовать в проекте «Хаббакук» — британской программе по созданию композитного авианосца. На поверхности искусственного айсберга — авианосца из пайкерита военные хотели сделать полетную палубу, а внутри — ангары для самолетов. Но из-за технических трудностей проект закрыли. Понадобилось три жарких лета, чтобы полностью растопить построенный в Канаде прототип ледяного корабля.
XX век считается веком пластика. Из этого легкого и податливого материала изготавливают, кажется, все на свете. Но у пластика есть недостаток — хрупкость. Чтобы сделать его прочнее и долговечнее, технологи решили армировать пластик по аналогии с железобетоном. Так появились угле- и стеклопластики, которые все чаще применяют в промышленности — например в автомобилестроении. Первый композитный автомобиль, который производился серийно, — немецкий Trabant. Внешние элементы машины изготавливали из дюропласта — материала из отходов хлопчатобумажного производства, смешанных с фенолформальдегидной смолой.
Сделать еще один шаг вперед композитной отрасли позволило развитие космонавтики. Для «Бурана» пришлось разработать новые углерод-углеродные материалы для самых теплонагруженных деталей — носового обтекателя и передних кромок крыла. Специально для «Бурана» создали углеродный материал «Гравимол».
В 1889 году в Лондоне Менделееву подарили весы, одна чаша которых была сделана из золота, а вторая —из алюминия. В XIX веке алюминий считался очень ценным материалом: его продавали по 34 доллара за унцию, тогда как золото стоило 19 долларов за унцию. Прошло 130 лет, алюминий научились изготавливать в промышленных масштабах, и сейчас мы можем пойти в магазин и без проблем купить газировку в алюминиевой банке —металл стал общедоступным.
Композиты проходят тот же путь. Пока это дорогие материалы для массового использования, но технологии развиваются, и композитные материалы становятся дешевле. Еще 10 лет назад самый дешевый автомобиль с углепластиковой силовой структурой (монококом) McLaren MP4-12C стоил 150 тыс. евро, а сейчас можно купить бюджетный BMW i3 за 30 тыс. евро.
Важное преимущество композитов — неограниченный размер изделия. Самое большое судно из стеклопластика — российский тральщик «Александр Обухов». Корпус длиной 62 м изготовлен из монолитного стеклопластика без швов и заклепок. Такая конструкция надежна и герметична. Сегодняшние технологии не позволяют создать монолитное судно из металла, а вот из композитных материалов — без проблем. Эксперты верят, что композиты откроют новые возможности.
В космической отрасли композиты применяют не только для строительства кораблей. Их используют, например, для изготовления космических антенн на геостационарной орбите. Находящиеся на высоте 25 тыс. км, эти антенны при выходе из тени Земли переносят перепад температуры в 150–170 °C. Чтобы этот перепад не повлиял на конструкцию антенны, ее делают из углепластика, который не расширяется при нагреве.
15 ноября 1988 года совершил свой первый и единственный полет советский многоразовый космический корабль «Буран». Для него были разработаны углерод-углеродные материалы и антиокислительные покрытия для носового обтекателя и передней кромки крыла, которые могли выдерживать температуру до 1600 °C. Причем для этих элементов использовались разные варианты композитного материала, отличавшиеся видом углеродных волокон. Технология производства была многоступенчатой: формование, пропитка углеродом, кремнием при высокой температуре (до 3000 °C), затем — точнейшая механическая обработка. Толщина каждого элемента — 5–7 мм. Углерод-углеродным материалам для «Бурана» были присвоены марки «Гравимол» и «Гравимол-В» (по названиям головных предприятий, участвовавших в их создании, — «НИИграфит», ВИАМ, «Молния», ВНИИВПроект). Из композитного материала «Термар», разработанного в «НИИграфите», были изготовлены фрикционные диски тормозов «Бурана», а также самолетов Ан‑124, Ту‑160, Ту‑204, Ту‑214.
Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.
Новости о науке, технике, вооружении и технологиях.
Подпишитесь и будете получать свежий дайджест лучших статей за неделю!
Email*
Подписаться
Полимерные композиционные материалы: структура, свойства, технология
Сами по себе композиты давно стали основой многих отраслей промышленности. Материал зовется композиционным ввиду структуры. Матрицу-пластификатор армируют различными органическими и неорганическими материалами и получается полимерный композитный материал. ПКМ — это фактически Лего из мира органической химии. Если комбинировать матрицу и наполнитель, рассчитывать разные пропорции, то можно легко получить материалы гораздо лучше «традиционных», при этом они в основном намного легче обыкновенного армирования. Свойства полимерных композитов становятся все доступнее и уже применяются не только в области космических технологий, но и как более доступная основа для бытовых приборов.
Компонентами композитов может быть практически что угодно. Тут используется пластик, практически все металлы, полимерные волокна и т.д. Существуют еще более сложные композиты — полиматричные, если основой используют несколько различных полимеров для матрицы, а также гибридные варианты, при которых комбинируются армирующие волокна. Матрица-пластификатор отвечает за монолитность материала, тогда как армирующий наполнитель дает ему заданные параметры жесткости, деформации, прочности на излом, кручение и т. д.
Компания «Юнитрейд» занимается поставкой различных полимеров на основе нефти и не только. Вариации того, какие ПКМ сейчас может предложить миру химпром, рассмотрим ниже, с кратким экскурсом в особенности материалов.
Полимерные композиты
Полимерными композитами называется материал с соответствующей матрицей. Они наиболее популярны среди отраслей народного хозяйства. Современная аэрокосмическая отрасль уже немыслима без ПКМ. Например, в последнем поколении французского штурмового истребителя Дассо Рафаль ПКМ составляют почти четверть планера. Полимерные композитные материалы не корродируют, меньше страдают от статического электричества, не требуют дорогостоящих покрасочных эмалей, весьма легкие. Обратная сторона — материал недешевый, но кумулятивный экономический эффект очевиден сразу.
Стеклопластики
Всем известный «плексиглас», которым в свое время начали покрывать кокпиты современных скоростных истребителей, — это американский бренд оргстекла, начавший использование композитов с применением силикона. Химически натуральный оксид кремния довольно нейтрален, его очень тяжело растворить почти всеми кислотами. Физически же неорганическое стекло — фактически жидкость сверхвысокой вязкости, воспринимаемая нами твердым телом. То есть материал фактически несжимаемый, великолепный диэлектрик из-за свойств четырех- и восьмивалентного кремния, а также с неплохим коэффициентом преломления.
Матрицей в стеклопластиках бывают:
- термореактивные синтетические смолы из эпоксидки, фенолов, полиэфира;
- полистирол, полиамиды, полиэтилен — полиматериалы со сравнительно низкой температурой плавления.
Матрица под стеклопластики стала в последние годы более связующей, нежели определяющей параметры конечного вещества. Выяснилось, что у самих по себе стекловолокон довольно выдающиеся параметры — стеклянное волокно лишь нужно обеспечить прочными адгезионными связями в одно целое. В новых стеклопластиках армирующего волокна фактически четыре пятых от общей массы. Выпускают также слоистый стеклотекстолит. Стеклопластики недорогие, а потому их охотно применяют строители и даже производители обыкновенных бюджетных стеклопакетов.
Углепластики
Углепластиковые материалы стали фурором научно-популярной литературы последних лет. Собственно, многие новости о чем-то нано инновационном — это почти гарантированно связано с применением углеродных волокон. Четырехвалентный углерод — основа самой жизни и первый элемент органической химии. Поэтому получить его волокна можно из:
- натуральной и синтезированной целлюлозы;
- производных акрилонитрила;
- тяжелых нефтяных отложений — битумов, пеков, кера, озокерита и т. д.
В случае с нефтяными отложениями роль играет химическая ценность: из озокерита волокно добыть окислением, конечно, можно, химия разрешает, однако это окажется дороже, чем переработка более «бросовых» веществ. Волокно для армирования нужно обработать. Оно проходит три стадии:
- окисление;
- карбонизация;
- графитизация.
Эти стадии подобны естественному процессу образования каменного угля, поздние этапы происходят при температурах в тысячи градусов и повышенном давлении. Итоговый графит — практически стопроцентный углерод со следовыми примесями.
Преимущество углепластика — легкость, упругость, прочность. Он почти не расширяется, нагреваясь. Углеродное волокно с углеродной же матрицей в итоге создают углепластик — исключительно термопрочные вещества, сопротивляющиеся окислению, а потому широчайше применяемые в ракетостроении вместо графита, которого они прочней и плотней примерно в полтора раза.
Боропластик
Композиционный материал на полимерной основе, прошитый борными волокнами на полимерной матрице из термореактивного вещества. Волокна могут существовать как одинарные нити, и могут быть свиты жгутами, в результате чего получается сверхпрочный и твердейший материал. Армированный бором пластик наиболее устойчив химически и на сжатие, однако на излом он оказывается чрезвычайно хрупким. Борное волокно невероятно тяжело обрабатывать, потому итоговый ПКМ с бором оказывается дорогим — сотни долларов за килограмм только волокон, без учета матрицы. Для этого ПКМ нужны очень дорогие катализаторы, а рабочая температура сильно ограничена.
Органопластики
Изделия из полимерных композиционных материалов, где в основу кладут обыкновенные и привычные органические волокна — тканевые, нитевые, бумажные. Основа — эпоксидка и фенольные смолы. Армирующего волокна в них редко бывает больше трети и по массе и по объему. Производить органопластик сравнительно легко: матричные материалы недорогие, а волокна вообще можно набрать из отходов производства. Тем не менее, в итоге получается весьма прочный материал. Кевлар, гордость компании Дюпон — это органопластик на сложных амидных полимерах. Впрочем, амидное волокно в органопластическом производстве все же несколько дороже, чем обыкновенное армирование эпоксидки нитями.
Полимеры порошкового наполнителя
Также известнейшее изобретение. В начале прошлого века Лео Бакеланд патентует бакелит, который был сделан на матрице ФФМ-смолы или бакелита. Фенолформальдегидные смолы очень хрупки, однако если их перемешать с древесной мукой — они сильно упрощаются. Бакелит — идеальный материал под формовку, из него делали все: рычаги селекторов КПП, телефоны, отливные лотки для других материалов. Фактически, это самый распространенный в мире композитный материал ХХ века, деливший популярность с эбонитом, но вытеснивший его из многих областей. Сегодня область порошкообразных наполнителей «впитала» практически всю неорганику. Каолины, мел, мергели, известняки в связке с ПВХ и иными низкополимерными полимерами заполонили рынок ПКМ и есть почти во всех бытовых приборах. Они дешевы, а их сырьевые источники практически неисчерпаемы. Одновременно, простой рекомбинацией порошка и матрицы можно получить практически любую прочность, упругость, требуемую термостойкость.
Текстолиты
Также уже исторический материал. Бралась плотная ткань вроде льняной или полотняной, заливалась фенолформальдегидной смолой, а в дальнейшем горячим прессом выходили пластины. Один из типов таких ПКМ — линкруст, известный всем по обшивке старых вагонов пригородных поездов и городского транспорта. Глобальный недостаток первых текстолитов — чрезвычайная горючесть на фоне выделения очень едкого дыма. Проблема была решена отказом от фенолформальдегида в пользу менее токсичных матриц, а также использованием новых типов полотна. Таким образом, компания Юнитрейд представляет рынку большую часть ПКМ, имеющихся в свободной продаже, на любые технические нужды и возможности кошелька. Приобретение композитных материалов всегда означает расширение технологического ряда в пользу улучшенных физических качеств, химической стойкости, долговечного использования.
Обзор композитных материалов на основе PLA
Добрый день, уважаемый читатель!Как-то в чате я обмолвился, что работаю с композитными полимерными материалами, и меня сразу же спросили что же это за зверь и с чем его едят.
Поплутав на просторах рунета я так и не нашел статей, которые более менее раскрывали бы суть композитных полимерных материалов. Поэтому я и решил написать эту обзорную статью, которая даст представление о том, что же такое композиты, их основные виды и отличия. Также мне хотелось бы показать как всё-таки выглядят наполнители композитных материалов, да и сами эти материалы под микроскопом.
В данной статье речь пойдёт о композитах на основе PLA:- PLA с металлическими наполнителями
- PLA с деревянными наполнителями
- PLA с углеродными наполнителями
Что такое композитные материалы?
Композитные материалы — это многокомпонентные материалы, состоящие, как правило, из пластичной основы (матрицы), армированной наполнителями, и обладающие высокой прочностью, жесткостью и т.д.
На фотографиях ниже представлено то, как выглядит поверхность образцов под микроскопом, а также как выглядят сами наполнители.
Микрофотографии наполнителей:
1) порошок бронзы;
2) порошок меди;
3) порошок карбонильного железа;
4) древесная мука
Микрофотографии поверхности образцов:
1) PLA+10 вес.% бронза;
2) PLA+0,5 вес.% Углеродные Нано Трубки;
3) PLA+30 вес.% бронза;
4) PLA+30 вес.% медь
PLA с металлическими наполнителями
PLA c металлическими наполнителями получил широкий охват рынка: в данный момент многие производители предлагают композитные материалы с различными металлами.
Что же такое композитный PLA? Это полимерный композитный материал, имеющий полилактидную матрицу и различные металлические наполнители с диапазоном наполнения от 5-40% от массового объёма.
На сегодняшний день это:
PLA с медью
PLA с латунью PLA с бронзой PLA со сталью PLA с железом PLA с деревянными наполнителями — WOOD PLAКак правило, WOOD состоит из около 70% PLA и 30% древесного волокна. Из-за добавленной древесины он имеет тенденцию быть более хрупким, по сравнению с обычным PLA, и ломается намного легче.
Ранние композитные материалы были сделаны из опилок, но напечатанные модели по своему внешнему виду были больше похожи на картон, чем на древесину. Преимущество данного материала заключалось в его большей гибкости из-за использования новых технологий изготовления и более длинных древесных волокон. Объекты, напечатанные Wood PLA, будут выглядеть, пахнуть и обрабатываться подобно древесине. В зависимости от производителя, а также используемых им древесных волокон, можно найти материалы с различными наполнителями: бамбук, берёза, кедр, пробковое дерево, олива, сосна и кокос. PLA с углеродными наполнителямиВ композитном PLA с углеродным волокном используют наноразмерные углеродные волокна, которые вводятся в основной материал для улучшения его свойств. Эти волокна чрезвычайно прочны и приводят к увеличению прочности и жесткости нити.
Микрофотографии наполнителей:
а) технический углерод;
б) однородные углеродные нанотрубки
Сканирующая электронная микроскопия:
а) PLA/Графит;
б) PLA/Графит/Углеродные нанотрубки
Детали из этого композита будут намного легче и более стабильными по размерам, так как волокна предотвратят усадку детали по мере ее охлаждения. Настройки печати, такие как температура печати, скорость, адгезия к слою и скорости экструзии, очень похожи на настройки для печати основным материалом, к которому были добавлены волокна (например, стандартные настройки PLA).
а) подложка;
б) охлаждающий радиатор
Прототип истребителя: В заключенииПотенциал композитных материалов для 3D-печати очень высок. Их можно применять при создании предметов интерьера и декора, различной атрибутики для имитации металлов, элементов костюмов и одежды (накладки, пуговицы, значки), корпусов ручек и накладок, бюстов и статуй, а также для различных украшений. Композиты с углеродным наполнением отлично подойдут для авиамоделирования, а также для производства прототипов, в которых необходимо совместить прочность и лёгкость.
Техническая сводка
Так как данные материалы созданы на основе PLA, к ним применимы все настройки и условия печати для PLA. В случае с композитами, содержащими металлические компоненты, температурные режимы могут оказаться ниже, чем для чистого материала, что связано с теплопроводностью наполнителей.
Для печати данными композитами рекомендуется применять стальные сопла из-за того, что материал наполнен наночастицами. Данные частицы оказывают внутреннее воздействие на сопло, растачивая его во время печати.
Например, композит с железом расточил латунное сопло диаметром 0.4 мм до диаметра 0.65 мм всего за 300 грамм израсходованного материала.
Ссылки на источники:
https://www.proto-pasta.com/ — по ссылке можно найти большинство перечисленных материалов из статьи, а также их технические характеристики. Все изображения взяты с данного сайта.
https://www.simplify3d.com/support/materials-guide/carbon-fiber-filled/ — по ссылке можно найти пластик с углеродным наполнением, рекомендуемые температурные параметры и настройки печати для данного пластика.
Что такое композитные материалы? (с иллюстрациями)
Композитный материалы для строительства, машиностроения и других подобных приложений формируются путем объединения двух или более материалов таким образом, что составляющие все еще различимы и не полностью смешаны. Один Примером является бетон, в котором в качестве связующего материала используется цемент. в сочетании с заполнителем, например, гравием, как армирование. Во многих случаях для бетона используется арматура в качестве второго армирования, что делает его трехфазным композитом за счет трех задействованные элементы.
Строители часто выбирают такие композитные материалы, как этот композитный кирпич, из соображений экономии или по экологическим причинам.Этот тип материала использует преимущества различных сил и возможностей различных элементов. В случае глиняных и соломенных кирпичей, например, грязь является отличным связующий материал, но он плохо выдерживает сжатие и силу.Солома, с другой стороны, хорошо выдерживает сжатие без крошится или ломается, и поэтому он служит для усиления связывающего действия грязи. Люди создают композитные материалы для строительства более сильные и легкие объекты на тысячи лет.
Считается, что поглощающие радар поверхности Lockheed Martin F-22 изготовлены из композитных материалов.в большинстве композиционных материалов используются два компонента: связующее или матрица и арматура. Арматура сильнее и жестче, образуя своего рода основу, в то время как матрица удерживает арматуру в установить место. Связующее также защищает арматуру, которая может быть хрупкие или хрупкие, как в случае длинных стекловолокон, используемых в в сочетании с пластиками для производства стекловолокна.Как правило, композиты имеют отличная сжимаемость в сочетании с хорошей прочностью на разрыв, что делает они универсальны в широком спектре ситуаций.
Корпуса малых и средних лодок обычно изготавливаются из стеклопластика.Инженеры постройку чего угодно, от патио до самолета, взгляните на уникальные подчеркивает, что их строительство подвергнется. Крайние изменения в температура, внешние силы, водная или химическая эрозия — все это учтены при оценке потребностей. При постройке самолета для Например, инженерам нужен легкий и прочный материал, способный изолировать и защитить пассажиров при всплытии в самолет.Самолет из чистый металл мог бы катастрофически выйти из строя, если бы небольшая трещина появилась в обшивка самолета. С другой стороны, интегрирующий армированные материалы, такие как стекловолокно, графит и другие гибриды будет сильнее и с меньшей вероятностью распадется в стрессовых точках ситуации, связанные с турбулентностью.
Гравий может использоваться как композитный материал.Многие композиты производятся слоями или слоями, с тканым волокном арматура, зажатая между слоями пластика или другого аналогичного материала связующее. Преимущество этих материалов в том, что они очень пластичны, как в корпус лодки из стеклопластика. Композиты произвели революцию в мире отраслей, особенно авиационной, в которых разработка материалов более высокого качества позволяет компаниям строить более крупные и лучшие самолеты.
Металл, используемый для армирования бетона, является примером строительного композита.Что такое композитная панель? (с изображением)
Композитная панель — это тип строительного материала, который используется вместо традиционного дерева или стали.Эти панели намного легче, чем цельная древесина или сталь, но предлагают аналогичный уровень прочности и структурной поддержки. Существует три основных типа композитных панелей, в том числе элементы из дерева, алюминия и стекловолокна. Каждая из этих панелей может состоять из нескольких слоев одного и того же материала или из легкой сердцевины, зажатой между листами какого-либо защитного материала.
В композитные панели можно добавить шпон, чтобы имитировать привлекательную текстуру древесины.Спроектированная древесная композитная панель обычно изготавливается из прессованных древесных волокон или опилок, смешанных с эпоксидной смолой. Древесину измельчают или измельчают в мелкую пульпу, а затем сушат. Высушенные волокна смешиваются с эпоксидной смолой и формуются в листы под действием высоких температур и давления. В зависимости от типа используемых древесных волокон эти панели могут называться древесноволокнистыми плитами средней плотности (МДФ), ДСП или ДВП.
Композитные деревянные панели используются во многих различных строительных приложениях и значительно снизили спрос на фанеру.Инженерные деревянные панели используются для придания структурной устойчивости каркасу стен или для строительства полов и крыш. Поскольку эти панели обычно имеют гладкий, однородный вид, их также можно использовать для изготовления дверей и предметов интерьера. Многие шкафы и другие виды мебели изготавливаются из композитных панелей, покрытых тонким слоем деревянного шпона. Это может быть использовано для имитации внешнего вида массивной древесины всего за небольшую часть стоимости.
Алюминиевые композитные изделия часто называют «сэндвич-панелями».«Они состоят из легкого сердечника, обернутого тонкими листами алюминия. Ядро может быть изготовлено из жесткого пенопласта или покрытого смолой картона, сформированного в сотовую форму. Эти панели обладают такими же уровнями прочности, что и традиционные стальные конструкции, но имеют большой вес Эти панели используются в транспортной и аэрокосмической отраслях для создания легких транспортных средств и мест, которые все еще достаточно прочны, чтобы выдерживать полную нагрузку.
Композитная панель также может быть изготовлена из комбинации стекловолокна, пены и эпоксидной смолы.Обычно эти материалы слагаются вместе, так что листы стекловолокна окружают пенопласт. Этот тип композитных панелей обычно используется в системах на водной основе. Многие доски для серфинга и каяки сделаны из стеклопластиковых панелей, равно как и лодки и другие морские суда. Легкий вес панелей помогает гарантировать, что судно останется на плаву, в то время как высокий уровень прочности панели позволяет судну перевозить пассажиров или грузы.
Что такое композитная конструкция? (с иллюстрациями)
Композитная конструкция — это метод строительства, который используется в различных инженерных и строительных приложениях.Использование разнородных компонентов, таких как бетон и сталь или стекловолокно и пена, для одноразового использования или конструкции называется композитной конструкцией. Целью является объединение свойств отдельных компонентов для создания композитного материала, обладающего желаемыми свойствами всех компонентов компонентов. Самолеты, плавсредства и строительство зданий — три наиболее распространенных примера отраслей, в которых используются эти строительные методы.
Соединение бетона и арматуры для дополнительной прочности является примером композитной конструкции.Когда эта форма конструкции используется в процессе проектирования и производства, она выполняет несколько основных функций. Используя композитные материалы, инженеры и строители могут создавать изделия, которые более прочны, долговечны, легче и дешевле, чем традиционные материалы. Композитные материалы позволили инженерам-строителям и производителям создавать изделия, которые были бы физически невозможны с использованием традиционных строительных материалов.
Бетон можно армировать металлическими стержнями, чтобы выдерживать растяжение.Композитная конструкция может повысить прочность отдельного компонента, например, железобетона, в котором используется стальная арматура для повышения прочности бетона.За счет сочетания бетона со стальной арматурой первоначальная прочность бетона улучшается. Это связано с тем, что арматурный стержень помогает равномерно распределять любые удары или нагрузки, оказываемые на бетон, по большей площади.
Процесс композитного строительства также используется для создания композитных материалов, которые весят меньше или более долговечны, чем отдельные компоненты.Этот тип композитного материала часто используется в строительстве самолетов и судов, в которых легкий пенопласт сочетается с прочным алюминиевым или твердым пластиковым корпусом. Твердый алюминиевый самолет был бы слишком тяжелым для продолжительного полета, а самолет из вспененного материала не был бы достаточно прочным для непрерывного использования, но, сочетая тонкую алюминиевую оболочку с пеной, инженеры могут создать композитный материал, который будет одновременно легким и прочным.
В процессе возведения домов или других построек, композитные конструкции также используются.Композитные материалы, используемые в домах и других зданиях, часто используются для повышения прочности, долговечности, изоляции или других факторов. В сочетании с инженерными технологиями композитные материалы и этот тип конструкции могут дать много преимуществ при строительстве домов и других зданий. Используя композитную конструкцию для соединения отдельных компонентов конструкции вместе, таких как панели пола с балками, обе составляющие конструкции действуют вместе как одно целое и обладают большей прочностью, чем отдельные компоненты.
Что такое композитный материал? (Полное руководство)
Композитный материал — это комбинация двух материалов с разными физическими и химическими свойствами.Когда они объединяются, они создают материал, который специализируется на выполнении определенной работы, например, чтобы стать прочнее, легче или устойчивым к электричеству. Они также могут улучшить прочность и жесткость. Причина их использования по сравнению с традиционными материалами заключается в том, что они улучшают свойства основных материалов и применимы во многих ситуациях.
Если у вас есть вопросы или вам нужна помощь, напишите нам, чтобы получить консультацию специалиста:
Щелкните здесь, чтобы увидеть наши последние подкасты по технической инженерии на YouTube .
Содержание
В 3400 до н.э. первые композиты были созданы месопотамцами в Ираке. Древнее общество склеивало деревянные полоски друг на друга под разными углами для создания фанеры. После этого, примерно в 2181 г. до н.э. и г. египтяне начали делать посмертные маски из льна или папируса, пропитанного гипсом. Позже оба этих общества начали укреплять свои материалы соломой, чтобы укрепить глиняные кирпичи, глиняную посуду и лодки.
В 1200 А.D , монголы начали создавать композитные луки, которые в то время были невероятно эффективными. Они были сделаны из дерева, бамбука, кости, сухожилий крупного рогатого скота, рога и шелка, скрепленных сосновой смолой.
После промышленной революции синтетические смолы начали принимать твердую форму за счет полимеризации. В 1900-х годах эти новые знания о химических веществах привели к созданию различных пластмасс, таких как полиэстер, фенол и винил. Затем начали разрабатываться синтетические материалы, бакелит был создан химиком Лео Бэкеландом.Тот факт, что он не проводил электричество и был термостойким, означал, что он мог широко использоваться во многих отраслях промышленности.
1930-е годы были невероятно важным временем для развития композитов. Стекловолокно было представлено компанией Owens Corning, которая также положила начало производству первых армированных волокном полимеров (FRP). Смолы, разработанные в ту эпоху, до сих пор используются, а в 1936 были запатентованы ненасыщенные полиэфирные смолы. Два года спустя стали доступны системы смол с более высокими эксплуатационными характеристиками.
Первое углеродное волокно было запатентовано в 1961 и затем стало коммерчески доступным. Затем, в середине 1990-х годов , композиты начали становиться все более распространенными в производстве и строительстве из-за их относительно дешевой стоимости по сравнению с материалами, которые использовались ранее.
Композитные материалы на Boeing 787 Dreamliner в в середине 2000-х годов подтвердили их использование для высокопрочных приложений.
Некоторые распространенные композитные материалы включают:
- Композит с керамической матрицей: Керамика на керамической матрице.Это лучше, чем обычная керамика, поскольку она устойчива к тепловым ударам и разрушению
- Композит с металлической матрицей : металл, растекающийся по матрице
- Железобетон : Бетон, усиленный материалом с высокой прочностью на разрыв, например стальными арматурными стержнями
- Бетон, армированный стекловолокном : Бетон, который заливается в структуру из стекловолокна с высоким содержанием диоксида циркония
- Прозрачный бетон : Бетон, покрывающий оптические волокна
- Обработанная древесина : Обработанная древесина в сочетании с другими дешевыми материалами.Одним из примеров может быть ДСП. В этом композите также можно найти специальный материал, такой как шпон.
- Фанера : древесина, полученная путем склеивания множества тонких слоев древесины под разными углами
- Искусственный бамбук : Полоски бамбукового волокна, склеенные вместе, чтобы образовать доску. Это полезный композит, потому что он имеет более высокую прочность на сжатие, растяжение и изгиб, чем древесина .
- Паркет : Квадрат из множества деревянных частей, часто собранных из твердой древесины.Продается как декоративный элемент .
- Древесно-пластиковый композит : пластик, отлитый из древесного волокна или муки
- Древесное волокно на цементной основе : Кусочки минерализованной древесины, отлитые в цемент. Этот композит имеет изоляционные и акустические свойства
- Стекловолокно : Стекловолокно в сочетании с относительно недорогим и гибким пластиком
- Полимер, армированный углеродным волокном : Набор из углеродного волокна в пластике с высоким отношением прочности к весу
- Сэндвич-панель : различные композиты, уложенные друг на друга
- Составные соты : Набор шестиугольников из композитных материалов, образующих сотовую форму.
- Папье-маше : Бумага с клеевым переплетом. Они найдены в ремеслах
- Бумага с пластиковым покрытием : Бумага с пластиковым покрытием для повышения прочности. Пример того, где это используется, — игральные карты .
- Синтаксическая пена : Легкие материалы, получаемые при заполнении металлов, керамики или пластика микрошариками. Эти баллоны изготавливаются из стекла, углерода или пластика .
Композиционные материалы: простое введение
Криса Вудфорда.Последнее изменение: 30 октября 2020 г.
Один плюс один равняется трем — это именно та математика, которая делает смысл, если вы ученый-материаловед, особенно тот, кто работает с композиты (сокращенное название композиционных материалов). Соединить два полезных материала в композит и что вы получаете третий, несколько другой материал, который в некотором смысле лучше (может быть, сильнее или лучше переносит тепло), чем любой из оригинальные компоненты: другими словами, это больше, чем сумма его части.
Композитымогут показаться немного «технически» и незнакомые, но они чрезвычайно распространены в окружающем нас мире. Летучие мыши для мячей (теннисные ракетки, клюшки для гольфа и хоккейные клюшки) часто из них делают. Машины, самолеты и лодки производятся уже давно. из композитов, таких как стекловолокно, потому что они легче, чем металлы, но часто такие же сильные. И если вы думаете, что композиты звучат суперсовременный, подумайте еще раз: бетон, дерево и кость — все это композит материалы. Ламинат — это композит, в котором слои различные материалы склеиваются вместе с помощью клея, чтобы прочность, долговечность или другое преимущество.
Фото: Испытания композитных материалов на борту. Миссия космического челнока STS-32, 1990 год. Фотография любезно предоставлена НАСА. Коллекция цифровых изображений.
Что такое композиты?
Фото: Простая модель композита. Я использовал слои липкой пластиковой застежки (Blu-Tack) в качестве матрицы и спичек в качестве волокон, так что это (грубо говоря) своего рода композит с полимерной матрицей. Было бы легко превратить это в научный эксперимент: создайте себе большой образец такого композита, а затем сравните его свойства со свойствами материалов, из которых вы его сделали.
Композит получают путем объединения двух или более других материалов, так что они улучшают друг друга, но сохраняют отличные и отдельные идентичности в конечный продукт. Итак, композит — это не соединение (где атомы или молекулы соединяются химически, чтобы сделать что-то совершенно разные), смесь (где один материал смешивается с другой) или раствор (где что-то вроде соли растворяется в воде и фактически исчезает). Композит — это что-то вроде бетона, где между цементом расставлены камни разных размеров.Железобетон также является композитным. из стальной арматуры стержни, помещенные внутри влажного бетона, что, по сути, делает его композит из композита. Стекловолокно — это смесь крошечного стекла черепки вклеены внутрь пластиком. В бетоне, железобетоне и стекловолокно, оригинальные ингредиенты все еще легко обнаружить в окончательный материал. Поэтому в бетоне часто можно увидеть камни в цемент — они не исчезают и не растворяются.
Зачем нужны композиты?
По крайней мере, в одном важном отношении композит должен быть лучше, чем материалы, из которых он сделан — иначе в этом нет никакого смысла.Что касается бетона, то он очень прочный, если использовать его в вертикальные балки, чтобы выдержать вес здания или сооружения надавливание — другими словами, если вы используете его сжатым (в сжатие ). Но он довольно слабый и имеет тенденцию изгибаться, а затем ломаться, если вы используете он горизонтально, где он растянут (в натяжение ). Это очевидно, будет серьезной проблемой в здании, в котором много горизонтальные балки. Отличное решение — залить мокрым бетоном плотные стальные стержни (называемые арматурными стержнями), так что они образуют композит материал называется , железобетон .Сталь тянет за бетон и предотвращает его разрыв, когда он находится в напряжении, в то время как бетон защищает сталь от ржавчины и гниения. Что у нас получается композитный материал, который хорошо работает при растяжении и сжатие.
Повышенная прочность — наиболее частая причина изготовления композитных материалов, но это не единственный. Иногда мы хотим улучшить материал в другом путь. Например, нам может понадобиться деталь самолета с большей утомляемостью. сопротивление, чем у металла, поэтому он не ломается (как скрепка), когда она многократно напрягается и деформируется в полете.Или же нам может понадобиться часть двигателя, которая сможет выдержать более высокие температуры чем обычная керамика. Возможно, нам понадобится жесткий и жесткий пластик. прочный, но при этом легкий, или такой, который может переносить тепло и электричество лучше обычного пластика (что-то с улучшенным другими словами, теплопроводность и электропроводность). Композиты могут помочь нам во всех этих ситуациях.
Фото: В самолетах-невидимках F117 Nighthawk использовалась продуманная конструкция и композитные материалы, позволяющие избежать обнаружения радаром.Изображение Лэнса Ченга любезно предоставлено ВВС США.
Как изготавливаются композиты?
Композиты обычно изготавливаются из двух основных материалов (хотя есть могут быть и другие добавки): есть «фоновый» материал называется матрицей (или фазой матрицы), и к ней мы добавляем , преобразуя материал называется арматурой (или армирующей фазой). Хотя мы склонны думать, что арматура состоит из волокон (например, стекловолокна), это не всегда так.В железобетоне «волокна» крупногабаритные, скрученные стальные стержни; в стекловолокне они крошечные усы стекла. Иногда арматуру делают из гранул, частицы или усы, но также могут быть сложены текстиль.
Расположение частиц арматуры в матрица определяет, имеет ли композит такой же механический свойства во всех направлениях (изотропные) или разные свойства в разнонаправленные (анизотропные). Все волокна направлены в одну сторону сделает композит анизотропным: он будет сильнее в одном направлении чем другой (именно то, что мы видим в лесу).С другой стороны, частицы, усы или волокна, случайно ориентированные в композите, будут стремиться сделать его одинаково сильны во всех направлениях.
Какую бы форму оно ни принимало, задача армирования — выдерживать силы, воздействующие на материал. (добавляя силы или помогая остановить трещины и усталость), а Работа матрицы — плотно закрепить арматуру на месте (чтобы она не ослабевает) и защищает (от жары, воды и др. ущерб окружающей среде).
Изображение: анизотропные материалы (слева), волокна которых направлены одинаково, будут иметь разные свойства, когда напряжение формируется в разных направлениях.Изотропные материалы (справа) со случайно направленными волокнами будут иметь одни и те же свойства, в каком бы направлении они ни находились.
Виды композитов
Природные композиты
Когда мы говорим о композитах, мы часто имеем в виду прочные, легкие, ультрасовременные материалы, тщательно разработанные для конкретных применений в таких вещах, как космические ракеты и реактивные самолеты, но при таком взгляде на вещи легко забыть о природных композитных материалах, которые были всегда.Дерево — это композит, сделанный из волокна целлюлозы (армирование), растущие внутри лигнина (матрица изготовлены из органических полимеров на основе углерода). Кость — еще один вековой композит, в котором волокна коллагена укрепляют матрицу гидроксиапатит (кристаллический минерал на основе кальция). И даже композиты, созданные человеком, не обязательно являются высокотехнологичными и современными. Бетон и кирпич (сделанный из глины или глины, армированной соломой) — два примеры композитов, изобретенных людьми, которые были в повсеместное использование уже тысячи лет.
Классические композиты
Первым современным композитным материалом был стекловолокно (первоначально пишется «фибреглас» и теперь обычно называется стекловолокном армированный пластик, GRFP или GRP), датируемый 1930-ми годами. Эти дни, Стеклопластик обычно выпускается в виде лент, которые можно наклеивать на поверхность. пресс-формы. Пластиковая защитная лента — это матрица, удерживающая стекловолокно на месте, но именно волокна обеспечивают большую часть прочности материала. В то время как пластик (по определению) относительно мягкий и гибкий, стекло — сильный, но хрупкий.Соедините их вместе, и вы получите сильную, прочный материал, подходящий для таких вещей, как кузова автомобилей или лодок, легче металлов или сплавы, которые вы могли бы использовать в противном случае, и не подверженные коррозии. Пластик, армированный углеродным волокном (CRFP или CRP) похож на стеклопластик, но использует углеродные волокна вместо стеклянных.
Фото: Умные автомобили — это легкие, составные автомобили. Стальная защитная оболочка скрепляет множество различных деталей и панелей, в основном из пластика, в том числе полипропилен (PP), поливинилбутираль (PVB), поликарбонат (PC), и полиэтилентерефталат (ПЭТ).Как и на большинстве автомобилей, «резиновые» шины на самом деле композиты из резины и многих других материалов, таких как диоксид кремния.
Современные композиты
Современные передовые композиты основаны на металле или пластике. (полимерный), или керамический. Это дает нам три основных типа современных композитные материалы: композиты с металлической матрицей (MMC), композиты с полимерной матрицей (PMC) и композиты с керамической матрицей (CMC).
Композиты с металлической матрицей (MMC)
Они имеют матрицу из легкого металла, такого как алюминиевый или магниевый сплав, усиленный керамикой или углеродом волокна.Примеры включают алюминий, армированный карбидом кремния, и сплав меди и никель, армированный графеном (разновидность углерод), что делает металлы в несколько сотен раз прочнее, чем они будут сами по себе. ГМК прочные, жесткие, износостойкие, устойчивы к ржавчине и относительно легкие, но, как правило, дороги и труднее работать. Они популярны в аэрокосмической отрасли (например, в реактивные двигатели), военного назначения (нитрид стали-бора используется для усиление танков), автомобилестроение (поршни дизельных двигателей), и режущие инструменты.
Композиты с керамической матрицей (CMC)
Как следует из названия, в них используется керамический материал (например, боросиликатное стекло) в качестве фоновой матрицы, с углеродом или керамикой волокна (например, карбид кремния), усиливающие и помогающие преодолеть ключевую слабость обычной керамики (ее хрупкость и так называемая низкая «трещиностойкость»). Примеры включают карбид кремния (C / SiC), армированный углеродным волокном, и кремний карбид кремния, армированный карбидом (SiC / SiC). Первоначально разработанный для аэрокосмического и военного применения, где легкость и высокотемпературные характеристики действительно важны (например, газовые турбины, выхлопные сопла реактивных двигателей), также нашли применение КМЦ в автомобильных тормозах и сцеплениях, подшипниках, теплообменники и ядерные реакторы.Поскольку CMC обычно используются для высокотемпературные применения, полимерные волокна и обычные стекловолокно с низкой температурой плавления обычно не используется в качестве армирующего материала.
Композиты с полимерной матрицей (PMC)
Композиты с полимерной матрицей (PMC), такие как GRP, снова отличаются. В то время как волокна в CMC делают их более жесткими и менее хрупкими, в PMC керамические или углеродные волокна добавляют прочности и жесткости фон пластик. В PMC пластиковая матрица может быть либо термопласт (тот, который можно размягчить и изменить форму при нагревании), например полиамид или термореактивный пластик («термореактивный» — тот, который сохраняет свою форму после изготовления, даже при повторном нагреве), например эпоксидной смолой.Вообще говоря, ЧВК на основе термореактивных пластмассы лучше переносят высокие температуры и воздействие растворителей чем на термопластах, но они не такие жесткие; они также занимают больше времени, чтобы сделать (из-за необходимого времени для «отверждения») и менее подходят для быстрого, дешевого и массового производства. Как мы только что видели, легкость, жесткость, прочность и коррозионная стойкость делают PMC на основе термореактивных пластиков, таких как стекловолокно, отличным материалом для деталей автомобилей, лодок и самолетов.Они также широко используются в спортивных товарах (например, теннисные ракетки, клюшки для гольфа, сноуборды и лыжи). Хотя PMC на основе эпоксидной смолы широко распространены. используемые в авиакосмической промышленности, ЧВК на основе термопласта, способные выжить высокие температуры также становятся все более важными в таких областях применения.
Композиты будущего
Фото: Нанокомпозит: Типичный Этот коричневый порошок, N-CAS (нанокомпозитный абсорбирующий растворитель), является пример PMC (композит с полимерной матрицей), предназначенный для удаления ядовитого мышьяка из питьевой воды.Это сделано путем встраивания наночастиц оксида металла, который поглощает мышьяк, в полимерной матрице. Изображение любезно предоставлено Национальной лабораторией Айдахо и Министерством энергетики США.
Большое количество текущих исследований сосредоточено на улучшении композитов путем используя волокна примерно в 1000 раз меньшего размера, что дает намного больше энергии. Эти так называемые нанокомпозиты — это пример нанотехнологий с использованием углерода нанотрубки или наночастицы в качестве армирования. Они скорее всего оказаться дешевле и иметь лучшие механические и электрические свойства чем традиционные композиты.Colt Hockey, например, теперь реклама хоккейной клюшки из углеродного волокна, покрытой никель-кобальтом нанокомпозит, который утверждает, что он «в 2,8 раза прочнее и на 20% больше гибкий, чем сталь ».
Ламинат
Фото: Ламинирование бумажного плаката в термообрабатывающей машине. Фото Майкла Винтера любезно предоставлено ВМС США.
Прочитав все о композитах, вы, возможно, пришли к выводу что это не те материалы, с которыми могут столкнуться обычные люди очень часто — но вы ошибаетесь! Вы когда-нибудь наклеивали на книгу липкую пленку, чтобы защитить крышку? Или приклеил картон к бумаге, чтобы она была прочнее? Возможно, вы покрыли плакат, который распечатали на своем компьютере, пластик, чтобы сделать его водонепроницаемым? Если ты выполнив любое из этих действий, вы сделали себе ламинат : особый вид композитного материала, образованный путем соединения слоев двух или более других материалов с клеи.
Что такое ламинат?
Вы обнаружите, что ваш словарь определяет пластину как тонкий лист. или пластина материала: другими словами, слой. Закрепите два или более листов материала вместе, и вы получите ламинат, который по сути просто материал, состоящий из слоев. Поскольку слои обычно различные материалы, ламинаты являются примерами композитов, хотя материалы не интегрированы вместе, как с другими (матричными) композитами. Также важно помнить, что ламинат — это не просто несколько слоев материалов: материалы должны быть постоянно склеены чем-то вроде клея, чтобы они вели себя как одно целое материал, а не несколько.Вы можете подумать о клее (или клеях, потому что их может быть несколько) как дополнительный материал в ламинате.
Зачем вам делать ламинат? Как правило, поскольку материал, который вы обычно используете отдельно (например, бумага, дерево или стакан) недостаточно прочен и долговечен, чтобы выжить сам по себе. Бумага не водонепроницаемый, например, в то время как пластик относительно трудно печатать на. Но что, если вы печатаете на бумаге, а затем покрываете ее пластиком? В ламинированный композитный материал, который вы сделали, дает вам лучшее из обоих миры.
Для чего используются ламинаты?
Ламинат обычно состоит из четырех основных материалов: дерева, стекла, ткани и бумаги.
Дерево
Ламинированные полы очень популярны, потому что они очень твердые. носить. В отличие от традиционного деревянного пола, ламинат обычно состоит из четырех слоев. Верх может быть чем-то вроде тонкого слой прозрачного пластика, устойчивый к появлению пятен и царапин. Под ним тонкий слой узорчатой древесины (или даже бумаги с рисунком дерева), что придает полу привлекательный вид.Следующий слой — это сердцевина: основная масса материала, из низкосортного ДВП. Наконец, на основание — тонкий слой твердой влагостойкой плиты. Многие недорогие мебельные изделия, напоминающие массив дерева, на самом деле ламинаты из низкосортных деревянных изделий (известные как ДСП или ДСП) с тонким покрытием из шпона, пластика или даже бумага. Главный недостаток ламинированных полов в том, что они могут расколоться и покоробиться. если они намокнут.
Стекло
Стекла лобовые и бронестекла автомобилей на самом деле очень тяжелые ламинаты из нескольких слоев стекла и пластика.Внешний слои стекла устойчивы к атмосферным воздействиям и царапинам, а внутренние пластиковые слои обеспечивают прочность и небольшую гибкость для не дать стеклу разбиться. Подробнее читайте в нашей главной статья про пуленепробиваемые стекла. Как мы уже видели, стекло также ламинируется пластиком для изготовления таких композитов, как GRP (стеклопластик).
Фото: Пуленепробиваемое стекло — это энергопоглощающий сэндвич из стекла и пластика. Ты можешь думать его как композит (потому что это комбинация материалов) или ламинат (потому что он включает листы материал, соединенный вместе).Фотография любезно предоставлена ВВС США.
Ткань
Большинство обуви и много верхней одежды сделаны из ламината. материалы. Обычный плащ обычно имеет водонепроницаемую мембрану. между износостойким внешним слоем и мягким комфортным внутренним слоем. Иногда мембрана непосредственно приклеивается к внутреннему и внешнему слоям, чтобы очень прочный и прочный предмет одежды; это известно как 3-х слойный ламинат. Если мембрана приклеена к внешней ткани с помощью нет внутренней подкладки, это называется 2.5-слойный ламинат. Водонепроницаемый одежда, изготовленная таким образом, обычно более «дышащая», чем трехслойная. ламинаты, так как влага может легче выходить.
Фото: взгляд внутрь ламинированной 2,5-слойной водонепроницаемой нейлоновой куртки. Он выглядит как однослойный нейлон, но на самом деле это два ламинированных слоя. Вы можете сказать это, потому что внутренняя и внешняя поверхности выглядят совершенно по-разному. Ультра-водонепроницаемый черный внешний слой выполнен из нейлона рип-стоп. Внутренняя белая поверхность — это дополнительное покрытие, улучшающее циркуляцию воздуха и воздухопроницаемость.
Бумага
Многие люди владеют небольшими ламинаторами, которые покрывают бумага, открытка или фотографии в тонком, но прочном слое прочного пластик. Вы просто покупаете пакет пластиковых «мешочков», вставьте бумажный предмет внутри, и пропустите этот «бутерброд» через машина. Он нагревает или склеивает пластик и плотно прижимает его сделать атмосферостойкое и прочное покрытие. Идентификационные (ID) карты кредитные карты также ламинированы прозрачным пластиком, чтобы они могли выжить несколько лет использования.
Композиционный материал | строительство | Britannica
Композитный материал , также называемый композитом , твердый материал, который образуется в результате объединения двух или более различных веществ, каждое со своими характеристиками, для создания нового вещества, свойства которого превосходят свойства исходных компонентов в конкретное приложение. Термин «композит» более конкретно относится к конструкционному материалу (например, пластику), в который заделан волокнистый материал (например, карбид кремния).
Подробнее по этой теме
Материаловедение: Композиты
Хотя разработки в области металлов оказали влияние на конструкцию двигателей, наблюдается растущая тенденция к применению композитных материалов …
Далее следует краткое описание композиционных материалов. Для полной обработки, см. материаловедение.
Замечательные свойства композитов достигаются за счет встраивания волокон одного вещества в основную матрицу другого.Хотя структурная ценность пучка волокон невысока, прочность отдельных волокон может быть повышена, 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 воздействия окружающей среды и физических повреждений и придает им термическую стабильность. Комбинация волокна и матрицы также снижает вероятность полного разрушения; 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 разрушится.
Большинство обычных композитов напоминают фанеру тем, что состоят из тонких слоев, каждый из которых армирован длинными волокнами, уложенными в одном направлении. Такие материалы обладают повышенной прочностью только в направлении волокон. Для производства композитов, прочных во всех направлениях, волокна сплетаются в трехмерную структуру, в которой они лежат вдоль трех взаимно перпендикулярных осей.
