Виды и применение композитных материалов

08 декабря 2020 г.
Виды и применение композитных материалов
Виды и применение композитных материалов

Композитные материалы (КМ) – это «супер-вещества», которые получают соединением двух и более компонентов. Компоненты в существенной степени отличаются друг от друга по своим свойствам. Сочетание их приводит к тому, что образуются новые материалы с уникальными свойствами, отличными от исходного сырья. То есть это суперновые материалы, вобравшие в себе, все лучшее от родителей.

Содержание

Структура композитных материалов

Композитные соединения состоят из двух основных частей. Первая – это матрица, вторая – это наполнитель. Новые композитные вещества превосходят привычно используемые материалы по прочностным, механическим характеристиками и выгодно отличаются по массе, имея легкий вес.

Для примера композитных материалов можно привести клееную фанеру.

По своей структуре композитные материалы можно разделить на несколько групп:

  • Волокнистые.
  • Дисперсноупрочненные.
  • Упрочненные частицами.
  • Нанокомпозиты.

Волокнистые композиты – это материалы, улучшение свойств которых производится волокнами или нитевидными кристаллами. Например, кирпич с соломой. Незначительное введение добавки наполнителя приводит к появлению новых, уникальных свойств.

А, к примеру, добавка электропроводящих волокон придает материалу новое свойство – проводить электрический ток.

Если композитный материал имеет слоистую структуру, то в нем матрица и наполнитель располагаются слоями. Примером можно привести стекло, покрытое слоями полимерных пленок.

Другие представители композитных материалов имеют структуру, которая представлена матрицей и наполненными ее частицами, отличающимися по размерам.

  • упрочненные материалы имеют 20-25% частиц, размер которых составляет более 1 мкм,
  • дисперсноупрочненные – 1-15% частиц, размер которых составляет 0,01-0,1 мкм.
  • нанокомпозитные же материалы, имеют частицы, размер которых составляет – 10-100 нм.

Полимерные композитные материалы

Полимерные композитные материалы (ПКМ), имеют в качестве своей базы полимерную основу-матрицу. Это самый многочисленный вид КМ. Их применение позволило значительно снизить вес и улучшить эксплуатационные характеристики многих вещей. Так, к примеру, применение ПКМ при изготовлении искусственного спутника земли привело к снижению его веса, а облегчение на 1 кг дает экономию в 1000 долларов.

Стеклопластики

Полимерные композиты, армирование которых проводят стеклянными волокнами. Данные волокна получают формированием при нагревании неорганического стекла. В качестве матрицы выступают фенольные, эпоксидные смолы или термопластичные полимеры.

Материалы характеризуются: прозрачностью к радиоволнам, прочностью и электроизоляцией, низкой теплопроводностью.

Стеклопластики – это дешевый и доступный материал, его применяют в приборостроении, судостроении, строительстве, при изготовлении спортивных товаров.

Углепластики

В данных КПМ наполнителями служат углеродсодержащие волокна, которые «добывают» из натуральных или искусственно созданных волокон.

Матрицей также служит термореактивный или термопластичный полимер.

Преимущества: низкая плотность, высокий коэффициент упругости, они легкие по массе, но в тоже время очень прочные, хорошо проводят электрический ток.

Применяются в авио-, машино- и ракетостроении, а также при производстве космической техники, спортивных товаров, медицинских протезов.

Боропластики

Матрица – термореактивный полимер.

Наполнитель – борные волокна, борные жгуты.

Борные волокна имеют большую прочность при сжатии, чем волокна других материалов. Поэтому и получаемые с их использованием материалы обладают отличными прочностными, износостойкими характеристиками, а также характеризуются инертностью к агрессивным средам. Но в тоже время, им свойственна хрупкость, что вводит определенные ограничения на использование.

Есть у данных ПКМ еще один минус – высокая цена, по данной причине область их использования достаточно узкая. Применяются главным образом только при изготовлении деталей, которые используются при высокой нагрузке и требует высокой надежности.

Органопластики

Основа – преимущественно используют эпоксидные, полимерные, фенольные смолы.

Наполнитель – искусственные или натуральные волокна. Волокна используются в виде нитей или жгутов, а также «полотен» - ткани, бумаги. Объем наполнителя составляет 40-70%.

Отличаются низкой плотностью, легкостью. Имеют высокую прочность. Отличное сопротивление к ударам, а также устойчивость к динамическому воздействию, нагрузкам. Но при всем при этом их прочность при изгибе и сжатии мала.

Применяются при машино-, авио-, судостроении, космической и авиационной технике, производстве спорт инвентаря и радиоэлектроники.

Полимеры наполненные порошками

В наше время применяют дешевые наполнители, такие как каолин, для термопластичной/термополимерной матрицы. Данные соединения используют для изготовления электроизоляционных материалов, труб. Сажу применяют для наполнения при изготовлении резин.

Текстолиты

Это полимерные материалы, имеющие слоистую структуру и применяемые для изготовления, например кухонных поверхностей, в качестве армирующего элемента используют ткани.

Композитные материалы с металлической матрицей

Название «материалы с металлической матрицей» говорит само за себя. Матрица – металл. Это может быть никель, или алюминий, или медь. Так как мы говорим о композиционных материалах, то нужно указать и наполнитель, в качестве которого применяют волокна. Главное условия при их выборе, они не должны растворяться в матрице. Упрочнение металла за счет использования наполнителей придает ему новые свойства – повышается жаростойкость и прочность. К примеру, алюминий можно использовать при температуре 250-3000С, а если провести его армирование волокнами бора, то температурные рамки расширяется до 450-5000С.

Композитные материалы на основе керамики

Не все волокна для керамики «одинаково полезны», но, тем не менее, применение некоторых из них дает возможность получить материалы с повышенной прочностью.

Использование металлических волокон позволяет незначительно увеличить сопротивление растяжению и повысить стойкость к тепловому воздействию.

Применение в качестве, наполняющих частиц – дисперсных металлических добавок, дает возможность получить керметам – материал с повышенной теплопроводностью и стойкостью к термоударам.

Из данных материалов изготавливают части, детали электропечей, газовых турбин, ракетной и реактивной техники, а также режущие инструменты.

Композиционные материалы – это улучшенные соединения, это как валенки с калошами и тепло, и ноги не промокают.

Два ключевых момента, которые нужно знать о чудо композитных материалах:

  • Материалы состоят из матрицы и наполнителя,
  • Материалы после «модификации» приобретает новые свойства.