Структура стекловолокна состоит из маленьких «стеклянных вискеров». Армирование может быть выполнено из бисера, частиц или волос, не исключено наличие сложенных тканей.
Виды и применение композитных материалов
Комплексные материалы (КМ) — это «гиперматериалы», получаемые в результате комбинации двух или более компонентов. Свойства компонентов варьируются в широких пределах. Их сочетание приводит к образованию нового материала с уникальными свойствами, отличными от исходного сырья. Другими словами, это очень новые материалы, вобравшие в себя лучшие элементы своих родителей.
Структура композитных материалов
Комплексные соединения состоят из двух основных частей. Первая часть — это матка, а вторая — наполнитель. Новые композитные материалы превосходят по прочности и механическим свойствам обычно используемые материалы и выгодно отличаются от легких материалов.
Примером сложного материала является фанера.
Сложные материалы можно разделить на различные группы в зависимости от их конструкции.
- Волокнистые.
- Дисперсноупрочненные.
- Упрочненные частицами.
- Нанокомпозиты.
Комплексные волокнистые материалы — это материалы, свойства которых улучшены за счет волокон или волокнистых кристаллов. Примером может служить соломенный кирпич. Новые и уникальные свойства появляются в результате незначительного добавления наполнителя.
А, например, добавление проводящих волокон придает материалу новые свойства по обработке энергии.
Если сложные материалы имеют слоистую структуру, то матка и наполнитель укладываются слоями. В качестве примера можно привести стекло, покрытое слоем полимерной пленки.
Другие композитные материалы имеют структуру, в слоях которой закреплены матки разного размера и твердые частицы.
- 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 композиционные материалы (ПКМ) основаны на многосторонней матрице. Они являются самым населенным типом КМ. Их использование позволило значительно снизить вес и улучшить эксплуатационные характеристики многих объектов. Так, например, применение ПКМ при строительстве спутника на Земле приведет к снижению веса и экономии 1000 долларов США за счет экономии 1 кг.
Стеклопластики
Полимерные композиты, армированные стекловолокном. Эти волокна вытягиваются при нагревании, образуя неорганическое стекло. В качестве маточников используются фенол, эпоксидные смолы или полимеры.
Материалы характеризуются радиопрозрачностью, прочностью, электроизоляцией и низкой теплопроводностью.
Стеклопластик — дешевый и доступный материал, используемый в машиностроении, судостроении, строительстве и производстве спортивной одежды.
Углепластики
Платой за эти CPM является углеродное волокно, которое «добывается» из натуральных или искусственных волокон.
Матка также представляет собой термозастывающий или термопластичный полимер.
Преимущества: низкая плотность, высокий модуль упругости, легкий, но в то же время очень прочный и хорошо проводит электричество.
Они используются в авиации, автомобильной и ракетной промышленности, производстве аэрокосмического оборудования, спортивной одежды и медицинских изделий.
Боропластики
Матка представляет собой термозастывающий полимер.
Дополнительные материалы — борные волокна и борные оплетки.
Борные волокна более устойчивы к горю, чем другие материалы. Поэтому материалы, полученные с их использованием, обладают отличными прочностными и износостойкими свойствами, характеризуются также неактивностью в агрессивных средах. В то же время, однако, они хрупкие, что накладывает некоторые ограничения на их использование.
Композитные материалы с металлической матрицей
Название «металлический маточный материал» говорит само за себя. Матка — это металл. Это никель, алюминий или медь. Поскольку речь идет о сложных материалах, необходимо также определить используемые наполнители и волокна. Основным требованием для их выбора является не то, чтобы они были растворимы в матке. Усиление металлов наполнителями придает им новые свойства — повышенную термическую прочность и выносливость. Например, алюминий может использоваться при температуре 250-300 0 C, но при армировании борными волокнами температурный диапазон охватывает 450-500 0 C.
Сложные материалы — это гетерогенные непрерывные материалы, состоящие из двух или более компонентов с ярко выраженными различиями. Самый простой пример — обычная фанера с поднятыми слоями. Однако существуют и гораздо более интересные техники и материалы, используемые в авиации, автомобилестроении и других отраслях промышленности. Подробнее читайте в рубрике «Хубракат».
Иногда композитные материалы называют пылью или гранулами.
Гранулы удачно дополняют чреду композитного материала. Гранулированные наполнители укрепляют композитный материал, делая его намного прочнее. В результате риск образования трещин в соединении, как правило, сбрасывается.
Гранулы, укрепляющие материал, могут отличаться по размеру и происхождению.
По размеру они выделяются как: крупные или мелкие частицы, а по происхождению: природные и искусственные.
К природным гранулам относятся мел, тальк и кварц. Искусственные гранулы включают углерод, минералы и силикаты.
Использование мелких гранул обеспечивает высокий уровень прочности материала, в отличие от сырья с толстыми армирующими гранулами.
Существует возможность создания гранул размером менее 0,1 микрометра (микрометр — международная единица длины, равная одной миллионной части метра), и композитные материалы с таким наполнителем можно считать упрочненными за счет дисперсии.
Тонкие гранулы этих тонких наполнителей для композитов носят название наночастиц или наносконов.
Основными материалами часто являются полимерные матрицы, такие как полиуретан, эпоксидные смолы и поликарбонаты.
Области применения этих сложных материалов очень широки — от самолетостроения до сектора народного хозяйства. Одним из самых запоминающихся примеров использования этого гранулированного композитного материала являются кузова и бамперы автомобилей.
Слоистые композитные материалы
К этому типу композитных материалов относятся материалы, структура которых состоит из слоев различных соединений. В настоящее время это один из самых популярных и доступных способов создания сложных материалов.
Впервые этот тип материала был использован для производства надежных металлических щитов, состоящих из многих слоев стали.
Состав структуры ламинатного композитного материала не ограничен. Производители используют самые разнообразные варианты смешанных составов в слоях, в прямой зависимости от требований к продукту.
Композиции включают природные и искусственные материалы. Также допускается чередование слоев наполнителя и матки.
Основными особенностями этих сложных материалов являются их специфическая пластичность, сложность материала и устойчивость к трению.
В зависимости от толщины самого композитного слоя материалы различают на пластины (1-10 мм), листы (0,05-1 мм) и пленки (0,001-0,05 мм).
В современном, высокотехнологичном мире таких композитов часто используются хорошо известные термопласты и антиполимеры (более подробную информацию об этих полимерах см. в разделе «Применяемая пластическая масса и ее разновидности»).
Для чего же, в конечном итоге, создаются несколько слоев в материале – композит, и какие у них функции?
Хорошим примером многослойного композитного продукта является Carglas.
Они содержат как органическое стекло, так и полимеры в виде пленки. Благодаря такому составу продукта, в случае удара по стеклу автомобиля пленка предотвращает немедленное разрушение стекла. Это очень практично и безопасно для водителей.
Рассматривая эти три обширных сложных материала, следует сделать вывод, что это самый гибкий материал, из которого можно создавать уникальные элементы с неограниченной функциональностью.
Ассортимент сложных материалов не имеет границ. С помощью этой технологии производятся сотни тысяч незаменимых компонентов.
Композитные материалы были изобретены не в процессе поиска абсолютной интеграции учеными, а в древние времена в ответ на острую необходимость в прочных материалах.
Однако современные знания и мощные технологии позволили улучшить состав этих соединений и их структуры. Современные сложные продукты делают социальное существование намного интереснее и проще.
Кстати, большинство медицинских намерений изготавливаются из прочных сложных материалов.
Поэтому сложные материалы являются просто незаменимой частью нашей жизни.
Возможно, в будущем ученые, инженеры и химики сделают новые грандиозные открытия и заменят композитные материалы другими популярными материалами.
Однако в настоящее время композитные материалы продолжают оставаться высокофункциональными материалами, предпочтительными для долговечных аксессуаров и материалов.
Наполнителями могут быть как искусственные, так и натуральные волокна. Волокна используются в виде «ткани» — ткани, бумаги. Количество наполнителя варьируется в пределах 40-70%.
Какие существуют типы композитных материалов?
Разнообразие типовых конструкций очень велико. Такое разнообразие позволяет выявить наиболее распространенные примеры, встречающиеся на практике.
Натуральные композиты
Сложные материалы — это, как правило, прочные, легкие, современные изделия. Эти продукты тщательно разрабатываются для конкретных областей применения, таких как строительство космических ракет и самолетов. Однако, глядя только на эти изделия, легко забыть о натуральных композитных материалах, которые всегда присутствовали в них.
Естественные структуры древесины: 1 — годичное кольцо, 2 — лучина, 3 — возрастной индекс, 4 — тополь, 5 — кембрий, 6 — кора, 7 — береста, 8 — ядро.
Древесина является примером природного композитного материала, состоящего из целлюлозных волокон (арматуры), выращенных в лигнине (органическом полимере на основе углерода). Кость — еще один пример природного композитного материала, где коллагеновые волокна укрепляют гидроксиапатитовую матку (кристаллический минерал на основе кальция).
И даже искусственно созданные сложные материалы не обязательно должны быть высокотехнологичными и самыми современными. Бетон и кирпич — строительные материалы, изготовленные из глины и армированные соломой, — являются примерами искусственно созданных композитных материалов. Такие материалы действуют на протяжении тысяч лет.
Классические композиты
Стекловолокно (первоначально называемое фиберглассом) считается первым современным композитным материалом. Эпоха его изобретения пришлась на 1930-е годы.
Как правило, современные стекловолокна выпускаются в виде полос, которые можно наклеивать на поверхности. Пластиковая защитная лента — это матка, которая удерживает стекловолокно на месте, а волокна обеспечивают высокую прочность матки.
Пластик имеет относительно мягкую и гибкую структуру, в то время как стекло прочное, но хрупкое. Сочетание этих двух структур позволяет получить прочный и долговечный продукт, пригодный, например, для производства автомобилей и корпусных лодок.
Структура строительства речных (морских) судов. Корпус изготовлен из композитного материала днище: 1 — корпус корпуса — 2 — структура сетчатой консоли.
Стекловолокно легче металлов и сплавов, из которых можно производить то же самое, но стекловолокно не чувствительно к коррозии. Углепластики похожи на стеклопластики, но вместо стеклопластиков в конструкциях из углепластиков содержатся углеродные волокна.
Современные композиты
Современные композитные материалы обычно основаны на металлах, пластмассах (полимерах) или керамике. Это приводит к появлению трех основных типов современных сложных материалов.
- Композиты с металлической матрицей (ММК).
- Композиты с полимерной матрицей (ПМК).
- Композиты с керамической матрицей (КМК).
Металлические матричные композиты (ММК)
К этому типу композитных материалов относятся легкие металлические матки (алюминиевые или магниевые сплавы), армированные керамическими или углеродными волокнами. Примерами являются алюминий, армированный карбидом кремния, и медно-никелевые сплавы, армированные графеном (разновидность углеродного волокна). Интеграция графена в минералы повышает свойства сопротивления по сравнению с обычными формами на несколько классов размеров.
Что такое ламинат?
Особый тип композитного материала, образованного путем сварки двух или более клейких материалов, называется ламинатом.
Поскольку матрасы для сисек обычно изготавливаются из различных материалов, пластина является очевидным примером сложного материала, несмотря на отсутствие технологии соединения, как в других композитных материалах (маточник).
Важно отметить следующее. Ламинат — это не просто несколько слоев материала. Все компоненты ламината прочно соединены друг с другом и поэтому представлены как единый материал. Клей (или различные клеи) также является неотъемлемой частью ламината.
Простая структура ламината: 1 — износостойкий эластичный поверхностный слой — 2 — декоративное покрытие высокого разрешения — 3 — сердцевина HDF из натурального древесного волокна, не оставляющего влаги — 4 — покрытая смолой балансировочная плита.
Почему вам нужен ламинированный пол? Объяснение этой потребности простое. Например, бумага, дерево и стекло недостаточно прочны и устойчивы к природным формам.
Например, бумага легко смачивается водой, а на пластике печатать очень сложно. При этом печать может быть размещена на бумаге, а затем бумага может быть покрыта пластиком. Многослойные композиты приобретают дополнительные свойства.
Примеры использования ламинирования
Есть несколько примеров, иллюстрирующих этот тезис. Давайте рассмотрим несколько реальных примеров, с которыми мы сталкивались.
Ламинированная древесина
Особенно популярны полы из натурального дерева, которые являются впечатляющим примером долговечности. Здесь имеет смысл рассмотреть традиционные паркетные и ламинированные полы. В отличие от традиционных паркетных полов, ламинированные полы обычно состоят из четырех слоев.
- Тонкий прозрачный пластик, разработанный для защиты от пятен и царапин.
- Тонкая древесины (или бумага с рисунком древесины), что придает полу привлекательный вид.
- Основная масса — низкокачественная ДВП.
- Твёрдая влагостойкая доска.
Многие недорогие мебельные изделия из твердых пород древесины представляют собой слоеный ламинат, изготовленный из низкокачественных древесных материалов (ДСП, ДВП) с тонким шпоном, пластиком или бумагой. Главный недостаток ламинированных полов заключается в том, что они не могут противостоять влаге.
Ламинированное стекло
Пуленепробиваемое и пуленепробиваемое стекло на самом деле представляет собой тяжелую пластину, собранную из различных слоев стекла и пластика. Внешний слой стекла устойчив к погодным условиям и царапинам, а внутренний слой пластика обеспечивает прочность и упругость, чтобы стекло не разбилось. Стекло также помещается на слой пластика для создания сложных материалов, таких как стекло, армированное пластиком.
Тканевые ламинированные материалы
Большинство обуви и верхней одежды обычно изготавливаются из многослойных материалов. Типичный макинтош обычно имеет водонепроницаемую мембрану между жестким внешним слоем и мягким, комфортным внутренним слоем. Мембрана может быть соединена непосредственно с внутренним и внешним слоями.
В результате получается прочная и долговечная одежда, состоящая из трех слоев пластин. Если мембрана прикреплена к внешней ткани без внутренней подкладки, она называется 2,5-слойным ламинатом. Водонепроницаемая одежда, изготовленная таким образом, кажется более дышащей, чем трехслойные пластины, поскольку для отвода влаги используется более легкий отбор.
Бумажные ламинированные материалы
Портативные пластифицирующие двигатели часто используются в домашних и профессиональных условиях. Эти машины покрывают бумагу, карты или фотографии тонким, но прочным слоем пластика. Все, что вам нужно сделать, это купить пластиковый «карманный» пакет, поместить в него бумажный предмет и передать набор из автомата.
Ламинирующая машина нагревает, прикрепляет пластик и плотно прижимает две различные структуры друг к другу, создавая водонепроницаемое и прочное покрытие. Идентификаторы и кредитные карты также ламинируются прозрачным пластиком. Поэтому карты без проблем использовались в течение нескольких лет.
КРАТКИЙ БРИФИНГ
Z -Sila — издание, представляющее значительный интерес для общества. Новости о технологиях, исследованиях и мировых экспериментах. Социальная многоцелевая информация — медиа.
