Композиционный материал


Композиционный материал
Обычная клееная фанера является широко распространённым композиционным материалом
Kohlenstofffasermatte.jpg
Cfaser haarrp.jpg

Композицио́нный материа́л (компози́т, КМ) — искусственно созданный неоднородный сплошной материал, состоящий из двух или более компонентов с четкой границей раздела между ними. В большинстве композитов (за исключением слоистых) компоненты можно разделить на матрицу и включенные в нее армирующие элементы. В композитах конструкционного назначения армирующие элементы обычно обеспечивают необходимые механические характеристики материала (прочность, жесткость и т.д.), а матрица (или связующее) обеспечивает совместную работу армирующих элементов и защиту их от механических повреждений и агрессивной химической среды.

Механическое поведение композиции определяется соотношением свойств армирующих элементов и матрицы, а также прочностью связи между ними. Эффективность и работоспособность материала зависят от правильного выбора исходных ком­понентов и технологии их совмещения, призванной обеспечить прочную связь между компонентами при сохранении их первоначальных характеристик.

В результате совмещения армирующих элементов и матрицы образуется комплекс свойств композиции, не только отражающий исходные характеристики его компонентов, но и включающий свойства, которыми изолированные компоненты не обладают. В частности, наличие границ раздела между армирующими элементами и матрицей существенно повышает трещиностойкость материала, и в композициях, в отличие от однородных металлов, повышение статической прочности приводит не к снижению, а, как правило, к повышению характеристик вязкости разрушения.

Для создания композиции используются самые разные армирующие наполнители и матрицы. Это — гетинакс и текстолит (слоистые пластики из бумаги или ткани, склеенной термореактивным клеем), стекло- и графитопласт (ткань или намотанное волокно из стекла или графита, пропитанные эпоксидными клеями), фанера… Есть материалы, в которых тонкое волокно из высокопрочных сплавов залито алюминиевой массой. Булат — один из древнейших композиционных материалов. В нем тончайшие слои (иногда нити) высокоуглеродистой стали «склеены» мягким низкоуглеродным железом.

В последнее время материаловеды экспериментируют с целью создать более удобные в производстве, а значит — и более дешёвые материалы. Исследуются саморастущие кристаллические структуры, склеенные в единую массу полимерным клеем (цементы с добавками водорастворимых клеев), композиции из термопласта с короткими армирующими волоконцами и пр.

Содержание

Классификация композитов

Композиты обычно классифицируются по виду армирующего наполнителя:[1]

  • волокнистые (армирующий компонент — волокнистые структуры);
  • слоистые;
  • наполненные пластики (армирующий компонент — частицы)
    • насыпные (гомогенные),
    • скелетные (начальные структуры, наполненные связующим).

Преимущества композиционных материалов

Composite 3d.png

Главное преимущество КМ в том, что материал и конструкция создается одновременно. Исключением являются препреги, которые являются полуфабрикатом для изготовления конструкций. Стоит сразу оговорить, что КМ создаются под выполнение данных задач, соответственно не могут вмещать в себя все возможные преимущества, но, проектируя новый композит, инженер волен задать ему характеристики значительно превосходящие характеристики традиционных материалов при выполнении данной цели в данном механизме, но уступающие им в каких-либо других аспектах. Это значит, что КМ не может быть лучше традиционного материала во всём, то есть для каждого изделия инженер проводит все необходимые расчёты и только потом выбирает оптимум между материалами для производства.

Причём, разные классы композитов могут обладать одним или несколькими преимуществами. Некоторых преимуществ невозможно добиться одновременно.

Недостатки композиционных материалов

Композиционные материалы имеют достаточно большое количество недостатков, которые сдерживают их распространение.

Высокая стоимость

Высокая стоимость КМ обусловлена высокой наукоёмкостью производства, необходимостью применения специального дорогостоящего оборудования и сырья, а следовательно развитого промышленного производства и научной базы страны.

Анизотропия свойств

Анизотропия - непостоянство свойств КМ от образца к образцу. Для компенсации анизотропии увеличивают коэффициент запаса прочности, что может нивелировать преимущество КМ в удельной прочности. Таким примером может служить опыт применения КМ при изготовлении вертикального оперения истребителя МиГ-29. Из-за анизотропии применявшегося КМ вертикальное оперение было спроектировано с коэффициентом запаса прочности кратно превосходящим стандартный в авиации коэффициент 1,5, что в итоге привело к тому, что композитное вертикальное оперение Миг-29 оказалось равным по весу конструкции классического вертикального оперения, сделанного из дюралюминия.

Низкая ударная вязкость

Низкая ударная вязкость также является причиной повышения коэффициента запаса прочности. Кроме этого, низкая ударная вязкость обуславливает высокую повреждаемость изделий из КМ, высокую вероятность возникновения скрытых дефектов, которые могут быть выявлены только инструментальными методами контроля.

Высокий удельный объем

Высокий удельный объем является существенным недостатком при применении КМ в областях с жесткими ограничениями по занимаемому объему. Это относится, например, к сверхзвуковым самолётам, у которых даже незначительное увеличение объема самолёта приводит к существенному росту волнового аэродинамического сопротивления.

Гигроскопичность

Композиционные материалы гигроскопичны, т.е. склонны впитывать влагу, что обусловлено несплошностью внутренней структуры КМ. При длительной эксплуатации и многократном переходе температуры через 0 по Цельсию вода, проникающая в структуру КМ, разрушает изделие из КМ изнутри (эффект по природе аналогичен разрушению автомобильных дорог в межсезонье). Так одной из возможных причин авиакатастрофы American Airlines Flight 587, в которой от фюзеляжа оторвался композитный киль, названо разрушение структуры композитного киля от периодически замерзавшей в ней воды. Аналогичные примеры отделения композитного киля от фюзеляжа происходили также в России.[2]

КМ могут впитывать также другие жидкости, обладающие высокой проникающей способностью, например, авиационный керосин.

Токсичность

При эксплуатации КМ могут выделять пары, которые часто являются токсичными. Если из КМ изготавливают изделия, которые будут располагаться в непосредственной близости от человека (таким примером может послужить композитный фюзеляж самолета Boeing 787 Dreamliner), то для одобрения применяемых при изготовлении КМ материалов требуются дополнительные исследования воздействия компонентов КМ на человека.

Низкая эксплуатационная технологичность

Композиционные материалы обладают низкой эксплуатационной технологичностью, низкой ремонтопригодностью и высокой стоимостью эксплуатации. Это связано с необходимостью применения специальных трудоемких методов, специальных инструментов для доработки и ремонта объектов из КМ. Часто объекты из КМ вообще не подлежат какой-либо доработке и ремонту.

Области применения

Товары широкого потребления

Примеры:

Спортивное оборудование

  • оборудование для горнолыжного спорта — палки и лыжи
  • Хоккейные клюшки и коньки
  • байдарки, каноэ и вёсла к ним

Машиностроение

В машиностроении композиционные материалы широко применяются для создания защитных покрытий на поверхностях трения, а также для изготовления различных деталей двигателей внутреннего сгорания (поршни, шатуны).

Характеристика

Durasteel frontal view.jpg

Технология применяется для формирования на поверхностях в парах трения сталь-резина дополнительных защитных покрытий. Применение технологии позволяет увеличить рабочий цикл уплотнений и валов промышленного оборудования, работающих в водной среде.

Композиционные материалы состоят из нескольких функционально отличных материалов. Основу неорганических материалов составляют модифицированные различными добавками силикаты магния, железа, алюминия. Фазовые переходы в этих материалах происходят при достаточно высоких локальных нагрузках, близких к пределу прочности металла. При этом на поверхности формируется высокопрочный металлокерамический слой в зоне высоких локальных нагрузок, благодаря чему удается изменить структуру поверхности металла.

Полимерные материалы на основе политетрафторэтиленов модифицируются ультрадисперсными алмазографитовыми порошками, получаемыми из взрывных материалов, а также ультрадисперсных порошков мягких металлов. Пластифицирование материала осуществляется при сравнительно невысоких (менее 300 °C) температурах.

Металлоорганические материалы, полученные из природных жирных кислот, содержат значительное количество кислотных функциональных групп. Благодаря этому взаимодействие с поверхностными атомами металла может осуществляться в режиме покоя. Энергия трения ускоряет процесс и стимулирует появление поперечных сшивок.

Технические характеристики

Защитное покрытие в зависимости от состава композиционного материала может характеризоваться следующими свойствами:

  • толщина до 100 мкм;
  • класс чистоты поверхности вала (до 9);
  • иметь поры с размерами 1 — 3 мкм;
  • коэффициент трения до 0,01;
  • высокая адгезия к поверхности металла и резины.

Технико-экономические преимущества

  • На поверхности формируется высокопрочный металлокерамический слой в зоне высоких локальных нагрузок;
  • Формируемый на поверхности политетрафторэтиленов слой имеет низкий коэффициент трения и невысокую стойкость к абразивному износу;
  • Металлоорганические покрытия являются мягкими, имеют малый коэффициент трения, пористую поверхность, толщина дополнительного слоя составляет единицы микрон.

Области применения технологии

  • нанесение на рабочую поверхность уплотнений с целью уменьшения трения и создания разделительного слоя, исключающего налипание резины на вал в период покоя.
  • высокооборотные двигатели внутреннего сгорания для авто и авиастроения.

Авиация и космонавтика

В авиации и космонавтике с 1960-х годов существует настоятельная необходимость в изготовлении прочных, лёгких и износостойких конструкций. Композиционные материалы применяются для изготовления силовых конструкций летательных аппаратов, искусственных спутников, теплоизолирующих покрытий шатлов, космических зондов. Всё чаще композиты применяются для изготовления обшивок воздушных и космических аппаратов, и наиболее нагруженных силовых элементов.

Вооружение и военная техника

Благодаря своим характеристикам (прочности и лёгкости) КМ применяются в военном деле для производства различных видов брони:

Литература

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

См. также

Примечания

  1. Дж. Любин. 1.2 Термины и определения // Справочник по композиционным материалам: В 2-х кн = Handbook of Composites. — М.: Машиностроение, 1988. — Т. 1. — 448 с. — ISBN 5-217-00225-5
  2. Игорь Мангазеев Андреапольские МиГи разваливаются от старости. Тверской информационный портал eTver (27-01-2009). Архивировано из первоисточника 4 августа 2012.

Ссылки



Wikimedia Foundation. 2010.

Смотреть что такое "Композиционный материал" в других словарях:

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

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

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

  • Композиционный материал — Composite material Композиционный материал. Комбинации из двух или более материалов (упрочняющие элементы, наполнители и составное матричное вяжущее вещество), отличающихся по форме, композиции, размерам. Составляющие части сохраняют свои… …   Словарь металлургических терминов

  • композиционный материал — kompozitas statusas T sritis radioelektronika atitikmenys: angl. composite; composite material vok. Verbundstoff, m rus. композит, m; композиционный материал, m pranc. composite, f; matériau composite, m …   Radioelektronikos terminų žodynas

  • композиционный материал — kompozitas statusas T sritis chemija apibrėžtis Daugiakomponentė medžiaga, sudaryta iš rišiklio (polimeras, metalas, keramika ir kt.) ir jį sustiprinančios armuojančios medžiagos. atitikmenys: angl. composite rus. композит; композиционный… …   Chemijos terminų aiškinamasis žodynas

  • композиционный материал (металлургия) — композиционный материал Комбинации из двух или более материалов (упрочняющие элементы, наполнители и составное матричное вяжущее вещество), отличающихся по форме, композиции, размерам. Составляющие части сохраняют свои свойства, т. е. они не… …   Справочник технического переводчика

  • композиционный материал для изготовления конструкций и элементов — — [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом EN structural composite …   Справочник технического переводчика

  • композиционный материал (композит) — 3.13 композиционный материал (композит): Материал, состоящий из непрерывных волокон и полимерного связующего. Источник …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

  • КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ (КОМПОЗИЦИОННАЯ СТРУКТУРА) — матрица и дополнительная фаза или дополнительные фазы, состоящие из частиц армирующих наполнителей, волокон или их любого сочетания, предназначенные для определенной цели или целей …   Словарь понятий и терминов, сформулированных в нормативных документах российского законодательства

Книги

  • Исповедь сталиниста, Нуждин Лев Георгиевич. Автор приглашает читателя к глубокому размышлению о том, что происходило в нашей истории, что происходит сейчас и что с нами может быть. В роман вошел автобиографический материал и выдержки… Подробнее  Купить за 593 грн (только Украина)
  • Исповедь сталиниста, Нуждин Л.Г.. Автор приглашает читателя к глубокому размышлению о том, что происходило в нашей истории, что происходит сейчас и что с нами может быть. В роман вошел автобиографический материал и выдержки… Подробнее  Купить за 568 руб
  • Исповедь сталиниста, Нуждин Лев Георгиевич. Автор приглашает читателя к глубокому размышлению о том, что происходило в нашей истории, что происходит сейчас и что с нами может быть. В роман вошел автобиографический материал и выдержки… Подробнее  Купить за 463 руб
Другие книги по запросу «Композиционный материал» >>