Нелогичным видится результат для математики, если складывая две единицы, получают в сумме три. Однако подобная логика приобретает смысл, когда речь заходит о композитах. Но что это такое — композитный материал, именуемый сокращённо «композит»? Если взять два разных материала и объединить каким-либо образом, в результате получится третий объект. В ущерб математике, это будет уже совершенно другая структура, отличная от двух сложенных. В некотором смысле, такая структура превосходит любой из оригинальных составляющих компонентов.
СОДЕРЖИМОЕ ПУБЛИКАЦИИ :
Раскрыть тайну композитных структур
Композитные материалы изначально воспринимаются незнакомыми вещами. Но подобного рода вещи распространены достаточно обширно в окружающем мире. На основе композитных материалов делаются многие знакомые вещи:
- биты спортивных мячей,
- теннисные ракетки,
- хоккейные клюшки,
- клюшки для гольфа и т.д.
Корпуса автомобилей, самолётов, катеров традиционно производят из композитных материалов, подобных стекловолокну или карбону. Поэтому характеризовать композитный материал суперсовременным продуктом не стоит.
Проще оглянуться вокруг: бетон, дерево, костяшки — всё это композитные материалы. Ламинат, кстати, тот же самый композит, где слои разных материалов склеены один с другим, с целью придания дополнительной прочности, долговечности и других преимуществ.
Что представляет собой структура композитных материалов?
Цели изготовления композитных материалов путём объединения двух или более разных структур, видится очевидной. Таким способом стремятся достичь улучшения структуры при условии сохранения чётких и разных идентичностей в конечном продукте. Поэтому композитный материал не следует представлять:
- Соединением (где атомы или молекулы химически связываются друг с другом).
- Смесью (где одна структура смешивается с другой).
- Раствором (где что-то растворяется и эффективно исчезает).
Рассматривать композитный материал логичнее в рамках сравнения, например, с бетоном, где между цементом распределяются камни разных размеров.
Железобетон также представляет собой композитный стройматериал, изготовленный из стальных арматурных стержней, помещенных в жидкий бетон, за счёт чего фактически образуется композит из композита. Стекловолокно представляет собой смесь крошечных стеклянных частиц, склеенных внутри пластика.
Внутри бетона, железобетона, стекловолокна и т.п., оригинальные ингредиенты достаточно легко обнаружить. Так, в структуре бетона явно просматриваются камни в окружении цемента – эти компоненты не исчезают и не растворяются.
Для чего нужны композитные материалы?
Необходимость в композитном материале объясняется главным моментом – конечный продукт должен быть лучше составляющих, из которых изготовлен. Иначе необходимость в надобности полностью отпадает.
Рассматривая тот же бетон, можно отметить силу продукта в случае использования для сооружения вертикальных балок. Чтобы держать вес здания или конструкции с нагрузкой вниз, бетон удачно работает на сжатие. Но бетон демонстрирует явную слабость и тенденцию к разрушению, если используется горизонтально, когда превалируют силы на растяжение.
Последним случаем формируется серьёзная проблема для зданий, где много горизонтальных бетонных балок. Решением проблемы является заливка плотных стальных стержней (арматурных стержней) жидким бетоном, создавая, таким образом, композитный материал — железобетон.
Сталь натягивает бетон и сопротивляется силам растяжения, а бетон защищает сталь от ржавчины и гниения. В итоге получается композитный материал, удачно работающий на растяжение и на сжатие.
Усиление структуры — наиболее распространенная причина создания композитных материалов, но не единственная. Иногда стремятся сделать структуру, обладающую другими свойствами.
Например, требуется деталь самолёта, обладающая более высоким сопротивлением усталости по сравнению с металлом. Такая деталь не ломается от многократных напряжений, присутствующих в процессе полёта.
Или, допустим, нужна деталь двигателя, способная сохранять целостность структуры при более высоких температурах, чем обычная керамика. Возможно, потребуется пластик, более жёсткий и прочный, но лёгкий, или пластик с лучшими тепловыми изоляционными свойствами, чем даёт обычный пластик. Композитный материал способствует решению задач в таких ситуациях.
Как изготавливается композитный материал?
Структура композита, как правило, изготавливается на основе двух составляющих (но не исключены добавки):
- Так называемый «фоновый» материал — матрица (фаза матрицы).
- Трансформирующий материал — армирование (фазой армирования).
Не следует рассматривать армирование исключительно волоконной структурой (подобно стекловолокну). Такая конфигурация поддерживается не всегда. Структура железобетона, к примеру, содержит «волокна», которые по факту являются крупногабаритными витыми стальными стержнями.
Структура стекловолокна состоит из крошечных «стеклянных усов». Иногда арматурный элемент изготавливается на основе гранул, частиц или усов, не исключается исполнение на основе сложенного текстиля.
Расположением частиц армирования в матрице определяются механические свойства композитного материала в каждом направлении (изотропные) или свойства в разных направлениях (анизотропные).
Все волокна, направленные одинаково, делают состав анизотропным — более сильным в одном направлении, чем в другом. С другой стороны, частицы, усы или волокна, случайно ориентированные в структуре композита, сделают продукт одинаково прочным во всех направлениях.
Какую бы форму не принимал композитный материал, работа подкрепления состоит в том, чтобы противостоять внешним силам. Работа матрицы заключается в жёстком креплении арматуры на месте и защите арматуры от вредных воздействий окружающей среды.
Какие существуют типы композитных материалов?
Разнообразие типичного исполнения достаточно обширное. Рассматривая это разнообразие, можно выделить наиболее часто попадающиеся на практике экземпляры.
Натуральные композиты
Как правило, представляются композиты прочными, лёгкими, ультрасовременными изделиями. Такие изделия тщательно спроектированы для конкретных применений, например в конструкциях космических ракет и реактивных самолётов. Но если рассматривать исключительно такие продукты, легко забыть природные композитные материалы, существующие изначально и всегда.
Древесина – пример натурального композита, состоящего из целлюлозных волокон (армирование), растущего внутри лигнина (матрица из органических полимеров на основе углерода). Кость – пример другого натурального композита, где коллагеновые волокна усиливают матрицу гидроксиапатита (кристаллический минерал на основе кальция).
И даже созданные искусственно композиты не обязательно должны выступать высокотехнологичными и современными. Бетон и кирпич – стройматериалы, сделанные из глины, усиленные соломой, являются примерами композитов, сделанными искусственно. Такие материалы активно использовались в течение тысяч лет.
Классические композиты
Первым современным композитным материалом считается стекловолокно (первоначальное название «фибреглас»). Время изобретения — 30 годы XIX столетия.
Современное стекловолокно обычно выпускается в виде лент, которые допустимо наклеивать на поверхности. Пластмассовая защитная лента — это матрица, удерживающая стеклянные волокна на месте, но именно волокна обеспечивают высокую прочность матрицы.
Пластик имеет относительно мягкую и гибкую структуру, а стекло прочную, но хрупкую. Если же соединить две структуры вместе, получается прочный, долговечный продукт, подходящий для производства, к примеру, кузова автомобиля или корпуса лодки.
Стекловолокно легче металлов или сплавов, из которых допустимо производить те же самые вещи, но стекловолокно не подвержено коррозии. Углепластик похож на стекловолокно, но вместо стеклянных волокон структура углепластика включает углеродное волокно.
Современные композиты
Современные композитные материалы, как правило, основаны на металле, пластике (полимере) или керамике. Это даёт три основных типа современных композитных материалов:
- Композиты с металлической матрицей (ММК).
- Композиты с полимерной матрицей (ПМК).
- Композиты с керамической матрицей (КМК).
Металлические матричные композиты (ММК)
Этот вид композитных материалов имеют матрицу из легкого металла — алюминия или сплава магния, усиленного керамическими или углеродными волокнами. Примеры включают алюминий, армированный карбидом кремния, и сплав меди и никеля, армированный графеном (тип углеродного волокна). Включением графена в металлы на несколько порядков усиливается свойство прочности по отношению к обычному виду.
Металлические матричные композиты:
- прочные,
- жёсткие,
- износостойкие,
- устойчивы против ржавчины,
- относительно лёгкие,
но, как правило, дорогостоящие продукты и трудно поддаются обработке. ММК широко используются в авиакосмической промышленности (детали реактивных двигателей), для военных целей (нитрид бора используется для усиления резервуаров), в автомобильной промышленности (поршни дизельных двигателей) и в режущих инструментах.
Керамические матричные композиты (КМК)
Эта разновидность построена на керамической основе (боросиликатное стекло), выступающей в качестве фоновой матрицы, с углеродными или керамическими волокнами (карбид кремния).
Волокна усиливают и помогают преодолеть ключевую слабость обычной керамики. Примеры включают карбид кремния, армированный углеродным волокном (C/SiC), и карбид кремния, армированный карбидом кремния (SiC/SiC).
Первоначально КМК разрабатывались для аэрокосмического и военного применения, где очень важны легкость и высокотемпературные характеристики (газотурбинные установки, выхлопные сопла реактивных двигателей).
Однако в последующем КМК также нашли применение в производстве автомобильных тормозов и сцепления, подшипников, теплообменников и ядерных реакторов.
Поскольку керамические матричные композиты обычно используются для высокотемпературных применений, полимерные волокна и обычные легкоплавкие стеклянные волокна не используются в качестве армирующих элементов.
Полимерные матричные композиты (ПМК)
Композиты с полимерной матрицей (ПМК) имеют свои отличающие особенности. В то время как волокна КМК делают материал более жестким и менее хрупким, внутри структуры ПМК керамические или углеродные волокна повышают прочность и жёсткость фонового пластика. Такие свойства, как:
- лёгкость,
- жёсткость,
- прочность,
- коррозионная стойкость,
делают полимерные матричные композиты (стекловолокно и др.), отличными материалами для производства деталей автомобилей, лодок, самолётов и т.д. Полимерные матричные композиты также широко используются в производстве спортивных товаров (теннисные ракетки, клюшки для гольфа, сноуборды, лыжи и т.п.).
Композитные материалы будущего
Многие современные исследования направлены на совершенство композитных материалов с использованием волокон примерно в 1000 раз меньше традиционных. Такой подход обещает дать гораздо больший эффект.
Эти так называемые нанокомпозиты являются примером нанотехнологий, где используются углеродные нанотрубки (наночастицы) в качестве подкрепления.
Композитные материалы будущего представляются более дешёвыми, обладающими лучшими механическими и электрическими свойствами по сравнению с традиционными композитами.
Яркий пример композитного материала будущего: продукт «Colt Hockey» — хоккейная клюшка из углеродного волокна, покрытого никель-кобальтовым нанокомпозитом. Согласно утверждениям производителей, эта хоккейная клюшка в 2,8 раза прочнее и на 20% более гибкая, чем стальной вариант.
Что такое ламинат?
Своего рода особый вид композитного материала, сформированного путём сращивания слоев двух или более других материалов при помощи клея – называется ламинатом.
Поскольку слои ламината обычно составлены разными материалами, ламинаты являются очевидными примерами композитных материалов, несмотря на отсутствие технологии объединения подобно другим (матричными) композитам.
Важно отметить: ламинат — это не просто несколько отдельно взятых слоёв материалов. Все составляющие ламината постоянно склеены, поэтому представлены как единый материал. Клей (или несколько различных клеев) также выступает составляющей частью ламината.
Почему существует необходимость ламината? Объясняется потребность просто. Например, бумага, дерево, стекло, — материалы недостаточно прочные и долговечные в их натуральном виде.
Так, бумага легко пропитывается водой, а выполнить печать на пластике достаточно сложно. Между тем, печать можно выполнить на бумаге, после чего покрыть бумагу пластиком. Ламинированный композитный материал приобретает дополнительные свойства.
Примеры использования ламинирования
Примеров для разъяснения этого вопроса можно набрать больше чем достаточно. Рассмотрим некоторые из реальных примеров, которые встречаются на практике.
Ламинированная древесина
Полы из натуральной древесины пользуются высокой популярностью, демонстрируют яркий пример износостойкости. Здесь логично рассмотреть обычный пол из твёрдой древесины и пол ламинированный. В отличие от традиционного пола из твердой древесины, ламинированный пол обычно состоит 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, напоминающие твёрдую древесину, реально представляют ламинаты, изготовленные из древесных материалов более низкого качества (ДСП, ДВП) с тонким покрытием из шпона, пластика или даже бумаги. Основным недостатком ламинированных полов является неспособность противостоять влаге.
Ламинированное стекло
Ветровые и пуленепробиваемые стёкла — фактически тяжёлые ламинаты, собранные из нескольких слоёв стекла и пластика. Наружные слои стекла устойчивы к атмосферным воздействиям и царапинам, в то время как внутренние слои пластика обеспечивают прочность и некоторый процент гибкости, предотвращая разрушение стекла. Стекло также ламинируется пластиком для изготовления композитов, подобных, например, стеклу, армированному пластиком.
Тканевые ламинированные материалы
Большая часть обуви и верхней одежды, как правило, сделаны из ламинированных материалов. Типичный плащ обычно имеет водонепроницаемую мембрану между износостойким наружным слоем и мягким, комфортным внутренним слоем. Иногда мембрана непосредственно связана с внутренним и внешним слоями.
Таким способом делается прочная и долговечная одежда на основе 3-слойного ламината. Если мембрана связана с внешней тканью без внутренней подкладки, это называется 2,5-слойным ламинатом. Водонепроницаемая одежда, изготовленная таким способом, видится более «дышащей», чем трехслойные ламинаты, так как используется лёгкий вариант удаления влаги.
Бумажные ламинированные материалы
Часто в бытовой и хозяйственной практике пользуются портативными машинами для ламинирования. Такой техникой покрывают кусочки бумаги, карты или фотографии тонким, но прочным слоем пластика. Достаточно приобрести пакет пластиковых «мешочков», вставить внутрь бумажный предмет и пропустить набор через машину.
Ламинирующая машина нагревает, склеивает пластик и плотно прижимает два разных структуры, создавая атмосферостойкое и долговечное покрытие. Идентификационные (ID) карты и кредитные карты также ламинированы прозрачным пластиком. Поэтому карты используются без проблем несколько лет.
При помощи информации: Explainthatstuff