Изделие, созданное из композитного материала, может включать в себя несколько типов армирующих тканей, а также иметь вставки из металлов, керамики и других материалов. К тому же, оно может быть дополнено такими элементами, как ребра жесткости или закладные крепежные устройства. Благодаря данному многообразию компонентов, возможность наделить продукт уникальными свойствами становится весьма актуальной, а также обеспечивается соответствие заданным эксплуатационным характеристикам.
Композитные материалы: что это? Все о композите
Об эволюции композитных материалов, их устройстве и современном применении
Когда мы слышим слово «композитный», многие из нас воспринимают его как нечто современное и прорывное. Это может быть обшивка для космического корабля или корпус новейшего самолета, а в более приземленных примерах можно упомянуть композитные пломбы или коронки для зубов. Однако редко кто задумывается о том, что композиты имеют корни, уходящие в далекое прошлое, к Древнему Египту. В нашем материале мы поговорим об истории развития композитных материалов, их современном использовании и возможностях в будущем.
История и устройство: от железобетона до нанокомпозитов
Композитный материал, который также можно называть просто композитом, представляет собой материал, составленный из двух или более компонентов, каждый из которых обладает уникальными физическими и химическими свойствами. Взаимодействие этих компонентов позволяет создать новый материал или улучшить характеристики существующего. Многие эксперты сегодня уверены, что будущее именно за композитами, поэтому XXI век часто называют веком композитов. Интересно, что сама идея создания композитов появилась задолго до нашей эры.
Например, саманные кирпичи, используемые в Древнем Египте, также можно считать композитами. В их состав входили глина и солома. Бетон, который был разработан древними римлянами, является еще одним примером античного композитного материала. Эта смесь вяжущего вещества и дробленных камней на протяжении веков использовалась при строительстве великих архитектурных творений. Знаменитый Пантеон в Риме, имеющий огромный купол, был построен именно из неармированного бетона.
Первый признанный композитный материал был создан в конце XIX века — это железобетон. Принцип его строения легко демонстрирует основные характеристики композитов. Железобетон состоит из двух компонентов: металлической арматуры и бетона, причем граница между ними явно прослеживается. Это является ключевой характеристикой для всех композитов — они состоят из нескольких материалов, между которыми сохраняется четкая граница. Для сравнения, сталь не считается композитом, так как углерод внедряется в кристаллическую решетку железа, и граница между ними стирается. В состав композита выделяют матрицу и наполнитель, причем их комбинация и соотношение позволяют получить множество новых материалов с различными свойствами.
Композиты можно разделить на несколько основных типов в зависимости от их структуры: волокнистые, дисперсно-упрочненные, упрочненные частицами и нанокомпозиты. Волокнистые композиты, как можно понять из их названия, армированы волокнами или нитевидными кристаллами, идеально подходят для наглядного примера — кирпичи с соломой или папье-маше.
Три оставшихся класса композитов объединяет то, что их матрицы насыщены частицами армирующего вещества, однако они различаются размерами этих частиц. В композитах, упрочненных частицами, размер этих частиц превышает 1 мкм и составляет приблизительно 20-25% от общего объема, в то время как в дисперсно-упрочненных композитах количество частиц доходит до 15%, а размеры их варьируются от 0,01 до 0,1 мкм. Нанокомпозиты представляют собой новое поколение композитных материалов, в которые входят частицы размером до 100 нм.
Два компонента
Композиты представляют собой материалы, которые состоят, как минимум, из двух компонентов, каждый из которых обладает уникальными свойствами. Наиболее распространены полимерные композиты, в которых компонентами являются армирующий наполнитель, такой как стеклянное или углеродное волокно с определенной технологией плетения, и связующее вещество, например, полиэфирная или эпоксидная смола. Важно отметить, что изделия на основе углеродных полимерных композитов на эпоксидной смоле по прочности могут быть сопоставимы со сталью, однако их масса может быть на треть меньше.
Благодаря таким свойствам, как самовосстанавливаемость и устойчивость к высоким температурам (некоторые композиты могут выдерживать эксплуатацию при температурах до 200-250°С), они находят применение во всех сегментах тяжелой промышленности. Композиционные материалы способны эффективно выполнять поставленные задачи как в космической отрасли, так и в судостроении и авиации, что подтверждает директор Центра компетенций Национальной технологической инициативы (НТИ) по цифровому материаловедению новых материалов и веществ МГТУ имени Н.Э. Баумана, Владимир Нелюб.
Например, в крыльях и агрегатах механизации отечественного магистрального самолета МС-21, а также в корпусе научно-исследовательского судна «Пионер-М» используются композитные материалы. Это новое направление также внедряется в производстве товаров народного потребления, включая спецодежду для пожарных, средства индивидуальной защиты для медицинских работников, а также спортивную обувь, изделия для фитнеса, стоматологические и костные имплантаты.
Композитные материалы также находят применение в производстве беспилотных летательных аппаратов, лыж, сноубордов и зубных имплантатов, а также в строительстве зданий, мостов и других инфраструктурных объектов. Они используются в сетках для укрепления откосов и грунта в дорожном строительстве. Срок службы композитов, как правило, достаточно серьезен и может варьироваться от 30 до 50 лет. На сегодняшний день активно проводятся исследования по созданию новых биоразлагаемых материалов, что потенциально позволит разрабатывать, например, имплантаты на основе композитов, которые будут разлагаться параллельно с ростом здоровой ткани, а также производить ранозаживляющие повязки и системы для доставки лекарств с помощью композитных материалов, — подчеркивает заместитель генерального директора компании ИТЕКМА (производитель и разработчик композиционных материалов, участвующая в НТИ) Вадим Микрин.
Однако, несмотря на их преимущества, изделия из композитов сегодня стоят довольно дорого. Это связано с тем, что часто процесс их производства осуществляется вручную, без возможности автоматизации, а также с длительными циклами отверждения и высокой ценой самих материалов. Тем не менее, благодаря прогрессу в этой сфере и технологиям, затраты на изделия из композитов будут медленно, но верно сокращаться.
Превосходство и рост
В России на сегодня существует более десяти компаний, занимающихся производством новых материалов, по информации, представленной руководителем Центра компетенций НТИ по новым функциональным материалам на базе Новосибирского государственного университета, Антоном Рязанцевым. Важно отметить, что отечественные разработки в данной области зачастую превосходят западные аналоги по качественным характеристикам, в частности по огнестойкости.
Антон Рязанцев:
Компетенции в этой области были закладываемы еще в Советском Союзе и теперь служат отличной основой для развития отрасли. Также положительное влияние оказывает программа импортозамещения.
Как отметил Владимир Нелюб, в 2022 году рынок новых материалов в России составил порядка $3-4 миллиардов, что составляет примерно 4% от мирового объема.
Владимир Нелюб:
Согласно различным прогнозам, в 2022 году рынок композитов достигнет около $100 миллиардов с ежегодным ростом в 6-7%. По разным оценкам, в России этот рынок составляет примерно 3-4% от мирового. К 2040 году, с учетом текущих темпов роста, объем мирового рынка может вырасти до $350 миллиардов в год, несмотря на существующие экономические вызовы.
Чем композитные материалы отличаются от композиционных
Между понятиями «композитные» и «композиционные» материалы нет четкой границы. Композит формируется искусственно путём объединения нескольких компонентов. При этом матрица и наполнитель могут обладать совершенно противоположными свойствами, однако всегда можно четко проследить границу между ними.
В состав композита встраиваются вещества таким образом, чтобы каждый элемент конструкции исполнял свою заданную функцию.
Ярким примером композита можно считать железобетон, где симбиоз хрупкого бетона и упругих стальных арматур приводит к созданию надежного и прочного монолита.
К наиболее известным композитам относят древесностружечные и древесноволокнистые плиты, а также древесно-полимерные композиты.
Интересно: Одним из первых примеров композита можно считать высушенный на солнце кирпич из глины, армированный соломой.
Композиционный материал создается путем интеграции упрочняющего наполнителя в матрицу. При этом исходные компоненты могут не иметь четко выраженных границ и располагаться резонно хаотично.
Свойства последних зависят от состава, процентного соотношения и прочности связей между компонентами.
Примеры композиционных товаров: резина, триплекс, карбон, керамика и металлические сплавы.
Важно: Следует понимать, что композит может быть классифицирован как композиционный материал, но называть композиционный материал композитом с точки зрения корректности — некорректно.
Свойства композиционных материалов
Вариируя составные элементы, производители способны создавать изделия с заданными характеристиками, среди которых можно выделить:
- экологическая безопасность;
- прочность при изгибе, сжатии и растяжении;
- устойчивость к механическим и вибрационным нагрузкам;
- упругость, жесткость и удельный вес;
- износостойкость и электропроводимость;
- теплоизоляционные и звукоизоляционные качества;
- устойчивость к химическим, биологическим и коррозионным воздействиям.
Комбинированием различных веществ получают товары, свойства которых значительно отличаются от исходных компонентов.
Интересные композиты прошлого и настоящего
Чтобы легче понять эффективность композитных материалов, лучше всего рассмотреть конкретные примеры, и порадует то, что их история насчитывает множество фактов, начиная с древних времен и до настоящего дня. К удивлению, многие композиты стали настолько привычными для нас, что мы даже не воспринимаем их как такие.
Древние египтяне добавляли в глиняные кирпичи солому, чтобы повысить их прочность и предотвратить разрушение, что можно считать первыми композитными материалами в истории. Как аналог, они также улучшали волокна папируса, вводя в состав асфальт для усиления.
В 18 веке французский ученый Рене Антуан Реомюр открыл стекловолокно, а затем, в 19 веке, британец Луи Шваб усовершенствовал его, создав станок для производства стекловолокна.
С начала 20 века началась стремительная эволюция в сфере композитов, что значительно изменило как промышленность, так и композитное направление. Были изобретены фенольные смолы, которые затем начали армировать льняными волокнами. В 1913 году появился первый композитный материал, который мы сегодня можем назвать удачным образцом.
В 1930 году был создан полиэстер, в 1938 году – эпоксидная смола. Затем были разработаны усиливающие стекловолокна, а также композитные компоненты для авиации. Эти новшества пришлись на 1943 год, в период Второй мировой войны, и первыми самолетами, окаймленными композитами, стали британский истребитель «Спитфайр» и американский «BT-15».
В 1954 году Уильям Стаут продемонстрировал полностью композитный кузов автомобиля, созданный из полиэфира и стекловолокна. Четыре года спустя появились углеродные волокна, которые позднее стали одним из наиболее популярных наполнителей для композитов. В этом направлении начали активно работать не только британцы и американцы, но и японцы, и вскоре композитное производство охватило практически весь мир. Принципы микромеханики, теория ламинирования и взаимодействие с промышленными организациями стали способствовать выраженному прогрессу в этой области.
С 1970-х годов композиты начали активно применяться в военно-промышленном комплексе, в производстве спортивного оборудования, а затем и в строительстве пассажирских самолетов. Начиная с 2000-х, композитные материалы начали использоваться при проектировании транспортных средств, колес, мостов и прочих крупных инфраструктурных объектов. В последующее десятилетие началась активная работа над использованием 3D-печати в процессе производства композитов.
В настоящее время сложно представить мир без композитных материалов, так как они ежедневно окружают нас. Перспективы этого направления выглядят многообещающе, поскольку идея о создании более прочного, стойкого и долговечного материала путем объединения множества разных компонентов, выглядит не только гениально, но и достаточно просто в реализации.
Тенденции использования композитов в разных отраслях
Производство композитных материалов активно развивается, и новые технологии становятся основой для их совершенствования. Основные цели разработчиков включают в себя расширение применения этих материалов за счет улучшения их характеристик.
Механические качества
С помощью современных комбинированных волокон и новых связывающих составов удается достигать более высоких параметров прочности, износостойкости и жесткости, что позволяет использовать их в самых сложных условиях.
Вес композитов
Снижение плотности при сохранении прочности композитов позволит получать легкие конструкции, что особенно актуально для авиационного и автомобильного секторов.
Термостойкость и устойчивость к открытому пламени
Благодаря использованию специально подобранных негорючих материалов возможно расширение ассортимента изделий, которые могут без последствий переносить высокую температуру и использоваться в экстремальных условиях.
Топ-5 лучших статей
Как рассчитать количество материалов для шумоизоляции квартиры
Итак, если вы решили заняться шумоизоляцией в своем доме, важно понять, сколько это будет стоить. Зная площадь комнаты, можно с высокой точностью вычислить необходимое количество материалов, а затем оценить и бюджет. Рассмотрим базовые принципы расчета на примере стандартной комнаты.
Как звукоизолировать студию звукозаписи
Уровень звукового давления в студиях звукозаписи нередко переходит за допустимые пределы, включая репетиции, записи, сведение и озвучивание. Все это создает значительные неудобства для соседей, когда звук проходит через стены, пол или потолок.
Что стоит знать о индексе звукоизоляции при шумоизоляции
Системы звукоизоляции состоят из звукоизолирующих и шумопоглощающих материалов, которые функционируют различным образом. Для определения эффективности конструкции звукозащиты существуют общепринятые показатели, такие как индекс звукоизоляции и коэффициент шумопоглощения.
Что такое бутиловая лента
Бутиловая лента представляет собой современный герметизирующий материал, востребованный как в частном, так и в коммерческом строительстве.
Сколько стоит шумоизоляция спальни 12 м2/детской 15 м2/кабинета 8 м2?
Праздничные вечеринки, громкие разговоры и смех могут быть приятны, но рано или поздно возникает желание насладиться тишиной в вашем собственном пространстве.
Звукоизоляция домашнего кабинета мастера маникюра
Мастера маникюра все чаще оформляют свои рабочие зоны на дому, поэтому вопрос акустики становится очень актуальным. Работа на дому предоставляет значительные преимущества, такие как гибкий график, отсутствие расходов на аренду, а также отсутствие необходимости тратить время и деньги на поездки.
Игровая комната в кафе: как создать комфортную атмосферу для гостей
Посетители кафе, часто приходят с маленькими детьми, поэтому создание детской игровой комнаты может существенно повысить привлекательность заведения. Это позволит родителям комфортно проводить время, пока дети находят себе интересные занятия.
Шумоизоляция серверной: создание оптимальных условий для стабильной работы оборудования
Современные серверные комплексы часто становятся источником значительного шума. Даже один небольшой серверный шкаф в комнате с рабочими сотрудниками может отрицательно влиять на их продуктивность и внимание.
