Двадцатый век можно назвать веком полимеров. С начала 50-х годов прошлого века начался резкий рост их производства в мире. Производство пластиков выросло с 1 млн тонн в 1950 году до 170 млн тонн в 2000 году. В настоящее время их мировое производство превышает 250-260 млн тонн/год.
Сфера применения изделий из пластиков постоянно увеличивается и они заменяют традиционные конструкционные материалы (металл, бетон, древесину). В то же время мировой проблемой становится рост неутилизированных пластиковых отходов.
В конце двадцатого века бурно начало развиваться производство композиционных материалов на основе полимеров, включающих самые различные наполнители (бумагу, древесину, стекло, углеродные нити и др.). Такие материалы обладают уникальными характеристиками по сравнению с входящими в их состав компонентами.
Наступивший 21 век можно смело назвать веком композитов. Их рост в различных областях техники превышает рост полимерных материалов второй половины двадцатого века. Причем, в качестве матрицы для их производства используются не только пластмассы, но и другие виды материалов (керамика, углерод, металлы и др.).
В настоящей статье мы рассмотрим волшебный мир композиционных материалов, не имеющий аналогов по комплексу уникальных характеристик. Самое главное-современная наука научилась варьируя состав и соотношения компонентов, создавать композиционные материалы с заранее заданными свойствами.
Содержание
Немного истории
Первым создателем композиционных материалов является сама природа. Например, древесина-это природный композит, состоящий из целлюлозных волокон, обеспечивающих высокую прочность, связанных между собой матрицей из лигнина, придающего монолитность.
Почти за 5 тысяч лет до нашей эры люди стали изготавливать композиционный материал-саманный кирпич, в котором в глину добавляли солому или ветки деревьев для увеличения прочности.
С конца девятнадцатого века широкое распространение получил железобетон, который можно рассматривать как один из первых образцов армированной керамики.
Определение композиционных материалов
Композиционные материалы-это материал из двух или более компонентов с выраженной границей раздела. Они состоят из матрицы (связующего вещества) и равномерно распределенных в ней упрочняющих или армирующих наполнителей.
Матрица придает материалу требуемую форму и монолитность. Наполнители вводятся для повышения прочности и жесткости, а также модификации эксплуатационных характеристик изделий (теплофизических, электрофизических и др.). Композиты характеризуются уникальными свойствами, которыми не обладают входящие в них компоненты в отдельности.
Виды композиционных материалов
Композиционные материалы (композиты) могут отличаться видом матрицы и структурой и типом наполнителей. Матрица (связующее) композитов может быть:
- полимерной;
- углеродной;
- металлической;
- керамической и др.
Наибольшее распространение получили композиты с полимерной матрицей. Они могут использовать практически любые наполнители:
- бумагу-геттинакс, папье-маше;
- ткань-текстолит;
- стекловолокно-стеклопластики;
- углеродные волокна-углепластики;
- минеральные наполнители (щебень, песок и др.)-полимербетоны;
- дерево-древесно-полимерный композит (дпк).
Последний содержит 30-50% полимерного связующего на основе термопластичных полимеров (полиэтилена, полипропилена, полистирола и др.) и 45-65% древесного наполнителя (древесная мука, опилки, стружки). Оставшиеся 5% составляют красители, антипирены, пластификаторы и др. Для изготовления древесно-полимерного композита могут использоваться отходы (как древесины, так и пластиков).
Ни дерево, ни пластик не обладают такими характеристиками, как созданный на их основе композиционный материал. Он отличается:
- устойчивостью к атмосферным воздействиям, влаге, ультрафиолетовому излучению;
- высокой износостойкостью;
- простотой монтажа и обработки.
Обрезки, образующиеся в процессе обработки и монтажа дпк можно повторно перерабатывать в готовые изделия.
По структуре наполнителей композиционные материалы делятся на:
- волокнистые;
- упрочненные частицами;
- дисперсно-упрочненные;
- нанокомпозиты.
Содержание наполнителя в ориентированных материалах составляет 60-80%, в неориентированных (с дискретными волокнами)-20-30%. Чем выше прочность волокон, тем выше прочность и жесткость композиционных материалов.
Можно укладывать волокна под различными углами, изменяя свойства композитов. Наибольшее применение имеет структура из трех взаимно перпендикулярных нитей, обеспечивающих наибольшую прочность материалов.
Композиты, упрочненные частицами, содержат наполнители с размерами частиц более нескольких микрон. В дисперсно-упрочненных композитах до 15% частиц имеют размеры 0,1-0,01 мкм. В отличии от волокнистых композиционных материалов в дисперсно-упрочненных матрица является основным элементом, несущим нагрузку, а дисперсные частицы тормозят развитие дефектов.
Наиболее эффективно применение нанодисперсных наполнителей с размерами частиц менее 100 нм. Добавление всего нескольких процентов наночастиц может кардинально изменить свойства полимерной матрицы. Они придают желаемые форму, химические и термические свойства. Например, добавление 0,5% углеродных нанотрубок в эпоксидную матрицу увеличивает ее теплопроводность более, чем на 80%.
Области применения композиционных материалов
Области применения композиционных материалов очень многочисленны и постоянно расширяются. Это обеспечивают их неоспоримые достоинства:
- низкая плотность;
- высокие физико-механические характеристики. По прочности не уступают стали, но в разы легче;
- отличные диэлектрические свойства (хорошие электроизоляторы);
- высокая коррозионная стойкость, устойчивость к атмосферным и химическим воздействиям.
В качестве основных областей применения композитов можно выделить следующие отрасли:
- авиастроение;
- космическая техника;
- транспортное машиностроение;
- энергетическая промышленность;
- строительство;
- медицина;
- производство товаров народного потребления
Авиастроение
В современных самолетов доля композитов превышает 50% от всех используемых материалов. Они используются для высоконагруженных деталей (обшивка, лонжероны, панели и др.), двигателей (лопатки компрессоров и турбин), лопастей винтов вертолетов.
Космическая техника
В космической технике в основном находят применение углепластики-композиционные материалы на основе углеродных волокон. Высокая энергия связи С-С углеродных волокон позволяет им обеспечивать прочность при очень высоких температурах (до 2200 град. С).
Углеродные волокна получают из полимерных волокон, подвергнутых высокотемпературному пиролизу в восстановительной или инертной среде. При температуре 800-1500 град. С образуются карбонизированные волокна, а при 2500-3000 град. С получаются графитовые волокна.
Для получения композитов с углеродной матрицей углеродные волокна помещают в печь, в которую подают метан. При температуре 1100 град. С метан разлагается и образующийся углерод осаждается на углеродные волокна, связывая их в прочную матрицу. Полученный материал отличается высокими механическими характеристиками и стойкостью к термическому удару.
С технологией производства композитов на основе углеродных волокон можно познакомиться на следующем видео:
Транспортное машиностроение
Применение композиционных материалов обеспечило революцию в транспортном машиностроении за счет увеличения мощности двигателей и уменьшении массы машин, железнодорожных составов или судов различных типов. Дополнительным преимуществом является высокая коррозионная стойкость композитов.
Энергетическая промышленность
Отличные электроизоляционные свойства конструкционных материалов делают их незаменимыми в энергетической промышленности. Их использование позволило в разы снизить массу оборудования и приборов.
Наибольшее применение композиты получили в атомной промышленности. В качестве примера можно привести газовые центрифуги для обогащения урана. В этой области наша страна является мировым лидером.
Эти центрифуги изготавливают из углепластиков. Высокая теплопроводность углеродных волокон предотвращает разогрев материала за счет трения. Дополнительным преимуществом углепластика является его высокая химическая стойкость.
Строительство
В промышленном и гражданском строительстве используется основная масса композиционных материалов. Они применяются в качестве конструкционных материалов, заменяют железо при армировании бетонов, используются в качестве теплозащитных и кровельных материалов, а также применяются при строительстве мостов и высотных конструкций.
Медицина
В медицине композиционные материалы широко используются в стоматологии для изготовления зубных пломб. Пластиковая матрица обеспечивает форму, а наполнитель из стеклянных частиц увеличивает износостойкость.
Импланты на основе углепластиков, имеющих хорошую совместимость с биологическими тканями, широко используются при проведении операций.
Товары народного потребления
Постоянно расширяется применение композитов при изготовлении товаров народного потребления. Они используются:
- в производстве изделий санитарно-технического назначения ( бассейны, трубы, емкости различного назначения и др,);
- в бытовой технике и инструментах;
- при изготовлении спортивного инвентаря, лодок, катеров, гребных винтов, удочек и многих других изделий.
Заключение
Современная наука позволяет за счет варьирования видов компонентов композиционных материалов, их соотношений и дисперсности создавать материалы с заранее заданными свойствами. Лидером в этом направлении является российская корпорация «Росатом».
Она создала научно-исследовательские подразделения, которые проводят эксперименты по созданию композитов с требуемым комплексом эксплуатационных свойств. Найденные успешные решения сразу внедряются в производство на серийных заводах производства композиционных материалов корпорации «Росатом».
