Что такое композитные материалы и где они применяются?

Композиционные материалы получили широкое применение благодаря своим особым свойствам и отличным эксплуатационным характеристикам. Спектр применения композитов в повседневном окружении современного человека настолько велик, что одно только перечисление групп потребительских товаров займет не одну страницу. На основе композитов разработано большое количество материалов и конструкций, которые широко применяются как в тяжелой, так и в легкой промышленности.

Что такое композит?

Композиты - группа материалов, состоящих из нескольких компонентов, один из которых выполняет армирующую функцию, а второй связующую. Например, железобетон - это вид композита. В этом соединении железо выполняет армирующую функцию, а бетон - связующую. Особенность композитов в том, что готовый материал обладает гораздо большей прочностью и жесткостью, чем его ингредиенты по отдельности. А значит, готовое изделие весит меньше.

Производство композитов

Если объяснять упрощенно, то композит производят следующим образом: ткань пропитывается жидкой смолой с отвердителем, высыхает и отвердевает. Самые простые композитные конструкции состоят просто из нескольких слоев ткани и смолы. Например, так строят корпуса детских парусных яхт "Оптимист". Для более сложных и больших конструкций, например, прогулочных катеров, используют композитный сэндвич. В композитном сэндвиче появляется средний слой - пена.

Основные компоненты композитных материалов

Композитный, или композиционный, материал представляет собой комбинацию нескольких компонентов, которые отличаются друг от друга определенными физическими, химическими, технологическими и механическими свойствами. В результате такого сочетания появляется материал с совершенно новыми характеристиками, которые не похожи на свойства его составляющих. Любой композит имеет две главные составляющие: матрицу (связующее) и армирующий элемент (наполнитель).

Матрица

Матрица, будь она из полимера, металла, керамики или бетона, формирует непрерывную основу всего материала. Она скрепляет компоненты, задает форму изделию и перераспределяет нагрузку между армирующими элементами. В судостроении используется 3 типа смолы:

• Эпоксидная смола - самая прочная и дорогая. За счет повышенной прочности для изготовления детали ее требуется меньше, чем полиэфирной смолы, а значит сама деталь получается легче. Не содержит ядовитого вещества - стирола. Корпус лодки из эпоксидной смолы может эксплуатироваться без ремонта до 30 лет подряд.
• Эпоксивинилэфирная - это соединение на основе эпоксидной смолы. В отличие от эпоксидной смолы оно уже содержит стирол, но в меньших количествах, чем полиэфирная смола. По цене и прочности это промежуточный вариант между эпоксидной и полиэфирной смолой.
• Полиэфирная - дешевая и наименее прочная, содержит стирол. Изделия из нее получается тяжелее и со временем начинают впитывать воду. Полиэфирная смола более хрупкая, поэтому корпуса из нее со временем нуждаются в ремонте.

Армирующий элемент

В отличие от матрицы, армирующий элемент, представленный обычно волокнами (стеклянными, углеродными, базальтовыми) или частицами, наделяет композит его главными рабочими качествами. Матрица, таким образом, оберегает армирующие элементы и сохраняет целостность конструкции. Армирование же отвечает за выдающиеся механические свойства материала.

В судостроении используется три типа ткани:

• Стекломат - рубленные спрессованные волокна стекловолокна. Стекломат максимально гибкий и подвижный, ему можно задать любую форму или изгиб. Но при этом это наименее прочный вид ткани, у него нет устойчивости к скручиванием и разрывам - если потянуть сухую ткань в разные стороны она просто расползется.
• Стеклоткань - стекловолокна, которые сплетено таким образом, что у ткани есть конкретное направление. Виды плетения бывают разными и от них зависит под каким углом ткань абсолютно устойчива на растяжение. Грамотный проект яхты учитывает особенности направления ткани и четко регламентирует какой тип плетения надо использовать на конкретных участках конструкции. Благодаря сочетанию разных типов плетения получаются максимально прочные детали, устойчивые к любым видам нагрузок.
• Углеткань - тоже самое, что стеклоткань, только из углеволокна. У нее тоже есть разные типы плетения и направления. Углеволокно примерно в 2 раза прочнее, чем стекловолокно - точное соотношение зависит от типа плетения. Но стоит в 20 раз дороже. Если упрощенно, то благодаря повышенной прочности на одну и ту же деталь углеволокна уходит в 2 раза меньше, чем стекловолокна. В результате деталь из углеволокна получается примерно в 2 раза легче. Готовый материал изделия из углепластика называется карбон.

Средний слой

Средний слой нужен, чтобы добавить расстояния между несколькими армирующими слоями ткани, и тем самым повысить поверхностную плотность изделия. Поэтому, чтобы соблюсти баланс между весом, поверхностной прочностью и устойчивостью к скручиванию, используют принцип сэндвича и прокладывают армирующие слои легким наполнителем.

Чаще всего в производстве используют следующие типы наполнителя:

• ПХВ - пенополивинилхлорид. Очень легкое, но при этом достаточно прочное соединение. В цифрах плотность этого материала - от 80 до 120 кг на 1 кубический метр. Еще один важный фактор - эта пена не впитывает в себя смолу, а значит не набирает лишний вес. Если нужен максимально легкий и быстрый корпус, лучше использовать ПХВ.
• Coremat - состав, сделанный на основе тех же соединений, что и стекловолокно. Стоит значительно дешевле, чем ПХВ, но итоговое изделие получается тяжелее. По своему принципу он похож на стекломат, но весит меньше и впитывает меньше смолы. Поэтому если сравнивать, что лучше - просто накатать больше ткани или использовать coremat, выгоднее выбрать coremat.

Поверхностный слой

Поверхностный слой - внешний слой корпуса, который дает цвет и защищает от поверхностных повреждений. Обычно его делают из гелькоута или полиуретановой краски.

• Гелькоут - соединение по составу очень похожее на смолу, оно тоже может быть на полиэфирной, эпоксидной или эпоксивинилэфирной основе. Если упрощенно, это густая смола с конкретным цветом. Гелькоут достаточно устойчив к поверхностным воздействиям. Закладывается в матрицу, как один из слоев монолитного корпуса.
• Полиуретановая краска - тип краски, который хорошо защищает от внешних воздействий. Краска предлагает большой выбор цветов и стоит дороже.

Преимущества композитных материалов

Подобный союз дает возможность создавать материалы, превосходящие по соотношению прочности к весу и жесткости многие привычные металлы. Эти материалы хорошо сопротивляются усталости и коррозии, а также открывают инженерам широкие возможности для точной настройки характеристик под конкретные нужды и производства изделий сложной формы. Главная сила композитов - их необычное сочетание легкости и прочности. По удельному показателю прочности (прочности на единицу веса) они часто превосходят традиционные металлы, такие как сталь или алюминий. Еще одно важное качество - возможность точно "настраивать" свойства под конкретную задачу. Инженеры могут управлять характеристиками материала, выбирая тип матрицы и армирующего наполнителя, а также задавая ориентацию волокон в нужных направлениях.

Композиты отличаются высокой стойкостью к усталости - они хорошо переносят многократные циклы нагружения и разгрузки, не теряя своих качеств. Термические свойства композитов сильно зависят от их состава. Керамические и углерод-углеродные композиты способны работать при экстремально высоких температурах (вплоть до тысяч градусов), сохраняя форму и прочность.

Какие характеристики композита делают его настолько востребованным? Изначально современные, высокотехнологичные композиты разрабатывали, чтобы применять в военных целях. Но прошло совсем немного времени - и материалы вошли в сферу широкого потребления и прочно укрепились в ней.

Какие характеристики полимерных композитов делают их востребованными:

• Прочность. Благодаря использованию полимеров и особым химическим связям внутри веществ полимерные композиционные материалы довольно прочные по сравнению с традиционными пластмассами. Они могут не уступать прочностью натуральному камню, керамике или металлу.
• Низкий вес. При высокой прочности композиты имеют меньший вес, чем альтернативные материалы. Причина этого - опять же использование полимеров, которые, как правило, довольно легкие.
• Малое температурное расширение. Показатель температурного расширения - того, насколько активно материал расширяется под воздействием тепла, - различается для разных видов композитов. Но в среднем этот показатель ниже, чем у металлов, пластмасс и других составов.
• Низкая теплопроводность. Композиты на основе полимеров плохо проводят тепло, а значит, имеют хорошие теплоизоляционные свойства.
• Варьируемая электропроводность. Полимерные композиты в зависимости от состава могут быть как диэлектриками, так и проводниками. Некоторые из них, например, текстолиты, используют в качестве основ для электронных схем и плат, другие применяются в электротехнике как проводящие материалы.
• Химико-биологическая стойкость. Высокая стойкость ко внешним воздействиям характерна для пластмасс и, соответственно, для составов на их основе.

Композитные материалы с каждым днем все активнее используются как в производстве и строительстве, так и в бытовых условиях. Изделия на их основе получаются долговечными и надежными, обладают небольшим весом - если сравнивать с металлическими аналогами.

Виды композитных материалов

Композит - это материал, сделанный из двух или более разных веществ. Они классифицируются по типу матрицы и армирующего элемента:

• Полимерные композиты (ПКМ): Основу здесь составляет пластик - эпоксидные смолы, полиэфиры или термопласты. Их укрепляют волокнами (стеклянными, углеродными, базальтовыми, арамидными) или частицами.
• Металлические композиты (МКМ): Матрица - металл (алюминий, титан, магний). Армируются керамическими волокнами (карбид кремния, оксид алюминия), частицами или кристаллами для повышения прочности и термостойкости.
• Керамические композиты (ККМ): Связующее - керамика (оксиды, карбиды, нитриды). Армируются керамическими волокнами (карбид кремния, углерод) или частицами для борьбы с хрупкостью.
• Углерод-углеродные композиты (УУКМ): И матрица, и армирование - углерод (графит). Обладают уникальной термостойкостью (свыше 2000°C) и прочностью при нагреве.

По типу армирования:

• Волокнистые композиты: Усиление - волокна (непрерывные или короткие: стекло, углерод, базальт, кевлар, бор). Это самый распространенный и эффективный тип для создания легких и высокопрочных конструкций.
• Дисперсно-упрочненные композиты: Армирование - мелкие, равномерно распределенные частицы (керамика, металл) размером обычно до 0.1 мкм.
• Композиты с наполнителем: Содержат крупные частицы или хлопья (тальк, мел, древесная мука, сажа) для удешевления материала или придания специфических свойств (например, повышения жесткости, электропроводности, уменьшения усадки пластика).
• Композиты с непрерывным армированием: Волокна идут по всей длине/площади материала.
• Композиты с прерывным (коротким) армированием: Усиление - короткие волокна (рубленые), частицы или хлопья, хаотично ориентированные в матрице.
• Слоистые композиты: Состоят из чередующихся слоев разных материалов (например, слои пластика с металлической фольгой, слои ткани с разной ориентацией нитей - ортогональные, уголковые).

Применение композитных материалов

Сегодня композиты активно используют в строительной отрасли, дизайне помещений, химической промышленности, при изготовлении автомобилей, судов, авиационных объектов и в других отраслях. В бытовых условиях мы часто сталкиваемся с предметами, даже не подозревая, что они изготовлены из композитных материалов.

Рассмотрим несколько примеров применения композитных материалов в различных отраслях:

Автомобилестроение

Как правило, в автомобилестроении используются композиты из базальтовых волокон и углеволокна. Композитные материалы в тюнинге применяются повсеместно и, в известном смысле, определяют развитие этой творческой отрасли.

Судостроение

Применение композитных материалов позволяет эффективно решать основные задачи отрасли - например, проблему защиты судов от коррозии и агрессивных внешних воздействий. В судостроении важно сделать корпус максимально легким - чем он легче, тем более мореходная, быстрая и экономичная получается лодка. Композит, который используют в судостроении, называется стеклопластиком или углепластиком. Базово он состоит из стеклоткани или углеткани и смолы.

Авиастроение и ракетостроение

Большинство из композитных полимеров выигрывают сравнение с традиционными для ракетостроения титановыми и алюминиевыми сплавами.

Нефтяная промышленность

Широкое распространение в нефтяной промышленности получили углеродосодержащие композиты, поскольку они обладают повышенными функциональными и эксплуатационными свойствами.

Спорт

Применение композитов в спорте позволяет не только совершенствовать инвентарь и улучшать характеристики экипировки, но является, по существу, основным способом «поднятия планки» для возможностей и рекордов человека.

Железнодорожная сфера

Внедрение композиционных материалов в железнодорожную сферу происходит во все возрастающих масштабах.

Бытовые условия

Именно из стеклопластика изготавливают вкладыши в композитные купели. Чаша купели получается максимально прочной, устойчивой к появлению трещин. Вкладыш выдерживает нагревание до 60 °С и при этом не выделяет вредных веществ. Стеклопластик также используют при строительстве и оформлении жилых зданий: для создания дверных профилей, рам стеклопакетов, кровельных покрытий, навесов, панелей для возведения стен. Из-за гибкости и сравнительно небольшого веса такие изделия легко монтировать.

Акриловый камень активно используют в строительстве и дизайне, создавая элементы для оформления помещений и наружной отделки. Материал высоко ценят за такие качества, как прочность, устойчивость к влажности, отсутствие пористости. Пигменты позволяют получить материалы широкой цветовой гаммы, что существенно увеличивает возможности их применения. Изделия из акрилового камня легко впишутся в интерьер любого пространства. Они не требуют особого ухода - достаточно очистки обычными моющими средствами. Выполненные из такого камня предметы интерьера не боятся ударов и трещин.

Композитные материалы с полимерной матрицей также широко применяют при изготовлении бытовой техники. Эти материалы включают древесную стружку и пластиковый компонент. Дерево может измельчаться вплоть до состояния пыли, после чего его смешивают с полимером, размягченным методом плавления. Получившаяся в результате древесная доска служит основой для производства мебели, создания особо прочного покрытия на веранде или террасе.

Если при создании композитного материала с древесиной в составе используют не синтетический пластик, а натуральные смолы, в результате такой комбинации получают МДФ. Древесный компонент максимально измельчают, пропитывают смолами и спрессовывают в печи.

Стоматология

Стоматологическими композитами называют полимерные многофазные составы различной степени вязкости, которые применяют для лечения и реставрации зубов. Современная стоматология обладает широким ассортиментом материалов, которые постоянно обновляются и совершенствуются, типов и форм композитов становится все больше и многообразнее.

Реставрацией зубов называется полное восстановление зубных тканей композитными материалами, с учетом эстетической составляющей зубов и зубных рядов. При этом, осуществляется лечение текущих проблем, являющих источником разрушения. Особое внимание уделяется требованиям пациента к реставрационному материалу в многослойной технике. Реставрация зубов включает реконструкцию зубов: изменение ориентации коронки зуба в пространстве. Реставрация зубов является не только созданием красивого внешнего вида зуба, но еще и восстановление анатомических и функциональных свойств. С помощью реставрации зубов композитными материалами возможно решать ряд задач, беспокоящих пациента.

Современные композитные материалы отвечают самым последним технологическим требованиям, позволяя на долгие годы сохранить полученный результат восстановления. Реставрация композитами осуществляется прямым способом в стоматологии. Прямая реставрация отличается быстрым методом восстановления разрушенного или поврежденного зуба, при котором возможно решить проблему за один визит к стоматологу. Реставрационные манипуляции с помощью композита дают хороший результат, улыбка пациента преображается, выглядит красивой и эстетичной. Подобные эффекты достигаются благодаря использованию новых современных композитных материалов, обладающих широкой цветовой палитрой оттенков, что позволяет избежать эффекта искусственных зубов. Все материалы, используемые при реставрации зубов, отличаются своей прочностью и длительным сроком эксплуатации.

Стоит отметить, что композитный материал для стоматологических манипуляции, помимо широко перечня плюсов обладает рядом недостатков, которые нельзя не учитывать, выбирая тип реставрации. К недостаткам композитов относят, к примеру, плохое сочетание материала с множеством стоматологических средств, при котором композит утрачивает свои технические свойства и форму. Еще один нюанс, требующий внимание - это сложность работы с композитами, которая требует высокой квалификации стоматолога. Даже незначительная оплошность в работе может привести к образованию микротрещин и щелей в пломбе.

Таблица: Сравнение различных видов композитных материалов

Тип композита	Матрица	Армирующий элемент	Основные свойства	Применение
Стеклопластик	Полимер	Стекловолокно	Легкость, прочность, устойчивость к коррозии	Судостроение, строительство, бытовые изделия
Углепластик	Полимер	Углеродное волокно	Высокая прочность, жесткость, малый вес	Авиастроение, автомобилестроение, спорт
Керамический композит	Керамика	Керамические волокна или частицы	Термостойкость, износостойкость	Авиастроение, космическая отрасль
Металлический композит	Металл	Керамические волокна или частицы	Прочность, термостойкость, устойчивость к окислению	Авиастроение, машиностроение

Несмотря на преимущества, работа с композитами имеет особенности. Их производство часто требует сложных и дорогих технологий (например, автоклавное формование), а ремонт повреждений может быть нетривиальной задачей. Стоимость высокотехнологичных композитов, таких как углепластик, также остается существенной.

С каждым днем композиционные материалы находят все большее применение - как в производстве технически сложной продукции, так и при создании изделий, которыми мы пользуемся в быту. Надежность, долговечность и экологичность обеспечивают разным видам композитов высокую востребованность.

Производство изделий из композитных материалов