Композитные материалы в быту: от древности до современности

Применение композитов во многих отраслях промышленности растет с каждым годом. Композиционные (композитные) материалы, или композиты, состоят как минимум из двух несмешивающихся компонентов, обладающих разными физическими или химическими свойствами. При объединении в микро- или макроскопические комбинации эти компоненты работают синергетически, образуя новый материал с характеристиками и свойствами, отличными от свойств исходных составляющих.

Большинство композитов являются синтетическими материалами, но они встречаются и в природе. Например, композитом является древесина, состоящая из длинных волокон целлюлозы, которые скреплены лигнином. Применение композитов часто позиционируется как важный фактор инноваций и даже революционных изменений в современной промышленности, и мы привыкли считать использование композиционных материалов характеристикой современных высокотехнологичных отраслей, таких как аэрокосмическая.

Однако композиты окружают нас и в быту - от напольных покрытий и стеклопакетов до зубных пломб и спортинвентаря. Хрестоматийный пример первого применения композитов - кирпичи из смеси глины и соломы, которые египтяне использовали для строительства домов еще 4 тыс. лет назад.

Состав и свойства композитных материалов

Композитные материалы обычно состоят из двух компонентов: матрицы и наполнителя (волокна или частиц). Матрица обеспечивает передачу и распределение напряжения в наполнителе и монолитность композита, определяет термо-, влаго-, огне- и химическую стойкость готового материала. Армирующие наполнители в виде коротких или длинных волокон, нитей и жгутов, тканей или частиц различной формы (чаще сферических) воспринимают основную долю нагрузки и обеспечивают физико-механические характеристики композита, в частности высокую прочность.

В качестве наполнителя используются высокопрочные стеклянные, углеродные, арамидные, базальтовые и другие материалы. Они могут быть и органическими, в том числе природными: лен, конопля, бамбук. Изделия из композитов производятся с использованием различных процессов и технологий, таких как трансферное формование (пропитывание матричным материалом слоев наполнителя, помещенных в закрытую форму), инфузия (пропитывание связующим составом в вакууме), пултрузия (протягивание волокна через нагретую форму с одновременной пропиткой).

Композиты обладают исключительным соотношением прочности и веса, превосходя по этому показателю сталь и алюминий. При этом композиты обладают исключительной долговечностью и устойчивостью, способностью противостоять самым суровым условиям окружающей среды, включая значительные перепады температуры, а также коррозии и химическим воздействиям (в том числе концентрированных кислот и щелочей), что делает срок их службы значительно более долгим, чем у традиционных материалов.

Композитные материалы могут выдерживать длительные нагрузки или повторяющиеся циклы нагрузок без значительного ухудшения качества. Это свойство делает их очень востребованными в тех областях применения, где важна стабильная и долговечная производительность. Композиты часто обладают повышенными характеристиками безопасности, особенно в тех случаях, когда ударопрочность, износостойкость и повышенная термостойкость (то есть пожаробезопасность) имеют решающее значение.

Таким образом композитные материалы демонстрируют впечатляющие специфические технические свойства, которые могут быть адаптированы к самым разнообразным и строгим требованиям современной промышленности.

Преимущества и недостатки композитных материалов

Применение композитов в различных сферах

Современные технологии позволяют применять композитные материалы в разных сферах деятельности человека. Наука не стоит на месте, идет создание новых видов этого материала В его основе лежат два или более компонента, которые сильно отличаются как химическими, так и физическими свойствами. При их соединении получается новый, уникальный материал, с разными свойствами, которые зависят от его составляющих. Наиболее известными являются пластики, армированные разными видами волокон (длинноволокнистые и коротковолокнистые).

Композитный материал прочно вошел в нашу жизнь. Многие отрасли производства трудно себе представить без этого материала. Кроме того, ученые работают над созданием новых видов материала. Причины его популярности разные:

• небольшой вес;
• прочный;
• не поддается коррозии;
• легко обрабатывается;
• долговечный;
• невысокая себестоимость;
• возможность повторной переработки.

Разный состав матрицы и вяжущего вещества, дает возможность разнообразить и материал, использовать его в разных сферах деятельности. Материал вдохновляет дизайнеров создавать креативные изделия, которые украшают наш быт, используется в машиностроении, космонавтике. Благодаря прочности, легкости, антикоррозийным качествам его используют для строительства водного транспорта - лодок, яхт, кораблей.

Материал принимает любую форму, что позволяет создавать любые детали, комплектующие строительства необычных конструкций. Материал широко используется в архитектурном дизайне. Элементы декора из стеклопластика украшают интерьер. Из него делают различные композиции в садово-парковых инсталляциях, в декоре фасадов зданий.

Сегодня строительство не обходится без изделий из стекловолокна. Это пруток для обустройства фундамента. Сетка для укрепления стен, плиты перекрытий. Мебель для кафе, столовых, офисных помещений. Для строительства детских площадок и развлекательных центров, используют этот легкий, прочный и красочный материал. Большая цветовая гамма и стойкие краски, расширяют сферу использования стекловолокна. Отделка внутренних помещений панелями из стекловолокна, очень популярна. На них можно нанести любой узор, разнообразную фактуру и цвет. Особенно модными стали 3Д панели.

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. Именно благодаря ему вкладыш получается таким прочным и устойчивым к внешним воздействиям.

Первые композитные материалы люди начали использовать более 5 тысяч лет назад. Около 2 тысяч лет назад древние римляне стали использовать вещество, изготовленное из известняка и вулканического пепла. Получившийся в результате такой комбинации бетон придавал сооружениям устойчивость и не допускал деформации конструкций.

С тех пор технический прогресс значительно ускорился, люди придумали гораздо более совершенные композиты, которые находят применение в самых разных отраслях промышленности и помогают значительно улучшить бытовые условия. Армирующий компонент может быть выполнен в виде волокон, лент, жгутов. Наиболее распространенный вариант - волокна из стекла или углерода.

Стеклопластик

В его составе - спрессованные стеклянные нити и полимерные смолы. В результате объединения двух компонентов получается материал, обладающий гибкостью пластика и твердостью стекла. 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.

Углепластик

Такой вид композитов состоит из полимерных смол и углеродных волокон. Очень прочный: этот показатель у многих разновидностей углепластика часто превышает аналогичный для стали! Где в бытовых условиях можно встретить углепластики?

Акриловый камень

В его состав входят синтетические смолы, гидроксид алюминия, минеральные компоненты и пигменты. 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.

Древесно-полимерные композиты

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.

Металлические композиты

В таких композитах матрицей выступает металл (алюминий, медь, никель), а наполнителем - волокна высокой прочности или тугоплавкие частицы (бориды, карбиды). Композиты с металлической матрицей характеризуются жесткостью, устойчивостью к окислению и износу. При этом изделия из них весят меньше цельнометаллических аналогов. Хотя такие материалы наиболее востребованы в авиационной и аэрокосмической отраслях, применение им находят и в более привычных бытовых условиях.

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.

Полимерные композиты: разнообразие и применение

Полимерными композитами называют многокомпонентные материалы на основе разных видов пластмасс. Пластмассы служат в таких материалах матрицей, то есть средой, основным связующим компонентом, который скрепляет между собой остальные. Другие материалы в составе полимерного композита - это обычно разнообразные армирующие или декоративные составы, которые придают композиту определенные свойства. При прочих равных полимерные композиционные материалы могут иметь более оптимальные физико-химические параметры и более низкую цену, чем традиционные составы.

Их свойства можно регулировать на этапе создания композита: параметры зависят от наполнения, армирующих добавок и полимерных смол, которые использовались в процессе. В результате сейчас вариантов композитов множество - каждый для своих задач. Они прочные, долговечные, объединяют в себе достоинства пластмасс и других материалов, которые использовались в процессе создания.

Сложно говорить о каких-то единых признаках: композиты могут различаться показателями тепло- и электропроводимости, жаро- и влагостойкости, прочности и плотности, жесткостью и другими параметрами.

Основные свойства полимерных композитов

• 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.

Классификация полимерных композитов

Композитный материал - по определению многокомпонентный, то есть состоит из двух и более веществ. В полимерном композите в качестве матрицы используется какая-либо пластмасса. Она может быть эластичной, жесткой или мягкой, относиться к классу реактопластов или термопластов - это частично определяет конечные свойства состава. К пластмассе примешиваются различные органические или неорганические добавки, или наполнители, которые изменяют ее свойства. В качестве таких добавок могут выступать металлы, стекло и песок, углеводороды и керамика, даже ткани или другие пластмассы - спектр полимерных композиционных материалов очень обширен. Наполнители могут составлять до 98 % объема общего состава, но при этом связующей матрицей по-прежнему остается пластмасса.

По типу матрицы:

Выше мы говорили, что полимерная матрица может состоять из реактопластов и термопластов. Первый тип - пластмассы, которые отверждаются под воздействием высоких температур и образуют прочный монолит с необратимой структурой. Это, например, эпоксидные смолы. Второй тип - полимеры, твердые при комнатной температуре, но способные плавиться под воздействием тепла. Это полиэтилен, полипропилен и множество других составов, которые активно используются в промышленности. Свойства матрицы частично определяют, как итоговый материал будет реагировать на температуры и какие физические свойства он проявит. Также от типа матрицы зависит, каким способом будет производиться литье материала и какое соотношение веществ использовать.

По типу наполнителя:

Мы писали, что наполнителей может быть множество, и на самом деле полимерные композиты разделяют на несколько больших групп в зависимости от того, что за вещество используется в качестве добавки. Более общая же классификация говорит, что композитный материал может быть армированным или дисперсно-наполненным. Армирующие добавки бывают листовыми и волокнистыми - это, соответственно, листы (иногда пленки) и волокна определенных материалов. Дисперсные добавки представлены порошкообразными массами. Размер частиц имеет значение: от него напрямую зависят свойства итогового материала.

По виду используемого наполнителя:

• Стеклопластики. Это довольно дешевые материалы с хорошими, удобными в применении свойствами, основанные на полимере и волокнах стекла. Стекловолокно служит наполнителем и может составлять до 80 % от состава. Получается материал, который одновременно обладает преимуществами стекла, такими как химическая инертность и прочность, но лишен его недостатков - излишней хрупкости и тяжести. Стеклопластики легкие, их сложнее разбить, они могут быть прозрачными.
• Углепластики. В качестве наполнителя в таких составах используются соединения углерода: от углеводородов до целлюлозы. Углеродные добавки могут быть представлены в виде нитей, листов или волокон. Исходное вещество проходит через три этапа подготовки: окисление, карбонизацию и графитизацию, - в результате чего из него выпариваются все побочные соединения. В конечном составе - до 99,5 % углерода. Этот углерод смешивают с пластиком и получают прочное, жесткое вещество черного цвета, по ряду характеристик превосходящее металл. Углепластики способны выдерживать большие нагрузки, проводят электричество, но при своих уникальных показателях прочности остаются очень легкими - это делает их ценным компонентом для снижения веса конструкции. Углепластики могут использоваться в строительстве, судо-, авиа- и машиностроении, а также при производстве бытовой и медицинской техники.
• Углеграфиты (дважды углепластики). Это еще более сложный в производстве подвид углепластиков, где углерод используется в том числе в составе матрицы. Зато и результирующий композит оказывается крайне прочным и способен долгое время оставаться сохранным в очень агрессивных средах. Он выдерживает температуры до 3 000°.
• Органопластики. В производстве этого вида полимерных композитов используются органические вещества, которые могут составлять от 2 до 70 % от массы состава. Чаще это синтетическая органика, реже - природная. Как правило, они представлены нитями и волокнами, но также могут быть листами. Матрица может быть термопластичной либо термореактивной. Диапазон возможных материалов довольно широк, но в целом они отличаются более низкой плотностью, чем углепластики, легким весом и хорошей растяжимостью. Применяются они в машиностроении, авиа- и судостроении, а также в некоторых специализированных сферах.
• Боропластики. В качестве наполнителя таких композитов используются борные волокна, полимерная основа обычно представляет собой реактопласт. Иногда нити из бора переплетают со стекловолокном. Это крайне дорогостоящие материалы, так как борный наполнитель сложно получать, - нити дорого стоят. Однако благодаря их высокой твердости композитный материал оказывается прочным, устойчивым к механическим воздействиям на сжатие и существенно превосходящим многие другие композиты. Применяются боропластики обычно в авиастроении и космической отрасли: из них выполняют детали, которые подвергаются серьезным механическим нагрузкам.
• Текстолиты. Изначально текстолиты представляли собой композитные материалы на основе пластика и ткани, сейчас это куда более разнообразная группа составов. В основе по-прежнему лежит полимерная матрица, а в качестве наполнителя используется полотно из нитей: это могут быть хлопчатобумажные, углеродные, базальтовые или асбестовые, стеклянные волокна. Поэтому различаются и свойства, и сфера применения текстолитов: от покрытий для столешниц до печатных плат.
• Дисперсно-наполненные полимеры. Выше мы рассказывали о дисперсно-наполненных композитных материалах - в них используются не волокна и нити, а порошки, причем очень разнообразные. У этих композитов своя классификация: их более 10 тысяч, различающихся свойствами и применением. В качестве наполнителя используют мел, песок, глину и тальк, керамику и стеклянные шарики, сажу, ореховую скорлупу и десятки других составов. В результате образуются пластичные составы, которые могут использоваться при создании строительных и отделочных материалов, сантехники, трубопроводов, а также в качестве наполнителя. Обычно это твердые составы, более прочные, чем классический пластик, в некоторых случаях - с хорошими декоративными свойствами.

Композиционные материалы получили широкое применение благодаря своим особым свойствам и отличным эксплуатационным характеристикам. На основе композитов разработано большое количество материалов и конструкций, которые широко применяются как в тяжелой, так и в легкой промышленности.

Преимущества и недостатки композитных материалов

Композиционные материалы обладают рядом существенных преимуществ перед традиционными конструкционными материалами. Возможность проектирования материала и конструкции одновременно позволяет оптимизировать свойства для конкретной задачи. Композиты демонстрируют отличную коррозионную стойкость и не требуют защитных покрытий. Низкая теплопроводность полимерных композитов обеспечивает естественную теплоизоляцию.

Главным недостатком композитов является высокая стоимость производства, связанная со сложными технологическими процессами и дорогим сырьем. Некоторые композиты, особенно ранних поколений, способны впитывать влагу, что требует дополнительной защиты. Низкая ремонтопригодность композитных изделий создает проблемы при эксплуатации. Многие композиты не подлежат восстановлению после повреждений и требуют полной замены.

Развитие композитных материалов

Основные направления развития включают создание нанокомпозитов с уникальными свойствами, биокомпозитов из возобновляемого сырья, самовосстанавливающихся материалов. Совершенствуются технологии автоматизированного производства, снижающие стоимость композитов.

Композиционные материалы представляют собой технологический прорыв, объединяющий лучшие свойства различных веществ в единую структуру. Снижение веса конструкций при сохранении прочности, коррозионная стойкость, возможность формования сложных форм делают композиты незаменимыми в авиации, автомобилестроении, строительстве.

Будущее принадлежит умным композитам, способным адаптироваться к условиям эксплуатации, самовосстанавливаться после повреждений, менять свойства по сигналу.