Что такое композитные материалы: состав, свойства и применение

Композитные материалы (композиты) - это искусственно созданные материалы, состоящие из двух или более компонентов с чёткой границей раздела между ними. Эти материалы представляют собой объёмное сочетание компонентов с чётко выраженной границей раздела, где каждый компонент сохраняет свою индивидуальность.

Любой композит имеет две главные составляющие: матрицу (связующее) и армирующий элемент (наполнитель). Матрица формирует непрерывную основу материала, скрепляет компоненты, задает форму изделию и перераспределяет нагрузку между армирующими элементами. Армирующий элемент, в свою очередь, наделяет композит его главными рабочими качествами.

Матрица оберегает армирующие элементы и сохраняет целостность конструкции, а армирование отвечает за выдающиеся механические свойства материала. Подобный союз дает возможность создавать материалы, превосходящие по соотношению прочности к весу и жесткости многие привычные металлы.

Состав композитных материалов

В структуре любого композитного материала обычно выделяют непрерывную фазу или матрицу и дисперсные фазы (одну и более). Возможен вариант, при котором в материале содержится несколько матриц и несколько дисперсных фаз в каждой.

Матрица - это связующее вещество, которое пропитывает все слои композита и превращает их в готовую монолитную деталь. В судостроении, например, используется 3 типа смолы:

• Эпоксидная смола - самая прочная и дорогая. Она не содержит ядовитого вещества - стирола, и корпус лодки из эпоксидной смолы может эксплуатироваться без ремонта до 30 лет подряд.
• Эпоксивинилэфирная смола - это соединение на основе эпоксидной смолы, содержащее стирол, но в меньших количествах, чем полиэфирная смола. По цене и прочности это промежуточный вариант между эпоксидной и полиэфирной смолой.
• Полиэфирная смола - дешевая и наименее прочная, содержит стирол. Изделия из нее получаются тяжелее и со временем начинают впитывать воду. Полиэфирная смола более хрупкая, поэтому корпуса из нее со временем нуждаются в ремонте.

Ткань в судостроении выполняет роль армирующего вещества - с помощью нее изделию задается форма, она берет на себя нагрузку на скручивание. 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 скручиваниям и разрывам.
• Стеклоткань - стекловолокна, которые сплетены таким образом, что у ткани есть конкретное направление. Виды плетения бывают разными и от них зависит под каким углом ткань абсолютно устойчива на растяжение.
• Углеткань - то же самое, что стеклоткань, только из углеволокна. У нее тоже есть разные типы плетения и направления. Углеволокно примерно в 2 раза прочнее, чем стекловолокно, но стоит в 20 раз дороже. Готовый материал изделия из углепластика называется карбон.

Средний слой в композитных материалах нужен, чтобы добавить расстояния между несколькими армирующими слоями ткани, и тем самым повысить поверхностную плотность изделия. Чаще всего в производстве используют следующие типы наполнителя:

• ПХВ - пенополивинилхлорид. Очень легкое, но при этом достаточно прочное соединение. Эта пена не впитывает в себя смолу, а значит не набирает лишний вес.
• Coremat - состав, сделанный на основе тех же соединений, что и стекловолокно. Стоит значительно дешевле, чем ПХВ, но итоговое изделие получается тяжелее.

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.
• Полиуретановая краска - тип краски, который хорошо защищает от внешних воздействий. Краска предлагает большой выбор цветов и стоит дороже.

Классификация композитных материалов

Композиционные материалы классифицируют в зависимости от химической природы компонентов, а также размеров, формы и ориентации наполнителей.

По материалу матрицы композиционные материалы разделяют на:

• Полимерные
• Металлические
• Углеродные
• Керамические

По форме наполнителей различают:

• Дисперсно-упрочнённые
• Волокнистые
• Слоистые композиционные материалы

По виду используемого наполнителя композиты можно разделить на несколько больших групп:

• Стеклопластики: основаны на полимере и волокнах стекла.
• Углепластики: в качестве наполнителя используются соединения углерода.
• Углеграфиты (дважды углепластики): углерод используется в том числе в составе матрицы.
• Органопластики: используются органические вещества, которые могут составлять от 2 до 70 % от массы состава.
• Боропластики: в качестве наполнителя используются борные волокна, полимерная основа обычно представляет собой реактопласт.
• Текстолиты: композитные материалы на основе пластика и ткани.
• Дисперсно-наполненные полимеры: используются порошки, причем очень разнообразные.

В таблице ниже приведены основные типы композитных материалов с примерами их применения:

Тип композита	Матрица	Наполнитель	Применение
Стеклопластик	Полимерная смола (эпоксидная, полиэфирная)	Стеклянные волокна	Судостроение, автомобилестроение, спортивное оборудование
Углепластик	Полимерная смола (эпоксидная)	Углеродные волокна	Авиация, космонавтика, автомобилестроение, спортивное оборудование
Органопластик	Термопластичные или термореактивные полимеры	Органические волокна (арамидные, полиэтиленовые)	Бронежилеты, спортивное оборудование, автомобилестроение
Боропластик	Полимерная смола (эпоксидная)	Борные волокна	Авиация, космонавтика
Металлокомпозит	Алюминий, магний, титан	Керамические волокна, карбид кремния	Авиация, космонавтика, автомобилестроение

Свойства композитных материалов

Композиционные материалы характеризуются свойствами, которыми не обладает ни один из компонентов в отдельности. Главная сила композитов - их необычное сочетание легкости и прочности. По удельному показателю прочности (прочности на единицу веса) они часто превосходят традиционные металлы. Ключевые свойства композитных материалов:

• Высокая прочность и жесткость: Композитные материалы обладают выдающейся прочностью и жесткостью при небольшом собственном весе.
• Низкая плотность: Композиты, как правило, легче металлов.
• Устойчивость к коррозии и агрессивным средам: Многие композитные материалы имеют высокую стойкость к коррозии, химическим агентам и влажности.
• Дизайн и формовка: Композиты с легкостью могут принимать различные геометрические формы и иметь разнообразные поверхностные текстуры.
• Малое температурное расширение: 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.
• Химико-биологическая стойкость: Высокая стойкость ко внешним воздействиям характерна для пластмасс и, соответственно, для составов на их основе.

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.

Применение композитных материалов

Многообразие армирующих наполнителей и матриц, используемых при создании композиционных материалов, позволяет получать материалы с требуемым сочетанием эксплуатационных и технологических свойств.

Композиционные материалы с комплексом присущих им специальных и функциональных свойств широко используются в различных областях техники:

• авиационной (например, при изготовлении лопастей вентиляторов для двигателей летательных аппаратов, фюзеляжа, крыльев, хвостового оперения);
• автомобильной (кузов автомобиля, детали двигателей);
• ядерной (тепловыделяющие элементы, поглощающие элементы);
• медицинской (датчики кардиографов, подшипники для бормашин);
• судостроительной (гребные винты, корпуса лодок и катеров);
• а также в производстве средств индивидуальной защиты (бронежилеты), спортивного инвентаря (лыжи, вёсла, теннисные ракетки) и др.

Стоматологические композиты используются для лечения и реставрации зубов. Реставрация зубов композитными материалами позволяет решать ряд задач, беспокоящих пациента, и на долгие годы сохранить полученный результат восстановления.

Композитные материалы продолжают развиваться, и их применение расширяется во многие сферы человеческой деятельности. Они представляют собой важный инструмент для создания более легких, прочных и эффективных конструкций, а также способствуют сохранению природных ресурсов и окружающей среды.

Производство композитных материалов: от сырья до готового изделия

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.