Что такое композиционные материалы: состав, свойства и применение

Композиционные материалы, или композиты, представляют собой материалы, состоящие из двух или более различных по химическому составу компонентов с чётко выраженной границей раздела. 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.

Состав композиционных материалов

Композиты состоят из матрицы (связующего) и равномерно распределённых в ней упрочнителей и/или армирующих наполнителей.

• Матрица придаёт изделию из композиционного материала заданную форму и монолитность. Свойства матрицы определяют эксплуатационные характеристики (рабочую температуру, плотность, удельную прочность, сопротивление усталостному разрушению и воздействию окружающей среды) и технологические режимы получения композиционных материалов.
• Армирующие наполнители вводят в композиционные материалы с целью увеличения прочности, жёсткости и пластичности, а также изменения электрофизических, теплофизических характеристик в различных направлениях или отдельных местах изделия.

Композиционные материалы характеризуются свойствами, которыми не обладает ни один из компонентов в отдельности.

Классификация композиционных 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

Для армирования композиционных материалов применяются:

• для дисперсно-упрочнённых - мелкодисперсные порошки и наночастицы (металлические, стеклянные, углеродные и др.);
• для волокнистых - непрерывные и дискретные волокна (стеклянные, углеродные, борные, металлические, органические), нитевидные кристаллы (нитрида и оксида алюминия, оксида бериллия, карбида бора, нитрида кремния);
• для слоистых - ленточные, тканевые, сеточные (состоящие из любых видов волокон и их сочетаний) и др.

Армирующий наполнитель в структуре композиционных материалов может располагаться хаотически или быть ориентированным. Ориентированные армирующие наполнители различают на однонаправленные и перекрёстно-армированные (двумерно- и пространственно-армированные).

Композиционные материалы могут быть изо- и анизотропными; иногда в зоне армирующих наполнителей наблюдается анизотропия свойств композиционных материалов, которые в целом изотропны.

Наибольшее применение в технике получили композиционные материалы, армированные высокопрочными и высокомодульными непрерывными волокнами:

• полимерные композиционные материалы на основе термореактивных (эпоксидных, полиэфирных, феноло-формальдегидных, полиимидных и др.) и термопластичных связующих, армированные стеклянными (стеклопластики), углеродными (углепластики), органическими (органопластики), борными (боропластики) и другими волокнами;
• металлические композиционные материалы на основе сплавов алюминия (Al), магния (Mg), меди (Cu), титана (Ti), никеля (Ni), армированные борными, углеродными или карбидкремниевыми волокнами, а также стальной, молибденовой или вольфрамовой проволокой;
• композиционные материалы на основе углерода, армированного углеродными волокнами (углерод-углеродные материалы);
• композиционные материалы на основе керамики, армированные углеродными, карбидкремниевыми и другими жаростойкими волокнами.

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

Одним из направлений регулирования свойств является также создание гибридных композиционных материалов, содержащих более трёх компонентов - полиматричных и полиармированных. Например, локальное упрочнение материалов при чередовании слоёв волокнистого композиционного материала со слоями фольги из металла или стекла позволяет регулировать степень анизотропии свойств такого композиционного материала, улучшать его характеристики в зонах соединения.

Одно из важнейших достоинств композиционных материалов - возможность создания элементов изделий с заранее заданными свойствами, наиболее полно отвечающими характеру и условиям работы деталей и конструкций.

Применение композиционных материалов

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.

Рассмотрим подробнее применение композиционных материалов в некоторых областях.

Стоматология

Стоматологическими композитами называют полимерные многофазные составы различной степени вязкости, которые применяют для лечения и реставрации зубов. В состав композитов входят неорганический наполнитель (около 50%), органическая матрица, гидрид кремния (по-другому называемый силан, который выполняет функцию связующего компонента между наполнителем и матрицей).

Матрица представляет собой основу композита, его фундамент, на котором размещаются все остальные компоненты композита. Современная стоматология обладает широким ассортиментом материалов, которые постоянно обновляются и совершенствуются, типов и форм композитов становится все больше и многообразнее.

Классификация композитов учитывает размеры фракции наполнителя, степень наполнения, химический состав, консистенцию, состав частиц, назначение, способ отверждения. Ормокеры - это органически модифицированная керамика, является новым типом стоматологических составов, которые появились в результате усовершенствования и модификации традиционных матриц.

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 на Профсоюзной. 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. Современные композитные материалы позволяют на долгие годы забыть о зубных дефектах и обрести красивую, белоснежную улыбку.

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 - этот сложность работы с композитами, которая требует высокой квалификации стоматолога. Даже незначительная оплошность в работе может привести к образованию микротрещин и щелей в пломбе.

Авиастроение

Композиционные материалы заменяют металл при изготовлении разных изделий для авиации, судостроения, медицины и превосходят его по ряду характеристик.

Например, из композиционных материалов выполнены крылья и агрегаты механизации отечественного магистрального самолета МС-21.

Композиты - это материалы, состоящие минимум из двух компонентов с разными свойствами. Наиболее популярные из них - полимерные. Они включают в себя армирующий наполнитель (стеклянное или углеродное волокно с определенным плетением и технологией производства) и связующее вещество - например, полиэфирную или эпоксидную смолу.

«За счет самовосстанавливаемости и стойкости к высоким температурам (некоторые могут выдерживать эксплуатацию при температуре 200-250°С) применение композитов возможно во всех отраслях тяжелой промышленности. Композиционные материалы отлично справятся с поставленными задачами как в космосе, так и в судостроении, и в авиации», - рассказал директор Центра компетенций Национальной технологической инициативы (НТИ) «Цифровое материаловедение: новые материалы и вещества» МГТУ имени Н.Э.

Другие отрасли

«Из композитов создаются беспилотники, лыжи, сноуборды и зубные имплантаты, конструкции зданий, мостов и других инженерных сооружений, сетки для укрепления откосов и грунта в дорожном строительстве. Срок службы композитов достаточно большой и может достигать 30-50 лет.

Сейчас в мире ведутся работы по созданию новых биоразлагаемых материалов, что позволит в перспективе производить, например, имплантаты с применением композитов, которые будут разлагаться по мере роста здоровой ткани.

По его словам, изделия из композитов сегодня недешевые. Причина этому - ручное производство, часто без возможности автоматизации процесса, длительный цикл отверждения изделий и высокая стоимость самих материалов.

Сегодня в России больше десятка компаний-производителей новых материалов, рассказал руководитель Центра компетенций НТИ по новым функциональным материалам на базе Новосибирского государственного университета Антон Рязанцев.

«Еще в Советском союзе в этой сфере были наработаны хорошие компетенции, которые сегодня служат базой для отрасли.

«По разным прогнозам рынок композитов в 2022 году составит около $100 млрд, с ростом 6-7% в год. По оценкам разных экспертов сегодня рынок в России - около 3-4% от мирового.

«Самое главное, что нужно отрасли для развития - потребность заказчиков в высокотехнологичных изделиях и развитая экономика, чтобы за них заплатить. Если развиваются авиационная и космическая индустрии, будет потребность и в композитах, и в новых разработках.

«Также необходимо ввести, говоря простым языком, цифровые паспорта для композиционных материалов, которые позволят ускорить производство изделий из них, заранее предугадывать их будущие свойства.

Для развития отрасли необходимо снять и регуляторные барьеры. Например, в ряде областей промышленности для изготовления определенных изделий по государственному стандарту нельзя использовать никакой другой материал, кроме металла.

«И не важно, что данное правило было установлено 40 лет назад, и что сегодня есть более подходящий материал для изготовления этого изделия.

Полимерные композиционные материалы

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.

Свойства полимерных композиционных материалов

• 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.

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. Добавки распределяются по матрице и смешиваются с пластмассой, но не растворяются в ней: между веществами проходит четкая граница, которая называется межфазным слоем.

Классификация полимерных композитов

По типу матрицы:

• Реактопласты: пластмассы, которые отверждаются под воздействием высоких температур и образуют прочный монолит с необратимой структурой (например, эпоксидные смолы).
• Термопласты: полимеры, твердые при комнатной температуре, но способные плавиться под воздействием тепла (например, полиэтилен, полипропилен).

По типу наполнителя:

• Армированные: с листовыми или волокнистыми добавками.
• Дисперсно-наполненные: с порошкообразными добавками.

Производство композиционных материалов

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

• Стеклопластики: основаны на полимере и волокнах стекла, обладают хорошими свойствами и относительно дешевы.
• Углепластики: в качестве наполнителя используются соединения углерода, обладают высокой прочностью и жесткостью.
• Углеграфиты: подвид углепластиков, где углерод используется в том числе в составе матрицы, обладают экстремальной прочностью и устойчивостью к агрессивным средам.
• Органопластики: используются органические вещества в качестве наполнителя, отличаются низкой плотностью и хорошей растяжимостью.
• Боропластики: используются борные волокна, крайне дорогостоящие материалы, применяются в авиастроении и космической отрасли.
• Текстолиты: на основе пластика и ткани, широко используются в различных сферах.
• Дисперсно-наполненные полимеры: используются порошки (мел, песок, глина, керамика и т.д.), применяются при создании строительных и отделочных материалов.

В заключение, композиционные материалы представляют собой широкий класс материалов с разнообразными свойствами и областями применения. Их уникальные характеристики делают их незаменимыми во многих отраслях промышленности.

Основные типы композиционных материалов и их применение

Тип материала	Матрица	Наполнитель	Применение
Стеклопластики	Полимер	Стеклянные волокна	Автомобилестроение, судостроение, строительство
Углепластики	Полимер	Углеродные волокна	Авиастроение, космическая отрасль, спортивное оборудование
Боропластики	Полимер	Борные волокна	Авиастроение, космическая отрасль
Органопластики	Полимер	Органические волокна	Машиностроение, авиастроение, судостроение
Текстолиты	Полимер	Тканевые волокна	Электротехника, машиностроение