Что такое композитные материалы: определение, состав, свойства и применение

Развитие различных отраслей производства и химической промышленности всегда было взаимосвязано. Открытие и создание новых синтетических материалов стимулировало их применение в разных сферах промышленности. Композитные материалы представляют собой сочетание двух или более различных материалов, объединенных для получения уникальных свойств, которые превосходят характеристики каждого из компонентов по отдельности. В последние десятилетия композитные материалы заняли значительное место в различных отраслях промышленности благодаря своим прочностным характеристикам, легкости и устойчивости к воздействию агрессивных сред.

В данной статье мы подробно рассмотрим основные виды композитных материалов, применяемых в различных отраслях, их свойства и преимущества, а также наиболее успешные примеры использования композитов.

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. С развитием новых технологий ученые всего мира трудятся над созданием материалов с заданными свойствами. Путем композиции различных веществ, сочетания составов и соотношения компонентов производятся изделия, вобравшие в себе лучшие качества исходного сырья.

Композиционные материалы обладают комплексом характеристик, которые невозможно получить в однородных материалах. Они обладают требуемыми показаниями упругости, прочности, жаростойкости, электропроводимости и прочими специальными качествами.

Основные компоненты композитных материалов:

1. Матрица (связующее): Формирует непрерывную основу всего материала, скрепляет компоненты, задает форму изделию и перераспределяет нагрузку между армирующими элементами. Матрица, будь она из полимера, металла, керамики или бетона, формирует непрерывную основу всего материала. Она защищает наполнитель от внешних воздействий, обеспечивает передачу нагрузок и определяет технологические свойства материала.
2. Армирующий элемент (наполнитель): Наделяет композит его главными рабочими качествами, представлен обычно волокнами (стеклянными, углеродными, базальтовыми) или частицами. В отличие от этого, армирующий элемент, представленный обычно волокнами (стеклянными, углеродными, базальтовыми) или частицами, наделяет композит его главными рабочими качествами.

Композиты используют высокопрочные волокна с низкой плотностью, такие как углеродные или стеклянные, которые воспринимают основные нагрузки. Матрица только распределяет напряжения между волокнами, не требуя высокой собственной прочности.

Благодаря оригинальному составу и характеристикам изделия из композитных материалов могут принимать разную форму, они имеют небольшой удельный вес, а по прочности не уступают стали. Армирующий компонент может быть выполнен в виде волокон, лент, жгутов. Наиболее распространенный вариант - волокна из стекла или углерода.

В сплаве компоненты растворяются друг в друге на атомном уровне, образуя однородную структуру. В отличие от сплавов, где компоненты растворяются друг в друге на атомном уровне, в композитах каждый элемент сохраняет свою структуру и свойства. Это позволяет создавать материалы с заданными параметрами для конкретных задач.

Рассмотрим, что такое композитные материалы. Композит создается искусственно, путем сочетания нескольких компонентов. Матрица и наполнитель могут иметь диаметрально противоположные свойства, но всегда имеют четкую границу. Вещества моделируется таким образом, чтобы каждый элемент конструкции выполнял определенные функции. Примером композита можно считать железобетон, где симбиоз хрупкого бетона с упругими стальными арматурными стержнями дает надежный, прочный монолит.

Типы композитных материалов

Композиционные материалы классифицируются по нескольким признакам: типу матрицы, виду наполнителя, структуре армирования и назначению. По способу расположения армирующих элементов выделяют волокнистые, слоистые и дисперсно-упрочненные композиты.

• Волокнистые композиты. Усиление - волокна (непрерывные или короткие: стекло, углерод, базальт, кевлар, бор). Это самый распространенный и эффективный тип для создания легких и высокопрочных конструкций. Волокнистые материалы армированы непрерывными или короткими волокнами, ориентированными в одном или нескольких направлениях. Слоистые композиты, наполнителями которых служат отдельные волокна или кристаллы вольфрама, карбида кремния, молибдена, нитрида алюминия.
• Слоистые композиты. Состоят из чередующихся слоев разных материалов (например, слои пластика с металлической фольгой, слои ткани с разной ориентацией нитей - ортогональные, уголковые).
• Дисперсно-упрочненные композиты. Армирование - мелкие, равномерно распределенные частицы (керамика, металл) размером обычно до 0.1 мкм. Изделия, в составе которых используются мелкофракционные частицы наполнителя размером 0,01 - 0,1 мкм, равномерно распределенные в матрице.
• Нанокомпозиты. Твердые, гибкие вещества с наполнителем из углеродных или кремниевых нанотрубок размером до 100 нм.
• 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).

В зависимости от используемых компонентов, композиты различаются по видам. К наиболее известным композитам можно отнести древесностружечные и древесноволокнистые плиты, древесно-полимерный композит.

Полимерные композиты (ПКМ)

Основу здесь составляет пластик - эпоксидные смолы, полиэфиры или термопласты. Их укрепляют волокнами (стеклянными, углеродными, базальтовыми, арамидными) или частицами. Полимерные композиты составляют наиболее обширную группу композиционных материалов. В качестве матрицы используются термореактивные смолы или термопластичные полимеры.

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.

По типу матрицы полимерные композиты делятся на две группы:

• 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).

Примером полимерного композита можно назвать ДПК (древесно-полимерный композит). ДПК расшифровывается: древесно-полимерный композит. Наполнителем служат измельченные древесные отходы фракцией 0,5-5 мм. В качестве связующего применяют полистирол, полиэтилен, полипропилен и прочие термопласты. Производят изделия преимущественно методом экструзии.

В экструдерах измельченная полимерная масса смешивается с древесным наполнителем и модифицирующими добавками, и плавится до пластичного состояния. Формуются изделия путем продавливания расплава под давлением через формующую головку (фильеру) нужного профиля. Конечный продукт ДПК - это доски, рейки, брус и пр. К востребованным на строительном рынке изделиям из ДПК относится террасная доска. Современный материал экологически безопасен. Характеризуется высоким уровнем шумо- и теплоизоляции, стойкостью к поражению микроорганизмами.

Что такое древесно-полимерный композит (ДПК) и где он применяется?

Металлические композиты (МКМ)

Матрица - металл (алюминий, титан, магний). Армируются керамическими волокнами (карбид кремния, оксид алюминия), частицами или кристаллами для повышения прочности и термостойкости. Металлические композиты созданы на основе металлической матрицы, армированной волокнами, частицами или проволокой. Они сочетают пластичность и теплопроводность металлов с высокой прочностью и жаростойкостью армирующих элементов.

Алюминиевые сплавы, армированные борными или углеродными волокнами, работают при температурах до пятисот градусов Цельсия вместо стандартных трехсот градусов. Такие материалы применяются в авиационных двигателях, космических конструкциях и спортивном оборудовании. Никелевые сплавы, упрочненные дисперсными частицами оксида тория или оксида иттрия размером в доли микрометра, сохраняют прочность при температурах выше тысячи градусов Цельсия. Дополнительное легирование гафнием, цирконием и другими элементами улучшает адгезию защитного оксидного слоя. Такие материалы используются в лопатках газовых турбин и высокотемпературных узлах реактивных двигателей.

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.

Другие виды полимерных композитов

• Стеклопластики: Это довольно дешевые материалы с хорошими, удобными в применении свойствами, основанные на полимере и волокнах стекла. Наполнителем композита - стеклянные волокна неорганического расплавленного стекла. Связующими компонентами выступают синтетические смолы. Производство стеклопластика берет начало в годы Второй мировой войны. Материал сочетает прозрачность и химическую инертность стекла с гибкостью и легкостью пластика. Стеклопластики устойчивы к коррозии, обладают низкой теплопроводностью и хорошими диэлектрическими свойствами. Содержание армирующих нитей в стеклопластике - до 80 % от общей массы.
• 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. Углеродные армирующие волокна, полученные из природных и синтетических волокон целлюлозы, отходов перегонки нефти, древесного или каменноугольного дегтя. Углепластик отличается термостойкостью, низкой плотностью, малым весом, практически нулевым коэффициентом линейного расширения. Материал в несколько раз прочнее стали.
• 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. Матрица может быть термопластичной либо термореактивной. 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. Используется для изготовления ответственных деталей, эксплуатируемых при длительных нагрузках, в условиях агрессивных сред.
• 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. Свойства текстолита зависят от состава и пропорций исходного сырья. Слоистый пластик на тканевой основе производится методом прессования. Применяется в электротехнике, электроэнергетике, прочих сферах, где важны электроизоляционные свойства.

Полимерные композиты также могут быть дисперсно-наполненными - в них используются не волокна и нити, а порошки, причем очень разнообразные. 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.

Преимущества композитных материалов

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.

Композиционные материалы обладают рядом существенных преимуществ перед традиционными конструкционными материалами:

• высочайшая прочность и долговечность;
• коррозионная стойкость;
• технологичность и гибкость;
• экологичность и безопасность;
• низкая теплопроводность полимерных композитов обеспечивает естественную теплоизоляцию;
• химическая, биологическая, коррозионная устойчивость;
• малое температурное расширение;

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.

Возможность проектирования материала и конструкции одновременно позволяет оптимизировать свойства для конкретной задачи. Композиты демонстрируют отличную коррозионную стойкость и не требуют защитных покрытий.

Недостатки композитных материалов

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.

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.

Ремонтопригодность зависит от типа композита и характера повреждения. Современные композиты с термореактивной матрицей сложно восстанавливать после значительных повреждений. Термопластичные композиты поддаются ремонту путем нагрева и переформования.

Характеристика	Композитные материалы	Традиционные материалы
Прочность	Высокая	Различная
Долговечность	Высокая	Различная
Коррозионная стойкость	Высокая	Низкая
Технологичность	Высокая	Различная
Цена	Высокая	Различная

Таблица: Сравнение характеристик композитных и традиционных материалов

Применение композитных материалов

Свойства композитных материалов обуславливают сферу их применения. Например, устойчивость к коррозии, воздействию влаги и агрессивных сред, температурным колебаниям, механическая прочность, возможность окрашивать и покрывать пленкой, а также долговечность. Благодаря разработке новой технологии стал возможен массовый выпуск элементов сложной формы из композитного материала с требуемой точностью параметров. Поэтому детали из стеклопластика получили широкое распространение во многих отраслях народного хозяйства.

Композиционные материалы находят применение во множестве отраслей благодаря уникальному сочетанию свойств. Готовые композитные изделия безопасны при правильной эксплуатации. Проблемы возникают при производстве из-за токсичности некоторых смол и пыли при обработке. Разрабатываются биоразлагаемые композиты на основе натуральных волокон и биополимеров, снижающие экологическое воздействие.

Композиционные материалы становятся все более востребованными в современном строительстве. Основу композита составляет матрица - связующее вещество, например полимер. Полимерно-волокнистые композиты на основе стекловолокна, базальтоволокна, углеродного волокна. Композитная арматура для железобетонных конструкций. Благодаря уникальному сочетанию прочности, легкости, долговечности и низкой стоимости композиты находят все более широкое применение в современном строительстве.

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.

Основные области применения композитных материалов:

• Авиационно-космическая техника: обшивка фюзеляжа, крылья, хвостовое оперение, лопасти винтов, корпуса ракет, баки для топлива, элементы космических станций.
• Автомобильная промышленность: кузовные панели, бамперы, интерьерные детали, приводные валы.
• Судостроение: корпуса лодок, катеров, яхт.
• Строительная отрасль: несущие конструкции, фасадные панели, кровельные материалы, оконные профили, композитная арматура для армирования бетона.
• Медицина: протезирование, имплантология, стоматология (светоотверждаемые композиты для пломбирования зубов и эстетической реставрации, биосовместимые композиты для искусственных суставов, костных имплантов, элементов сердечно-сосудистых протезов).
• Спортивный инвентарь: ракетки для тенниса и бадминтона, клюшки для хоккея и гольфа, лыжи, сноуборды, велосипедные рамы.
• сельское хозяйство - емкости для отходов, минеральных удобрений, заготовок, детали и кузова сельскохозяйственной техники, конструкции животноводческих ферм.
• Композитные материалы идут на изготовление малых архитектурных форм, мебели, рекламных конструкций, спортивного инвентаря.

Применение композитных материалов в строительстве:

• Возведение несущих строительных конструкций: балки, колонны, фермы и другие несущие элементы зданий.
• Усиление и восстановление строительных конструкций.
• Армирование бетонных конструкций: композитная арматура эффективно заменяет стальную в изделиях из бетона - фундаментах, перекрытиях, колоннах.
• Возведение мостов, эстакад, путепроводов.

Одним из наиболее инновационных направлений применения композитов в строительной отрасли является технология 3D-печати конструкций. С помощью 3D-печати уже возводятся целые жилые комплексы, офисные и промышленные здания в различных странах мира.

Композитную арматуру с успехом используют при возведении высотных зданий, мостов, причалов и других ответственных инфраструктурных объектов по всему миру.

Применение композитной арматуры в строительстве

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.

Отказ от ответственности: Данная статья носит исключительно информационный и образовательный характер. Информация представлена для общего ознакомления с композиционными материалами и не является профессиональной технической консультацией. Автор не несет ответственности за любые решения, принятые на основе информации из данной статьи.