Композиционные материалы (композиты) - OXFORDST.RU

Композиционные материалы (композиты)

Полимерные композиционные материалы : основные типы

Пт, 25 Июль 2008 | Тема: Сырье

Композиционные материалы (композиты) – многокомпонентные материалы, состоящие, как правило, из пластичной основы (матрицы), армированной наполнителями, обладающими высокой прочностью, жесткостью и т.д. Сочетание разнородных веществ приводит к созданию нового материала, свойства которого количественно и качественно отличаются от свойств каждого из его составляющих. Варьируя состав матрицы и наполнителя, их соотношение, ориентацию наполнителя, получают широкий спектр материалов с требуемым набором свойств. Многие композиты превосходят традиционные материалы и сплавы по своим механическим свойствам и в то же время они легче. Использование композитов обычно позволяет уменьшить массу конструкции при сохранении или улучшении ее механических характеристик.

Компонентами композитов являются самые разнообразные материалы – металлы, керамика, стекла, пластмассы, углерод и т.п. Известны многокомпонентные композиционные материалы – полиматричные, когда в одном материале сочетают несколько матриц, или гибридные, включающие в себя разные наполнители. Наполнитель определяет прочность, жесткость и деформируемость материала, а матрица обеспечивает монолитность материала, передачу напряжения в наполнителе и стойкость к различным внешним воздействиям.

Полимерные композиционные материалы

Композиты, в которых матрицей служит полимерный материал, являются одним из самых многочисленных и разнообразных видов материалов. Их применение в различных областях дает значительный экономический эффект. Например, использование ПКМ при производстве космической и авиационной техники позволяет сэкономить от 5 до 30% веса летательного аппарата. А снижение веса, например, искусственного спутника на околоземной орбите на 1 кг приводит к экономии 1000 долларов. В качестве наполнителей ПКМ используется множество различных веществ.

Стеклопластики

Полимерные композиционные материалы, армированные стеклянными волокнами, которые формуют из расплавленного неорганического стекла. В качестве матрицы чаще всего применяют как термореактивные синтетические смолы (фенольные, эпоксидные, полиэфирные и т.д.), так и термопластичные полимеры (полиамиды, полиэтилен, полистирол и т.д.). Эти материалы обладают достаточно высокой прочностью, низкой теплопроводностью, высокими электроизоляционными свойствами, кроме того, они прозрачны для радиоволн. Использование стеклопластиков началось в конце Второй мировой войны для изготовления антенных обтекателей – куполообразных конструкций, в которых размещается антенна локатора. В первых армированных стеклопластиках количество волокон было небольшим, волокно вводилось, главным образом, чтобы нейтрализовать грубые дефекты хрупкой матрицы. Однако со временем назначение матрицы изменилось – она стала служить только для склеивания прочных волокон между собой, содержание волокон во многих стеклопластиках достигает 80% по массе. Слоистый материал, в котором в качестве наполнителя применяется ткань, плетенная из стеклянных волокон, называется стеклотекстолитом. Стеклопластики – достаточно дешевые материалы, их широко используют в строительстве, судостроении, радиоэлектронике, производстве бытовых предметов, спортивного инвентаря, оконных рам для современных стеклопакетов и т.п.

Углепластики

Наполнителем в этих полимерных композитах служат углеродные волокна. Углеродные волокна получают из синтетических и природных волокон на основе целлюлозы, сополимеров акрилонитрила, нефтяных и каменноугольных пеков и т.д. Термическая обработка волокна проводится, как правило, в три этапа (окисление – 220° С, карбонизация – 1000–1500° С и графитизация – 1800–3000° С) и приводит к образованию волокон, характеризующихся высоким содержанием (до 99,5% по массе) углерода. В зависимости от режима обработки и исходного сырья полученное углеволокно имеет различную структуру. Для изготовления углепластиков используются те же матрицы, что и для стеклопластиков – чаще всего – термореактивные и термопластичные полимеры. Основными преимуществами углепластиков по сравнению со стеклопластиками является их низкая плотность и более высокий модуль упругости, углепластики – очень легкие и, в то же время, прочные материалы. Углеродные волокна и углепластики имеют практически нулевой коэффициент линейного расширения. Все углепластики хорошо проводят электричество, черного цвета, что несколько ограничивает области их применения. Углепластики используются в авиации, ракетостроении, машиностроении, производстве космической техники, медтехники, протезов, при изготовлении легких велосипедов и другого спортивного инвентаря.

На основе углеродных волокон и углеродной матрицы создают композиционные углеграфитовые материалы – наиболее термостойкие композиционные материалы (углеуглепластики), способные долго выдерживать в инертных или восстановительных средах температуры до 3000° С. Существует несколько способов производства подобных материалов. По одному из них углеродные волокна пропитывают фенолформальдегидной смолой, подвергая затем действию высоких температур (2000° С), при этом происходит пиролиз органических веществ и образуется углерод. Чтобы материал был менее пористым и более плотным, операцию повторяют несколько раз. Другой способ получения углеродного материала состоит в прокаливании обычного графита при высоких температурах в атмосфере метана. Мелкодисперсный углерод, образующийся при пиролизе метана, закрывает все поры в структуре графита. Плотность такого материала увеличивается по сравнению с плотностью графита в полтора раза. Из углеуглепластиков делают высокотемпературные узлы ракетной техники и скоростных самолетов, тормозные колодки и диски для скоростных самолетов и многоразовых космических кораблей, электротермическое оборудование.

Боропластики

Композиционные материалы, содержащие в качестве наполнителя борные волокна, внедренные в термореактивную полимерную матрицу, при этом волокна могут быть как в виде мононитей, так и в виде жгутов, оплетенных вспомогательной стеклянной нитью или лент, в которых борные нити переплетены с другими нитями. Благодаря большой твердости нитей, получающийся материал обладает высокими механическими свойствами (борные волокна имеют наибольшую прочность при сжатии по сравнению с волокнами из других материалов) и большой стойкостью к агрессивным условиям, но высокая хрупкость материала затрудняет их обработку и накладывает ограничения на форму изделий из боропластиков. Кроме того, стоимость борных волокон очень высока (порядка 400 $/кг) в связи с особенностями технологии их получения (бор осаждают из хлорида на вольфрамовую подложку, стоимость которой может достигать до 30% стоимости волокна). Термические свойства боропластиков определяются термостойкостью матрицы, поэтому рабочие температуры, как правило, невелики.

Применение боропластиков ограничивается высокой стоимостью производства борных волокон, поэтому они используются главным образом в авиационной и космической технике в деталях, подвергающихся длительным нагрузкам в условиях агрессивной среды.

Органопластики

Композиты, в которых наполнителями служат органические синтетические, реже – природные и искусственные волокна в виде жгутов, нитей, тканей, бумаги и т.д. В термореактивных органопластиках матрицей служат, как правило, эпоксидные, полиэфирные и фенольные смолы, а также полиимиды. Материал содержит 40–70% наполнителя. Содержание наполнителя в органопластиках на основе термопластичных полимеров – полиэтилена, ПВХ, полиуретана и т.п. – варьируется в значительно больших пределах – от 2 до 70%. Органопластики обладают низкой плотностью, они легче стекло- и углепластиков, относительно высокой прочностью при растяжении; высоким сопротивлением удару и динамическим нагрузкам, но, в то же время, низкой прочностью при сжатии и изгибе.

Важную роль в улучшении механических характеристик органопластика играет степень ориентация макромолекул наполнителя. Макромолекулы жесткоцепных полимеров, таких, как полипарафенилтерефталамид (кевлар) в основном ориентированы в направлении оси полотна и поэтому обладают высокой прочностью при растяжении вдоль волокон. Из материалов, армированных кевларом, изготавливают пулезащитные бронежилеты.

Органопластики находят широкое применение в авто-, судо-, машиностроении, авиа- и космической технике, радиоэлектронике, химическом машиностроении, производстве спортивного инвентаря и т.д.

Полимеры, наполненные порошками

Известно более 10000 марок наполненных полимеров. Наполнители используются как для снижения стоимости материала, так и для придания ему специальных свойств. Впервые наполненный полимер начал производить доктор Бейкеленд (Leo H.Baekeland, США), открывший в начале 20 в. способ синтеза фенолформфльдегидной (бакелитовой) смолы. Сама по себе эта смола – вещество хрупкое, обладающее невысокой прочностью. Бейкеленд обнаружил, что добавка волокон, в частности, древесной муки к смоле до ее затвердевания, увеличивает ее прочность. Созданный им материал – бакелит – приобрел большую популярность. Технология его приготовления проста: смесь частично отвержденного полимера и наполнителя – пресс-порошок — под давлением необратимо затвердевает в форме. Первое серийное изделие произведено по данной технологии в 1916, это – ручка переключателя скоростей автомобиля «Роллс-Ройс». Наполненные термореактивные полимеры широко используются по сей день.

Сейчас применяются разнообразные наполнители так термореактивных, так и термопластичных полимеров. Карбонат кальция и каолин (белая глина) дешевы, запасы их практически не ограничены, белый цвет дает возможность окрашивать материал.

Применяют для изготовления жестких и эластичных поливинилхлоридных материалов для производства труб, электроизоляции, облицовочных плиток и т.д., полиэфирных стеклопластиков, наполнения полиэтилена и полипропилена. Добавление талька в полипропилен существенно увеличивает модуль упругости и теплостойкость данного полимера. Сажа больше всего используется в качестве наполнителя резин, но вводится и в полиэтилен, полипропилен, полистирол и т.п. По-прежнему широко применяют органические наполнители – древесную муку, молотую скорлупу орехов, растительные и синтетические волокна. Для создания биоразлагающихся композитов в качество наполнителя используют крахмал.

Текстолиты

Слоистые пластики, армированные тканями из различных волокон. Технология получения текстолитов была разработана в 1920-х на основе фенолформальдегидной смолы. Полотна ткани пропитывали смолой, затем прессовали при повышенной температуре, получая текстолитовые пластины. Роль одного из первых применений текстолитов – покрытия для кухонных столов – трудно переоценить.

Основные принципы получения текстолитов сохранились, но сейчас из них формуют не только пластины, но и фигурные изделия. И, конечно, расширился круг исходных материалов. Связующими в текстолитах является широкий круг термореактивных и термопластичных полимеров, иногда даже применяются и неорганические связующие – на основе силикатов и фосфатов. В качестве наполнителя используются ткани из самых разнообразных волокон – хлопковых, синтетических, стеклянных, углеродных, асбестовых, базальтовых и т.д. Соответственно разнообразны свойства и применение текстолитов.

Композитная история

Произнося слово «композитный», большинство из нас представляет что-то современное и инновационное. Например, обшивку для космического корабля или новейшего самолета, в крайнем случае – композитную пломбу или коронку на зуб. Редко мы задумываемся над тем, что композиты появились несколько тысяч лет назад, уходят своими корнями в Древний Египет. Об истории развития композитных материалов в мире, их современном применении и перспективах – в нашем материале.

История и устройство: от железобетона до нанокомпозитов

Композитный материал или просто композит – это материал, состоящий из двух или более компонентов, каждый из которых обладает различными физическими и химическими свойствами. При этом в сочетании друг с другом они создают новый материал или улучшают характеристики одного из них. Сегодня многие исследователи уверены, что за этими материалами будущее и называют XXI столетие веком композитов. Удивительно, но сама идея их создания родилась задолго до нашей эры.

Читайте также  Налоговая система Индии

Композитами, по сути, можно назвать даже саманные кирпичи, которые использовались в Древнем Египте. Главными компонентами такого древнего композита выступали глина и солома. Еще один пример античного композитного материала – бетон, который придумали древние римляне. Такой композит из смеси вяжущего вещества и дробленых камней использовался при строительстве масштабных зданий той эпохи. К примеру, знаменитый Пантеон считается самым крупным зданием в мире, купол которого выполнен из неармированного бетона.

Первым же «официальным» композитным материалом стал железобетон, который появился в конце XIX века. На его примере легко объяснить принцип строения композитов. Железобетон включает в себя два компонента: металлическую сетку и бетон. Главное, что граница между ними хорошо различима. Это и есть основная характеристика любого композита – он состоит из нескольких материалов, но с четкой границей между ними. Для сравнения, другой многокомпонентный материал – сталь – не является композитом. В ней углерод внедряется в кристаллическую решетку железа, и граница исчезает. Итак, в составе композита выделяют матрицу и наполнитель. Изменяя их состав и соотношение можно получить множество видов новых материалов с различными свойствами.

По структуре композиты делятся на несколько основных классов: волокнистые, дисперсно-упрочненные, упрочненные частицами и нанокомпозиты. Как следует из названия, волокнистые композиты армированы волокнами или нитевидными кристаллами. Самыми простыми и наглядными примерами могут послужить кирпичи с соломой и папье-маше.

Остальные три вида композиционных материалов объединяет тот факт, что их матрицы наполнены частицами армирующего вещества, а различаются они размерами этих частиц. В композитах, упрочненных частицами, их размер больше 1 мкм, а содержание составляет 20-25% от общего объема, тогда как в дисперсно-упрочненных композитах до 15% частиц размером от 0,01 до 0,1 мкм. Нанокомпозиты являются новым поколением композиционных материалов. В их состав входят частицы совсем маленькие – размером до 100 нм.

Эра пластика: универсальность полимерной матрицы

Различные волокна или кристаллы в композитах наполняют основную матрицу. Она в свою очередь тоже может быть разной: полимерной, деревянной, керамической или на основе металла. Композиты, в которых матрицей служит полимерный материал, являются сегодня самыми распространенными.

Пластик считается одним из основных новшеств прошлого века. Этот легкий и удобный материал обладал одним недостатком – хрупкостью. Именно эту проблему технологам удалось решить, армировав пластик по аналогии с железобетоном. Так появились углепластики и стеклопластики – полимерные материалы, с которыми мы связываем само понятие «композиты».

Использование стеклопластиков, где наполнителем является расплавленное неорганическое стекло, началось в середине XX века в оборонной промышленности. Тогда из них изготавливались антенные обтекатели. Сегодня стеклопластики широко используют в строительстве, судостроении, радиоэлектронике, производстве бытовых предметов, например, оконных рам, и так далее.

Углепластики – полимерные композиты, где наполнителем служат углеродные волокна. Легкость и высокая прочность – основные достоинства этих материалов. Углепластик в пять раз легче стали и примерно вдвое легче алюминия. Есть углепластики, которые способны на протяжении долгого времени выдерживать температуры до 3000 °С. Они применяются для создания высокотемпературных деталей ракет и самолетов. Например, для изготовления тормозных колодок для скоростных самолетов и многоразовых космических кораблей.

Композиты в небе и на земле

В свое время именно прогресс в космической сфере стал стимулом для развития композитной отрасли. В нашей стране лидером данного направления было и есть Обнинское научно-производственное предприятие «Технология» . Первые обнинские композитные материалы еще в 1980-х годах были испытаны на стойкость на планете Венера – вошли в состав одноименных советских космических аппаратов. Чуть позже «Технология» присоединилась к самому масштабному космическому проекту страны – разработке корабля многоразового использования «Буран» . Космоплан должен был выдержать температуру 1500 °С во время входа в атмосферу. Специалистами «Технологии» была создана специальная керамическая плитка для обшивки. Для «Бурана», который совершил полет в 1988 году, было выпущено почти 40 тыс. таких плиток.

В Обнинске были разработаны и крупногабаритные композиционные конструкции, например, головной обтекатель ракеты-носителя «Протон» . Благодаря использованию композитов «Протон» «скинул» почти полторы тонны, что имело огромный экономический эффект. Ведь вывести на орбиту тонну груза стоит почти столько же сколько тонна золота.

Сегодня «Технология» производит множество композиционных конструкций для космоса и авиации. Это обтекатели для ракет-носителей, панели для самых современных спутников, детали для военных и гражданских самолетов. К примеру, на предприятии создаются композитные конструкции для новейшего авиалайнера МС-21 и двигателей самолета Sukhoi Superjet 100.

Композиты сейчас применяются не только в космической индустрии и авиастроении, их можно встретить везде. Например, еще в 1980-х годах они «перекочевали» в автопром. Наглядной рекламой композитов для автомобилестроения послужила тогда победа на международных автогонках первого углепластикового болида. С тех пор с каждым годом объем композитов в современных машинах растет. Их использование позволяет снизить массу автомобиля примерно на четверть, а значит повысить эффективность двигателя и уменьшить расход горючего.

По мере развития науки композитные материалы становятся разнообразнее и дешевле. Всего столетие назад европейские монархи заказывали алюминиевые короны и сервировали столы алюминиевой посудой – тогда алюминий стоил дороже золота. Позже алюминий научились изготавливать в промышленных масштабах, и сегодня любой может купить газировку в алюминиевой банке и использовать фольгу. Композиты проходят тот же путь, и их развитие способно предоставить промышленности совершенно новые технологические возможности.

Композиционный материал

Композицио́нный материа́л (компози́т, КМ) — искусственно созданный неоднородный сплошной материал, состоящий из двух или более компонентов с четкой границей раздела между ними. В большинстве композитов (за исключением слоистых) компоненты можно разделить на матрицу и включенные в нее армирующие элементы. В композитах конструкционного назначения армирующие элементы обычно обеспечивают необходимые механические характеристики материала (прочность, жесткость и т.д.), а матрица (или связующее) обеспечивает совместную работу армирующих элементов и защиту их от механических повреждений и агрессивной химической среды.

Механическое поведение композиции определяется соотношением свойств армирующих элементов и матрицы, а также прочностью связи между ними. Эффективность и работоспособность материала зависят от правильного выбора исходных ком­понентов и технологии их совмещения, призванной обеспечить прочную связь между компонентами при сохранении их первоначальных характеристик.

В результате совмещения армирующих элементов и матрицы образуется комплекс свойств композиции, не только отражающий исходные характеристики его компонентов, но и включающий свойства, которыми изолированные компоненты не обладают. В частности, наличие границ раздела между армирующими элементами и матрицей существенно повышает трещиностойкость материала, и в композициях, в отличие от однородных металлов, повышение статической прочности приводит не к снижению, а, как правило, к повышению характеристик вязкости разрушения.

Для создания композиции используются самые разные армирующие наполнители и матрицы. Это — гетинакс и текстолит (слоистые пластики из бумаги или ткани, склеенной термореактивным клеем), стекло- и графитопласт (ткань или намотанное волокно из стекла или графита, пропитанные эпоксидными клеями), фанера… Есть материалы, в которых тонкое волокно из высокопрочных сплавов залито алюминиевой массой. Булат — один из древнейших композиционных материалов. В нем тончайшие слои (иногда нити) высокоуглеродистой стали «склеены» мягким низкоуглеродным железом.

В последнее время материаловеды экспериментируют с целью создать более удобные в производстве, а значит — и более дешёвые материалы. Исследуются саморастущие кристаллические структуры, склеенные в единую массу полимерным клеем (цементы с добавками водорастворимых клеев), композиции из термопласта с короткими армирующими волоконцами и пр.

Содержание

Классификация композитов

Композиты обычно классифицируются по виду армирующего наполнителя: [1]

  • волокнистые (армирующий компонент — волокнистые структуры);
  • слоистые;
  • наполненные пластики (армирующий компонент — частицы)
    • насыпные (гомогенные),
    • скелетные (начальные структуры, наполненные связующим).

Преимущества композиционных материалов

Главное преимущество КМ в том, что материал и конструкция создается одновременно. Исключением являются препреги, которые являются полуфабрикатом для изготовления конструкций. Стоит сразу оговорить, что КМ создаются под выполнение данных задач, соответственно не могут вмещать в себя все возможные преимущества, но, проектируя новый композит, инженер волен задать ему характеристики значительно превосходящие характеристики традиционных материалов при выполнении данной цели в данном механизме, но уступающие им в каких-либо других аспектах. Это значит, что КМ не может быть лучше традиционного материала во всём, то есть для каждого изделия инженер проводит все необходимые расчёты и только потом выбирает оптимум между материалами для производства.

  • высокая удельная прочность (прочность 3500 МПа)
  • высокая жёсткость (модуль упругости 130…140 — 240 ГПа)
  • высокая износостойкость
  • высокая усталостная прочность
  • из КМ возможно изготовить размеростабильные конструкции
  • легкость

Причём, разные классы композитов могут обладать одним или несколькими преимуществами. Некоторых преимуществ невозможно добиться одновременно.

Недостатки композиционных материалов

Композиционные материалы имеют достаточно большое количество недостатков, которые сдерживают их распространение.

Высокая стоимость

Высокая стоимость КМ обусловлена высокой наукоёмкостью производства, необходимостью применения специального дорогостоящего оборудования и сырья, а следовательно развитого промышленного производства и научной базы страны.

Анизотропия свойств

Анизотропия — непостоянство свойств КМ от образца к образцу. Для компенсации анизотропии увеличивают коэффициент запаса прочности, что может нивелировать преимущество КМ в удельной прочности. Таким примером может служить опыт применения КМ при изготовлении вертикального оперения истребителя МиГ-29. Из-за анизотропии применявшегося КМ вертикальное оперение было спроектировано с коэффициентом запаса прочности кратно превосходящим стандартный в авиации коэффициент 1,5, что в итоге привело к тому, что композитное вертикальное оперение Миг-29 оказалось равным по весу конструкции классического вертикального оперения, сделанного из дюралюминия.

Низкая ударная вязкость

Низкая ударная вязкость также является причиной повышения коэффициента запаса прочности. Кроме этого, низкая ударная вязкость обуславливает высокую повреждаемость изделий из КМ, высокую вероятность возникновения скрытых дефектов, которые могут быть выявлены только инструментальными методами контроля.

Высокий удельный объем

Высокий удельный объем является существенным недостатком при применении КМ в областях с жесткими ограничениями по занимаемому объему. Это относится, например, к сверхзвуковым самолётам, у которых даже незначительное увеличение объема самолёта приводит к существенному росту волнового аэродинамического сопротивления.

Гигроскопичность

Композиционные материалы гигроскопичны, т.е. склонны впитывать влагу, что обусловлено несплошностью внутренней структуры КМ. При длительной эксплуатации и многократном переходе температуры через 0 по Цельсию вода, проникающая в структуру КМ, разрушает изделие из КМ изнутри (эффект по природе аналогичен разрушению автомобильных дорог в межсезонье). Так одной из возможных причин авиакатастрофы American Airlines Flight 587, в которой от фюзеляжа оторвался композитный киль, названо разрушение структуры композитного киля от периодически замерзавшей в ней воды. Аналогичные примеры отделения композитного киля от фюзеляжа происходили также в России. [2]

Читайте также  Комплекс упражнений по физической культуре

КМ могут впитывать также другие жидкости, обладающие высокой проникающей способностью, например, авиационный керосин.

Токсичность

При эксплуатации КМ могут выделять пары, которые часто являются токсичными. Если из КМ изготавливают изделия, которые будут располагаться в непосредственной близости от человека (таким примером может послужить композитный фюзеляж самолета Boeing 787 Dreamliner), то для одобрения применяемых при изготовлении КМ материалов требуются дополнительные исследования воздействия компонентов КМ на человека.

Низкая эксплуатационная технологичность

Композиционные материалы обладают низкой эксплуатационной технологичностью, низкой ремонтопригодностью и высокой стоимостью эксплуатации. Это связано с необходимостью применения специальных трудоемких методов, специальных инструментов для доработки и ремонта объектов из КМ. Часто объекты из КМ вообще не подлежат какой-либо доработке и ремонту.

Области применения

Товары широкого потребления

  • Железобетон — один из старейших и простейших композиционных материалов
  • Удилища для рыбной ловли из стеклопластика и углепластика
  • Лодки из стеклопластика
  • Автомобильные покрышки
  • Металлокомпозиты

Спортивное оборудование

  • оборудование для горнолыжного спорта — палки и лыжи
  • Хоккейные клюшки и коньки
  • байдарки, каноэ и вёсла к ним

Машиностроение

В машиностроении композиционные материалы широко применяются для создания защитных покрытий на поверхностях трения, а также для изготовления различных деталей двигателей внутреннего сгорания (поршни, шатуны).

Характеристика

Технология применяется для формирования на поверхностях в парах трения сталь-резина дополнительных защитных покрытий. Применение технологии позволяет увеличить рабочий цикл уплотнений и валов промышленного оборудования, работающих в водной среде.

Композиционные материалы состоят из нескольких функционально отличных материалов. Основу неорганических материалов составляют модифицированные различными добавками силикаты магния, железа, алюминия. Фазовые переходы в этих материалах происходят при достаточно высоких локальных нагрузках, близких к пределу прочности металла. При этом на поверхности формируется высокопрочный металлокерамический слой в зоне высоких локальных нагрузок, благодаря чему удается изменить структуру поверхности металла.

Полимерные материалы на основе политетрафторэтиленов модифицируются ультрадисперсными алмазографитовыми порошками, получаемыми из взрывных материалов, а также ультрадисперсных порошков мягких металлов. Пластифицирование материала осуществляется при сравнительно невысоких (менее 300 °C) температурах.

Металлоорганические материалы, полученные из природных жирных кислот, содержат значительное количество кислотных функциональных групп. Благодаря этому взаимодействие с поверхностными атомами металла может осуществляться в режиме покоя. Энергия трения ускоряет процесс и стимулирует появление поперечных сшивок.

Технические характеристики

Защитное покрытие в зависимости от состава композиционного материала может характеризоваться следующими свойствами:

  • толщина до 100 мкм;
  • класс чистоты поверхности вала (до 9);
  • иметь поры с размерами 1 — 3 мкм;
  • коэффициент трения до 0,01;
  • высокая адгезия к поверхности металла и резины.

Технико-экономические преимущества

  • На поверхности формируется высокопрочный металлокерамический слой в зоне высоких локальных нагрузок;
  • Формируемый на поверхности политетрафторэтиленов слой имеет низкий коэффициент трения и невысокую стойкость к абразивномуизносу;
  • Металлоорганические покрытия являются мягкими, имеют малый коэффициент трения, пористую поверхность, толщина дополнительного слоя составляет единицы микрон.

Области применения технологии

  • нанесение на рабочую поверхность уплотнений с целью уменьшения трения и создания разделительного слоя, исключающего налипание резины на вал в период покоя.
  • высокооборотные двигатели внутреннего сгорания для авто и авиастроения.

Авиация и космонавтика

В авиации и космонавтике с 1960-х годов существует настоятельная необходимость в изготовлении прочных, лёгких и износостойких конструкций. Композиционные материалы применяются для изготовления силовых конструкций летательных аппаратов, искусственных спутников, теплоизолирующих покрытий шатлов, космических зондов. Всё чаще композиты применяются для изготовления обшивок воздушных и космических аппаратов, и наиболее нагруженных силовых элементов.

Вооружение и военная техника

Благодаря своим характеристикам (прочности и лёгкости) КМ применяются в военном деле для производства различных видов брони:

Композиты 21 века: возможности и реальность

Американские санкции ставят под угрозу многие проекты не только в бюджетообразующих, но и в стратегических отраслях. Есть ли у страны возможности в обозримой перспективе решить возникшую проблему, предоставив отечественные аналоги закупаемой по импорту композитной продукции. Для поиска ответов на эти вопросы в данной статье рассмотрено само понятие «композит», а также основные направления развития в России композитной промышленности.

Композит — это любой материал, сделанный из более чем одной составляющей, поэтому вокруг нас много композиционных материалов, которые мы используем, не задумываясь об их принадлежности к классу композитов.

Современные композитные материалы обычно состоят из двух компонентов: волокна и матрицы. В качестве волокна используются высокопрочные стеклянные, углеродные, органические, борные и другие волокна. Матрицей являются как термореактивные смолы (фенольные, эпоксидные, полиэфирные и т.д.), так и термопластичные полимеры (полиамиды, полиэтилен, полистирол и др.). Эти материалы обладают достаточно высокой прочностью, низкой теплопроводностью, высокими электроизоляционными свойствами, кроме того, они прозрачны для радиоволн.

Матрица в композиционных материалах обеспечивает монолитность материала, передачу и распределение напряжения в наполнителе, определяет тепло-, влаго-, огне- и химическую стойкость. Армирующие наполнители в виде тонких волокон, нитей, жгутов или тканей воспринимают основную долю нагрузки композитов и обеспечивают физико-механические характеристики материала, в частности, высокую прочность и жесткость в направлении ориентации волокон. В композицию могут также входить загустители, пигменты и др.

Путем подбора состава и свойств матрицы и наполнителя, их соотношения, ориентации наполнителя можно получить материалы и готовые изделия с требуемым (заранее заданным) сочетанием эксплуатационных и технологических свойств. В настоящее время на международном и российском рынке наибольшее распространение получили полимерные композиционные материалы (рис.1).

Рис. 1 — Классификация композитных материалов

Мировой рынок композитов (композитные/композиционные материалы) в последние годы динамично развивается: по оценкам международных экспертов мировой рынок композитов в 2016 году составил более 82 млрд долл. в стоимостном выражении и около 11 млн. тонн в натуральном выражении. В период до 2022 года рынок композитов будет расширяться на 8% в год и по стоимости возрастет до 115,43 млрд долл.

Высокие темпы развития рынка композитов определяются широким спектром их свойств, превосходящих свойства традиционных материалов. Композитные материалы очень устойчивы к внешним воздействиям, поэтому пригодны для использования там, где необходима устойчивость к высоким температурам, коррозии или большим нагрузкам. Композитные материалы являются прекрасными электроизоляционными материалами при использовании как переменного, так и постоянного тока. Использование определенных наполнителей позволяет получать композиционные материалы, стойкие к различным агрессивным средам, в том числе и к воздействию концентрированных кислот и щелочей. Композиты обладают высокими механическими свойствами и т.д.

Мировой рынок композиционных материалов насыщен инновационной продукцией и имеет широкие горизонты развития. При этом к основным тенденциям, формирующим его емкость и структуру, можно отнести следующие:

рост спроса со стороны инновационных сфер экономики — авиастроения, автомобилестроения, судостроения, ветроэнергетики и др.;

улучшение технологических и экологических характеристик известных видов связующих и волокнистых наполнителей;

расширение использования компьютерного моделирования и проектирования деталей из композиционных материалов.

Основные производственные мощности по выпуску композиционных материалов сосредоточены в Китае, Японии, США и Европе (рис.2,3).

В 1980-х годах СССР занимал третье место в мире по применению композитов, однако в 1990-е годы развитие отрасли практически остановилось. С инновационными веяниями, происходящими в российской экономике в 21 веке, появилась потребность в композитных материалах и в настоящее время производством композитов в России занимаются около полутора сотен предприятий. Специальные композитные кластеры созданы в Татарстане, Московской и Саратовской областях. Вместе с тем, объемы производства композитов в развитых странах мира и в России несопоставимы по масштабам и отличаются на порядок, при этом российский рынок составляет не более 1 % от мирового. Например, в Китае

На сегодняшний день потребление композитных материалов на душу населения в России составляет всего 0,5 кг, что в 15 раз меньше, чем в развитых странах. Используются они главным образом в ЖКХ, транспортной инфраструктуре, авиации, космосе и энергетике.

Столь неблаговидное положение российской композитной отрасли объясняется многими причинами, среди которых ключевыми являются:

недостаточность российского сырья для композитов;

отсутствие отечественного оборудования;

ограниченность финансовых ресурсов;

сложный и длительный процесс сертификации отечественных разработок (3 года и более);

отсутствие нормативной документации применения композитных материалов в ряде отраслей экономики;

допуск на рынок РФ в стратегические отрасли импортных материалов при наличии отечественных аналогов;

отсутствие профильных направлений подготовки необходимых специалистов.

Российское производство композитных материалов не только ограничено по масштабам и, но и скудно по ассортименту, а сама отрасль крайне импортозависима: из-за границы ввозятся оборудование и основное сырье — смолы, отвердители, наполнители для сэндвич-структур, препреги.

Высокая зависимость от импорта отмечается во многих секторах российской экономики и прежде всего в секторах производства высокотехнологичной продукции, к которому относится малотоннажная химия – поставщик продукции для композитных изделий. Импортозависимость в области производства высокотехнологичной продукции получила начало в процессе перехода России от плановой экономики к рыночной, когда инвесторы предпочитали вкладывать капиталы в добывающие отрасли и в крупнотоннажные экспортоориентированные производства.

В целях снижения зависимости России от неблагоприятного импорта в 2014 году в Министерстве промышленности и торговли Российской Федерации была сформирована программа импортозамещения, включающая в себя отраслевые планы по преодолению критической зависимости от импорта, в том числе был разработан и уже боле двух лет реализуется план мероприятий по импортозамещению в химической промышленности, содержащий 136 импортозамещающих проектов, в том числе проектов по выпуску продукции, необходимой для производства композитных изделий (углеродные волокна, эпоксидные смолы).

Следует, однако, отметить, что несмотря на запуск процесса импортозамещения импорт высокотехнологичной химической продукции не сокращается и по отдельным продуктам, в том числе используемым в композитной отрасли (эпоксидные смолы, полисульфоны, углеродные волокна и др.), возрастает. Причины такой ситуации следующие:

рост российской экономики предопределяет рост потребности в высокотехнологичной продукции, в том числе продукции, для которой создание собственного производства из-за ограниченного спроса нерентабельно;

темпы роста спроса на импортируемую высокотехнологичную продукцию выше темпов расширения процесса импортозамещения;

  • российская продукция по потребительским качествам уступает зарубежным аналогам.
  • США использовали фактор высокой зависимости российской композитной промышленности от импорта и объявили санкции в отношении ульяновского АО «Аэрокомпозит», выпускающего композиты для «черного крыла» — самолета МС-21, поставив под угрозу реализацию ключевого проекта российского гражданского авиапрома — самолета МС-21

    Читайте также  Инфекционный эндокардит 2

    Рис. 4 -Сверхпрочное композитное крыло МС-21
    Позволяет значительно улучшить аэродинамику, что уменьшает расходы при эксплуатации лайнера на 12-15% по сравнению с существующими аналогами

    Объявленные США санкции, запрещающие компаниям Hexcel (США) и Toray Industries (Япония) поставлять в Россию композитные материалы (углеродные волокна и препреги марки HexPly) для гражданского самолета необъяснимы и Объединенная авиастроительная компания (ОАК) запустила процедуру обжалования данного решения.

    Однако уповать на получение положительного вердикта по российскому иску, заменять продукцию компаний Hexcel и Toray китайскими аналогами и тем более отказываться от серийного производства композитного самолета МС-21 в России не намерены.

    Проект облегченного самолета МС-21 будет реализован с композитным крылом из материалов российского производства.

    Такой вывод базируется на ряде предпосылок. Во-первых, в процесс инновационного развития композитной отрасли еще в 2014 году включился ряд государственных структур и частных компаний. В качестве центра компетенций в области композиционных материалов и конструкций определен холдинг «РТ-Химкомпозит», входящий в государственную корпорацию Ростех. Более чем полувековой опыт в области создания композитных материалов позволяет этому холдингу реализовывать масштабные проекты общероссийского значения. Одной из таких разработок стало создание комплектующих из композитных материалов для среднемагистрального самолета МС-21.

    Работы по созданию технологии изготовления композитных конструкций из отечественных материалов с 2014 года ведутся в Росатоме, во Всероссийском научно-исследовательском институте авиационных материалов (ВИАМ), МГУ. Эти материалы находятся на стадии перехода к серийному производству, образцы уже проходят испытания.

    Во-вторых, разработаны и результативно действуют программы, подпрограммы и «дорожные карты» федерального, регионального и корпоративного формата, касающиеся производства и применения композитных материалов.

    В рамках Государственной программы Российской Федерации «Развитие промышленности и повышение ее конкурентоспособности» разработана Подпрограмма 14. «Развитие производства композиционных материалов в России». Главными приоритетами и ориентирами развития отрасли определены: создание инфраструктуры исследований и разработок, открытие (с использованием различных инструментов) объемных рынков для широкого применения композитов и обеспечение отрасли необходимыми финансовыми ресурсами для массового запуска инвестиционных процессов и опережающего развития.

    Разработан и утвержден «План мероприятий («дорожная карта») по развитию отрасли производства композитных материалов» (Распоряжение Правительства РФ от 24 июля 2013 г. № 1307).

    Реализуемые в рамках «дорожной карты» меры государственного регулирования должны создать необходимые условия для формирования и развития современной отрасли композитных материалов, способной конкурировать на внутреннем и мировом рынках.

    Перечнем контрольных показателей, устанавливаемых «дорожной картой», предусмотрено достижение к 2020 году следующих показателей:

    объем внутреннего производства композитных материалов и изделий — 120 млрд. рублей;

    потребление продукции на душу населения — 1,5 кг/год, то есть возрастет втрое по сравнению с уровнем 2016 года (что, однако, лишь сократит разрыв относительно ведущих стран с 15-ти до 5-ти кратного отставания).

    Перспективы роста композитной промышленности в России будут определяться спросом со стороны отраслей, для которых важнейшим показателем является снижение веса выпускаемой продукции при сохранении необходимой прочности, то есть со стороны авиации, автомобилестроения, судостроения, строительства, ветроэнергетики (рис.5).

    Рис. 5. Прогнозный спрос со стороны основных отраслей-потребителей композитных материалов (согласно результатам интерактивного опроса), %

    Министерство промышленности и торговли РФ на конкурсной основе выделяет субсидии на поддержку развития производства композиционных материалов и изделий из них в рамках реализации программы «Разработка технологий получения комплекса композиционных материалов (композитов) нового поколения, изделий и конструкций из них» и подпрограммы «Развитие производства композиционных материалов (композитов) и изделий из них». Главная цель — стимулирование развития отрасли конструкционных и композиционных материалов нового поколения.

    Создается современная нормативно-правовая и нормативно-техническая база, регламентирующая разработку, производство и широкое внедрение композиционных материалов и изделий из них в ключевых секторах экономики. Разрабатываются и реализовываются пилотные масштабируемые инновационные проекты на основе первоочередных отраслевых проблемно-ориентированных НИОКР.

    Внедрение имеющихся отечественных композитных материалов в программу МС-21 будет пошагово реализовано после завершения основных сертификационных испытаний в рамках общей программы импортозамещения. Предположительно, серийный выпуск композитного самолета МС-21 начнется в 2020 году.

    Композитные материалы — особенности свойств и основные виды

    Что такое композиционный материал (композит)

    Композитные материалы (КМ) – говорят, первые упоминания о подобных материалах можно найти в Библии. Композит — это материал, состоящий из двух и более компонентов, которые усиливают и дополняют свойства друг друга. Благодаря чему, конечный материал обладает свойствами, достижение которых невозможно каждым компонентом по отдельности. Возьмем, к примеру, стеклопластик. Так, если бы какая то деталь была полностью из стекла, она обладала бы очень большой теоретической прочностью на растяжение или сжатие. Но на практике, многочисленные поверхностные трещины приводят к разрушению изделия задолго до достижения ее теоретической прочности. В таком же изделии из стеклопластика, рост какой-то конкретной микротрещины ограничится обрывом одного волокна. А полимерная матрица перераспределит нагрузку на оставшиеся волокна. Примерно так работает самая обычная стеклопластиковая арматура. Так же, при изготовлении изделия можно заложить направление волокон с учетом предполагаемых направлений нагрузки на изделие. Что позволит избежать излишнего количества материалов в «ненужных» нам направлениях.

    Рынок композитов в России

    Доля России в мировом производстве композитов минимальна. Емкость рынка композиционных материалов, делает производство КМ одним из наиболее перспективных направлений деятельности в нашей стране. Если в 1970-е мы были 4-е в мире по производству композитов, то сейчас не обеспечиваем и 3% мирового спроса. Это в немалой степени обусловлено отсутствием своего сырья, до недавнего времени на долю импорта приходилось 90%. Но программа импорта замещения работает и в композитной отрасли, так в 2015г. на территории Татарстана было открытие завода по производству углеродного волокна. Предприятие, при выходе на полную мощность, способно полностью удовлетворить потребности российского рынка.

    Так же, производство КМ в промышленном масштабе тормозит отсутствие единых технических регламентов в этой сфере. Главгосэкспертиза попросту не пропускает многие проекты в строительстве из-за отсутствия СНИПов на технологию. Тем не менее, с помощью КМ в России усилено больше тысячи строительных объектов. Так в 2014г . в Башкирии 5 мостов были усилены лентами (в основе которых углеродное волокно и эпоксидная смола) для провоза по ним крупногабаритного оборудования ОАО «Газпром» весом почти 100т.

    Применение композитных материалов в технике

    Полимерные КМ имеют неоспоримый ряд преимуществ в сравнении с металлоконструкциями. Таких как: эксплуатационно-технические, -экономические, технологические. Именно поэтому они (в основном углепластик и стеклопластик) получили широкое применение почти во всех отраслях промышленности.

    Авиация

    В самолетостроении композитные материалы начали применять еще с 1940-ых, в настоящее же время доля КМ в некоторых образцах достигает 50% (Boeing787 Dreamliner). Из КМ изготавливаются такие детали как: обшивка, руль высоты, руль направления, обтекатели, воздухозаборники, закрылки и т.п. К примеру: замена элементов крепления лопастей к ротору на стеклопластиковые, в некоторых моделях вертолетов, позволила снизить массу деталей на 40%, а стоимость в 2,5 раза.

    Ракетная техника

    Одними из первых стеклопластиковых деталей, примененных в 60-х годах, в ракетной технике, стали корпуса двигателей боевых ракет. Дальность таких ракет увеличилась с 1500 до 4000км. Сейчас, доля КМ в некоторых типах ракет доходит до 85-90% от общей массы.

    Космические аппараты

    Посчитано что экономическая выгода от снижения массы космического аппарата всего на 1кг составляет от10000 $ до 50 000 $. Наилучших показателей в снижении веса космических аппаратов удалось добиться только с применением КМ. К концу прошлого века доля композитов в конструкции составляла 20%.

    Автомобилестроение

    Применение композитов в машиностроении так же продолжает набирать обороты. Сейчас есть проекты создания автомобилей с максимальным применением КМ. Расход топлива такого автомобиля должен составить менее 2,5л на 100км.

    Углепластик, стеклопластик, кевларопластик в основе которых эпоксидная и полиэфирная смола и многие другие виды КМ так же обширно применяются в судостроении, железнодорожном транспорте, спортивной технике, строительстве. В качестве только развивающихся видов техники можно выделить радиотехнику, военную технику, ортопедические протезы и современную бытовую технику.

    Композитный материал-технологии изготовления

    На конечные свойства изделия также влияет то, каким способом оно произведено. Некоторые методы позволяют организовать производство композитов даже у себя в гараже. И так, рассмотрим наиболее часто встречающиеся методы производства КМ:

    Напыление

    Рубленное волокно, перемешанное с катализированной смолой напыляется с помощью пистолета на оснастку.

    Связующее : преимущественно, полиэфирная смола

    Ручная формовка

    Сухие армирующие волокна в виде полотен укладываются на матрицу, после чего наносится смола.

    Вакуумное формование

    После укладки и пропитки ткани как при ручной формовке, на стадии отверждения, применяется давление для укрепления ламината.

    Связующее : чаще, эпоксидная смола или фенольная

    Намотка

    Волокна, пропитанные связующим, наматываются в различных направлениях на оправку. Пример: стеклопластиковые трубы или баллоны.

    Пултрузия

    Процесс производства профильных изделий из одноосно-ориентированных пластиков непрерывным способом, является аналогией экструзии металлов.

    Сухой армирующий слой укладывается на оснастку, затем вторая часть оснастки закрывается и происходит инъекция смолы в полость.

    Автоклав

    Связующее: обычно эпоксидная, полиэфирная или фенольная смола

    Наполнитель: чаще всего углеродное или стекловолкно.

    В заключение

    ХХI век давно называют веком композитных материалов, как были каменные и бронзовые века в древности. Композиты прочно вошли в нашу жизнь, изделия из углепластика и стеклопластика можно встретить во всех отраслях промышленности и в быту. Ясно, что у российского рынка композитов колоссальный потенциал. Производству ПКМ способствуют различные Государственные программы. Технология изготовления изделий из композиционных материалов вошла в число 27 приоритетных направлений, предусмотренных Указом №899 «Об утверждении приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в РФ и перечня критических технологий РФ». Владение базовой теорией композитов может пригодиться и в быту от ремонта стеклопластиковой душевой кабины до упрочнения фундамента домов углеродной лентой. О перспективах компаний производящих композитные материалы не приходиться и говорить.

    Буду признателен за любую обратную связь. Спасибо!

    Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
    Добавить комментарий

    ;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: