О композитах

Композитный материал (КМ), композит — многокомпонентные материалы, состоящие, как правило, из пластичной основы (матрицы), армированной наполнителями, обладающими высокой прочностью, жёсткостью 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 её механических характеристик.

Структура композитных материалов

По струк­ту­ре ком­по­зи­ты де­лят­ся на несколь­ко ос­нов­ных клас­сов: во­лок­ни­стые, сло­и­стые, дис­перс­но­у­проч­нен­ные, упроч­нён­ные ча­сти­ца­ми и на­но­ком­по­зи­ты. Во­лок­ни­стые ком­по­зи­ты ар­ми­ро­ва­ны во­лок­на­ми или ни­те­вид­ны­ми кри­стал­ла­ми — кир­пи­чи с со­ло­мой и па­пье-ма­ше можно от­не­сти как раз к этому клас­су ком­по­зи­тов. Уже неболь­шое со­дер­жа­ние на­пол­ни­те­ля в ком­по­зи­тах та­ко­го типа при­во­дит к по­яв­ле­нию ка­че­ствен­но новых ме­ха­ни­че­ских свойств ма­те­ри­а­ла. Ши­ро­ко ва­рьи­ро­вать свой­ства ма­те­ри­а­ла поз­во­ля­ет также из­ме­не­ние ори­ен­та­ции раз­ме­ра и кон­цен­тра­ции во­ло­кон. Кроме того, ар­ми­ро­ва­ние во­лок­на­ми при­да­ёт ма­те­ри­а­лу ани­зо­тро­пию свойств (раз­ли­чие свойств в раз­ных на­прав­ле­ни­ях), а за счёт до­бав­ки во­ло­кон про­вод­ни­ков можно при­дать ма­те­ри­а­лу элек­тро­про­вод­ность вдоль за­дан­ной оси.

В сло­и­стых ком­по­зи­ци­он­ных ма­те­ри­а­лах мат­ри­ца и на­пол­ни­тель рас­по­ло­же­ны сло­я­ми, как, на­при­мер, в особо проч­ном стек­ле, ар­ми­ро­ван­ном несколь­ки­ми сло­я­ми по­ли­мер­ных плё­нок.

Мик­ро­струк­ту­ра осталь­ных клас­сов ком­по­зи­ци­он­ных ма­те­ри­а­лов ха­рак­те­ри­зу­ет­ся тем, что мат­ри­цу на­пол­ня­ют ча­сти­ца­ми ар­ми­ру­ю­ще­го ве­ще­ства, а раз­ли­ча­ют­ся они раз­ме­ра­ми ча­стиц. В ком­по­зи­тах, упроч­нён­ных ча­сти­ца­ми, их раз­мер боль­ше 1 мкм, а со­дер­жа­ние со­став­ля­ет 20—25 % (по объ­ё­му), тогда как дис­перс­но­у­проч­нен­ные ком­по­зи­ты вклю­ча­ют в себя от 1 до 15 % (по объ­ё­му) ча­стиц раз­ме­ром от 0,01 до 0,1 мкм. Раз­ме­ры ча­стиц, вхо­дя­щих в со­став на­но­ком­по­зи­тов — но­во­го клас­са ком­по­зи­ци­он­ных ма­те­ри­а­лов — ещё мень­ше и со­став­ля­ют 10—100 нм.

Полимерные композитные материалы (ПКМ)

Ком­по­зи­ты, в ко­то­рых мат­ри­цей слу­жит по­ли­мер­ный ма­те­ри­ал, яв­ля­ют­ся одним из самых мно­го­чис­лен­ных и раз­но­об­раз­ных видов ма­те­ри­а­лов. Их при­ме­не­ние в раз­лич­ных об­ла­стях даёт 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$. В ка­че­стве на­пол­ни­те­лей ПКМ ис­поль­зу­ет­ся мно­же­ство раз­лич­ных ве­ществ.

А) Стек­ло­пла­сти­ки — по­ли­мер­ные ком­по­зи­ци­он­ные ма­те­ри­а­лы, ар­ми­ро­ван­ные стек­лян­ны­ми во­лок­на­ми, ко­то­рые фор­ми­ру­ют 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, пле­тён­ная из стек­лян­ных во­ло­кон, на­зы­ва­ет­ся стек­ло­тек­сто­ли­том.

Стек­ло­пла­сти­ки — до­ста­точ­но де­шё­вые ма­те­ри­а­лы, их ши­ро­ко ис­поль­зу­ют в стро­и­тель­стве, су­до­стро­е­нии, ра­дио­элек­тро­ни­ке, про­из­вод­стве бы­то­вых пред­ме­тов, спор­тив­но­го ин­вен­та­ря, окон­ных рам для со­вре­мен­ных стек­ло­па­ке­тов и т. п.

Б) 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 лёг­кие и, в то же время, проч­ные ма­те­ри­а­лы. Уг­ле­род­ные во­лок­на и уг­ле­пла­сти­ки имеют прак­ти­че­ски ну­ле­вой ко­эф­фи­ци­ент ли­ней­но­го рас­ши­ре­ния. Все уг­ле­пла­сти­ки хо­ро­шо про­во­дят элек­три­че­ство, чёр­но­го цвета, что несколь­ко огра­ни­чи­ва­ет об­ла­сти их при­ме­не­ния. Уг­ле­пла­сти­ки ис­поль­зу­ют­ся в авиа­ции, ра­ке­то­стро­е­нии, ма­ши­но­стро­е­нии, про­из­вод­стве кос­ми­че­ской тех­ни­ки, мед­тех­ни­ки, про­те­зов, при из­го­тов­ле­нии лёг­ких ве­ло­си­пе­дов и дру­го­го спор­тив­но­го ин­вен­та­ря.

На ос­но­ве уг­ле­род­ных во­ло­кон и уг­ле­род­ной мат­ри­цы со­зда­ют ком­по­зит­ные уг­ле­гра­фи­то­вые ма­те­ри­а­лы — наи­бо­лее тер­мо­стой­кие ком­по­зит­ные ма­те­ри­а­лы (уг­ле­пла­сти­ки), 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 уг­ле­пла­сти­ков де­ла­ют вы­со­ко­тем­пе­ра­тур­ные узлы ра­кет­ной тех­ни­ки и ско­рост­ных са­мо­лё­тов, тор­моз­ные ко­лод­ки и диски для ско­рост­ных са­мо­лё­тов и мно­го­ра­зо­вых кос­ми­че­ских ко­раб­лей, элек­тро­тер­ми­че­ское обо­ру­до­ва­ние.

В) Бо­ро­пла­сти­ки - ком­по­зит­ные ма­те­ри­а­лы, со­дер­жа­щие в ка­че­стве на­пол­ни­те­ля бор­ные во­лок­на, внед­рён­ные в тер­мо­ре­ак­тив­ную по­ли­мер­ную мат­ри­цу, при этом во­лок­на могут быть как в виде мо­но­ни­тей, так и в виде жгу­тов, опле­тён­ных вспо­мо­га­тель­ной стек­лян­ной нитью или лен­той, в ко­то­рых бор­ные нити пе­ре­пле­те­ны с дру­ги­ми ни­тя­ми. Бла­го­да­ря боль­шой твёр­до­сти 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.

Г) 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.

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 фе­нол­фор­маль­де­гид­ной (ба­ке­ли­то­вой) смолы. Сама по себе эта смола — ве­ще­ство хруп­кое, об­ла­да­ю­щее невы­со­кой проч­но­стью. Бей­ке­ленд об­на­ру­жил, что до­бав­ка во­ло­кон, в част­но­сти, дре­вес­ной муки к смоле до её за­твер­де­ва­ния, уве­ли­чи­ва­ет её проч­ность. Со­здан­ный им ма­те­ри­ал — ба­ке­лит — при­об­рёл боль­шую по­пу­ляр­ность. Тех­но­ло­гия его при­го­тов­ле­ния про­ста: смесь ча­стич­но от­вер­ждён­но­го 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) дё­ше­вы, за­па­сы их прак­ти­че­ски не огра­ни­че­ны, белый цвет даёт воз­мож­ность окра­ши­вать ма­те­ри­ал. При­ме­ня­ют для из­го­тов­ле­ния жёст­ких 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. Боль­шую по­пу­ляр­ность при­об­рел по­ли­мер­но-пес­ча­ный ком­по­зит на ос­но­ве по­ли­эти­ле­нов с на­пол­ни­те­лем из реч­но­го песка. Для со­зда­ния би­о­раз­ла­га­ю­щих­ся ком­по­зи­тов в ка­че­ство на­пол­ни­те­ля ис­поль­зу­ют крах­мал.

Е) 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.

2019/10/21 12:52