Композиты: что это, особенности, технология производства

Что это такое?

В композитных материалах соединяются два или более компонента с разными физическими и химическими свойствами. Они никогда не смешиваются и не приобретают однородность: между ними есть заметная граница. Их сочетают для того, чтобы итоговый материал приобрел улучшенные свойства — например, прочность или устойчивость к негативным условиям окружающей среды.

Особенности композитов

Композитные материалы — сочетание двух и более материалов, не смешивающихся между собой. При соединении физические и химические свойства сырьевых материалов остаются неизменными. Это позволяет им соединяться синергетически для получения композита со своим отдельным списком функций, отличных от особенностей сырья.

Можно сказать, что композиты гетерогенны — то есть разнородны по своему составу.

В материаловедении используются термины для обозначения составных частей композита:

• матрица, обычно полимерная смола, которая нужна для скрепления наполнителя и для придания материалу определенной формы;
• наполнитель, обычно волокнистый, который еще и помогает укреплять композит — так же, как арматура укрепляет бетон.

Главной характеристикой наполнителя при этом является соотношение сторон. Обычно это волокна, и соотношение сторон у них — десятки к десяткам тысяч, в зависимости от длины волокна. Чуть реже вместо волокон используются овальные или эллипсоидные «армирующие частицы».

Пример композита — железобетон или клееная фанера. За счет сочетания разных материалов композит получается прочнее и легче некомпозитных аналогов.

Технология производства

Обычно для создания композитов используются:

• наполнители: стекловолокно, углеродные волокна, арамид, базальт, лен, бамбук;
• матрицы: полимерные смолы, биосмолы, бетон, керамика и другие;
• добавки и присадки, позволяющие завершить материал.

Производство композитов состоит из множества этапов и задействует массу технологий, среди которых, например, литье с переносом смолы, инфузия, пултрузия, намотка нитей, укладка волокон, 3D-печать. Этапы моделирования и тестирования играют важную роль в оптимизации процессов производства, а также в обеспечении высочайшего уровня качества и производительности.

Комбинации материалов, производственных процессов и всех технологий, задействованных в композитной промышленности, предлагают неограниченный спектр возможностей для использования. Даже простое изменение соотношения наполнителя и матрицы уже дает другой результат.

Интересные композиты прошлого и настоящего

О любом предмете проще всего рассказывать с примерами, тем более о композиционных материалах, которые сопровождали человечество с давних пор. О некоторых композитах мы даже не думаем в таком ключе, настолько привычными и обычными они для нас стали.

Египтяне добавляли в глиняные кирпичи солому для того, чтобы сделать их прочнее и предотвратить разрушение. Это можно назвать первыми композитными материалами в истории. Примерно то же самое они делали с папирусом, добавляя в него асфальт для армирования.

В XVIII веке французский естествоиспытатель Рене Антуан Реомюр создал стекловолокно, а в XIX веке изобретение улучшил британец Луи Шваб, создав станок для стекловолоконного производства.

С XX века изобретения шли одно за другим, на глазах меняя и промышленность в целом, и композитное ответвление в частности. Была разработана феноловая смола, а потом в нее были добавлены льняные волокна. В 1913 году свет увидел первый в истории композитный материал в том смысле, который мы вкладываем в этот термин сегодня.

В 1930 году был создан полиэстер, в 1938 году — эпоксидная смола. Потом появилось усиленное стекловолокно, а потом — композитные составляющие для самолетов. Это случилось в 1943 году, в разгар Второй мировой войны, и первыми самолетами, получившими композитные детали, стали британский истребитель «Спитфайр» и американский BT-15.

В 1954 году Уильям Стаут представил полностью композитный автомобильный кузов, состоящий из полиэстера и стекловолокна. Через четыре года были созданы углеродные волокна, которые впоследствии станут одним из очень популярных наполнителей для композитов. За работу взялись не только британцы и американцы, но также японцы, и скоро композитные производства появились практически повсеместно. Микромеханика, теория ламинирования, подключение к работе промышленных организаций — технология развивалась семимильными шагами.

С 1970^-х годов композиты используются в армии, в производстве спортивного инвентаря, пассажирском самолетостроении; с 2000^-х — в проектировании общественного транспорта, колес и мостов. С 2010^-х годов для создания композитных материалов начала использоваться 3D-печать.

Сейчас сложно представить себе мир без композитных материалов, потому что они окружают человека буквально везде. В перспективе это направление будет только развиваться, потому что идея получить более прочный, выносливый и устойчивый материал путем объединения двух других гениальна в своей простоте и доступности.