Viss par kompozītmateriālu

Vienkāršākie kompozīta analogi, kas nāk prātā iesācējam, ir konditorejas vafele un koka saplāksnis. Pirmajā gadījumā starp kūkām ar acu izvirzījumiem atrodas krēmveida pildījums. Otrs variants ir perpendikulāri sakārtoti šķiedras slāņi, kas ir piesūcināti ar līmes sastāvu.

Kompozīts ir dažādu un dažādu veidu materiālu slāņu kombinācija, kas atšķiras pēc vairākām fizikālām, tehnoloģiskām un mehāniskām īpašībām. Viena no galvenajām prasībām ir neitralitāte, ko nodrošina izmantoto slāņu ķīmisko īpašību būtiska līdzība. Iegūtā kompozīta tehnoloģiskās un mehāniskās, kā arī vairākas fizikālās īpašības atšķiras no katra slāņa analogiem sākotnējiem parametriem atsevišķi.

Kompozītmateriālā ir tikai divu veidu starpslāņi: matrica ar šūnām un pildviela. Vienkāršākais kompozītmateriāla konstrukcijas analogs ir dzelzsbetons, ko veido tērauda karkass, kura iekšpuse (un daļēji arī ārpus tā) ir piepildīta ar betona liešanu, kas sacietēja un ieguva spēku mēneša laikā no betona šķīduma ieliešanas dienas. .

Pēc strukturālās struktūras kompozītmateriāli ir šķiedrains, dispersijas cietināts, daļēji sacietējis (nejaukt ar daļēju sacietēšanu, kas minēts sastāva parametru zināmu uzlabojumu nozīmē) un nanometrisks.

Kompozītmateriālu piemēri.

• Naudas zīmogu papīrs un dokumenti, kas satur sintētiskus matiņus, kas palielina izturību un nodilumu. Tie ir arī viens no daudzajiem biļešu viltošanas rādītājiem.
• Komplektā māla ķieģeļi ar salmiem. Adobe ķieģelis iegūst zināmu izturību pret plaisāšanu.
• Epoksīda līme ar metāla vai koka pulveri. Pēdējais tiek ievadīts kompozīcijā, lai ietaupītu epoksīda sveķus.
• Ogleklis, kas sadalās daudzvirzienu triecienos. Tas neplaisā tikai tad, ja triecieni un vibrācijas to ietekmes vektorā sakrīt ar velosipēdista kustības virzienu. Ja karbona velosipēda rāmi uzsitīsi pret kādu priekšmetu, piemēram, betona stabu, oglekļa šķiedra salidos lauskas.
• Triplekss - stikla slāņi uz automašīnas priekšējiem un aizmugurējiem aizsargiem, kurus kopā satur celuloīda slāņi. Avārijas gadījumā tiek izslēgta liela skaita ķīļveida šķembu izkliede, kā rezultātā nereti tiek zaudēta negadījumā iesaistītā vadītāja redze.

Tātad, bruņu stikls policijas un militārajiem transportlīdzekļiem ir izgatavots no trim vai vairākiem rūdīta stikla slāņiem - to var caurdurt tikai ar bruņas caurdurošām lodēm vai čaulām. Bruņu stikls pieder pie laminētiem kompozītmateriāliem. Mūsdienās pieejamo izstrādņu daudzveidība sadala kompozītmateriālus desmitiem veidu un šķirņu, no kuriem katrs ir ļoti pieprasīts būvniecības un remonta pakalpojumu tirgū.

Tātad, ir spoguļu, pildījumu, kvarca un citi kompozītmateriāli, kas paredzēti īpašiem lietojumiem. Katras šīs sugas īpašības atšķiras viena no otras. Piemēram, polimēru nesaturoši nano- un mikrokompozītmateriāli nedeg.Tie pārogļojas tikai tad, ja tie tiek uzkarsēti līdz vismaz simtiem grādu pēc Celsija, kas vienkāršo to lietošanu istabas apstākļiem neparastā temperatūrā.

Kompozītmateriālus ražo saskaņā ar šādu shēmu. Pirmkārt, matricas komponents tiek uzklāts uz stiegrojuma šķiedrām, pēc tam, izmantojot kompresijas veidni, tiek veidotas pastiprinošās sastāvdaļas lentes un pati matrica. Iegūtais materiāls tiek izspiests, saķepināts un šķiedrām tiek uzklāts papildu pārklājums. Tālāk izveidotais sekundārais materiāls (nākamais posms) tiek nosūtīts atkārtotai presēšanai, iziet matricas uzklāšanas stadiju izsmidzināšanas veidā ar plazmas palīdzību. Trešā presēšana - saspiešana - ir pēdējais posms. Tādējādi saspiešana (presēšana) tiek veikta vismaz trīs reizes.

Dabīgie kompozītmateriāli ir viegli, izturīgi un mūsdienīgi. Tos galvenokārt izmanto lidmašīnām, tostarp lidmašīnām un raķetēm. Nesarežģītus kompozītmateriālus veido pati daba, piemēram, koku gredzeni no koka, mizas. Cilvēka radītie dabīgie kompozītmateriāli ir māla ķieģeļi, kuru sastāvā ir smiltis, cementa-smilšu bloki ar zāģu skaidu piedevu un citi.

Stikla šķiedra ir atzīta par vienu no klasiskajām kompozītmateriālu šķiedrām. Tā ir plastmasas kompozītmateriāla lente, kas pielīp pie visa veida virsmām. Šī matrica notur stiklšķiedras pavedienus vietā. Pateicoties šādā veidā presētajiem stikla pavedieniem, tiek nodrošināta šī materiāla izturība. Plastmasa pēc savas būtības ir mīksta un elastīga, savukārt stikls ir ciets un trausls.

Apvienojot šīs īpašības, iespējams iegūt ļoti elastīgu un tajā pašā laikā cietu materiālu, kurā plastmasa un stikls viens otru papildina. Kompozītu izmanto vieglo automašīnu un motorlaivu virsbūvju ražošanai. Stikla kompozīts nerūsē un neoksidējas.

Mūsdienīgāki būvmateriāli, kas parādījās daudz vēlāk, satur metālu, keramiku un/vai polimēru kā galveno vielu. Šo materiālu klasifikācijā tiek ņemtas vērā arī nemetāliskas piedevas, piemēram, skaidas vai putekļi. Ar plastmasu pastiprinātu koka kompozītmateriālu vai kompozītmateriālu plātni (un lokšņu materiālu, kas izgatavots no tām pašām sastāvdaļām) izmanto mēbeļu ražošanā un verandas vai klāja grīdās.

Koksne, kas sasmalcināta un sajaukta ar polimēru, kas izkusis līdz mīkstam stāvoklim, tiek izmantots kā rūdīts klāja segums, pa kuru var staigāt un pat pārvietot mēbeles: koka plastmasas plāksne vai loksne neplīsīs un neplaisās, jo ir ciets materiāls.

MDF - kaste vai cietais profils, kurā nav izmantoti sintētiskie sveķi vai plastmasa, bet gan tikai dabiskas izcelsmes sveķi. Koksne, kas sasmalcināta skaidās un putekļos, tiek piesūcināta ar šo vielu un pēc tam tiek cauri saķepināšanas un presēšanas posmiem krāsnī. Izplatītākie izstrādājumi no MDF ir augstas kvalitātes durvis un lamināts. Sveķu saķepināšanas un sacietēšanas laikā tie polimerizējas - veidojas dabisks polimērs, kurā izšķīst koksnes putekļi (un tiek sadalītas skaidas).

Vienkāršākais piemērs ir alumīnija vai magnija sakausējums, kas pastiprināts ar oglekļa šķiedru. Bet alumīniju var papildināt ar silīcija karbīdu, un vara-niķeļa sastāvu var papildināt ar grafēnu, oglekļa šķiedras apakštipu.Kompozītmateriāli ar metāla matricu ir izturīgi, ar pieņemamu stingrību lielākajai daļai problēmu risināšanai, nodilumizturīgi, izturīgi pret oksidēšanu un relatīvi vieglumu salīdzinājumā ar visu metālu izstrādājumiem.

Tie ir dārgi un grūti apstrādājami. Piemēram, virzuļu elementi dīzeļa iekšdedzes dzinējiem ir izgatavoti no moderniem kompozītmateriāliem. Kompozītmateriālu apšuvums fasādei ir izgatavots no lokšņu alumīnija, starp kura slāņiem ielieta plastmasa. Krāsošana palīdz šādai apdarei piešķirt atšķirīgu krāsu.

Metāla vietā galvenais keramikas kompozītmateriāls, kā jūs varētu nojaust, ir keramika. Piemēram, kā šis elements tiek izmantots boru saturošs stikls, kas izgatavots uz silikātu ieslēgumiem. Tas kalpo kā sekundārais matricas komponents un ir pastiprināts ar oglekļa šķiedru vai keramikas ieslēgumiem, kuru lomā tiek izmantots silīcija karbīds. Keramikas kompozīts ļauj, piemēram, tikt galā ar cietās keramikas trauslumu, radot raksturīgu pastiprinājumu, lai pārvarētu plaisāšanas fenomenu.

Oglekļa-karbīda kompozīts ir viens no pieprasītākajiem produktiem kompozītmateriālu tirgū., kas ļauj iegūt sastāvu, kas ir priekšā oglekļa šķiedrai un kompozītmateriālam pēc stiprības īpašībām un no šādas vielas izgatavoto sagatavju uzticamības rādītāja. Šāds kompozīts tiek izmantots, piemēram, automobiļu bremžu un sajūga sistēmas detaļu ražošanā.

Mūsdienās neapstājas modernāku materiālu izstrāde, kas aizstātu jau tirgū ienākušos, kuros ir desmitiem tūkstošu no tiem izgatavotu produktu veidu. Tātad, armatūras šķiedru izmēri nanotehnoloģijā ir 1000 reižu mazāki nekā to garākiem priekšgājējiem. Viens no nākotnes materiāliem ir oglekļa nanocaurules, no kurām tiek izgatavotas, piemēram, hokeja nūjas. Šajā piemērā nanooglekļa šķiedra ir pārklāta ar niķeļa-kobalta kompozītmateriālu. Šis nūja ir gandrīz trīs reizes stiprāks un par vienu piektdaļu vairāk bez plaisāšanas nekā līdzīgs izstrādājums, kas izgatavots no tērauda sakausējuma.

Dispersijā cietinātie kompozītmateriāli tiek klasificēti kā nanomateriāli, kuros galveno šķiedru garums ir sasniegts līdz 100 nm. Bet pēdējos gados desmit nanodaļiņu garums ir sarucis līdz 10 nm – līdzīga pieeja tiek izmantota, piemēram, pusvadītājos un vadītājos, kas veido mikroprocesora kristālu, mikrokontrolleru vai mikroshēmas, kas veido elektronisko atmiņu. Kompozītmateriālu sijām un paneļiem tiek piemēroti stingri noteikti standarti: piemēram, stingrībai (Young modulis) jābūt vismaz 130 gigapaskāliem, materiāliem ir jāiztur noguruma nodilums un jābūt izmēru stabilitātei. Mērķis ir atrisināt visas šīs problēmas vienlaikus. Trūkumi - augstās izmaksas sakarā ar paaugstinātu zināšanu ietilpīgo slodzi šo materiālu izstrādē, ieviešanā un praktiskajā pielietošanā.

Krievijas KM ražošanas tirgus veido tikai 3% no pasaules līmeņa eksporta piegādēm. Tas ir saistīts ar vienotu normatīvo dokumentu trūkumu, kas vienkāršotu kompozītmateriālu ražošanu, un vēl nesen 90% izejvielu ražošanai tika importētas.

Tātad, Krievijā tikko sākusi attīstīties oglekļa šķiedras armētas plastmasas ražošana, savukārt, piemēram, Ķīna ir viens no vadošajiem kompozītmateriālu ražotājiem. Jaunie materiāli, kuru tapšanā piedalījās arī Krievijas zinātnieki, balstās galvenokārt uz nanodaļiņu izmantošanu.

Kompozītmateriālus izmanto gaisa kuģu konstrukcijā atsevišķu dzinēju sastāvdaļu un lidmašīnu nesošo konstrukciju ražošanai. Kosmosa industrijas tos izmanto, lai ražotu nesošās un apšuvuma konstrukcijas raķetēm un satelītiem, kas, nonākot orbītā, piedzīvo spēcīgu uzsilšanu. Automobiļu rūpniecība izmanto kompozītmateriālus virsbūvei un buferiem. Kalnrūpniecība izmanto CM kā materiālu urbjiem. Inženierbūve izmanto CM tiltu un citu augstceltņu elementu būvniecībai.

Galvenais priekšnoteikums dažādās mašīnbūves nozarēs ir vieglo automašīnu un speciālā aprīkojuma, visu veidu transportlīdzekļu pašmasas atvieglošana: līdz 70% sastāvdaļu ir nemetālisks materiāls. Pašlīmeņojošā grīda (lejamās grīdas), kā arī kāpņu ieliešana ietver kompozītmateriāla izmantošanu, kurā, pirms tā reaģē ar gaisu, ir pusšķidra, iespējams, sīrupaina viela. Šo kompozītmateriālu var viegli uzklāt uz betona pamatnes, izmantojot epoksīda līmi, kurā ir izšķīdināta bāzes pildviela.

CM izmantošanas iespējamības aprēķins balstās uz vissvarīgāko parametru - atbilstošu tehnoloģiju izmantošanas efektivitāti. Metāliskās un nemetāliskās matricas sarežģītāka kompozītmateriāla ražošanā var apvienot citā secībā. Piemēram, velosipēda riepa, kuras skrejceliņā tiek izmantoti vairāki pastiprinošās šķiedras slāņi: neilons, kevlars, plāna tērauda stieple un savienojums, kas ļauj palielināt aizsardzības līniju skaitu. Pateicoties šīm tehnoloģijām, velosipēdisti "negrābj" ērkšķus un stikla gabalus, stieples, pārvietojoties pa ceļa malu bez asfalta, zemes ceļiem un akmeņainiem ceļiem.

Šāda riepa nobrauks ne vienu, bet ne mazāk kā divdesmit tūkstošus kilometru, pirms tā būs tik ļoti nolietojusies, ka tās pārduršana tomēr kļūs par biežu parādību. Vienas šādas riepas izmaksu aprēķins, pie kura šī cenas zīme var palielināties 10 vai vairāk reizes, ļauj gūt labumu no neliela vispārēja cenas samazinājuma, nemainot līdzīgas riepas līdz pat 10 reizēm (šis faktors tiek uzskatīts par patērēto laiku par remonta manipulācijām) - nobraucot visus tos pašus 20 000 km ar vienādām riepām.

Šajā gadījumā velosipēdu riepas ir sava veida multi-kompozīti, kur tiek izmantoti vairāki uzlabošanas slāņi (matricas), nevis viens. Konkrēta veida kompozītmateriāla ražošanas aprēķins ir balstīts uz tā izmantošanas formu. Pastiprinošie ieslēgumi tiek izmantoti kā diegi, lentes, plāns audums, šķiedraina vai virves sastāvdaļa. Cietinātāja daudzums materiālā pēc tilpuma un svara ir 30-80%, atkarībā no konkrētā kompozītmateriāla veida mērķa.