Эра композитных материалов наступила
Испытание композитного материала
Развитие человека тесно связано с доступными ему средствами деятельности. Ничто так не поддерживает теоретически возможные перспективы, как практическая возможность их осуществления. На протяжении тысячелетий научный и умственный потенциал был ограничен сырьевым набором отдельных эпох. Ученые выделили несколько основных периодов, связанных со знаковым появлением новых материалов в жизни человека. Условно разделяют каменный век (зарождение человечества-3 тысячелетие до н.э.), бронзовый век (конец 4-начало 1 тысячелетия до н.э.), железный век (с 1 тысячелетия до н.э.).
Появления нового материала способствовало стремительному скачку развития всех сфер, привнося новые качественные характеристики старым приспособлениям и давая возможность сооружать новые, решая появляющиеся актуальные задачи. Открытие такого материала носило в основном случайный характер. Если утрировано, то человечество, интеллектуально преодолев рамки своего сырьевого оснащения, получало улучшенный инструмент из природных запасов для осуществления своих идей и дальнейшего развития. Кроме эпохальных материалов нарабатывалась база других – с индивидуальными свойствами под разные цели.
Ни для кого не секрет, что 20 век ознаменовался небывалой научной активностью, которая продолжается и сейчас. Качественные запросы многих отраслей вышли далеко за рамки имеющихся в распоряжении материалов для производства. Выход оказался достаточно простым. Ученые принялись за создание новых материалов, искусственно соединяя имеющиеся в наличии. Тем самым добиваются объединения полезных качеств каждого из компонентов, получая на выходе совершенно новый сырьевой ресурс.
Композитные материалы
Идея улучшать свойства материала, добавляя в него другой, не новая. Еще в Древнем Египте использовали кирпичи из глины и соломы, получая более крепкую строительную единицу. Вообще строительная отрасль в значительной мере способствовала развитию композитов. Яркими представителями являются широко распространенный железобетон и сочетание цемента с железной арматурой. Современные реалии еще больше закрепили композитные материалы, расширив спектр их применяемости.
Композитный материал – это искусственное соединение двух и более составных материалов, с четкими границами между ними. Можно выделить две основных составляющих такого симбиоза: связующее звено, которое еще называют матрицей, и наполнитель, или армирующий элемент. Армирующие элементы отвечают за механические характеристики получаемого материала. На них лежит задача повышения порогов реагирования на различные внешние механические воздействия (удар, скручивание, сжатие и т.д.) Матрица отвечает за цельную работу армирующих элементов, соединяя и защищая их от физического и химического воздействия. На данный момент существует великое множество сочетаний матриц и наполнителей, преследующие различные задачи. Практически в каждой сфере нашей жизни используются улучшенные созданные материалы: стеклопластик, фанера, сплавы металлов и многие другие.
Композитный материал из мелких волокон
Можно разделить несколько видов композитных материалов: волокнистые, слоистые, дисперсно-упрочненные и нанокомпозиты. Название первых двух видов обусловлено структурой расположения матриц и арматурных элементов. Соответственно, в волокнистом композите наполнитель выражен в виде волокон внедряющихся в соединительный материал, а в слоистом – соединение составляющих происходит послойно. Дисперсно-упрочненные материалы – это сплавы, полученные добавлением в металлическую основу дисперсных частиц, которые играют роль уплотнителей. Такие сплавы имеют повышенные жаропрочные и механически устойчивые характеристики. Свойства нанокомпозитов еще до конца не раскрыты. Эти материалы представляют собой улучшенные соединения на молекулярном уровне.
Преимущества и варианты реализации
Основным плюсом композитов является то, что создание самого материала и требуемого продукта происходит одновременно. Получается цельная деталь, которая обладает намного лучшими качественными характеристиками. Точность воспроизведения конструкторской задумки и сохранение требуемых плюсов составляющих материала делает такое производство практически идеальным. Для формирования требуемого продукта используется несколько методов. Основную роль в процессе играет оснастка – эталонный прототип будущей детали. В нее вкладываются исходные материалы (матрица и армирующий элемент), и в процессе застывания композит принимает требуемую форму. Разные виды матриц имеют свои особенности при застывании. Формовка для термореактивных полимерных матриц сопровождается химическими реакциями отверждения. Для термопластичных матриц характерным процессом является застывание расплавленного состояния.
Ручное формование объекта из композитных материалов значительно дешевле передовых наработок. Однако недостатки такого производства отводят ему роль более массовую, с умеренными претензиями на качество продукта. Для передовых задач разработаны более совершенные методы формования. Вакуумное формование максимально помогает избежать контактного влияния на композит. Материал укладывается в оснастку и закрывается полимерным пакетом. Создание вакуума в такой структуре и распределяет материал в форме. Этот метод стал достаточно популярным, что способствовало различным ответвлениям и доработкам. Некоторые производители используют дополнительное внешнее давление на пленку (воздухом или паром). Еще одним методом повышения качества процесса является использование автоклава – аппарата, в котором все процессы происходят при повышенных температурах и давлении.
Загрузка композитных деталей в автоклав для Airbus A350 XWB
Распространенный метод формования – инжекция в закрытую форму. Связующее вещество вводят в форму, которая уже содержит армирующий материал. Форма точно соответствует требуемым параметрам будущей детали.
Вышеизложенные методы реализации композитного материала очень дорогостоящие и используются только для отраслей высшего эшелона. Поэтому естественным образом выделилось другое течение производства композитов. Оно направлено на удешевление материала и обеспечение им большего количества сфер производства. Идейная линия этого подхода заключается в создании препрегов. Это — композитный полуфабрикат, получаемый путем пропитки армирующей составляющей полимерной матрицей. Реализация такого материала происходит в рулонном исполнении. Добиваясь требуемых улучшений физико-химических свойств, получают вариативный и относительно дешевый композитный материал.
Композитный материал рулонного исполнения
Главное преимущество композитов – это его целевое направление. Инженеры создают именно тот набор характеристик, который нужен для выполнения конкретных задач. Другими словами плюсы композитных материалов – это плюсы всех известных человечеству материалов, которые возможно выделять и комбинировать. Это обуславливает широчайший спектр применения композитов – от товаров широкого потребления (железобетон, велосипеды, лодки и множество других массовых товаров) до космической и авиационной отраслей. Уже давно композиты используют при сборке самолетов и космических объектов. Они делают конструкцию крепче и долговечнее, понижая ее вес и, соответственно, расход топлива. Современные авиационные и космические аппараты уже невозможно представить без солидной доли композитных материалов. В некоторых моделях их процентная составляющая доходит до 50-70%.
Солидную помощь искусственные материалы оказали и стоматологическому обслуживанию. Современное протезирование с удовольствие пользуется достижениями композитов.
Недостатки композитных материалов
Не стоит думать, что человечество изобрело некую панацею для всех технологических задач производства. Наряду с перспективой и кажущейся идеальностью композиты имеют ряд серьезных недостатков. Если дороговизна производства может быть решена новыми технологиями и развитием научной базы, то свойство анизотропии и гигроскопичность представляют более серьезную проблему. Анизотропия – различие свойств материала при разных углах действия. Для нивелирования этой особенности инженеры добиваются соответствующего запаса прочности, однако это влечет за собой габаритные и весовые последствия. Гигроскопичность (поглощение влаги) обусловлена внутренней неоднородностью композитных материалов. На долгом периоде эксплуатации это может привести к деформации и разрушению изделия. Известны трагические случаи в авиации, связанные с гигроскопичным влиянием на композитные детали. Кроме того, возможно выделение паров, которые могут носить токсичный характер.
Несмотря на все недостатки ясно, что композитные материалы имеют все шансы стать эпохальными. И мы, возможно, живем в период, который позже назовут Композитным Веком.
