Wszystko o kompozytach

Najprostsze analogie kompozytu, jakie przychodzą na myśl początkującym, to wafel cukierniczy i sklejka drewniana. W pierwszym przypadku między ciastkami znajduje się kremowe nadzienie z wypustkami z siatki. Drugą opcją są prostopadle ułożone warstwy włókien, które są impregnowane kompozycją klejącą.

Kompozyt to połączenie warstw różnych i różnych rodzajów materiałów, które różnią się szeregiem właściwości fizycznych, technologicznych i mechanicznych. Jednym z głównych wymagań jest neutralność, którą zapewnia znaczne podobieństwo właściwości chemicznych zastosowanych warstw. Technologiczno-mechaniczne oraz szereg właściwości fizycznych otrzymanego kompozytu odbiega od analogicznych parametrów początkowych każdej z warstw z osobna.

W materiale kompozytowym występują tylko dwa rodzaje przekładek: matryca z komórkami i wypełniacz. Najprostszym analogiem konstrukcyjnym kompozytu jest żelbet, utworzony przez stalową ramę, w której przestrzeń (i częściowo na zewnątrz) wypełnia się betonem, który stwardniał i nabrał wytrzymałości w ciągu miesiąca od daty wylania roztworu betonowego .

Strukturalnie materiały kompozytowe są włóknisty, utwardzony dyspersyjnie, częściowo utwardzony (nie mylić z częściowym utwardzeniem, wspomnianym w sensie pewnej poprawy parametrów składu) i nanometryczny.

Przykłady materiałów kompozytowych.

• Papier do pieczątek na pieniądze i dokumenty zawierający syntetyczne włosy, które zwiększają wytrzymałość na rozciąganie i odporność na ścieranie. Są też jednym z wielu wskaźników fałszerstwa biletu.
• W zestawie cegły gliniane ze słomą. Cegła adobe zyskuje pewną odporność na pękanie.
• Klej epoksydowy z metalem lub proszkiem drzewnym. Ten ostatni jest wprowadzany do kompozycji w celu zaoszczędzenia żywicy epoksydowej.
• Węgiel, który pęka przy wielokierunkowych uderzeniach. Nie pęka tylko wtedy, gdy wstrząsy i wibracje pokrywają się wektorem ich uderzenia z kierunkiem, w którym porusza się rowerzysta. Jeśli uderzysz płasko karbonową ramą roweru o dowolny przedmiot, na przykład betonowy słupek, włókno węglowe rozpadnie się na fragmenty.
• Triplex - warstwy szkła na przedniej i tylnej osłonie samochodu, połączone warstwami celuloidu. W wypadku wykluczone jest rozproszenie dużej liczby fragmentów w kształcie klina, co często skutkuje utratą wzroku kierowcy biorącego udział w wypadku.

Więc, szyby pancerne do pojazdów policyjnych i wojskowych wykonane są z trzech lub więcej warstw szkła hartowanego, - można go przebić tylko pociskami lub pociskami przeciwpancernymi. Szkło pancerne należy do laminowanych materiałów kompozytowych. Różnorodność dostępnych obecnie opracowań dzieli materiał kompozytowy na dziesiątki typów i odmian, z których każdy jest bardzo poszukiwany na rynku usług budowlanych i naprawczych.

Więc, istnieją materiały lustrzane, wypełnienia, kwarc i inne materiały kompozytowe przeznaczone do konkretnych zastosowań. Cechy każdego z tych gatunków różnią się od siebie. Na przykład nano- i mikrokompozyty bez polimerów nie palą się.Zwęglają się dopiero po podgrzaniu do co najmniej setek stopni Celsjusza, co ułatwia ich stosowanie w temperaturach nietypowych dla warunków pokojowych.

Materiały kompozytowe produkowane są zgodnie z następującym schematem. Najpierw składnik matrycy nakłada się na włókna wzmacniające, następnie wstęgi składnika wzmacniającego i samą matrycę formuje się za pomocą formy tłocznej. Powstały materiał jest wyciskany, spiekany, a na włókna nakładana jest dodatkowa powłoka. Dalej uformowany materiał wtórny (kolejny etap) jest przesyłany do ponownego prasowania, przechodzi etap nanoszenia matrycy w postaci natrysku za pomocą plazmy. Trzecie tłoczenie - wyciskanie - to ostatni etap. W ten sposób kompresja (prasowanie) odbywa się co najmniej trzy razy.

Naturalne materiały kompozytowe są lekkie, trwałe i najnowocześniejsze. Stosowane są głównie w samolotach, w tym samolotach i pociskach. Nieskomplikowane kompozyty tworzy sama natura, np. słoje drewna, kora. Naturalnymi materiałami kompozytowymi wytworzonymi przez człowieka są cegły gliniane zawierające piasek, bloki cementowo-piaskowe z dodatkiem trocin i inne.

Włókno szklane uznawane jest za jedno z klasycznych włókien kompozytowych. Jest to plastikowa taśma kompozytowa, która przykleja się do wszelkiego rodzaju powierzchni. Ta matryca utrzymuje pasma włókna szklanego na miejscu. Dzięki sprasowanym w ten sposób włóknom szklanym zapewniona jest wytrzymałość tego materiału. Plastik jest z natury miękki i elastyczny, podczas gdy szkło jest twarde i kruche.

Dzięki połączeniu tych właściwości możliwe jest uzyskanie bardzo elastycznego i jednocześnie solidnego materiału, w którym tworzywo sztuczne i szkło wzajemnie się uzupełniają. Kompozyt wykorzystywany jest do produkcji karoserii samochodów i łodzi motorowych. Kompozyt szklany nie rdzewieje i nie utlenia się.

Bardziej nowoczesne materiały budowlane, które pojawiły się znacznie później, zawierają metal, ceramikę i / lub polimer jako główną substancję. Klasyfikacja tych materiałów uwzględnia również dodatki niemetaliczne, takie jak wióry drzewne czy pył. Kompozyt drzewny wzmocniony tworzywem sztucznym lub deska kompozytowa (i materiał arkuszowy wykonany z tych samych składników) jest używany do produkcji mebli i podłóg werand lub tarasów.

Drewno pokruszone i zmieszane z roztopionym do stanu miękkiego polimerem służy jako utwardzone pokrycie pokładu, po którym można chodzić, a nawet przenosić meble: Drewniana deska lub arkusz z tworzywa sztucznego nie pęka ani nie pęka, będąc solidnym materiałem.

MDF - profil skrzynkowy lub pełny, w którym nie wykorzystuje się żywicy syntetycznej ani plastiku, lecz wyłącznie żywice pochodzenia naturalnego. Drewno pokruszone na wióry i pył jest impregnowane tą substancją, a następnie przechodzi przez etapy spiekania i prasowania w piecu. Popularne produkty wykonane z MDF to wysokiej jakości drzwi i laminat. Podczas spiekania i utwardzania żywicy ulegają polimeryzacji – powstaje naturalny polimer, w którym rozpuszcza się pył drzewny (i rozprowadzane są wióry).

Najprostszym przykładem jest stop aluminium lub magnezu wzmocniony włóknem węglowym. Ale aluminium można uzupełnić węglikiem krzemu, a kompozycję miedziowo-niklową można uzupełnić grafenem, podtypem włókna węglowego.Materiały kompozytowe z metalową osnową są mocne, mają akceptowalną sztywność dla rozwiązania większości problemów, są odporne na zużycie, odporne na utlenianie i mają względną lekkość w porównaniu z produktami całkowicie metalowymi.

Są drogie i trudne w obróbce. Na przykład elementy tłoków do silników spalinowych Diesla wykonane są z nowoczesnych kompozytów. Siding kompozytowy na elewację wykonany jest z blachy aluminiowej, pomiędzy której warstwy wylewa się tworzywo sztuczne. Barwienie pomaga nadać takiemu wykończeniu inny kolor.

Jak można się domyślić, zamiast metalu głównym materiałem w kompozycie ceramicznym jest ceramika. Na przykład jako ten pierwiastek stosuje się szkło zawierające bor na bazie wtrąceń krzemianowych. Służy jako drugorzędny składnik osnowy i jest wzmocniony włóknem węglowym lub wtrąceniami ceramicznymi, w roli których wykorzystywany jest węglik krzemu. Kompozyt ceramiczny pozwala np. radzić sobie z kruchością litej ceramiki, tworząc charakterystyczne zbrojenie przezwyciężające zjawisko pękania załamań.

Kompozyt węglowo-węglowy to jeden z najbardziej poszukiwanych produktów na rynku materiałów kompozytowych., co umożliwia uzyskanie kompozycji wyprzedzającej włókno węglowe i kompozyt pod względem właściwości wytrzymałościowych oraz wskaźnika niezawodności przedmiotów wykonanych z takiej substancji. Taki kompozyt stosuje się np. do produkcji części do samochodowego układu hamulcowego i sprzęgłowego.

Dziś nie kończy się rozwój nowocześniejszych materiałów, które zastąpiłyby te, które już przeniknęły na rynek, na którym są wykonane dziesiątki tysięcy rodzajów produktów. Więc, wymiary włókien wzmacniających w nanotechnologii są 1000 razy mniejsze niż ich dłuższych poprzedników. Jednym z materiałów przyszłości są nanorurki węglowe, z których powstają np. kije hokejowe. W tym przykładzie włókno nanowęglowe jest pokryte materiałem kompozytowym niklowo-kobaltowym. Ten kij jest prawie trzy razy mocniejszy i o jedną piątą bardziej pozbawiony załamań i pęknięć niż podobny produkt wykonany ze stopu stali.

Materiały kompozytowe utwardzane dyspersyjnie są klasyfikowane jako nanomateriały, w których długość głównych włókien jest doprowadzona do wartości 100 nm. Ale w ostatnich latach dziesięć nanocząstek skurczyło się do 10 nm - podobne podejście stosuje się np. w półprzewodnikach i przewodnikach tworzących kryształ mikroprocesora, mikrokontrolera czy mikroukładów tworzących pamięć elektroniczną. Do belek i paneli kompozytowych stosuje się ściśle określone normy: na przykład sztywność (moduł Younga) musi wynosić co najmniej 130 gigapaskali, materiały muszą być odporne na zużycie zmęczeniowe i być stabilne wymiarowo. Celem jest rozwiązanie wszystkich tych problemów jednocześnie. Wady - wysoki koszt ze względu na zwiększone obciążenie wiedzą w zakresie opracowywania, wdrażania i praktycznego zastosowania tych materiałów.

Rosyjski rynek produkcji CM stanowi tylko 3% dostaw eksportowych na poziomie światowym. Wynika to z braku jednolitych dokumentów regulacyjnych, które upraszczają produkcję kompozytowych materiałów budowlanych, a do niedawna importowano 90% surowców do produkcji.

Więc, produkcja plastiku wzmocnionego włóknem węglowym w Rosji dopiero zaczyna się rozwijać, podczas gdy np. Chiny są jednym z wiodących producentów kompozytów. Nowe materiały, w tworzeniu których brali udział także rosyjscy naukowcy, opierają się głównie na wykorzystaniu nanocząstek.

Materiały kompozytowe są wykorzystywane w budowie samolotów do produkcji niektórych elementów silników i konstrukcji nośnych samolotów. Przemysł kosmiczny wykorzystuje je do produkcji konstrukcji nośnych i okładzinowych dla rakiet i satelitów, które podczas wchodzenia na orbitę silnie się nagrzewają. Przemysł motoryzacyjny wykorzystuje kompozyt do produkcji karoserii i zderzaków. Przemysł wydobywczy wykorzystuje CM jako materiał do wierteł. Inżynieria lądowa wykorzystuje CM do budowy elementów mostów i innych konstrukcji wysokościowych.

Podstawowym warunkiem w różnych gałęziach inżynierii mechanicznej jest zmniejszenie ciężaru własnego samochodów i wyposażenia specjalnego, wszelkiego rodzaju pojazdów: do 70% komponentów to materiały niemetaliczne. Podłoga samopoziomująca (podłogi wylewane), a także schody wylewane, polegają na zastosowaniu kompozytu, w którym zanim zareaguje z powietrzem, znajduje się substancja półpłynna, ewentualnie syropowata. Kompozyt ten można łatwo nakładać na podłoże betonowe za pomocą kleju epoksydowego, w którym rozpuszcza się wypełniacz bazowy.

Kalkulacja możliwości zastosowania CM opiera się na najważniejszym parametrze – efektywności wykorzystania odpowiednich technologii. Matryce metaliczne i niemetaliczne w produkcji bardziej złożonego kompozytu można łączyć w różnej kolejności. Na przykład opona rowerowa, w bieżni, w której zastosowano kilka warstw włókien wzmacniających: nylon, kevlar, cienki drut stalowy i mieszankę, które umożliwiają zwiększenie liczby linii ochronnych. Dzięki tym technologiom rowerzyści nie „łapią” cierni i kawałków szkła, drutu, poruszając się poboczem jezdni bez asfaltu, dróg gruntowych i kamienistych.

Taka opona przejedzie nie jeden, ale nie mniej niż dwadzieścia tysięcy kilometrów, zanim zużyje się tak bardzo, że jej przebicie będzie jednak częstym zjawiskiem. Obliczenie kosztu jednej takiej opony, przy której cena ta może wzrosnąć 10-krotnie lub więcej, pozwala skorzystać z niewielkiej ogólnej obniżki ceny, bez konieczności wymiany podobnych opon nawet 10-krotnie (czynnik ten jest traktowany jako czas spędzony o manipulacjach naprawczych) - przy przejściu wszystkich tych samych 20 000 km na tych samych oponach.

W tym przypadku opony rowerowe są rodzajem multikompozytu, w którym stosuje się kilka warstw wzmacniających (matryc), a nie jedną. Obliczenie produkcji określonego rodzaju materiału kompozytowego opiera się na formie, w jakiej jest on używany. Wtrącenia wzmacniające stosuje się jako nici, taśmy, cienkie tkaniny, włókno lub składnik lin. Ilość utwardzacza w materiale objętościowo i wagowo wynosi 30-80% w zależności od przeznaczenia danego typu kompozytu.