Композиционные материалы композиты — искусственные материалы полученные из

Композиционные материалы (композиты) - искусственные материалы, полученные из двух или более компонентов с сохранением индивидуальности каждого отдельного компонента МАТРИЦА НАПОЛНИТЕЛЬ СВОЙСТВА волокна, жгуты высокая удельная прочность Полимеры нити, ленты, щепа, низкая плотность, пластмассы опилки, стружка, высокая теплопроводность, углерод многослойные ткани, огнеупорность (~2000°C) металлы порошки, например, усталостная прочность керамика стекловолокно жаропрочность, твердость Волокнистые углеродное волокно повышенная прочность, композиты борное волокно теплопроводность порошки оксидов (газовые турбины) металлов, износостойкость металлическая (эмиссионные катоды) проволока, нитевидные кристаллы карбидов, нитридов, боридов и т. д.

По характеру матрицы композиционные материалы подразделяют на: - полимерные композиты (термопласты и реактопласты, смеси); - металлические (в том числе материалы, получаемые методами порошковой металлургии, и сплавы, состоящие из макронеоднородных фаз); - неорганические (неорганические полимеры, минералы, углерод, керамика); - комбинированные (полиматричные). По виду армирующих элементов и наполнителей Композиты могут содержать армирующие и наполняющие компоненты различных размерностей: -нульмерные, - одномерные, - двумерные. Террасная доска Лигнатэк, шовная, Россия - древесно-полимерная террасная доска «Эконом» класса - на основе Полипропилена до 20% и древесных опилок до 80% - максимально приближенные характеристики к натуральному дереву - облегчённый профиль - без нижней стенки

дисперсные (преимущественно порошковые) наполнители (сажа, опилки, песок, мелкодисперсные металлы, фосфаты, стеклянные и кремнеземные микросферы и т. д. ); компоненты нульмерные Двумерные 2 D одномерные

Трехмерные 3 D

Декоративные ограждения Holzdorf - из древесно-полимерного материала - устойчив к УФ лучам, влаге - не требует ежегодного ухода (покраски), срок службы более 20 лет - не гниёт, не выцветает - экологичность - не содержит свинца, формальдегидов и красителей

б г а Классификация композитов по конструктивному признаку: а -хаотически армированные (1 - короткие волокна; 2 - непрерывные волокна); б - одномерноармированные (1 - однонаправленные непрерывные; 2 однонаправленные короткие); в - двумерноармированные (1 - непрерывные нити; 2 - ткани); г - пространственно армированные (1 - три семейства нитей; 2 – n семейств нитей)

Для достижения максимальной прочности композиционного материала волокна должны быть расположены параллельно направлению действия напряжения. По этой причине при моделировании технологии изготовления и выборе схемы прочностного расчета высокопрочные композиционные материалы делят на три группы: с одноосным, двухосным (плоскостным) и трехосным (объемным) армированием Схемы армирования композиционного материала одномерными (волокнистыми) элементами: а — одноосное; б — двухосное; в — трехосное

При одноосном армировании проявляется анизотропия: в направлении волокон прочность выше, чем в поперечном (так как нагрузку воспринимает волокно, а матрица – передающая среда). При двухосном армировании анизотропии нет, но прочность вдоль оси волокон уменьшается примерно в 3 раза. а) б) Прочность при одноосном (а) и двухосном (б) армировании Чем тоньше и длиннее волокно, тем выше степень упрочнения

Схемы укладки волокон при трёхосном армировании: а - прямоугольная; б - косоугольная; в - с искривленными волокнами; г - система из п нитей Тканный композит

Стеклорогожа С-600 (764 гр. на 1 м/пог) L=1, 0 м Стекломат ( 600 гр. на 1 м. кв. ) L=1, 05 м 0, 63 кг. М/пог.

Стеклоровинг в бабинах Карбоновое волокно Стеклопластиковый бампер передний Эскудо

Алюминиевый композит Алмазометаллический композит Polymer composite materials: reinforcing glass fibers in a polymer matrix

Технологии изготовления армированных композиционных материалов Выкладка Метод ручной выкладки представляет собой метод послойного укладывания в (на) форму армирующего материала (стеклоткани, например) с одновременным пропитыванием каждого слоя связующим. Прессование Метод формования изделий из композиционных материалов путем сдавливания разъемными деталями пресс-формы находящегося между ними препрега или премикса. Одним из видов прессования является штамповка. ПРЕМИКСЫ И ПРЕПРЕГИ - реактопласты, приготовленные из термореактивных смол (обычно полиэфирных) и различных наполнителей. Премиксы готовят смешением смолы с наполнителем (50 -80%, в т. ч. 5 -30% волокнистых) и загустителем, препреги - пропиткой волокнистого наполнителя (до 50 -70% ткани, бумаги, рубленого волокна и др. ) смолой. Намотка Метод предусматривает намотку препрега на какую-либо форму (оправку), представляющую тело вращения. Приготовление препрега, например, пропитка нитей или полотен ткани связующим, может осуществляться непосредственно перед намоткой посредством прохождения наполнителем специальных пропиточных ванн, а может осуществляться уже после того, как проведут намотку наполнителя на форму.

Ламинирование предусматривает нанесение на изделие или материал специального непрерывного слоя (ламината), выполняющего защитные, декоративные или иные функции. Ламинирование может быть холодным или горячим. Нанесение ламинирующего слоя может производиться с помощью каландров, прессованием, напылением и т. д. Центробежное формование предусматривает использование специальной цилиндрической формы, внутри которой раскладывается материал и в которую посредством дозатора подается связующее, распределяемое внутри формы с помощью центробежных сил, возникающих в процессе вращения формы. Напыление Основной принцип метода сводится к тому, что премикс или препрег подается через специальное распыляющее устройство потоком воздуха на поверхность формы.

Пултрузия Метод предусматривает формование изделий с различным профилем путем протягивания препрега (предварительно пропитанного материала) через фильеры. Light RTM Технология предусматривает использование герметичных форм, куда помещают армирующий материал и пропитывают его связующим, подача которого осуществляется посредством создания вакуума. Литье Метод представляет собой заливку в форму подготовленного компаунда (смеси связующего, наполнителя и различных вспомогательных и модифицирующих добавок). Отверждение смеси происходит в форме в результате воздействия химических веществ, предварительно добавленных в компаунд перед заливкой (т. н. отвердителей), или под воздействием температуры, излучений и т. д. в зависимости от химической природы связующего.

Применение КМ увеличивается с каждым годом. Главный потребитель – авиа-, ракетная и космическая техника. Из них изготавливают легкие и прочные корпуса, камеры сгора-ния ракетных двигателей, лопатки турбин, лопасти винтов, кузовные детали автомоби-лей. Важнейшая деталь турбины – лопатка, изготовленная из никелевого сплава, упрочненно-го нитями сапфира Al 2 O 3, выдерживает температуру газов на входе 1650 С! При этом предел прочности нитей составляет более 700 МПа. Сопла ракет изготавливают из порошков вольфрама или молибдена с керамическими нитями Al 2 O 3 в виде волокон или войлока. При этом прочность увеличивается в два раза.

Литьевые композиты Рама - композит Текстильный композит Композиты в строительстве Углеродный композит

А какие же материалы являются композитами? Одними из самых распространенных композитов является бетон и железобетон. Матрицей является отверждённая цементная масса (смесь оксидов), а упрочнителем – гравий и металлическая арматура Структура плиты ламинированной (ДСП)

Синтетическая нановолокнистая матрица – имплантат костной ткани

композитов

Волокнистые матрицей композиты с неметаллической Карбоволокниты - собой композиции из полимерного связующего (матрицы) и упрочнителей в виде углеродных волокон. Связующими служат полиамиды, эпоксидные и фенолформальдегидные смолы. Отличаются высоким статическим и динамическим сопротивлением усталости, водо- и химически стойкие, имеют высокую прочность в большом интервале температур, лёгкие (плотность 1, 4 г/см 3), имеют высокую ударную вязкость (50 Дж/см 2). Например, карбоволокнит типа КУП-ВМ по прочности и ударной вязкости в 5— 10 раз превосходит специальные графиты: При нагреве в инертной атмосфере он сохраняет прочность до 2200 о. C. В основном применяются в авиации и другой боевой технике, так как имеют высокую стоимость и анизотропию. Углеродный композит

Бороволокниты – композиции полимерного связующего и упрочнителя – борных волокон. Отличаются высокой прочностью при сжатии, сдвиге, срезе, низкой ползучестью, теплопроводностью и электропроводностью. Применяются в авиационной технике. Пример: КМБ-1 к – плотность 2, 0 г/см 3, ударная вязкость (50 Дж/см 2). Органоволокниты – состоят из полимерного связующего и синтетических волокон. Они устойчивы в агрессивных средах и во влажном тропическом климате; диэлектрические свойства высокие, а теплопроводность низкая, высокие демпфирующие свойства.

Волокнистые композиты на металлической основе Материалы с алюминиевой матрицей в основном армируют стальной проволокой (КАС), борными волокнами (ВКА) и углеродными волокнами (ВКУ). При объёмном содержании стального волокна 25% прочность материала увеличивается в 10 -12 раз и в 14 -15 раз при увеличении содержания волокна до 40%. Алюминий, армированный стальной проволокой, по основным свойствам значительно превосходит даже высокопрочные стали при плотности в пределах 3, 9 -4, 8 г/см 3. Материалы с магниевой матрицей (ВКМ) обладают меньшей плотностью (1, 8 -2, 2 г/см 3), чем с алюминиевой, примерно такой же высокой прочностью (1000 -1200 МПа) и поэтому обладают более высокой удельной прочностью. Материалы на никелевой основе (ВКН), армированные вольфрамовой проволокой, сохраняют высокие показатели прочности до 1000 °С. Армированные волокнами металлы, особенно алюминиевые, перспективны для авиационной и ракетной техники.

Порошковые (дисперсно-упрочнённые) композиты Наполнители - дисперсные частицы тугоплавких фаз Аl 2 О 3, Si. O 2, BN, Si. C и др. Оказывают сопротивление движению дислокаций, повышая прочность, но основную нагрузку воспринимает матрица. Основное преимущество – изотропность. Дисперсно-упрочнённые композиты на алюминиевой основе (САП) состоят из Al и Al 2 O 3. С увеличением содержания Аl 2 О 3 повышаются прочность, твердость, жаропрочность САП и уменьшается его пластичность. Например: САП-1 6 -8 % Аl 2 О 3 в=300 МПа САП-4 18 -22 % Аl 2 О 3 в=450 МПа САП хорошо деформируется в горячем состоянии, легко обрабатывается резанием и удовлетворительно сваривается контактной и аргонодуговой сваркой. Из САП-1, САП-2 и САП-3 изготавливают листы, профили, штамповые заготовки, трубы, фольгу. САП используют для деталей, работающих при температуре 300 -500 °С (лопатки компрессоров, лопасти вентиляторов и турбин, конденсаторы, обмотки трансформаторов в электротехнике). Дисперсно-упрочненные композиционные материалы на никелевой основе. В качестве матрицы используют никель и его сплавы с хромом (~20% Сг). Сплавы с хромоникелевой матрицей обладают более высокой жаростойкостью. Упрочнителями служат частицы оксидов тория и гафния и др.

Технологии изготовления армированных композиционных материалов Выкладка Метод ручной выкладки представляет собой метод послойного укладывания в (на) форму армирующего материала (стеклоткани, например) с одновременным пропитыванием каждого слоя связующим. Прессование Метод формования изделий из композиционных материалов путем сдавливания разъемными деталями пресс-формы находящегося между ними препрега или премикса. Одним из видов прессования является штамповка Намотка Метод предусматривает намотку препрега на какую-либо форму (оправку), представляющую тело вращения. Приготовление препрега, например, пропитка нитей или полотен ткани связующим, может осуществляться непосредственно перед намоткой посредством прохождения наполнителем специальных пропиточных ванн, а может осуществляться уже после того, как проведут намотку наполнителя на форму. Ламинирование предусматривает нанесение на изделие или материал специального непрерывного слоя (ламината), выполняющего защитные, декоративные или иные функции. Ламинирование может быть холодным или горячим. Нанесение ламинирующего слоя может производиться с помощью каландров, прессованием, напылением и т. д.

Центробежное формование предусматривает использование специальной цилиндрической формы, внутри которой раскладывается материал и в которую посредством дозатора подается связующее, распределяемое внутри формы с помощью центробежных сил, возникающих в процессе вращения формы. Напыление Основной принцип метода сводится к тому, что премикс или препрег подается через специальное распыляющее устройство потоком воздуха на поверхность формы. Пултрузия Метод предусматривает формование изделий с различным профилем путем протягивания препрега (предварительно пропитанного материала) через фильеры. Light RTM Технология предусматривает использование герметичных форм, куда помещают армирующий материал и пропитывают его связующим, подача которого осуществляется посредством создания вакуума. Литье Метод представляет собой заливку в форму подготовленного компаунда (смеси связующего, наполнителя и различных вспомогательных и модифицирующих добавок). Отверждение смеси происходит в форме в результате воздействия химических веществ, предварительно добавленных в компаунд перед заливкой (т. н. отвердителей), или под воздействием температуры, излучений и т. д. в зависимости от химической природы связующего.

применение Композиционные материалы применяют во многих отраслях промышленности, и прежде всего в авиации, ракетной и космической технике, где особое значение имеет снижение массы конструкции при одновременном повышении прочности и жесткости (горизонтальные стабилизаторы, закрылки, лопасти винтов, корпусы и камеры сгорания реактивных двигателей и др. ). Это позволяет уменьшить на 30 -40% массу, увеличить полезную нагрузку без снижения скорости. В настоящее время композиционные материалы применяют в энергетическом турбостроении (рабочие и силовые лопатки турбин), в автомобилестроении (кузова автомобилей, детали двигателей), в машиностроении, в химической промышленности (автоклавы, цистерны, емкости), в судостроении (гребные винты, корпуса лодок) и др. Широко применяют композиционные материалы в качестве электроизоляционных материалов (органоволокниты), радиопрозрачных обтекателей (стекловолокниты), подшипников скольжения (карбоволокниты) и др.

К 2015 ГОДУ ГЛОБАЛЬНОЕ ПОТРЕБЛЕНИЕ ДПКТ ПРЕВЫСИТ 5 МЛН. ТОНН Древесно-полимерные композиты представляют собой термопластичные перерабатываемые композитные материалы из древесной муки или волокон, а так же различных экструдируемых разновидностей пластика, например, ПП, ПВХ

OSB (ориентированно-стружечные плиты) - были получены в результате новейших исследований и разработок в технологии древесных композиционных материалов и принадлежат к последним изобретениям в области деревообрабатывающей промышленности. OSB является продуктом древесного происхождения, образованным прессованием прямоугольных плоских щепов в условиях высокого давления и температуры, с использованием склеивающей водостойкой смолы. Уникальные физико-механические параметры плиты объясняются размерами и характером укладки щепы - длинные тонкие щепы (длина - до 140 мм, толщина - до 0, 6 мм) укладываются в ковре тремя слоями. Внешние слои образуются щепой, ориентированной параллельно длине готовой плиты. Во внутреннем слое щепа укладывается перпендикулярно длине готовой плиты. По сути OSB - это «улучшенная древесина» более прочная и эластичная за счет сохранения в плоской щепе всех полезных свойств массива древесины, при отсутствии таких дефектов, как сучки, и изменение направления волокон в связи с естественными условиями роста дерева. Плита OSB содержит 90% древесины. Применение: Основными потребителями OSB являются строительная индустрия, транспортное строительство, производство тары и мебельная промышленность. Плита идеальна для: • покрытия крыши • обшивки наружных и внутренних стен, черновых и мозаичных полов, элементов к мягкой мебели перекрытий, конструктивных элементов (двутавровые балки) • сооружений лестниц, лестничных площадок, опалубки (многоразового использования) бетонных платформ, строительных лесов • временных ограждений строительных площадок, закрытия строительных проемов (окна, двери) • сооружения транспортных ящиков и поддонов, конструкции стеллажей, выставочных стендов, мебельных полок, прилавков, столешниц, рекламных щитов • застройки помещений на кораблях и железнодорожных вагонах • конструкции для автомобилей, полы прицепов фур и кузовов грузовиков.

Полистиролбетон - композиционный строительный материал.

Стеклопластиковые емкости из композиционных материалов.