История композиционных материалов

в 7:53, , рубрики: нанотехнологии, Научно-популярное, физика

Композиционный материал – это неоднородный сплошной материал из двух или более компонентов с чёткой разницей между ними. Самый простой пример – обычная клееная фанера. Но есть и гораздо более интересные технологии и материалы, используемые в авиастроении, автомобилестроении и других областях. Подробнее – под хабракатом.

История композиционных материалов

Древние первооткрыватели

Два или более неоднородных материала используют вместе, чтобы создать новый уникальный материал или же улучшить характеристики одного из них. Первое использование этого метода относится к 1500 году до Нашей Эры, когда в Египте и Месопотамии начали использовать глину и солому для строения зданий. Также солому вносили в состав для укрепления керамических изделий и лодок.

Кирпичи, в которых использовалась слома, называют «саман». Примерно так их делали египтяне:

История композиционных материалов

Следующая веха – это 1200 год Нашей Эры. Постарались монголы: они создали первый композиционный лук. Использовали такие материалы, как древесина, кость и животный клей. Монгольский лук делали обычно из нескольких слоев древесины, в основном это была береза, которые склеивали с помощью животного клея. Роговые накладки находятся на внутренней стороне лука, закрепленные жилами.

История композиционных материалов

Эра пластиков

Не было бы современных композитов, если бы ученые не придумали пластмассы. До этого единственным источником клея и связующих веществ были природные смолы, которые получали из животных или растений. А в начале XX века разработали винил, полистирол, фенол и полиэстр – эти материалы значительно превосходили ранее используемые.

Но и пластмассы не были способны обеспечить достаточную прочность. Нужно было армирование получше, и в 1935 году фирма Owens/Corning представила стекловолокно. В сочетании с пластиковыми полимерами стекловолокно представляет собой чрезвычайно сильную и при этом очень легкую структуру. Это начало армированной полимерной промышленности.

Первая реклама продукта из стекловолокна относится к 1939 году. Это реклама воздушного фильтра этой компании.

История композиционных материалов

В 1957 компания рекламировала шторы из стекловолокна с принтом.

История композиционных материалов

Еще кое-что из 1970 года – панели из стекловолокна для теплоизоляции при строительстве.

История композиционных материалов

Ранние инновации в композиционных материалах: Вторая Мировая

Множество изобретений в этой сфере были придуманы во время войн. Как монголы создали свой композиционный лук, так и Вторая мировая война позволила армированным полимерам перекочевать из лабораторий в реальный мир.

Альтернативные материалы, позволяющие снизить вес конечного изделия, были необходимы в военном авиастроении. Очень быстро инженеры поняли преимущества композитов в плане их веса и прочности.

Также инженеры узнали о таком преимуществе композитов из стекловолокна, как радиопроницаемость. И начали применять «обтекатели», защищающие радиомодули от внешних факторов, в том числе ветра.

История композиционных материалов

Во время войны Германия пыталась также разработать самолет-невидимку, задолго до Stealth в США. Тогда необходимо было использовать в корпусе композитный материал, где между слоями фанеры находился бы наполнитель из легкой бальзы – дерева, растущего в Южной Америке. Но в 1944 году этот материал для немцев был недостижим, поэтому пришлось использовать эрзац-композит «формхольц»: между слоями 1,5 миллиметровой фанеры была смесь пропитанных смолой древесных опилок и пористого угля.

История композиционных материалов

Адаптация композитов

В общем, к концу войны небольшая ниша композиционной промышленности была заполнена. И теперь стояла непростая задача: как перейти с военных заказов на продукты мирного назначения.

Среди очевидных вариантов были лодки. Первая лодка с композитным корпусом была представлена в 1946 году. Примерно в то же время сделали доску для серфинга из стекловолокна. И появился метод “протяжки” — “пултрузия”, используемая в производстве полимерных композиционных материалов.

Вот, например, схема сухой пултрузии. Метод значительно упрощал производство.

История композиционных материалов

Автомобили – еще одно важное направление для полимерных композитов.

В 1954 году в США в продаже появился первый спорткар, корус которого сделан из стекловолокна: Kaiser-Darrin. Эта машинка разгонялась до 60 миль в час за 15,1 секунды. А максимальная скорость – чуть меньше 100 миль в час, то есть около 160 км/ч.

Такие характеристики стали достижимыми при движке в 90 лошадиных сил во много благодаря небольшому весу автомобяли, около 2200 фунтов, то есть 997 кг.

История композиционных материалов

История композиционных материалов

В 1970-х материалы стали еще лучше и сложнее. Компания DuPont, а именно одна группа под управлением Стефани Кволек, разработала арамидные волокна, известные нам как кевлар. Сейчас это общеизвестный материал, используемый в бронежилетах. Кевлар в пять раз прочнее стали. Разрабатывали этот материал для армирования автомобильных шин, и он и сейчас используется в этих целях. Также им армируют медные и волоконно-оптические кабели.

Автомобильная шина Wrangler с использованием кевлара.

История композиционных материалов

Рукав из кевлара с доком для iPhone.

История композиционных материалов

В беспилотном авиастроении кевлар также применяется. Например, для дополнительной защиты беспилотного летательного аппарата RQ-11 Raven.

История композиционных материалов

Космос и авиация

Алюминий и другие металлы при производстве деталей самолетов заменяют на композиты низкой плотности, что позволяет снизить массу самолетов. Это, в свою очередь, позволяет экономить топливо. Так что в гражданской авиации сейчас широко используются композиты.

В Boeing 787 DreamLiner из композитных материалов на основе углерода изготовлены 50% элементов фюзеляжа. Таким образом, этот самолет легче и прочнее обычного лайнера с алюминиевым фюзеляжем.

История композиционных материалов

Двигатель Genx от General Electric также имеет в себе композитные материалы: из них изготовлены корпус, лопатки турбины и форсунки, впрыскивающие топливо в камеру внутреннего сгорания.

История композиционных материалов

История композиционных материалов

Оружие

Само собой, композиционные материалы используются при создании оружия. Например, межконтинентальная баллистическая ракета «Тополь-М»: на 90% она состоит из композитов, включая конструкции двигателей и головную часть.

История композиционных материалов

Сменный ствол винтовки Christensen Arms, выполненный из углепластика. Винтовка построена на базе затворной группы Remington-700.

История композиционных материалов

Карабин Carbon Custom R-93 со сменными стволами.

История композиционных материалов

Приклады для винтовок, выполненные из композитных материалов. Представлены на «Открытых инновациях» в прошлом году российским производителем ХК «Композит».

История композиционных материалов

Современные полимерные композиционные материалы

Самая интересная группа композитов – это полимеры. Это не фанера и не солома в кирпичах, а сложные в производстве материалы, инодгда включающие работу даже на уровне нано (10 в -9 степени).

Немного теории в этот раз. Для армирования используют:
Углеродные ткани (карбон);
Арамидные ткани (кевлар);
Гибридные ткани (карбон+кевлар);
Однонаправленные гибридные ткани;
Стеклоткани;
Мультиаксиальные ткани;
Углеродные ленты;
Препреги.

Как используют углеродные ткани?

Для изготовления карбоновых деталей применяется как просто углеродное волокно с хаотично расположенными и заполняющими весь объем материала нитями, так и ткань (Carbon Fabric). Наиболее распространены такие виды плетений, как Plain, Twill, Satin.

Плотность ткани, или удельная масса, выраженная в г/м2, помимо типа плетения зависит от толщины волокна, которая определяется количеством угленитей. Данная характеристика кратна тысячи. Так, аббревиатура 1К означает тысячу нитей в волокне.

Часто мы можем услышать от пацанов на районе автомобилистов, что они «обклеили карбоном авто». Здесь речь, на самом деле, идет чаще не о полимерных композитах, а об обычной декоративной пленке, сделанной под карбон. икакого преимущества такая пленка не дает: вес деталей меньше не станет, в прочности тоже она не выиграет. Так что это — просто погоня за модой и желание сделать собственное авто похожим на гоночные машины из Need For Speed.

История композиционных материалов

В строительстве зданий и дорог, для армирования бетонным емкостей и хранилищ используется углепластиковая и стеклопластиковая арматура, инертная ко всем агрессивным средам, обладающая высокой прочностью и ожидаемым сроком службы 75 лет.

История композиционных материалов

Армировать при строительстве и после него можно и с внешней части: используя углеродную ленту, пропитанную двухкомпонентным эпоксидным составом. Картинку лучше, к сожалению, не нашел.

История композиционных материалов

Асфальт можно армировать с помощью добавления в него фибры. Вспомнили солому и глину в начале поста?

История композиционных материалов

Нанотехнологии

Сами полимерные композиты вряд ли можно назвать нанотехноологичными, если нанотехнологии определять как «совокупность технологических методов и приемов, используемых при изучении, проектировании и производстве материалов, устройств и систем, включающих целенаправленный контроль и управление строением, химическим составом и взаимодействием составляющих их отдельных наномасштабных элементов (с размерами порядка 100 нм и меньше), которые приводят к улучшению, либо появлению дополнительных эксплуатационных и/или потребительских характеристик и свойств получаемых продуктов».

Но в недавнее время на рынок вышли полимерные смолы, выполняющие роль связующего, которые, исходя из процесса их производства, вполне подпадают под определение нанотехнологии.

Медицина

Конечно, изначально военные разработки очень часто превращаются в продукты мирного времени, и используются в том числе в медицине.

Начнем, конечно, со стоматологии. Пломб вам ставили? С высокой вероятностью это были композиционные материалы. Прямо при вас непосредственно перед установкой врач смешивает компоненты, после чего устанавливает на место и затем держит несколько минут ультрафиолетовую лампу. Это светоотверждаемые пломбы.

Есть и пломбы химического отверждения. Например, стеклоиномерный цемент из порошка и жидкости, в которой порошок — алюмофторсиликатное стекло с фтором, а жидкость — водный раствор полиакриловой кислоты.

История композиционных материалов

Композитные волокна используются при производстве ортезов. Ортез — это специальное приспособление, предназначенное для разгрузки, фиксации, активации или коррекции функций сустава или конечности. Здесь имеются кортезы, бандажи, обувь и другие продукты.

История композиционных материалов

История композиционных материалов

Само собой, протезы также делают из композиционных материалов. В случае с образцами для бегунов это просто необходимо, так как такой гибкости и прочности другие материалы дать неспособны.

История композиционных материалов

Заключение

Древнейший метод, который помогал делать кирпичи и луки прочнее, в сочетании с современными материалами дает неоценимые преимущества в различных сферах. Среди этих сфер – авиа- и автомобилестроение, космонавтика, медицина, включая стоматологию и протезирование, и строительство. Даже такая простая вещь, как арматура в бетонных конструкциях, теперь стала более технологичной, выполненной из стеклопластика и углепластика. Пломбы у стоматолога, как я писал выше, также относятся к композитным материалам. Композиционные материалы прочно вошли в нашу жизнь, подчас абсолютно незаметно для нас.

При этом использование этого метода возможно даже в домашних условиях. Я упоминал в одной из прошлых публикаций, что планирую сделать новые моды для своего квадрокоптера. Как только достигну в этом успеха — напишу.

Автор: Abac

Источник

Поделиться

* - обязательные к заполнению поля