История композиционных материалов

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.

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:



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.

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.



В 1957 компания рекламировала шторы из стекловолокна с принтом.



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

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.



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.

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.



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





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.



Рукав из кевлара с доком для iPhone.



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

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.



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.

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.



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



Карабин Carbon Custom R-93 со сменными стволами.



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

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.



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.



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



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

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. дицина
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.



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





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.

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.

Источник: geektimes.ru/post/240596/