Композитные материалы

 их отличии от других, традиционных изделий


 

            Без современных инновационных технологий невозможно создать новейшие решения в области строительства, а также в коммерческом и жилом строительстве, в реставрационных работах автомобильных дорог. Раньше в этих технологиях использовались изделия из стали, алюминия, железобетона, но на сегодняшний день нет ничего более современного, прочного и экологичного, чем синтетические композитные изделия из полимерных соединений. 

          Как правило, состав композитного материала включает в себя два трипа составляющих: связующее (матрица) или армирующий материал. Благодаря матрице изделие обеспечивается определенной формой и фиксирует армирующий материал. За счет этого матрица усиливается и передает свои свойства изделию. Подобное совмещение этих характеристик в веществах гарантированно создает принципиально новый композитный материал. 

          Тип армирующего вещества определяет виды композитных материалов. По этой характеристике они могут быть наполненными, иметь волокнистую, слоистую структуру, а также быть насыпными и скелетными. Свойства, которыми обладает тот или иной композитный материал зависит от сочетания физических, механических, химических характеристик, которыми будет обладать матрица и армирующий материал. Композитные материалы в последнее время стали очень популярными и очень часто применяются в разных сферах. Это легко объяснить тем, что у этих материалов есть целый ряд преимуществ, которые отличают их от других, традиционных изделий.

    К основным достоинствам композитных материалов относятся свойства, благодаря которым синтетические материалы обладают более высокой прочностью и устойчивостью к деформациям, разрывам, сжатиям, срезам и скручиваниям. Помимо этого, полимерные синтетические материалы являются более легкими по массе, удобными для транспортировки и установки. При этом есть хорошая возможность также и оптимизировать затраты на эти позиции.

  Композит устойчив к химическому воздействию агрессивной среды, атмосферные осадки ему тоже не повредят. Материал не боится резких перепадов температур, способен эффективно использоваться в разных температурных режимах при неблагоприятных климатических условиях. Ко всему перечисленному, можно сказать, что этот материал целиком безопасен для окружающей среды и полностью соответствует всем экологическим требованиям. 



 

 

Особенности композитов.

        

Композитные материалы имеют свои особенности, которые очень выгодно отличают их среди традиционных стройматериалов. Новые материалы создаютсяблагодаря естественным стремлениям разработчиков улучшать характеристики конструкций, которые эксплуатируются в данный момент, а также тех, которые вводятся в эксплуатацию. Эти технологии, осваиваясь строителями, дают новую возможность для разработки более современных сооружений и технологий. Одним из максимально ярких проявлений особенностей разработки полимерных материалов, является тот факт, что композит очень широко применяется в разных областях строительства. 


          Композитные материалы можно весьма справедливо назвать сырьем для строительства двадцать первого века. Они имеют высочайшие физико-механические свойства при невысокой плотности. Они более крепкие, нежели стальные и алюминиевые сплавы.

         Композитные материалы являются многосложными гетерогенными (разнородными) структурами, которые образовываются соединением армирующих элементов с изобтропным связующим. Армирующий элемент может иметь вид тонкого волокна, нити, жгута или ткани, обеспечивает физические свойства этого материала, который будет гарантированно прочным и жестким в направлении ориентации волокна, а матрица обеспечит цельность конструкции. Нынешние композитные материалы имеют удельную прочность и жесткость в направлении армирования, и этот показатель более, чем в 4 раза может превышать показатели стальной, алюминиевой арматуры и изделий из титановых сплавов.

При помощи внешней нагрузки на материал в момент разрушения определяется прочность конструкции. Жесткостью или модулем упругости называют характеристики материалов, которые определяют смещение сооружений под воздействием внешнего напряжения. Эта характеристика прямо пропорциональна явлению потери устойчивости сооружения, в момент, когда в нем развиваются переменные значения и возникает большая нагрузка на основание. В такие моменты несущая конструкция может быть разрушена. Удельной прочностью и удельной жесткостью является отношение предельного напряжения к модулю упругости в соответствии с плотностью материала. При более высоких удельных свойствах материалов, конструкция будет более легкой и прочной и порог потери устойчивости намного выше.

Для армирования материалов, как правило, используют высокопрочные волокна из стекла, базальта, арамида, углеродных, борных, органических соединений, а также из металлической проволоки и нитевидных кристаллов. Эти компоненты для армирования могут применяться в виде моноволокна, нити, проволоки, жгутов, а также ткани или сетки.

В композитном материале матрица является важнейшей составляющей, благодаря которой обеспечивается цельность композиции, фиксируется его форма и расположение армирующего волокна. Благодаря материалу матрицы можно обеспечить оптимальный метод изготовления элементов, а также выбрать соответствующий уровень рабочей температуры композита, стойкость к химическим раздражителям, поведение композита при влиянии атмосферных осадков и повышенных или пониженных температур.

Матрицей могут выступать материалы из эпоксидной, полиэфирной и некоторых других термореактивных, полимерных и термопластичных материалов. В композитных материалах волокнистой структуры, напряжение, которое возникает под воздействием внешних нагрузок, воспринимается высокопрочными волокнами. Они же и обеспечивают прочность сооружения по направлению армирования. Благодаря направленному характеру свойств композитных материалов, они имеют превосходные качества. Из композитных материалов могут создаваться конструкции со свойствами, заданными ранее и максимально соответствующие специфике и свойствам работ. Благодаря многообразию волокон и материалов для матрицы, а также схемы по котором происходит процесс армирования при создании композита, есть возможность целенаправленно производить регулирование прочности, жесткости, уровня рабочей температуры, химической стойкости и других свойств.

Широкие возможности технологического процесса производства материалов разных по форме определяют широкий ассортимент композитных материалов, которые можно сделать. При соблюдении всех технологий, необходимо применение специальных агрегатов и оборудования, оснастки и других станков. С помощью этой техники арматурные стержни можно гнуть в различных направлениях для самых нестандартных строительных решений.

В данном разделе мы можем подробно рассмотреть, что используется для изготовления композитных материалов, какой вид армирующего материала и матрицы можно применять, а также какие виды технологий применяются при производстве.

 


 

 

Композитные материалы и технологии.


Армирующие материалы для композитов:


 

1. Стекловолокно.

В технологии производства композитных материалов используются такие армирующие материалы, как стекловолокно. Этот материал является производной формой стекла, расплавленного методом экструзии. В процессе изготовления через прядильные фильтры пропускаются расплавленные нити, которые становятся очень прочными. Этот материал, в отличие от изделий из стекла, не бьется, не ломается, но при этом остается очень прочным и позволяет производить из него ткани и кабели для различного назначения. Как правило, его очень часто и широко применяют в строительстве домов, фундаментов для капитального строительства, а также реконструкционных работ в автодоре. Стекловолокно также используют для теплоизоляции фасадов, и звукоизоляции. Регулярно используется стекловолокно и для отделочных и конструкционных материалов, например стеклопластиковой арматуры, облицовочных панелей, досок, черепицы из стекловолокна. Этот материал обладает огнестойкостью, поэтому он безопасен для любых помещений, как коммерческих, так и жилых.

Если сравнить стекловолокно с обычными материалами, то композит выгодно отличается и по цене. Даная технология позволяет производить материалы, имеющие удельную прочность выше, нежели удельная прочность стали. А еще очень важно, что стекловолокну можно придать абсолютно любую форму. 

 

   

 

 2. Базальтовое волокно.

Еще одним очень популярным материалом для производства композита является базальтовое волокно, которое производится из горных пород, соответствующих по конструкции с базальтом, базанитом и габрадиабазом. Также используются и комбинации этих материалов. Данное волокно производят в специальных печах при высокой температуре. Материалы плавятся и свободно стекают сквозь особый отвод.

Базальтовое волокно может быть двух типов – штапельным и непрерывным, отличия этих двух видов в свойствах самого материала. Его очень широко применяют в производстве фильтров. Этот материал обладает легкостью и прочностью, благодаря чему его успешно используют для армирования бетонных сооружений. Базальтовая фибра применяется в строительстве, благодаря чему конструкция значительно улучшает свои качества в плане ударной прочности, морозостойкости и водонепроницаемости сооружений. Из базальтового волокна изготавливают теплоизоляцию и огнезащиту, базальтопластиковую арматуру, наполнители для фильтров со сверхтонкой очисткой, смеси для армирования бетона, изоляцию различных станков, которые работают в неблагоприятных погодных условиях и при очень низких температурах. Из этого материала изготавливают базальтовые маты и плиты из волокна, которые в последствие используются для обшивки трубопроводов.

Основными преимуществами изделий из базальтового волокна являются такие свойства, как высокая стойкость к химическому воздействию, низкая масса и очень выгодная цена. Пористая структура базальтового волокна не угнетает пропускную способность, а фибра, произведенная из базальтовых волокон, не подвергается коррозии и не обладает катодным эффектом, в отличие от металлических изделий. 

 

   

 

 3. Углеродное волокно.

В производстве композитных материалов используют также и углеродное волокно. Этот материал представляет собой вещество, в составе которого находится только карбонатный углерод. Этот материал был впервые изготовленный и запатентованный Томасом Эдисоном в конце 19 века, является сверхпрочным элементом, который можно получить с помощью метода обработки органического волокна высокими температурами. Производство композиционных материалов из углеродного карбоната представляет весьма непростой процесс, который осуществляется комплексно. После того, как материал окончательно застынет и графитизируется, количество чистого углерода в волокне будет составлять около 99%.

Углеродные композиты применяются, в основном, в области производства фрагментов летательных аппаратов, а также устройств, которые испытывают постоянные высокие нагрузки. Плавится этот материал при очень высокой температуре, поэтому его успешно применяют для термоизоляции в производстве вакуумных печей. К тому же, углеродный композит имеет свойство эффективно поглощать электромагнитные волны, что широко используется в радиотехнике. Углеволокно обладает крайне высокой химической стойкостью. Применяют его в производстве космических аппаратов, сверхзвуковых самолетов, деталей гоночных машин, экранов, поглощающих электро-магнитные волны, а также для производства профессионального спортивного инвентаря. Если сравнивать углекарбонатное волокно с традиционными материалами, то новый технологический материал обладает легкостью и прочностью, благодаря чему им можно заменить любой пластик и металл. 

   

 

4. Арамидное волокно.

Арамидное волокно также очень часто применяется в производстве композитных материалов. Его еще иногда называют кевларом. Он представляет собой прочный синтетических материал, получаемый из сополимерных нитей посредством нагрева их до пяти ста градусов. Этот материал имеет несколько разновидностей, таких как пара-арамидные и мета-арамидные волокна. Последние обладают очень высокой термостойкостью, благодаря чему их можно применять для создания аксессуаров в одежде.

Волокна из арамида широко применяются во многих видах промышленности. Они сочетают в себе легкость и прочность. Их применяют для конструирования авиакосмических аппаратов, деталей гоночных автомобилей, а также для производства спецодежды и экипировки гонщиков, военных, пожарных и других специальных сфер. Немаловажно, что арамид используют для производства бронежилетов, оплетки кабелей, сверхпрочных троссов, огнезащитной одежды, армирования автомобильных шин. Этот материал имеет очень высокий уровень прочности на разрыв, а также высокую стойкость к химическому воздействию и высокой температурой плавления. Благодаря таким качествам арамидное волокно практически не имеет аналогов, что позволяет производить из него ровинги. Они представляют собой жгуты, собранные из нитей этого волокна. Ровинги могут различаться по плотности или по толщине, это зависит от количества нитей волокон в жгуте, диаметра нити, вида сырья, из которого его производят. 

 

          На основе вышеописанных волокон производятся ровинги. Ровинг- представляет собой жгут собранный из нитей непрерывного волокна. Ровинги различаются: плотностью или толщиной - количеством нитей волокна в жгуте, диаметром единичной нити, видом сырья из которого они произведены, видом замасливателя и предназначением. Свое основное обозначение они имеют в тексах ("tex") — это вес 1-го километра ровинга в граммах. Поставляются ровинги в бобинах или катушках, герметично упакованных в пленку.

 

 

     

Стеклянный ровинг является непрерывным жгутом, сотканным из стеклонити. Для того что бы обозначить толщину ровинга, которая зависит от того, сколько нитей в него входит, применяют величину текс («tex»). В основном, ровинг производят на специальных тростильно-мотальных агрегатах, используя отдельные нити стекловолокна. Стекложгут в готовом виде прописывают специальным клеем из термопласта, который называется замасливатель. При помощи ровинга из стекла можно изготавливать арматуру, разнообразные профили, а также вращательные цилиндры, трубы, цистерны, которые можно использовать для того, чтобы хранить и транспортировать химические реагенты. Ровинг можно применять, как армирующий материал. Благодаря тому, что цена на него очень доступна, материал легкий и пластичный, его очень часто применяют в отделочных работах и декорировании фасадов. Также, ровинг используют для наполнения пластиков, изготовления пултрузионных профилей, строительной арматуры, армирования теплопласта, а также для изготовления стеклоткани, улучшения качества асфальтобетонного покрытия, а также для изготовления труб и ёмкостей, которые используются при высоком давлении.

Изделия, в основе которого лежит стеклянный ровинг, имеют множество достоинств. Прежде всего, это доступная цена, высокая прочность, безопасность, стойкость к неблагоприятным условиям, невосприимчивость к повреждениям и может быть использована в качестве теплоизоляционного материала в течение долгого времени. 

 

   

       

Ровинг из базальта является, по сути, жгутом, в котором равномерно натянуты цельные базальтовые нити. Что бы изготовить нити, крупнофракционный базальтовый щебень дробят, просеивают, промывают и просушивают. После этот состав загружается в рекуперативные печи для плавки, где крошка нагревается до 1500 градусов. Состав начинает плавиться и стекать в фидер, после чего поступает в фильерный питатель, откуда его вытягивают с помощью специального устройства, которое образует непрерывные нити. Способ прядения определяет каким будет ровинг – однопрокатным с прямыми нитями или сложенным. Высокая прочность и невосприимчивость вещества к агрессивной среде позволяет ровингу использоваться в производстве труб для транспортирования химических веществ, газов, находящихся в условиях высокой температуры и горюче-смазочных материалов. Ровинг на основе базальта используют также и для изготовления ткани и препрегов, строительной арматуры, армирования пластика и бетонных изделий, для изготовления крышных установок и облицовочного материала, в производстве термоизоляционных матов, для улучшения асфальтового покрытия в строительных и реконструкционных работах на дорогах. 


   

         

Ровинг из углерода представляет собой пряди, сотканные из цельных углеродных волокон. Нити волокна, которые входят в состав материала имеют очень маленький диаметр, до 15 микрон, благодаря чему жгут имеет очень высокую прочность на разрыв. Также, материал имеет очень маленький вес. Во время изготовления ними нагревают до 1700 градусов, химически обрабатываются, благодаря чему происходит карбонизация. Ровинги продаются в катушках, при этом их необходимо хранить в сухом месте. Углеродный ровинг можно применять на стройках, в области судостроения и авиационного производства. Высокие механические свойства, которыми обладают ровинги, позволяют ламинировать, армировать системы, в составе которых содержится эпоксидная, виниловая, полиэстровая смола. Ровинги, в составе которых есть нити углерода используют в медицинских целях, в строительстве, электротехники, авиастроении и ракетостроении, в нефтяной промышленности, космической промышленности, при изготовлении спортивных снарядов.

Преимущества углеродного ровинга очевидны – по сравнению с традиционно используемыми материалами, он имеет высокую прочность на разрыв, не ржавеют, и выдерживают экстремально высокие температуры. Волокна из углерода, которые входят в состав жгутоа, способны задерживать альфа частицы, а их свойства позволяют создавать бесшовные изделия сложных форм. 


 



 

Виды композитных связующих. Матрицы композитов:


          1.   Эпоксидное связующее.

Композитные связующие и матрицы могут быть различных видов. Очень часто используется эпоксидное связующее, которое образовано из вещества эпоксидной группы. Этот материал имеет трехмерную структуру, которая устойчива к воздействию щелочных, кислотных и галогеновых растворов. Связующее из эпоксида широко применяется в самых различных отраслях промышленности. Его применяют с целью склеить различные типы армирующих элементов и получить качественный композитный материал. Также, его используют как герметирующее средство для электронных приборов, различных плат и других устройств. Широко применяется это связующее в строительных работах, а также в бытовых целях. 

         2. Полиимидные связующие.

Не менее известным и популярным является связующее из полиимида. Эти вещества относятся к теплостойкому классу материалов, имеющих сложную структуру, имеющую большое количество связей между частицами. Благодаря теплостойкости этих частиц, этот материал используется, как связующее в системах теплозащиты космических кораблей, в ракетостроительной промышленности, а также многих других изделий, которые используются при агрессивно высоких температурах. Выбирая этот тип связующего, необходимо учитывать фактор токсичности этого материала, очень высокий уровень вязкости при обычных температурах, достаточно высокую цену, которая связана с длительным процессом производства. 

          3. Полиэфирное связующее.

Связующие из полиэфира – это продукт, который образовался в процессе полимеризации эфиров с насыщенными частицами. Особенность этого вещества заключается в том, что в нем присутствует высокий процент стирола, возникающий в процессе полимеризации. Это может приводить к двум негативным особенностям этого материала – кроме пористой структуры, он может быть еще и токсичным. Однако, эта связка более дешевая, нежели эпоксидное связующее, а также имеет меньшую вязкость и наносить его легче.

          4. Фенолформальдегидное связующее.

         Связующее из фенолформальдегида отличается особенностью, что уровень рабочей температуры может быть очень высоким. Также, немаловажно, что этот материал очень доступен, поскольку является побочным продуктом синтеза нефтяных продуктов. Он имеет хорошую текучесть, благодаря чему можно получить изделия различных конфигураций. Благодаря применению этого связующего материала можно получить хорошо пропитываемый армирующий элемент в композитном материале. 

          5. Углеродное связующее.

        Углеродное связующее позволит произвести изделие, обладающее очень высокими физическими и механическими свойствами. Его коэффициент линейного теплового расширения ≈10-7– 10-8; коэффициент теплопроводности до 1000 Вт/м•К; модуль упругости Е≈600 ГПа. Это вещество, также имеет отличные электротехнические свойства, а также высокую химическую инертность. Эту связку применяют в процессе изготовления сопловых блоков моторов, термостойкой плитки, а также в элементах электротехники. 

           6. Цианат-эфирное связующее.

         Цианат-эфирное связующее вещество имеет высокую радиационную стойкость, изменяемые механические свойства, которые зависят от времени обработки, а также низкое влагопоглощение и низкую диэлектрическую постоянную. Кроме того, связующие из цианат-эфира являются очень стойкими к изменениям температур, которые в других материалах могут вызывать микротрещины, а затем распад вещества. Благодаря этим свойствам цианат-эфир широко используют в композитных материалах для космической промышленности. Вещество применяется для изготовления рефлекторов, обтекателей, антенн, отражателей, а также размеростабильных пространственных структур. 

 


 

 

ГЕЛЬКОУТЫ

 

         

Для покрытия композитных материалов, используют модицифированные смолы, которые называются гелькоуты. Их изготавливают из полиэфирной или эпоксидной смолы, благодаря чему композит будет иметь гладкую глянцевую поверхность. Нанесение гелькоута необходимо производить с помощью краскопульта, что гарантирует равномерный слой, без отслаивания. В процессе формирования детали, зачастую используют специальный гелькоут матричного вида, который можно наносить более толстым слоем. Как правило, этой смолой покрывают стеклопластиковые изделия, благодаря чему создается дополнительная защита и продлевается срок эксплуатации материалов. Также, с помощью гелькоута поверхность окрашивается в необходимый цвет. 

 


 

 

Информацию о технологиях производства композитных материалов можно прочитать здесь..

 

 

НА ГЛАВНУЮ СТРАНИЦУ

Copyright © 2011-2016

Общество с ограниченной ответственностью «Экспериментальный завод композитных материалов»