Список современных композитных материалов

Правильное сочетание разных по свойствам компонентов позволяет создать композитный материал. Без него сейчас немыслимо строительство, машиностроение другие сферы промышленности. Смысл композитов — в изменении свойств однородной основы путем включения дополнительных элементов. Например, добавление в керамическую основу арматуры — тонких металлических стержней — увеличивает прочность.

Классификация композитных материалов

В композитах два основных элемента — матрица и наполнитель. Они прочнее, чем простые вещества, более износостойкие, менее подвержены механическим повреждениям, при этом имеют меньший вес. Добавление наполнителя в несколько раз снижает стоимость готового продукта.

Все композиционные смеси делятся на группы в зависимости от структуры: 

• слоистые — триплексные стекла (сочетание слоев полимерной пленки и стекла), 
• волокнистые — кевлар (прочное пара-арамидное волокно), 
• упрочненные частицами — содержание мелких компонентов 20–25%, размер больше 1 мкм,
• дисперсно-упрочненные — включают от 1 до 15% порошка с песчинками менее 0,1 мкм,
• нанокомпозиты — максимально мелкие частицы в составе размером 10–100 нм.

По видам используемой матрицы различают полимерные, керамические или металлические композиты. 

Полимерные композиты

Это самый большой класс композитов, матрицей для которых служат термопласты и термореактивные смолы. Первые сохраняют свои свойства при нагревании и охлаждении многократно, вторые единожды принимают свою структуру при нагреве. 

Разработка полимерных композитов позволила создавать материалы более легкие, при этом обладающие лучшими качествами. Их разновидности составляют целый перечень композитных материалов.

Стеклопластики

Сюда входят материалы, в которых используется полимерная основа, армированная стеклянными включениями. Их производят нагреванием неорганического стекла, формируя подходящие по размеру волокна. Стеклопластик — недорогой материал, активно используемый в строительстве, изготовлении приборов и спортинвентаря. Он необходим во многих промышленных сферах из-за своих свойств — низкой теплопроводности, прочности. Материал проводит радиоволны, но не пропускает электричество.

Углепластики

Этот вид содержит натуральные или искусственные углеродные волокна. Готовый материал получается неплотный, легкий и очень упругий. Он устойчив к высоким температурам, хорошо проводит ток. Непрозрачный, прочный, не меняет размеров при перепадах температур. Применяется в строительстве автомобилей и авиакосмической техники, для изготовления протезов и спортивных принадлежностей.

Боропластики

Этот сочетание полимерной основы и борных волокон. Такой наполнитель прочнее других при сжатии, поэтому композит получается износостойким и прочным, но хрупким в случае удара. Боропластик инертен к агрессивной среде. Из-за особенных свойств и высокой стоимости он имеет узкую сферу применения — в составе деталей и конструкций, где требуется хорошая надежность при высоких нагрузках, например, в авиастроении.

Органопластики

В качестве наполнителей здесь используются искусственные и натуральные органические волокна. Органопластик обладает более привлекательными эксплуатационными свойствами, чем стеклопластик. Он легче, у него меньше плотность, но по износостойкости он заметно превышает показатели. Предел прочности у него больше в 1,5 раза, а упругость выше в 2 раза. В качестве связующих элементов чаще всего выступают полимерные, фенольные и эпоксидные смолы. Органопластик отлично подходит для изготовления деталей электротехники, радиоприборов и всех видов транспорта.

Дисперсно-наполненные полимеры

Наполнителем служат порошки. Они добавляются для снижения стоимости или для придания материалу определенных свойств. Современный дешевый порошковый наполнитель — каолин. Готовый композит используется обычно для изготовления труб.

В состав могут входить природные компоненты — песок, древесная мука, глина, тальк, мел. Для создания материала с нужными свойствами и показателями прочности используют порошки разной твердости.

Текстолиты

Это полимерные композиты со слоистой структурой и тканевым наполнителем. Чаще всего из них делают кухонные поверхности — столешницы, декоративные панели. Производятся по технологии горячего прессования с предварительной пропиткой и сушкой. Слой полимерной матрицы армируется натуральным или синтетическим текстилем. Когда текстолиты только начали производить, они всегда имели форму пластины. Сейчас они доступны в разных формах. Из него производят амортизирующие и уплотнительные прокладки, подшипники. 

Композиты на основе керамики

В основании этих материалов используются неорганические полимеры и керамические смеси. Они бывают природного происхождения и искусственно созданные. В матрицу добавляются высокопрочные наполнители — волокна, порошки, сетки.

Путем разного сочетания компонентов можно контролировать свойства готового материала и добиваться нужных характеристик в зависимости от планируемой сферы применения. Керамические композиты становятся частью деталей автомобилей, самолетов, космической техники. Они подходят для производства изделий, которые будут работать в агрессивных условиях — при больших нагрузках, на высоких скоростях и при воздействии экстремальных температур.

По структуре их можно разделить на следующие разновидности:

• Дисперсный. В керамической основе по всему объему равномерно распределены частицы наполнителя.
• Слоистый. Компоненты с разными свойствами располагаются поочередно слоями. Часто наполнителем становится фольга, реже — металлические порошки, нити, гранулы.
• Армированный. Бывает с ориентированным и произвольным армированием. В качестве укрепляющего компонента используют волокна, нити кристаллов, металлопрокат и т.д.

Производство композитных материалов основано на технологии прессования и спекания. Часто основным компонентом выступают керамические порошки с определенной долей металлических включений. Компоненты смешивают, формируют и спекают. Армированные композиты производят по более сложной технологии, которая предусматривает правильную дозировку порошка и бережное перемешивания без повреждения наполнителя.

Композитный материал на металлической основе

Он состоит из металла с волокнистыми включениями. Чаще всего для матрицы используется алюминий, никель, магний, а наполнителем могут быть волокна бора, углерода, карбида. Высокопрочные тугоплавкие волокна равномерно распределяются в металле, но не растворяются в нем. При этом дисперсные частицы смешиваются воедино с основным материалом. Наиболее популярные металлические композиты — углеалюминий, бороалюминий.

Волокнистые композиционные материалы

Это одна из разновидностей структуры композитных материалов. Они производятся путем армирования непрерывными волокнами каждого слоя матрицы. Иногда волокна могут быть сплетены в единое полотно, иметь форму конечного изделия или выполняться в формате трехмерных объектов.

Волокнистые композиты более упругие и жёсткие, обладают высоким коэффициентом выносливости, не склонны к образованию трещин.

Прочность материала зависит от свойств волокон. Например, для матрицы из алюминия или магния подойдёт борный или карбидный волокнистый наполнитель.

Сочетание компонентов с разными свойствами — не новшество, метод известен с давних времен. Современные композиты благодаря высоким технологиям в зависимости от цели использования могут получать разные свойства.