Композитни материали: определение, видове, свойства и приложения

Композитните материали се произвеждат от два или повече основни материала, смесени заедно. Материалите могат да бъдат естествени или не и да запазват отделните си свойства, когато се смесват заедно. Въпреки това композитният материал като цяло може да се държи различно от всяка от своите части. Например, стоманобетонът (направен от бетон и стомана) има устойчивост на натиск и на сили на огъване. Непробиваемото стъкло (направено от стъкло и пластмаса) е по-устойчиво на удари, отколкото самостоятелното стъкло или пластмаса.

Самият бетон е композитен материал, един от най-старите изкуствени композити, използван повече от всеки друг изкуствен материал в света.

Дървесината е естествен композит от целулозни влакна в матрица от лигнин. Най-ранните композитни материали, създадени от човека, са слама и кал, комбинирани в тухли за строителство на сгради. Този древен процес на производство на тухли е документиран от египетски надгробни рисунки.

Полимерите, подсилени с влакна, се използват широко днес, както и пластмасата, подсилена със стъкло.

Определение и основни компоненти

Композит е материал, съставен от поне две различни фази: матрица и подсилващ компонент. Матрицата (полимер, метал или керамика) държи подсилването заедно и предава натоварването, докато подсилващият елемент (влакна, частици или плочи) осигурява механична якост и твърдост. Между двете фази често се формира междинен слой (интерфейс), който влияе силно на крайните свойства.

Видове композитни материали

• Полимер-матрица композити (PMC) — най-разпространените; включват стъкло- и въглеродни влакна в смола (например фибростъкло, карбонови композити).
• Метал-матрица композити (MMC) — метална матрица подсилена с керамични частици или влакна; използват се при високи температури и натоварвания.
• Керамика-матрица композити (CMC) — керамични матрици подсилени с влакна или частици за подобрена удароустойчивост и термоустойчивост.
• Естествени композити — какъвто е дървесината, където целулозни влакна са в матрица от лигнин; традиционни примери са и тухлите със слама.
• Ламинирани композити — слоести материали, при които ориентацията на слоевете дава желана анизотропия (напр. ламинирано стъкло, мултиламинирани карбонови платна).

Основни свойства

• Високо отношение якост/плътност — композитите често са по-леки, но също толкова или по-здрави от метали при равни условия.
• Анизотропия — свойствата зависят от ориентацията на подсилването; това позволява проектиране на материал с управлявани характеристики.
• Добра корозионна устойчивост — много полимерни композити са по-устойчиви на агресивна среда от метали.
• Ограничения — някои композити са чувствителни към удар (крехко разрушаване), подложени са на деламинация и могат да имат проблеми с дълготрайна умора и рециклиране.
• Термични и електрически свойства — варират значително; въглеродните влакна например са проводими, докато стъклените са изолатори.

Методи на производство

• Ръчно наслагване (hand lay-up) — подходящо за големи, сложни форми при фибростъкло.
• Вакум инфузия и RTM (resin transfer molding) — подобряват качество и повторяемост при смолни системи.
• Филаментно навиване (filament winding) — за цилиндрични компоненти като тръби и резервоари.
• Пултрузия — непрекъснато производство на профили с влакна.
• Прахова металургия и горещо пресоване — при MMC и CMC за високи температури и якост.
• Каширане и ламиниране — за мулти-слойни структури и ламинирани стъкла.

Приложения

• Строителство — стоманобетонът, армировъчни елементи, фасади, леки конструкции.
• Авиация и космос — карбонови конструкции на самолети и космически апарати за намаляване на масата и повишена ефективност.
• Автомобилостроене — леки каросерии и структурни елементи за намаляване на разхода на гориво.
• Енергетика — перки на вятърни турбини (големи композитни ламинати).
• Спорт и свободно време — ракетни ракети, велосипеди, спортно облекло и оборудване.
• Морска индустрия — кораби и яхти от фибростъкло поради устойчивост на корозия.
• Защита и балистика — бронежилетки, бронирани стъкла (посоченото непробиваемо стъкло).
• Медицина — импланти и ортопедични конструкции от биосъвместими композити.

Предимства и недостатъци

• Предимства: възможност за оптимизация на свойства, ниско тегло, устойчива на корозия опция, широк спектър от приложения.
• Недостатъци: по-висока цена при някои материали (например карбонови влакна), трудности при рециклиране, специфични методи за ремонт и инспекция.

Кратка историческа бележка и съвременни тенденции

Композитните материали са известни от древността (тухли със слама и кал и естествени композити като дървесината). Днес развитието върви към високо-производителни композити (карбон/епоксид), нанокомпозити, биоразградими матрици и методи за по-ефективно рециклиране. Също така напредват технологии като 3D печат на композитни структури и автоматизация на производството за устойчиво и икономично приложение.

Тестване и стандарти

Оценката на композитите включва стандартизирани механични изпитвания (на опън, огъване, удар, умора), както и неруйнівен контрол (ултразвук, рентген, термография) за откриване на деламинации и дефекти. Съществуват международни стандарти и индустриални норми, които регулират изискванията за безопасност и качество в различните приложения.

Композитните материали продължават да играят ключова роля в модерните технологии благодарение на комбинацията от леки и издръжливи характеристики и възможността за целенасочено проектиране на свойствата им.

Фон

Най-примитивните композитни материали са слама и кал под формата на тухли за строителство на сгради. В библейската книга Изход се разказва за израилтяните, които са потиснати от фараона и принудени да правят "тухли без слама". Днес използваме душ кабини и вани, изработени от стъклопласт - вид композит.

Шперплатът е често срещан композитен материал, с който много хора се сблъскват в ежедневието си.

Въпроси и отговори

В: Какво представляват композитните материали?

В: Могат ли композитните материали да се държат различно от всяка от своите части?

Въпрос: От какво се състои стоманобетонът?

В: Какви са свойствата на стоманобетона?

В: От какво е направено непробиваемото стъкло?

В: Какви са свойствата на непробиваемото стъкло?

В: От какво е направен бетонът?

Търсене по буква