Композиційні матеріали

§ 1. Композиційні матеріали

Пригадайте

• Які матеріали називають конструкційними?

• Які властивості мають відомі вам конструкційні матеріали?

Що таке композиційні матеріали

Сучасні технології висувають до конструкційних матеріалів суворі вимоги, що часто суперечать одна одній: вони мають забезпечувати мінімальну масу конструкцій, максимальну міцність, жорсткість, надійність, довговічність в умовах значного навантаження, високих температур і в агресивних середовищах. Усі ці вимоги здатні задовольнити композиційні матеріали (композити).

Чому композити такі популярні?

Композити, об’єднуючи кілька матеріалів з різними властивостями, у результаті виявляють такі властивості, яких не мають їхні складові.

Композиційний матеріал (композит, КМ) - штучно створений неоднорідний суцільний матеріал, що складається з двох або більше компонентів — матриці (пластичної основи) та наповнювача, між якими є чітка межа (рис. 1.1).

Існують природні аналоги композиційних матеріалів — деревина, кістки, панцирі, шкіри тощо.

Матриця фіксує наповнювач і надає виробу форму, а наповнювач забезпечує високу міцність, жорсткість тощо. При цьому передбачається, що компоненти композиту мають бути добре сумісними і не розчинятися один в одному, тобто структура композиційних матеріалів не є однорідною.

Особливістю композиційних матеріалів є те, що їхні компоненти не тільки зберігають свої властивості, а й набувають нових, яких окремо не мали. Так, у залізобетоні — мабуть, найвідомішому сьогодні композиті — роль матриці виконує бетон, а наповнювача — сталева арматура. Конструкції із залізобетону, зокрема прогони в мостах, балки, колони, витримують великі навантаження, які викликають розтріскування звичайного бетону. Коли армований бетон зазнає згинання, внутрішній сталевий каркас поглинає зусилля і перешкоджає утворенню великих тріщин.

Назва полімерного композиту зазвичай складається з двох частин. Перша — матеріал наповнювача, друга — слово «пластик»:

• склопластик (полімер + скловолокно);

• металопластик (полімер + металічні волокна);

• органопластик (полімер + органічні волокна);

• вуглепластик (полімер + вуглецеві волокна).

• об’ємні тканини, каркаси, листи, пластини, волокна, гранули, порошок, наночастинки.

Ще один важливий момент: бетон і сталь мають майже однаковий коефіцієнт розширення. Якби вони при нагріванні й охолодженні розширювалися і стискалися в різній пропорції, то рано чи пізно розірвали б один одного.

До речі, бетон — теж композиційний матеріал: матриця — цемент, а наповнювач — гравій, пісок. Отже, залізобетон — це трикомпонентний (або трифазний) композит.

Як матрицю у композиційних матеріалах використовують метал, кераміку, цемент, полімери (про полімери детальніше йдеться в § 2). Якщо ж у композиті кілька матриць, його називають поліматричним.

Наповнювачем можуть бути різноманітні штучні та природні елементи різної форми:

Змінюючи склад матриці й наповнювача, їх співвідношення, орієнтацію наповнювача, отримують різні матеріали із заданими властивостями. Волокна наповнювача можуть бути одно-, двоспрямованими (як переплетення в тканині), а можуть розміщуватися хаотично. Крім того, вони можуть бути або неперервними, або перериватися (рис. 1.2). Високоміцні композити здебільшого мають упорядковану структуру. На властивості композиційного матеріалу впливають і методи його отримання: температура, тиск та ін.

У Давньому Єгипті близько 4500 років тому тіло померлого після відповідної підготовки обмотували смужками тканини чи папірусу і промащували природною смолою. У результаті утворювався твердий «кокон» — мумія (рис. 1.3).

У XVIII ст. цей метод — відоме вам пап’є-маше — заново відкрили, використавши як наповнювач папір. З пап’є-маше до середини XX ст. робили іграшки і навіть меблі.

Сьогодні схожим способом — намотуванням (тільки, звісно, з інших матеріалів) виготовляють корпуси ракетних двигунів, труби, балони та ін. (див. рис. 1.4).

У Єгипті та Месопотамії за три тисячі років до нашої ери будували судна з тростини, промащеної бітумом (смолоподібна речовина) для водонепроникності. Дехто стверджує, що бітумом просмолив свій ковчег біблійний Ной. Цю технологію відтворив норвезький мандрівник Тур Хеєрдал у човні «Ра II», на якому він перетнув Атлантичний океан (рис. 1.5).

Корпус і надбудова шведського корвета типу «Вісбю» (рис. 1.6) виконані у вигляді моноблока з оригінального композиту (набір полімерів + вуглецеве волокно й вініл). Цей матеріал забезпечив малу вагу, високу жорсткість і ударостійкість. А головне — поглинання радіохвиль, завдяки чому корвет непомітний для засобів виявлення супротивника.

Де використовують композиційні матеріали

Наведіть свої приклади використання композитів у різних сферах життя.

Спочатку розробляли композиційні матеріали на замовлення військових, передусім для застосування в літальних апаратах. Сьогодні вони впроваджені в багатьох галузях промисловості. Композити використовують для виробництва автомобілів і мотоциклів, об’єктів залізничного транспорту, літаків і вертольотів, ракет, суден, яхт, підводних човнів, ємностей для зберігання різних рідин, трубопроводів, спортивного інвентарю (роликові ковзани, ключки, велосипеди, лижі, тенісні ракетки), медичної і побутової техніки (корпуси телефонів, ноутбуків), музичних інструментів тощо. Тобто якби сьогодні раптом щезли композиційні матеріали, на людство чекала б катастрофа.

Особливий вид композитів застосовують у тканинній інженерії. На пористу або сітчасту підкладку, наприклад з колагену, висівають живі клітини, і через деякий час у біореакторі формується імплантат, який можна пересадити пацієнтові. Так вже вирощують «штучну» живу шкіру, триває розробка імплантатів для клапанів серця та інших органів.

Зазвичай вартість композиційних матеріалів дуже висока, що пов’язано зі складністю технологічних процесів їх виготовлення, високою ціною використовуваних компонентів тощо. Разом з тим, якщо рахувати витрати не лише на виготовлення композитів, а й на створення всього виробу, то помітити економію нескладно. Так, економія відбувається за рахунок зменшення кількості технологічних роз’ємів, деталей, скорочення кількості складальних операцій під час виробництва складних конструкцій. Трудомісткість виробництва виробів з композиційних матеріалів можна знизити в 1,5-2 рази порівняно з металевими аналогами.

У німецькому концерні Siemens виготовляють роторні лопаті для вітряків завдовжки 75 м, кінчики лопатей здатні рухатися зі швидкістю до 290 км/год. Лінійний розмір кожної лопаті порівнянний із розмахом крил авіалайнера Airbus А380 (рис. 1.7, більше про А380 — на с. 30). Кожну лопать відливають зі склопластику як єдине ціле.

Склопластик (фіберглас) — полімерний композиційний матеріал, у якому наповнювачем є скляні волокна, сформовані з розплавленого неорганічного скла. Склопластики легкі, дуже міцні, мають низьку теплопровідність, високі електроізоляційні властивості, підвищену герметичність і водостійкість, вони прозорі для радіохвиль; дають змогу створити деталі складних геометричних форм.

Зі склопластику виготовляють корпуси невеликих суден, внутрішнє облицювання громадського транспорту, басейнів, пластикових вікон, кузовів автомобілів і водних атракціонів. Для хімічної промисловості зі склопластику виробляють трубопроводи та ємності для транспортування і зберігання кислот, солей та інших хімічних розчинів. Склопластик поширений у побуті — від столів, стільців, панелей і деталей у холодильниках, пральних машинах і мікрохвильових пічках до гребінців і кулькових ручок.

Склопластик у 4 рази міцніший від алюмінію. Лист склопластику завтовшки 1 мм має такі самі теплоізоляційні якості, як 5-міліметрове скло.

З вуглепластику виготовляють як окремі невеликі деталі для автомобілів, так і повністю кузови. Боліди «Формули 1» (рис. 1.8) розвивають швидкість понад 350 км/год завдяки не тільки потужним двигунам, а й своїй малій вазі. Монокок (безкаркасний кузов) боліда роблять із вуглепластику, тому його загальна маса не перевищує 600 кг.

У літака Boeing-787 Dreamliner (рис. 1.9) — композитний фюзеляж, хвостове оперення і крила. Частка вуглепластику у цьому лайнері становить 50 %, а в інших сучасних літаках — у середньому 15 %. Завдяки використанню композитів маса літаків знижується на 20-40 %, істотно скорочуються витрати пального.

Якщо крило (чи інший елемент) виготовляють із композитів, то матеріал і конструкцію створюють одночасно. Це дає змогу отримати крило досконалішої аеродинамічної форми, що неможливо за використання алюмінію. До того ж алюмінієве крило літака складається з окремих частин, які з’єднуються між собою великою кількістю болтів. Це складно, довго, призводить до збільшення ваги.

Наповнювачем у вуглепластику слугують волокна вуглецю. Вони дуже тонкі, діаметр — 0,005-0,010 мм, їх легко зламати, але важко розірвати. З цих ниток роблять тканини різного плетення. Тканини укладають шарами під різним кутом і скріплюють полімерною матрицею.

У космічній галузі та авіабудуванні вуглепластик прийшов на заміну алюмінієвим і титановим сплавам. Він може витримати високі температури під час виведення на орбіту, екстремальний тиск за перевантажень, низьку температуру і глибокий вакуум космічного простору. З вуглепластику виготовляють носові частини ракет, сопла двигунів та інші деталі космічних апаратів, що зазнають екстремальних аеродинамічних навантажень.

Як виготовляють композити

Вище вже згадувалося про виготовлення композиційних матеріалів способом намотування.

Ще одна технологія — так звана мокра — полягає в такому: за допомогою спеціальної просочувальної машини на наповнювач — суху тканину або стрічку — наносять сполучну речовину, далі усе викладають на форму і під вакуумним мішком поміщають в автоклав, де відбувається процес формування. Автоклави споживають багато енергії, вони дуже дорогі в обслуговуванні й самі дорого коштують. Крім того, слід досить швидко викладати великі вироби складної форми — це нелегке технологічне завдання.

За використання «сухої» технології викладають сухий наповнювач - вручну або із застосуванням автоматичних викладальних машин. Після того як виріб повністю викладено, його накривають мішком, створюють вакуум, і під впливом вакууму сполучна речовина, яка міститься у спеціальних накопичувачах, просочує наповнювач, після чого виріб твердне.

Композитні частини вже кілька років виготовляють з використанням автоматики. Американська компанія Electroimpact розробила і побудувала групу новітніх роботів, здатних виготовляти частини гігантських крил Boeing 777Х (рис. 1.10). Одна машина друкує фрагменти крил завдовжки 33,5 м і завширшки 6 м, а друга — прокладає вуглепластикові волокна, формуючи структуру, що забезпечує міцність. «Друкувальна головка» вагою 1,7 тонни за один прохід формує поверхню шириною 760 см. Плівка розмотується з 20 котушок. Прохід уздовж усього крила триває до 10 хвилин. Поперечний рух займає близько 25 хвилин. Високоточні роботи схожі на гігантські 3D-принтери заввишки 9 м. У головку вбудовані лазери, які контролюють якість.

Отже, найголовнішими перевагами композитів є:

• вищі, ніж у металів, питомі міцність і жорсткість;

• можливість регулювати механічні властивості матеріалу під конкретні завдання.

Що ж гальмує ширше впровадження нових композиційних матеріалів у виробництво?

Попри названі недоліки, комбінування різноманітних матеріалів є сьогодні найважливішим шляхом створення нових матеріалів.

Композити на основі деревини: ДВП, ДСП, ОСП

Пригадайте

• Що називають шпоном і як його виготовляють?

• Як виготовляють ДВП, ДСП?

До композитів на основі деревини належать фанера, деревноволокниста плита (ДВП), деревностружкова плита (ДСП), орієнтовано-стружкова плита (ОСП). їх отримують шляхом склеювання або пресування подрібненої деревини. Головний недолік усіх композитів на основі деревини — вони швидко псуються під час взаємодії з водою чи тривалої дії вологи.

Індустріальне виробництво деревних композитів розпочалося близько кінця ХІХ ст. А наприкінці ХХ ст., за даними ФАО ООН, їх світове виробництво в об’ємних одиницях перевищило виробництво сталей, пластмас і алюмінію. Щороку в світі утворюється до 1200 млн т «відходів» деревини, придатних для виробництва різних деревних композитів.

Фанера

Спосіб виготовлення: склеєні під дією тиску і тепла листи шпону (три і більше) із взаємно перпендикулярним розташуванням волокон деревини в суміжних шарах.

Властивості: майже не розсихається і не розтріскується, добре гнеться і обробляється.

Використання: у житловому будівництві - для облицювання щитових дверей і панелей, виготовлення горищних перекриттів та ін.; у вагоно- й суднобудуванні — для лицьової обробки; в меблевому виробництві — задні стінки шаф, книжкових полиць, стільців, стільниць та ін.

Деревноволокниста плита (ДВП)

Спосіб виготовлення: склеювання або гаряче пресування деревних волокон.

Властивості: високі фізико-механічні показники, добра склеюваність, придатність до обробки різанням, здатність до пробивання цвяхами, можливість обробки лакофарбовими і плівковими матеріалами. У процесі виготовлення можуть додаватися біо-, вогне-, атмосферостійкість.

Використання: виготовлення корпусних, м’яких та інших меблів, дверей, будівельних елементів, тепло- і звукоізоляції, оздоблення приміщень, тари.

Деревностружкова плита (ДСП)

Спосіб виготовлення: гаряче пресування деревної стружки (тирси, деревного пилу) і клею (найчастіше карбамідних смол).

Властивості: міцна, майже не жолобиться, легка в обробці; погано утримує кріпильні деталі, не придатна до використання у вологих приміщеннях; із часом смоли можуть виділяти формальдегід.

Використання: виготовлення недорогих меблів, для ремонту й оздоблення приміщень.

Орієнтованостружкова плита (ОСП, вона ж ОСБ, OSB — Oriented Strand Board)

Спосіб виготовлення: 3-4 шари листа з деревної стружки склеюють різними смолами з додаванням синтетичного воску і борної кислоти. Стружка в зовнішніх шарах плити має поздовжню орієнтацію, а у внутрішніх — поперечну.

Властивості: висока міцність, вологостійкість, легкість обробки, добре утримання кріпильних деталей, низький рівень дефектів, низька вага, не псується комахами.

Використання: конструкційний і оздоблювальний матеріал — зовнішні облицювальні покриття, опалубка, основа для даху, чорнові підлоги, виробництво SIP-панелей (два шари ОСП-плит і між ними шар полістиролу).

Найновішими композитами на основі деревини є деревнополімерні композиційні матеріали (ДПК), які складаються з подрібненої деревини, синтетичних або органічних полімерів та спеціальних хімічних добавок. На дотик і по запаху вони нагадують дерево, але є міцнішими, не гниють, не зсихаються, не пліснявіють, стійкі до хімічних речовин. Вироби з ДПК обробляють тими самими інструментами, що й деревину. Конструкції з деревнополімерних композитів застосовують у будівництві та облаштуванні інтер’єру.

Сьогодні поряд із традиційними композитами на основі деревини все більше використовується продукція нового покоління — мікрофібрили, наноцелюлоза, формувальна фанера, термоформований картон, біокомпозити. Мікрофібрили — це дуже тонкі волокна, які отримують із целюлози. Волокна надають матеріалу легкості й міцності, подовжують термін його служби. Крім того, матеріал — подібно до пластмаси — можна формувати. Мікрофібрили здатні замінити пластмасу, деякі хімічні речовини, алюміній. Наприклад, нанофібрильна целюлоза замінює поліетиленову плівку.

Прикладом композиту, що складається з дерева і пластмаси, є медичний гіпс, розроблений компанією Onbone (Фінляндія). Він складається з деревної стружки й біорозкладної пластмаси і застосовується в травматології та ортопедії. Створення гіпсу Onbone стало одним з найзначніших інноваційних рішень у травматології і ортопедії за період з 1970-х років.