КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ

АННОТАЦИЯ

В данной статье рассмотрены виды композиционных материалов, их категории и области применения. Проанализированы их положительные и отрицательные стороны.

Ключевые слова: композиционные материалы, структура композита, физические свойства.

Композиционные материалы (КМ), обладающие весьма разнообразными свойствами, приобрели большое значение в современной технике. Согласно существующей статистике, общий объем мирового рынка изделий из композиционных материалов для авиации и космоса составил, по данным на 2019 год, 700 млрд. евро., при этом в последующие годы прогнозируется его дальнейшее увеличение [1].

Композиционные материалы (композиты) – искусственно созданные материалы, состоящие из двух или более неоднородных и нерастворимых друг в друге компонентов, соединяемых между собой физико-химическими связями.

Принципы армирования для упрочнения известны в технике с глубокой древности. Еще в Вавилоне использовали тростник для армирования глины при постройке жилищ, а в Древней Греции железными прутьями укрепляли мраморные колонны при постройке дворцов и храмов. Прообразом композиционных материалов являются широко известный железобетон и полученные в XIX веке прокаткой слоистые материалы [2].

Современные композиты, как правило, делят на три большие категории в зависимости от типа армирующего компонента. Это дисперснонаполненные материалы, материалы, армированные короткими и непрерывными волокнами.

Дисперсно-наполненные композиционные материалы представляют собой систему мелких частиц различных форм и размеров, случайным образом распределенных внутри связующего. Случайное распределение армирующих компонентов позволяет рассматривать такие композиты как изотропные и квазигомогенные системы в масштабе, превышающем максимальный размер частиц.

В материалах второго типа в качестве упрочняющей фазы применяются короткие волокна или усы, которые могут быть как сориентированы в одном направлении, так и случайно распределены внутри матрицы. В первом случае для материала характерна явно выраженная анизотропия, во втором – он может рассматриваться как квазиизотропный.

С точки зрения своих прочностных и жесткостных характеристик, наиболее эффективными оказались композиционные материалы третьего типа, армированные длинными (по отношению к своему диаметру) непрерывными волокнами. Такие материалы могут поставляться в виде тканей и однонаправленных структур, которые служат как строительные блоки для создания многонаправленных слоистых композитов.

Свойства КМ в основном зависят от физико-механических свойств компонентов и прочности связи между ними. Отличительной особенностью КМ является то, что в них проявляются достоинства компонентов, а не их недостатки. Вместе с тем КМ присущи свойства, которыми не обладают отдельно взятые компоненты, входящие в их состав. Для оптимизации свойств композиций выбирают компоненты с резко отличающими, но дополняющими друг друга свойствами.

В результате применение КМ дает возможность создавать ранее недоступные, принципиально новые конструкции. Благодаря КМ стал возможен новый качественный скачок в увеличении мощности двигателей при уменьшении их массы, снижении габаритов и массы различных силовых конструкций, повышении весовой эффективности транспортных средств и авиационнокосмических аппаратов, повышении энергоэффективности ограждающих конструкций и др.

Видное место занимают эти материалы в производстве изделий для автомобильного и городского транспорта. Из них изготавливают корпуса легковых автомобилей, автобусов, детали внутреннего интерьера, кабины грузовиков, баки для горючего, цистерны для перевозки жидких и сыпучих грузов, корпуса и детали внутреннего интерьера трамваев и автобусов. Широкое применение нашли композиционные материалы в авиационной и ракетно-космической технике, где используются такие их свойства, как высокая удельная прочность и стойкость к воздействию высоких температур, стойкость к вибрационным нагрузкам, малый удельный вес. Из этих материалов изготавливаются корпусные детали и детали внутреннего интерьера. Очень широко композиционные материалы применяются в области судостроения. Уникальные свойства композиционных материалов позволяют изготавливать высокопрочные, легкие корпуса катеров, яхт, шлюпок. Из композиционных материалов также изготавливаются спасательные шлюпки для танкеров, перевозящих нефтепродукты.

Однако композитным конструкциям присущи и недостатки. Например, видимые царапины или вмятины практически не снижают несущей способности, но инициируют развитие усталостной трещины. Разрушение композита обычно обусловлено не циклическим нагружением, а случайным механическим ударным воздействием, при этом прочность материала меняется скачкообразно.

Существующий опыт создания конструкций из полимерных композиционных материалов указывает на повышенный разброс их жесткостных и прочностных характеристик, источником которого являются нестабильность исходных компонентов, отклонения в выполнении технологических процессов, недостаточная культура производства и др. Это факт учитывается введением дополнительного коэффициента безопасности при определении расчётной нагрузки, величина которого зависит от коэффициента вариации механических свойств композита.

Проблема прочности соединений является одной из основных при использовании полимерных композиционных материалов в сложных составных конструкциях. Высокопрочные механические соединения композитных деталей могут быть получены при использовании игольчатых соединений, содержащих большое количество металлических крепёжных элементов малого диаметра. Увеличение площади среза и смятия позволяет получать соединения, прочность которых составляет 80…90% прочности материала в регулярной зоне.

К другим недостаткам композиционных материалов следует отнести гигроскопичность (т.е. склонность впитывать влагу) и токсичность. Кроме того, композиционные материалы обладают низкой эксплуатационной технологичностью, низкой ремонтопригодностью и высокой стоимостью эксплуатации. Это связано с необходимостью применения специальных трудоёмких методов, специальных инструментов для доработки и ремонта изделий из композитов. Часто такие объекты вообще не подлежат какой-либо доработке и ремонту.

Список литературы:

1. Воронина Ю.С. Рынок композиционных материалов к 2020 году может вырасти в 10 раз // Российская Бизнес-газета – Промышленное обозрение № 35(864) 2019г. С. 45-49.
2. Туманов А.Т. Композиционные материалы // Большая советская энциклопедия: в 30 т., т. 12. М.: Советская энциклопедия, С. 576.