Матричные композиты
Композитный материал, также называемый композиционный материал или композит - это искусственно созданный неоднородный сплошной материал, состоящий из двух или более компонентов, различных по физическим и химическим свойствам, которые остаются раздельными на макроскопическом уровне в финишной структуре.
Механическое поведение композита определяется соотношением свойств армирующих элементов и матрицы, а также прочностью связи между ними. Эффективность и работоспособность материала зависят от правильного выбора исходных компонентов и технологии их совмещения, призванной обеспечить прочную связь между компонентами при сохранении их первоначальных характеристик.
Самый примитивный композитный материал – это кирпичи из глины и соломы, которые применялись в строительстве еще в древнем Египте. Космические корабли служат примерами самых продвинутых композитов, выдерживающих работу в экстремальных средах. Самый распространенный композит это асфальтобетон или цемент со стальной арматурой. Также мы можем встретить его и на кухне, где из композитного материала делают столешницы, с гранитной или мраморной крошкой.
В состав композитного материала входит две категории элементов: матрица и армирующее вещество. Здесь надо отметить, что слово «матрица» приобрело несколько искаженное значение. Им часто называют оснастку или форму, по которой создается изделие. Далее слово «матрица» употребляется только в значении связующего вещества в композитном материале.
Материал матрицы окружает и фиксирует армирующий материал, придает изделию форму. Армирующее вещество передает изделию свои механические и физические свойства, и, таким образом, усиливает свойства матрицы. Такая взаимосвязь позволяет создать более совершенный материал с набором свойств, недоступным каждому из входящих в его состав материалов в отдельности. Широкая гамма армирующих и матричных материалов дает возможность создавать материал с теми свойствами, которые соответствуют назначению изделия.
Понятие «матрица» употребляется только в значении связующего вещества в композитном материале.
Материал матрицы окружает и фиксирует армирующий материал, придает изделию форму. Армирующее вещество передает изделию свои механические и физические свойства, и, таким образом, усиливает свойства матрицы. Такая взаимосвязь позволяет создать более совершенный материал с набором свойств, недоступным каждому из входящих в его состав материалов в отдельности. Широкая гамма армирующих и матричных материалов дает возможность создавать материал с теми свойствами, которые соответствуют назначению изделия.
Для того, чтобы придать форму композитному материалу используется оснастка. Матричный материал укладывается в оснастку вместе с армирующим материалом. Затем матрица застывает, тем самым создавая форму изделия. В зависимости от того, что за материал используется в качестве матрицы, этот процесс называют химической полимеризацией или схватыванием.
Термин «композитный материал» наиболее часто применяется в отношении композитов на основе полимерных матриц или смолы. Полимеры очень разнообразны, нам интересно несколько видов называемых по названию основных веществ в их составе – эпоксидные, полиэфирные, винилэфирные, фенольные, полипропиленовые и пр. В качестве армирующих веществ наиболее распространены волокна и сыпучие вещества. Большое влияние на свойства композитного материала оказывает итоговое соотношение матрицы и армирующих волокон. Чем меньше в изделии смолы, тем прочнее изделие. Совершенствование технологии в области формование направлено на достижение идеальных пропорций компонентов в материале.
Методы формования изделий из композитных материалов
В процессе производства, называемым формованием, составляющие изделия, армирующее вещество и матрица объединяются, и ему придается форма. Форма детали неизменна, за исключением случаев разрушающих воздействий. Для термореактивных полимерных матричных материалов процесс формования заключается в химической реакции отверждения. Для термопластичных полимерных матриц, процесс формования заключается в застывании из расплавленного состояния. Как правило, процесс осуществляется при комнатной температуре и нормальном давлении.
Ручное или контактное формование, как самый распространенный и дешевый метод создания ламината, имеет ряд серьезных недостатков:
- большое количество смолы в изделии, что приводит к его хрупкости
- сложность достижения идеальных пропорций матричного и армирующего вещества
- неравномерность толщины ламината и воздушные ловушки внутри
Всё это приводит к тому, что изделие становится хрупким, непрочным, тяжелым, не способным выдерживать механические нагрузки.
Воздушные ловушки внутри ламината со временем начинают разрушать его изнутри. Более совершенные технологии формования устраняют частично или полностью недостатки ручного формования, вот некоторые из них.
Вакуумное формование
В этом процессе используется открытая оснастка, в которую укладываются компоненты композитного материала. Сверху оснастка закрывается полимерной пленкой (вакуумным пакетом) или силиконовой мембраной. Затем накладывается вакуум. Процесс может проходить при комнатной или повышенной температуре и при атмосферном давлении. Вариации этой технологии используют повышенное давление воздуха или пара с внешней стороны пленки (мембраны).
Вакуумная инфузия (вакуумная пропитка)
Процесс вакуумной инфузии это техника, которая использует силу вакуумного давления для ввода смолы в ламинат. Материалы будущего композита выкладываются в сухом виде в оснастку, затем накладывается вакуум, до ввода смолы. Как только достигается давление вакуума, смола засасывается в ламинат по специальным трубкам. В этом процессе используется набор вспомогательных материалов и инструментов.
Автоклав
В процессе используется оснастка и мембрана или полимерная пленка. Материалы укладываются в оснастку, как правило, используются пропитанные волокна, препрег. Иногда используется пленка из смолы и сухие армирующие материалы. После установки мембраны, на оснастку накладывается вакуум. Конструкция помещается в автоклав, где на нее воздействуют давление и температура.
RTM (Resin transfer moulding) Инжекция в закрытую форму
RTM – метод производства изделий средних серий. В этом процессе связующие впрыскиваются в закрытую форму, уже содержащую сухой армирующий материал. Изделия, отформованные методом RTM, имеют две гладкие стороны и точно выдержанную форму и размер. Вариации технологии используют вакуум или давление для ввода смолы. Процесс может проводиться при комнатной или повышенной температуре.
Другие виды пултрузия, намотка, формование под давлением SMC (Sheet Moulding Compound), DMC (Bulk Moulding Compound), открытое формование контактное формование и напыление.
Композитные материалы завоевали свою популярность, несмотря на высокую стоимость, в отраслях, где механические свойства должны сочетаться с низким весом и возможностью выдерживать высокие нагрузки. Наиболее часто упоминаются авиакосмические компоненты (хвосты, крылья, фюзеляж, пропеллеры), корпуса и весла суден, кузова автомобилей, велосипедные рамы, удилища. Крылья и фюзеляж нового Боинга 787 Dreamliner более чем на 50% выполнены из композитных материалов.
Стеклопластик в Казахстане
Источник: matrix-composite.com