Құрама материалдар: қасиеттері мен қолданылуы

Кіріспе

Екі немесе одан көп түрлі заттардың қосындысынан жасалған материал, көміртек және шыны талшық негізіндегі композиттік материалдар көбінесе "композиттер" деп аталады.

Композиттік материал (немесе құрастырма материал, қысқаша – композит, бұл – қалыпты атауы) – екі немесе одан көп құрамдас материалдан жасалған материал. Бұл құрамдас материалдардың химиялық немесе физикалық қасиеттері айқын түрде өзгеше болады және олар жеке элементтерге қарағанда мүлдем жаңа қасиеттері бар материал жасау үшін біріктіріледі. Дайын құрылымда жеке элементтер бөлек және анық болып қалады, бұл композиттерді қоспалардан және қатты ерітінділерден ерекшелейді. Бірнеше қабаттан тұратын композиттік материалдар композиттік ламинаттар деп аталады. Типтік инженерлік композиттік материалдар:

Арматуралы бетон және қасқыр тас құрылыс
Композиттік ағаш, мысалы, фанера
Талшық күшейтілген полимер немесе шыны талшық сияқты арматуралы пластиктер
Керамикалық матрицалы композиттер (керамикалық және металл матрицалы композиттер)
Металл матрицалы композиттер
және басқа да жетілдірілген композиттік материалдар

Жаңа материалды пайдалануға түрлі себептер болуы мүмкін. Типтік мысалдарға, қалыпты материалдармен салыстырғанда арзан, жеңіл, мықтырақ немесе тозуға төзімдірек материалдар, сондай-ақ жануарлар мен табиғи көздерден алынған, көміртегі ізі аз композиттік материалдар жатады. Соңғы кезде ғалымдар сезімталдық, орындаушылық, есептеу және байланыс мүмкіндіктерін композиттерге енгізуді белсенді түрде зерттеп, оларды "роботикалық материалдар" деп атауда. Композиттік материалдар көбінесе ғимараттар, көпірлер, қайық корпустары, бассейн панельдері, жарыс машиналарын, душ кабиналарын, ванналарды, сақтау резервуарларын, жасанды граниттен жасалған раковиналар мен үстелдер сияқты құрылыстар үшін қолданылады. Олар автомобиль өнеркәсібінде де жиі қолданылады. Ең жетілдірілген үлгілері қатал жағдайларда ғарыш кемелері мен ұшақтарда үздіксіз жұмыс істейді.

Композиттік материалдар

Бетон – ең көп таралған жасанды күрделі материал және әдетте цемент матрицасымен байланысқан ұсақ тастардан (агрегаттан) тұрады. Бетон – арзан материал, тіпті үлкен қысым күшіне дайынғанда да сығылмайды немесе ұсақтап сындырылмайды. Дегенмен, бетонға созу жүктемесін көтере алмайды (яғни, созылса тез бұзылады). Сондықтан, бетонға созылуға төзімділік беру үшін, бетонға көбінесе жоғары созу (кернеуге) төзімді болатын болаттан жасалған арматура қосылады. Талшықпен күшейтілген полимерлерге көміртекті талшықпен күшейтілген полимерлер және шынымен күшейтілген пластик кіреді. Матрица бойынша жіктелгенде, термопластикалық композиттер, қысқа талшықты термопластиктер, ұзын талшықты термопластиктер немесе ұзын талшықты күшейтілген термопластиктер болады. Термореактивті композиттердің көптеген түрлері бар, соның ішінде қағаз композиттік панельдер. Көптеген термореактивті полимерлік матрица жүйелері эпоксидті шайыр матрицасында арамидтік талшық пен көміртекті талшықты қамтиды. Пішін жады полимерлік композиттері – бұл жоғары өнімді композиттер, олар матрица ретінде пішін жады полимерлік шайырды қолдана отырып, талшық немесе матадан жасалған. Пішін жады полимерлік шайыр матрица ретінде пайдаланылғандықтан, бұл композиттер белсенділік температурасынан жоғары қыздырылғанда әртүрлі конфигурацияларға оңай өзгертілуі мүмкін және төмен температурада жоғары беріктік пен қатаңдық көрсетеді. Оларды қайта-қайта қыздырып, пішінін өзгертуге болады, бірақ олардың материалдық қасиеттері жоғалмайды. Бұл композиттер жеңіл, қатаң, орналастырылатын құрылымдар, жылдам өндіріс және динамикалық арматура сияқты қолданулар үшін өте қолайлы. Жоғары деформациялы композиттер – бұл жоғары өнімді композиттердің тағы бір түрі, олар жоғары деформация жағдайында жұмыс істеуге арналған және көбінесе құрылымдық иілу тиімді болатын орналастырылатын жүйелерде қолданылады. Жоғары деформациялы композиттер пішін жады полимерлеріне ұқсас болса да, олардың өнімділігі, әдетте, матрицаның шайыр құрамына қарағанда талшықтың орналасуына байланысты. Композиттер металл матрицалы композиттерде (MMC) немесе керамикалық матрицалы композиттерде (CMC) сияқты басқа металдарды күшейтеді, бұл сүйек (коллаген талшықтарымен күшейтілген), керамика (керамика және металл) және бетонды қамтиды. Керамикалық матрицалы композиттер негізінен беріктігі үшін емес, сындыру беріктігі үшін жасалады. Композиттік материалдардың тағы бір класы ұзындығы мен ені байланысқан жіптерден тұратын тоқыма композитті қамтиды. Тоқыма композиттер мата түрінде болғандықтан икемді. Органикалық матрица / керамикалық агрегаттық композиттерге асфальт бетон, полимерлік бетон, мастика асфальты, мастика ролик гибриді, тіс композиті, синтаксистік көбік және аналық перленес кіреді. Chobham – әскери қолданыстағы арнайы композиттік бронь. Сонымен қатар, термопластикалық композициялық материалдарды арнайы металл ұнтақтарымен құрастыруға болады, нәтижесінде тығыздығы 2 г/см³-ден 11 г/см³-ге дейінгі (қосықпен бірдей тығыздықтағы) материалдар пайда болады. Бұл материалдың ең көп таралған атауы – "жоғары гравитациялық қоспа" (ЖЖҚ), бірақ "қосымды ауыстыру" да қолданылады. Бұл материалдарды алюминий, тот баспайтын болат, мыс, қола, мыс, қорғасын және тіпті вольфрам сияқты дәстүрлі материалдардың орнына салмақ, теңгерімде (мысалы, теннис ракеткасының ауырлық орталығын өзгерту), дірілді басу және сәулеленуден қорғау үшін қолдануға болады. Жоғары тығыздықтағы композиттер экономикалық тұрғыдан тиімді нұсқа болып табылады, егер белгілі бір материалдар қауіпті болып саналып, тыйым салынса (мысалы, қорғасын) немесе екінші реттік операциялар (мысалы, машинамен өңдеу, өңдеу немесе қаптау) шығындары фактор болып табылса. Бірнеше зерттеулер көрсеткендей, қатты және сымбатты эпоксидтік негізіндегі көміртекті талшықтан жасалған полимерлі ламинаттарды икемді термопластикалық ламинатпен араластыру әсерге төзімділігін жақсартатын жоғары қатты композиттерді жасауға көмектеседі. Мұндай аралас композиттердің тағы бір қызықты жағы – олар ешқандай пішін жады полимерлері немесе пішін жады қорытпалары қажетсіз пішін жады мінез-құлқына ие бола алады, мысалы, ыстық желіммен араласқан балса қабаттары, акрил полимерлерімен немесе поливинилхлоридпен араласқан алюминий қабаттары және көміртекті талшықпен күшейтілген полимерлік ламинаттармен араласқан полистирол. Сэндвич құрылымды композит – бұл екі жұқа, бірақ қатаң қабықшаларды жеңіл, бірақ қалың ядроға бекіту арқылы жасалатын арнайы композиттік материал. Ядролық материал әдетте төмен беріктікке ие, бірақ оның қалыңдығы сэндвич композитіне жалпы тығыздығы төмен бола тұра жоғары иілу қатаңдығын береді. Ағаш – целлюлоза талшықтары лигнин және гемицеллюлоза матрицасында болатын табиғи композит. Инженерлік ағаш өнімдеріне ағаш талшықты тақта, фанера, бағытталған талшықты тақта, ағаш-пластик композиті (полиэтилен матрицасында қайта өңделген ағаш талшығы), Pykrete (мұздағы арақ), пластикпен сіңірілген немесе ламинатталған қағаз немесе мата, Arborite, Formica (пластик) және Micarta кіреді. Mallite сияқты басқа инженерлік ламинаттық композиттер, жарық қорытпасынан жасалған орталық ядроны, жеңіл қорытпа немесе шыныпластиктен жасалған беттік қабықшаларға байланыстырады. Бұл материалдардың салмағы аз, беріктігі жоғары. Бөлшектік композиттерде матрицада таратылған толтырғыш ретінде бөлшектер болады, бұл металл емес, мысалы, шыны, эпоксидті болуы мүмкін. Автомобильдік шина – бөлшектік композиттің мысалы. Жоғары жетілдірілген алмастыруға ұқсас көміртекті (DLC) жалатылған полимерлік композиттерде жалатылған қабат беттік гидрофобияны, қатаңдықты және тозуға төзімділікті арттырады. Ферромагниттік композиттер, соның ішінде полимерлік матрицасы бар, мысалы, Fe негізіндегі ұнтақтардың нанокристалдық толтырғыштары және полимерлік матрица. Металл әйнектерінен алынған аморфты және нанокристалдық ұнтақтарды қолдануға болады. Оларды қолдану қабылдауға бағытталған магниттік қасиеттері бар ферромагниттік нанокомпозиттерді алуға мүмкіндік береді.

Concrete is the most common artificial composite material of all and typically consists of loose stones (aggregate) held with a matrix of cement. Concrete is an inexpensive material, and will not compress or shatter even under quite a large compressive force. However, concrete cannot survive tensile loading (i. e., if stretched it will quickly break apart). Therefore, to give concrete the ability to resist being stretched, steel bars, which can resist high stretching (tensile) forces, are often added to concrete to form reinforced concrete. Fibre reinforced polymers include carbon fiber reinforced polymers and glass reinforced plastic. If classified by matrix then there are thermoplastic composites, short fibre thermoplastics, long fibre thermoplastics or long fiber reinforced thermoplastics. There are numerous thermoset composites, including paper composite panels. Many advanced thermoset polymer matrix systems usually incorporate aramid fibre and carbon fibre in an epoxy resin matrix. Shape memory polymer composites are high performance composites, formulated using fibre or fabric reinforcements and shape memory polymer resin as the matrix. Since a shape memory polymer resin is used as the matrix, these composites have the ability to be easily manipulated into various configurations when they are heated above their activation temperatures and will exhibit high strength and stiffness at lower temperatures. They can also be reheated and reshaped repeatedly without losing their material properties. These composites are ideal for applications such as lightweight, rigid, deployable structures; rapid manufacturing; and dynamic reinforcement. High strain composites are another type of high performance composites that are designed to perform in a high deformation setting and are often used in deployable systems where structural flexing is advantageous. Although high strain composites exhibit many similarities to shape memory polymers, their performance is generally dependent on the fibre layout as opposed to the resin content of the matrix. Composites can also use metal fibres reinforcing other metals, as in metal matrix composites (MMC) or ceramic matrix composites (CMC), which includes bone (hydroxyapatite reinforced with collagen fibres), cermet (ceramic and metal), and concrete. Ceramic matrix composites are built primarily for fracture toughness, not for strength. Another class of composite materials involve woven fabric composite consisting of longitudinal and transverse laced yarns. Woven fabric composites are flexible as they are in form of fabric. Organic matrix/ceramic aggregate composites include asphalt concrete, polymer concrete, mastic asphalt, mastic roller hybrid, dental composite, syntactic foam, and mother of pearl. Chobham armour is a special type of composite armour used in military applications. Additionally, thermoplastic composite materials can be formulated with specific metal powders resulting in materials with a density range from 2 g/cm3 to 11 g/cm3 (same density as lead). The most common name for this type of material is "high gravity compound" (HGC), although "lead replacement" is also used. These materials can be used in place of traditional materials such as aluminium, stainless steel, brass, bronze, copper, lead, and even tungsten in weighting, balancing (for example, modifying the centre of gravity of a tennis racquet), vibration damping, and radiation shielding applications. High density composites are an economically viable option when certain materials are deemed hazardous and are banned (such as lead) or when secondary operations costs (such as machining, finishing, or coating) are a factor. There have been several studies indicating that interleaving stiff and brittle epoxy based carbon fiber reinforced polymer laminates with flexible thermoplastic laminates can help to make highly toughened composites that show improved impact resistance. Another interesting aspect of such interleaved composites is that they are able to have shape memory behaviour without needing any shape memory polymers or shape memory alloys e. g. balsa plies interleaved with hot glue, aluminium plies interleaved with acrylic polymers or PVC and carbon fiber reinforced polymer laminates interleaved with polystyrene. A sandwich structured composite is a special class of composite material that is fabricated by attaching two thin but stiff skins to a lightweight but thick core. The core material is normally low strength material, but its higher thickness provides the sandwich composite with high bending stiffness with overall low density. Wood is a naturally occurring composite comprising cellulose fibres in a lignin and hemicellulose matrix. Engineered wood includes a wide variety of different products such as wood fibre board, plywood, oriented strand board, wood plastic composite (recycled wood fibre in polyethylene matrix), Pykrete (sawdust in ice matrix), plastic impregnated or laminated paper or textiles, Arborite, Formica (plastic), and Micarta. Other engineered laminate composites, such as Mallite, use a central core of end grain balsa wood, bonded to surface skins of light alloy or GRP. These generate low weight, high rigidity materials. Particulate composites have particle as filler material dispersed in matrix, which may be nonmetal, such as glass, epoxy. Automobile tire is an example of particulate composite. Advanced diamond like carbon (DLC) coated polymer composites have been reported where the coating increases the surface hydrophobicity, hardness and wear resistance. Ferromagnetic composites, including those with a polymer matrix consisting, for example, of nanocrystalline filler of Fe based powders and polymers matrix. Amorphous and nanocrystalline powders obtained, for example, from metallic glasses can be used. Their use makes it possible to obtain ferromagnetic nanocomposites with controlled magnetic properties.

Өнімдер

Талшықпен нығайтылған композиттік материалдар (жалпы алғанда, олардың жоғары құнына қарамастан) жеңіл, бірақ қатал жүктемелерге төтеп бере алатын, мысалы, әуе кемелерінің құрамдас бөліктері (құйрықтары, қанаттары, фюзеляждары, пернелері), қайықтар мен каноэлердің корпустары, велосипед рамалары және жарыс машиналарынң корпустары сияқты жоғары өнімділік өнімдерде кең таралды. Басқа қолданылу салаларына балық аулауға арналған қамыстар, сақтау ыдыстары, бассейн панельдері және бейсбол таяқшалары жатады. Boeing 787 және Airbus A350 құрылымдары, оның ішінде қанаттары мен фюзеляжы, көбінесе композиттерден жасалған. Композиттік материалдар ортопедиялық хирургия саласында да жиі қолданылады және хоккей таяқшаларын жасау үшін ең көп қолданылатын материал болып табылады. Көміртек композиті – қазіргі заманғы ұшыру аппараттары мен ғарыш кемелерінің қайта кіру кезеңіндегі жылу қалқандарының маңызды материалы. Ол күн панельдерінің негіздерінде, антенналық рефлекторларда және ғарыш кемелерінің тіректерінде кеңінен қолданылады. Сондай-ақ, ол пайдалы жүк адаптерлерінде, сатылар арасындағы құрылымдарда және ұшыру құралдарының жылу қалқандарында қолданылады. Сонымен қатар, ұшақтар мен жарыс машиналарынң дискілі тежегіш жүйелері көміртек/көміртек материалынан жасалған, ал көміртек талшықтары мен кремний карбиді матрицасы бар композиттік материалдар сәнді және спорттық автомобильдерде қолданылады. 2006 жылы тұрғын үйлер мен коммерциялық бассейн үшін гальвандалған болатқа коррозияға қарсы балама ретінде талшықпен нығайтылған композиттік бассейн панелі енгізілді. 2007 жылы TPI Composites Inc және Armor Holdings Inc компаниялары алғашқы толық композиттік әскери көлігі ретінде әскери Humvee-ді ұсынды. Композиттерді пайдалану арқасында көлік жеңілдейді, бұл оның жүк көтергіш қабілетін арттырады. 2008 жылы көміртек талшығы мен DuPont Kevlar (болаттан бес есе мықты) ECS Composites компаниясымен әскери тасымалдау контейнерлерін жасау үшін күшейтілген терморезинамен біріктірілді, нәтижесінде жоғары беріктігі бар 30 пайыз жеңіл контейнерлер пайда болды. Әртүрлі мақсаттарда, мысалы, ішуге жарамды суды, өрт сөндіруге арналған суды, суаруға арналған суды, теңіз суын, тұщыланған суды, химиялық және өнеркәсіптік қалдықтарды, сондай-ақ канализацияны тасымалдауға арналған құбырлар мен фитингтер қазір шынымен нығайтылған пластиктен жасалады. Фасадтық қолдануға арналған созылатын құрылымдарда қолданылатын композиттік материалдар жарық өткізгіштік артықшылығын ұсынады. Тиісті жабынмен біріктірілген тоқылған негізгі мата жарықты жақсы өткізеді. Бұл сыртқы жарықпен салыстырғанда өте жайлы жарық деңгейін қамтамасыз етеді. Жел турбиналарының қанаттары, 50 метрге дейін жететін ұзындығымен, бірнеше жылдан бері композиттерден жасалып келеді. Екі аяғы ампутацияланған адамдар көміртек композитінен жасалған серпімді жасанды аяқтармен ампутацияланбаған спортшылар сияқты жылдам жүгіре алады. Өрт сөндірушілерге арналған жоғары қысымды газ баллондары, әдетте 7-9 литр көлемді және 300 бар қысымды, қазіргі уақытта көміртек композитінен жасалады. 4-ші типтегі баллондарда тек клапанға бұратын жиекті ұстайтын металл бөліктері бар. 2019 жылдың 5 қыркүйегінде HMD Global компаниясы Nokia 6.2 және Nokia 7.2 телефондарын ұсынды, олардың рамалары полимер композитінен жасалған деп мәлімдеді.

Fibre reinforced composite materials have gained popularity (despite their generally high cost) in high performance products that need to be lightweight, yet strong enough to take harsh loading conditions such as aerospace components (tails, wings, fuselages, propellers), boat and scull hulls, bicycle frames, and racing car bodies. Other uses include fishing rods, storage tanks, swimming pool panels, and baseball bats. The Boeing 787 and Airbus A350 structures including the wings and fuselage are composed largely of composites. Composite materials are also becoming more common in the realm of orthopedic surgery, and it is the most common hockey stick material. Carbon composite is a key material in today's launch vehicles and heat shields for the re entry phase of spacecraft. It is widely used in solar panel substrates, antenna reflectors and yokes of spacecraft. It is also used in payload adapters, inter stage structures and heat shields of launch vehicles. Furthermore, disk brake systems of airplanes and racing cars are using carbon/carbon material, and the composite material with carbon fibres and silicon carbide matrix has been introduced in luxury vehicles and sports cars. In 2006, a fibre reinforced composite pool panel was introduced for in ground swimming pools, residential as well as commercial, as a non corrosive alternative to galvanized steel. In 2007, an all composite military Humvee was introduced by TPI Composites Inc and Armor Holdings Inc, the first all composite military vehicle. By using composites the vehicle is lighter, allowing higher payloads. In 2008, carbon fibre and DuPont Kevlar (five times stronger than steel) were combined with enhanced thermoset resins to make military transit cases by ECS Composites creating 30 percent lighter cases with high strength. Pipes and fittings for various purpose like transportation of potable water, fire fighting, irrigation, seawater, desalinated water, chemical and industrial waste, and sewage are now manufactured in glass reinforced plastics. Composite materials used in tensile structures for facade application provides the advantage of being translucent. The woven base cloth combined with the appropriate coating allows better light transmission. This provides a very comfortable level of illumination compared to the full brightness of outside. The wings of wind turbines, in growing sizes in the order of 50 m length are fabricated in composites since several years. Two lower leg amputees run on carbon composite spring like artificial feet as quick as non amputee athletes. High pressure gas cylinders typically about 7–9 litre volume x 300 bar pressure for firemen are nowadays constructed from carbon composite. Type 4 cylinders include metal only as boss that carries the thread to screw in the valve. On 5 September 2019, HMD Global unveiled the Nokia 6.2 and Nokia 7.2 which are claimed to be using polymer composite for the frames.

Шолу

Композиттік материалдар жеке материалдардан құралады. Бұл жеке материалдар құраушы материалдар деп аталады, және олардың екі негізгі категориясы бар. Бірі – матрица (байлаушы), екіншісі – күшейткіш. Әр түрлі материалдың кемінде бір бөлігі қажет. Күшейткіш матрицадан қолдау алады, себебі матрица күшейткішті қоршап, оның салыстырмалы орналасуын сақтайды. Матрицаның қасиеттері күшейткіштердің ерекше физикалық және механикалық қасиеттерін беруі арқасында жақсарады. Жеке құраушы материалдардан синергия арқылы қол жеткізілмейтін механикалық қасиеттер пайда болады. Сонымен қатар, өнімнің немесе құрылымның жобалаушысы әртүрлі матрицалар мен күшейткіш материалдардың арасынан ең оңтайлы комбинацияны таңдау мүмкіндігіне ие болады. Инженерлік композиттерді жасау үшін оларды формалау қажет. Күшейткіш қалыптың бетіне немесе қалыптың ішіне орналастырылады. Осыдан бұрын немесе кейін матрица күшейткішке енгізілуі мүмкін. Матрица балқып, бөлшектің пішінін қалыптастыратын процестен өтеді. Бұл процесс матрицаның сипатына байланысты әртүрлі жолдармен жүзеге асуы мүмкін, мысалы, термопластикалық полимерлік матрицалық композит үшін балқыған күйден қатаю, ал термореактивтік полимерлік матрица үшін химиялық полимерлену. Соңғы өнімнің талаптарына сәйкес әртүрлі қалыптау әдістерін қолдануға болады. Таңдалған матрица мен күшейткіштің сипаттары әдістемеге әсер ететін негізгі факторлар болып табылады. Өндірілетін материалдың жалпы көлемі де маңызды фактор. Жылдам және автоматтандырылған өндіріс технологиясына қажетті жоғары капиталдық инвестицияларды қолдау үшін үлкен көлемде материал қолданылуы мүмкін. Төмен капиталдық инвестициялар, бірақ жұмыс күші мен құрал-жабдыққа жұмсалатын шығындардың жоғары болуы, тиісінше, өндіріс жылдамдығының төмендеуіне алып келеді және шағын көлемде өндіріс жасауға мүмкіндік береді. Көптеген коммерциялық композиттерде көбінесе смола ерітіндісі деп аталатын полимерлік матрицалық материал қолданылады. Бастапқы шикізатқа байланысты көптеген түрлі полимерлер бар. Олардың әрқайсысының көптеген нұсқалары бар бірнеше кең категориясы бар. Ең көп таралғандары – полиэстер, винил эфир, эпоксид, фенол, полиимид, полиамид, полипропилен, ПЕЕК және басқалары. Күшейткіш материалдар көбінесе талшықтардан, сондай-ақ ұнтақталған минералдардан жасалады. Төменде сипатталған әртүрлі әдістер соңғы өнімдегі смоланың мөлшерін азайту немесе талшықтың мөлшерін арттыру үшін жасалған. Ереже бойынша, қабаттау әдісімен жасалған өнімде 60% смола және 40% талшық болады, ал вакуумдық инфузия әдісімен жасалған өнімде 40% смола және 60% талшық болады. Өнімнің беріктігі осы арақатынасқа тікелей байланысты. Мартин Хаббе мен Люсиан А. Люсия ағашты лигнин матрицасындағы целлюлоза талшықтарынан тұратын табиғи композит деп санайды.

Composite materials are created from individual materials. These individual materials are known as constituent materials, and there are two main categories of it. One is the matrix (binder) and the other reinforcement. A portion of each kind is needed at least. The reinforcement receives support from the matrix as the matrix surrounds the reinforcement and maintains its relative positions. The properties of the matrix are improved as the reinforcements impart their exceptional physical and mechanical properties. The mechanical properties become unavailable from the individual constituent materials by synergism. At the same time, the designer of the product or structure receives options to choose an optimum combination from the variety of matrix and strengthening materials. To shape the engineered composites, it must be formed. The reinforcement is placed onto the mould surface or into the mould cavity. Before or after this, the matrix can be introduced to the reinforcement. The matrix undergoes a melding event which sets the part shape necessarily. This melding event can happen in several ways, depending upon the matrix nature, such as solidification from the melted state for a thermoplastic polymer matrix composite or chemical polymerization for a thermoset polymer matrix. According to the requirements of end item design, various methods of moulding can be used. The natures of the chosen matrix and reinforcement are the key factors influencing the methodology. The gross quantity of material to be made is another main factor. To support high capital investments for rapid and automated manufacturing technology, vast quantities can be used. Cheaper capital investments but higher labour and tooling expenses at a correspondingly slower rate assists the small production quantities. Many commercially produced composites use a polymer matrix material often called a resin solution. There are many different polymers available depending upon the starting raw ingredients. There are several broad categories, each with numerous variations. The most common are known as polyester, vinyl ester, epoxy, phenolic, polyimide, polyamide, polypropylene, PEEK, and others. The reinforcement materials are often fibres but also commonly ground minerals. The various methods described below have been developed to reduce the resin content of the final product, or the fibre content is increased. As a rule of thumb, lay up results in a product containing 60% resin and 40% fibre, whereas vacuum infusion gives a final product with 40% resin and 60% fibre content. The strength of the product is greatly dependent on this ratio. Martin Hubbe and Lucian A Lucia consider wood to be a natural composite of cellulose fibres in a matrix of lignin.

Композиттердегі өзектер

Композиттің бірнеше жақтау схемалары препрегті көбік немесе бал арасы сияқты көптеген басқа материалдармен бірге қатыруды немесе қатырғаннан кейін қатыруды қамтиды. Жалпы, мұндай конструкция сэндвич құрылым деп аталады. Бұл каверлер, есіктер, радиолокациялық қаптамалар немесе құрылымдық емес бөлшектерді өндіру үшін жиі қолданылады. Поливинилхлорид, полиуретан, полиэтилен немесе полистирол көбіктері, балса ағашы, синтаксистік көбіктер және бал аралары сияқты ашық және жабық ұялы құрылымды көбіктер әдетте негізгі материалдар болып табылады. Ашық және жабық ұялы металл көбігі де негізгі материал ретінде қолданылуы мүмкін. Соңғы кезде 3D графен құрылымдары (олар графен көбігі деп те аталады) негізгі құрылымдар ретінде қолданыла бастады. Хурам және Сю және басқалардың жақында жасаған шолуы графеннің 3D құрылымын жасаудың қазіргі заманғы әдістерін және осы көбік тәрізді құрылымдарды тиісті полимерлік композиттер үшін негіз ретінде пайдаланудың мысалдарын қамтиды.

Жартылай кристалды полимерлер

Екі фаза химиялық тұрғыдан эквивалентті болса да, жартылай кристалдаған полимерлерді сандық және сапалық тұрғыдан композиттік материалдар ретінде сипаттауға болады. Кристалдық бөлігі жоғары серпімділік модуліне ие және аморфты, нашар қатаң фазаны нығайтады. Полимерлік материалдардың кристаллизациясы, яғни көлемдік үлесі молекулалық құрылымы мен термиялық тарихына байланысты 0%-дан 100%-ға дейін өзгеруі мүмкін. Осы материалдардың кристаллизация деңгейін, соның салдарынан физикалық қасиеттер бөлімінде сипатталғандай, механикалық қасиеттерін өзгерту үшін әртүрлі өңдеу техникаларын қолдануға болады. Бұл эффект полиэтилен қаптар сияқты өнеркәсіптік пластиктерден бастап, әртүрлі механикалық қасиеттері бар жібек өндіретін өрмекшілерге дейін көптеген жағдайларда кездеседі. Көп жағдайда бұл материалдар кездейсоқ тараған кристалдардан – сфералиттерден тұратын бөлшектік композиттер сияқты әрекет етеді. Дегенмен, оларды анизотроптық етіп жасауға және талшықты күшейтілген композиттер сияқты жұмыс істеуге болады. Өрмекші жібінің мысалында, материалдың қасиеттері көлемдік үлесіне тәуелсіз кристаллдардың мөлшеріне тікелей байланысты болуы мүмкін. Қызығы, бір компонентті полимерлік материалдар – ең оңай реттелетін композиттік материалдардың бірі болып табылады.

Өндіру әдістері

Көбінесе, композиттік материалды жасау процесіне арматураны матрицамен ылғалдандыру, араластыру немесе толық қанықтыру кіреді. Содан кейін матрица жылу немесе химиялық реакция арқылы қатты құрылымға байланыстырылады. Бұл операция көбінесе ашық немесе жабық қалыпта жүзеге асырылады. Дегенмен, құраушы бөліктерді енгізу реті мен әдістері айтарлықтай өзгеріп отырады. Композиттік материалдарды жасау үшін кең ауқымды әдістер қолданылады, оның ішінде автоматты талшық орналастыру, шыны талшықтың бүрку әдісі, филаменттік орау, ланксидтік өңдеу, арнайы талшық орналастыру, түйреу және Z-пинмен тігіп бекіту.

Қалыптың жалпы көрінісі

Арналған және матрицалық материалдар біріктіріліп, тығыздалып, қалыпта бірігу оқиғасына ұшырау үшін өңделеді. Бөлшектің пішіні негізінен бірігу оқиғасынан кейін қалыптасады. Дегенмен, белгілі бір процестік жағдайларда ол деформациялануы мүмкін. Термопластикалық полимерлік матрицалық материал үшін бірігу оқиғасы – органикалық пероксид сияқты қосымша жылу немесе химиялық реакциялық қабілеттің болуынан туындаған қатаю реакциясы. Термопластикалық полимерлік матрицалық материалдың бірігуі – еріген күйден қату. Титан фольгасы сияқты металл матрицалық материалдардың бірігу оқиғасы – жоғары қысым мен балқу температурасына жуық температурада қорыту. Көптеген қалыптау әдістерінде бір қалыпты «төменгі» қалып, ал екіншісін «жоғарғы» қалып деп атау қабылданған. «Төменгі» және «жоғарғы» терминдері қалыптың кеңістіктегі орналасуын емес, қалыпталған панельдің әртүрлі жақтарын көрсетеді. Бұл конвенция бойынша әрқашан төменгі қалып болады, ал кейде жоғарғы қалып та болуы мүмкін. Бөлшектің құрастырылуы төменгі қалыпқа материалдарды жағудан басталады. Төменгі және жоғарғы қалыптар – еркек жақ, әйел жақ, А жақ, В жақ, құрал жақ, ыдыс, бас киім, мандрел сияқты нақтырақ терминдерге қарағанда, жалпылама сипаттамалар. Ұдайы өндіріс басқаша номенклатура қолданады. Әдетте, қалыпталған өнім панель деп аталады. Белгілі бір геометриялар мен материалдар комбинациясы үшін оны құю деп те атауға болады. Белгілі бір үздіксіз процестер үшін оны профиль деп те атауға болады. Кейбір процестерге автоклавты қалыптау, вакуумдік қап қалыптау, қысымды қап қалыптау, шайырды ауыстыру қалыптау және жеңіл шайырды ауыстыру қалыптау жатады.

Басқа өндіріс әдістері

Басқа да өндіріс түрлеріне құю, центробегтік құю, өрім (қалыпқа орау), үздіксіз құю, жіп орау, престеу, көшіру, пультрузиялық қалыптау және сырғанақ құю кіреді. CNC жіп орауы, вакуумдық инфузия, ылғалды жабыстыру, қысыммен қалыптау және термопластикалық қалыптау сияқты қалыптау мүмкіндіктері де бар, мысалы. Кейбір жобалар үшін қатайту пештерін және бояу камераларын пайдалану да қажет.

Аяқтау әдістері

Композиттік бөлшектердің аяқталуы да соңғы дизайн үшін өте маңызды. Мұндай аяқталудың көптеген түрлері жаңбыр эрозиясына қарсы жабындар немесе полиуретан жабындарынан тұрады.

Құрал жасау

Қалыптар мен қалып кіргіштер "құрал-жабдық" деп аталады. Қалыптар/құрал-жабдықтар әртүрлі материалдардан жасалуы мүмкін. Құрал-жабдық материалдарына алюминий, көміртек талшығы, инвар, никель, нығайтылған силикон резеңке және болат кіреді. Құрал-жабдық материалдарын таңдау, әдетте, бірақ оған ғана шектелмейді, жылулық кеңею коэффициенті, күтілетін циклдар саны, дайын өнімнің дәлдігі, қажетті немесе күтілетін беттік жағдай, қатыру әдісі, қалыпталып жатқан материалдың шыны тәрізді өтпе температурасы, қалыптау әдісі, матрица, құны және басқа да түрлі факторларға негізделеді.

Физикалық қасиеттері

Әдетте, композиттің физикалық қасиеттері изотроптық (қолданған күштің бағытынан тәуелсіз) болмайды. Бірақ олар көбінесе анизотроптық (қолданылатын күш немесе жүктеме бағытына қарай өзгеше) болады. Мысалы, композиттік панельдің қатаңдығы қолданылатын күштердің және/немесе моменттердің бағытына байланысты әдетте өзгереді. Композиттің беріктігі екі түрлі жүктеме жағдайымен шектеледі, бұл оң жақтағы сызбада көрсетілген.

Қателік

Соққы, әсер немесе қайталама циклдық кернеу ламинаттың екі қабаттың арасындағы интерфейсте бөлінуіне әкелуі мүмкін, бұл жағдай қабаттану деп аталады. Жеке талшықтар матрицадан бөлінуі мүмкін, мысалы, талшықтардың сығуы. Композиттер макроскопиялық немесе микроскопиялық деңгейде бұзылуға ұшырауы мүмкін. Сығудан бұзылу макро деңгейде де, сығудан бүгілуге ұшыраған әрбір жеке арматуралық талшықта да болуы мүмкін. Кернеуден бұзылу бөліктің қимасының бұзылуына немесе композиттің микроскопиялық деңгейде бұзылуына әкелуі мүмкін, онда композиттің бір немесе бірнеше қабаттары матрицаның кернеуінен бұзылады немесе матрица мен талшықтар арасындағы байланыс үзіледі. Кейбір композиттердің беріктігі төмен болады және бастапқы бұзылудан кейін аз қор беріктігі болады, ал басқалары үлкен деформацияға ұшырауы мүмкін және зақымдану басталғаннан кейін энергияны сіңіру қабілетіне ие. Қол жетімді талшықтар мен матрицалардың айырмашылықтары және қоспалармен жасалатын қоспалар композиттік құрылымға енгізілетін қасиеттердің өте кең ауқымын қамтамасыз етеді. Ең танымал бұзылу оқиғасы – «Колумбия» ғарыш кемесінің қанатының алдыңғы жиегіндегі көміртекті-көміртекті композиттік плитканың ұшып тұрғанда зақымдануы, бұл 2003 жылдың 1 ақпанында Жер атмосферасына қайта кірген кезде кеменің апатқа ұшырауына әкелді. Композиттердің металдармен салыстырғанда беріктігі төмен.

Сынау

Композиттік материалдар құрылысқа дейін және кейін сынақтан өтеді, бұл олардың бұзылуын болжауға және алдын алуға көмектеседі. Құрылысқа дейінгі сынақтарда шекті элементтер әдісі (FEA) қолданылуы мүмкін, ол қисық беттерді қабаттар бойынша талдауға, сондай-ақ композиттік материалдардың бүктелуін, жиырылуын және шұңқыруын болжауға мүмкіндік береді. Материалдар өндіріс кезінде де, құрылыс аяқталғаннан кейін де ультрадыбыстық, термографиялық, сширографиялық және рентгендік радиография сияқты түрлі бұзбас әдістермен, сондай-ақ лазерлік байланыс тексеру арқылы локальді аймақтағы байланыс беріктігінің тұтастығын бағалау үшін сынақтан өтеді.