Введение

Материал, изготовленный из комбинации двух или более различных веществ, – специфические композитные материалы на основе углерода и стекловолокна, часто называемые просто "композитами".

Композитный материал (также называемый материалом композиционного типа или сокращенно композитом, что является общепринятым названием) – это материал, производимый из двух или более составляющих компонентов. Эти компоненты обладают заметно различными химическими или физическими свойствами и объединяются для создания материала с характеристиками, отличными от свойств отдельных элементов. Внутри готовой структуры отдельные компоненты остаются обособленными и различимыми, что отличает композиты от смесей и твердых растворов. Композитные материалы, состоящие из нескольких отдельных слоев, называются композитными ламинатами. Типичные конструкционные композитные материалы включают:

Армированный бетон и каменная кладка
Композитная древесина, такая как фанера
Армированные пластики, такие как полимер, армированный волокном, или стеклопластик
Керамические композиты (композитные керамические и металлические матрицы)
Композиты с металлической матрицей
и другие передовые композитные материалы.

Существует множество причин, по которым предпочтительнее использовать новые материалы. Типичные примеры включают материалы, которые дешевле, легче, прочнее или долговечнее по сравнению с традиционными материалами, а также композитные материалы, вдохновленные животными и природными источниками с низким углеродным следом. В последнее время исследователи также активно внедряют в композиты сенсорные, приводные, вычислительные и коммуникационные функции, которые известны как роботизированные материалы. Композитные материалы обычно используются в строительстве зданий, мостов и конструкций, таких как корпуса лодок, панели для бассейнов, кузова гоночных автомобилей, душевые кабины, ванны, резервуары для хранения, имитация гранита, а также раковины и столешницы из искусственного мрамора. Они также все шире применяются в автомобильной промышленности. Наиболее передовые образцы успешно эксплуатируются на космических аппаратах и самолетах в экстремальных условиях.

Композитные материалы

Бетон является наиболее распространенным искусственным композитным материалом и обычно состоит из рыхлых камней (заполнителей), связанных матрицей цемента. Бетон – недорогой материал, который не сжимается и не разрушается даже при значительной сжимающей нагрузке. Однако бетон не выдерживает растягивающих усилий (то есть, при растяжении он быстро разрушается). Поэтому для придания бетону способности сопротивляться растяжению в него часто добавляют стальные стержни, способные выдерживать высокие растягивающие силы, формируя железобетон. К волокноусиленным полимерам относятся полимеры, армированные углеродным волокном, и стеклопластики. В зависимости от типа матрицы композиты подразделяются на термопластичные композиты, термопласты с коротким волокном, термопласты с длинным волокном или термопласты, армированные длинным волокном. Существует множество термореактивных композитов, включая композитные панели на бумажной основе. Многие современные термореактивные полимерные матричные системы обычно содержат арамидное волокно и углеродное волокно в матрице эпоксидной смолы. Композиты с памятью формы – это высокоэффективные композиты, изготавливаемые с использованием волокон или тканей и полимерной смолы с памятью формы в качестве матрицы. Поскольку в качестве матрицы используется полимерная смола с памятью формы, эти композиты можно легко формовать в различные конфигурации при нагревании выше температуры активации, при этом они демонстрируют высокую прочность и жесткость при более низких температурах. Их также можно повторно нагревать и переформировывать многократно, не теряя своих свойств. Эти композиты идеально подходят для таких применений, как легкие, жесткие, развертываемые конструкции, быстрое прототипирование и динамическое усиление. Композиты с высокой деформацией – это еще один тип высокоэффективных композитов, предназначенных для работы в условиях высокой деформации и часто используемых в развертываемых системах, где выгодно структурное изгибание. Хотя композиты с высокой деформацией имеют много общего с полимерами с памятью формы, их характеристики обычно зависят от расположения волокон, а не от содержания смолы в матрице. Композиты также могут использовать металлические волокна для армирования других металлов, как в металломатричных композитах (MMC) или керамикоматричных композитах (CMC), которые включают кость (гидроксиапатит, армированный коллагеновыми волокнами), cермет (керамику и металл) и бетон. Керамикоматричные композиты создаются прежде всего для повышения вязкости разрушения, а не прочности. Другой класс композитных материалов включает тканевые композиты, состоящие из продочных и поперечных переплетенных нитей. Тканевые композиты гибкие, поскольку имеют форму ткани. Композиты на основе органической матрицы/керамического заполнителя включают асфальтобетон, полимерный бетон, мастичный асфальт, гибрид мастичного валика, зубной композит, синтактическую пену и перламутр. Броня Chobham – это специальный тип композитной брони, используемый в военной технике. Кроме того, термопластичные композитные материалы могут быть сформулированы с использованием определенных металлических порошков, в результате чего получаются материалы с плотностью от 2 до 11 г/см³ (такая же плотность, как у свинца). Наиболее распространенное название для этого типа материалов – «соединение с высокой плотностью» (HGC), хотя также используется термин «замена свинца». Эти материалы могут использоваться вместо традиционных материалов, таких как алюминий, нержавеющая сталь, латунь, бронза, медь, свинец и даже вольфрам для утяжеления, балансировки (например, изменения центра тяжести теннисной ракетки), демпфирования вибраций и радиационной защиты. Композиты с высокой плотностью являются экономически выгодным вариантом, когда определенные материалы считаются опасными и запрещены (например, свинец) или когда затраты на вторичные операции (например, обработку, отделку или покрытие) являются существенными. Ряд исследований показывает, что чередование жестких и хрупких ламинатов из углеродного волокна на основе эпоксидной смолы с гибкими термопластичными ламинатами может помочь создать высокопрочные композиты с улучшенной ударопрочностью. Еще одна интересная особенность таких чередующихся композитов заключается в том, что они могут проявлять эффект памяти формы без использования полимеров или сплавов с памятью формы, например, слои балсы, чередующиеся с горячим клеем, слои алюминия, чередующиеся с акриловыми полимерами или ПВХ, и ламинаты из углеродного волокна, чередующиеся с полистиролом. Сэндвич-композит – это особый класс композитных материалов, изготовленный путем прикрепления двух тонких, но жестких оболочек к легкому, но толстому сердечнику. Материал сердечника обычно обладает низкой прочностью, но его большая толщина обеспечивает высокую изгибную жесткость с общей низкой плотностью. Древесина – это природный композит, состоящий из целлюлозных волокон в матрице лигнина и гемицеллюлозы. Инженерная древесина включает в себя широкий спектр различных продуктов, таких как древесноволокнистые плиты, фанера, ориентированно-стружечная плита, древесно-полимерный композит (переработанные древесные волокна в полиэтиленовой матрице), пикрет (опилки в ледяной матрице), пластифицированная или ламинированная бумага или текстиль, Arborite, Formica (пластик) и Micarta. Другие инженерные ламинированные композиты, такие как Mallite, используют центральный сердечник из торцевой древесины балсы, соединенный с поверхностными оболочками из легкого сплава или стеклопластика. Они создают материалы с малым весом и высокой жесткостью. Частичные композиты имеют частицы в качестве наполнителя, диспергированного в матрице, которая может быть неметаллической, например, стекло, эпоксидная смола. Автомобильная шина является примером частичного композита. Сообщается о передовых полимерных композитах с покрытием из углерода, подобного алмазу (DLC), где покрытие увеличивает гидрофобность поверхности, твердость и износостойкость. Ферромагнитные композиты, включая композиты с полимерной матрицей, состоящей, например, из нанокристаллического наполнителя на основе порошков железа и полимерной матрицы. Могут использоваться аморфные и нанокристаллические порошки, полученные, например, из металлических стекол. Их использование позволяет получать ферромагнитные нанокомпозиты с контролируемыми магнитными свойствами.

Продукты

Волокноармированные композиционные материалы приобрели популярность (несмотря на их обычно высокую стоимость) в высокопроизводительных изделиях, которым требуется малый вес при достаточной прочности для работы в жестких условиях, таких как компоненты авиакосмической техники (хвостовые оперения, крылья, фюзеляжи, пропеллеры), корпуса лодок и байдарок, рамы велосипедов и кузова гоночных автомобилей. Другие области применения включают в себя удочки, резервуары для хранения, панели для бассейнов и бейсбольные биты. Конструкции Boeing 787 и Airbus A350, включая крылья и фюзеляж, в значительной степени состоят из композиционных материалов. Композиты также все шире используются в ортопедической хирургии, и это наиболее распространенный материал для изготовления хоккейных клюшек. Углепластик является ключевым материалом в современных ракетах-носителях и теплозащитных экранах для этапа возвращения космических аппаратов. Он широко применяется в подложках солнечных панелей, отражателях антенн и элементах конструкции космических аппаратов. Также используется в адаптерах полезной нагрузки, межступенчатых конструкциях и тепловых щитах ракет-носителей. Кроме того, в дисковых тормозных системах самолетов и гоночных автомобилей применяется материал на основе углерода, а композит с углеродными волокнами и карбидокремниевой матрицей используется в автомобилях класса люкс и спортивных автомобилях. В 2006 году была представлена панель для бассейнов, изготовленная из волокноармированного композита, для наземных бассейнов – как частных, так и общественных – в качестве нержавой альтернативы оцинкованной стали. В 2007 году компании TPI Composites Inc и Armor Holdings Inc представили первый полностью композитный военный Humvee. Использование композитов позволило снизить вес транспортного средства и увеличить грузоподъемность. В 2008 году углеродное волокно и DuPont Kevlar (в пять раз прочнее стали) были объединены с улучшенными термореактивными смолами для производства военных транспортных контейнеров компанией ECS Composites, что позволило снизить их вес на 30% при сохранении высокой прочности. Трубы и фитинги для различных целей, таких как транспортировка питьевой воды, пожаротушения, орошения, морской воды, опресненной воды, химических и промышленных отходов, а также сточных вод, теперь производятся из стеклопластика. Композиционные материалы, используемые в натяжных конструкциях для фасадных работ, обладают преимуществом пропускания света. Тканая основа в сочетании с соответствующим покрытием обеспечивает лучшую светопроницаемость, создавая комфортный уровень освещения по сравнению с ярким дневным светом. Крылья ветряных турбин, размеры которых постоянно увеличиваются и достигают 50 метров в длину, уже несколько лет изготавливаются из композиционных материалов. Два спортсмена с ампутированными нижними конечностями бегают на углепластиковых искусственных протезах, имитирующих пружинящую стопу, с той же скоростью, что и здоровые атлеты. Газовые баллоны высокого давления, обычно объемом 7–9 литров при давлении 300 бар, для пожарных теперь изготавливаются из углепластика. Цилиндры типа 4 содержат металл только в виде горловины, к которой крепится резьба для клапана. 5 сентября 2019 года компания HMD Global представила Nokia 6.2 и Nokia 7.2, в которых, как утверждается, для изготовления рамок используется полимерный композит.

Обзор

Композитные материалы создаются из отдельных материалов. Эти отдельные материалы известны как составляющие, и существует две основные категории таких материалов. Одна из них – матрица (связующее), а другая – армирование. Необходима хотя бы определенная доля каждого из них. Армирование получает поддержку от матрицы, поскольку матрица окружает армирование и обеспечивает сохранение его относительного положения. Свойства матрицы улучшаются благодаря тому, что армирование придает ей свои исключительные физические и механические характеристики. Синергетический эффект позволяет получить механические свойства, недоступные для отдельных составляющих материалов. В то же время, конструктор изделия или конструкции получает возможность выбрать оптимальную комбинацию из множества матриц и армирующих материалов. Для придания формы композитному материалу его необходимо сформировать. Армирование размещается на поверхности формы или в ее полости. До или после этого в армирование может быть введена матрица. Матрица подвергается процессу упрочнения, который определяет форму детали. Этот процесс может происходить различными способами, в зависимости от природы матрицы, например, затвердевание из расплавленного состояния для термопластичного полимерного композита или химическая полимеризация для термореактивного полимерного композита. В зависимости от требований к конструкции конечного изделия могут использоваться различные методы формования. Природа выбранной матрицы и армирования являются ключевыми факторами, определяющими методологию. Важным фактором также является общий объем изготавливаемого материала. Большие объемы производства оправдывают высокие капитальные вложения в быстрое и автоматизированное технологическое оборудование. Меньшие объемы производства могут быть экономически эффективны при более низких капитальных вложениях, но более высоких затратах на рабочую силу и оснастку, что приводит к снижению скорости производства. Многие коммерчески производимые композиты используют полимерную матрицу, часто называемую смолой. Существует множество различных полимеров, в зависимости от исходного сырья. Существует несколько широких категорий, каждая из которых имеет множество вариаций. Наиболее распространенными являются полиэстер, винилэфир, эпоксидная смола, фенольные смолы, полиимид, полиамид, полипропилен, ПЭЭК и другие. Армирующие материалы часто представляют собой волокна, но также могут быть измельченные минералы. Различные методы, описанные ниже, разработаны для снижения содержания смолы или увеличения содержания волокна в готовом изделии. Как правило, при ручной формовке получается продукт, содержащий 60% смолы и 40% волокна, в то время как при вакуумной инфузии получается продукт с 40% смолы и 60% волокна. Прочность изделия в значительной степени зависит от этого соотношения. Мартин Хаббе и Люсиан А. Люсия считают древесину природным композитом, состоящим из целлюлозных волокон в матрице из лигнина.

Ядра в композитах

Некоторые схемы расположения слоев композитных материалов также включают совместное или последующее отверждение препрега с различными другими материалами, такими как пена или сотовая структура. Как правило, это известно как сэндвич-конструкция. Это более распространенная схема расположения слоев для производства обтекателей, дверей, радиопрозрачных обтекателей или не несущих нагрузок деталей. В качестве сердцевинных материалов обычно используются пены с открытыми и закрытыми ячейками, такие как поливинилхлорид, полиуретан, полиэтилен или полистирол, древесина балса, синтетические пены и сотовые структуры. Металлические пены с открытыми и закрытыми ячейками также могут использоваться в качестве сердцевинных материалов. В последнее время 3D-структуры графена (также называемые графеновой пеной) также стали применяться в качестве сердцевинных структур. Недавний обзор, проведенный Khurram и Xu et al., предоставил обзор современных методов изготовления 3D-структур графена и примеров использования этих пеноподобных структур в качестве сердцевины для соответствующих полимерных композитов.

Полукристаллические полимеры

Хотя эти две фазы химически эквивалентны, полукристаллические полимеры можно описать как количественно, так и качественно как композиционные материалы. Кристаллическая составляющая обладает более высоким модулем упругости и обеспечивает упрочнение менее жесткой аморфной фазы. Содержание кристалличности в полимерных материалах, или объемная доля, может варьироваться от 0% до 100% в зависимости от молекулярной структуры и термической истории. Различные методы обработки могут использоваться для изменения процентного содержания кристалличности в этих материалах и, следовательно, их механических свойств, как описано в разделе "Физические свойства". Этот эффект проявляется в самых разных областях – от промышленных пластиков, таких как полиэтиленовые пакеты, до пауков, способных производить шелк с различными механическими характеристиками. Во многих случаях эти материалы ведут себя как композиты с диспергированными кристаллами, известными как сферолиты. Однако их также можно спроектировать таким образом, чтобы они были анизотропными и действовали подобно композитам, армированным волокнами. В случае паучьего шелка свойства материала могут зависеть даже от размера кристаллов, независимо от объемной доли. Иронично, но однокомпонентные полимерные материалы являются одними из наиболее легко настраиваемых композиционных материалов, известных на сегодняшний день.

Способы изготовления

Как правило, изготовление композита включает смачивание, смешивание или пропитку армирующего материала матрицей. Затем матрицу заставляют связывать компоненты вместе (под воздействием тепла или химической реакции) в жесткую структуру. Обычно эта операция выполняется в открытой или закрытой пресс-форме. Однако порядок и способы введения компонентов могут значительно различаться. Изготовление композитов достигается с помощью широкого спектра методов, включая автоматизированное размещение волокна, процесс нанесения стекловолокна распылением, намотку волокном, процесс Lanxide, индивидуальное размещение волокна, прошивание и Z-крепление.

Обзор формы

Армирующие и матричные материалы объединяются, уплотняются и отверждаются (обрабатываются) в форме для осуществления процесса сплавления. Окончательная форма детали в основном формируется после сплавления. Однако при определенных технологических условиях она может деформироваться. Процесс сплавления для термореактивного полимерного матричного материала представляет собой реакцию отверждения, вызванную дополнительным нагревом или химической реактивностью, например, органическим пероксидом. Процесс сплавления для термопластичного полимерного матричного материала – это затвердевание из расплавленного состояния. Процесс сплавления для металлической матрицы, такой как титановая фольга, – это диффузионное соединение под высоким давлением при температуре, близкой к точке плавления. Для многих методов формования целесообразно обозначать одну часть формы как "нижнюю", а другую – как "верхнюю". Обозначения "нижняя" и "верхняя" не относятся к пространственной ориентации формы, а к различным поверхностям формуемой панели. В данной условности всегда присутствует нижняя форма, а верхняя – опционально. Изготовление детали начинается с нанесения материалов на нижнюю форму. "Нижняя" и "верхняя" формы – более общие обозначения, чем более распространенные и специфические термины, такие как "пуансон", "матрица", "сторона А", "сторона Б", "сторона инструмента", "чаша", "колпак", "опорный стержень" и т.д. Непрерывное производство использует иную терминологию. Обычно формуемый продукт называют панелью. В некоторых случаях, в зависимости от геометрии и комбинации материалов, его можно назвать отливкой. Для определенных непрерывных процессов его можно назвать профилем. К числу таких процессов относятся автоклавное формование, вакуумное формование, формование под давлением, литье смолы и литье легкой смолы.

Другие способы изготовления

Другие виды изготовления включают литье, центробежное литье, плетение (на оправке), непрерывное литье, намотку нитей, прессование, переносное литье, пултрузионное литье и скользящее литье. Также существуют методы формования, такие как намотка нитей с ЧПУ, вакуумная инфузия, мокрое формование, компрессионное литье и термопластичное литье, и это лишь некоторые из них. Для некоторых проектов также требуется использование камер для термообработки и покрасочных камер.

Методы отделки

Окончательная отделка композитных деталей также критически важна для финального дизайна. Многие из этих отделок включают в себя покрытия, устойчивые к эрозии от дождя, или полиуретановые покрытия.

Инструментальная работа

Форма и вставки формы именуются "инструментом". Форма/инструмент может быть изготовлен из различных материалов. К материалам для изготовления инструмента относятся алюминий, углеродное волокно, инвар, никель, армированная силиконовая резина и сталь. Выбор материала для инструмента обычно основывается, но не ограничивается, на коэффициенте теплового расширения, ожидаемом количестве циклов, допусках конечного изделия, требуемом или ожидаемом состоянии поверхности, методе отверждения, температуре стеклования формуемого материала, методом формования, матрицей, стоимости и другими различными факторами.

Физические свойства

Обычно физические свойства композита не являются изотропными (независимыми от направления приложенной силы). Однако, как правило, они анизотропны (различны в зависимости от направления приложенной силы или нагрузки). Например, жесткость композитной панели обычно зависит от ориентации приложенных сил и/или моментов. Прочность композита определяется двумя типами нагружения, как показано на графике справа.

Неудача

Удар, воздействие или повторяющиеся циклические напряжения могут привести к расслоению ламината на границе между слоями, состояние, известное как расслоение (деламинация). Отдельные волокна могут отделяться от матрицы, например, выдергиваться. Композиционные материалы могут разрушаться как на макро-, так и на микроуровне. Разрушение при сжатии может происходить как в макромасштабе, так и в виде выпучивания отдельных армирующих волокон. Разрушение при растяжении может быть связано с разрушением поперечного сечения детали или деградацией композита на микроуровне, когда один или несколько слоев композита разрушаются при растяжении матрицы или нарушении сцепления между матрицей и волокнами. Некоторые композиты являются хрупкими и обладают небольшим запасом прочности после начала разрушения, в то время как другие могут демонстрировать значительные деформации и обладать способностью поглощать энергию после начала повреждения. Разнообразие доступных волокон и матриц, а также возможность их смешивания, обеспечивают широкий диапазон свойств, которые можно заложить в конструкцию композитной структуры. Наиболее известным случаем разрушения хрупкого керамического композита стал перелом плитки из углерод-углеродного композита на передней кромке крыла космического шаттла "Колумбия" при ударе во время взлета. Это привело к катастрофическому разрушению корабля при входе в атмосферу Земли 1 февраля 2003 года. Композиты обладают относительно низкой прочностью на разрыв по сравнению с металлами.

Испытания

Композитные материалы испытываются до и после постройки для помощи в прогнозировании и предотвращении разрушений. Предварительные испытания могут включать метод конечных элементов (FEA) для послойного анализа криволинейных поверхностей и прогнозирования образования складок, гофр и вмятин в композитах. Материалы могут подвергаться контролю во время производства и после постройки с использованием различных неразрушающих методов, таких как ультразвуковой контроль, термография, шеарография и рентгенография, а также лазерная проверка качества склеивания для неразрушающего контроля прочности соединения в локальной области.