23 October 2014

История композиционных материалов

Popular scienceNanotechnologiesPhysics
Композиционный материал – это неоднородный сплошной материал из двух или более компонентов с чёткой разницей между ними. Самый простой пример – обычная клееная фанера. Но есть и гораздо более интересные технологии и материалы, используемые в авиастроении, автомобилестроении и других областях. Подробнее – под хабракатом.



Древние первооткрыватели


Два или более неоднородных материала используют вместе, чтобы создать новый уникальный материал или же улучшить характеристики одного из них. Первое использование этого метода относится к 1500 году до нашей эры, когда в Египте и Месопотамии начали использовать глину и солому для строения зданий. Также солому вносили в состав для укрепления керамических изделий и лодок.

Кирпичи, в которых использовалась слома, называют «саман». Примерно так их делали египтяне:



Следующая веха – это 1200 год нашей эры. Постарались монголы: они создали первый композиционный лук из таких материалов, как древесина, кость и животный клей. Монгольский лук делали обычно из нескольких слоев древесины (в основном это была береза), которые склеивали с помощью животного клея. Роговые накладки помещали на внутренней стороне лука, закрепляя жилами.



Эра пластиков


Не было бы современных композитов, если бы ученые не придумали пластмассы. До этого единственным источником клея и связующих веществ служили природные смолы, которые получали из животных или растений. А в начале XX века разработали винил, полистирол, фенол и полиэстр. Эти материалы значительно превосходили ранее используемые.

Но и пластмассы не могли обеспечить достаточную прочность. Нужно было армирование получше, и в 1935 году фирма Owens/Corning разработала стекловолокно. В сочетании с пластиковыми полимерами оно представляет собой чрезвычайно прочную и при этом очень легкую структуру. Это стало началом армированной полимерной промышленности.

Первая реклама продукта из стекловолокна относится к 1939 году. Это воздушный фильтр компании Owens-Corning.



В 1957 году компания рекламировала шторы из стекловолокна с принтом.



Еще кое-что из 1970 года – панели из стекловолокна для теплоизоляции при строительстве.



Ранние инновации в композиционных материалах: Вторая мировая


Множество изобретений в этой сфере были придуманы во время войн. Как монголы создали свой композиционный лук, так и Вторая мировая война позволила армированным полимерам перекочевать из лабораторий в реальный мир.

Альтернативные материалы, позволяющие снизить вес конечного изделия, были необходимы в военном авиастроении. Очень быстро инженеры поняли преимущества композитов в плане их веса и прочности.

Также инженеры узнали о таком преимуществе композитов из стекловолокна, как радиопроницаемость. И начали применять «обтекатели», защищающие радиомодули от внешних факторов, в том числе ветра.



Во время войны Германия пыталась также разработать самолет-невидимку, задолго до Stealth в США. Тогда необходимо было использовать в корпусе композитный материал, где между слоями фанеры находился бы наполнитель из легкой бальзы – дерева, растущего в Южной Америке. Но в 1944 году этот материал для немцев был недостижим, поэтому пришлось использовать эрзац-композит «формхольц»: между слоями 1,5-миллиметровой фанеры была смесь пропитанных смолой древесных опилок и пористого угля.



Адаптация композитов


В общем, к концу войны небольшая ниша композиционной промышленности была заполнена. И теперь стояла непростая задача: как перейти с военных заказов на продукты мирного назначения.

Среди очевидных вариантов были лодки. Первую лодку с композитным корпусом представили в 1946 году. Примерно в то же время сделали доску для серфинга из стекловолокна. И появился метод “протяжки” – “пултрузия”, используемая в производстве полимерных композиционных материалов.

Вот, например, схема сухой пултрузии. Метод значительно упрощал производство.



Автомобили – еще одно важное направление для полимерных композитов.

В 1954 году в США в продаже появился первый спорткар, корпус которого сделан из стекловолокна: Kaiser-Darrin. Эта машинка разгонялась до 60 миль в час за 15,1 секунды. А максимальная скорость – чуть меньше 100 миль в час, то есть около 160 км/ч.

Такие характеристики стали достижимыми при движке в 90 лошадиных сил во много благодаря небольшому весу автомобиля — около 2200 фунтов, то есть 997 кг.





В 1970-х материалы стали еще лучше и сложнее. Компания DuPont, а именно одна группа под управлением Стефани Кволек, разработала арамидные волокна, известные нам как кевлар. Сейчас это общеизвестный материал, используемый в бронежилетах. Кевлар в пять раз прочнее стали. Создавали его материал для армирования автомобильных шин, он и сейчас применяется в этих целях. Также им армируют медные и волоконно-оптические кабели.

Автомобильная шина Wrangler с использованием кевлара.



Рукав из кевлара с доком для iPhone.



Кевлар применяется и в беспилотном авиастроении. Например, для дополнительной защиты беспилотного летательного аппарата RQ-11 Raven.



Космос и авиация


Алюминий и другие металлы при производстве деталей самолетов заменяют на композиты низкой плотности, что позволяет снизить массу самолетов. Это, в свою очередь, экономит топливо. Так что в гражданской авиации сейчас широко используются композиты.

В Boeing 787 DreamLiner из композитных материалов на основе углерода изготовлены 50% элементов фюзеляжа. Таким образом, этот самолет легче и прочнее обычного лайнера с алюминиевым фюзеляжем.



Двигатель Genx от General Electric также имеет в себе композитные материалы: из них изготовлены корпус, лопатки турбины и форсунки, впрыскивающие топливо в камеру внутреннего сгорания.





Оружие


Само собой, композиционные материалы используются при создании оружия. Например, межконтинентальная баллистическая ракета «Тополь-М»: она на 90% состоит из композитов, включая конструкции двигателей и головную часть.



Сменный ствол винтовки Christensen Arms, выполненный из углепластика. Винтовка построена на базе затворной группы Remington-700.



Карабин Carbon Custom R-93 со сменными стволами.



Приклады для винтовок, выполненные из композитных материалов. Представлены на «Открытых инновациях» в прошлом году российским производителем ХК «Композит».



Современные полимерные композиционные материалы


Самая интересная группа композитов – полимеры. Это не фанера и не солома в кирпичах, а сложные в производстве материалы, иногда включающие работу даже на наноуровне (10 в -9 степени).

Немного теории в этот раз. Для армирования используют:
углеродные ткани (карбон);
арамидные ткани (кевлар);
гибридные ткани (карбон + кевлар);
однонаправленные гибридные ткани;
стеклоткани;
мультиаксиальные ткани;
углеродные ленты;
препреги.

Как используют углеродные ткани?



Для изготовления карбоновых деталей применяется как просто углеродное волокно с хаотично расположенными и заполняющими весь объем материала нитями, так и ткань (Carbon Fabric). Наиболее распространены такие виды плетений, как Plain, Twill, Satin.

Плотность ткани, или удельная масса, выраженная в г/м^2, помимо типа плетения зависит от толщины волокна, которая определяется количеством угленитей. Данная характеристика кратна тысячи. Так, аббревиатура 1К означает тысячу нитей в волокне.

Часто мы можем услышать от пацанов на районе автомобилистов, что они «обклеили карбоном авто». Здесь речь на самом деле идет чаще не о полимерных композитах, а об обычной декоративной пленке, сделанной под карбон. Никакого преимущества такая пленка не дает: вес деталей меньше не станет, в прочности тоже она не выиграет. Так что это погоня за модой и желание сделать собственное авто похожим на гоночные машины из Need For Speed.



В строительстве зданий и дорог, для армирования бетонным емкостей и хранилищ используется углепластиковая и стеклопластиковая арматура, инертная ко всем агрессивным средам, обладающая высокой прочностью и ожидаемым сроком службы 75 лет.



Армировать при строительстве и после него можно и с внешней части: используя углеродную ленту, пропитанную двухкомпонентным эпоксидным составом. Картинку лучше, к сожалению, не нашел.



Асфальт можно армировать с помощью добавления в него фибры. Вспомнили солому и глину в начале поста?



Нанотехнологии


Сами полимерные композиты вряд ли можно назвать нанотехнологичными, если нанотехнологии определять как «совокупность технологических методов и приемов, используемых при изучении, проектировании и производстве материалов, устройств и систем, включающих целенаправленный контроль и управление строением, химическим составом и взаимодействием составляющих их отдельных наномасштабных элементов (с размерами порядка 100 нм и меньше), которые приводят к улучшению, либо появлению дополнительных эксплуатационных и/или потребительских характеристик и свойств получаемых продуктов».

Но в недавнее время на рынок вышли полимерные смолы, выполняющие роль связующего, которые, исходя из процесса их производства, вполне подпадают под определение нанотехнологии.

Медицина


Конечно, изначально военные разработки очень часто превращаются в продукты мирного времени и используются в том числе в медицине.

Начнем со стоматологии. Пломбы вам ставили? С высокой вероятностью это были композиционные материалы. Прямо при вас непосредственно перед установкой врач смешивает компоненты, после чего устанавливает на место и затем держит несколько минут ультрафиолетовую лампу. Это светоотверждаемые пломбы.

Есть и пломбы химического отверждения. Например, стеклоиономерный цемент из порошка и жидкости, в котором порошок — алюмофторсиликатное стекло с фтором, а жидкость — водный раствор полиакриловой кислоты.



Композитные волокна используются при производстве ортезов. Ортез — это специальное приспособление, предназначенное для разгрузки, фиксации, активации или коррекции функций сустава или конечности. Здесь имеются кортезы, бандажи, обувь и другие продукты.





Само собой, протезы также делают из композиционных материалов. В случае с образцами для бегунов это просто необходимо, так как подобную гибкость и прочность другие материалы дать неспособны.



Заключение


Древнейший метод, который помогал делать кирпичи и луки прочнее, в сочетании с современными материалами дает неоценимые преимущества в различных сферах. Среди них авиа- и автомобилестроение, космонавтика, медицина, включая стоматологию и протезирование, и строительство. Даже такая простая вещь, как арматура в бетонных конструкциях, теперь стала более технологичной, выполненной из стеклопластика и углепластика. Пломбы у стоматолога, как я писал выше, также относятся к композитным материалам. Композиционные материалы прочно вошли в нашу жизнь, подчас абсолютно незаметно для нас.

Притом использование этого метода возможно даже в домашних условиях. Я упоминал в одной из прошлых публикаций, что планирую сделать новые моды для своего квадрокоптера. Как только достигну в этом успеха — напишу.
Tags:композиционные материалыкомпозитыкомпозитные материалыматериаловедение
Hubs: Popular science Nanotechnologies Physics
+43
35.7k 63
Comments 57
Data Science
January 25, 202169,000 ₽SKILL BRANCH
Профессия iOS-разработчик
November 30, 202075,000 ₽SkillFactory
Основы HTML и CSS
November 30, 2020FreeНетология
Frontend-разработчик с нуля
November 30, 202077,940 ₽Нетология
Курс по аналитике данных
November 30, 202053,500 ₽SkillFactory