9 клас 11.04.2023 Композиційні матеріали

 

9 клас 11.04.2023

ТЕМА: Композиційні матеріали

Що таке композиційні матеріали

Сучасні технології висувають до конструкційних матеріалів суворі вимоги, що часто суперечать одна одній: вони мають забезпечувати мінімальну масу конструкцій, максимальну міцність, жорсткість, надійність, довговічність в умовах значного навантаження, високих температур і в агресивних середовищах. Усі ці вимоги здатні задовольнити композиційні матеріали (композити).

Чому композити такі популярні?

Композити, об’єднуючи кілька матеріалів з різними властивостями, у результаті виявляють такі властивості, яких не мають їхні складові.

Композиційний матеріал (композит, КМ) - штучно створений неоднорідний суцільний матеріал, що складається з двох або більше компонентів — матриці (пластичної основи) та наповнювача, між якими є чітка межа (рис. 1).

Рис. 1.1. Утворення композиту

Існують природні аналоги композиційних матеріалів — деревина, кістки, панцирі, шкіри тощо.

Матриця фіксує наповнювач і надає виробу форму, а наповнювач забезпечує високу міцність, жорсткість тощо. При цьому передбачається, що компоненти композиту мають бути добре сумісними і не розчинятися один в одному, тобто структура композиційних матеріалів не є однорідною.

Особливістю композиційних матеріалів є те, що їхні компоненти не тільки зберігають свої властивості, а й набувають нових, яких окремо не мали. Так, у залізобетоні — мабуть, найвідомішому сьогодні композиті — роль матриці виконує бетон, а наповнювача — сталева арматура. Конструкції із залізобетону, зокрема прогони в мостах, балки, колони, витримують великі навантаження, які викликають розтріскування звичайного бетону. Коли армований бетон зазнає згинання, внутрішній сталевий каркас поглинає зусилля і перешкоджає утворенню великих тріщин.

Назва полімерного композиту зазвичай складається з двох частин. Перша — матеріал наповнювача, друга — слово «пластик»:

склопластик (полімер + скловолокно);

металопластик (полімер + металічні волокна);

органопластик (полімер + органічні волокна);

вуглепластик (полімер + вуглецеві волокна).

об’ємні тканини, каркаси, листи, пластини, волокна, гранули, порошок, наночастинки.

Ще один важливий момент: бетон і сталь мають майже однаковий коефіцієнт розширення. Якби вони при нагріванні й охолодженні розширювалися і стискалися в різній пропорції, то рано чи пізно розірвали б один одного.

До речі, бетон — теж композиційний матеріал: матриця — цемент, а наповнювач — гравій, пісок. Отже, залізобетон — це трикомпонентний (або трифазний) композит.

Як матрицю у композиційних матеріалах використовують метал, кераміку, цемент, полімери. Якщо ж у композиті кілька матриць, його називають поліматричним.

Наповнювачем можуть бути різноманітні штучні та природні елементи різної форми:

Змінюючи склад матриці й наповнювача, їх співвідношення, орієнтацію наповнювача, отримують різні матеріали із заданими властивостями. Волокна наповнювача можуть бути одно-, двоспрямованими (як переплетення в тканині), а можуть розміщуватися хаотично. Крім того, вони можуть бути або неперервними, або перериватися (рис.2). Високоміцні композити здебільшого мають упорядковану структуру. На властивості композиційного матеріалу впливають і методи його отримання: температура, тиск та ін.

Рис. 2. Форми й орієнтація наповнювача

У Давньому Єгипті близько 4500 років тому тіло померлого після відповідної підготовки обмотували смужками тканини чи папірусу і промащували природною смолою. У результаті утворювався твердий «кокон» — мумія (рис.3).

У XVIII ст. цей метод — відоме вам пап’є-маше — заново відкрили, використавши як наповнювач папір. З пап’є-маше до середини XX ст. робили іграшки і навіть меблі.

Рис. 3. Єгипетська мумія (Лувр)

Сьогодні схожим способом — намотуванням (тільки, звісно, з інших матеріалів) виготовляють корпуси ракетних двигунів, труби, балони та ін. (див. рис. 4).

Рис. 4. Виготовлення виробу з композиту способом намотування

У Єгипті та Месопотамії за три тисячі років до нашої ери будували судна з тростини, промащеної бітумом (смолоподібна речовина) для водонепроникності. Дехто стверджує, що бітумом просмолив свій ковчег біблійний Ной. Цю технологію відтворив норвезький мандрівник Тур Хеєрдал у човні «Ра II», на якому він перетнув Атлантичний океан (рис. 5).

    Корпус і надбудова шведського корвета типу «Вісбю» (рис.6) виконані у вигляді моноблока з оригінального композиту (набір полімерів + вуглецеве волокно й вініл). Цей матеріал забезпечив малу вагу, високу жорсткість і ударостійкість. А головне — поглинання радіохвиль, завдяки чому корвет непомітний для засобів виявлення супротивника.

Де використовують композиційні матеріали

Спочатку розробляли композиційні матеріали на замовлення військових, передусім для застосування в літальних апаратах. Сьогодні вони впроваджені в багатьох галузях промисловості. Композити використовують для виробництва автомобілів і мотоциклів, об’єктів залізничного транспорту, літаків і вертольотів, ракет, суден, яхт, підводних човнів, ємностей для зберігання різних рідин, трубопроводів, спортивного інвентарю (роликові ковзани, ключки, велосипеди, лижі, тенісні ракетки), медичної і побутової техніки (корпуси телефонів, ноутбуків), музичних інструментів тощо. Тобто якби сьогодні раптом щезли композиційні матеріали, на людство чекала б катастрофа.

Особливий вид композитів застосовують у тканинній інженерії. На пористу або сітчасту підкладку, наприклад з колагену, висівають живі клітини, і через деякий час у біореакторі формується імплантат, який можна пересадити пацієнтові. Так вже вирощують «штучну» живу шкіру, триває розробка імплантатів для клапанів серця та інших органів.

Зазвичай вартість композиційних матеріалів дуже висока, що пов’язано зі складністю технологічних процесів їх виготовлення, високою ціною використовуваних компонентів тощо. Разом з тим, якщо рахувати витрати не лише на виготовлення композитів, а й на створення всього виробу, то помітити економію нескладно. Так, економія відбувається за рахунок зменшення кількості технологічних розʼємів, деталей, скорочення кількості складальних операцій під час виробництва складних конструкцій. Трудомісткість виробництва виробів з композиційних матеріалів можна знизити в 1,5-2 рази порівняно з металевими аналогами.

Рис. 7. Вітряк виробництва Siemens

У німецькому концерні Siemens виготовляють роторні лопаті для вітряків завдовжки 75 м, кінчики лопатей здатні рухатися зі швидкістю до 290 км/год. Лінійний розмір кожної лопаті порівнянний із розмахом крил авіалайнера Airbus А380 (рис.7). Кожну лопать відливають зі склопластику як єдине ціле.

Склопластик (фіберглас) — полімерний композиційний матеріал, у якому наповнювачем є скляні волокна, сформовані з розплавленого неорганічного скла. Склопластики легкі, дуже міцні, мають низьку теплопровідність, високі електроізоляційні властивості, підвищену герметичність і водостійкість, вони прозорі для радіохвиль; дають змогу створити деталі складних геометричних форм.

Зі склопластику виготовляють корпуси невеликих суден, внутрішнє облицювання громадського транспорту, басейнів, пластикових вікон, кузовів автомобілів і водних атракціонів. Для хімічної промисловості зі склопластику виробляють трубопроводи та ємності для транспортування і зберігання кислот, солей та інших хімічних розчинів. Склопластик поширений у побуті — від столів, стільців, панелей і деталей у холодильниках, пральних машинах і мікрохвильових пічках до гребінців і кулькових ручок.

Склопластик у 4 рази міцніший від алюмінію. Лист склопластику завтовшки 1 мм має такі самі теплоізоляційні якості, як 5-міліметрове скло.

Рис.8. Болід Mercedes AMG F1 W05 з вуглецевого пластику й пористих композитів

З вуглепластику виготовляють як окремі невеликі деталі для автомобілів, так і повністю кузови. Боліди «Формули 1» (рис.8) розвивають швидкість понад 350 км/год завдяки не тільки потужним двигунам, а й своїй малій вазі. Монокок (безкаркасний кузов) боліда роблять із вуглепластику, тому його загальна маса не перевищує 600 кг.

У літака Boeing-787 Dreamliner (рис.9) — композитний фюзеляж, хвостове оперення і крила. Частка вуглепластику у цьому лайнері становить 50 %, а в інших сучасних літаках — у середньому 15 %. Завдяки використанню композитів маса літаків знижується на 20-40 %, істотно скорочуються витрати пального.

Якщо крило (чи інший елемент) виготовляють із композитів, то матеріал і конструкцію створюють одночасно. Це дає змогу отримати крило досконалішої аеродинамічної форми, що неможливо за використання алюмінію. До того ж алюмінієве крило літака складається з окремих частин, які з’єднуються між собою великою кількістю болтів. Це складно, довго, призводить до збільшення ваги.

Наповнювачем у вуглепластику слугують волокна вуглецю. Вони дуже тонкі, діаметр — 0,005-0,010 мм, їх легко зламати, але важко розірвати. З цих ниток роблять тканини різного плетення. Тканини укладають шарами під різним кутом і скріплюють полімерною матрицею.

У космічній галузі та авіабудуванні вуглепластик прийшов на заміну алюмінієвим і титановим сплавам. Він може витримати високі температури під час виведення на орбіту, екстремальний тиск за перевантажень, низьку температуру і глибокий вакуум космічного простору. З вуглепластику виготовляють носові частини ракет, сопла двигунів та інші деталі космічних апаратів, що зазнають екстремальних аеродинамічних навантажень.

Продовження на наступному занятті.

Домашнє завдання: Опрацювати теоретичний матеріал.

Все буде добре. Миру нам всім.