Композити
 |
Компози́тний матеріа́л (КМ), або компози́т — гетерофазний матеріал, окремі фази якого виконують специфічні функції, забезпечуючи йому властивості, яких не має жодний з компонентів окремо[1]. Зазвичай отримують поєднанням двох або більше компонентів, які нерозчинні або малорозчинні один в одному і мають властивості, що сильно відрізняються. Один компонент пластичний (зв'язувальна речовина, або матриця), а другий має високі характеристики міцності (наповнювач, або зміцнювач). Таким чином, у КМ кожний компонент грає свою специфічну роль: матриця забезпечує пластичність, зміцнювач — міцність матеріалу; Особливий клас КМ — це природні КМ.
КМ класифікують за рядом ознак:
- за формою зміцнювального компонента (волокнисті, дисперсно-зміцнені, шаруваті). Волокна можуть бути безперервними і дискретними;
- за видом матеріалу матриці (металеві, керамічні, полімерні, вуглецеві);
- за схемою армування (для волокнистих матеріалів) — з одновісним, двовісним, тривісним та багатовісним армуванням;
- за видом матеріалу зміцнювача (металеві частинки, металеві волокна і шари, вуглецеві, борні, скляні, органічні, керамічні волокна). Залежно від технології введення армувальних волокон у матрицю застосовують різні форми армувальних елементів — нитки, джгути, стрічки, тканини.
У КМ на основі полімерних матриць як полімер використовують епоксидні, фенольні, поліуретанові, поліамідні смоли. Ці смоли мають низьку густину, невисоку температуру полімеризації, високу міцність і жорсткість, достатню адгезійну міцність з основними видами армувальних волокон, гарні технологічні властивості.
Як матеріали зміцнювачів застосовують високоміцні і високожорсткі (з високим модулем пружності Е) волокна всіх перелічених вище типів залежно від умов роботи виробу. Ними можуть бути тонкий дріт, спеціально виготовлені волокна, вуса. Діаметр волокон змінюється від одиниць до декількох десятків мікрометрів.
У КМ з металевою матрицею основним матеріалом для матриць є сплави на основі Al, Mg, Ті, іноді нікелеві сплави. Як зміцнювач використовують вуглецеві волокна, нитки з карбіду кремнію, оксиди алюмінію, бору, тонкі дроти металів.
У КМ керамічного типу матрицею служать оксиди, нітриди, карбіди, інтерметаліди.
Властивості КМ залежать від матеріалу матриці і зміцнювача, кількісного їх співвідношення, форми зміцнювача, для волокнистих КМ — від схеми армування і довжини волокон.
Матриця зв'язує композицію, придає їй форму. Від властивостей матриці залежать технологічні режими одержання КМ і такі важливі характеристики, як робоча температура, густина, питома міцність.
В Україні започатковані принципово нові методи створення композитів.[2] Освоєно метод прямого синтезу силіцидів з металу й кремнію, а також безпосереднє відновлення оксидів металів кремнієм тощо. Багатьма своїми властивостями — міцністю, ударною в'язкістю, границею витривалості тощо — композити значно перевищують традиційні матеріали, завдяки чому потреби суспільства в них і взагалі у нових матеріалах безперервно зростають.
На виготовлення композитів витрачають великі кошти, цим пояснюється той факт, що довгий час головними споживачами композитів були авіаційна і космічна промисловості. Зараз композитні матеріали використовуються у машинобудуванні, будівництві, важкій та легкій промисловості.
Профільні вироби з композиційних матеріалів — це конструкційні елементи складного або постійного поперечного перерізу, виготовлені з композиційних матеріалів на основі полімерних матриць, армованих волокнами (скляними, вуглецевими або базальтовими). Такі вироби застосовують у будівництві, транспортній інфраструктурі, машинобудуванні та енергетиці завдяки їх високій питомій міцності, корозійній стійкості та довговічності.[3]
Композиційні матеріали складаються з матриці (полімерної, металевої або керамічної) та армувального компонента — волокон, тканин або частинок. Поєднання цих компонентів забезпечує матеріалам комплекс властивостей, які перевищують характеристики окремих складових.[4]
Профільні композитні елементи можуть мати різноманітні форми поперечного перерізу (швелери, балки, труби, кутики), що дозволяє застосовувати їх у несучих та допоміжних конструкціях.[3]
Найпоширенішою технологією виготовлення профільних виробів із полімерних композитів є пултрузія — безперервний процес формування армованих профілів шляхом протягування волокон через ванну зі зв’язувальною речовиною та нагріту формувальну матрицю.[5]
Під час технологічного процесу важливими параметрами є:
- ступінь просочення армувального матеріалу полімерною матрицею;
- температура полімеризації;
- швидкість формування виробу;
- тиск у формувальній зоні.
Недотримання цих параметрів може призводити до утворення пористості, розшарування або зниження механічних характеристик готового виробу.[6]
Значна увага приділяється оптимізації технологічних параметрів виготовлення композитних профілів. У дослідженні В. Ігнатьєвої було проаналізовано технологічні особливості оброблення напівфабрикатів при виготовленні профільних виробів із композиційних матеріалів. Запропоновано підхід до визначення ступеня ущільнення армувального пакета, що забезпечує рівномірне просочення матеріалу під час формування профілю.[7]
В іншій роботі дослідниці розглянуто питання підвищення якості складнопрофільних композитних виробів, які застосовуються у сейсмостійких конструкціях. Показано, що оптимізація технологічних параметрів та армувальної структури дозволяє підвищити експлуатаційну надійність композитних елементів.[8]
Профільні композитні вироби використовуються у різних галузях техніки:
- будівництво та сейсмостійкі споруди;
- мостобудування;
- транспортна інфраструктура;
- енергетика;
- морська та хімічна промисловість.[3]
Завдяки високій корозійній стійкості композитні профілі часто застосовуються як альтернатива сталевим або алюмінієвим конструкційним елементам.[9]
- ↑ ДСТУ 2241-93 Матеріали композитні. Склопластики. Терміни та визначення.
- ↑ Скажімо, на основі боридів металів (відновлення оксидів металів бором у вакуумі та карбіду бору
- ↑ а б в Carlone, P. (2020). Pultruded materials and structures: A review. Composite Structures. 242: 112142. doi:10.1016/j.compstruct.2020.112142.
{{cite journal}}: Обслуговування CS1: Сторінки з номером статті як номер сторінки (посилання) - ↑ Gibson, R. F. (2010). A review of recent research on mechanics of multifunctional composite materials and structures. Composite Structures. 92 (12): 2793—2810. doi:10.1016/j.compstruct.2010.05.003.
- ↑ Starr, T. F. (2000). Pultrusion for engineers. Woodhead Publishing Series in Composites Science and Engineering: 1—360. doi:10.1533/9781855737369.
- ↑ Wang, B.; Zhong, S. (2020). Non-destructive testing and evaluation of composite materials/structures: A state-of-the-art review. Advances in Mechanical Engineering. 12 (4): 1—28. doi:10.1177/1687814020913761.
- ↑ Ihnatieva, V. (2024). Research of technological processing of semi-finished products in the manufacture of profile products from composite materials. Strength of Materials and Theory of Structures (112): 268—272. doi:10.32347/2410-2547.2024.112.268-272.
- ↑ Ihnatieva, V. (2024). Improving the Quality of Complex Profile Products from Composites Used in Earthquake-Resistant Structures. Procedia Structural Integrity. 59: 487—493. doi:10.1016/j.prostr.2024.04.069.
- ↑ Hollaway, L. C. (2010). A review of the present and future utilisation of FRP composites in the civil infrastructure with reference to their important in-service properties. Construction and Building Materials. 24 (12): 2419—2445. doi:10.1016/j.conbuildmat.2010.04.062.
- Копань В. С. Композиційні матеріали [Текст] : навч. посіб. / Василь Копань. — К. : Пульсари, 2004. — 196 с. — ISBN 966-7671-81-X
- Черниш І.Г., Лобода П.І., Черниш С.І. Неметалеві матеріали: Навчальний посібник. — Київ : Кондор, 2008. — 406 с. — ISBN 978-966-351-088-0.
- Дяченко С. С., Дощечкіна І. В., Мовлян А. О., Плешаков Е. І. Матеріалознавство: підручник. — Харків : ХНАДУ, 2007. — 440 с. — ISBN 978-966-303-133-0.
- Полімерні композити: одержання, властивості, застосування : [вибр. пр.] / О. І. Буря. — Дніпропетровськ : Федорченко А. А., 2010. — 383 с. : іл., табл., портр. ; 20 см. — Текс. укр., рос., англ., китайс. — Бібліогр.: с. 192—365. — 100 пр. — ISBN 978-966-2267-09-13 (у паліт.).
- Igor Kokcharov Composites [Архівовано 10 Травня 2013 у Wayback Machine.] (англ.)
- Minardi F1 Team – Chassis Design (англ.)
- OptiDAT composite material database [Архівовано 4 Листопада 2013 у Wayback Machine.] (англ.)