История композиционных материалов
- пятница, 24 октября 2014 г. в 03:11:02
http://geektimes.ru/post/240596/
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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».
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.
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 отпацанов 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?
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.
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.
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.
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
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.