Історія композиційних матеріалів
Композиційний матеріал – це неоднорідний суцільний матеріал із двох або більше компонентів із чіткою різницею між ними. Найпростіший приклад – звичайна клеєна фанера. Але є і набагато цікавіші технології та матеріали, що використовуються в авіабудуванні, автомобілебудуванні та інших областях. Докладніше – під хабракатом.
Стародавні першовідкривачі
Два або більше неоднорідних матеріалів використовують разом, щоб створити новий унікальний матеріал або поліпшити характеристики одного з них. Перше використання цього методу відноситься до 1500 до Нашої Ери, коли в Єгипті та Месопотамії почали використовувати глину і солому для будови будівель. Також солому вносили до складу для зміцнення керамічних виробів та човнів.
Цегла, в якій використовувалася злама, називають «саман». Приблизно так їх робили єгиптяни:
Наступна віха – це 1200 рік Нашої Ери. Постаралися монголи: вони створили першу композиційну цибулю. Використовували такі матеріали, як деревина, кістка та тваринний клей. Монгольську цибулю робили зазвичай із кількох верств деревини, переважно це була береза, які склеювали з допомогою тваринного клею. Рогові накладки знаходяться на внутрішній стороні цибулі, закріплені жилами.
Ера пластиків
Не було б сучасних композитів, якби вчені не вигадали пластмаси. До цього єдиним джерелом клею та сполучних речовин були природні смоли, які отримували з тварин чи рослин. А на початку XX століття розробили вініл, полістирол, фенол і поліестр – ці матеріали значно перевершували використовувані раніше.
Але й пластмаси були здатні забезпечити достатню міцність. Потрібно було краще армування, і в 1935 році фірма Owens/Corning представила скловолокно. Упоєднанні з пластиковими полімерами скловолокно є надзвичайно сильною і при цьому дуже легкою структурою. Це початок армованої полімерної промисловості.
Ще дещо з 1970 року – панелі зі скловолокна для теплоізоляції під час будівництва.
Ранні інновації у композиційних матеріалах: Друга Світова
Безліч винаходів у цій сфері було вигадано під час воєн. Як монголи створили свою композиційну цибулю, так і Друга світова війна дозволила армованим полімерам перекочувати з лабораторій у реальний світ.
Альтернативні матеріали, що дозволяють знизити вагу кінцевого виробу, були необхідні військовому авіабудуванні. Дуже швидко інженери зрозуміли переваги композитів у плані їхньої ваги та міцності.
Також інженери дізналися про таку перевагу композитів зі скловолокна, як радіопроникність. І почали застосовувати «обтікачі», що захищають радіомодулі від зовнішніх факторів, зокрема вітру.
Під час війни Німеччина намагалася також розробити літак-невидимку задовго до Stealth у США. Тоді необхідно було використовувати в корпусі композитний матеріал, де між шарами фанери знаходився наповнювач з легкої бальзи - дерева, що росте в Південній Америці. Але в 1944 році цей матеріал для німців був недосяжним, тому довелося використовувати ерзац-композит «формхольц»: між шарами 1,5 міліметрової фанери була суміш просоченої смолою тирси та пористого вугілля.
Адаптація композитів
Загалом до кінця війни невелика ніша композиційної промисловості була заповнена. І тепер стояло непросте завдання: як перейти з військових замовлень на продукти мирного призначення.
Серед очевидних варіантів були човни. Перший човен зкомпозитним корпусом була представлена у 1946 році. Приблизно в той же час виготовили дошку для серфінгу зі скловолокна. І з'явився метод "протяжки" - "пултрузія", що використовується у виробництві полімерних композиційних матеріалів.
Ось, наприклад, схема сухої пултрузії. Метод значно спрощував виробництво.
Автомобілі – ще один важливий напрямок для полімерних композитів.
У 1954 році у США у продажу з'явився перший спорткар, корус якого виготовлений зі скловолокна: Kaiser-Darrin. Ця машинка розганялася до 60 миль на годину за 15,1 секунд. А максимальна швидкість - трохи менше 100 миль на годину, тобто близько 160 км/год.
Такі характеристики стали досяжними при движку в 90 кінських сил багато завдяки невеликій вазі автомобілі, близько 2200 фунтів, тобто 997 кг.
У 1970-х матеріали стали ще кращими та складнішими. Компанія DuPont, а саме одна група під керуванням Стефані Кволек, розробила арамідні волокна, відомі як кевлар. Зараз це загальновідомий матеріал, який використовується в бронежилетах. Кевлар вп'ятеро міцніше стали. Розробляли цей матеріал для армування автомобільних шин, і він і зараз використовується з цією метою. Також їм армують мідні та волоконно-оптичні кабелі.
Автомобільна шина Wrangler із використанням кевлару.
Рукав із кевлару з доком для iPhone.
У безпілотному авіабудуванні кевлар також застосовується. Наприклад, додаткового захисту безпілотного літального апарату RQ-11 Raven.
Космос та авіація
Алюміній та інші метали під час виробництва деталей літаків замінюють на композити низької щільності, що дозволяє знизити масу літаків. Це, своєю чергою, дозволяє економити паливо. Такщо у цивільної авіації зараз широко використовуються композити.
У Boeing 787 DreamLiner із композитних матеріалів на основі вуглецю виготовлено 50% елементів фюзеляжу. Таким чином, цей літак легший і міцніший за звичайний лайнер з алюмінієвим фюзеляжем.
Двигун Genx від General Electric також має композитні матеріали: з них виготовлені корпус, лопатки турбіни і форсунки, що впорскують паливо в камеру внутрішнього згоряння.
Зрозуміло, композиційні матеріали використовуються при створенні зброї. Наприклад, міжконтинентальна балістична ракета «Тополя-М»: на 90% вона складається з композитів, включаючи конструкції двигунів та головну частину.
Змінний ствол гвинтівки Christensen Arms, виготовлений з вуглепластику. Гвинтівка побудована на базі затворної групи Remington-700.
Карабін Carbon Custom R-93 зі змінними стволами.
Приклади для гвинтівок, виготовлені з композитних матеріалів. Представлені на «Відкритих інноваціях» у минулому році українським виробником ХК «Композит».
Сучасні композиційні полімерні матеріали
Найцікавіша група композитів – це полімери. Це не фанера і не солома в цеглах, а складні у виробництві матеріали, що іноді включають роботу навіть на рівні нано (10 -9 ступеня).
Трохи теорії цього разу. Для армування використовують: Вуглецеві тканини (карбон); Арамідні тканини (кевлар); Гібридні тканини (карбон+кевлар); Односпрямовані гібридні тканини; Склотканини; Мультіаксіальні тканини; Вуглецеві стрічки; Книги.
Як використовують вуглецеві тканини?
Для виготовлення карбонових деталей застосовується як просто вуглецеве волокно з хаотичнорозташованими та заповнюючими весь об'єм матеріалу нитками, так і тканина (Carbon Fabric). Найбільш поширені такі види плетінь, як Plain, Twill, Satin.
Щільність тканини, або питома маса, виражена г/м2, крім типу плетіння залежить від товщини волокна, яка визначається кількістю вугленит. Ця характеристика кратна тисячі. Так, абревіатура 1К означає тисячу ниток у волокні.
Часто ми можемо почути від пацанів на районі автомобілістів, що вони обклеїли карбоном авто. Тут мова, насправді, йде частіше не про полімерні композити, а про звичайну декоративну плівку, зроблену під карбон. іякої переваги така плівка не дає: вага деталей менше не стане, в міцності теж вона не виграє. Так що це просто погоня за модою і бажання зробити власне авто схожим на гоночні машини з Need For Speed.
У будівництві будівель та доріг, для армування бетонним ємностями та сховищами використовується вуглепластикова та склопластикова арматура, інертна до всіх агресивних середовищ, що володіє високою міцністю та очікуваним терміном служби 75 років.
Армувати при будівництві та після нього можна і із зовнішньої частини: використовуючи вуглецеву стрічку, просочену двокомпонентним епоксидним складом. Картинку краще, на жаль, не знайшов.
Асфальт можна армувати за допомогою додавання до нього фібри. Згадали солому та глину на початку посту?
Нанотехнології
Самі полімерні композити навряд чи можна назвати нанотехноологічними, якщо нанотехнології визначати як «сукупність технологічних методів та прийомів, що використовуються при вивченні, проектуванні та виробництві матеріалів, пристроїв та систем, що включають цілеспрямований контроль та управління будовою, хімічним.складом і взаємодією складових їх окремих наномасштабних елементів (з розмірами близько 100 нм і менше), які призводять до поліпшення або появи додаткових експлуатаційних та/або споживчих характеристик та властивостей продуктів, що одержуються».
Але нещодавно ринку вийшли полімерні смоли, виконують роль сполучного, які, з процесу їх виробництва, цілком підпадають під визначення нанотехнології.
Звичайно, спочатку військові розробки дуже часто перетворюються на продукти мирного часу, і використовуються, зокрема, в медицині.
Почнемо, звісно, зі стоматології. Пломб вам ставили? З високою ймовірністю це були композиційні матеріали. Прямо при вас безпосередньо перед установкою лікар змішує компоненти, після чого встановлює місце і потім тримає кілька хвилин ультрафіолетову лампу. Це світлозатверджувані пломби.
Є й пломби хімічного затвердіння. Наприклад, склоіномерний цемент із порошку та рідини, в якій порошок – алюмофторсилікатне скло з фтором, а рідина – водний розчин поліакрилової кислоти.
Композитні волокна використовуються при виробництві ортезів. Ортез - це спеціальний пристрій, призначений для розвантаження, фіксації, активації або корекції функцій суглоба або кінцівки. Тут є кортези, бандажі, взуття та інші продукти.
Само собою протези також роблять з композиційних матеріалів. У випадку зі зразками для бігунів це просто необхідно, тому що такій гнучкості та міцності інші матеріали дати нездатні.
Висновок
Найдавніший метод, який допомагав робити цеглу та цибулі міцніше, у поєднанні з сучасними матеріалами дає неоціненні переваги у різних сферах.Серед цих сфер – авіа- та автомобілебудування, космонавтика, медицина, включаючи стоматологію та протезування, та будівництво. Навіть така проста річ, як арматура в бетонних конструкціях, тепер стала більш технологічною, виконаною зі склопластику та вуглепластику. Пломби у стоматолога, як я писав вище, також належать до композитних матеріалів. Композиційні матеріали міцно увійшли до нашого життя, часом абсолютно непомітно для нас.
При цьому використання цього методу можливе навіть у домашніх умовах. Я згадував в одній із минулих публікацій, що планую зробити нові моди для свого квадрокоптера. Як тільки досягну у цьому успіху, напишу.