Еще о композитах

Написано В разделе Композитные материалы

Композит — неоднородный сплошной материал, состоящий из двух или более компонентов с чёткой границей раздела между ними. Как правило, компоненты бывают двух типов – армирующий наполнитель и связующее (матрица). Наполнители бывают разные: микро- и макрочастицы, короткие и рубленые волокна, непрерывные волокна, стержни, тканные и нетканые волокнистые наполнители и так далее. Самый простой пример – железобетон, в котором наполнителем является стальная арматура, а в качестве связующего выступает бетон. Еще примеры из повседневной жизни: ДСП, фанера, обычное дерево – тоже композит.
В конструкционных композитах армирующие наполнители формируют необходимые физико-механические характеристики, а связующее обеспечивает их совместную работу, перераспределяя нагрузку между отдельными элементами наполнителя. Это почти как в притче про пучок соломы, только в этом случае соломинки не получится переломить по отдельности.
Итак, композиты бывают самые разные: с металлической, керамической или полимерной матрицей. В качестве наполнителя могут выступать твердые частицы: нанотрубки, фуллерены, различные гранулы, рубленные углеродные, стеклянные и другие волокна. В этом случае композит формируется путем перемешивания твердого наполнителя в связующем, находящимся в жидком состоянии, а его физико-механические характеристики определяются, только объемной долей наполнителя в материале. Другой тип наполнителя – длинные или непрерывные волокна или стержни, которые могут формировать внутри композита определенную структуру. Как правило, такая структура создается путем послойного наложения заранее подготовленных листов наполнителя друг на друга в заданных направлениях и их последующей склейки, либо сначала создается каркас из наполнителя, который впоследствии заливается жидким связующим.
Как мы уже рассказывали, именно композиты, армированные непрерывными волокнами, обладают уникальными свойствами, вследствие чего широко применяются в изделиях аэрокосмической техники.
«Король» конструкционных композитов – углепластик. Углепластик – полимерный композитный материал, в котором в качестве наполнителя выступают непрерывные углеродные волокна в виде лент, тканей или отдельных пучков волокон, а в качестве связующего – полимер. Такие материалы обладают очень высокой прочностью и жёсткостью при малом весе и используются, в основном, в аэрокосмической отрасли и автомобилестроении, атомной промышленности.
Существует множество технологий изготовления полимерных композитов. Наиболее распространенные из них — пропитка, выкладка препрегов и намотка. 

  
Процесс пропитки заключается в выкладке сухого армирующего наполнителя в заранее подготовленную форму с последующей подачей жидкого полимера под определенным давлением, для обеспечения проникания связующего внутрь структуры наполнителя. После чего связующее отверждается под действием температур и давлений в печи или автоклаве и вынимается из формы. Таким образом изготавливают корпуса для яхт, лопасти ветрогенераторов, корпусные детали болидов Формулы-1.

Препреги, или композитные «полуфабрикаты» — листы армирующего наполнителя, заранее пропитанные жидким связующим на специальных машинах, также могут выкладываться послойно в специальную форму, вручную или при помощи робота, а затем прессуются и отверждаются в печи или автоклаве. Хранятся такие полуфабрикаты в специальных условиях, чтобы связующее внутри материала оставалось жидким до момента выкладки. Из препрегов выкладывают фюзеляж Boeing 787, делают обтекатели ракет и корпуса гоночных машин.


В процессе намотки отдельные нити наполнителя сначала смачиваются связующим, а затем, с определённым натягом, раскладываются на поверхности вращающейся оправки, после чего изделие вместе с оправкой запекается в печи. Таким образом «мотают» корпуса ракет и спутников, баллоны высокого давления, трубы.
Есть еще множество других технологий изготовления изделий из композитов, но принцип везде один – пропитка наполнителя жидким полимером, формование и спекание. Важно, что в процессе изготовления композита полимер претерпевает фазовые превращения – сначала он жидкий, чтобы проникнуть внутрь, а затем затвердевает и становится жестким. Происходят эти процессы с полимерами под воздействием температур. Надо сказать, что полимеры тоже бывают разные, и, по отношению к нагреву подразделяются на термореактивные (реактопласты) и термопластичные (термопласты).

В реактопластах процесс полимеризации (выстраивания молекулярных звеньев в длинные цепочки) происходит в процессе химической реакции между несколькими компонентами (смолой и отвердителем), при определенных температурах. Этот процесс, как правило, необратим. При последующем нагреве такие материалы просто разрушаются. Типичный представитель реактопластов – эпоксидная смола. Термопласты, они же просто привычные всем нам пластики, под воздействием температуры из твердого состояния приходят сначала в вязкоэластичное, а затем плавятся и становятся жидкими. При остывании они затвердевают обратно. Таким образом, в этих материалах полимерные цепочки разрушаются при нагреве и выстраиваются заново при остывании. Типичный пример – полиэтилен.
В углепластиках в качестве матрицы могут выступать как реактопласты, так и термопласты. Традиционно, в аэрокосмической промышленности, используются реактопласты. Они обладают более высокой прочностью и жесткостью, но самое главное – более технологичны. Термореактивный полимер в жидком состоянии обладает невысокой вязкостью, и в процессе изготовления композита (пропитки) легко проникает в пространства между волокнами. При этом стоит отметить, что единичное углеродное волокно состоит из тысяч нитей диаметром от 5 до 10 микрометров, и для того чтобы заполнить пустоты между этими нитями, полимер должен либо обладать малой вязкостью, либо пропитка должна проводится под высоким давлением. Основные недостатки реактопластов – хрупкость, и, как следствие, низкая ударная прочность, а так же невозможность переработки при утилизации. Термопласты, напротив, отлично перерабатываются путем переплавки, а так же обладают деформативностью и пластичностью, что препятствует распространению трещин и расслоений при ударах. Однако вязкость расплава термопластов на несколько порядков выше, чем у их собратьев, что не позволяет использовать те же технологии пропитки, что и для реактопластов. По физико-механическим характеристикам современные термопластичные полимеры ничуть не уступают термореактивным, а иногда даже превосходят их. Поэтому один из ключевых трендов в авиастроении сегодня – переход на термопласты в композитных конструкциях для обеспечения ударной прочности и ресурса, а так же возможностей переработки и утилизации.