Композиты заполняют пробел там, где другие материалы уступают. Композитные материалы состоят как минимум из двух компонентов: армирующего материала, который придает определённые механические свойства, такие как жёсткость или прочность, и матричного материала, который связывает всё вместе. Эти материалы объединяют лучшие качества своих составляющих, создавая новый материал, превосходящий ограничения любого отдельного компонента. Каждый композитный материал обладает уникальным набором свойств, преимуществ, недостатков и идеальных применений.
Эта статья рассмотрит 23 различных типа композитных материалов. Мы определим их, обсудим свойства, которые делают их уникальными, проанализируем их преимущества и недостатки, а также многое другое.
Бетон
Бетон является очень популярным композитным материалом для строительных проектов. Он использует цемент в качестве связующего вещества, которое смешивается с водой и заполнителями, такими как: песок, гравий или щебень. Эта смесь, при затвердевании, превращается в прочный камнеподобный материал. Арматура часто внедряется в бетонные конструкции для повышения прочности. Главным преимуществом бетона является его отличная несущая способность на сжатие. Однако он склонен к хрупкости и слаб в растяжении. Трещины могут образовываться во время затвердевания из-за растягивающих напряжений и усадки, что позволяет проникать влаге, вызывая коррозию металлических армировок внутри, что со временем может ослабить конструкцию.
Популярность бетона обусловлена его доступностью, долговечностью и устоявшимся процессом производства. Он ценится в конструкциях таких как здания, мосты и дороги за свою доступность, огнестойкость и пластичность. Однако он может повреждаться при циклах замораживания и оттаивания, а также при воздействии агрессивных химикатов. Хотя бетон чрезвычайно универсален и обладает высокой прочностью на сжатие, ему необходимы армирование для повышения прочности на растяжение, чтобы она была сопоставима со сталью или деревом. Несмотря на это, он остается основным материалом для крупномасштабных строительных проектов благодаря своей экономической эффективности.
ДСП
Фанера — это инженерный древесный материал, изготовленный путём склеивания нескольких слоёв шпона дерева. Волокна каждого слоя ориентированы перпендикулярно соседним. Эта техника перекрёстного склеивания (или перекрёстной ламинации) повышает прочность, стабильность, долговечность материала, а также его сопротивляемость расширению, усадке, деформации и растрескиванию, особенно при прибивании по краям. Ниже на рисунке 1 показана техника перекрёстного склеивания:
иллюстрация фанеры
Иллюстрация техники поперечной текстуры фанеры. Источник изображения: https://www3.epa.gov/ttnchie1/ap42/ch10/final/c10s05.pdf
Фанера состоит как минимум из трех слоёв, или шпонов, изготовленных из различных пород древесины и клеев для придания конечному продукту необходимых характеристик. В ней всегда содержится нечётное число слоёв, чтобы предотвратить деформацию и обеспечить стабильность. Листы древесины склеиваются с помощью тепла и давления.
Основные виды фанеры — это мягкая и твердая. Мягкая фанера изготавливается из кедра, ели, сосны, кедра или сосны. Обычно она используется для промышленных и строительных целей. Твердая фанера, с другой стороны, изготавливается из двудольных деревьев, таких как бук, дуб или махагон. Они используются для более требовательных применений, таких как тяжелые полы и стеновые конструкции. Твердые породы дерева прочные, жесткие, долговечные и устойчивые к ползучести.
Хотя фанера более устойчива к влаге и деформации, чем обычная древесина, она не является полностью водонепроницаемой и со временем может расслаиваться при воздействии чрезмерной влаги. В сравнении с цельной древесиной или другими древесными композитными материалами, такими как МДФ (древесноволокнистая плита средней плотности), фанера предлагает уникальный баланс прочности, стоимости и долговечности. Она является популярным выбором как в строительной, так и в мебельной промышленности.
3. Волокно
Волокно относится к тонким нитям материалов, таких как стекло, углерод или лен, которые используются для усиления других материалов. Волокна выбираются за их специфические свойства, такие как высокая прочность на растяжение, низкий вес или коррозионная стойкость. Они внедряются в матрицу (например, смолу) для формирования композитных материалов с волокнистым армированием. Эти композиты разработаны для достижения превосходной прочности, долговечности и гибкости по сравнению с исходным материалом. Применение волоконных композитов охватывает множество отраслей — включая автомобильную промышленность, аэрокосмическую, спортивные товары и строительство — которые нуждаются в прочных, но легких материалах. Этот метод строительства показывает свою ценность, улучшая физические свойства матричных материалов. Однако стоимость может значительно варьироваться в зависимости от типа используемого волокна, при этом углеродные волокна дороже стеклянных или натуральных. Каждый тип волокна предлагает уникальные преимущества. Например, углеродные волокна обеспечивают непревзойденную прочность и жесткость, в то время как натуральные волокна дешевле и более экологичны. Выбор волокна зависит от конкретных требований применения.
4. Стеклопластик
Стекловолокно — это распространённый композитный материал, состоящий из стекловолокон, внедрённых в матрицу из смолы. Стекловолокна обеспечивают композиту хорошую растяжимость и гибкость, в то время как смола защищает волокна и равномерно распределяет нагрузку по всему материалу. Эта уникальная комбинация приводит к получению прочного, долговечного и лёгкого материала. Стекловолокно отлично подходит для таких применений, как: кузова автомобилей, корпуса лодок и строительные материалы с низкой нагрузкой. Оно может укреплять виниловые окна, чтобы выдерживать экстремальные погодные условия, создавать нескользящие поверхности в зданиях, а также служить проводящими стержнями или утеплителем. Материал может быть изготовлен в различных формах, таких как: каналы, столбы и даже спортивное снаряжение. Одним из ключевых преимуществ стекловолокна является его устойчивость к коррозии, влаге и различным химическим веществам, что позволяет ему хорошо работать в суровых условиях. Кроме того, его не проводящая свойства делают его подходящим для использования в качестве электрической изоляции. Несмотря на множество преимуществ, стекловолокно может быть хрупким и склонным к трещинам при сильных ударах, а процесс производства может быть довольно дорогим. Также существуют некоторые опасения по поводу здоровья, связанные с использованием стекловолокна. По сравнению с такими материалами, как углеродное волокно, стекловолокно является более экономичным решением с немного меньшим соотношением прочности к весу. В целом, это универсальный вариант для широкого спектра применений, требующих высокой производительности без стоимости более сложных композитов.
Пайкрит
Пайкрит — уникальный композитный материал, изготовленный из смеси 14% древесной массы или опилок и примерно 86% льда. Добавление древесной массы в лед значительно повышает его прочность и снижает скорость таяния, делая пайкрит тверже и более стойким, чем чистый лед. В годы Великой Отечественной войны его исследовали как потенциальный строительный материал для недорогих, несмываемых авианосцев. Он также используется для ледяных дорог, предназначенных для перевозки тяжелых грузов по замерзшим озерам. Основное преимущество пайкрита заключается в его простоте и удивительной прочности и долговечности. Однако он требует постоянного низкого температуры для предотвращения таяния, поэтому его практическое применение ограничено.
Железобетон
Железобетон — это усовершенствованная форма бетона, которая включает стальные арматурные стержни, волокна или сетки для повышения его растяжимой прочности. Эта комбинация использует как сжимающую прочность бетона, так и растяжимые свойства стали, что позволяет ему выдерживать более тяжелые нагрузки и простираться на большие расстояния по сравнению с обычным бетоном. Железобетон широко используется в строительстве и составляет основу современной инфраструктуры, включая: небоскребы, мосты и автомагистрали. Его преимущества включают долговечность, огнестойкость и универсальность в формовании в различные формы. Однако для предотвращения коррозии стальной арматуры, которая может нарушить целостность конструкции, необходимы тщательное проектирование и строительные практики. По сравнению с обычным бетоном, железобетон обладает превосходной несущей способностью и гибкостью. Несмотря на дополнительные затраты на материалы и работу, увеличенный срок службы и улучшенные характеристики железобетонных конструкций часто оправдывают инвестиции.
7. Укреплённый пластик
Эти композиты сочетают армирующие волокна с полимерной матрицей (термопластичной или термореактивной). Армированный пластик объединяет легкость и коррозионную стойкость пластика с прочностью армирующих волокон, таких как: стекловолокно, углеродное или арамидное волокно. Эти пластики часто также называют волокнистым армированным пластиком, армированными полимерами или волокнистым армированным полимером. Этот композитный материал разработан для достижения высокого соотношения прочности к весу. Он подходит для всего — от автомобильных и аэрокосмических компонентов до спортивных товаров и строительных элементов.
Укрепленные пластики предлагают значительные преимущества, включая: коррозионную стойкость, низкий вес и возможность формовки в сложные формы. Однако они могут быть дороже традиционных материалов и требовать специализированных производственных процессов. По сравнению с ненаполненными пластиками, они более прочные и структурно устойчивые. Стоимость компонентов из укрепленных пластиков варьируется в зависимости от типа используемого армирования, при этом пластики с углеродным волокном находятся на верхней границе ценового диапазона из-за стоимости углеродных волокон. Свойства могут быть настроены под конкретные нужды путем регулировки: типа волокна, расположения волокон и полимерной матрицы. Например, инженеры аэрокосмической отрасли часто используют углеродные волокна за их исключительную прочность и жесткость. В то время как строительные проекты часто выбирают стекловолокна, которые ценятся за их доступность и стойкость к воздействию окружающей среды.
8. Сэндвич-панель
Сэндвич-панели — это композитные элементы, состоящие из двух тонких, прочных слоёв материала (таких как металлические листы, фанера или композитные ламинированные материалы), скреплённых с лёгким сердечником посередине. Сердечник панели обычно изготовлен из изоляционных материалов, таких как минеральная вата, пенополиизоцианурат или полистирол. Эта конфигурация обеспечивает отличное соотношение прочности к весу и теплоизоляционные свойства, делая сэндвич-панели идеальными для применения в аэрокосмической, автомобильной и строительной отраслях. В частности, они используются в кровлях, стенах и полах. Основное преимущество сэндвич-панелей — их эффективность в обеспечении высокой жёсткости конструкции и низкого веса, а также тепло- и звукоизоляция. Однако их характеристики могут значительно ухудшаться при поглощении влаги и расслоении. По сравнению с традиционными строительными материалами, сэндвич-панели можно рассматривать как современные альтернативы, сочетающие структурную поддержку с изоляцией, хотя и с более высокой первоначальной стоимостью.
Паркетная доска
Паркет — это декоративный композитный материал, созданный путём укладки небольших кусочков дерева в геометрические узоры. Эта техника, восходящая к середине или концу 1600-х годов, широко используется как для мебели, так и для напольных покрытий. Она известна своими повторяющимися квадратами, треугольниками или ромбовидными фигурами, часто собранными с помощью полос или блоков дерева. Паркет использует смесь различных пород дерева, таких как дуб, орех, вишня, липа, сосна и клен, для создания эффектных дизайнов. Разнообразие цветов, оттенков и текстур этих пород делает паркетные полы не только декоративными, но и функциональными. В прошлом для крепления паркета к полу использовался горячий битум, в настоящее время обычно применяется холодный клей для укладки. Паркетные полы — особенно сделанные из дерева — могут быть дорогими. Укладка также сложна и требует профессиональной помощи, если у вас нет опыта в ремонте своими руками. Кроме того, паркетное покрытие может быть не лучшим выбором для помещений с существенными колебаниями температуры или влажности.
Синтаксическая пена
Синтаксическая пена — это инженерный композитный материал, созданный путем внедрения полых микросфер, известных как микробаллоны, в матричный материал, такой как металл, керамика, эпоксид или полимер. Микросферы часто изготавливаются из стекла, керамики или пластика. Термин «синтактический» относится к упорядоченному расположению этих сфер; они создают структуру с закрытыми ячейками, которая значительно улучшает свойства материала. Этот инновационный материал обладает низким коэффициентом теплового расширения, высокой удельной прочностью и низкой плотностью благодаря газонаполненным микросферам. Преимущества синтактической пены включают: её устойчивость к водопоглощению, отличные характеристики плавучести, хорошее соотношение прочности к весу и теплоизоляцию.
Синтаксическая пена в основном используется для повышения плавучести в подводных транспортных средствах и глубоководных установках, а также в аэрокосмической промышленности благодаря своим теплоизоляционным свойствам. Однако синтаксическая пена может быть относительно дорогой из-за своих специализированных производственных процессов и материалов.
Керамический матричный композит
Керамические матричные композиты (КМК) разработаны для преодоления хрупкости и чувствительности к разрушению обычных керамических материалов. Как армирующий материал (который состоит из огнеупорных волокон), так и матричный материал являются керамическими. В некоторых случаях оба изготовлены из одного и того же керамического материала, а в других составах добавляются вторичные волокна для улучшения существующих свойств. Благодаря своим уникальным составам, КМК относятся как к категории композитных материалов, так и к категории керамических.
Путём внедрения керамических волокон в керамическую матрицу, керамические композиты (КК) сохраняют высокотемпературную стойкость и твердость керамики, одновременно значительно повышая прочность и сопротивляемость тепловым ударам. Эти свойства делают КК идеальными для применения в аэрокосмической, оборонной и энергетической сферах — особенно в компонентах, подвергающихся экстремальным температурам и коррозионным воздействиям, таких как лопатки турбин и теплоизоляционные щиты. Преимущества КК включают их: исключительную долговечность при высоких температурах, сопротивляемость износу и коррозии, а также меньший вес по сравнению с металлическими сплавами с аналогичными характеристиками. Однако процесс производства сложен и дорог, что ограничивает их использование высокоценными приложениями.
12. Полимер, армированный углеродным волокном
Упрочнённый углеродным волокном полимер (CFRP) — прочный и лёгкий композитный материал, содержащий углеродное волокно в качестве армирующего компонента. Матрица состоит из пластика или других полимеров. CFRP славится своим выдающимся соотношением прочности к весу. Он используется в высокопроизводительных сферах, таких как: автогонки, аэрокосмическая промышленность, спортивные товары и лопасти ветряных турбин. Также применяется для ремонта и усиления железобетонных конструкций. Основные преимущества CFRP включают: исключительную растяжимую прочность, жёсткость и сопротивление усталости и коррозии. Однако высокая стоимость углеродных волокон и сложность производственных процессов являются значительными недостатками. По сравнению с металлами и другими композитами, CFRP обеспечивает непревзойдённую производительность, когда снижение веса важнее, чем минимизация затрат.
13. Композит из дерева и пластика
Древесно-пластиковый композит (ДПК) — прочный материал, изготовленный из переработанного пластика и древесных волокон, сочетающий свойства обоих. ДПК широко используется в: настилах, ограждениях и уличной мебели. Основные преимущества ДПК включают: использование отходных материалов, снижение экологического воздействия и низкие затраты на обслуживание по сравнению с массивной древесиной. С другой стороны, ДПК со временем может впитывать влагу, что приводит к постепенному гниению (хотя это происходит медленнее, чем с чистой древесиной). Кроме того, он сталкивается с проблемами: теплового расширения, деформации во времени (усадка) и сцепления с краской. Несмотря на эти недостатки, ДПК остается популярным, долговечным выбором для экологически ориентированных строительных и дизайнерских проектов, хотя и с более высокой первоначальной стоимостью, чем обработанная древесина.
14. Композиты на основе металлической матрицы
Композиты на металлической матрице (КММ) — это передовые материалы, состоящие из металлической матрицы и армирующего материала. Армирующий материал может быть другим металлом или веществом, таким как керамика или углеродные волокна. Эти композиты сочетают свойства металлов (например, высокую предел прочности и способность выдерживать различные термические и механические обработки) с преимуществами армирующего материала (например, повышенную прочность и износостойкость). Распространённые матрицы включают лёгкие металлы, такие как алюминий, магний и титан, для конструкционных применений, а также кобальт или кобальто-никелевые сплавы для условий высокой температуры. КММ используются в автомобильной, аэрокосмической и электронной промышленности для таких изделий, как: детали двигателей, тормозные диски и радиаторы. КММ обычно превосходят неметаллические матрицы по показателям: соотношение прочности к весу, теплопроводности и износостойкости. Однако, производство КММ дорого и сложно, а выбор и обработка материалов требуют тщательной оптимизации. По сравнению с традиционными металлами, КММ обеспечивают индивидуальные свойства для требовательных применений, предлагая баланс между производительностью и весом, которого нельзя достичь только металлами.
15. Бумага с пластиковым покрытием
Пластикобумажная бумага — это прочный композитный материал, изготовленный путём покрытия бумаги или картонной основы пластиком или ламинацией. Картонная основа является очень популярным вариантом для этого композитного материала. Пластикобумажная бумага преимущественно используется в упаковке продуктов питания и напитков, где дополнительный пластиковый слой защищает от воды и сохраняет тепло. Этот композитный материал лёгкий и водонепроницаемый, а также способствует продлению срока хранения продуктов за счёт защиты от влаги, жира и других загрязнений. Кроме того, пластикобумажную бумагу можно настраивать с различными принтами и дизайнами, что хорошо для узнаваемости бренда и привлекательности для потребителей. Основные недостатки включают экологические проблемы — сочетание пластика и бумаги не разлагается быстро и трудно перерабатывается.
cURL Too many subrequests.
cURL Too many subrequests.
cURL Too many subrequests.
cURL Too many subrequests.
cURL Too many subrequests.
cURL Too many subrequests.
cURL Too many subrequests.
cURL Too many subrequests.
cURL Too many subrequests.
cURL Too many subrequests.
cURL Too many subrequests.
cURL Too many subrequests.
cURL Too many subrequests.
cURL Too many subrequests.
cURL Too many subrequests.
cURL Too many subrequests.
cURL Too many subrequests.
cURL Too many subrequests.
cURL Too many subrequests.
Что такое композит?
Композиты объединяют лучшие свойства своих компонентов, что приводит к повышенной прочности, меньшему весу, увеличенной долговечности и улучшенной стойкости к условиям окружающей среды. Эти характеристики делают композиты идеальными для таких отраслей, как: аэрокосмическая, автомобильная, строительная и спортивное оборудование. В аэрокосмической и автомобильной промышленности они способствуют повышению топливной эффективности за счет снижения веса при сохранении прочности. В строительстве они служат долговечными, малотребовательными материалами, способными выдерживать суровые условия. Композиты также используются в спортивном оборудовании, обеспечивая высокую производительность при минимальном весе. Эти превосходные свойства объясняют их широкую популярность в различных отраслях и сферах применения.
Как выбрать тип композита для использования
Выбор правильного композита — важный шаг к успеху вашего проекта. Следуйте следующему процессу для выбора подходящего типа композита:
Перед оценкой потенциальных материалов важно определить и уточнить требования к материалу. Это означает определение функции материала в проекте, а также физических и химических свойств, которые он должен иметь.
Исследуйте потенциальные композитные материалы, чтобы составить список вариантов для вашего проекта. Убедитесь, что они соответствуют требованиям, установленным на шаге 1.
После составления списка потенциальных материалов выполните анализ стоимости, чтобы сузить выбор. Помимо первоначальной стоимости материала, учитывайте такие факторы, как: срок службы материала, затраты на обслуживание, долговечность и затраты на замену.
Экологическое воздействие и вопросы безопасности композитного материала очень важны. Оцените устойчивость материала, а также возможные риски для здоровья и безопасности, связанные с его использованием.
Убедитесь, что использование любого потенциального композитного материала соответствует местным и международным стандартам и нормативам для вашего применения.
После достаточно узкого выбора составьте образцы материалов и проведите прототипное тестирование наиболее перспективных материалов. Это покажет, насколько они эффективно работают в реальных условиях эксплуатации.
Кто является лучшим производителем композитных материалов?
Нельзя назвать одного производителя композитных материалов «лучшим», поскольку спектр материалов и сфер их применения очень широк. Выбирайте производителя исходя из типа необходимого композита, его назначения и соответствующих отраслевых стандартов. Каждая отрасль, связанная с композитами (такая как аэрокосмическая, автомобильная, строительная и спортивное оборудование), имеет свои потребности и предпочитает определенных поставщиков.
Для аэрокосмической и автомобильной промышленности известны компании, такие как Toray Industries, Hexcel и SGL Carbon, которые славятся своими высококачественными композитами из углеродного волокна. Toray — один из крупнейших поставщиков углеродного волокна и композитных материалов из углеродного волокна в мире, поставляющий материалы для самолетов, автомобилей и спортивных товаров. Другие известные компании включают Trex и Fiberon, производящие древесно-пластиковые композиты для строительства (настилы и ограждения), а также DuPont, владеющую патентами на арамидные волокна, такие как Kevlar®.
Чтобы найти лучшего производителя для конкретного композита, который соответствует потребностям вашего проекта, проведите исследование и найдите ведущих поставщиков. Они должны специализироваться на нужных вам материалах. Ищите поставщиков с хорошей репутацией, которые не превысят ваш бюджет проекта.
Для получения дополнительной информации смотрите наши рекомендации по лучшим производителям композитных материалов.
Как влияет расположение волокон на свойства композитных материалов?
Расположение волокон внутри композитных материалов играет важную роль в определении их механических свойств, таких как: прочность, жесткость и сопротивление ударам. Волокна добавляют прочность и жесткость, когда они находятся в растяжении, но не оказывают значительного влияния на сжатие или силы, приложенные перпендикулярно их длине. Это делает общий композит анизотропным. В отличие от этого, тканые или случайно ориентированные волокна улучшают сопротивление ударам и долговечность за счет равномерного распределения нагрузок и сопротивления трещинам во всех направлениях. Такая стратегическая ориентация также влияет на теплопроводность и электропроводность, причем проводимость выше вдоль длины волокон. Более того, расположение волокон влияет на технологичность и стоимость производства, поскольку более простые расположения обычно дешевле и легче в изготовлении.
Влияет ли расположение волокон в композитах на их направленную прочность?
Да, расположение волокон в композитах значительно влияет на их направленную прочность. Композитный материал демонстрирует более высокую прочность и жесткость вдоль длины волокон, что делает его сильно анизотропным. Это означает, что материал способен выдерживать большие нагрузки в направлении выравнивания волокон по сравнению с перпендикулярными направлениями. В отличие от этого, при случайном распределении или тканом расположении, прочность материала более равномерна во всех направлениях. Однако он не будет так же прочен в каком-либо конкретном направлении, как тот, у которого все волокна выровнены по этой оси. Эта направленная зависимость является важным аспектом при проектировании и использовании композитных материалов. Она позволяет инженерам адаптировать композиты под конкретные требования к прочности, исходя из предполагаемых нагрузок на изделие.
XTJ является ведущим производителем OEM, который занимается предоставлением комплексных решений по изготовлению деталей из обработки алюминия 6061 от прототипа до производства. Мы гордимся тем, что являемся компанией с системой менеджмента качества, сертифицированной по ISO 9001, и стремимся создавать ценность в каждом клиентском взаимодействии. Мы достигаем этого через сотрудничество, инновации, улучшение процессов и исключительное мастерство.lication: Автомобильная промышленность, Велосипеды и мотоциклы, Двери и окна, Мебель, Бытовая техника, Газовые счетчики, Электроинструменты, LED-освещение, Детали медицинских инструментов и т.д.
