Композитная арматура как с ней работать

Безопасная работа со стеклопластиковой арматурой

Стеклопластиковая арматура ‒ достойная альтернатива металлическим стержням. Она легка в работе, надежна и долговечна. Приступая к работе с материалом, любому мастеру полезно узнать, как правильно резать, связывать и разматывать арматуру.

Чем резать стеклопластиковую арматуру

Безотходное производство ‒ одно из главных преимуществ композитной арматуры. В отличие от металлической ее можно легко разрезать на куски нужной длины и использовать их без остатка.

болгаркой. Для резки с помощью машинки достаточно одного диска
кусачками, если арматура имеет небольшой диаметр
ножовкой для резки металла

Чем связывать композитную арматуру

Стеклопластиковую арматуру связывают не только друг с другом, но и с металлическими стержнями. Как это сделать? Чаще всего с этой целью применяют вязальную проволоку миллиметровой толщины. При больших объемах работы связывать стержни проволокой удобно с помощью специального ручного или электрического инструмента. Вязальный крючок используется при средних объемах работы. Если требуется связать небольшое количество стержней, можно обойтись без вспомогательных приспособлений и выполнить работу вручную.

Для вязки арматуры также применяют скобы и пластиковые хомуты. Заметим, что способ связывания стержней не имеет принципиального значения. Главная цель процедуры ‒ зафиксировать прутья в нужном положении перед заливкой бетона. Как только бетон застынет, стержни уже не сдвинутся с места. Однако проволока или другой материал для связывания должны быть достаточно толстыми и прочными ‒ это обеспечит целостность каркаса при подаче бетона.

Как разматывать стеклопластиковую арматуру

Арматура поставляется в бухтах и прямыми прутьями ‒ оба варианта допустимы. Стержни, скрученные в бухту, не подвергаются деформации, как считают многие потребители. Появление микротрещин возможно только в случае, если материал изготовлен без соблюдения технологий. После размотки ее не нужно выпрямлять. Это произойдет естественным путем.

Арматуру в бухте следует разматывать очень аккуратно, особенно при значительной толщине прутков.

если работаете в одиночку. Кусачками разъедините один из концов бухты и положите его подо что-нибудь достаточно тяжелое. Главное ‒ зафиксировать один конец стержня. Затем отходите назад, постепенно, не спеша, разматывая материал
если работаете в паре. Процесс будет выглядеть примерно также за одним исключением: один из концов арматуры будет удерживать помощник

Средства защиты при работе с арматурой

На всех этапах работы с неметаллической арматурой необходимо пользоваться защитными средствами.

Перчатки

Композитные стержни имеют незначительное стеклянное напыление, при контакте с которым на коже может появиться раздражение. Поэтому перед тем, как взять в руки композитный стержень, надевайте перчатки.

Защитная маска

При распиловке неметаллических прутьев образуется мелкая пыль, которая при попадании в дыхательные пути может вызвать аллергию или привести к заболеваниям. Маска защитит вас от подобных неприятностей.

Применение композитной арматуры в строительстве

Композитная (стеклопластиковая) арматура

Пластик да нитки

Изобретение композитной арматуры

Знатоки строительного дела относят к 60-м годам прошлого столетия. В этот период в США и в Советском Союзе были начаты активные исследования ее свойств.

Однако, несмотря на достаточно солидный возраст, данный материал до сих пор не знаком большинству застройщиков. Восполнить пробел знаний о стеклопластиковой арматуре, ее свойствах, во всех достоинствах и недостатках вам поможет разобраться МодульСтрой.

Попутно отметим, что материал этот весьма спорный. Производители хвалят его на все лады, а строители-практики относятся с недоверием. Простые граждане смотрят на тех и на других, не зная кому верить.

Что такое композитная арматура, как она производится и где применяется?

Коротко структуру композитной арматуры можно охарактеризовать как «волокно в пластике». Ее основа – стойкие к разрыву нити из углерода, стекла или базальта. Жесткость композитному стержню придает эпоксидная смола, обволакивающая волокна.

Для лучшего сцепления с бетоном на прутья наматывается тонкий шнур. Он сделан из того же самого материала, что и основной стержень. Шнур создает винтовой рельеф, как у стальной. Твердение эпоксидной смолы происходит в сушильной камере. На выходе из нее композитную арматуру немного вытягивают и нарезают. Некоторые производители до момента твердения полимера обсыпают пластиковые стержни песком для улучшения сцепления с бетоном гладких участков.

Область применения стеклопластиковой арматуры нельзя назвать очень широкой. Ее используют в качестве гибких связей между облицовкой фасада и несущей стеной, а также укладывают в дорожные плиты и опалубку резервуаров. В каркасах, усиливающих ленточные фундаменты и бетонные полы, пластиковую арматуру применяют не так часто.

Ставить композитные стержни в плиты перекрытия, перемычки и другие конструкции, работающие на растяжение, не рекомендуется. Причина – повышенная гибкость данного материала.

Физические свойства композитной арматуры

Модуль упругости у полимерного композита существенно ниже, чем у стали (от 60 до 130 против 200 ГПа). Это значит, что там, где металл вступает в работу, предохраняя бетон от образования трещин, пластик еще продолжает сгибаться. Прочность на разрыв у стеклопластикового стержня в 2,5 раза выше, чем у стального.

Наименее прочная, но самая дешевая — арматура из стекловолокна и базальтовый композит. Самый надежный и вместе с тем самый дорогой материал делают на основе углеродного волокна.

К прочностным свойствам материала мы еще вернемся, когда будем сравнивать его с металлом.

А пока рассмотрим другие характеристики данного материала:

К положительным качествам композита относится его химическая инертность. Он не боится коррозии и воздействия агрессивных веществ (щелочной среды бетона, морской воды, дорожных химреагентов и кислот).
Вес пластиковой арматуры в 3-4 раза меньше, чем стальной.
Низкая теплопроводность материала улучшает энергосберегающие характеристики конструкции (нет мостиков холода).
Композитная арматура не проводит электричества. В конструкциях, где она используется, не возникает коротких замыканий электропроводки и блуждающих токов.
Композитный пластик магнитноинертен и радиопрозрачен. Это позволяет использовать его в строительстве сооружений, где должен быть исключен фактор экранирования электромагнитных волн.

Стеклопластиковый стержень под 90 градусов на стройке не согнешь.

Недостатки композитной арматуры:

Невозможность гибки с малым радиусом в условиях стройки. Гнутый стержень нужно заранее заказывать.
Невозможность сваривать каркас (минус относительный, поскольку даже для стальной арматуры лучший способ соединения – вязка, а не сварка).
Низкая термостойкость. При сильном нагреве и пожаре бетонная конструкция, армированная композитными стержнями, разрушается. Стекловолокно не боится высокой температуры, но связующий ее пластик теряет прочность при нагреве выше +200 С.
Старение. Общий минус всех полимеров. Неметаллическая арматура не исключение. Ее производители завышают срок эксплуатации до 80-100 лет.

Вязка пластиковыми хомутами или стальной проволокой – единственный возможный метод сборки каркаса.

Какая арматура лучше металлическая или стеклопластиковая?

Наше маленькое исследование наглядно иллюстрирует таблица реальной, а не теоретической равнопрочной замены стальной арматуры на композитную. Ей можно пользоваться при выборе и покупке.

Просмотрев данную таблицу, нетрудно заметить, что пластика для равноценной замены металла требуется не меньше, а больше металла. Только самый дорогой углеродоволоконный материал (АУК) превосходит сталь равного с ним диаметра.

Ассортимент и цена композитной арматуры

Самая востребованная на стройке – арматура из стеклопластикового композита. Ее сортамент и средние цены вы можете посмотреть в нашем прайс-листе на официальном сайте компании,или связаться с нашими операторами по телефону +7 (4852) 90-78-78, если у вас возникли вопросы.

Армирование - Откройте для себя композиты

Армирование может быть ориентировано для обеспечения индивидуальных свойств в направлении нагрузок, воздействующих на конечный продукт. Многие материалы способны армировать полимеры. Стекловолокна составляют более 90 процентов волокон, используемых в армированных пластмассах, потому что они недороги в производстве и имеют относительно хорошие характеристики прочности к весу.

Арматура может быть ориентирована для обеспечения заданных свойств в направлении нагрузок, действующих на конечный продукт. Многие материалы способны армировать полимеры. Стекловолокна составляют более 90 процентов волокон, используемых в армированных пластмассах, потому что они недороги в производстве и имеют относительно хорошие характеристики прочности к весу.

Некоторые материалы, такие как целлюлоза в древесине, являются продуктами природного происхождения. Однако большинство коммерческих подкреплений созданы руками человека. Существует множество коммерчески доступных типов армирования, отвечающих конструктивным требованиям пользователя. Возможность адаптировать архитектуру волокна позволяет оптимизировать производительность продукта, что приводит к снижению веса и стоимости. Кроме того, каждый из типов волокон может быть сконфигурирован в различных формах для обслуживания широкого спектра процессов и требований к конечному продукту.

Ударопрочность
Прочнее стали в некоторых формах
Прозрачный для радиосигналов

Основанные на алюмо-известково-боросиликатной композиции волокна из стекла «E» или «E-CR» считаются преобладающими армирующими элементами для композитов с полимерной матрицей из-за их высоких электроизоляционных свойств, низкой восприимчивости к влаге и высоких механических свойств. Стекло E-CR отличается от стекла E-стекла превосходными свойствами коррозионной стойкости. Другие коммерческие составы включают стекло «S» с более высокой прочностью, термостойкостью и модулем, H-стекло с более высоким модулем и стекло AR (щелочестойкое) с превосходной коррозионной стойкостью. Стекло, как правило, является хорошим ударопрочным волокном, но весит больше, чем углерод или арамид. Стекловолокно обладает превосходными механическими характеристиками, в некоторых формах прочнее стали. Более низкий модуль требует специальной обработки конструкции, где жесткость имеет решающее значение. Стеклянные волокна прозрачны для радиочастотного излучения и используются в радиолокационных антеннах.

Высокие температуры
Высокая прочность
Чрезвычайно легкий

Углеродные волокна изготавливаются из органических прекурсоров, включая ПАН (полиакрилонитрил), вискозу и смолы, причем последние два обычно используются для низкомодульных волокон. Термины «углеродное» и «графитовое» волокно обычно используются взаимозаменяемо, хотя технически графит относится к волокну, состав которого составляет более 99 процентов углерода, по сравнению с 93-95 процентами для углеродных волокон на основе ПАН. Углеродное волокно обеспечивает самую высокую прочность и жесткость среди всех армирующих волокон. Высокотемпературные характеристики особенно важны для углеродных волокон. Основным недостатком волокон на основе ПАН является их высокая относительная стоимость, которая является результатом стоимости основного материала и энергоемкости производственного процесса. Композиты из углеродного волокна более хрупкие, чем стекло или арамид. Углеродные волокна могут вызвать гальваническую коррозию при использовании рядом с металлами. Для предотвращения этого используется барьерный материал, такой как стекло и смола.

Низкая плотность
Устойчивость к повреждениям/ударам
Сжатие
Тепловая и электрическая изоляция

Наиболее распространенным синтетическим волокном является арамид. Арамидное волокно представляет собой ароматический полиимид, представляющий собой искусственное органическое волокно для композитного армирования. Арамидные волокна обладают хорошими механическими свойствами при низкой плотности с дополнительным преимуществом в виде ударной вязкости или устойчивости к повреждениям/ударам. Они характеризуются достаточно высокой прочностью на растяжение, средним модулем и очень низкой плотностью по сравнению со стеклом и углеродом. Арамидные волокна являются изоляторами электричества и тепла и повышают ударопрочность композитов. Они устойчивы к органическим растворителям, горюче-смазочным материалам. Арамидные композиты не так хороши по прочности на сжатие, как стеклянные или углеродные композиты. Сухие арамидные волокна прочны и используются в качестве тросов или канатов, а также часто используются в баллистических целях. Кевлар®, пожалуй, самый известный пример арамидного волокна. Арамид является преобладающей заменой органического армирующего волокна для стальных брекеров в шинах.

Удар
сопротивление усталости
гибкий
низкая плотность

Полиэфирные и нейлоновые термопластичные волокна недавно были введены как в качестве основных армирующих материалов, так и в сочетании со стекловолокном. Привлекательные характеристики включают низкую плотность, разумную стоимость и хорошую ударопрочность и сопротивление усталости. Хотя полиэфирные волокна обладают довольно высокой прочностью, их жесткость значительно ниже, чем у стекла. Более специализированные армирующие материалы для обеспечения высокой прочности и использования при высоких температурах включают металлы и оксиды металлов, например те, которые используются в самолетах или аэрокосмической промышленности.

ФОРМЫ АРМАТУРЫ – Как устроено волокно Независимо от материала армирование доступно в формах, подходящих для широкого спектра процессов и требований к конечному продукту. Материалы, поставляемые в качестве армирующих материалов, включают ровинг, измельченное волокно, рубленые нити, непрерывный, рубленый или термоформуемый мат. Армирующие материалы могут быть разработаны с уникальной архитектурой волокна и предварительно отформованы (формованы) в зависимости от требований к продукту и производственного процесса. Формы могут включать:

антикоррозийный
высокая прочность
хорошее качество поверхности
Литье – SMC, напыление, намотка накаливания, пултрузия

Ровинги используются в основном в термореактивных смесях, но могут использоваться и в термопластах. Ровинги с несколькими концами состоят из множества отдельных прядей или пучков нитей, которые затем нарезаются и случайным образом укладываются в полимерную матрицу. В таких процессах, как листовая формовочная смесь (SMC), преформа и напыление, используется многосторонний ровинг. Многосторонние ровницы также могут использоваться в некоторых приложениях для намотки нити и пултрузии. Ровница с одним концом состоит из множества отдельных нитей, намотанных в одну прядь. Продукт обычно используется в процессах, использующих однонаправленное армирование, таких как намотка волокна или пултрузия.

гибкость дизайна
высокие механические характеристики
долговечность
коррозионная стойкость
Формование - пултрузия, прессование

Армирующие маты и нетканые вуали обычно описываются по весу на единицу площади. Например, мат из рубленого волокна весом 2 унции будет весить 2 унции на квадратный ярд. Тип армирования, дисперсия волокон и количество связующего, используемого для скрепления мата или вуали, определяют различия между продуктами мата. В некоторых процессах, таких как ручная укладка, связующее необходимо растворить. В других процессах, особенно при компрессионном формовании и пултрузии, связующее должно выдерживать гидравлические силы и растворяющее действие матричной смолы во время формования. Таким образом, с точки зрения связующего, производятся две основные категории матов или вуалей, известные как растворимые и нерастворимые связующие.

Ориентация волокна по индивидуальному заказу
Повышенная устойчивость к сдвигу/кручению
Молдинг - РТМ

Существует много типов тканей, которые можно использовать для усиления смол в композите. Разнонаправленное армирование получают путем переплетения, вязания, сшивания или плетения непрерывных волокон в ткань из крученой и крученой пряжи. Ткани могут быть изготовлены с использованием практически любого армирующего волокна. Наиболее распространенные ткани изготавливаются из стекловолокна, углерода или арамида. Ткани обладают направленной прочностью и высокими нагрузками армирования, которые часто встречаются в высокопроизводительных приложениях. Ткани позволяют точно разместить армирование. Это невозможно сделать с размолотыми волокнами или рублеными нитями, а возможно только с непрерывными нитями с использованием относительно дорогого оборудования для укладки волокон. Из-за непрерывной природы волокон в большинстве тканей отношение прочности к весу намного выше, чем у версий с разрезанными или рублеными волокнами. Сшитые ткани позволяют настроить ориентацию волокон в структуре ткани. Это может иметь большое преимущество при проектировании с учетом устойчивости к сдвигу или кручению.

Высокая прочность в направлении волокна
Повышенная устойчивость к сдвигу/кручению
Молдинг – RTM, компрессионный

Однонаправленные армирующие материалы включают ленты, жгуты, однонаправленные жгуты и ровинг (представляющие собой наборы волокон или прядей). Волокна в этой форме выровнены параллельно в одном направлении и не извиты, что обеспечивает высочайшие механические свойства. Композиты с использованием однонаправленных лент или листов обладают высокой прочностью в направлении волокон. Однонаправленные листы тонкие, и для большинства структурных применений требуется несколько слоев. Типичные области применения однонаправленного армирования включают высоконагруженные композитные материалы, такие как компоненты самолетов или гоночные лодки.

Многие приложения
Молдинг – вакуумный пакет

Препреги - готовый материал, изготовленный из армирующей формы и полимерной матрицы. Пропускание армирующих волокон или форм, таких как ткани, через ванну со смолой используется для изготовления препрега. Смола насыщается (пропитывается) волокном, а затем нагревается для продвижения реакции отверждения на различные стадии отверждения. Доступны термореактивные или термопластичные препреги, которые можно хранить в холодильнике или при комнатной температуре в зависимости от составляющих материалов. Препреги можно наносить вручную или механически в различных направлениях в зависимости от требований дизайна. Слои препрегов укладываются в инструмент вручную или на автоматизированном оборудовании. Затем стопка ламината уплотняется под давлением вакуумного мешка.

Размерная стабильность
Молдинг - RRIM

Измельченные волокна представляют собой рубленые волокна, имеющие очень короткую длину волокна (обычно менее 1/8 дюйма). Эти продукты часто используются в термореактивных замазках, отливках или синтетических пенопластах для предотвращения растрескивания отвержденной композиции из-за усадки смолы. Измельченное волокно используется для улучшения механических свойств, увеличения модуля, улучшения размерной стабильности и минимизации деформации композитов при повышенных температурах. Усиленное реактивное литье под давлением (RRIM) часто используется специально для измельченных волокон.

Наука и технология композитных материалов

В таком развитом обществе, как наше, мы все зависим от композитных материалов в некоторых аспектах нашей жизни. Стекловолокно ГЛОССАРИЙ Стекловолокно Композитный материал, изготовленный из тонких стеклянных волокон, сплетенных в ткань, а затем соединенных синтетическим пластиком или смолой. был разработан в конце 1940-х годов и стал первым современным композитом. Он по-прежнему остается самым распространенным, составляя около 65 процентов всех производимых сегодня композитов. Он используется для изготовления корпусов лодок, досок для серфинга, спортивных товаров, облицовки бассейнов, строительных панелей и кузовов автомобилей. Вы вполне можете использовать что-то из стекловолокна, не подозревая об этом.

Лодки, доски для серфинга, автомобили и многое другое: стекловолокно и другие композитные материалы окружают нас. Источник изображения: sobri/Flickr.

Что делает материал композитным

Композитные материалы образуются путем объединения двух или более материалов, обладающих совершенно разными свойствами. Различные материалы работают вместе, чтобы придать композиту уникальные свойства, но внутри композита вы можете легко отличить разные материалы — они не растворяются и не смешиваются друг с другом.

Композиты существуют в природе. Кусок дерева представляет собой композит, состоящий из длинных волокон целлюлозы (очень сложной формы крахмала), скрепленных гораздо более слабым веществом, называемым лигнином. Целлюлоза также содержится в хлопке и льне, но именно связывающая способность лигнина делает кусок древесины намного прочнее пучка хлопковых волокон.

Это не новая идея

Человечество использует композитные материалы тысячи лет. Возьмем, к примеру, глиняные кирпичи. Если вы попытаетесь согнуть лепешку из засохшей грязи, она легко сломается, но будет прочной, если вы попытаетесь раздавить или сжать ее. С другой стороны, кусок соломы обладает большой силой, когда вы пытаетесь его растянуть, но почти не имеет силы, когда вы его смываете. Когда вы смешиваете глину и солому в блоке, свойства двух материалов также объединяются, и вы получаете кирпич, который устойчив как к сжатию, так и к разрыву или изгибу. Говоря более технически, у него есть как хорошие прочность на сжатие ГЛОССАРИЙ прочность на сжатие Максимальное напряжение, которое может выдержать материал, когда он подвергается нагрузке, которая сжимает его. и хорошо предел прочности ГЛОССАРИЙ предел прочности при растяжении Максимальное напряжение, которое выдержит материал, когда он подвергается растягивающей нагрузке. .

Мужчина восстанавливает древнюю цитадель из сырцового кирпича в Иране после ее повреждения в результате землетрясения. Глиняные кирпичи — это те же материалы, которые использовались для его строительства около 2500 лет назад. Источник изображения: OXLAEY.com/Flickr.

Еще одним известным композитом является бетон. Здесь заполнитель (мелкие камни или гравий) связан цементом. Бетон обладает хорошей прочностью при сжатии, и его можно сделать более прочным при растяжении, добавив в композит металлические стержни, проволоку, сетку или тросы (таким образом создавая железобетон).

Композиты были изготовлены из формы углерода, называемой графеном, в сочетании с металлической медью, в результате чего получается материал, в 500 раз прочнее, чем медь сама по себе. Точно так же композит графена и никеля имеет прочность, превышающую прочность никеля более чем в 180 раз.

Что касается стекловолокна, то оно изготовлено из пластик ГЛОССАРИЙ пластик Твердый материал, состоящий из органических полимеров. армированный нитями или стеклянными волокнами. Эти нити можно либо связать вместе и сплести в мат, либо иногда нарезать на короткие отрезки, которые произвольно ориентированы в пластиковой матрице.

Больше, чем просто прочность

В настоящее время многие композиты производятся не только для повышения прочности или других механических свойств, но и для других целей. Многие композиты предназначены для того, чтобы быть хорошими проводниками или изоляторами тепла или обладать определенными магнитными свойствами; свойства, которые являются очень специфическими и специализированными, но также очень важными и полезными. Эти композиты используются в огромном количестве электрических устройств, включая транзисторы, солнечные элементы, датчики, детекторы, диоды и лазеры, а также для изготовления антикоррозионных и антистатических покрытий поверхностей.

Композиты, изготовленные из оксидов металлов, также могут обладать особыми электрическими свойствами и используются для производства кремниевых чипов, которые могут быть меньше и более плотно упакованы в компьютер. Это увеличивает объем памяти и скорость компьютера. Оксидные композиты также используются для создания высокотемпературных сверхпроводящих свойств, которые теперь используются в электрических кабелях.

Изготовление композита

Большинство композитов состоит всего из двух материалов. Один материал (матрица или связующее) окружает и связывает вместе группу волокон или фрагментов гораздо более прочного материала (армирования). В случае сырцовых кирпичей две роли выполняют глина и солома; в бетоне цементом и заполнителем; в куске дерева, целлюлозой и лигнином. В стекловолокне армирование обеспечивается тонкими нитями или волокнами стекла, часто вплетенными в своего рода ткань, а матрица представляет собой пластик.

Примеры различных форм армирования стекла для использования при создании стеклопластика. Источник изображения: Cjp24/Викисклад.

Стеклянные нити в стекловолокне очень прочны при растяжении, но они также хрупкие и ломаются при резком изгибе. Матрица не только удерживает волокна вместе, но и защищает их от повреждений, разделяя любые стресс ГЛОССАРИЙ напряжение Сила на единицу площади. Измеряется в тех же единицах, что и давление, а именно в паскалях (Па). Материалы обычно имеют прочность в диапазоне мегапаскалей (МПа) (1 МПа = 1 000 000 Па). среди них. Матрица достаточно мягкая, чтобы ее можно было формировать с помощью инструментов, и ее можно смягчить подходящими растворителями, чтобы можно было произвести ремонт. Любая деформация листа стеклопластика обязательно растягивает часть стеклянных волокон, а они способны этому противостоять, поэтому даже тонкий лист очень прочен. Он также довольно легкий, что является преимуществом во многих приложениях.

За последние десятилетия было разработано много новых композитов, некоторые из которых обладают очень ценными свойствами. Тщательно выбирая армирование, матрицу и производственный процесс, который объединяет их, инженеры могут адаптировать свойства в соответствии с конкретными требованиями. Они могут, например, сделать композитный лист очень прочным в одном направлении, выровняв таким образом волокна, но более слабым в другом направлении, где прочность не так важна. Они также могут выбрать такие свойства, как устойчивость к теплу, химическим веществам и атмосферным воздействиям, выбрав соответствующий матричный материал.

Выбор материалов для матрицы

В качестве матрицы во многих современных композитах используются термореактивные или термопластичные пластики (также называемые смолами). (Использование пластика в матрице объясняет название «армированный пластик», обычно данное композитам). Пластмассы полимеры ГЛОССАРИЙ полимеры Крупные молекулы, состоящие из множества звеньев (мономеров), связанных друг с другом в цепочку. Существуют природные полимеры (такие как крахмал и ДНК) и синтетические полимеры (такие как нейлон и силикон). которые скрепляют арматуру и помогают определить физические свойства конечного продукта.

Термореактивные пластмассы жидкие при приготовлении, но затвердевают и становятся жесткими (т.е. отверждаются) при нагревании. Процесс схватывания необратим, поэтому эти материалы не становятся мягкими при высоких температурах. Эти пластмассы также устойчивы к износу и воздействию химических веществ, что делает их очень прочными даже в экстремальных условиях.

Термопластические пластмассы, как следует из названия, являются твердыми при низких температурах, но размягчаются при нагревании. Хотя они используются реже, чем термореактивные пластмассы, у них есть некоторые преимущества, такие как более высокая вязкость разрушения, длительный срок хранения сырья, способность к переработке и более чистое и безопасное рабочее место, поскольку для процесса отверждения не требуются органические растворители.

Керамика, углерод и металлы используются в качестве матрицы для некоторых узкоспециализированных целей. Например, керамика используется, когда материал будет подвергаться воздействию высоких температур (например, теплообменники), а углерод используется для продуктов, подверженных трению и износу (например, подшипники и шестерни).

Электронно-микроскопическое изображение в искусственном цвете композита с магниевой матрицей, армированного титана-алюминиевым карбидом. Источник изображения: микроскопия ZEISS / Flickr.

Выбор материалов для армирования

Хотя стекловолокно является наиболее распространенным армирующим материалом, во многих передовых композитах теперь используются тонкие волокна из чистого углерода. Можно использовать два основных типа углерода — графит и углеродные нанотрубки. Оба они представляют собой чистый углерод, но атомы углерода расположены в разных кристаллических конфигурациях. Графит — очень мягкое вещество (используется в «графитовых» карандашах) и состоит из листов атомов углерода, расположенных в виде шестиугольников. Связи, скрепляющие шестиугольники вместе, очень прочные, но связи, скрепляющие листы шестиугольников, довольно слабые, что и делает графит мягким. Углеродные нанотрубки изготавливаются путем скручивания одного листа графита (известного как графен) в трубку. Получается чрезвычайно прочная конструкция. Также возможно иметь трубки, состоящие из нескольких цилиндров — трубки внутри трубок.

Композиты из углеродного волокна легче и намного прочнее стекловолокна, но и дороже. Из этих двух графитовые волокна дешевле и проще в производстве, чем углеродные нанотрубки. Они используются в конструкциях самолетов и высокоэффективном спортивном оборудовании, таком как клюшки для гольфа, теннисные ракетки и гребные лодки, и все чаще используются вместо металлов для ремонта или замены поврежденных костей.

Нити из бора еще прочнее (и дороже), чем углеродные волокна. Нанотрубки из нитрида бора имеют дополнительное преимущество, заключающееся в том, что они намного более устойчивы к теплу, чем углеродные волокна. Они также обладают пьезоэлектрическими свойствами, что означает, что они могут генерировать электричество при воздействии на них физического давления, такого как скручивание или растяжение.

Полимеры также могут использоваться в качестве армирующего материала в композитах. Например, кевлар, изначально разработанный для замены стали в радиальных шинах, но наиболее известный своим использованием в пуленепробиваемых жилетах и шлемах, представляет собой полимерное волокно, обладающее чрезвычайной прочностью и повышающее ударную вязкость композита. Применяется в качестве армирования в композитных изделиях, требующих легкой и надежной конструкции (например, конструкционные детали корпуса самолета). Еще более прочным, чем кевлар, является вещество, изготовленное из комбинации графена и углеродных нанотрубок.

Источник: NASA Goddard/YouTube. Посмотреть детали видео и расшифровку.

Выбор производственного процесса

Изготовление объекта из композитного материала обычно включает в себя некоторую форму формы. Армирующий материал сначала помещается в форму, а затем напыляется или закачивается полужидкий матричный материал для формирования объекта. Можно приложить давление, чтобы вытеснить любые пузырьки воздуха, а затем форму нагреть, чтобы матрица затвердела.

Процесс формовки часто выполняется вручную, но автоматическая обработка на машинах становится все более распространенной. Один из этих методов называется пултрузия ГЛОССАРИЙ пултрузия Непрерывный процесс формования, при котором длинные армирующие пряди механически выравниваются для композитного материала, а затем пропускаются через ванну с термореактивной смолой. Затем нити с покрытием собираются с помощью механической направляющей перед процессом отверждения. (термин, образованный от слов «тянуть» и «экструзия»). Этот процесс идеально подходит для изготовления прямых изделий с постоянным поперечным сечением, таких как мостовые балки.

Во многих тонких конструкциях сложной формы, таких как изогнутые панели, композитная структура строится путем наложения листов тканого волокнистого армирования, пропитанных пластиковым матричным материалом, на базовую форму соответствующей формы. Когда панель изготовлена до необходимой толщины, матричный материал отверждается.

Сэндвич-композиты

Многие новые типы композитов производятся не методом матрицы и армирования, а путем укладки нескольких слоев материала. Структура многих композитов (например, используемых в панелях крыльев и корпусов самолетов) состоит из сот из пластика, зажатых между двумя обшивками из композитного материала, армированного углеродным волокном.

Сэндвич-структура из сотового композита от НАСА. Источник изображения: НАСА/Викисклад.

Эти сэндвич-композиты сочетают в себе высокую прочность и особенно жесткость на изгиб с малым весом. Другие методы включают простое наложение нескольких чередующихся слоев различных веществ (например, графена и металла) для получения композита.

Зачем использовать композиты?

Самым большим преимуществом композитных материалов является прочность и жесткость в сочетании с легкостью. Выбирая подходящую комбинацию армирующего и матричного материала, производители могут добиться свойств, точно соответствующих требованиям к конкретной конструкции для конкретной цели.

Композиты в Австралии
Австралия, как и все развитые страны, проявляет большой интерес к композитным материалам, которые многие считают «материалами будущего». Основная задача состоит в том, чтобы снизить затраты, чтобы композиты можно было использовать в продуктах и приложениях, которые в настоящее время не оправдывают затрат. В то же время исследователи хотят улучшить характеристики композитов, например, сделать их более устойчивыми к ударам.

Один из новых методов включает «текстильные композиты». Вместо того, чтобы укладывать армирующие волокна по отдельности, что медленно и дорого, их можно связать или сплести вместе, чтобы сделать своего рода ткань. Это может быть даже трехмерным, а не плоским. Пространства между текстильными волокнами и вокруг них затем заполняются матричным материалом (например, смолой) для изготовления изделия.

Этот процесс можно легко выполнить с помощью машин, а не вручную, что делает его быстрее и дешевле. Соединение всех волокон вместе также означает, что композит с меньшей вероятностью будет поврежден при ударе.

В связи со снижением затрат другие варианты использования композитов становятся все более привлекательными. При изготовлении корпусов и надстроек лодок из композитов используется их устойчивость к коррозии. У минных охотников ВМС Австралии композитный корпус, поскольку магнитный эффект стального корпуса будет мешать обнаружению мин.

Также в разработке находятся вагоны для поездов, трамваев и других «движущихся людей», изготовленных из композитных материалов, а не из стали или алюминия. Здесь привлекательность заключается в легкости композитов, поскольку в этом случае транспортные средства потребляют меньше энергии. По той же причине мы будем видеть все больше и больше композитов в автомобилях в будущем.

Ярким примером является современная авиация, как военная, так и гражданская. Без композитов было бы гораздо менее эффективно. Фактически, потребность этой отрасли в легких и прочных материалах была главной движущей силой разработки композитов. В настоящее время часто можно встретить секции крыла и хвостового оперения, пропеллеры и лопасти несущего винта, изготовленные из передовых композитов, а также большую часть внутренней конструкции и фурнитуры. Планеры некоторых небольших самолетов полностью сделаны из композитных материалов, как и крылья, хвостовое оперение и панели корпуса больших коммерческих самолетов.

Размышляя о самолетах, стоит помнить, что композиты менее склонны к полному разрушению под нагрузкой, чем металлы (например, алюминий). Небольшая трещина в куске металла может очень быстро распространиться с очень серьезными последствиями (особенно в случае с самолетом). Волокна в композите блокируют расширение любой небольшой трещины и распределяют напряжение вокруг.

Подходящие композиты также хорошо противостоят нагреву и коррозии. Это делает их идеальными для использования в продуктах, которые подвергаются воздействию экстремальных условий, таких как лодки, оборудование для обработки химикатов и космические корабли. В целом композитные материалы очень прочны.

Еще одним преимуществом композитных материалов является то, что они обеспечивают гибкость дизайна. Композитным материалам можно придавать сложные формы, что очень удобно при производстве чего-то вроде доски для серфинга или корпуса лодки.

Кроме того, большая работа в настоящее время направлена на разработку композитных материалов, изготовленных из отходов, таких как сельскохозяйственные отходы, строительные материалы или пластиковые контейнеры для напитков.