Ликбез по композитным материалам

Что такое композитный материал

Композит - это часто используемое сокращение от фразы "композитный материал". Вся прелесть подхода заключается в том, что можно взять достоинства одного материала, объединить с достоинствами другого материала, и изготовить изделие, наделенное преимуществами и одного, и другого материалов сразу. Остается только лишь понять, как объединить разнородные материалы в единое целое, чтобы они не разваливались на ходу. Ведь часто требуется соединить принципиально разные материалы, которые по определению не могут работать совместно и не совместимы на химическом уровне.

Классический композитный материал изготавливается из совершенно разных компонентов и объединить можно материалы с диаметрально противоположными свойствами. Например, если мы имеем хрупкий материал, то объединив его с материалом упругим, мы можем получить сразу несуществующий ранее образец с феноменальными свойствами. Упругий материал можно вплавить в виде сетки в толщу основного материала и тем самым армировать эту конструкцию. В итоге мы сохраним высокую твердость хрупкого материала и получим рост пластичности композита.

Объединять можно самые разные группы материалов. Органические и неорганические, металлы и неметаллы, полимеры и мономеры, полимеры и воздух, и все возможные и невозможные сочетания, которые сложно даже себе представить. Этих материалов не обязательно должно быть два. В общей конструкции можно объединить сразу множество материалов, если получится сделать это физически.

Ярким примеров композита является железобетон, из которого сейчас активно строят жилые дома. Относительно хрупкий бетон армируется стальной арматурой, что повышает устойчивость к динамическим нагружениям и уменьшает хрупкость. Но это далеко не единственный пример. Так, впрессовывая в керамику на уровне подготовки керамического материала к спеканию, металлическую сетку, мы можем почти в два раза увеличить упругость хрупкого керамического образца. Ну и ещё один экстравагантный пример - использование в качестве второго компонента воздуха. Воздух, заключенный в порах некоторого пористого материала, тоже делает его композитным. Такие материалы могут иметь, например, низкую теплопроводность при малом весе.

Что такое матрица, а что такое набивка

Традиционно композиты имеют такие структурные элементы, как матрица и набивка. В разных источниках их называют по-разному, но смысл от этого не меняется.

Матрицей принято называть материал, внутри которого располагается набивка. В случае железобетона матрицей является бетон. Характерной особенностью является то, что дополняющие материал или материалы как будто плавают в материале матрицы. Примерно как ножик в батоне хлеба в мультике про Бармалея.

Набивка или наполнитель - это те компоненты, которые призваны усовершенствовать свойства. В случае железобетона - это арматура из металла, пронизывающая весь материал насквозь и придающая большую пластичность. Не обязательно, что это один вид материала и не обязательно, что используется он в единственном числе. Наряду с волокнами, в материал могут быть добавлены некоторые дисперсные частицы.

Всю эту "радость" можно укладывать слоями. Использование нескольких слоев из уже смоделированного материала - это ещё один подход к приданию новых свойств.

Как разрабатывается композитный материал

Разработка композита начинается с того, что перед инженером-материаловедом ставится техническое задание, в котором обозначены все требуемые параметры нового материала.

Логика строится весьма простым образом. Для того, чтобы получить новые свойства, нужно как-то увязать в единую логику материалы, обладающие и тем, и тем физическим или механическим свойством. 

Дальше проводится большая работа по анализу возможных сочетаний, ну а затем следует отработка технологии и испытания. В процессе испытаний часто всплывает множество комичных моментов.

На пример горных велосипедов можно проанализировать логику внедрения технологии по применению углепластика или карбона.

Велосипедисту нужна прочная рама, которая будет обладать минимальной массой, но при этом останется прочной. Для того, чтобы добиться такого эффекта рационально взять что-то очень прочное и что-то очень легкое. Примерно по такой логике и начали использовать сверхпрочные углеродные усы для армирования. Но эти усы сами по себе гнутся в руках как веревка! Поэтому, их нужно как-то удержать "в форме рамы". Для этого усы закладываются по длине всей велосипедной рамы, а сверху заливаются матрицей из любого пластика с подходящими свойствами.

Чуть выше мы отметили, что такие работы бывают веселыми. Первые велосипеды из углепластика плавились от яркого солнца в жаркую погоду. При этом цена была их огромная. Инженеры не предполагали, что велосипед будет использоваться в таких условиях и применили в качестве матрицы пластик, не способный выдерживать окружающую температуру. Так, велосипед, покрашенный черной краской и оставленный на солнце, стекал как шоколадка.

Главная проблема композитов

Главная проблема, с которой сталкиваются материаловеды при разработке композитов - необходимость "подружить" друг с другом разные материалы. Поэтому, битва ведется преимущественно за границу раздела двух разнородных материалов.

Согласитесь, не очень хорошо получится, если в какой-то момент матрица отделится от набивки. Например, если представить себе железобетонный дом, то по этой логике может остаться стоять арматура, а весь бетон сдует ветром. Или представьте себе, что материал матрицы будет медленно разъедать армирующие волокна. Очевидно, что это станет причиной деградации свойств. Подобные ситуации совершенно недопустимы!

Именно поэтому главная проблема при разработке заключается в том, что нужно увязать разные материалы без вреда для них. Адгезия матрицы и набивки должны быть максимальны, а химическая активность сопоставима.

Композитные или композиционные?

Когда мы говорим про композиты, часто всплывает и понятие "композиционные материалы". Оно хоть и является схожим по физическому смыслу, но не является синонимом.

Композитный материал - это материал, который включает в свою конструкцию несколько разнородных материалов с выраженной границей раздела. Железобетон, карбон, вспененный поливинилхлорид - всё это композиты. Смешивание составов не происходит.

Композиционный материал - это материал, который является композицией. Что такое композиция? Это участие сразу нескольких инструментов для получения общей картины, причем выделить каждый из инструментов не всегда просто. Как правило, термин "композиционный" чаще применяется к сплавам и материалам, состоящим из нескольких составляющих без четкой границы раздела. Однако, применить термин композиционный материал в широком смысле можно и к композитным материалам.