Полимерный композитный материал
Полимерные композиционные материалы: свойства, виды и особенности
Полимерными композитами называют многокомпонентные материалы на основе разных видов пластмасс. Пластмассы служат в таких материалах матрицей, то есть средой, основным связующим компонентом, который скрепляет между собой остальные. Другие материалы в составе полимерного композита – это обычно разнообразные армирующие или декоративные составы, которые придают композиту определенные свойства. Мы хотим рассказать о полимерных композиционных материалах подробнее – это обзорный материал для тех, кому интересна тематика.
Для чего нужны полимерные композиты
При прочих равных полимерные композиционные материалы могут иметь более оптимальные физико-химические параметры и более низкую цену, чем традиционные составы. Их свойства можно регулировать на этапе создания композита: параметры зависят от наполнения, армирующих добавок и полимерных смол, которые использовались в процессе. В результате сейчас вариантов композитов множество – каждый для своих задач. Они прочные, долговечные, объединяют в себе достоинства пластмасс и других материалов, которые использовались в процессе создания. Сложно говорить о каких-то единых признаках: композиты могут различаться показателями тепло- и электропроводимости, жаро- и влагостойкости, прочности и плотности, жесткостью и другими параметрами. Но все же есть вещи, справедливые для большинства композитных материалов на основе полимеров.
Свойства полимерных композитов
Прочность. Благодаря использованию полимеров и особым химическим связям внутри веществ полимерные композиционные материалы довольно прочные по сравнению с традиционными пластмассами. Они могут не уступать прочностью натуральному камню, керамике или металлу. Это, конечно, справедливо только для определенных видов материалов, но, например, углепластики могут превышать по прочности металлы.
Низкий вес. При высокой прочности композиты имеют меньший вес, чем альтернативные материалы.
Причина этого – опять же использование полимеров, которые, как правило, довольно легкие. Даже если наполнитель – тяжелое вещество, за счет смешивания с пластиком итоговая масса будет ниже.
Малое температурное расширение. Показатель температурного расширения – того, насколько активно материал расширяется под воздействием тепла, – различается для разных видов композитов. Но в среднем этот показатель ниже, чем у металлов, пластмасс и других составов. Это значит, что композитный материал способен лучше сохранять свойства при изменении температуры, а такая особенность важна при создании термостойких объектов.
Низкая теплопроводность. Композиты на основе полимеров плохо проводят тепло, а значит, имеют хорошие теплоизоляционные свойства. Благодаря этому тепло не «утекает» через материал и не разогревает всю массу композита, что важно в огромном количестве сфер – от быта до ракетостроения.
Варьируемая электропроводность.
Полимерные композиты в зависимости от состава могут быть как диэлектриками, так и проводниками. Некоторые из них, например, текстолиты, используют в качестве основ для электронных схем и плат, другие применяются в электротехнике как проводящие материалы. Можно получить состав с тем уровнем электропроводности, который нужен для конкретной задачи.
Химико-биологическая стойкость. Высокая стойкость ко внешним воздействиям характерна для пластмасс и, соответственно, для составов на их основе. Такие материалы, как правило, хорошо выдерживают воздействие агрессивных сред, но уровень устойчивости конкретного композита зависит от его состава.
Как устроен полимерный композит
Композитный материал – по определению многокомпонентный, то есть состоит из двух и более веществ. В полимерном композите в качестве матрицы используется какая-либо пластмасса. Она может быть эластичной, жесткой или мягкой, относиться к классу реактопластов или термопластов – это частично определяет конечные свойства состава.
К пластмассе примешиваются различные органические или неорганические добавки, или наполнители, которые изменяют ее свойства. В качестве таких добавок могут выступать металлы, стекло и песок, углеводороды и керамика, даже ткани или другие пластмассы – спектр полимерных композиционных материалов очень обширен. Наполнители могут составлять до 98 % объема общего состава, но при этом связующей матрицей по-прежнему остается пластмасса. Добавки распределяются по матрице и смешиваются с пластмассой, но не растворяются в ней: между веществами проходит четкая граница, которая называется межфазным слоем. Затем получившуюся смесь могут отверждать.
Классификация композитов
По типу матрицы. Выше мы говорили, что полимерная матрица может состоять из реактопластов и термопластов. Первый тип – пластмассы, которые отверждаются под воздействием высоких температур и образуют прочный монолит с необратимой структурой. Это, например, эпоксидные смолы. Второй тип – полимеры, твердые при комнатной температуре, но способные плавиться под воздействием тепла.
Это полиэтилен, полипропилен и множество других составов, которые активно используются в промышленности. Свойства матрицы частично определяют, как итоговый материал будет реагировать на температуры и какие физические свойства он проявит. Также от типа матрицы зависит, каким способом будет производиться литье материала и какое соотношение веществ использовать. В составах на основе реактопластов обычно больше наполнителя, до 95–98 %, тогда как в композитах на базе термопластов – до 50 %.
По типу наполнителя. Мы писали, что наполнителей может быть множество, и на самом деле полимерные композиты разделяют на несколько больших групп в зависимости от того, что за вещество используется в качестве добавки. Но об этом мы поговорим ниже. Более общая же классификация говорит, что композитный материал может быть армированным или дисперсно-наполненным. Армирующие добавки бывают листовыми и волокнистыми – это, соответственно, листы (иногда пленки) и волокна определенных материалов.
Дисперсные добавки представлены порошкообразными массами. Размер частиц имеет значение: от него напрямую зависят свойства итогового материала. Например, композиты с наполнителями крайне маленького размера называются нанокомпозитами и могут изменять свойства даже при незначительных колебаниях в соотношении материалов.
Полимерные композиционные материалы могут быть гибридными: в таких составах используются несколько наполнителей, в том числе разных типов.
Виды полимерных композитов
По виду используемого наполнителя композиты можно разделить на несколько больших групп: мы писали об этом выше. Поговорим подробнее об этих группах: простым языком, чтобы обозначить основные свойства и способы применения.
Стеклопластики. Это довольно дешевые материалы с хорошими, удобными в применении свойствами, основанные на полимере и волокнах стекла. Стекловолокно служит наполнителем и может составлять до 80 % от состава. Получается материал, который одновременно обладает преимуществами стекла, такими как химическая инертность и прочность, но лишен его недостатков – излишней хрупкости и тяжести.
Стеклопластики легкие, их сложнее разбить, они могут быть прозрачными. Сейчас их используют практически во всех отраслях промышленности: от строительства до создания бытовых приборов.
Углепластики. В качестве наполнителя в таких составах используются соединения углерода: от углеводородов до целлюлозы. Углеродные добавки могут быть представлены в виде нитей, листов или волокон. Исходное вещество проходит через три этапа подготовки: окисление, карбонизацию и графитизацию, – в результате чего из него выпариваются все побочные соединения. В конечном составе – до 99,5 % углерода. Этот углерод смешивают с пластиком и получают прочное, жесткое вещество черного цвета, по ряду характеристик превосходящее металл. Углепластики способны выдерживать большие нагрузки, проводят электричество, но при своих уникальных показателях прочности остаются очень легкими – это делает их ценным компонентом для снижения веса конструкции. Углепластики могут использоваться в строительстве, судо-, авиа- и машиностроении, а также при производстве бытовой и медицинской техники.
Их основной минус – дороговизна, связанная со сложным процессом производства.
Углеграфиты (дважды углепластики). Это еще более сложный в производстве подвид углепластиков, где углерод используется в том числе в составе матрицы. Зато и результирующий композит оказывается крайне прочным и способен долгое время оставаться сохранным в очень агрессивных средах. Он выдерживает температуры до 3 000°. Это сложное и дорогостоящее соединение в основном применяется в авиастроении и космической промышленности.
Органопластики. В производстве этого вида полимерных композитов используются органические вещества, которые могут составлять от 2 до 70 % от массы состава. Чаще это синтетическая органика, реже – природная. Как правило, они представлены нитями и волокнами, но также могут быть листами. Матрица может быть термопластичной либо термореактивной. Диапазон возможных материалов довольно широк, но в целом они отличаются более низкой плотностью, чем углепластики, легким весом и хорошей растяжимостью.
Применяются они в машиностроении, авиа- и судостроении, а также в некоторых специализированных сферах. Так, органопластик кевлар используется для производства бронежилетов благодаря отличной способности выдерживать нагрузки на растяжение.
Боропластики. В качестве наполнителя таких композитов используются борные волокна, полимерная основа обычно представляет собой реактопласт. Иногда нити из бора переплетают со стекловолокном. Это крайне дорогостоящие материалы, так как борный наполнитель сложно получать, – нити дорого стоят. Однако благодаря их высокой твердости композитный материал оказывается прочным, устойчивым к механическим воздействиям на сжатие и существенно превосходящим многие другие композиты. Применяются боропластики обычно в авиастроении и космической отрасли: из них выполняют детали, которые подвергаются серьезным механическим нагрузкам. Стоит помнить, что у этого материала высокая стоимость, ему сложно придавать форму из-за твердости и хрупкости борных волокон, также он не слишком устойчив к воздействию высоких температур.
Текстолиты. Изначально текстолиты представляли собой композитные материалы на основе пластика и ткани, сейчас это куда более разнообразная группа составов. В основе по-прежнему лежит полимерная матрица, а в качестве наполнителя используется полотно из нитей: это могут быть хлопчатобумажные, углеродные, базальтовые или асбестовые, стеклянные волокна. Поэтому различаются и свойства, и сфера применения текстолитов: от покрытий для столешниц до печатных плат. Также из текстолитовых пластин могут изготавливать амортизирующие или изолирующие детали, узлы машин, работающие в агрессивных средах, и многое другое.
Дисперсно-наполненные полимеры. Выше мы рассказывали о дисперсно-наполненных композитных материалах – в них используются не волокна и нити, а порошки, причем очень разнообразные. У этих композитов своя классификация: их более 10 тысяч, различающихся свойствами и применением. В качестве наполнителя используют мел, песок, глину и тальк, керамику и стеклянные шарики, сажу, ореховую скорлупу и десятки других составов.
В результате образуются пластичные составы, которые могут использоваться при создании строительных и отделочных материалов, сантехники, трубопроводов, а также в качестве наполнителя. Обычно это твердые составы, более прочные, чем классический пластик, в некоторых случаях – с хорошими декоративными свойствами. Их крайне широко используют: наполнители дешевы и просты в производстве, композитные материалы получаются прочными, с отличными характеристиками.
Если вас интересует работа с полимерными композитными материалами, но вы не знаете, с чего начать, можете обратиться к нам. Мы поставляем сырье, оборудование и ПО, предоставляем услуги по внедрению и обслуживанию технологичных линий для производства и обработки полимеров. Мы готовы помочь вам – просто напишите или позвоните!
Композитная история
Произнося слово «композитный», большинство из нас представляет что-то современное и инновационное.
Например, обшивку для космического корабля или новейшего самолета, в крайнем случае – композитную пломбу или коронку на зуб. Редко мы задумываемся над тем, что композиты появились несколько тысяч лет назад, уходят своими корнями в Древний Египет. Об истории развития композитных материалов в мире, их современном применении и перспективах – в нашем материале.
История и устройство: от железобетона до нанокомпозитов
Композитный материал или просто композит – это материал, состоящий из двух или более компонентов, каждый из которых обладает различными физическими и химическими свойствами. При этом в сочетании друг с другом они создают новый материал или улучшают характеристики одного из них. Сегодня многие исследователи уверены, что за этими материалами будущее и называют XXI столетие веком композитов. Удивительно, но сама идея их создания родилась задолго до нашей эры.
Композитами, по сути, можно назвать даже саманные кирпичи, которые использовались в Древнем Египте.
Главными компонентами такого древнего композита выступали глина и солома. Еще один пример античного композитного материала – бетон, который придумали древние римляне. Такой композит из смеси вяжущего вещества и дробленых камней использовался при строительстве масштабных зданий той эпохи. К примеру, знаменитый Пантеон считается самым крупным зданием в мире, купол которого выполнен из неармированного бетона.
Первым же «официальным» композитным материалом стал железобетон, который появился в конце XIX века. На его примере легко объяснить принцип строения композитов. Железобетон включает в себя два компонента: металлическую сетку и бетон. Главное, что граница между ними хорошо различима. Это и есть основная характеристика любого композита – он состоит из нескольких материалов, но с четкой границей между ними. Для сравнения, другой многокомпонентный материал – сталь – не является композитом. В ней углерод внедряется в кристаллическую решетку железа, и граница исчезает.
Итак, в составе композита выделяют матрицу и наполнитель. Изменяя их состав и соотношение можно получить множество видов новых материалов с различными свойствами.
По структуре композиты делятся на несколько основных классов: волокнистые, дисперсно-упрочненные, упрочненные частицами и нанокомпозиты. Как следует из названия, волокнистые композиты армированы волокнами или нитевидными кристаллами. Самыми простыми и наглядными примерами могут послужить кирпичи с соломой и папье-маше.
Остальные три вида композиционных материалов объединяет тот факт, что их матрицы наполнены частицами армирующего вещества, а различаются они размерами этих частиц. В композитах, упрочненных частицами, их размер больше 1 мкм, а содержание составляет 20-25% от общего объема, тогда как в дисперсно-упрочненных композитах до 15% частиц размером от 0,01 до 0,1 мкм. Нанокомпозиты являются новым поколением композиционных материалов. В их состав входят частицы совсем маленькие – размером до 100 нм.
Эра пластика: универсальность полимерной матрицы
Различные волокна или кристаллы в композитах наполняют основную матрицу. Она в свою очередь тоже может быть разной: полимерной, деревянной, керамической или на основе металла. Композиты, в которых матрицей служит полимерный материал, являются сегодня самыми распространенными.
Пластик считается одним из основных новшеств прошлого века. Этот легкий и удобный материал обладал одним недостатком – хрупкостью. Именно эту проблему технологам удалось решить, армировав пластик по аналогии с железобетоном. Так появились углепластики и стеклопластики – полимерные материалы, с которыми мы связываем само понятие «композиты».
Использование стеклопластиков, где наполнителем является расплавленное неорганическое стекло, началось в середине XX века в оборонной промышленности. Тогда из них изготавливались антенные обтекатели. Сегодня стеклопластики широко используют в строительстве, судостроении, радиоэлектронике, производстве бытовых предметов, например, оконных рам, и так далее.
Углепластики – полимерные композиты, где наполнителем служат углеродные волокна. Легкость и высокая прочность – основные достоинства этих материалов. Углепластик в пять раз легче стали и примерно вдвое легче алюминия. Есть углепластики, которые способны на протяжении долгого времени выдерживать температуры до 3000 °С. Они применяются для создания высокотемпературных деталей ракет и самолетов. Например, для изготовления тормозных колодок для скоростных самолетов и многоразовых космических кораблей.
Композиты в небе и на земле
В свое время именно прогресс в космической сфере стал стимулом для развития композитной отрасли. В нашей стране лидером данного направления было и есть Обнинское научно-производственное предприятие «Технология». Первые обнинские композитные материалы еще в 1980-х годах были испытаны на стойкость на планете Венера – вошли в состав одноименных советских космических аппаратов. Чуть позже «Технология» присоединилась к самому масштабному космическому проекту страны – разработке корабля многоразового использования «Буран».
Космоплан должен был выдержать температуру 1500 °С во время входа в атмосферу. Специалистами «Технологии» была создана специальная керамическая плитка для обшивки. Для «Бурана», который совершил полет в 1988 году, было выпущено почти 40 тыс. таких плиток.
В Обнинске были разработаны и крупногабаритные композиционные конструкции, например, головной обтекатель ракеты-носителя «Протон». Благодаря использованию композитов «Протон» «скинул» почти полторы тонны, что имело огромный экономический эффект. Ведь вывести на орбиту тонну груза стоит почти столько же сколько тонна золота.
Сегодня «Технология» производит множество композиционных конструкций для космоса и авиации. Это обтекатели для ракет-носителей, панели для самых современных спутников, детали для военных и гражданских самолетов. К примеру, на предприятии создаются композитные конструкции для новейшего авиалайнера МС-21 и двигателей самолета Sukhoi Superjet 100.
Композиты сейчас применяются не только в космической индустрии и авиастроении, их можно встретить везде. Например, еще в 1980-х годах они «перекочевали» в автопром. Наглядной рекламой композитов для автомобилестроения послужила тогда победа на международных автогонках первого углепластикового болида. С тех пор с каждым годом объем композитов в современных машинах растет. Их использование позволяет снизить массу автомобиля примерно на четверть, а значит повысить эффективность двигателя и уменьшить расход горючего.
По мере развития науки композитные материалы становятся разнообразнее и дешевле. Всего столетие назад европейские монархи заказывали алюминиевые короны и сервировали столы алюминиевой посудой – тогда алюминий стоил дороже золота. Позже алюминий научились изготавливать в промышленных масштабах, и сегодня любой может купить газировку в алюминиевой банке и использовать фольгу. Композиты проходят тот же путь, и их развитие способно предоставить промышленности совершенно новые технологические возможности.
Поймите, что такое полимерные композиты – Polyexcel
Термин «полимерные композиты » редко можно услышать в повседневной жизни. Однако изделия, в состав которых входит этот материал, присутствуют в повседневном обиходе большинства людей. Так что же все-таки представляют собой эти композиты?
Чтобы прояснить этот вопрос, Polyexcel подготовил эксклюзивный контент на эту тему, объясняющий все, от того, что такое полимерные композиты, до того, как они используются — от самых распространенных до самых специфических. Читайте дальше и проверьте это!
Что такое полимерные композиты?
Полимерные композиционные материалы являются результатом смешения двух веществ. Это делается для получения продукта с качеством, превосходящим оригиналы. Другими словами, идея состоит в том, чтобы создать ресурс, отвечающий потребностям, которых нет у чистых полимеров.
Композит может состоять из двух или более материалов различной природы.
Как правило, они состоят из полимерной матрицы и поддерживающего материала, который может быть органическим или неорганическим. Вместе эти материалы образуют фазы.
Также стоит отметить, что в полимерных композитах используются термопластичные или термореактивные матрицы при температурах ниже 200 ºC.
Разница между смесями полимеров и композитами
Композиты отличаются от смесей полимеров. Хотя эти два вещества являются смесями, смеси представляют собой физические смеси по крайней мере с двумя разными полимерами (смешиваемыми или несмешиваемыми), что будет зависеть от уровня термодинамического взаимодействия между двумя материалами.
Оба предназначены для создания материалов, более стойких, чем чистые полимеры. Однако, как правило, смесь представляет собой несовместимость компонентов, что является ее основной технологической проблемой. Поэтому обычно требуются агенты, улучшающие совместимость.
Материалы, используемые в полимерных композитах
Теперь, когда вы знаете, что такое композиты, важно узнать , какие бывают типы полимеров и другие вещества, которые можно использовать в смеси, а также армирующие материалы, нагрузки и аддитивные агенты.
Полимерная матрица
- полиэфирная смола; винилэфирная смола
- ; эпоксидная смола
- ;
- ПЭИ/ППС; полиамид
- .
Загрузки, агенты и добавки
- CaCO₃;
- УФ-поглотители;
- антипирены.
Армирующий материал
- стекловолокно; арамидное волокно
- ; Углеродное волокно
- .
Преимущества и недостатки полимерных композитов
Композит с полимерной матрицей предназначен для создания материала, более прочного, чем чистый полимер. Однако, несмотря на то, что в некоторых отношениях он становится устойчивым, он также может иметь некоторые недостатки.
Поэтому перед выбором этого материала стоит знать как положительные, так и отрицательные стороны полимерных композитов.
Узнайте о некоторых основных ниже.
Преимущества
Одним из основных преимуществ полимерных композитов является высокое удельное сопротивление, особенно по сравнению с полимером в чистом виде. Другими важными моментами являются:
- низкий удельный вес;
- высокоспецифичный модуль;
- высокая коррозионная стойкость;
- гибкость и свобода дизайнерских форм.
Недостатки
Если, с одной стороны, полимерный композит имеет высокое удельное сопротивление, то с другой - пониженную ударопрочность. Кроме того, для него характерны:
- ухудшение свойств при высоких температурах;
- относительное отсутствие критериев проекта;
- сложное и неточное обнаружение дефектов;
- дорогих и сложных процедур проверки.
Обратите внимание, что свойства полимерных композитов различаются в зависимости от типы полимеров и используемые волокна, а также их пропорции.
Где используются полимерные композиты?
В начале этого текста мы упомянули, что изделия из полимерных композитов являются частью нашей повседневной жизни. Но как мы можем их идентифицировать?
Имейте в виду, что композиты могут быть представлены по-разному: в самолетах, ракетах и спутниках — очень часто в авиационной отрасли — или даже в бассейнах, байдарках и игрушках, способствуя веселью всей семьи.
Военно-морской сегмент также использует полимерные соединения в гидроциклах, парусниках, моторных лодках и т.п. В автоспорте мы находим эти материалы в кузовах, тормозах и шасси. В гражданском строительстве они присутствуют в плитке и синтетическом мраморе.
В Polyexcel примером композита с полимерной матрицей с минеральным наполнителем является HFFR. Среди его главных особенностей – огнезащитный эффект.
Прочитайте наш контент
Теперь, когда вы знаете больше о том, что такое полимерные композиты и где они чаще всего используются, как насчет прочтения других наших публикаций? В нашем блоге вы можете быть в курсе основных тем полимерной вселенной!
Если вы ищете качественные полимеры, обязательно ознакомьтесь с нашими вариантами и запросите предложение прямо сейчас.
Свяжитесь с одним из наших специалистов, уточните свои вопросы и проверьте ценности с нашей командой!
Полимерные и композитные материалы | GE Research
Композиты
Композиты — это материалы, изготовленные из двух или более составляющих материалов, в которых используются свойства каждого из компонентов. Наиболее распространенным классом композитов являются конструкционные композиты, армированные волокном. GE Research имеет большой опыт в разработке, определении характеристик и расширении масштабов производства как армированных волокном композитов с керамической матрицей (CMC), так и композитов с полимерной матрицей (PMC). В CMC используются керамические волокна со специальным интерфейсным покрытием внутри керамической матрицы. Эта комбинация материалов обеспечивает такие же температурные характеристики, как у керамики (1500–3000 °F), с металлической долговечностью и значительной экономией веса по сравнению с металлами. В PMC используются стеклянные, полимерные или углеродные волокна внутри полимерной матрицы, которая сочетает в себе прочность и жесткость волокон со способностью матрицы передавать нагрузку.
В GE Research есть команды, занимающиеся обработкой композитов, моделированием процессов, механическими испытаниями и испытаниями на воздействие окружающей среды, моделированием свойств микроструктуры и долговечностью композитов. Опыт GE Research включает производство и понимание каждого компонента композита, включая армирующие волокна, волокнистые покрытия, матрицы и покрытия, защищающие от воздействия окружающей среды (EBC). Способность понимать и разрабатывать эти композиты и их составляющие дает явное преимущество в коммерциализации и монетизации этих технологий. Например, GE Research разработала систему CMC с пропиткой из расплава и ее EBC, которые GE Aviation вывела на рынок и использует в CFM Leap и GE9.X коммерческие реактивные двигатели. GE продолжает внедрять инновации в этой области, разрабатывая новые композитные системы для военных и коммерческих приложений.
Полимерные материалы
Опыт GE Research в области полимеров основан на богатом наследии разработки материалов для всех наших подразделений GE, включая авиацию, здравоохранение, энергетику и BHGE, а также наших бывших подразделений GE Plastics, Silicones и Advanced Materials.
Основные компетенции включают разработку и производство передовых материалов, оценку структуры, свойств и характеристик, разработку мономеров и процессов полимеризации, определение характеристик, тестирование физических свойств, а также обработку и масштабирование полимеров. Некоторые недавние области исследований, в которых полимерные материалы были ключевыми системными средствами, включают:
- Инновационные продукты биофармацевтической обработки : 1) малозагрязняющая, мгновенно смачивающаяся мембрана из полых волокон для очистки биологических препаратов. Оборудование и системы фильтрации основаны на новом гидрофильном полимерном материале, который позволяет повысить производительность сложных биологических кормов. 2) одноразовые пакеты для первичной биотехнологической обработки на основе инженерных многослойных пластиковых пленок (Fortem™)
- Стабилизация биообразцов : матрицы на основе лигноцеллюлозы, пропитанные уникальными химическими веществами для обеспечения сухого хранения ДНК, РНК и белков в условиях окружающей среды
- Клапаны : усовершенствованные противовыбросовые превенторы и уплотнения штока для нефтегазовой отрасли
- Термопласты и реактопласты : 1) обеспечивающие модульные ветряные лопасти для производства возобновляемой энергии 2) ледофобные термореактивные материалы для винтов и лопастей
