Соедините два полезных материала вместе в композит, и вы получите третий, несколько иной материал, который в каком-то решающем отношении превосходит любой из исходных компонентов (возможно, сильнее или лучше переносит тепло): другими словами, он больше, чем сумма его частей.
Композитные материалы могут показаться немного «техничными» и незнакомыми, но они чрезвычайно распространены в окружающем нас мире. Из них часто делают биты для мячей (теннисные ракетки, клюшки для гольфа и хоккейные клюшки). Автомобили, самолеты и лодки издавна делали из композитов, таких как стекловолокно, потому что они легче металлов, но зачастую столь же прочные. И если вы думаете, что композиты звучат суперсовременно, подумайте еще раз: бетон, дерево и кость - все это композитные материалы. Ламинат - это композит, в котором слои различных материалов склеены вместе с помощью клея для придания дополнительной прочности, долговечности или некоторых других преимуществ.
Что такое композиты?
Композит создается путем комбинирования двух или более других материалов, так что они улучшают друг друга, но сохраняют отличительные и отдельные идентичности в конечном продукте. Таким образом, композит - это не соединение (где атомы или молекулы химически связываются друг с другом, чтобы сделать что-то совершенно иное), смесь (где один материал смешивается с другим) или раствор (где что-то вроде соли растворяется в воде и фактически исчезает) . Композит - это что-то вроде бетона , в котором между цементом разбросаны камни разных размеров. Железобетон также представляет собой композит, сделанный из стальных арматурных стержней, помещенных внутри влажного бетона, что, по сути, делает его композитом. Стекловолокно - это смесь крошечного стекла черепки вклеены внутрь пластиком . В бетоне, железобетоне и стекловолокне исходные ингредиенты все еще легко обнаружить в конечном материале. В бетоне часто можно увидеть камни в цементе - они не исчезают и не растворяются.
Зачем нужны композиты?
По крайней мере, в одном важном отношении композит должен быть лучше материалов, из которых он сделан - иначе в этом нет никакого смысла. Что касается бетона, то он очень прочный, если вы используете его в вертикальных балках, чтобы выдержать вес здания или конструкции, толкающей вниз - другими словами, если вы используете его в сжатом состоянии (при сжатии ). Но он довольно слабый и имеет тенденцию изгибаться, а затем ломаться, если вы используете его горизонтально, где он растягивается (в напряжении ). Очевидно, это будет серьезной проблемой в здании с большим количеством горизонтальных балок. Отличное решение - залить влажный бетон вокруг плотных стальных стержней (называемых арматурой), чтобы они затвердевали в композитный материал, называемый армированным бетоном.. Сталь тянет бетон и предотвращает его разрыв при растяжении, а бетон защищает сталь от ржавчины и гниения. В итоге мы получаем композитный материал, который хорошо работает как при растяжении, так и при сжатии.
Дополнительная прочность - это наиболее частая причина изготовления композитного материала, но не единственная. Иногда мы хотим улучшить материал по-другому. Например, нам может потребоваться деталь самолета с лучшим сопротивлением усталости, чем у металла , чтобы она не ломалась (как скрепка), когда она неоднократно подвергалась нагрузкам и деформациям в полете. Или нам может понадобиться деталь двигателя , способная выдержать более высокие температуры, чем обычная керамика . Возможно, нам нужен жесткий и прочный, но при этом легкий пластик или такой, который может переносить тепло и электричество. Лучше, чем обычный пластик (другими словами, что-то с улучшенной теплопроводностью и электропроводностью). Композиты могут помочь нам во всех этих ситуациях.
Как изготавливаются композиты?
Композиты обычно состоят из двух основных материалов (хотя могут быть и другие добавки): есть «фоновый» материал, называемый матрицей (или фазой матрицы), и к нему мы добавляем трансформирующий материал, называемый армированием (или армирующей фазой). ). Хотя мы склонны думать, что арматура состоит из волокон (например, стекловолокна), это не всегда так. В железобетоне «волокна» представляют собой крупногабаритные скрученные стальные стержни; в стекловолокне - это крошечные стеклянные нити . Иногда армирование состоит из гранул, частиц или волокон, но также может быть из сложенного текстиля.
То, как частицы армирования расположены в матрице, определяет, будет ли композит иметь одинаковые механические свойства в каждом направлении (изотропный) или разные свойства в разных направлениях (анизотропный). Все волокна, направленные одинаково, сделают композитный анизотропный материал: он будет сильнее в одном направлении, чем в другом (именно то, что мы видим в древесине ). С другой стороны, частицы, волокна, случайно ориентированные в композите, будут иметь тенденцию делать его одинаково прочным во всех направлениях.
Какую бы форму оно ни принимало, работа арматуры заключается в том, чтобы противостоять силам, приложенным к материалу (добавляя прочность или помогая остановить трещины и усталость), в то время как работа матрицы заключается в том, чтобы прочно закрепить арматуру на месте (чтобы она не ослабла) и защитить его (от жары, воды и других повреждений окружающей среды).
Виды композитов
Натуральные композиты
Когда мы говорим о композитах, мы часто имеем в виду прочные, легкие, ультрасовременные материалы, тщательно разработанные для конкретных применений в таких вещах, как космические ракеты и реактивные самолеты, но, глядя на вещи с этой точки зрения, слишком легко забыть о природных композитных материалах, которые имеют был рядом навсегда. Древесина представляет собой композит из целлюлозных волокон (арматуры), растущих внутри лигнина (матрицы из органических полимеров на основе углерода). Кость - это еще один старинный композит, в котором волокна коллагена укрепляют матрицу гидроксиапатита (кристаллический минерал на основе кальция). И даже композиты, созданные руками человека, не обязательно являются высокотехнологичными и современными. Бетон и кирпич (сделанный из грязи или глины, армированной соломой) - это два примера композитов, изобретенных людьми, которые широко используются в течение тысяч лет.
Классические композиты
Первым современным композитным материалом был стекловолокно (первоначально называвшееся «фибреглас», а сейчас его обычно называют стеклопластиком, GRFP или GRP), появившимся в 1930-х годах. В наши дни стеклопластик обычно выпускается в виде лент, которые можно наклеивать на поверхность формы. Пластиковая подкладка - это матрица, удерживающая стекловолокно на месте, но именно волокна обеспечивают большую часть прочности материала. В то время как пластик (по определению) относительно мягкий и гибкий, стекло прочное, но хрупкое. Соедините их вместе, и вы получите прочный, долговечный материал, подходящий для таких вещей, как кузова автомобилей или лодок, более легкий, чем металлы или сплавы и не подверженный ржавчине.
Современные композиты
Современные передовые композиты основаны на металле, пластике (полимере) или керамике. Это дает нам три основных типа современных композитных материалов: композиты с металлической матрицей (MMC), композиты с полимерной матрицей (PMC) и композиты с керамической матрицей (CMC).
Композиты с металлической матрицей (MMC)
Они имеют матрицу, изготовленную из легкого металла, такого как сплав алюминия или магния, армированного керамическими или углеродными волокнами. Примеры включают алюминий, армированный карбидом кремния, и сплав меди и никеля, армированный графеном (разновидностью углерода), что делает металлы в несколько сотен раз прочнее, чем они были бы сами по себе. ММС прочные, жесткие, износостойкие, устойчивые к ржавчине и относительно легкие, но они, как правило, дороги и труднее в эксплуатации. Они популярны в аэрокосмической отрасли (например, в реактивных двигателях ), военном оборудовании (нитрид стали и бора используется для усиления резервуаров), в автомобильной промышленности ( поршни дизельных двигателей ) и в режущих инструментах.
Композиты с керамической матрицей (КМК)
Как следует из названия, в них используется керамический материал (например, боросиликатное стекло) в качестве фоновой матрицы, а углеродные или керамические волокна (например, карбид кремния) добавляют арматуру и помогают преодолеть ключевую слабость обычной керамики (ее хрупкость и то, что называется низкая «трещиностойкость»). Примеры включают армированный углеродным волокном карбид кремния (C / SiC) и армированный карбидом кремния карбид кремния (SiC / SiC). Первоначально разработанные для аэрокосмических и военных приложений, где действительно важны легкость и высокие температурные характеристики (например, газовые турбины, выхлопные сопла реактивных двигателей), CMC также нашли применение в таких вещах, как автомобильные тормоза и сцепления, подшипники, теплообменники и ядерная энергетика, реакторы. Поскольку КМЦ обычно используются для высокотемпературных применений, полимерные волокна и обычные легкоплавкие стекловолокна обычно не используются в качестве армирующих материалов.
Композиты с полимерной матрицей (PMC)
Композиты с полимерной матрицей (PMC), такие как GRP, снова отличаются. В то время как волокна в CMC делают их более прочными и менее хрупкими, в PMC керамические или углеродные волокна добавляют прочности и жесткости фоновому пластику. В PMC пластиковая матрица может быть либо термопластичной (которая может быть размягчена и изменена при нагревании), например полиамидом, либо термореактивным пластиком («термореактивным» - таким, который сохраняет свою форму после изготовления даже при повторном нагреве ), например эпоксидной смолой. Вообще говоря, PMC на основе термореактивных пластиков лучше выдерживают высокие температуры и воздействие растворителей, чем PMC на основе термопластов, но они не такие жесткие; они также требуют больше времени для изготовления (из-за необходимого времени «отверждения») и менее подходят для быстрого, дешевого и массового производства. Как мы только что видели, легкость, жесткость, прочность и коррозионная стойкость делают PMC на основе термореактивных пластмасс, таких как стекловолокно, отличными материалами для деталей автомобилей, лодок и самолетов. Они также широко используются в спортивных товарах (например, в теннисных ракетках, клюшки для гольфа, сноуборды и лыжи). Хотя PMC на основе эпоксидной смолы (термореактивных) широко используются в аэрокосмической отрасли, PMC на основе термопластов, способные выдерживать высокие температуры, также становятся все более важными в таких областях.
Композиты будущего
Многие текущие исследования сосредоточены на улучшении композитов за счет использования волокон примерно в 1000 раз меньшего размера, которые обладают гораздо большей мощностью. Эти так называемые нанокомпозиты являются примером нанотехнологии , в которой углеродные нанотрубки или наночастицы используются в качестве усиления. Они, вероятно, окажутся дешевле и будут иметь лучшие механические и электрические свойства, чем традиционные композиты.
Ламинаты
Прочитав все о композитах, вы могли бы прийти к выводу, что это не те материалы, с которыми обычные люди могут столкнуться очень часто, но вы ошибаетесь! Вы когда-нибудь наклеивали на книгу липкую пленку, чтобы защитить обложку? Или приклеил картон к бумаге, чтобы она была прочнее? Может быть , вы с покрытием плаката вы напечатанные на компьютере с пластиком , чтобы сделать его от атмосферных воздействий? Если вы сделали что-то из этого, вы сделали ламинат : особый вид композитного материала, образованный путем склеивания слоев двух или более других материалов с помощью клея .
Что такое ламинат?
Соединение двух или более листов материала вместе и вы получите ламинат, который по сути представляет собой просто материал, состоящий из слоев. Поскольку слои обычно представляют собой разные материалы, ламинаты являются примерами композитов, хотя материалы не объединены вместе так же, как с другими (матричными) композитами. Также важно помнить, что ламинат - это не просто несколько слоев материалов: материалы должны быть постоянно связаны друг с другом чем-то вроде клея, чтобы они вели себя как один материал, а не несколько. Вы можете думать о клее (или о клеях потому что их может быть больше одного) как о дополнительном материале в ламинате.
Зачем вам делать ламинат? Обычно из-за того, что материал, который вы обычно используете отдельно (например, бумага , дерево или стекло ), недостаточно прочен или долговечен. Например, бумага не является водонепроницаемой, а на пластике печатать сравнительно сложно. Но что, если вы печатаете на бумаге, а затем покрываете ее пластиком? Изготовленный вами ламинированный композитный материал дает вам лучшее из обоих миров.
Для чего используются ламинаты?
В основе ламината обычно лежат четыре основных материала: дерево, стекло, ткань и бумага.
Дерево
Ламинированные полы очень популярны, потому что они очень износостойкие. В отличие от традиционного пола из твердой древесины, ламинат обычно состоит из четырех слоев. Верх может быть чем-то вроде тонкого слоя прозрачного пластика, защищающего от пятен и царапин. Под ним находится тонкий слой древесины с рисунком (или даже бумаги с рисунком дерева), который придает полу привлекательный вид. Следующий слой - это сердцевина: основная часть материала - низкосортный ДВП. Наконец, на основании есть тонкий слой твердой влагостойкой доски. Многие недорогие мебельные изделия, напоминающие массивную древесину, на самом деле представляют собой ламинаты, изготовленные из изделий из древесины более низкого качества (известных как ДСП ) с тонким покрытием из шпона, пластика или даже бумаги.
Стекло
Автомобильные лобовые стекла и пуленепробиваемые стекла - это на самом деле очень тяжелые ламинаты, сделанные из нескольких слоев стекла и пластика. Наружные слои стекла устойчивы к атмосферным воздействиям и царапинам, в то время как внутренние пластиковые слои обеспечивают прочность и небольшую гибкость, чтобы стекло не разбилось.
Ткань
Большинство обуви и много верхней одежды сделаны из ламинированных материалов. Обычный дождевик обычно имеет водонепроницаемую мембрану между износостойким внешним слоем и мягким, удобным внутренним слоем. Иногда мембрана непосредственно приклеивается к внутреннему и внешнему слоям, чтобы сделать одежду очень прочной и долговечной; это известно как трехслойный ламинат. Если мембрана приклеена к внешней ткани без внутренней подкладки, это называется 2,5-слойным ламинатом. Изготовленная таким образом водонепроницаемая одежда, как правило, более «дышащая», чем трехслойный ламинат, поскольку влага может легче выходить.
Бумага
Многие люди владеют небольшими ламинаторами, которые покрывают кусочки бумаги, открытки или фотографии тонким, но прочным слоем прочного пластика. Вы просто покупаете пачку пластиковых «пакетов», вставляете в нее бумажный предмет и пропускаете этот «бутерброд» через машину. Он нагревает или склеивает пластик и плотно прижимает его друг к другу, чтобы создать стойкое к атмосферным воздействиям и прочное покрытие. Идентификационные (ID) карты и кредитные карты также ламинированы прозрачным пластиком, поэтому их можно использовать в течение нескольких лет.
Подписывайтесь на канал ! Будет много интересного!