История на композитните материали
Композитният материал е нехомогенен непрекъснат материал от два или повече компонента с ясна разлика между тях. Най-простият пример е обикновен шперплат. Но има много по-интересни технологии и материали, използвани в самолетостроенето, автомобилостроенето и други области. Повече подробности - под хабраката.
древни откриватели
Два или повече разнородни материала се използват заедно, за да се създаде нов уникален материал или да се подобри работата на един от тях. Първото използване на този метод датира от 1500 г. пр.н.е., когато глина и слама са били използвани за изграждане на сгради в Египет и Месопотамия. Към състава е добавена и слама за укрепване на керамика и лодки.
Тухлите, в които е използван скрап, се наричат "кирпич". Ето как са го направили египтяните:
Следващият крайъгълен камък е 1200 г. сл. Хр. Монголите направиха всичко възможно: те създадоха първия композитен лък. Използвали са материали като дърво, кост и животинско лепило. Монголският лък обикновено се изработваше от няколко слоя дърво, главно бреза, които бяха залепени заедно с животинско лепило. Роговите облицовки са от вътрешната страна на лъка, фиксирани с вени.
Ерата на пластмасите
Нямаше да има съвременни композити, ако учените не излязоха с пластмаси. Дотогава единственият източник на лепила и свързващи вещества са естествените смоли, които се добиват от животни или растения. И в началото на 20-ти век са разработени винил, полистирол, фенол и полиестер - тези материали са значително по-добри от използваните преди това.
Но пластмасите не успяха да осигурят достатъчна здравина. Необходима е по-добра армировка и през 1935 г. Owens/Corning въвеждат фибростъкло. INВ комбинация с пластмасови полимери, фибростъклото е изключително здрава, но много лека структура. Това е началото на производството на армирани полимери.
Още нещо от 1970 г. - стъклопласти за топлоизолация в строителството.
Ранни иновации в композитите: Втората световна война
Много изобретения в тази област са изобретени по време на войните. Точно както монголците създадоха своя композитен лък, Втората световна война позволи на подсилените полимери да мигрират от лабораториите към реалния свят.
Във военното самолетостроене бяха необходими алтернативни материали за намаляване на теглото на крайния продукт. Много бързо инженерите разбраха предимствата на композитите по отношение на теглото и здравината им.
Също така инженерите научиха за такова предимство на композитите от фибростъкло като радиопредаване. И те започнаха да използват "обтекатели", които предпазват радиомодулите от външни фактори, включително вятър.
По време на войната Германия също се опита да разработи стелт самолет, много преди американския Стелт. Тогава беше необходимо да се използва композитен материал в тялото, където между слоевете шперплат щеше да има пълнител от светла балса - дърво, растящо в Южна Америка. Но през 1944 г. този материал беше недостижим за германците, така че трябваше да се използва композитът formholz ersatz: между слоевете от 1,5 mm шперплат имаше смес от импрегнирани със смола дървени стърготини и порести въглища.
Композитна адаптация
Като цяло до края на войната малка ниша в производството на композитни материали беше запълнена. И сега имаше трудна задача: как да преминем от военни поръчки към мирни продукти.
Сред очевидните опции бяха лодки. Първата лодкакомпозитният корпус е въведен през 1946 г. Приблизително по същото време е направена дъска за сърф от фибростъкло. И имаше метод на "протягане" - "пултрузия", използван при производството на полимерни композитни материали.
Ето, например, диаграма на суха пултрузия. Методът значително опрости производството.
Автомобилите са друга важна област за полимерните композити.
През 1954 г. първата спортна кола, изработена от фибростъкло, се появява в продажба в Съединените щати: Kaiser-Darrin. Тази кола ускорява до 60 мили в час за 15,1 секунди. А максималната скорост е малко под 100 мили в час, което е около 160 км/ч.
Такива характеристики станаха постижими с двигател от 90 конски сили, до голяма степен поради ниското тегло на автомобила, около 2200 паунда, тоест 997 кг.
През 70-те години материалите стават още по-добри и по-сложни. DuPont, а именно една група, ръководена от Стефани Куолек, разработи арамидните влакна, които познаваме като кевлар. Сега това е добре познат материал, използван в бронежилетки. Кевларът е пет пъти по-здрав от стоманата. Този материал е разработен за подсилване на автомобилни гуми и все още се използва за тази цел. Те също така подсилват медни и оптични кабели.
Автомобилна гума Wrangler, използваща кевлар.
Кевларен калъф с докинг станция за iPhone.
В производството на безпилотни самолети се използва и кевлар. Например за допълнителна защита на безпилотния летателен апарат RQ-11 Raven.
Космос и авиация
Алуминият и другите метали при производството на части за самолети се заменят с композити с ниска плътност, което намалява теглото на самолетите. Това от своя страна спестява гориво. Такаче сега композитите се използват широко в гражданската авиация.
В Boeing 787 DreamLiner 50% от елементите на фюзелажа са направени от композитни материали на базата на въглерод. Така този самолет е по-лек и по-здрав от конвенционален самолет с алуминиев фюзелаж.
Двигателят Genx от General Electric също използва композитни материали: тялото, лопатките на турбината и дюзите, които впръскват гориво в камерата за вътрешно горене, са направени от тях.
Разбира се, композитни материали се използват за създаване на оръжия. Например междуконтиненталната балистична ракета Топол-М: 90% от нея се състои от композитни материали, включително конструкциите на двигателя и бойната глава.
Сменяема цев на пушка Christensen Arms от въглеродни влакна. Пушката е изградена на базата на болтовата група Remington-700.
Карабина Carbon Custom R-93 със сменяеми цеви.
Приклади от композитни материали. Представен на "Отворени иновации" миналата година от българския производител ХК "Композит".
Съвременни полимерни композитни материали
Най-интересната група от композити са полимерите. Това не е шперплат или слама в тухли, а материали, които са трудни за производство, понякога включително работа дори на нано ниво (10 до -9 градуса).
Този път малко теория. За армиране използвайте: Карбонови тъкани (карбон); Арамидни тъкани (кевлар); Хибридни тъкани (карбон+кевлар); Еднопосочни хибридни тъкани; Фибростъкло; Многоосови тъкани; Карбонови ленти; Предварително импрегнирани.
Как се използват карбоновите тъкани?
За производството на карбонови части се използва само като въглеродни влакна с произволниразположени и запълващи целия обем на материала с нишки и плат (Carbon Fabric). Най-често срещаните видове тъкане са Plain, Twill, Saten.
Плътността на тъканта или специфичното тегло, изразена в g / m2, в допълнение към вида на тъкането зависи от дебелината на влакното, което се определя от броя на въглеродните влакна. Тази характеристика е кратна на хиляда. И така, съкращението 1K означава хиляда нишки във влакно.
Често можем да чуем от момчетата в района на автомобилистите, че са "залепили колата с карбон". Тук всъщност по-често говорим не за полимерни композити, а за обикновено декоративно фолио, направено да изглежда като карбон. и такъв филм не дава никакво предимство: теглото на частите няма да намалее, няма да спечели и сила. Така че това е просто преследването на модата и желанието да направите собствената си кола да изглежда като състезателни коли от Need For Speed.
При строителството на сгради и пътища, за армиране на бетонни резервоари и хранилища се използва армировка от въглеродни влакна и фибростъкло, която е инертна към всякакви агресивни среди, има висока якост и очакван срок на експлоатация 75 години.
Също така е възможно да се подсили по време на строителството и след него отвън: с помощта на карбонова лента, импрегнирана с двукомпонентен епоксиден състав. За съжаление не успях да намеря по-добра снимка.
Асфалтът може да бъде подсилен чрез добавяне на влакна към него. Помните ли сламата и глината в началото на поста?
Нанотехнологии
Самите полимерни композити трудно могат да се нарекат нанотехнологични, ако нанотехнологиите се дефинират като „набор от технологични методи и техники, използвани при изследването, проектирането и производството на материали, устройства и системи, включително целенасочен контрол и управление на структурата, химическисъставът и взаимодействието на съставните им отделни наномащабни елементи (с размери от порядъка на 100 nm и по-малко), които водят до подобряване или появата на допълнителни експлоатационни и / или потребителски характеристики и свойства на получените продукти.
Но напоследък на пазара навлязоха полимерни смоли, действащи като свързващо вещество, които, въз основа на процеса на тяхното производство, съвсем попадат в определението за нанотехнология.
Разбира се, първоначално военните разработки много често се превръщат в продукти за мирно време и се използват, наред с други неща, в медицината.
Да започнем, разбира се, със стоматологията. Сложиха ли ти печат? С голяма вероятност това са композитни материали. Директно пред вас, точно преди монтажа, лекарят смесва компонентите, след това инсталира на място и след това държи ултравиолетовата лампа за няколко минути. Това са светлинно втвърдяващи се пломби.
Има и пломби с химическо втвърдяване. Например стъклойономерен цимент от прах и течност, в който прахът е алумосиликатно стъкло с флуор, а течността е воден разтвор на полиакрилова киселина.
Композитните влакна се използват при производството на ортези. Ортезата е специално устройство, предназначено да разтоварва, фиксира, активира или коригира функциите на става или крайник. Кортеси, бинтове, обувки и други продукти са налични тук.
Разбира се, протезите се изработват и от композитни материали. В случай на проби за бегачи, това е просто необходимо, тъй като други материали не са в състояние да дадат такава гъвкавост и здравина.
Заключение
Древен метод, който помогна да се направят тухли и лъкове по-здрави, съчетан със съвременни материали, осигурява безценни предимства в различни области.Сред тези области са авиацията и автомобилостроенето, астронавтиката, медицината, включително стоматологията и протезирането, и строителството. Дори такова просто нещо като армировката в бетонните конструкции вече е станало по-технологично напреднало, изработено от фибростъкло и въглеродни влакна. Зъбните пломби, както писах по-горе, също се отнасят към композитните материали. Композитните материали са навлезли здраво в живота ни, понякога напълно незабелязано от нас.
Освен това използването на този метод е възможно дори у дома. Споменах в един от предишните си публикации, че планирам да направя нови модификации за моя куадрокоптер. Веднага след като успея в това, ще пиша.