История композита

Композит – искусственный материал, состоящий из нескольких слоев,  дополняющих и улучшающих физические свойства изначально применяемого сырья. Важное значение, для параметров композита имеют свойства армирующего материала и монолитность готового продукта. Путем комбинирования сырья, возможно существенное увеличение прочности, стойкости к удару, водонепроницаемости и прочих потребительских характеристик. Как правило, итоговый материал выходит значительно эстетичней и неплохо поддается обработке. Путем добавления в композит различных красителей возможно придать готовому изделию любой цвет.

Как наиболее яркий пример древнего композиционного материала можно привести прообраз фанеры - в 3400 г. до н.э., в Месопотамии, существовала технология склейки полосок дерева под разными углами. Также в Древнем Египте и Месопотамии добавляли, рубленную солому, как армирующий материал, в глиняные кирпичи. После добавления соломы, кирпичи просто сушились на солнце, не подвергаясь обжигу. Несмотря на кажущуюся простоту технологии остатки подобных крепостных сооружений сохранились в Египте до наших дней.

В 19 веке революция в химии повлекла за собой дальнейшее развитие технологии композитных материалов. Благодаря полимеризации появилась возможность преобразования смол из жидкого в твердое состояние.

В начале 20 века были открыты виды фенольно-формальдегидных смол, одной из которых был бакелит (карболит в России) – первый синтетический не расплавлявшийся под воздействием высоких температур диэлектрический пластик, который впоследствии широко использовался как электрический изолятор.

К началу 40-х годов 20 века компания Owens Corning запустила производство стеклопластика FRP(fiber-reinforced plastic – пластмасса армированная стекловолокном). В 1936 году были запатентованы ненасыщенные полиэфирные смолы. В 1938 году стали доступны показавшие высокую производительность эпоксидные смолы.

Вторая мировая война подтолкнула технологию стеклопластика от стадии исследования к практическому применению. Композит оказался полностью прозрачен для радиоволн и за счет своей исключительной прочности нашел применение в защитных куполах для радиолокационного и прочего радиоэлектронного оборудования.

К началу 50-х годов было опробовано уже несколько способов формования, из которых впоследствии два (SMC - прессование из листового формовочного соединения и BMC – объемной формовки) превратились в основные.

В 1961 году было запатентовано углеродное волокно, уже нашедшее ранее свое применение в промышленности. Углепластик, за счет большей жесткости по отношению к весу, расширил возможность применения композита в аэрокосмической, спортивной и автомобильной и бытовой отраслях. Самым крупным рынком композитных материалов в 60-х годах был морской.

К началу 70-х годов дальнейшее открытие волокон из ультраполиэтилена высокой молекулярной массы и появление улучшенных смол расширило возможности применения композита в агрессивных средах и при очень высоких температурах. С этого момента и по настоящее время крупнейшим рынком сбыта композиционных изделий остается автомобильный.

За счет частичной замены и благодаря своим исключительным свойствам такого традиционного материала как металл, к 2000 году композит уже был широко представлен в строительстве, электроэнергетике, авиа, авто, железнодорожном и морском транспорте, спортивных и медицинских приборах и оборудовании.

Наука не стоит на месте, исследования в области новых технологий и материалов позволяют серьезно улучшать физические свойства композиционных материалов.



Интересные факты о композите

Бетон, бумага, гофрированный картон, фанера, стекловолокно, бамбук, стебли кукурузы, деревья, кирпичи – все это композитный материал.

  1. Бетон является наиболее известным искусственным композитным материалом - около 10 миллиардов тонн изготавливается каждый год, это более чем один кубический метр ежегодно на каждого жителя Земли. За счет добавления мелких фракций камней либо металлических стержней его несущая способность вырастает многократно в сравнении с цементом.

  2. Современные доски для серфинга изготавливаются из стекловолокна, до 1960 года они делались из дерева.

  3. Материал Gore-Tex, применяемый при пошиве спортивной одежды и обуви, по своей сути является композитом из слоев различных материалов, одновременно водонепроницаемым  и пропускающим молекулы воздуха.

  4. Углеродные композитные волокна, в том числе кевлар, используются при производстве различных вариантов облегченных бронежилетов. Как показали исследования, кевлар в пять раз прочнее стали и только в половину такой же плотности как стекловолокно.

  5. Углеродные нанотрубки при включении в материал, обладают чрезвычайно прочными физическими свойствами, одновременно обладая малым весом. Эта технология рассматривается как перспективная при разработке «космического лифта».

  6. Почти половина деталей современного самолета произведены из композита.

  7. Придуман самовосстанавливающийся полимер. Этот композитный материал содержит химические вещества, которые при повреждении поверхности выделяются и образуют новый слой пластика.


 

Композиционный самолет на солнечной энергии

9 марта 2015 года взлетел швейцарский "солнцелет" Solar Impulse 2, чтобы начать первый этап кругосветного полета с использованием солнечной энергии в качестве топлива.

Это крупнейший из когда-либо построенных композитных самолетов с весом чуть более двух тонн. Малый вес планера получен за счет широчайшего применения в конструкции композиционных материалов на основе углеродистого волокна (карбона), размах крыла достигает 70 метров, в него встроены более 17000 солнечных элементов. Самолет может лететь на высоте до 8500 метров со скоростью от 50 до 100 км/ч. Ожидается, что за 5 месяцев самолет преодолеет более 35000 километров, из которых непосредственно в полете проведет около 25 дней.

26 июля 2016 года самолет приземлился в Абу-Даби (ОАЭ) завершив свой кругосветный полет и преодолев расстояние в 42000 километров.

 

Перспективные направления композитных материалов

Важным перспективным направлением композитных материалов является мостостроение. Основной причиной потери прочности мостовых соединений выступает коррозия, благодаря высоким механическим свойствам и большей стойкости, чем обычная сталь, композит позволяет существенно снизить первоначальный вес, сократить расходы на обслуживание и увеличить срок службы.

Одним из первых в мире, использующихся и сейчас автомобильных мостов с несущими композитными элементами, был мост, открывшийся для движения в декабре 1996 года в городе Рассел, штат Канзас, США. Мост выдерживает 22 тонны, имеет в длину 7,1м и 8,2м в ширину. Как армирующий материал для сердечника использовался рубленный стекломат, рабочая поверхность моста изготовлена из полимербетоннной смеси.

Несмотря на увеличенную стоимость изготовления (в 1,5 раза по сравнению с использованием стали и бетона), быстрый монтаж и хорошие эксплуатационные качества отвоевывают себе место, чему свидетельствует эксплуатация в разных странах (в т.ч. и в России) более 350 мостов, чьи несущие элементы выполнены из композита.

Примером композитных мостов в Липецкой области могут служить открытые 30 сентября 2015г. на подъезде к Липецку в селах Хрущевка, Подгорное и Ленино три пешеходных перехода изготовленных методом вакуумной инфузии. Пролеты имеют в ширину 3 метра, в длину от 20 до 26 метров, их вес более чем в 4 раза легче традиционных пролетов из бетона и стали, монтаж занял одну ночь. Срок эксплуатации пролетов из композита не менее полувека.