Композиционные материалы — это материалы, разработанные и изготовленные по мере необходимости, состоящие из двух или более материалов различной природы, объединенных физическими или химическими методами для создания в макроскопическом (микроскопическом) масштабе материалов с новыми свойствами. Они не только сохраняют преимущества свойств каждого из компонентов, но и благодаря взаимному дополнению и взаимодействию свойств компонентов, достигается комплексная производительность, недостижимая для материалов с однородным составом. Комплексные свойства композиционных материалов превосходят свойства исходных материалов, удовлетворяя различные требования.

Матричные материалы композитов делятся на две основные категории: металлические и неметаллические. К распространенным металлическим матрицам относятся алюминий, магний, медь, титан и их сплавы. К основным неметаллическим матрицам относятся синтетические смолы, резина, керамика, графит, углерод и др. В качестве армирующих материалов используются стекловолокно, углеродное волокно, борное волокно, арамидное волокно, волокно карбида кремния, асбестовое волокно, усы, металлическая проволока и твердые мелкие частицы.

Композиционные материалы включают в себя следующие основные типы: металломатричные композиты, керамические композиты, полимерные композиты, волокноармированные композиты, композиты с дисперсным армированием, пластинчатые композиты, слоистые композиты, композиты с зернистым наполнителем, волокнистые композиты.

История

История использования композиционных материалов восходит к древности. Традиционно используемые соломенные или стебельные армирующие добавки в глине, а также железобетон, используемый уже сотни лет, состоят из двух комбинированных материалов. В 1940-х годах в связи с потребностями авиационной промышленности был разработан армированный стекловолокном пластик (обычно называемый стекловолокном), и с тех пор появилось название «композиционные материалы». После 1950-х годов были последовательно разработаны углеродные волокна, графитовые волокна и борные волокна с высокой прочностью и высоким модулем упругости. В 1970-х годах появились арамидные волокна и волокна карбида кремния. Эти высокопрочные и высокомодульные волокна могут комбинироваться с неметаллическими матрицами, такими как синтетические смолы, углерод, графит, керамика, резина, или с металлическими матрицами, такими как алюминий, магний, титан, образуя композиционные материалы с различными характеристиками.

Развитие современных высоких технологий немыслимо без композиционных материалов, которые играют чрезвычайно важную роль в развитии современной науки и техники. Глубина исследований и широта применения композиционных материалов, а также скорость и масштабы их производства стали одним из важных показателей уровня развития науки и техники страны. С начала XXI века мировой рынок композиционных материалов демонстрирует быстрый рост.

В 60-х годах для удовлетворения потребностей в материалах для аэрокосмических и других технологий были разработаны и произведены композиционные материалы с высокоэффективными волокнами (такими как углеродные волокна, борные волокна, арамидные волокна, волокна карбида кремния и др.) в качестве армирующих материалов, с удельной прочностью более 4×10 см и удельным модулем упругости более 4×10 см. Для того, чтобы отличить этот композиционный материал от композиционных материалов на основе армированного стекловолокном пластика первого поколения, такой композиционный материал называется передовым композиционным материалом. В зависимости от матричного материала передовые композиционные материалы подразделяются на полимерные, металлические и керамические композиционные материалы. Их рабочая температура составляет 250-350℃, 350-1200℃ и выше 1200℃ соответственно. Передовые композиционные материалы используются не только в качестве конструкционных материалов, но и в качестве функциональных материалов, таких как градиентные композиционные материалы (функциональные композиционные материалы с непрерывным градиентом химического и кристаллографического состава, структуры, пор и т. д. в пространстве), интеллектуальные композиционные материалы (функциональные композиционные материалы со способностью к восприятию, обработке и выполнению функций, способные адаптироваться к изменениям окружающей среды), биомиметические композиционные материалы, композиционные материалы для обеспечения скрытности и т. д.

В настоящее время мировой рынок композиционных материалов демонстрирует устойчивую тенденцию к росту. По мере расширения применения композиционных материалов в различных областях, особенно в аэрокосмической промышленности, автомобилестроении, строительстве и электронике, масштабы рынка композиционных материалов постоянно увеличиваются. Композитный рынок Китая также демонстрирует устойчивую тенденцию к росту, и по мере развития технологий появляются новые композиционные материалы с лучшими характеристиками и более широким спектром применения, а масштабы рынка постоянно расширяются.

Основные классификации

Композиционный материал представляет собой смесь. Он играет важную роль во многих областях, заменяя многие традиционные материалы. Композиционные материалы в зависимости от компонентов делятся на металлометаллические, неметаллометаллические и неметаллонеметаллические композиты. По структурным особенностям они делятся на:

① Волокнисто-армированные композиты. Состоят из различных волокон, расположенных в матричном материале. Например, армированный волокном пластик, армированный волокном металл и т. д.

② Слойные композиты. Состоят из поверхностных материалов и сердцевинного материала с различными свойствами. Как правило, лицевой материал имеет высокую прочность и малую толщину; сердцевинный материал имеет низкий вес и низкую прочность, но обладает определенной жесткостью и толщиной. Существуют два типа: сплошные и сотовые слоистые материалы.

③ Мелкозернистые композиты. Твердые мелкие частицы равномерно распределены в матрице, например, дисперсионно-упрочненные сплавы, металлокерамика и т. д.

④ Смешанные композиционные материалы. Состоят из двух или более армирующих фаз в одной матричной фазе. По сравнению с обычными композитами с одной армирующей фазой, они обладают значительно более высокой ударной прочностью, усталостной прочностью и вязкостью разрушения, а также обладают особыми свойствами теплового расширения. Они подразделяются на внутрислойные смешанные, межслойные смешанные, смешанные с сердечником, внутрислойные/межслойные смешанные и суперсмешанные композиционные материалы.

Основные свойства

Среди композиционных материалов наиболее распространенными и широко используемыми являются волокнистые материалы. Они характеризуются низкой плотностью, высокой удельной прочностью и удельным модулем упругости. Например, материал, состоящий из углеродного волокна и эпоксидной смолы, имеет удельную прочность и удельный модуль упругости в несколько раз больше, чем у стали и алюминиевых сплавов, а также обладает отличной химической стойкостью, износостойкостью, самосмазываемостью, жаростойкостью, усталостной прочностью, ползучестью, звукопоглощением, электроизоляцией и т. д. Композит из графитовых волокон и смолы может иметь коэффициент теплового расширения, практически равный нулю. Еще одной особенностью волокнистых материалов является анизотропия, поэтому можно проектировать расположение волокон в соответствии с требованиями прочности в различных частях изделия. Алюминиевые композиты, армированные углеродными и карбидными волокнами, сохраняют достаточную прочность и модуль упругости при 500℃. Композиты из карбида кремния и титана не только повышают жаростойкость титана, но и повышают износостойкость, и могут использоваться в качестве лопастей вентилятора двигателя. Композиты из карбида кремния и керамики могут работать при температуре до 1500℃, что значительно выше, чем рабочая температура лопаток турбин из сверхсплавов (1100℃). Углеродные волокна, армированные углеродом, графитовые волокна, армированные углеродом или графитом, образуют абразивостойкие материалы, которые используются в космических аппаратах, ракетах, ракетах и атомных реакторах. Композиционные материалы на неметаллической основе благодаря своей низкой плотности используются в автомобилях и самолетах для уменьшения веса, повышения скорости и экономии топлива. Композитный листовой рессорный материал, изготовленный из углеродных и стеклянных волокон, имеет жесткость и несущую способность, эквивалентные стальной листовой рессоре, вес которой в 5 раз больше.

Способы формования

Методы формования композиционных материалов различаются в зависимости от матричного материала. Существует множество методов формования композиционных материалов на основе смол: ручное формование, литье под давлением, намотка волокон, прессование, продавливание, формование RTM, формование в автоклаве, диафрагменное формование, трансферное формование, реактивное литье под давлением, формование с использованием мягкой пленки, штамповка и т.д. Методы формования металломатричных композиционных материалов делятся на методы твердофазного и жидкофазного формования. Первые осуществляются при температуре ниже точки плавления матрицы путем приложения давления и включают диффузионную сварку, порошковую металлургию, горячую прокатку, горячую вытяжку, горячее изостатическое прессование и взрывную сварку. Вторые предполагают расплавление матрицы с последующим заполнением ею армирующего материала; к ним относятся традиционное литье, вакуумное всасывающее литье, вакуумное противодавление, прессовое литье и литье под давлением. Основными методами формования композиционных материалов на основе керамики являются твердофазное спекание, химическое газофазное пропитка и химическое газофазное осаждение.

Сопутствующие материалы

Нанокомпозитные материалы

Благодаря своим превосходным комплексным свойствам, в особенности проектируемости характеристик, композиционные материалы широко используются в аэрокосмической отрасли, оборонной промышленности, транспортной сфере и спорте. Нанокомпозиты представляют собой особенно привлекательную часть, быстро развивающуюся в последние годы. Развитые страны мира ставят развитие нанокомпозитных материалов на важное место в своих стратегиях развития новых материалов. Это направление исследований включает в себя нанополимерные композиционные материалы, функциональные композиционные материалы на основе углеродных нанотрубок и нановольфрамовые медные композиционные материалы.

В области нанополимерных композиционных материалов для диспергирования нанопорошков в основном используется метод экструзии с помощью соосных двухшнековых экструдеров, обеспечивающий диспергирование на наноуровне и получение нанокомпозитов с заданными свойствами. В приготовленном нами нанокомпозитном материале на основе монтмориллонита/ПА6 межслоевое расстояние наномонтмориллонита составляет 1,96 нм, что соответствует уровню аналогичных материалов в стране (Китайская академия наук — 1,5-1,7 нм). После композиции с нейлоновой матрицей монтмориллонит полностью расщепляется на наночастицы толщиной 1-1,5 нм, что обеспечивает превосходную термостойкость, барьерные свойства и водопоглощение композитного материала. Данный материал уже внедрен в производство; разрабатываемый нанокомпозитный материал TiO2/полипропилен обладает превосходными антибактериальными свойствами, нанопорошок TiO2 диспергирован в полипропилене до уровня менее 60 нм, данная технология подана на патентование. Поскольку технология формования нанополимерных композитов отличается от обычных полимеров, в этом направлении также активно ведутся исследования новых методов формования для содействия коммерциализации нанокомпозитов.

Функциональные композиционные материалы

Функциональные композиционные материалы — это композиционные материалы, которые помимо механических свойств обладают и другими физическими свойствами. Например: электропроводность, сверхпроводимость, полупроводниковость, магнетизм, пьезоэлектричество, демпфирование, поглощение волн, пропускание волн, трение, экранирование, огнестойкость, термозащита, звукопоглощение, теплоизоляция и т.д. Все они называются функциональными композиционными материалами. Функциональные композиционные материалы в основном состоят из функциональной части, армирующего элемента и матрицы. Функциональная часть может состоять из одного или нескольких функциональных материалов. Композитные материалы с многокомпонентной функциональной частью могут обладать множеством функций. Кроме того, в результате композитного эффекта могут появиться новые функции. Многофункциональные композиционные материалы — это направление развития функциональных композиционных материалов.

Композиционные материалы из древесины и пластика

Композиты из древесины и пластика представляют собой композиционные материалы, в основном состоящие из низкосортного биоматриала, такого как опилки, древесная стружка, бамбуковая стружка, рисовая шелуха, солома, соевая шелуха, арахисовая шелуха, багосодержащие отходы и хлопковая солома, и пластика.

Они сочетают в себе преимущества растительных волокон и пластика, обладают широким спектром применения и могут использоваться практически во всех областях применения древесины, пластика, пластмассовой стали, алюминиевого сплава и других подобных композиционных материалов. Кроме того, они решают проблему вторичного использования отходов пластмассовой и деревообрабатывающей промышленности.

Их основные характеристики: ресурсосбережение сырья, пластичность продукта, экологичность, экономичность и возможность вторичной переработки.

Области применения

Основные области применения композиционных материалов:

① Аэрокосмическая промышленность. Благодаря хорошей термостабильности, высокому удельному прочностному и удельному жесткостному показателям композиционные материалы используются для изготовления крыльев и передней части фюзеляжа самолетов, антенн спутников и их опорных конструкций, крыльев и корпусов солнечных батарей, корпусов больших ракет-носителей, корпусов двигателей, элементов конструкции космических кораблей и т.д.

② Автомобильная промышленность. Благодаря особым характеристикам демпфирования вибраций, хорошей вибро- и шумоизоляции, высокой усталостной прочности, легкости ремонта и возможности формования цельных конструкций композитные материалы используются для изготовления кузовов автомобилей, силовых элементов, карданных валов, кронштейнов двигателя и его внутренних деталей.

③ Химическая, текстильная и машиностроительная промышленность. Материалы из углеродного волокна с хорошей коррозионной стойкостью, армированные композитной смолой, используются для изготовления химического оборудования, ткацких станков, бумагоделательных машин, копировальных аппаратов, высокоскоростных станков, приборов и т.д.

④ Медицина. Углеродные композиты обладают превосходными механическими свойствами и не поглощают рентгеновские лучи, поэтому используются для изготовления медицинских рентгеновских аппаратов и ортопедических конструкций. Углеродные композиты также обладают биосовместимостью и гематосовместимостью, хорошей стабильностью в биологической среде и используются в качестве биомедицинских материалов.

Кроме того, композиционные материалы используются для изготовления спортивного инвентаря и строительных материалов, подробнее об этом можно узнать в ранее опубликованных отраслевых новостях.