Для чего используются композитные материалы: Области применения и свойства

Композитные материалы получили широкое применение благодаря своим особым свойствам и отличным эксплуатационным характеристикам. Они представляют собой неоднородные конструктивные материалы искусственного происхождения, в которых задействуются разные компоненты для придания уникальных свойств. Композиты состоят минимум из двух компонентов с разными свойствами, наиболее популярные из них - полимерные.

Состав и свойства композитных материалов

Базовых элемента два - полимерная связывающая матрица и армирующий состав, являющийся основой. Матрица обеспечивает совместную работу элементов и создает высокую адгезию. В композитах, которые используются в строительстве, в качестве матрицы задействуется эпоксидное или полимерцементное вещество. Армирующими звеньями выступают углеродные волокна.

Композиты делают несколькими способами, включая литье под давлением, пултрузию и вакуумное формование. Композиционные материалы заменяют металл при изготовлении разных изделий для авиации, судостроения, медицины и превосходят его по ряду характеристик. 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.

Основные характеристики композитов:

• Прочность: Благодаря использованию полимеров и особым химическим связям внутри веществ полимерные композиционные материалы довольно прочные по сравнению с традиционными пластмассами.
• Низкий вес: При высокой прочности композиты имеют меньший вес, чем альтернативные материалы.
• Малое температурное расширение: В среднем этот показатель ниже, чем у металлов, пластмасс и других составов.
• Низкая теплопроводность: Композиты на основе полимеров плохо проводят тепло, а значит, имеют хорошие теплоизоляционные свойства.
• Варьируемая электропроводность: Полимерные композиты в зависимости от состава могут быть как диэлектриками, так и проводниками.
• Химико-биологическая стойкость: Высокая стойкость ко внешним воздействиям характерна для пластмасс и, соответственно, для составов на их основе.

Классификация композитных материалов

Композитный материал - по определению многокомпонентный, то есть состоит из двух и более веществ. В полимерном композите в качестве матрицы используется какая-либо пластмасса.

По типу матрицы:

• Реактопласты: Пластмассы, которые отверждаются под воздействием высоких температур и образуют прочный монолит с необратимой структурой (например, эпоксидные смолы).
• Термопласты: Полимеры, твердые при комнатной температуре, но способные плавиться под воздействием тепла (например, полиэтилен, полипропилен).

По типу наполнителя:

• Армированные: С листовыми и волокнистыми добавками.
• Дисперсно-наполненные: С порошкообразными массами.

По виду используемого наполнителя:

• Стеклопластики: На основе полимера и волокон стекла.
• Углепластики: С соединениями углерода в виде нитей, листов или волокон.
• Углеграфиты: Подвид углепластиков с углеродом в составе матрицы.
• Органопластики: С органическими веществами (синтетическими или природными) в виде нитей и волокон.
• Боропластики: С борными волокнами, часто переплетенными со стекловолокном.
• Текстолиты: На основе полимерной матрицы и полотна из нитей (хлопчатобумажных, углеродных, базальтовых, асбестовых или стеклянных волокон).
• Дисперсно-наполненные полимеры: С порошками (мел, песок, глина, тальк, керамика, стеклянные шарики, сажа, ореховая скорлупа и др.).

Области применения композитных материалов

Спектр применения композитов в повседневном окружении современного человека настолько велик, что одно только перечисление групп потребительских товаров займет не одну страницу. Изначально композитные материалы разрабатывались исключительно со стратегическими, военными целями, однако, по прошествии относительно небольшого промежутка времени, они прочно заняли свое место как материалы широкого потребления.

Основные области применения:

• Строительство: Композиты широко используются в строительстве как в качестве конструкционных, так и отделочных материалов.
• Автомобилестроение: Из композитов изготавливаются корпуса автомобилей, топливные баки, кабины для водителей грузовиков и различные детали для внутреннего интерьера.
• Авиастроение и ракетно-космическая техника: Композиты используются для изготовления корпусов и внутренних деталей, требующих особой стойкости к колебаниям температуры и вибрации.
• Судостроение: Из композитов изготавливаются корпуса судов, спасательные шлюпки и другие элементы.
• Сельское хозяйство: Композиты используются для изготовления корпусов тракторов и других сельскохозяйственных машин.
• Мостостроение: Композиты применяются для строительства мостов, благодаря их прочности и водостойкости.
• Спорт: Композиты используются для совершенствования инвентаря и улучшения характеристик экипировки.
• Медицина: Из композитов создаются зубные имплантаты и другие медицинские изделия.
• Тюнинг: Композитные материалы применяются повсеместно и определяют развитие этой творческой отрасли.
• Стоматологии: Стоматологическими композитами называют полимерные многофазные составы различной степени вязкости, которые применяют для лечения и реставрации зубов.

Преимущества и недостатки композитных материалов

Композиты также применяются при производстве фасадных панелей и облицовочной продукции. С их помощью создается внешний дизайн и улучшается эстетика зданий. Композиты подходят для усиления конструкций из кирпичной кладки и дерева. Востребованы при перепланировках, в ходе которых вносятся изменения в несущие узлы. Некоторые композиты имеют низкую теплопроводность и применяются для теплоизоляции.

Примеры применения композитных материалов в строительстве:

• Возведения оснований - с помощью композитов делают балки, колонны и прочие ключевые компоненты зданий.
• Укрепления - усиление конструкций композитными материалами повышает прочность и стойкость к механическим и химическим воздействиям.
• Армирования конструкций - композиты заменяют стальные компоненты в железобетоне.
• Строительства путепроводов, мостов и эстакад - композиты востребованы в транспортной сфере.

Композитные материалы в стоматологии

Реставрацией зубов называется полное восстановление зубных тканей композитными материалами, с учетом эстетической составляющей зубов и зубных рядов. При этом, осуществляется лечение текущих проблем, являющих источником разрушения. Особое внимание уделяется требованиям пациента к реставрационному материалу в многослойной технике. Современные композитные материалы отвечают самым последним технологическим требованиям, позволяя на долгие годы сохранить полученный результат восстановления.

Преимущества реставрации зубов композитными материалами:

• Эстетичный внешний вид.
• Восстановление анатомических и функциональных свойств зуба.
• Широкая цветовая палитра оттенков, позволяющая избежать эффекта искусственных зубов.
• Прочность и длительный срок эксплуатации.

Недостатки композитных материалов в стоматологии:

• Плохое сочетание материала с множеством стоматологических средств.
• Сложность работы с композитами, требующая высокой квалификации стоматолога.

Композиционные материалы отлично справятся с поставленными задачами как в космосе, так и в судостроении, и в авиации», - рассказал директор Центра компетенций Национальной технологической инициативы (НТИ) «Цифровое материаловедение: новые материалы и вещества» МГТУ имени Н.Э. Например, из композиционных материалов выполнены крылья и агрегаты механизации отечественного магистрального самолета МС-21, а также корпус научно-исследовательского судна «Пионер-М».

Применение композитных материалов во всех областях находится в постоянном развитии. Ведутся активные исследования в области нанокомпозитов, которые, благодаря своему составу, будут иметь как абсолютно новые свойства, так и качества, присущие обычным композитам, но увеличенные в несколько раз.