Области применения КМ

Наиболее широко используются полимерные композиционные материалы-композиты. Большая номенклатура матриц в виде термореактивных и термопластичных полимеров обеспечивает их широкий выбор для работы в диапазоне от отрицательных температур до 100-200°С – для органопластиков, до 300-400 °С, для стекло-, угле- и боропластиков. Композиты с полиэфирной и эпоксидной матрицей работают до 120-200°, с феноло-формальдегидной – до 200-300°С, полиамидной и кремнийорганической – до 250-400°С. Металлические композиционные материалы на основе алюминия, магния и их сплавов, армированные волокнами из бора, углерода, карбида кремния применяют до 400-500°С; композиционные материалы на основе сплавов никеля и кобальта работают при температуре до 1200 °С, на основе тугоплавких металлов и их соединений - до 1700°С, на основе углерода и керамики - до 2000 °С.

Использование композитов в качестве конструкционных, теплозащитных, антифрикционных, радио- и электротехнических и других материалов позволяет снизить массу конструкции, повысить ресурсы и мощности машин и агрегатов, создать принципиально новые узлы, детали и конструкции (1-5). Композиционные материалы применяют в химической, текстильной, горнорудной, металлургической промышленности, машиностроении, на транспорте, для изготовления спортивного снаряжения, музыкальных инструментов, в строительстве, в военном деле и т.п..

КМ различных типов и конструкций находят широкое применение в различной сфере человеческой деятельности:

– в судостроении: детали судов, яхт, катеров, внутренняя отделка, судовая мебель, буи, бакены, оснастка для рыбного промысла;

– в машиностроении: коррозионностойкое оборудование, детали машин станков, механизмов;

– оборудование для очистки воды;

– в строительстве: железо-бетонные изделия, фасады зданий, отделка, перегородки, панели для крыш, элементы сборных конструкций: двери, рамы;

– сельское хозяйство: силосные башни, клетки для скота, сараи, планки для подвешивания тушь скота;

– в быту: мебель, корпуса телевизоров, лыжи, оборудование для спортивных площадок и для аттракционов, элементы конструкций плавательных бассейнов, спортивные тумбы, спортивные снаряды и т.д.

Разрабатываются КМ со специальными свойствами, например, радиопрозрачные и радиопоглощающие материалы, материалы для тепловой защиты орбитальных космических аппаратов (с малым коэффициентом линейного термического расширения и высоким удельным модулем упругости) и другие. Прочностные свойства КМ на основе алюминия и магния (прочность, модуль упругости, усталостная и длительная прочность) более чем в 2 раза (до 500 °С) выше, чем у обычных сплавов. КМ на основе никеля и кобальта увеличивают уровень рабочих температур от 1000 до 1200°С, а на основе тугоплавких металлов и соединений – до 2000°С. Повышение прочностных и упругих свойств материалов позволяет существенно облегчить конструкции, а увеличение рабочих температур этих материалов даёт возможность повысить мощность двигателей, машин и агрегатов.

Области применения КМ многочисленны; кроме авиационно-космической, ракетной и других специальных отраслей техники, они применяются в автомобильной промышленности – для деталей двигателей и кузовов автомашин; в машиностроении – для корпусов и деталей машин; в горнорудной промышленности – для бурового инструмента, буровых машин и др.; в металлургической промышленности – в качестве огнеупорных материалов для футеровки печей, кожухов и другой арматуры печей, наконечников термопар; в строительстве – для пролётов мостов, опор мостовых ферм, панелей для высотных сборных сооружений и др.; в химической промышленности – для автоклавов, цистерн, аппаратов сернокислотного производства, ёмкостей для хранения и перевозки нефтепродуктов и др.; в текстильной промышленности — для деталей прядильных машин, ткацких станков и др.; в сельскохозяйственном машиностроении – для режущих частей плугов, дисковых косилок, деталей тракторов и других; в бытовой технике – для деталей стиральных машин, рам гоночных велосипедов, деталей радиоаппаратуры и др.

Применение КМ в ряде случаев потребует создания новых методов изготовления деталей и изменения принципов конструирования деталей и узлов конструкций.

Области применения композиционных материалов с каждым годом становятся все шире. Они применяются в авиации для высоконагруженных деталей самолетов (обшивки, лонжеронов, нервюр, панелей и т.д.) и двигателей (лопаток компрессора и турбины и т.д.), в космической технике для узлов силовых конструкций аппаратов, подвергающихся нагреву, для элементов жесткости, панелей, в автомобилестроении для облегчения кузовов, рессор, рам, панелей кузовов, бамперов и т.д., в горной промышленности (буровой инструмент, детали комбайнов и т.д.), в гражданском строительстве (пролеты мостов, элементы сборных конструкций высотных сооружений и т.д.) и в других областях народного хозяйства.

Рисунок 1.2. Области применения КМ

Применение композиционных материалов обеспечивает новый качественный скачок в увеличении мощности двигателей, энергетических и транспортных установок, уменьшении массы машин и приборов.

Органоволокниты применяют в качестве изоляционного и конструкционного материала в электро- и радиопромышленности, авиационной технике, автостроении; из них изготовляют трубы, емкости для реактивов, покрытия корпусов судов и другое.

Стекловолокниты – это композиция, состоящая из синтетической смолы, являющейся связующим, и стекловолокнистого наполнителя. В качестве наполнителя применяют непрерывное или короткое стекловолокно. Прочность стекловолокна резко возрастает с уменьшением его диаметра (вследствие влияния неоднородностей и трещин, возникающих в толстых сечениях). Свойства стекловолокна зависят также от содержания в его составе щелочи; лучшие показатели у бесщелочных стекол алюмоборосиликатного состава.

Неориентированные стекловолокниты содержат в качестве наполнителя короткое волокно. Это позволяет прессовать детали сложной формы, с металлической арматурой. Материал получается с изотопными прочностными характеристиками, намного более высокими, чем у пресс-порошков. Представителями такого материала являются стекловолокниты АГ-4В, а также ДСВ (дозирующиеся стекловолокниты), которые применяют для изготовления силовых электротехнических деталей, деталей машиностроения (золотники, уплотнения насосов и т.д.). При использовании в качестве связующего непредельных полиэфиров получают премиксы ПСК (пастообразные) и препреги АП и ППМ (на основе стеклянного мата). Препреги можно применять для крупногабаритных изделий простых форм (кузова автомашин, лодки, корпуса приборов и т.п.).

Композиционные материалы с неметаллической матрицей, а именно полимерные карбоволокниты используют в судо- и автомобилестроении (кузова гоночных машин, шасси, гребные винты); из них изготовляют подшипники, панели отопления, спортивный инвентарь, детали вычислительной техники. Высокомодульные карбоволокниты применяют для изготовления деталей авиационной техники, аппаратуры для химической промышленности, в рентгеновском оборудовании и другом.

Карбоволокниты с углеродной матрицей заменяют различные типы графитов. Они применяются для тепловой защиты, дисков авиационных тормозов, химически стойкой аппаратуры.

Изделия из бороволокнитов применяют в авиационной и космической технике (профили, панели, роторы и лопатки компрессоров, лопасти винтов и трансмиссионные валы вертолетов и т.д.).

В машиностроении композиционные материалы широко применяются для создания износостойких покрытий на поверхности деталей узлов трения, а также для изготовления различных деталей двигателей внутреннего сгорания.

Полимерные материалы на основе политетрафторэтиленов модифицируются ультрадисперсными алмазографитовыми порошками, получаемыми из взрывных материалов, а также ультрадисперсных порошков мягких металлов.

В авиации и космонавтике с 1960-х годов существует острая необходимость в изготовлении прочных, лёгких и износостойких конструкций. КМ применяются для изготовления силовых конструкций летательных аппаратов, искусственных спутников, теплоизолирующих покрытий космических зондов. Композиты широко применяются для изготовления обшивок воздушным и космическим аппаратам, а так же к наиболее нагруженным силовым элементам.

Благодаря своим характеристикам (прочности и лёгкости) КМ применяются в военном деле для производства различных видов брони: бронежилетов, касок, брони для военной техники.

а)	б)

Рисунок 1.3. Бронекаски, используемые вооруженными силами:

а) НАТО; б) РФ

Множество изобретений в этой сфере были придуманы во время войн. Вторая мировая война позволила армированным полимерам перекочевать из лабораторий в реальный мир. Альтернативные материалы, позволяющие снизить вес конечного изделия, были необходимы в военном авиастроении. Очевидным стали преимущества композитов в плане их веса и прочности.

В настоящее время практически все страны мира для повышения эффективности и мобильности военного оборудования применяют для изготовления стратегических оружий и оборонительной техники композиционные материалы.

Рисунок 1.4. Контейнеры ДЗ танка Т-90

И это очень широкий спектр, например, сменный ствол винтовки Christensen Arms, выполнен из углепластика. Винтовка построена на базе затворной группы Remington-700. Приклады для винтовок, выполнены из композитных материалов. В целом, область применения КМ в военном деле широко распространена.

Например, межконтинентальная баллистическая ракета «Тополь-М»: на 90% состоит из композитов, включая конструкции двигателей и головную часть.

Стволы для винтовок, пластиковые приклады, обоймы и магазины из композиционных материалов, бинокли, ножи и многие другие.

Основное преимущество КМ в том, что материал и конструкция создается одновременно. Исключением являются препреги, которые являются полуфабрикатом для изготовления конструкций. Следует отметить, что КМ создаются под выполнение конкретных задач, соответственно не могут вмещать в себя все возможные преимущества. Это значит, что КМ не является идеальным материалом. Прочность КМ определяется уровнем межмолекулярного (адгезионного) взаимодействия между адгезивом и субстратом, матрицей и наполнителем.