Композитный материал

А.Т. Туманов, К.И. Портной. Стеклопластики

Композиционные материалы, состоящие из стеклянного наполнителя и синтетического полимерного связующего. Наполнителем служат в основном стеклянные волокна в виде нитей, жгутов (ровингов), стеклотканей, стекломатов, рубленых волокон; связующим — полиэфирные смолы, феноло-формальдегидные, эпоксидные, кремнийорганические смолы, полиимиды, алифатические полиамиды, поликарбонаты и др.Для стеклопластиков характерно сочетание высоких прочностных, диэлектрических свойств, сравнительно низкой плотности и теплопроводности, высокой атмосферо-, водо- и химстойкости. Механические свойства стеклопластиков определяются преимущественно характеристиками наполнителя и прочностью связи его со связующим, а температуры переработки и эксплуатации стеклопластика — связующим. Наибольшей прочностью и жёсткостью обладают стеклопластки, содержащие ориентированно расположенные непрерывные волокна. Такие стеклопластки подразделяются на однонаправленные и перекрёстные; у стеклопластика первого типа волокна расположены взаимно параллельно, у стеклопластика второго типа — под заданным углом друг к другу, постоянным или переменным по изделию. Изменяя ориентацию волокон, можно в широких пределах регулировать механические свойства стеклопластиков.Большей изотропией механических свойств обладают стеклопластки с неориентированным расположением волокон: гранулированные и спутанно-волокнистые пресс-материалы; материалы на основе рубленых волокон, нанесённых на форму методом напыления одновременно со связующим, и на основе холстов (матов). Стеклопластки на основе полиэфирных смол можно эксплуатировать до 60-150 оС, эпоксидных — до 80-200 оC, феноло-формальдегидных — до 150-250 оС, полиимидов — до 200-400 оС. Диэлектрическая проницаемость стеклопластиков 4-14, тангенс угла диэлектрических потерь 0,01-0,05, причём при нагревании до 350-400 оС показатели более стабильны для стеклопластиков на основе кремнийорганических и полиимидных связующих.Изделия из стеклопластиков с ориентированным расположением волокон изготавливают методами намотки, послойной выкладки или протяжки с последующим автоклавным, вакуумным или контактным формованием либо прессованием, из пресс-материалов — прессованием и литьём.Стеклопластики применяют как конструкционный и теплозащитный материал при производстве корпусов лодок, катеров, судов и ракетных двигателей, кузовов автомобилей, цистерн, рефрижераторов, радиопрозрачных обтекателей, лопастей вертолётов, коррозионностойкого оборудования и трубопроводов, небольших зданий, бассейнов для плавания и др., а также стеклопластик используется как электроизоляционный материал в электро- и радиотехнике.

Лит.: Пластики конструкционного назначения, М., 1974.

В. Н. Тюкаев.Материалы проекта Рубрикон

Преимущества композиционных материалов

Главное преимущество КМ в том, что материал и конструкция создается одновременно. Исключением являются препреги , которые являются полуфабрикатом для изготовления конструкций. Стоит сразу оговорить, что КМ создаются под выполнение данных задач, соответственно не могут вмещать в себя все возможные преимущества, но, проектируя новый композит, инженер волен задать ему характеристики значительно превосходящие характеристики традиционных материалов при выполнении данной цели в данном механизме, но уступающие им в каких-либо других аспектах. Это значит, что КМ не может быть лучше традиционного материала во всём, то есть для каждого изделия инженер проводит все необходимые расчёты и только потом выбирает оптимум между материалами для производства.

• высокая удельная прочность (прочность 3500 МПа)
• высокая жёсткость (модуль упругости 130…140 — 240 ГПа)
• высокая износостойкость
• высокая усталостная прочность
• из КМ возможно изготовить размеростабильные конструкции
• легкость

Причём, разные классы композитов могут обладать одним или несколькими преимуществами. Некоторых преимуществ невозможно добиться одновременно.

Композитный материал-технологии изготовления

На конечные свойства изделия также влияет то, каким способом оно произведено.   Некоторые методы позволяют организовать производство композитов даже у себя в гараже.  И так, рассмотрим наиболее часто встречающиеся методы производства КМ:

Напыление

Рубленное волокно, перемешанное с катализированной смолой напыляется с помощью пистолета на оснастку.

Связующее : преимущественно, полиэфирная смола

Наполнитель: стекловолокно

Вакуумное формование

После укладки и пропитки ткани как при ручной формовке, на стадии отверждения, применяется давление для укрепления ламината.

Связующее : чаще, эпоксидная смола или фенольная

Намотка

Волокна, пропитанные связующим, наматываются в различных направлениях на оправку. Пример: стеклопластиковые трубы или баллоны.

Пултрузия

Процесс производства профильных изделий из одноосно-ориентированных пластиков непрерывным способом, является аналогией экструзии металлов.

RTM

Сухой армирующий слой укладывается на оснастку, затем вторая часть оснастки закрывается и происходит инъекция смолы в полость.

Автоклав

Препрег (предварительно пропитанное волокно или ткань) выкладывается на поверхность оснастки. Затем оснастка нагревается  под давлением до 120-180 °С. Давление создается автоклавом, а высокая температура активирует катализатор в связующем.

Связующее: обычно эпоксидная, полиэфирная или фенольная смола

Наполнитель: чаще всего углеродное или стекловолкно.

Аэрокосмическая отрасль

Конечно, изобретение нового композита — это значимое достижение. Новые композиционные материалы появляются ежедневно — это и ранее не существовавшие сочетания, и разновидности уже известных систем, например, углепластиков.

Тем не менее, есть в производстве композитов и ещё один аспект, о котором сторонний наблюдатель порой не задумывается

Важно разработать не только материал, но и правильную технику его применения. Особенно это касается случаев, когда композиты работают в «сообществе» с другими технологиями и материалами

Простой пример: есть композитный материал, который позволяет увеличить прочность конструкции и улучшить её механические свойства, а заодно облегчить систему. И есть технология сетчатых конструкций, ведущая свою родословную ещё от великого Шухова: она тоже позволяет облегчить и упрочнить систему. Можно ли сделать сетчатую структуру из композита? Из какого? Какое влияние это окажет на свойства системы? Как видите, вопросов много, хотя по отдельности мы можем описать и шуховскую технологию, и заданный композитный материал.

Башня в Полибино — это первая в мире гиперболоидная конструкция. Именно она была установлена на территории Всероссийской промышленной и художественной выставки в Нижнем Новгороде 1896 года.

Именно такими исследованиями (и не только ими, конечно) занимаются специалисты Центрального научно-исследовательского института специального машиностроения (ЦНИИСМ), и в частности — автор ряда основополагающих трудов в теории оболочек Валерий Витальевич Васильев.

В 1980-е годы экономика Советского Союза постепенно шла на спад, но, тем не менее, ряд отраслей по‑прежнему хорошо финансировался и был на подъёме. В первую очередь это касалось аэрокосмической отрасли, одного из фундаментов международного авторитета страны, а также «оборонки». В 1983 году началась разработка новых стратегических ракетных комплексов, приведшая в итоге к появлению РК РТ-23 УТТХ «Молодец» и ныне стоящих на вооружении РТ-2ПМ2 «Тополь-М». Серьёзно стояли вопросы максимального облегчения ракет при сохранении прочностной структуры и жёсткости.

И специалисты ЦНИИСМ предложили необычное решение — использовать не просто композитные материалы (это было на поверхности), а совместить их с сетчатой структурой, предложенной ещё Шуховым и используемой в промышленном строительстве. Со стройплощадки — в ракету? Да, звучало странно. Но идея, у истоков которой стоял Валерий Васильев, нашла поддержку, и работа закипела.

Основные этапы процесса изготовления сетчатой композитной конструкции: намотка ребер, намотка обшивки, удаление матриц

В итоге к концу 1980-х была готова технология: система рёбер из современных композитных материалов (в частности, однонаправленного углепластика) автоматически наматывалась на станках с программным управлением, образуя сетчатый цилиндр. Такая система жёсткости позволяла получить характеристики, несравнимо лучшие, чем если бы применяли многослойные композиты или сплавы, не говоря уже о лёгкости всей конструкции.

В принципе, сетчатые конструкции в авиастроение применяли и раньше — в частности, знаменитый британский бомбардировщик Vickers Wellington, выпущенный с 1936 по 1945 года в количестве более 11 000 машин, имел перекрёстные спиральные тонкостенные рёбра и обладал благодаря этому высокой живучестью — местные повреждения не влияли на прочность всего самолёта. Были и другие попытки применения такой технологии — но во-первых, они оставались единичными, а во-вторых, не комбинировались с композитными материалами.

Understanding Composite Indexes

A composite index can have a large number of factors that are averaged together to form a statistic representative of an overall market or sector. As an example, the Nasdaq Composite index is a market capitalization-weighted grouping of approximately 3,000 common stocks listed on the Nasdaq Stock Market. Market cap-weighted means that the index is created so that the companies with the biggest market values represent a greater proportion of the overall index.

Key Takeaways

• A composite or composite index is a grouping of stocks, indexes, or other investment securities.
• Many composites are weighted by market value, meaning that the largest companies have a greater influence on the performance of the overall index.
• The Nasdaq Composite Index is an example of a market value-weighted composite.
• Composites can also be created around economic indicators.
• A composite index can be used as a benchmark for the performance of a mutual fund or portfolio manager.

Состав и степень наполнения композитов в стоматологии

Композитные материалы в стоматологии различаются по составу. Если в смеси используются частицы одной величины, то они называются однородные. Если используются гибридные – неоднородные. Если применяются частицы разной величины – тотально-выполненные. Материал наполняется на 80–90%, затем усаживается на 1,7–2%. Смеси из частиц разных величин отличаются необходимой твердостью, долговечностью. Пломба из такого материала плотно прилегает к зубу. Композиты делятся по уровню наполненности. Он определяется по массе или месту, которое наполнитель занимает в матрице. Высокий уровень наполненности дает составу прочность, маленький процент усадки, видимость на рентгене. Он может быть наполнен:

• Сильно (более 70%);
• Средне (от 65%);
• Слабо (до 65%).

Классификация композитных материалов в стоматологии по способу отверждения и консистенции Из молекул низкомолекулярного вещества должно получится высокомолекулярное, твердое. После изменения состояния, оно уменьшается. Это связано с меньшим расстоянием между молекулами в твердых веществах. Размер изменяется на 2–6%. То, каким путем начинается процесс затвердевания материала, различает композиты. Начать затвердевание можно с помощью света, действия химического вещества или их комплексного использования.

По уровню густоты выделяют составы в виде пасты и жидкие. Чтобы получить жидкий материал, надо использовать измененное базовое вещество, смола в котором высокотекучая. Также различают составы, которые отличаются средней вязкостью, текучестью разной степени, пакуемостью, конденсируемостью. Рассмотрим некоторые типы композитных пломбировочных материалов.

Композитные материалы на основе керамики

Армирование керамических материалов волокнами, а также металлическими и керамическими дисперсными частицами позволяет получать высокопрочные композиты, однако, ассортимент волокон, пригодных для армирования керамики, ограничен свойствами исходного материала. Часто используют металлические волокна. Сопротивление растяжению растёт незначительно, но зато повышается сопротивление тепловым ударам — материал меньше растрескивается при нагревании, но возможны случаи, когда прочность материала падает. Это зависит от соотношения коэффициентов термического расширения матрицы и наполнителя.

Армирование керамики дисперсными металлическими частицами приводит к новым материалам (керметам) с повышенной стойкостью, устойчивостью относительно тепловых ударов, с повышенной теплопроводностью. Из высокотемпературных керметов делают детали для газовых турбин, арматуру электропечей, детали для ракетной и реактивной техники. Твёрдые износостойкие керметы используют для изготовления режущих инструментов и деталей. Кроме того, керметы применяют в специальных областях техники — это тепловыделяющие элементы атомных реакторов на основе оксида урана, фрикционные материалы для тормозных устройств и так далее.

Керамические композитные материалы получают методами горячего прессования (таблетирование с последующим спеканием под давлением) или методом шликерного литья (волокна заливаются суспензией матричного материала, которая после сушки также подвергается спеканию).

• Композитная арматура
• Гибридный материал

Что такое композиционный материал (композит)

Композитные материалы (КМ) – говорят, первые упоминания о подобных материалах можно найти в Библии. Композит — это материал, состоящий из двух и более компонентов, которые усиливают и дополняют свойства друг друга. Благодаря чему, конечный  материал обладает свойствами, достижение которых невозможно каждым компонентом по отдельности. Возьмем, к примеру, стеклопластик. Так, если бы какая то  деталь была полностью из стекла, она обладала бы очень большой теоретической прочностью на растяжение или сжатие. Но  на практике, многочисленные поверхностные трещины приводят к разрушению изделия задолго до достижения ее теоретической прочности.  В таком же изделии из стеклопластика, рост какой-то конкретной микротрещины ограничится обрывом одного волокна. А полимерная матрица перераспределит нагрузку на оставшиеся волокна. Примерно так работает самая обычная стеклопластиковая арматура.  Так же, при изготовлении изделия можно заложить направление волокон с учетом предполагаемых направлений нагрузки на изделие. Что позволит избежать излишнего количества материалов в «ненужных» нам направлениях.

Типы композиционных материалов.

2.1. Композиционные материалы с металлической матрицей.

Композитные материалы или композиционные материалы состоят из металлической матрицы (чаще Al, Mg, Ni и их сплавы), упрочненной высокопрочными волокнами (волокнистые материалы) или тонкодисперсными тугоплавкими частицами, не растворяющимися в основном металле (дисперсно-упрочненные материалы). Металлическая матрица связывает волокна (дисперсные частицы) в единое целое. Волокно (дисперсные частицы) плюс связка (матрица), составляющие ту или иную композицию, получили название композиционные материалы.

2.2. Композиционные материалы с неметаллической матрицей.

Композиционные материалы с неметаллической матрицей нашли широкое применение. В качестве неметаллических матриц используют полимерные, углеродные и керамические материалы. Из полимерных матриц наибольшее распространение получили эпоксидная, фенолоформальдегидная и полиамидная.
Угольные матрицы коксованные или пироуглеродные получают из синтетических полимеров, подвергнутых пиролизу. Матрица связывает композицию, придавая ейформу. Упрочнителями служат волокна: стеклянные, углеродные, борные, органические, на основе нитевидных кристаллов (оксидов, карбидов, боридов,нитридов и других), а также металлические (проволоки), обладающие высокой прочностью и жесткостью.

Свойства композиционных материалов зависят от состава компонентов,их сочетания, количественного соотношения и прочности связи между ними.
Армирующие материалы могут быть в виде волокон, жгутов, нитей, лент, многослойных тканей.

Содержание упрочнителя в ориентированных материалах составляет 60-80 об. %, в неориентированных (с дискретными волокнами и нитевидными кристаллами) – 20-30 об. %. Чем выше прочность и модуль упругости волокон,тем выше прочность и жесткость композиционного материала. Свойства матрицы определяют прочность композиции при сдвиги и сжатии и сопротивление усталостному разрушению.

По виду упрочнителя композитные материалы классифицируют настекловолокниты, карбоволокниты с углеродными волокнами, бороволокниты иоргановолокниты.

В слоистых материалах волокна, нити, ленты, пропитанные связующим, укладываются параллельно друг другу в плоскости укладки. Плоские слоисобираются в пластины. Свойства получаются анизотропными

Для работыматериала в изделии важно учитывать направление действующих нагрузок. Можносоздать материалы как с изотропными, так и с анизотропными свойствами.
Можно укладывать волокна под разными углами, варьируя свойства композиционных материалов

От порядка укладки слоев по толщине пакета зависят изгибные и крутильные жесткости материала.

Применяется укладка упрочнителей из трех, четырех и более нитей.
Наибольшее применение имеет структура из трех взаимно перпендикулярных нитей. Упрочнители могут располагаться в осевом, радиальном и окружном направлениях.

Трехмерные материалы могут быть любой толщины в виде блоков, цилиндров. Объемные ткани увеличивают прочность на отрыв и сопротивлениесдвигу по сравнению со слоистыми. Система из четырех нитей строится путем разложения упрочнителя по диагоналям куба. Структура из четырех нитей равновесна, имеет повышенную жесткость при сдвиге в главных плоскостях.
Однако создание четырехнаправленных материалов сложнее, чем трех направленных.

Структура композиционных материалов.

По структуре композиты делятся на несколько основных классов: волокнистые, слоистые, дисперсноупрочненные, упрочненные частицами и нанокомпозиты. Волокнистые композиты армированы волокнами или нитевидными кристаллами – кирпичи с соломой и папье-маше можно отнести как раз к этому классу композитов. Уже небольшое содержание наполнителя в композитах такого типа приводит к появлению качественно новых механических свойств материала. Широко варьировать свойства материала позволяет также изменение ориентации размера и концентрации волокон. Кроме того, армирование волокнами придает материалу анизотропию свойств (различие свойств в разных направлениях), а за счет добавки волокон проводников можно придать материалу электропроводность вдоль заданной оси.

В слоистых композиционных материалах матрица и наполнитель расположены слоями, как, например, в особо прочном стекле, армированном несколькими слоями полимерных пленок.

Микроструктура остальных классов композиционных материалов характеризуется тем, что матрицу наполняют частицами армирующего вещества, а различаются они размерами частиц. В композитах, упрочненных частицами, их размер больше 1 мкм, а содержание составляет 20–25% (по объему), тогда как дисперсноупрочненные композиты включают в себя от 1 до 15% (по объему) частиц размером от 0,01 до 0,1 мкм. Размеры частиц, входящих в состав нанокомпозитов – нового класса композиционных материалов – еще меньше и составляют 10–100 нм.

Особенности производства

Древесные композиты имеют особенную структуру за счет сочетания в них полимерной основы с древесиной. Среди материалов подобного типа можно отметить древесно-стружечные, древесноволокнистые плиты разной плотности, плиты из ориентированной щепы и древесно-полимерный композит. Производство композитных материалов данного типа ведется в несколько этапов:

1. Измельчается древесина. Для этого используются дробилки. После дробления древесину просеивают и делят на фракции. Если влажность сырья — выше 15 %, его обязательно высушивают.
2. Дозируются и смешиваются основные компоненты в определенных пропорциях.
3. Готовое изделие прессуется и форматируется для обретения товарного вида.

Литература

• Кербер М. Л., Полимерные композиционные материалы. Структура. Свойства. Технологии. — СПб.: Профессия, 2008. — 560 с.
• Васильев В. В., Механика конструкций из композиционных материалов. — М.: Машиностроение, 1988. — 272 с.
• Карпинос Д. М., Композиционные материалы. Справочник. — Киев, Наукова думка
• СП 164.1325800.2014 Усиление железобетонных конструкций композитными материалами. Правила проектирования.
• Техническое заключение по результатам лабораторных испытаний арматурных выпусков из стеклопластика, установленных в монолитный бетон, на действие продольных относительно оси выпуска усилий // Tekhnicheskoe zaklyuchenie po rezul’tatam laboratornyh ispytaniy armaturnyh vypuskov iz stekloplastika, ustanovlennyh v monolitnyy beton, na deystvie prodol’nyh otnositel’no osi vypuska usiliy
• Высокопрочные системы усиления ITECWRAP/ITECRESIN. Екатеринбург: ООО НИИ Высокопрочные системы усиления ИНТЕР/ТЭК, 2010. 69 с. // Vysokoprochnye sistemy usileniya ITECWRAP/ITECRESIN. Yekaterinburg: OOO NII Vysokoprochnye sistemy usileniya INTER/TEK, 2010. 69.
• Коршунов, Я. Бурейская ГЭС: сверхпроектные работы/ Я. Коршунов // Газета «Вестник РусГидро».№ 4 — 2014. С.8. // Korshunov, Ya. Bureyskaya GES: sverhproektnye raboty/Ya. Korshunov//Gazeta «Vestnik RusGidro» #4-2014. P.8
• Усиление железобетонных конструкций (Пособие П 1-98 к СНиП 2.03.01-84*). Минск, 1998. // Usilenie zhelezobetonnyh konstrukciy (Posobie P 1-98 k SNiP 2.03.01-84*). Minsk, 1998.
• Хозин В. Г., Пискунов А. А., Гиздатуллин А. Р., Куклин А. Н.//Сцепление полимеркомпозитной арматуры с цементным бетоном / Известия КГАСУ № 1(23) — 2013. С.1-8
• Хозин В. Г., Пискунов А. А., Гиздатуллин А. Р., Куклин А. Н.//Сцепление полимеркомпозитной арматуры с цементным бетоном / Известия КГАСУ № 1(23) — 2013. С. 1-9

Другие виды стоматологических композитов

Если необходимо поставить пломбу на небольшую поверхность, то лучше использовать текучие материалы. Потому что они достаточно гибкие, хорошо затвердевают и сохраняют презентабельный внешний вид. Однако их с трудом можно будет разглядеть на рентгене. Он значительно уменьшается после затвердевания, не отличается высокой прочностью.

Новый и еще не до конца изученный материал – нанокомпозиты. Они сохраняют цвет, блеск, хорошо полируются. Характеризуется прочностью и низким процентом усадки, но их высокая стоимость может оттолкнуть пациента. Качество реставрации этого состава также нуждается в дополнительном исследовании.

Еще один не дешевый материал – ормокер (органически модифицированная керамика). Ормокер плотный, его усадка не превышает 2%. Однако его внешний вид не идеальный. Поскольку этот состав достаточно новый, он не до конца исследован и требует более подробного изучения.

Examples of Composite Indexes

The goal of an index is to select stocks that represent a particular sector or market, and a committee decides which stocks to include in the index. The Dow Jones 65 Composite Average is an example. The benchmark includes 65 companies that are also included in three other Dow Jones indexes: the Dow Jones Industrial Average, the Dow Jones Transportation Average, and the Dow Jones Utility Average. A committee at Dow Jones decides which stocks to include in the averages, which are constructed using a price-weighted methodology and the stocks with higher prices have more influence on the daily fluctuations in the index.

Most indexes—like the widely watched S&P 500 Index—are weighted by market capitalization rather than price. A company with a large capitalization (which is computed as shares outstanding times the current share price) makes up a larger percentage of the index’s total value and has a bigger impact on the performance of the index. Using a market capitalization approach means that companies with smaller market caps have less impact on the index.

Meanwhile, economists monitor a variety of indexes to forecast economic activity. The Index of Leading Economic Indicators, for example, is a composite of other indexes. This monthly report is composed of 10 economic indexes, including new orders for capital goods and new building permits for residential buildings. Leading indicators tend to change before movements in the overall economy.