Kompozītmateriāli — definīcija, veidi un piemēri

Uzzini, kas ir kompozītmateriāli, to veidi, īpašības un praktiski piemēri — no koka un betona līdz mūsdienu šķiedru stiprinātiem polimeriem.

Kompozītmateriāli ir izgatavoti no diviem vai vairāk pamatmateriāliem, kas sajaukti kopā. Materiāli var būt dabiski vai nedabiski, un, sajaucot tos kopā, tie saglabā savas atsevišķās īpašības. Tomēr kompozītmateriāls kā veselums var uzvesties atšķirīgi no jebkuras tā daļas. Piemēram, dzelzsbetonam (no betona un tērauda) ir izturība pret spiedienu un lieces spēkiem. Necauršaujams stikls (izgatavots no stikla un plastmasas) ir izturīgāks pret triecieniem nekā atsevišķs stikls vai plastmasa.

Betons pats par sevi ir kompozītmateriāls, viens no senākajiem mākslīgajiem kompozītmateriāliem, ko izmanto vairāk nekā jebkuru citu mākslīgo materiālu pasaulē.

Koksne ir dabisks kompozīts materiāls, ko veido celulozes šķiedras lignīna matricā. Pirmie cilvēka radītie kompozītmateriāli bija salmi un dubļi, ko savienoja, lai veidotu ķieģeļus celtniecībai. Šo seno ķieģeļu izgatavošanas procesu dokumentē ēģiptiešu kapu gleznojumi.

Šobrīd plaši tiek izmantoti ar šķiedru stiegroti polimēri, kā arī ar stiklu stiegrota plastmasa.

Kas ir kompozītmateriāls?

Kompozītmateriāls ir materiāls, kas sastāv no vismaz divām sastāvdaļām — parasti no stiprinošām daļiņām vai šķiedrām un pamatmatricas. Šīs sastāvdaļas sadarbojas tā, ka gala produkts iegūst uzlabotas mehāniskās, termiskās vai ķīmiskās īpašības, kuras nav vai ir grūti sasniedzamas atsevišķi.

Sastāvdaļas un pamatveidi

• Matricas (pamatmāte): satur un notur kopā stiprinošo elementu un var būt polimēru (plastmasa), metāla, keramikas vai cementa/ģipša bāzēta.
• Stiprinošās sastāvdaļas: šķiedras (piem., stikla, oglekļa, aramīda), daļiņas, pamatlamināti vai tīkli.
• Papildu komponentes: piedevas, sveķi, saskares slāņi, piepildījumi, kas pielāgo īpašības (piem., ugunsnoturība, pretkorozija).

Galvenie kompozītu veidi

• Polimēru matricas kompozīti (PMC) — plastmasas matricas ar stikla, oglekļa vai organiskajām šķiedrām (piem., GRP, CFRP).
• Metāla matricas kompozīti (MMC) — metāla matrica ar keramiskām vai citu materiālu stiprinājumiem (izmanto augstā temperatūrā un slodzēs).
• Keramikas matricas kompozīti (CMC) — keramiska matrica ar šķiedrām, nodrošina izcilu temperatūras noturību.
• Cementa un betona kompozīti — piemēram, dzelzsbetons; plaši būvniecībā.
• Lamināti un sandwich paneļi — slāņoti materiāli ar vieglu kola-uzpildes starpslāni (piem., putuplasts vai biezs rāmis) un stingrām virsmām.

Galvenās īpašības un priekšrocības

• Augsts izturības un svara attiecības koeficients — viegli un stipri komponenti, svarīgi aviācijā un transportā.
• Var pielāgot īpašības konkrētai lietošanai (orientējot šķiedras, izvēloties matricu).
• Labāka korozijas izturība pret metāliem (daudzi polimēru kompozīti).
• Termiskā un skaņas izolācija var tikt integrēta dizainā.

Trūkumi un ierobežojumi

• Delaminācija (slāņu atslāņošanās) un plaisošana pie trieciena vai slodzes koncentrācijas.
• Augstas ražošanas izmaksas, īpaši oglekļa šķiedru kompozītiem.
• Grūtības pārstrādē un ilgtspējīgā apsaimniekošanā — daudzi polimēru kompozīti ir problemātiski otrreizējai pārstrādei.

Ražošanas metodes

• Roku klāšana (hand lay-up) — vienkārša, izmanto zemas ražošanas apjomiem.
• Vakuuma infūzija un resin transfer molding — labāka sveķu piesātinājuma kontrole, mazāk gaisu ieslēgumu.
• Filament winding — cilindriskām konstrukcijām (turbo, tvertnes, caurules).
• Pultrūzija — profilētu elementu, stiegru ražošana ar pastāvīgu šķērsgriezumu.
• Injekcijas formēšana un prese — sīkākiem kompozītmateriāliem ar termoplastu matricu.

Pielietojumi

• Būvniecība: dzelzsbetons, composit paneļi fasādēm, stikla un oglekļa šķiedru pastiprinājumi.
• Aviācija un kosmoss: CFRP struktūras, instrumentu pārsegi un sijas — svara samazinājums, palielināta efektivitāte.
• Transportlīdzekļi: automobiļu virsbūves, riteņi, šasijas elementi.
• Sports un brīvā laika aprīkojums: slēpes, tenisa raketes, laivas, velosipēdu rāmis.
• Jūras tehnika: korpusi, buru konstrukcijas — pretkorozijas īpašības.
• Medicīna: protezēšanas elementi, ortodonta iekārtas un implantāti ar īpašām matricām.

Vēsturisks konteksts un piemēri

Senākie kompozīti bija ļoti vienkārši: cilvēki maisīja salmi vai šķiedras ar dubļiem, lai veidotu ķieģeļus. Koksne ir dabisks kompozīts, un dzelzsbetons ilgus gadsimtus ir bijis inženierijas pamatelements. Mūsdienās populāri ir arī ar šķiedru stiegroti polimēri un stiklu stiegrota plastmasa, kā arī augstas veiktspējas materiāli kā oglekļa šķiedras kompozīti (CFRP).

Noslēgumā

Kompozītmateriāli sniedz plašas iespējas materiālu īpašību pielāgošanai un inženieriskai optimizācijai. Izvēle starp dažādiem kompozītiem balstās uz nepieciešamo mehānisko, termisko un ķīmisko īpašību kombināciju, kā arī uz ražošanas un ekspluatācijas izmaksām. No vienkāršiem māla un salmu ķieģeļiem līdz mūsdienu oglekļa šķiedru konstrukcijām — kompozītmateriāli turpina attīstīties un paplašināt savu pielietojumu klāstu.

Fons

Primitīvākie kompozītmateriāli bija salmi un dubļi ķieģeļu veidā, no kuriem tika būvētas ēkas. Bībeles 2. Mozus grāmatā stāstīts par faraona apspiestajiem izraēliešiem, kuri bija spiesti gatavot "ķieģeļus bez salmiem". Mūsdienās mēs izmantojam dušas kabīnes un vannas vannas, kas izgatavotas no stikla šķiedras, kas ir kompozīta veids.

Saplāksnis ir bieži sastopams kompozītmateriāls, ar kuru ikdienā saskaras daudzi cilvēki.

Jautājumi un atbildes

J: Kas ir kompozītmateriāli?

J: Vai kompozītmateriāli var uzvesties citādi nekā to sastāvdaļas?

J: No kā sastāv dzelzsbetons?

J: Kādas ir dzelzsbetona īpašības?

J: No kā ir izgatavots ložu necaurlaidīgs stikls?

J: Kādas ir ložu necaurlaidīga stikla īpašības?

J: No kā ir izgatavots betons?

Meklēt pēc burta