RSS

Композиционные строительные материалы

19.05.2021
В течение длительного времени основными строительными материалами были древесина, керамика, сталь и бетон. С развитием научно-технического прогресса и строительной индустрии в строительную практику стали интенсивно внедряться новые материалы, так называемые композиционные материалы, без которых сегодня не строится большинство объектов промышленного, гражданского и жилого назначения. Композиты активно вошли в нашу жизнь и заменили традиционные материалы в строительстве, энергетике, транспорте, электронике и других сферах деятельности. Что же такое композиционные материалы? Это материалы из двух, трёх и более разнородных компонентов собранные в одном объёме. К числу композиционных материалов можно отнести такие материалы как бетоны, органопластики, древесно-композиционные материалы, стеклопластики, текстолиты, композиционные материалы с металлической матрицей и композиционные материалы на основе керамики. Отличие большинства композиционных материалов от однородных состоит в том, что процесс их получения может быть совмещен с процессом изготовления изделия.

Отличительные особенности композиционных материалов

Материалы, входящие в состав композитов должны иметь четкую границу раздела и при этом использовать преимущества каждого из компонентов. Компонент, непрерывный во всем объёме композиционного материала называется матрицей, прерывистый же компонент, разъединённый в объёме, называется арматурой или армирующим элементом. Путём подбора состава и свойств наполнителя и матрицы, их соотношения и ориентации наполнителя можно получить материал с заданным сочетанием эксплуатационных характеристик. Большое значение имеет расположение элементов композитного материала как в направлениях действующих нагрузок, так и по отношению друг к другу, так называемая упорядоченность структуры. При этом высокопрочные композиты, как правило, имеют высокоупорядоченную структуру. На свойства композиционного материала в значительной степени влияют и условия их получения - температура, давление и другие технологические воздействия. В качестве наполнителей могут использоваться самые разнообразные искусственные и природные вещества - листовые, волокнистые, дисперсные, мелкодисперсные и даже микродисперсные. Известны также многокомпонентные композиционные материалы, называемые полиматричными, когда в одном композиционном материале сочетают несколько матриц и гибридные, включающие несколько разных наполнителей. Использование в одном материале нескольких матриц (полиматричные композиционные материалы) или наполнителей различной природы (гибридные композиционные материалы) значительно расширяет возможности регулирования свойств таких материалов. Наполнитель, как правило, определяет прочность, жёсткость и деформируемость композита, а матрица обеспечивает его монолитность, передачу напряжений и стойкость к различным внешним воздействиям

Композиционные материалы с металлической матрицей. При создании композитов на основе металлов в качестве матрицы используют алюминий, магний, никель, медь. Наполнителем при этом служат высокопрочные волокна, тугоплавкие частицы различной дисперсности, нитевидные монокристаллы оксида алюминия, монокристаллы оксида бериллия, монокристаллы карбидов бора и кремния, монокристаллы нитридов алюминия и кремния длиной от 0,3 до 15 мм и диаметром от 1 до 30 микрон. Основными преимуществами композиционных материалов с металлической матрицей по сравнению с обычным металлом являются их повышенная прочность, жёсткость, сопротивление износу и сопротивление ползучести.

Некоторые распространённые композиты

Бетоны.

Сегодня это самые распространённые композиционные материалы.

В настоящее время производится большая номенклатура бетонов, различающихся как по рецептуре, так и по свойствам. Современные бетоны производятся как на традиционных цементных матрицах, так и на полимерных - эпоксидных, серных, полиэфирных, фенолоформальдегидных, акриловых. Современные высокоэффективные бетоны по прочности приближаются к металлам. Популярными сегодня стали и декоративные бетоны.

Органопластики.

Композиты, в которых наполнителями служат органические, синтетические и реже, природные и искусственные волокна в виде жгутов, нитей, тканей, бумаги. В термореактивных органопластиках матрицей служат, как правило, эпоксидные, полиэфирные и фенольные смолы, а также полиимиды. Органопластики обладают низкой плотностью, они легче стекло- и углепластиков, обладают относительно высокой прочностью при растяжении, высокой стойкостью к удару и другим динамическим нагрузкам, но в то же время низкой прочностью при сжатии и изгибе. К наиболее распространённым органопластикам относятся древесные композиционные материалы. По объёмам производства органопластики сегодня превосходят сталь, алюминий и пластмассы. В зарубежной литературе в последнее время становятся популярными новые термины в этой области – биополимеры, биопластики или биокомпозиты.

Органопластик – кевлар

Древесные композиционные материалы.

Занимают второе место по распространенности среди композиционных материалов. В эту группу входят арболиты, ксилолиты, цементно-стружечные плиты, клееные деревянные конструкции, фанера и гнутоклееные детали, древесные пластики, древесностружечные и древесноволокнистые плиты и балки, древесные пресс-массы и пресс-порошки, термопластичные древесно-полимерные композиты.

Композиционный материал - Сэндвич-панели – две древесноволокнистые плиты с прослойкой из пенополистирола.

Стеклопластики.

Это полимерные композиционные материалы, армированные стеклянными волокнами. В качестве матрицы чаще всего применяют как термореактивные синтетические смолы (фенольные, эпоксидные, полиэфирные и т.д.), так и термопластичные полимеры (полиамиды, полиэтилен, полистирол и т.д.). Стеклопластики обладают высокой прочностью, низкой теплопроводностью, высокими электроизоляционными свойствами, кроме того, они прозрачны для радиоволн. Слоистый материал, в котором в качестве наполнителя применяется ткань, плетенная из стеклянных волокон, называется стеклотекстолитом.

ГБУ "ЦЭИИС"

Боропластики.

Это композиционные материалы, содержащие в качестве наполнителя борные волокна и термореактивную полимерную матрицу, при этом волокна могут быть как в виде нитей, так и в виде жгутов, оплетённых вспомогательной стеклянной нитью, или лент, в которых борные нити переплетены с другими нитями. Они используются главным образом в авиационной и космической технике в деталях, подвергающихся длительным нагрузкам в условиях агрессивной среды. Применение боропластиков ограничивается высокой стоимостью производства борных волокон.

ГБУ "ЦЭИИС"

Текстолиты.

Это слоистые пластики, армированные тканями из различных волокон. Технология получения текстолитов была разработана в 30-х годах прошлого века на основе фенолформальдегидной смолы. Полотна ткани пропитывают смолой, затем прессуют при повышенной температуре, получая текстолитовые пластины или фасонные изделия. Связующими в текстолитах является широкий круг термореактивных и термопластичных полимеров, а иногда и неорганические связующие на основе силикатов и фосфатов. В качестве наполнителя используются ткани из самых разнообразных волокон – хлопковых, синтетических, стеклянных, углеродных, асбестовых, базальтовых. Соответственно и текстолиты имеют самые разнообразные свойства и применение.

Для подготовки статьи использовались материалы веб-сайтов:

1. URL: https://imbuilder.ru/kompozicionnye-stroitelnye-materialy-4/

2. URL: http://www.detalmach.ru/composit.htm

3. URL: http://c-a-m.narod.ru/wpc/composite.html


Статью подготовил: Инженер-эксперт

Отдела обследования и экспертиз несущих и ограждающих конструкций

ГБУ "ЦЭИИС"

А.В.Андрюшенко


Если вы нашли ошибку: выделите текст и нажмите Ctrl+Enter

Сообщение об ошибке

Неверно заполненное поле
Неверно заполненное поле
Неверно заполненное поле
Неверно заполненное поле
Неверно заполненное поле
Неверно заполненное поле
Неверно заполненное поле
Неверно заполненное поле
*
CAPTCHA Обновить код

Версия для печати