7. Композиционный материал. Определение композиционного материала. Преимущества и недостатки. Анизотропия свойств. Углепластики и стеклопластики. Кевлар.

КМ – неоднородный сплошной материал, состоящий из 2 или более элементов, среди которых можно выделить армирующие элементы (обеспечивающие физико-механические свойства) и матрицу (связующее). Например, фанера – листы древесины (армирующ эл-ты) и клей (матрица).Механическое поведение композиции определяется соотношением свойств армирующих элементов и матрицы, а также прочностью связи между ними.

Преимущества. Главное преимущество КМ в том, что материал и конструкция создается одновременно высокая удельная прочность; высокая жёсткость; высокая износостойкость; высокая усталостная прочность из КМ возможно изготовить размеростабильные конструкции; легкость.

Недостатки: высокая стоимость; анизотропия свойств (неодинаковость свойств среды (например: упругости, электропроводности, теплопроводности, скорости звука или света и др.) по различным направлениям внутри этой среды; повышенная наукоёмкость производства, необходимость специального дорогостоящего оборудования и сырья, а следовательно развитого промышленного производства и научной базы страны

Углепластики (или карбонопластики, от углерод) — полимерный композиционный материал из переплетенных нитей углеродного волокна, расположенных в матрице из полимерных (например, эпоксидных) смол. Такие нити очень тонкие, сломать их очень просто, а вот порвать достаточно трудно. Из этих нитей сплетаются ткани. Преимущества: Материалы отличаются высокой прочностью, жёсткостью и малым весом, часто прочнее стали, но гораздо легче. Вследствие дороговизны этот материал обычно применяют в качестве усиливающих дополнений в основном материале конструкции. Для придания еще большей прочности данные ткани из нитей углерода кладут слоями, каждый раз меняя угол направления плетения. Слои скрепляются с помощью эпоксидных смол. Применяется для изготовления лёгких, но прочных деталей, например: велосипеды, обтекатели в Формуле 1, спиннинги, мачты для виндсерфинга, бамперы, пороги, двери, крышки капотов на спортивных автомобилях, несущие винты вертолётов. Недостатком карбона является боязнь «точечных» ударов. Например, капот из карбона может превратиться в решето после частого попадания мелких камней. Восстановить первоначальный вид карбоновых деталей невозможно. Поэтому, после даже незначительного повреждения всю деталь придется менять целиком.

Стеклопла́стики — вид КМ — пластические материалы, состоящие из стекловолокнистого наполнителя (стеклянное волокно, волокно из кварца и др.) и связующего вещества (термореактивные и термопластичные полимеры).Лёгкие материалы с заданными свойствами, имеющие широкий спектр применения. Стеклопластики обладают теплопроводностью крайне низкой, прочностью стали, биологической стойкостью, влагостойкостью и атмосферостойкостью полимеров, не обладая недостатками, присущими термопластам. Уступают стали по абсолютным значениям предела прочности, но в 3,5 раза легче её и превосходят стали по удельной прочности. Стеклопластики являются одним из самых доступных и недорогих композиционных материалов. Из стеклопластиков производят следующие изделия: оконные и другие профили, бассейны, купели, водные аттракционы, лодки, таксофонные кабины, кузовные панели и обвесы для грузовых и легковых автомобилей.

Кевла́р—полипарафенилен(армирволокно)-терефталамида(матрица), синтетическое волокно, обладающего высокой прочностью (в пять раз прочнее стали). Для армирования автомобильных шин, как армирующее волокно в КМ, которые получаются прочными и лёгкими. Кевлар используется для армирования медных и волоконно-оптических кабелей (нитка по всей длине кабеля, предотвращающая растяжение и разрыв кабеля),в протезно-ортопедической промышленности для увеличения износостойкости частей углепластиковых стоп, в качестве армирующего компонента в смешанных тканях, придающего изделиям из них стойкость по отношению к абразивным и режущим воздействиям, из таких тканей изготовляются, в частности, защитные перчатки и защитные вставки в спортивную одежду (для мотоспорта, сноубординга и т.п.). .). Кевлар сохраняет прочность и эластичность при низких температурах, вплоть до криогенных (-196 °C), более того, при низких температурах он даже становится чуть прочнее.При нагреве кевлар не плавится, а разлагается при сравнительно высоких температурах (430-480 °C).