Арматура композитная характеристики: Технические характеристики стеклопластиковой полимерной арматуры

Технические характеристики стеклопластиковой полимерной арматуры

Стеклопластиковая арматура —
технические характеристики

Из статьи вы узнаете о десяти важных технических параметрах стеклопластиковой арматуры — что означает каждый из них, какой показатель ему соответствует.

Стеклопластиковая арматура — наиболее выгодная по соотношению «цена-качество» разновидность композитной арматуры. В мире её аналоги используют ещё с 30-х годов, в СССР этот термин впервые был озвучен в 40-х годах прошлого века. Разбираем подробно технические характеристики этого вида полимерной арматуры.

Содержание:

  1. Про АКС
  2. Процесс производства
  3. Вес
  4. Разрывная прочность
  5. Модуль упругости
  6. Относительное удлинение
  7. Плотность
  8. Линейный коэффициент теплового расширения
  9. Теплопроводность
  10. Радиопрозрачность
  11. Коррозийная стойкость
  12. Гигиенические свойства

Нет времени читать всю статью? Сохраните её в социальных сетях или отправьте себе в мессенджер!

Стеклопластиковая арматура использовалась ещё в советские годы. Правда, как это часто случалось с инновационными материалами (например, арболитовыми блоками) с распадом СССР тема сошла на «нет» и начала возраждаться только в начале двухтысячных годов.

Применение арматуры из стекловолокна довольно широко — армирование фундаментов, стяжки, иных бетонных конструкций, в качестве гибких связей, шпалер и приштамбовых кольев, ограждений, а также в производстве многослойных стеновых блоков для скрепления слоёв между собой. Её применяют, во-первых, для удешевления строительства, а во-вторых, из-за многочисленного списка преимуществ по сравнению с металлом.

Пример применения стеклоарматуры для армирования стяжки пола

Использование композитной стеклопластиковой арматуры регламентируется сводом правил СП 295.1325800.2017.

Как производят стеклопластиковую арматуру

Полимерная арматура изготавливается из тонких нитей стекловолокна, связывающихся в единый стержень при помощи связующего вещества — компаунда на основе эпоксидной смолы. На поверхность стержня наносятся ребра для лучшего сцепления с бетоном.

Использование стекловолокна и обуславливает высокую прочность композитных армирующих материалов. Дело в том, что массивное стекло само по себе хрупкое. А вот тонкая стеклонить превосходит по прочности на разрыв большинство имеющихся в природе материалов. Её прочность достигает 2,4 гигапаскалей. Об этом писал в своей книге советский инженер Николай Фролов.

Пропитка стеклонити компаундом на начальном этапе производственного цикла

Производство стеклопластиковой арматуры — сложный технологический процесс, в котором любая мелочь имеет значение. Ошибки, допущенные при изготовлении, сказываются на качестве арматуры.

Какие ошибки допускают производители стеклопластиковой композитной арматуры читайте в нашем обзоре. Вам будет полезна эта статья!

Технические характеристики арматуры из стекловолокна

Рассмотрим 10 характеристик, на которые могут ориентироваться покупатели при покупке стеклопластиковой арматуры. Постараемся рассказать на что влияет та или иная характеристика и, конечно, дадим значения на примере нашего товара.

Вес арматуры сказывается на общем весе строения, а также затратах на транспортировку. Стеклоарматура в несколько раз легче металлической. Соответственно, если закладывать её в кладку или в стяжку пола, то нагрузка на фундамент будет меньше. Это экономия на фундаменте.

Перевозить такую арматуру тоже проще. Во-первых, из-за формы выпуска в бухтах, во-вторых из-за лёгкого веса. Если для перевозки стальной арматуры понадобится фура, то в случае со стеклопластиковой будет достаточно и «Газели».

В эту небольшую машину умещается 16 км стеклопластиковой арматуры

Сколько весит арматура?

Вес одного метра стеклопластиковой арматуры в зависимости от диаметра в граммах (в скобках вес стальной арматуры А3):

  • Ø4 — 25
  • Ø6 — 56 (222)
  • Ø8 — 94 (395)
  • Ø10 — 144 (617)
  • Ø12 — 198 (888)
  • Ø14 — 280 (1210)
  • Ø16 — 460 (1580)
  • Ø18 — 560 (2000)
  • Ø20 — 630 (2470)
  • Ø22 — 730 (2980)
  • Ø24 — 850 (3850)

Разрывная прочность

Арматура в бетонных конструкциях работает на изгиб и разрыв (в зависимости от типов конструкций). Предел прочности на разрыв — важнейшая техническая характеристика арматуры, определяющая её максимальное растяжение во время критических нагрузок.

Разрывная нагрузка — максимальное усилие, которое выдерживает материал до разрушения и характеризующее его способность воспринимать нагрузку. Разрывная прочность стеклопластиковой арматуры в несколько раз выше, чем у стальной. Поэтому, для конструкций, в которых арматура будет работать на разрыв, она подходит лучше.

Какая прочность у стеклопластиковой арматуры?

Предел прочности при растяжении АКС арматуры составляет 1189 МПа. Для сравнения — у стальной арматуры этот показатель равен 390 МПа.

    Исходя из этого и появилась таблица равнопрочной замены полимерной арматуры на металл. То есть, вместо металла 12-го диаметра применяется стеклоарматура 8-го диаметра.

    А вот если делать расчёт для конструкций, работающих на прогиб, то замена действует в обратную сторону. Об этом недостатке в следующем пункте.

    Модуль упругости стеклопластиковой арматуры

    Определение из Википедии: модуль упругости характеризует способность материала упруго деформироваться (т.е. не постоянно) при приложении к нему какой-либо силы. Проще говоря, от модуля упругости зависит раскрытие микротрещин бетонной конструкции.

    По этому показателю стальная арматура превосходит неметаллическую. Армирование препятствует растрескиванию и обвалу всей конструкции. Соответственно, от модуля упругости зависит величина потенциальных трещин. НО! Расчёты по данной характеристике производятся для конструкций, который будут работать на прогиб. Это:

    • балки прямоугольного или таврового сечения;
    • бетонные плиты перекрытия;
    • оконные и дверные перемычки.

    Для этих конструкций с учётом модуля упругости следует закладывать композитную арматуру большего диаметра ,чем металлическую.

    Какой модуль упругости у арматуры?

    Модуль упругости стальной арматуры — 200 000 МПа, стеклоарматуры — 55 000 МПа.

      Относительное удлинение

      Относительное удлинение после разрыва обозначается в процентах. Характеристика выражает изменение расчётной длины стержня арматуры, в пределах которой произошёл разрыв, выраженной в процентах от первоначальной длины. Иными словами этот показатель характеризует удлинение рабочей части стержня после разрушения к начальной расчётной длине. Значение относительного удлинения определяют при испытаниях на разрыв.

      Простыми словами, эта характеристика влияет на образование трещин в бетонной конструкции. Чем ниже этот показатель, тем больше вероятность избежать трещин!

      Какова величина относительного удлинения арматуры?

      Относительное удлинение стеклопластикового стержня — 2,2%, стального стержня — 25%.

        Плотность

        Плотностью называют отношение массы тела к занимаемому этим телом объёму. Также её называют удельным весом. Обозначается как количество килограмм или тонн на один метр в кубе.

        Плотность влияет на вес изделия и иногда может помочь определить качество стеклопластиковой арматуры. Например, арматура диаметром 12 мм производства «Композит 21» весит 200 гр/метр. Это примерный вес АСК арматуры хорошего качества. Если же вам предложили товар по нереально низкой цене, уточните у продавца сколько он весит. Например, в нашей практике был случай, когда заказчику предложили 12-миллиметровую арматуру по очень низкой цене. А позже выяснилось, что метр этой арматуры весит на 20% меньше. Соответственно, это материал меньшей плотности, прочностные характеристики которого будут ниже.

        Какая плотность у арматуры?

        Показатель плотности стеклопластиковой арматуры — 2 т/м3, стальной арматуры — 7,85 т/м3.

          Линейный коэффициент теплового расширения

          Эта характеристика показывает насколько будет удлиняться материал при увеличении его температуры на один градус. При изменениях температуры в пределах 80 °C (например, от — 40 °C до + 40 °C) расширение бетона может достигать 0,8 мм на метр. Поэтому, температурные колебания могут вызвать растрескивание бетона с жёстким наполнителем из-за разных коэффициентов линейного расширения у самого бетона и наполнителя.

          В этом заключается ещё одно преимущество стеклопластиковой арматуры перед металлической. Дело в том, что тепловой коэффициент бетона и композитной арматуры примерно одинаков, поэтому бетон, армированный композитом будет меньше подвержен отрицательному влиянию температурных колебаний.

          Какой коэффициент линейного расширения у стеклопластиковой арматуры?

          Коэффициент для стеклопластиковой арматуры — 9-12 ax10-6/°C, для стальной арматуры — 13-15 ax10-6/°C.

            Теплопроводность

            Теплопроводностью называют способность тел переносить энергию (тепло) от более нагретых частей тела к менее нагретым. По другому — это количественная характеристика способности тела проводить тепло. Количественно эта способность выражается коэффициентом теплопроводности. Чем меньше значение коэффициента, тем ниже склонность материала к переводу тепла.

            Например, если рассматривать стену дома, то использование при её строительстве материалов с высокой теплопроводностью приведёт к передаче тепла из нагретого помещения (т.е. вашего дома) в менее нагретое (т.е. на улицу). Грубо говоря, зимой вы будете топить улицу. А летом наоборот. Таким образом, при строительстве из материалов с низкой теплопроводностью в доме будет тепло зимой и прохладно летом.

            Армирование цоколя из строительных блоков стеклопластиковой арматурой

            Стеклопластиковая арматура (либо сетка), которую закладывают в стены при армировании кладки, отличается меньшей теплопроводностью в отличие от стальной. Она не образует «мостиков холода», через которые тепло будет покидать ваше жильё.

            Какой коэффициент теплопроводности у арматуры?

            Коэффициент теплопроводности стеклопластиковой арматуры — 0,35 Вт/(м°С), а у стальной арматуры — 46 Вт/(м°С).

              Также стеклопластиковая арматура активно используется в качестве гибких связей в многослойных стенах.

              “Низкая теплопроводность композитных стержней предопределила их эффективное использование в качестве связей многослойных стеновых конструкций. По результатам сравнительных испытаний трехслойных стеновых панелей на сдвиг слоев относительно друг друга, в которых использованы стеклопластиковые и металлические связи, установлено, что стеклопластиковая арматура обеспечивает требуемый уровень жесткости и прочности, предъявляемый к гибким связям.»

              — Источник: Грановский А. В., Хактаев С.С. Применение стеклопластиковой арматуры в качестве гибких связей в трехслойных стеновых панелях // Промышленное и гражданское строительство. 2013. № 10. С. 84–87

              Радиопрозрачность и диэлектрические свойства

              Этот параметр важен прежде всего в области электроэнергетического строительства. Стеклопластиковая арматура является диэлектриком, поэтому не создаёт помех для работы сложных электрических приборов. Именно по этой причине композитная арматура применялась при строительстве Центра квантовых нанотехнологий в Канаде или Института изучения твёрдых тел имени Макса Планка в Германии.

              Стеклопластиковая арматура не создаёт радиопомех, в отличие от металлических контуров из стальной арматуры. Подробнее об электротехнических свойствах арматуры из стекловолокна читайте в другой статье.

              Коррозийная стойкость

              Коррозией называют самопроизвольное разрушение металлов, а также сплавов в результате воздействия окружающей среды. В отношении неметаллических материалов такой термин употреблять не принято (правильнее использовать термин «старение»). Но при ужесточении эксплуатационных условий полимерные материалы тоже склонны ухудшаться под воздействием среды. Поэтому, термин «коррозия» употребляют и в отношении стеклопластиковой арматуры.

              Если же сравнивать композитную и стальную арматуру, то первая обладает высокой коррозийной стойкостью (в том числе, от воздействия как жидкостной, так и химической коррозии), а вторая — низкой.

              На что влияет эта характеристика? На долговечность. Срок службы стеклопластиковой арматуры больше, чем у металлической.

              “В 1975 и 1984 годах стеклопластиковая арматура диаметром 6 мм была применена в строительстве опытных преднапряженных конструкций мостов. Прочность арматуры на растяжение составляла 1200 МПа, однако, учитывая низкий модуль упругости (30-40 ГПа), в поперечном сечении балок располагались стержни из алюмоборсиликатного волокна диаметром 10 мкм, количество связующего не превышало 20 % по массе. В 2006 году сотрудниками НИИЖБ им. Гвоздева было изучено состояние некоторых таких конструкций. Обследование опытных пролетных строений не выявило серьезных нарушений и подтвердило необходимость проведения дальнейших более детальных экспериментов с получением статистических данных по изменению сцепления с бетоном, прочностным и деформативным характеристикам полимеркомпозитной арматуры, в том числе длительной прочности.»

              — Источник: Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова , №3, 2017

              Экологическая безопасность

              ГОСТ 31938-2012 регламентирует гигиенические требования к композитной арматуре а также всем её видам, включая стеклопластиковую. АКП не должна выделять вредные и токсичные вещества в концентрациях угрожающих здоровью человека, а также оказывать вредное воздействие на окружающую среду.

              По требованиям нормативного документа концентрация фенола и формальдегида не должна превышать 0,003 мг/м3, концентрация толуола не должна превышать 0,600 мг/м3, уровень запаха не более 2 баллов. А эффективная удельная активность природных радионуклидов — не более 370 Бк/кг.

              Безопасна ли стеклопластиковая арматура?

              Гигиеническая характеристика стеклопластиковой арматуры согласно результатам санитарно-эпидемиологической экспертизы:

              • концентрация фенола: <0,001
              • концентрация формальдегида: <0,001
              • концентрация толуола: <0,16
              • эффективная удельная активность природных радионуклидов: 128±50
              • уровень запаха: 1 балл.

                То есть, все показатели в пределах нормы. По крайней мере, у нашей компании.

                Сертификат соответствия санитарным нормам

                Гигиенические характеристики стеклопластиковой арматуры

                Заключение санитарно- эпидемиологической службы

                Читайте также:

                Защитный слой бетона

                Армирование стен

                Опыт применения композитной стеклопластиковой арматуры за рубежом

                Композитная стеклопластиковая арматура назначение, технические характеристики, свойства и область применения

                Назначение


                Композитная стеклопластиковая арматура – вид строительной арматуры, она производится в виде стержней разной длинны, имеющих внешнее сечение в виде спирали. Изготавливается из стекловолокна и связующих смол. Волокно обеспечивает необходимую прочность, а смола связывает волокна между собой.

                Внедрение в технологию строительства данной арматуры не только снижает стоимость работ до 50%, но также увеличивает срок эксплуатации объекта. Достоинством данной арматуры является высокая прочность и малый удельный вес. Поэтому такая арматура является сильным конкурентом простой металлической арматуры. Стеклопластиковая арматура обладает рядом физико-механических качеств позволяющих использовать ее в очень агрессивных средах. Со временем материал не ржавеет, не разрушается при контакте с бетоном. Благодаря своим плюсам, композитная стеклопластиковая арматура практически вытеснила металлическую во многих областях строительства: армирование ленточных и монолитных фундаментов в малоэтажном строительстве, армировании бетонной стяжки пола. Она нашла применение во многих уголках нашей планеты. Используется при строительстве небоскребов в странах Востока, стройплощадках Европы, а в Японии — это основной вид арматуры при строительстве зданий, к которым предъявляют повышенные требования к сейсмической устойчивости.

                Технические характеристики 


















                Характеристики
                Арматура композитная полимерная стеклопластиковая (АКС)

                Материал
                Стеклоровинг, связанный полимером на основе эпоксидной смолы

                Предел прочности при растяжении, МПа
                1000-1300

                Модуль упругости, Мпа
                50 000

                Относительное удлинение, %
                2,2

                Плотность, т/м3
                1,9

                Коэффициент линейного расширения αх*10-5/°C
                9-12

                Временное сопротивление при растяжении, МПа
                От 750

                Коррозионная стойкость к агрессивным средам
                Нержавеющий материал, первой группы химической стойкости, в том числе к щелочной среде бетона

                Теплопроводность
                Нетеплопроводна

                Электропроводность
                Неэлектропроводна — диэлектрик

                Выпускаемые профили, мм
                4 — 24

                Длина
                Возможна любая длина стержней и поставка в бухтах.

                Экологичность
                Имеется санитарно-эпидемиологическое заключение, не выделяет вредных и токсичных веществ

                Долговечность
                Прогнозируемая долговечность не менее 100 лет

                Параметры равнопрочного арматурного каркаса при нагрузке 25 т/м2
                При использовании арматуры 8 АКС размер ячейки 23 x 23 см. вес 0,61 кг/м2. Уменьшение веса в 9 раз.


                Свойства


                — Композитная арматура в 9 раз легче классической арматуры из металла, при этом ее прочностные характеристики лучше в 3 раза. Это дает возможность уменьшать диаметр, сохраняя все необходимые характеристики.


                — Стеклопластиковая арматура имеет долгий срок эксплуатации. Срок годности арматуры из композитных материалов практически не ограничен. По мнению экспертов, данная арматура способна сохранять свои технические характеристики в возведенном объекте не менее 80-100 лет. Это позволяет минимизировать ремонтные работы и повысить срок эксплуатации готового объекта.


                — Устойчивость к химическим воздействиям. Стеклопластиковая арматура не реагирует на воздействие щелочной и кислотных сред. В процессе ее эксплуатации не происходит окисление, и соответственно нет проявлений коррозии. Это позволяет избавиться от появления трещин и разрушения бетонных конструкций в следствии внутренних напряжений. Такие напряжения появляются при коррозии металлической арматуры.


                — Не является источником электромагнитных помех. Имеет низкий коэффициент теплопроводности.


                — Стеклопластиковая арматура, благодаря своим уникальным диэлектрическим и теплопроводным свойствам широко используется при возведении жилых домов. Армирование бетонных конструкций материалом с хорошими диэлектрическими свойствами позволяет избавиться от возможных электромагнитных помех, после введения здания в эксплуатацию. Низкий коэффициент теплопроводности, дает возможность экономить на отоплении зданий, так как стеклопластиковая арматура не создает «мостки холода» и не увеличивает потери тепла.


                — Стоимость стеклопластиковой арматуры в 1.5 — 2 раза ниже, чем стоимость стальной арматуры равнопрочностного диаметра. Большая экономия при строительстве достигается за счет уменьшения стоимости как самого материала, так и стоимости его доставки и монтажа. Стеклопластиковую арматуру легко разгружать, при этом не требуется специальная техника или большое количество рабочих.


                — Простота в доставке. Стеклопластиковая композитная арматура реализуется бухтами диаметр которых составляет порядка 1 метра. Вес такой бухты колеблется от 7 до 10 кг. Так упаковываются все виды арматуры, диаметр прутков которых не более 10 мм. Это позволяет перевозить стеклопластиковую арматуру в легких грузовиках, или даже в багажнике легкового автомобиля. Стальную арматуру перевозят в грузовых автомобилях с длинным кузовом, при этом для ее загрузки и разгрузке необходима специальная техника.


                — Стеклопластиковая арматура обладает высокими противопожарными характеристиками. Данный материал не горит. Ее можно эксплуатировать внутри бетона в широком диапазоне температур от -70 до +600 градусов по шкале Цельсия. Если на арматуру в течении длительного времени воздействовать температурой более 200 градусов, то она, как и бетон, потеряет свои эксплуатационные свойства.


                — Арматура изготовляется в прутах необходимой длинны. Это позволяет значительно экономить на остатках, и оптимизировать условия монтажа.


                — Стеклопластиковая арматура имеет близкий к бетону коэффициент расширения. Благодаря этому она не разрушает бетон при повышении температуры, что повышает срок эксплуатации сооружения.


                — Прочностные характеристики и внутренне напряжение в прутках не изменяются при изгибе стеклопластиковой арматуры. Поэтому, при развертывании бухты, пруток принимает свою первоначальную прямую форму. Это значительно ускоряет и облегчает монтажные работы, и дает возможность экономить на хранении и перевозке.


                — Простота в монтаже. Арматуру можно «вязать» применяя минимальное количество подсобных инструментов и дополнительных материалов. Резать стеклопластик можно с помощью болгарки, торцовки или даже ножниц и кусачек.

                Область применения


                • Стеклопластиковая арматура используется при возведении различных зданий и сооружений, в соответствии с техническим заданием сформулированным в проекте строительства:


                • — При строительстве производственных и гражданских зданий при армировании фундаментов, стяжек и стен.


                • — Для укрепления автомагистралей и дорог местного значения внутри дорожного полотна.


                • — Практически любых зданий и сооружений из бетона в качестве стержней и сеток в различных конструкциях.


                • — При возведении кирпичных многослойных стен.




                Надо отметить, что стеклопластиковая арматура наиболее актуально там, где имеется химически активная среда, и где применение металлической арматуры значительно ухудшает качественные характеристики возводимого сооружения. Ее использование оправдано при возведении портовых сооружений и для укрепления линии побережья и рек.


                • — При строительстве канализационных и мелиорационных сооружений.


                • — При строительстве сооружений с повышенными требованиями к химической устойчивости.


                • — При проведении работ по внешнему утеплению зданий.


                • — При производстве бетонных изделий с внутренним преднапряжением.

                • — При реконструкции или возведении зданий с повышенной сейсмоустойчивостью.

                Что такое композиты — Откройте для себя композиты

                Определение «композит» — это два или более материалов с заметно различающимися физическими или химическими свойствами, классифицируемых как «матрица» или «армирование», объединенных таким образом, чтобы действовать согласованно, все же остаются отдельными и отличными на каком-то уровне, потому что они не полностью сливаются или растворяются друг в друге.

                В то время как другие материалы технически являются композитами, этот термин стал обозначать комбинацию смолы и волокнистого армирования, иногда называемую «полимерами, армированными волокном» или композитами FRP. Эта комбинация может производить одни из самых прочных и универсальных материалов для своего веса, которые когда-либо разрабатывались технологиями.

                Кроме того, смола, волокно и добавки, входящие в состав композитов, могут быть адаптированы для производства конечных деталей и продуктов с широким диапазоном физических свойств, что позволяет использовать композиты во множестве областей применения.

                Хотя смолу, используемую в композитах, иногда называют «пластиком», ее не следует путать с большинством пластиков, которые мы видим сегодня, которые на самом деле представляют собой чистый пластик, такой как игрушки и бутылки из-под газировки.

                Композиты обладают уникальными преимуществами по сравнению с традиционными материалами, такими как сталь, алюминий, дерево или бетон. Это связано как с уникальной природой материала, так и с нашей способностью адаптировать его компоненты для изменения характеристик конечного продукта. В результате композиты обладают многими выгодными физическими свойствами и большой гибкостью дизайна. Чтобы узнать больше о преимуществах композитов, изучите их применение в различных отраслях:

                Преимущества композитов:

                • Легкий вес
                • Высокая прочность
                • Коррозионностойкий
                • Высокое соотношение прочности и веса
                • Направленная прочность – индивидуальные механические свойства
                • Высокая ударопрочность
                • Высокая электрическая прочность (изолятор)
                • Радар прозрачный
                • Немагнитный
                • Низкие эксплуатационные расходы
                • Быстрая установка
                • Долговечность
                • Консолидация деталей
                • Размерная стабильность
                • Геометрия деталей от мелких до крупных – стиль/дизайн – скульптурная форма
                • Отделка поверхности по индивидуальному заказу

                Композиты открывают целый мир новых возможностей для производителей, дизайнеров и инженеров. Как узнали многие компании, работа с композитами позволяет адаптировать свойства волокон, смол и добавок, чтобы получить именно те свойства материала и рабочие характеристики, которые вам нужны. По мере того, как композитные материалы становились все более сложными, усложнялись и производственные процессы, используемые для изготовления изделий из композитов. Когда-то новые методы, такие как пултрузия, литье под давлением из смолы и крупномасштабная намотка нити, теперь стали основными в индустрии композитов.

                Волокнистая арматура , такая как стекло, углерод, арамид или другой армирующий материал, с достаточным отношением длины к толщине для обеспечения заметной армирующей функции в одном или нескольких направлениях.

                Узнать больше

                Полимерная матричная смола , термопластичная или термореактивная, например полиэфирная, изополиэфирная, винилэфирная, эпоксидная, фенольная.

                Узнать больше

                Наполнители, добавки, основные материалы добавляют в композиты для контроля процесса формования или улучшения физических свойств конечного продукта (цвет, прочность, долговечность, огнестойкость и многие другие характеристики).

                Подробнее

                Процессы литья превращают композитные материалы в широкий спектр продуктов и деталей. Ключевой добавкой является катализатор, который инициирует химическую реакцию, в результате которой смола «сшивается» и становится твердой (отвердевающей).

                Более эластичная смола или матрица придает форму, защищает волокна и передает нагрузку между волокнами. Волокна, в свою очередь, обеспечивают прочность и жесткость, укрепляя матрицу и помогая ей противостоять трещинам и изломам.

                Подробнее

                Наука и технология композитных материалов

                В таком развитом обществе, как наше, мы все зависим от композитных материалов в некоторых аспектах нашей жизни.
                Стекловолокно

                ГЛОССАРИЙ
                Стекловолокно Композитный материал, изготовленный из тонких стеклянных волокон, сплетенных в ткань, а затем соединенных синтетическим пластиком или смолой.

                был разработан в конце 1940-х годов и стал первым современным композитом. Он по-прежнему остается самым распространенным, составляя около 65 процентов всех производимых сегодня композитов. Он используется для изготовления корпусов лодок, досок для серфинга, спортивных товаров, облицовки бассейнов, строительных панелей и кузовов автомобилей. Вы вполне можете использовать что-то из стекловолокна, не подозревая об этом.

                Лодки, доски для серфинга, автомобили и многое другое: стекловолокно и другие композитные материалы окружают нас. Источник изображения: sobri/Flickr.

                Что делает материал композитным

                Композитные материалы образуются путем объединения двух или более материалов, обладающих совершенно разными свойствами. Различные материалы работают вместе, чтобы придать композиту уникальные свойства, но внутри композита вы можете легко отличить разные материалы — они не растворяются и не смешиваются друг с другом.

                Композиты существуют в природе. Кусок дерева представляет собой композит, состоящий из длинных волокон целлюлозы (очень сложной формы крахмала), скрепленных гораздо более слабым веществом, называемым лигнином. Целлюлоза также содержится в хлопке и льне, но именно связывающая способность лигнина делает кусок древесины намного прочнее пучка хлопковых волокон.

                Это не новая идея

                Человечество использует композитные материалы тысячи лет. Возьмем, к примеру, глиняные кирпичи. Если вы попытаетесь согнуть лепешку из засохшей грязи, она легко сломается, но будет прочной, если вы попытаетесь раздавить или сжать ее. С другой стороны, кусок соломы обладает большой силой, когда вы пытаетесь его растянуть, но почти не имеет силы, когда вы его смываете. Когда вы смешиваете глину и солому в блоке, свойства двух материалов также объединяются, и вы получаете кирпич, который устойчив как к сжатию, так и к разрыву или изгибу. Говоря более технически, у него есть как хорошие
                прочность на сжатие

                ГЛОССАРИЙ
                прочность на сжатие Максимальное напряжение, которое может выдержать материал, когда он подвергается нагрузке, которая сжимает его.

                и хорошо
                предел прочности

                ГЛОССАРИЙ
                предел прочности при растяжении Максимальное напряжение, которое выдержит материал, когда он подвергается растягивающей нагрузке.

                .

                Мужчина восстанавливает древнюю цитадель из сырцового кирпича в Иране после ее повреждения в результате землетрясения. Глиняные кирпичи — это те же материалы, которые использовались для его строительства около 2500 лет назад. Источник изображения: OXLAEY.com/Flickr.

                Еще одним известным композитом является бетон. Здесь заполнитель (мелкие камни или гравий) связан цементом. Бетон обладает хорошей прочностью при сжатии, и его можно сделать более прочным при растяжении, добавив в композит металлические стержни, проволоку, сетку или тросы (таким образом создавая железобетон).

                Композиты были изготовлены из формы углерода, называемой графеном, в сочетании с металлической медью, в результате чего получается материал, в 500 раз прочнее, чем медь сама по себе. Точно так же композит графена и никеля имеет прочность, превышающую прочность никеля более чем в 180 раз.

                Что касается стекловолокна, то оно изготовлено из
                пластик

                ГЛОССАРИЙ
                пластик Твердый материал, состоящий из органических полимеров.

                армированный нитями или стеклянными волокнами. Эти нити можно либо связать вместе и сплести в мат, либо иногда нарезать на короткие отрезки, которые произвольно ориентированы в пластиковой матрице.

                Больше, чем просто прочность

                В настоящее время многие композиты производятся не только для повышения прочности или других механических свойств, но и для других целей. Многие композиты предназначены для того, чтобы быть хорошими проводниками или изоляторами тепла или обладать определенными магнитными свойствами; свойства, которые являются очень специфическими и специализированными, но также очень важными и полезными. Эти композиты используются в огромном количестве электрических устройств, включая транзисторы, солнечные элементы, датчики, детекторы, диоды и лазеры, а также для изготовления антикоррозионных и антистатических покрытий поверхностей.

                Композиты, изготовленные из оксидов металлов, также могут обладать особыми электрическими свойствами и используются для производства кремниевых чипов, которые могут быть меньше и более плотно упакованы в компьютер. Это увеличивает объем памяти и скорость компьютера. Оксидные композиты также используются для создания высокотемпературных сверхпроводящих свойств, которые теперь используются в электрических кабелях.

                Изготовление композита

                Большинство композитов состоит всего из двух материалов. Один материал (матрица или связующее) окружает и связывает вместе группу волокон или фрагментов гораздо более прочного материала (армирования). В случае сырцовых кирпичей две роли выполняют глина и солома; в бетоне цементом и заполнителем; в куске дерева, целлюлозой и лигнином. В стекловолокне армирование обеспечивается тонкими нитями или волокнами стекла, часто вплетенными в своего рода ткань, а матрица представляет собой пластик.

                Примеры различных форм армирования стекла для использования при создании стеклопластика. Источник изображения: Cjp24/Викисклад.

                Стеклянные нити в стекловолокне очень прочны при растяжении, но они также хрупкие и ломаются при резком изгибе. Матрица не только удерживает волокна вместе, но и защищает их от повреждений, разделяя любые
                стресс

                ГЛОССАРИЙ
                стресс Сила на единицу площади. Измеряется в тех же единицах, что и давление, а именно в паскалях (Па). Материалы обычно имеют прочность в диапазоне мегапаскалей (МПа) (1 МПа = 1 000 000 Па).

                среди них. Матрица достаточно мягкая, чтобы ее можно было формировать с помощью инструментов, и ее можно смягчить подходящими растворителями, чтобы можно было произвести ремонт. Любая деформация листа стеклопластика обязательно растягивает часть стеклянных волокон, а они способны этому противостоять, поэтому даже тонкий лист очень прочен. Он также довольно легкий, что является преимуществом во многих приложениях.

                За последние десятилетия было разработано много новых композитов, некоторые из которых обладают очень ценными свойствами. Тщательно выбирая армирование, матрицу и производственный процесс, который объединяет их, инженеры могут адаптировать свойства в соответствии с конкретными требованиями. Они могут, например, сделать композитный лист очень прочным в одном направлении, выровняв таким образом волокна, но более слабым в другом направлении, где прочность не так важна. Они также могут выбрать такие свойства, как устойчивость к теплу, химическим веществам и атмосферным воздействиям, выбрав соответствующий матричный материал.

                Выбор материалов для матрицы

                Для матрицы во многих современных композитах используются термореактивные или термопластичные пластики (также называемые смолами). (Использование пластика в матрице объясняет название «армированный пластик», обычно данное композитам). Пластмассы
                полимеры

                ГЛОССАРИЙ
                полимеры Крупные молекулы, состоящие из множества звеньев (мономеров), связанных друг с другом в цепочку. Существуют природные полимеры (такие как крахмал и ДНК) и синтетические полимеры (такие как нейлон и силикон).

                которые скрепляют арматуру и помогают определить физические свойства конечного продукта.

                Термореактивные пластмассы жидкие при приготовлении, но затвердевают и становятся жесткими (т.е. отверждаются) при нагревании. Процесс схватывания необратим, поэтому эти материалы не становятся мягкими при высоких температурах. Эти пластмассы также устойчивы к износу и воздействию химических веществ, что делает их очень прочными даже в экстремальных условиях.

                Термопластические пластмассы, как следует из названия, являются твердыми при низких температурах, но размягчаются при нагревании. Хотя они используются реже, чем термореактивные пластмассы, у них есть некоторые преимущества, такие как более высокая вязкость разрушения, длительный срок хранения сырья, способность к переработке и более чистое и безопасное рабочее место, поскольку для процесса отверждения не требуются органические растворители.

                Керамика, углерод и металлы используются в качестве матрицы для некоторых узкоспециализированных целей. Например, керамика используется, когда материал будет подвергаться воздействию высоких температур (например, теплообменники), а углерод используется для продуктов, подверженных трению и износу (например, подшипники и шестерни).

                Электронно-микроскопическое изображение в искусственном цвете композита с магниевой матрицей, армированного титана-алюминиевым карбидом. Источник изображения: микроскопия ZEISS / Flickr.

                Выбор материалов для армирования

                Хотя стекловолокно является наиболее распространенным армирующим материалом, во многих передовых композитах теперь используются тонкие волокна из чистого углерода. Можно использовать два основных типа углерода — графит и углеродные нанотрубки. Оба они представляют собой чистый углерод, но атомы углерода расположены в разных кристаллических конфигурациях. Графит — очень мягкое вещество (используется в «графитовых» карандашах) и состоит из листов атомов углерода, расположенных в виде шестиугольников. Связи, скрепляющие шестиугольники вместе, очень прочны, но связи, скрепляющие листы шестиугольников, довольно слабы, что и делает графит мягким. Углеродные нанотрубки изготавливаются путем скручивания одного листа графита (известного как графен) в трубку. Получается чрезвычайно прочная конструкция. Также возможно иметь трубки, состоящие из нескольких цилиндров — трубки внутри трубок.

                Композиты из углеродного волокна легче и намного прочнее стекловолокна, но и дороже. Из этих двух графитовые волокна дешевле и проще в производстве, чем углеродные нанотрубки. Они используются в конструкциях самолетов и высокоэффективном спортивном оборудовании, таком как клюшки для гольфа, теннисные ракетки и гребные лодки, и все чаще используются вместо металлов для ремонта или замены поврежденных костей.

                Нити из бора еще прочнее (и дороже), чем углеродные волокна. Нанотрубки из нитрида бора имеют дополнительное преимущество, заключающееся в том, что они намного более устойчивы к теплу, чем углеродные волокна. Они также обладают пьезоэлектрическими свойствами, что означает, что они могут генерировать электричество при воздействии на них физического давления, такого как скручивание или растяжение.

                Полимеры также могут использоваться в качестве армирующего материала в композитах. Например, кевлар, изначально разработанный для замены стали в радиальных шинах, но наиболее известный своим использованием в пуленепробиваемых жилетах и ​​шлемах, представляет собой полимерное волокно, обладающее чрезвычайной прочностью и повышающее прочность композита. Применяется в качестве армирования в композитных изделиях, требующих легкой и надежной конструкции (например, конструкционные детали корпуса самолета). Еще более прочным, чем кевлар, является вещество, изготовленное из комбинации графена и углеродных нанотрубок.

                Источник: NASA Goddard/YouTube. Посмотреть детали видео и расшифровку.

                Выбор производственного процесса

                Изготовление объекта из композитного материала обычно включает в себя некоторую форму формы. Армирующий материал сначала помещается в форму, а затем напыляется или закачивается полужидкий матричный материал для формирования объекта. Можно приложить давление, чтобы вытеснить любые пузырьки воздуха, а затем форму нагреть, чтобы матрица затвердела.

                Процесс формовки часто выполняется вручную, но автоматическая обработка на машинах становится все более распространенной. Один из этих методов называется
                пултрузия

                ГЛОССАРИЙ
                пултрузия Непрерывный процесс формования, при котором длинные армирующие пряди механически выравниваются для композитного материала, а затем пропускаются через ванну с термореактивной смолой. Затем нити с покрытием собираются с помощью механической направляющей перед процессом отверждения.

                (термин, образованный от слов «тянуть» и «экструзия»). Этот процесс идеально подходит для изготовления прямых изделий с постоянным поперечным сечением, таких как мостовые балки.

                Во многих тонких конструкциях сложной формы, таких как изогнутые панели, композитная структура строится путем наложения листов тканого волокнистого армирования, пропитанных пластиковым матричным материалом, на базовую форму соответствующей формы. Когда панель изготовлена ​​до необходимой толщины, матричный материал отверждается.

                Сэндвич-композиты

                Многие новые типы композитов производятся не методом матрицы и армирования, а путем укладки нескольких слоев материала. Структура многих композитов (например, используемых в панелях крыльев и корпусов самолетов) состоит из сот из пластика, зажатых между двумя обшивками из композитного материала, армированного углеродным волокном.

                Сэндвич-структура из сотового композита от НАСА. Источник изображения: НАСА/Викисклад.

                Эти сэндвич-композиты сочетают в себе высокую прочность и особенно жесткость на изгиб с малым весом. Другие методы включают простое наложение нескольких чередующихся слоев различных веществ (например, графена и металла) для получения композита.

                Зачем использовать композиты?

                Самым большим преимуществом композитных материалов является прочность и жесткость в сочетании с легкостью. Выбирая подходящую комбинацию армирующего и матричного материала, производители могут добиться свойств, точно соответствующих требованиям к конкретной конструкции для конкретной цели.

                • Композиты в Австралии

                  Австралия, как и все развитые страны, проявляет большой интерес к композитным материалам, которые многие считают «материалами будущего». Основная задача состоит в том, чтобы снизить затраты, чтобы композиты можно было использовать в продуктах и ​​приложениях, которые в настоящее время не оправдывают затрат. В то же время исследователи хотят улучшить характеристики композитов, например, сделать их более устойчивыми к ударам.

                  Один из новых методов включает «текстильные композиты». Вместо того, чтобы укладывать армирующие волокна по отдельности, что медленно и дорого, их можно связать или сплести вместе, чтобы сделать своего рода ткань. Это может быть даже трехмерным, а не плоским. Пространства между текстильными волокнами и вокруг них затем заполняются матричным материалом (например, смолой) для изготовления изделия.

                  Этот процесс можно легко выполнить с помощью машин, а не вручную, что делает его быстрее и дешевле. Соединение всех волокон вместе также означает, что композит с меньшей вероятностью будет поврежден при ударе.

                  В связи со снижением затрат другие варианты использования композитов становятся все более привлекательными. При изготовлении корпусов и надстроек лодок из композитов используется их устойчивость к коррозии. У минных охотников ВМС Австралии композитный корпус, поскольку магнитный эффект стального корпуса будет мешать обнаружению мин.

                  Также в разработке находятся вагоны для поездов, трамваев и других «движущихся людей», изготовленных из композитных материалов, а не из стали или алюминия. Здесь привлекательность заключается в легкости композитов, поскольку в этом случае транспортные средства потребляют меньше энергии. По той же причине мы будем видеть все больше и больше композитов в автомобилях в будущем.

                Ярким примером является современная авиация, как военная, так и гражданская. Без композитов было бы гораздо менее эффективно. Фактически, потребность этой отрасли в легких и прочных материалах была главной движущей силой разработки композитов. В настоящее время часто можно встретить секции крыла и хвостового оперения, пропеллеры и лопасти несущего винта, изготовленные из передовых композитов, а также большую часть внутренней конструкции и фурнитуры. Планеры некоторых небольших самолетов полностью сделаны из композитных материалов, как и крылья, хвостовое оперение и панели корпуса больших коммерческих самолетов.

                Размышляя о самолетах, стоит помнить, что композиты менее склонны к полному разрушению под нагрузкой, чем металлы (например, алюминий). Небольшая трещина в куске металла может очень быстро распространиться с очень серьезными последствиями (особенно в случае с самолетом). Волокна в композите блокируют расширение любой небольшой трещины и распределяют напряжение вокруг.

                Подходящие композиты также хорошо противостоят нагреву и коррозии. Это делает их идеальными для использования в продуктах, которые подвергаются воздействию экстремальных условий, таких как лодки, оборудование для обработки химикатов и космические корабли. В целом композитные материалы очень прочны.

                Еще одним преимуществом композитных материалов является то, что они обеспечивают гибкость конструкции. Композитным материалам можно придавать сложные формы, что очень удобно при производстве чего-то вроде доски для серфинга или корпуса лодки.