Kompozitinės medžiagos – kas tai yra, tipai ir pavyzdžiai

Kompozitinės medžiagos gaminamos iš dviejų ar daugiau pagrindinių medžiagų, sumaišytų tarpusavyje. Medžiagos gali būti natūralios arba ne, o sumaišytos kartu jos išlaiko savo atskiras savybes. Tačiau kompozitinė medžiaga kaip visuma gali elgtis kitaip nei bet kuri iš jos dalių. Pavyzdžiui, gelžbetonis (pagamintas iš betono ir plieno) pasižymi atsparumu slėgiui ir lenkimo jėgoms. Neperšaunamas stiklas (pagamintas iš stiklo ir plastiko) yra atsparesnis smūgiams nei atskiras stiklas ar plastikas.

Betonas yra kompozicinė medžiaga, viena seniausių žmogaus sukurtų kompozicinių medžiagų, naudojama daugiau nei bet kuri kita žmogaus sukurta medžiaga pasaulyje.

Mediena yra natūralus celiuliozės pluoštų kompozitas lignino matricoje. Pirmosios žmogaus sukurtos kompozicinės medžiagos buvo šiaudai ir purvas, sujungti į plytas, skirtas statyboms. Šis senovinis plytų gamybos procesas užfiksotas Egipto kapų piešiniuose.

Šiuo metu plačiai naudojami pluoštu armuoti polimerai, taip pat ir stiklu armuotas plastikas.

Kas sudaro kompozitinę medžiagą?

Kompozitai dažniausiai turi dvi pagrindines sudedamąsias dalis:

• Matrica – tai „fonas“, kuris laiko kartu ir perduoda jėgas tarp armuotojų. Matricos medžiagos gali būti polimerai (daugiausia derva), metalai arba keramika.
• Armuotojai (reinforcements) – tai stipriosios fazės, suteikiančios pagrindines mechanines savybes. Dažniausiai tai pluoštai (stiklo, anglies, aramidiniai), dalelės ar sluoksniai (laminatai) arba metalinės vielos.

Pagrindiniai kompozitų tipai

• Pluoštu armuoti polimerai (PMC) – populiariausias tipas: stiklų pluoštas, anglies pluoštas ar aramidas matricoje iš dervos. Naudojami aviacijoje, automobilių gamyboje, laivų statyboje, sporto reikmenyse.
• Metalų matricos kompozitai (MMC) – metalinė matrica (pvz., aliuminis) su kietomis dalelėmis ar pluoštais (pvz., SiC). Naudojami didelėms temperatūroms ir trinties sąlygoms.
• Keramikos matricos kompozitai (CMC) – keramikinė matrica su pluoštais ar dalelėmis, skirta aukštai temperatūrai ir korozijos atsparumui (pvz., turbinos elementai).
• Hibridiniai kompozitai – jungia skirtingų tipų armuotojus ar matricas, kad būtų pasiekti kombinuoti privalumai.
• Natūralūs kompozitai – pvz., mediena, kaulas ar nacre (kriauklių sluoksniai), kurie turi sudėtingą sluoksniuotą struktūrą suteikiančią tvirtumą ir lengvumą.

Savybės ir privalumai

• Aukštas stiprumas ir standumas santykyje su mase (gera stiprumo/masės santykiu).
• Galimybė orientuoti pluoštus norima kryptimi, taigi medžiaga gali būti pritaikyta atlaikyti konkrečias jėgas (anizotropija).
• Atsparumas korozijai, CHEMINIAMS poveikiams (ypač polimeriniai kompozitai) ir nuovargiui tam tikromis sąlygomis.
• Termoizoliacinės ar dielektrinės savybės (priklausomai nuo sudėties).

Trūkumai ir apribojimai

• Gali būti brangesnės nei tradicinės medžiagos, ypač anglies pluošto kompozitai.
• Sudėtingesnė gamyba ir apdirbimas (specializuotos technologijos, formos, dūrimai, sujungimai).
• Recycling—daugelis termoreaktyvių dervų sunkiau perdirbamos; tai kelia aplinkosaugos iššūkius.
• Pažeidimų aptikimas gali būti sudėtingesnis (vidiniai delaminacijos defektai), todėl naudojami specialūs NDT metodai.

Gamybos metodai

Dažniausi gamybos būdai priklauso nuo kompozito tipo ir taikymo:

• Rankinis sluoksniavimas (hand lay-up) ir vakuuminis maišymas (vacuum bagging).
• Autoklavinis sukietinimas (autoclave) – aukštos kokybės laminatai aviacijoje.
• Pultruzija, filament winding – tiesinės arba cilindrinės dalys gaminamos efektyviai.
• Resin Transfer Molding (RTM), purškimo metodai (spray-up) – įvairių formų ir partijų gamyba.
• Betonavimas ir armatūros įrengimas – gelžbetonies gamybos procesai.

Taikymo sritys

Kompozitai plačiai naudojami daugelyje sektorių:

• Statyba: gelžbetonis, laminatai fasadams, kompozitinės sijos ir dangos.
• Aviacija ir kosmonautika: anglies pluošto konstrukcijos dėl mažo svorio ir didelio stiprumo.
• Automobilių pramonė: lengvesni ir stipresni komponentai kuro sąnaudų mažinimui.
• Energetika: vėjo jėgainių sparnai (stiklo ar anglies pluoštas).
• Sportas ir laisvalaikis: teniso raketės, dviračių rėmai, buriavimo įranga.
• Gynyba ir sauga: šarvai, neperšaunami stiklai, apsauginės konstrukcijos.
• Medicinos prietaisai: protezai, ortopedinės plokštės ir pan.

Pavyzdžiai

• Gelžbetonis – betono matrica su plienine armatūra, plačiai naudojamas statyboje.
• Stiklu armuotas plastikas (GRP / fibreglass) – laivų korpusai, vamzdžiai, stovai.
• Anglies pluošto kompozitai – aviacijos komponentai, sporto įranga, automobilių lenktynės.
• Hibridiniai laminatai – derina anglies ir stiklo pluoštus specifinėms savybėms.
• Natūralūs kompozitai – mediena, durpių-plytų konstrukcijos ir kt.

Testavimas ir standartai

Siekiant patikimumo, kompozitai tikrinami mechaniniais bandymais (tempimo, suspaudimo, lenkimo, smūgio), taip pat atliekami sluoksnio delaminacijos ir nuovargio tyrimai. Dažnai naudojami neardomieji tikrinimo metodai: ultragarso testai, rentgeno (CT) skenavimas, termografija. Taikomi tarptautiniai standartai (pvz., ISO, ASTM) atsižvelgiant į pramonės sritis.

Aplinkosauga ir perdirbimas

Kompozitų perdirbimas yra didelė tema: termoplastai yra lengviau perdirbami nei termoreaktyvūs polimerai. Šiuolaikinės technologijos siūlo mechaninį smulkinimą, cheminį skilimą arba energijos atgavimą deginant su kontroliuojamomis emisijomis. Taip pat vystomi bio pagrindo polimerai ir natūralūs pluoštai mažinti ekologinį pėdsaką.

Kaip rinktis kompozitą?

Rinkdamiesi kompozitinę medžiagą, įvertinkite:

• Mechaninius reikalavimus (stiprumas, standumas, nuovargio atsparumas).
• Darbo sąlygas (temperatūra, drėgmė, cheminiai veiksniai).
• Svorio ir kainos ribas.
• Gamybos galimybes ir prototipų serijas.
• Aplinkosaugos bei perdirbimo aspektus.

Apskritai kompozitinės medžiagos suteikia dideles galimybes inžineriniams sprendimams, leidžiančias optimizuoti savybes konkretiems poreikiams. Tinkamai parinkus matricą ir armuotojus bei taikant tinkamas gamybos technologijas, galima sukurti lengvas, tvirtas ir ilgaamžes konstrukcijas.

Fonas

Primityviausios sudėtinės medžiagos buvo šiaudai ir plytos, iš kurių buvo statomi pastatai. Biblijos Išėjimo knygoje pasakojama apie izraelitus, kuriuos engė faraonas ir privertė gaminti "plytas be šiaudų". Šiandien naudojame dušo kabinas ir vonias, pagamintas iš stiklo pluošto - kompozito rūšies.

Fanera yra įprasta kompozicinė medžiaga, su kuria daugelis žmonių susiduria kasdieniame gyvenime.

Klausimai ir atsakymai

Klausimas: Kas yra sudėtinės medžiagos?

K: Ar sudėtinės medžiagos gali elgtis kitaip nei bet kuri iš jų dalių?

K: Iš ko gaminamas gelžbetonis?

K: Kokios yra gelžbetonio savybės?

K: Iš ko pagamintas neperšaunamas stiklas?

K: Kokios yra neperšaunamo stiklo savybės?

K: Iš ko pagamintas betonas?

Paieška pagal raidę