Одной из основных разработок была дельта-древесина. Инженеры пропитывали слои шпона фенол- или крезолформальдегидной смолой, спрессовывали их и получали уникальный материал, который легче и прочнее многих сплавов на основе алюминия. Новый материал также был огнестойким и не покрывался плесенью. Дельта-древесина использовалась, например, в самолетах ЛаГГ-3, эксплуатация которых началась в 1941 году.
Также во время войны стало известно о радиопроницаемости композитов из стекловолокна. Эта, казалось бы, мелочь, смогла избавить пилота от риска остаться без связи: «обтекатели» из стекловолокна защищали радиомодули от внешних факторов, не мешая коммуникациям.
В 1960-х был изобретен углепластик: материал, состоящий из тонких нитей диаметром от 5 до 10 мкм. Он характеризовал себя как прочный, легкий, эффективно справляющийся с температурами и химической инертностью.
Сегодня композитные материалы являются полноценной индустрией, на которой основаны самые критические производства и сферы жизни. Список сфер, где применяются композиты, обширен: это не только авиация и космос, но и архитектура, автомобильная отрасль, энергетика, инфраструктура, судостроение, медицина, спортивная и рекреационная индустрии. Общий объем рынка композитов оценивался в $74 млрд в 2020 году, и, по, прогнозам, достигнет отметки в $112 млрд уже в 2025 году.
1.3. Типы и классификация композитных материалов
Композитные материалы состоят из двух основных компонентов: матрицы и армирующего материала (набивки). Матрица это основной связующий материал, который держит вместе элементы набивки, обеспечивая форму конструктивного элемента в целом и ряд его основных механических свойств. Армирующий материал, зачастую волокна или частицы, обеспечивает требуемые механические свойства, такие как прочность и жесткость.
Классификация композитных материалов:
1. По материалу матрицы:
1.1. С металлической матрицей. Металлическая матрица упрочняется высокопрочными волокнами или тонкодисперсными тугоплавкими частицами, не растворяющимися в основном металле;
1.2. С неметаллической матрицей. Наиболее распространённый тип композитов. В качестве матриц широко используются полимерные, углеродные и керамические материалы. Из полимерных матриц (самый многочисленный вид композитов) наибольшее распространение получили эпоксидная, фенолоформальдегидная и полиамидная. Угольные матрицы коксованные или пироуглеродные получают из синтетических полимеров, подвергнутых пиролизу.
2. По армирующему материалу (набивке):
2.1. Стеклянные волокна. Обладают прозрачностью к радиоволнам, прочностью, электроизоляцией и низкой теплопроводностью. Это дешевый и доступный материал для применения в самых разных сферах, в том числе и в железнодорожной;
2.2. Углеродсодержащие волокна. Низкая плотность, высокий коэффициент упругости, они легкие по массе, но в тоже время очень прочные;
2.3. Борные волокна или жгуты. Имеют большую прочность при сжатии, чем волокна других материалов. Получаемые с их использованием материалы обладают отличными прочностными, износостойкими характеристиками, а также характеризуются инертностью к агрессивным средам. Но в тоже время, им свойственна хрупкость и высокая стоимость, что вводит определенные ограничения на использование;
2.4. Натуральные волокна (органопластики). Низкая плотность и вес. При этом высокая прочность. Отличное сопротивление к ударам, а также устойчивость к динамическому воздействию и нагрузкам. Прочность при изгибе и сжатии низкая;
3. По расположению (структуре) армирующего материала:
3.1. Волокна. Широко используется при производстве композитных профилей различной формы методом пултрузии;
3.2. Частицы. В этих композитах частицы, такие как керамика или металлы, встраиваются в матрицу. Они обычно обладают улучшенной термической стабильностью и износостойкостью;
3.3. Слои. Наполнение (волокна, нити, ленты) пропитанное связующим, укладывается слоями в плоскости укладки. Плоские слои собираются в пластины. Свойства получаются анизотропными (отличаются по разным направлениям прикладывания нагрузки к материалу). Именно поэтому, для правильной работы материала в изделии важно учитывать направление действующих нагрузок. Можно создать материалы как с изотропными (одинаковыми во всех направлениях), так и с анизотропными свойствами.
Можно укладывать волокна под разными углами, варьируя свойства композиционных материалов. От порядка укладки слоев по толщине пакета зависят изгибные и крутильные жесткости материала.
Для получение требуемых свойств, при разработке нового композитного материала выбирается необходимая комбинация. При этом важно учитывать сочетаемость и возможность взаимодействия друг с другом выбранных материалов. Необходимо тщательно изучить процессы, которые ожидаются на границе раздела двух (или нескольких) разнородных материалов внутри разрабатываемого композита. Важна как физическая совместимость (например, необходимый уровень адгезии или коэффициент трения у армирующего материала), так и химическая, для недопущения разъедания одного компонента материала другим.
1.4. Производство композитных материалов
Рассмотрим способы получения изделий из самого распространённого конструкционного вида композитных материалов, а именно композита с неметаллической матрицей, в качестве армирующего материала которого используются стеклянные и углеродные волокна стеклопластик и углепластик соответственно.
Стеклопластики это полимерный композитный материал, армированный стекловолокном, которое образуется из расплавленного неорганического стекла. В качестве матрицы часто используются термореактивные синтетические смолы, такие как полиэфир, фенол, эпоксидная смола и другие, а также термопластичные полимеры полиамиды, полиэтилен, полистирол и тому подобное.
Стеклонить это волокно, сформированное из стекла. В этой форме стекло проявляет несвойственные для себя характеристики оно не трескается и не бьется, зато с легкостью принимает изогнутую форму. Для изготовления стекловолокна используется кварцевый песок, при вторичной переработке в ход идет стеклобой это может быть стеклотара, битое стекло или забракованные стеклянные изделия, полученные в производственных условиях. Отходы стекольного производства на 100% поддаются любой переработке. Это обуславливает использование вторсырья в производстве позволяет существенно снизить себестоимость готового материала и поддержать экологическую защиту окружающей среды.
Технология сводится к выдуванию из сырья тончайших нитей. Для этого сырьевые заготовки расплавляют при температуре 1400 градусов. Тягучая масса поступает на формующую установку и пропускается через центрифугу. В результате получается стекловата с перемешанными между собой волокнами. На финишной стадии полученный полуфабрикат пропускается через сито с микроотверстиями и выдувается под высоким воздушным давлением. На выходе получаются ровные длинные нити, которые в дальнейшем служат сырьем для создания более сложных продуктов.
Получившиеся волокна могут быть двух видов:
1) Длинные нити растянуты на тысячи километров, их получают непрерывным методом. Через отверстия вытекают тонкие струи, охлаждаются и наматываются на барабан. Внешне такое волокно напоминает шелковую нить. В процессе вытягивания нити проходят через замасливающую установку, пропитываются клеящими веществами и пластификаторами. Такая обработка позволяет получить гибкие волокна.