Полимерный композит — это материал, состоящий из двух или нескольких компонентов с различными свойствами, которые совместно формируют единую конструкцию. В полимерных композиционных материалах, или ПКМ, основными составляющими являются армирующий наполнитель и полимерная матрица.
В качестве армирования могут использоваться углеродные, стеклянные, арамидные и другие волокна. Полимерная матрица формируется связующим и после отверждения фиксирует армирование, передает между волокнами нагрузку и придает изделию целостность.
Главная особенность композитов заключается в возможности проектировать свойства материала под конкретную задачу. Можно менять тип армирующего волокна, направление и количество слоев, архитектуру ткани, состав полимерной матрицы и технологию формования.
Поэтому под термином «полимерные композиты» понимают большую группу материалов — от стеклопластиков до высоконагруженных углепластиков и высокотемпературных конструкционных ПКМ.
ИТЕКМА производит материалы для изготовления полимерных композиционных конструкций: углеродные ткани и однонаправленные ленты, стеклянные армирующие материалы, полимерные связующие, препреги, конструкционные клеи и другие технологические материалы.
Материалы ИТЕКМА для производства ПКМ
Полимерные композиционные материалы — это многокомпонентные материалы, в которых полимер выполняет функцию матрицы, а армирующий компонент формирует структуру, воспринимающую значительную часть механических нагрузок.
Отдельные компоненты сохраняют собственную физическую природу, но в готовом изделии работают совместно.
Например, углеродные волокна обладают высокими механическими характеристиками вдоль своей оси, однако сами по себе не способны сформировать жесткую конструкционную деталь сложной формы.
Полимерная матрица фиксирует волокна в необходимом положении и объединяет отдельные слои в единый материал.
Таким образом, свойства ПКМ нельзя определять только по характеристикам волокна или только по характеристикам связующего. Результат зависит от всей системы материалов и технологии производства.
В простейшем виде конструкционный полимерный композит включает два основных элемента:
Кроме них в составе и технологическом процессе могут использоваться дополнительные материалы: наполнители, модификаторы, клеевые слои, сотовые заполнители, технологические биндеры и другие компоненты.
Однако именно сочетание армирования и матрицы определяет основу большинства волокнистых конструкционных ПКМ.
Армирующий наполнитель — компонент композиционного материала, предназначенный прежде всего для восприятия механических нагрузок и формирования требуемой жесткости конструкции.
В конструкционных полимерных композитах широко применяются:
Волокна могут использоваться в разных формах: тканях, однонаправленных лентах, жгутах, многоосных материалах и других армирующих структурах.
Выбор формы зависит от того, в каких направлениях должна работать будущая конструкция.
Полимерная матрица — это непрерывная полимерная фаза, окружающая и связывающая армирующие волокна.
Матрица выполняет несколько функций одновременно:
Именно поэтому выбор полимерной системы является такой же важной частью проектирования ПКМ, как и выбор армирующего материала.
Полимерные матрицы можно разделить на две большие группы:
Термореактивная система в процессе отверждения формирует пространственно-сшитую полимерную структуру.
После завершения реакции материал уже нельзя снова расплавить простым нагревом и вернуть в исходное состояние.
К этой группе относятся многие эпоксидные, бисмалеимидные, фталонитрильные и другие высокотемпературные полимерные системы.
В производстве высоконагруженных ПКМ термореактивные материалы широко применяются благодаря возможности получать стабильные конструкционные матрицы с различными механическими и температурными характеристиками.
Термопластичные полимеры ведут себя иначе. При нагреве они могут размягчаться или плавиться, а при охлаждении снова переходить в твердое состояние.
Это открывает другие технологические возможности, включая сварку отдельных композитных элементов и определенные варианты переработки материала.
При этом технологии производства термопластичных ПКМ значительно отличаются от технологий работы с традиционными эпоксидными связующими.
ИТЕКМА разрабатывает и производит полимерные системы для разных температурных диапазонов и способов изготовления композитных конструкций.
Одним из основных направлений являются эпоксидные связующие. Они применяются при вакуумной инфузии, ручном ламинировании, намотке, RTM и других технологиях производства ПКМ.
Для конструкций, рассчитанных на работу при более высоких температурах, используются специальные системы.
Например, в линейке ИТЕКМА представлены бисмалеимидные материалы, предназначенные для высокотемпературных композиционных конструкций.
Для еще более жестких температурных условий компания разработала фталонитрильные материалы, применяемые в высокотемпературных деталях.
Таким образом, понятие «полимерная матрица» не означает один универсальный полимер. Система выбирается исходя из эксплуатационных требований будущего изделия.
Углепластик — это разновидность полимерного композиционного материала, в котором функцию армирования выполняют углеродные волокна.
Волокна могут использоваться в виде углеродных тканей, однонаправленных лент и других армирующих материалов.
Главным преимуществом углеродного армирования является возможность получать материалы с высокими удельными характеристиками жесткости и прочности.
При этом свойства готовой детали очень сильно зависят от направления волокон.
ИТЕКМА производит углеродные ткани и однонаправленные углеродные ленты для использования в качестве армирующих наполнителей ПКМ.
Стеклопластик представляет собой полимерный композит, армированный стеклянными волокнами.
Стеклянное армирование может применяться в виде тканей и других волокнистых материалов.
Стеклопластики отличаются хорошим сочетанием технологичности, механических характеристик, коррозионной стойкости и электроизоляционных свойств.
ИТЕКМА производит, в частности, стеклянные ткани с технологическим биндером, облегчающим раскрой и подготовку преформ для последующего изготовления ПКМ.
Полимерный композит необязательно производится путем непосредственной пропитки сухой ткани жидким связующим.
Для изготовления деталей может использоваться препрег — армирующий материал, заранее пропитанный контролируемым количеством полимерного связующего.
В таком полуфабрикате армирование и будущая полимерная матрица уже объединены.
Препрег раскраивается и выкладывается в соответствии со схемой армирования, после чего формуется и отверждается по заданному температурному циклу.
ИТЕКМА производит препреги на основе углеродных, стеклянных и других армирующих материалов с различными типами полимерных матриц.
Полимерные композиты получили широкое распространение благодаря возможности сочетать в одной конструкции несколько характеристик.
К типичным особенностям ПКМ относятся:
Однако характеристики разных ПКМ могут различаться в несколько раз. Поэтому нельзя переносить свойства одного углепластика или стеклопластика на все композиционные материалы.
При сравнении конструкционных материалов часто оценивают не только абсолютную прочность, но и отношение механической характеристики к плотности материала.
Для авиационной и транспортной техники это особенно важно, поскольку снижение массы конструкции позволяет уменьшить энергетические затраты или увеличить полезную нагрузку.
Именно высокие удельные характеристики являются одной из причин широкого применения волокнистых композитов в авиационной технике, БПЛА и спортивных конструкциях.
Многие волокнистые ПКМ являются анизотропными.
Это означает, что их характеристики могут существенно различаться в зависимости от направления приложения нагрузки.
Углеродное или стеклянное волокно наиболее эффективно воспринимает нагрузки вдоль собственной оси.
Поэтому при проектировании детали инженер определяет направление каждого слоя армирования.
Например, в одном ламинате могут использоваться слои с ориентацией 0°, 90°, +45° и -45°.
Так формируется структура, способная воспринимать разные типы эксплуатационных нагрузок.
Свойства готового ПКМ определяются не одним параметром.
На них одновременно влияют:
Поэтому корректнее говорить не о характеристиках «композита вообще», а о свойствах конкретной системы материалов и конкретной структуры ламината.
Одним из технологических дефектов композиционного материала являются воздушные включения и поры.
Они нарушают непрерывность полимерной матрицы и способны создавать локальные концентрации напряжений.
Поэтому при производстве ответственных конструкций большое внимание уделяется качеству пропитки армирования и удалению воздуха.
Для этого применяются вакуумные технологии, автоклавное формование и другие методы консолидации материала.
Нагрузка должна эффективно передаваться с полимерной матрицы на армирующие волокна и обратно.
Поэтому качество взаимодействия на границе раздела оказывает существенное влияние на работу композиционного материала.
Для улучшения совместимости волокон с полимерной системой используются специальные способы обработки поверхности и аппретирования армирующих материалов.
При выборе материалов необходимо учитывать совместимость армирования и связующего как единой системы.
Полимерные композиционные материалы можно классифицировать по нескольким признакам.
По типу армирования выделяют:
По архитектуре армирования материалы могут быть:
По типу полимерной матрицы можно выделить термореактивные и термопластичные ПКМ.
В одной конструкции необязательно использовать только один вид армирующего волокна.
Комбинация нескольких типов наполнителей позволяет получать гибридные композиционные материалы.
Например, в разных слоях одной детали теоретически могут применяться углеродные и стеклянные армирующие материалы, если такое решение соответствует расчетной конструкции.
Такой подход позволяет сочетать свойства различных армирующих систем.
Для производства изделий из ПКМ существует несколько технологических подходов.
К распространенным способам относятся:
Выбор процесса зависит от размеров детали, требуемой серийности, используемых материалов и характеристик будущего изделия.
При вакуумной инфузии сухой армирующий материал сначала укладывается в форму и герметизируется вакуумной пленкой.
Из пакета удаляется воздух, а затем под действием перепада давления жидкое связующее проходит через армирование и пропитывает его.
После отверждения формируется монолитная композитная деталь.
Для такого процесса особенно важны низкая технологическая вязкость связующего и достаточное время переработки.
Связующие для производства ПКМ
При препреговой технологии операция пропитки армирующего материала выполнена заранее.
Раскроенные слои препрега последовательно выкладываются на оснастку в соответствии с расчетной ориентацией армирования.
После этого материал формуется под вакуумом, в автоклаве или с помощью другой технологии, предусмотренной для конкретной системы.
При нагревании полимерная матрица окончательно отверждается и отдельные слои превращаются в монолитный ПКМ.
Главное преимущество композиционной технологии заключается не только в возможности получить легкий материал.
Инженер получает возможность проектировать внутреннюю структуру материала одновременно с проектированием самой детали.
В традиционном металлическом изделии характеристики материала в основном задаются заранее выбранным сплавом.
В ПКМ можно изменять:
Это позволяет оптимизировать конструкцию под реальные нагрузки.
ПКМ имеют и технологические особенности, которые необходимо учитывать при проектировании.
К ним относятся анизотропия, чувствительность характеристик к качеству производства, необходимость контроля межслойных свойств и особые требования к механической обработке и соединению деталей.
Рабочая температура многих полимерных композитов также определяется возможностями матрицы.
Именно поэтому для высокотемпературных конструкций применяются специальные полимерные системы.
Полимерные композиционные материалы используются во многих отраслях промышленности.
К основным направлениям относятся:
Выбор конкретного вида ПКМ определяется требованиями к массе, жесткости, прочности, температуре эксплуатации и другим характеристикам изделия.
Авиация является одной из наиболее характерных областей применения ПКМ.
Здесь особенно важно снижение массы конструкции при сохранении требуемой жесткости и прочности.
Из композиционных материалов могут изготавливаться панели, элементы крыла, корпуса, обтекатели, внутренние конструкции и другие компоненты.
Для разных зон самолета применяются материалы с различными требованиями к теплостойкости, прочности, пожаробезопасности и технологичности.
В беспилотной технике малый вес конструкции непосредственно влияет на продолжительность полета и полезную нагрузку.
Поэтому угле- и стеклопластики широко применяются при производстве корпусов, крыльев, силовых элементов и аэродинамических деталей.
Для таких конструкций могут использоваться как жидкостные технологии формования, так и препреговые материалы.
В транспортной технике ПКМ применяются для снижения массы и производства деталей сложной геометрии.
Особенно широко углепластики известны в спортивных и высокопроизводительных автомобилях.
Также композиционные материалы используются в специализированном транспорте и различных конструкционных компонентах.
Стеклопластики и другие ПКМ востребованы при изготовлении корпусов, панелей, внутренних элементов и различных конструкций водного транспорта.
Здесь важными преимуществами являются сравнительно небольшая масса и устойчивость полимерных композитов к коррозии.
Композиционные материалы применяются при производстве крупногабаритных конструкций энергетического оборудования.
Одним из известных примеров являются элементы ветроэнергетических установок, где необходимо сочетание малой массы, жесткости и устойчивости к длительным циклическим нагрузкам.
ИТЕКМА производит комплекс материалов, используемых на различных стадиях изготовления конструкций из ПКМ.
К армирующим материалам относятся углеродные ткани и однонаправленные углеродные ленты.
Они производятся на основе углеродных волокон и используются в качестве армирующего наполнителя композиционных конструкций.
Компания также производит стеклянные ткани, в том числе материалы с технологическим эпоксидным биндером для раскроя и формирования преформ.
Для формирования полимерной матрицы ИТЕКМА выпускает эпоксидные связующие для вакуумной инфузии, контактного формования, намотки и других технологий.
Для производства деталей препреговым методом выпускаются препреги на основе углеродных, стеклянных и других армирующих материалов.
В линейке также представлены конструкционные клеи, клеевые пленки, материалы для ремонта ПКМ и технологической оснастки.
Для высокотемпературных конструкций компания разрабатывает бисмалеимидные и фталонитрильные системы.
Подбор ПКМ начинается не с выбора одной ткани или одного связующего, а с требований к будущей конструкции.
Необходимо определить:
После этого выбираются тип волокна, архитектура армирования, полимерная матрица и производственный процесс.
Именно комплексный подход позволяет реализовать основные преимущества композиционных материалов.
Полимерный композит — это материал, в котором прочное армирование, например углеродные или стеклянные волокна, объединяется полимерной матрицей в единую конструкцию.
Полимерные композиционные материалы, или ПКМ, — это материалы на основе полимерной матрицы и армирующих или других наполнителей, совместная работа которых позволяет получать заданные свойства конструкции.
Волокнистый конструкционный полимерный композит состоит прежде всего из армирующего материала и полимерной матрицы. Дополнительно могут использоваться наполнители, клеи, заполнители и другие функциональные компоненты.
К распространенным видам относятся углепластики, стеклопластики, органопластики и гибридные композиционные материалы. Также их разделяют по типу матрицы, архитектуре армирования и технологии изготовления.
Основные группы — термореактивные и термопластичные. К термореактивным конструкционным системам относятся, например, эпоксидные, бисмалеимидные и фталонитрильные матрицы.
Это компонент, который формирует основную силовую структуру композита. В волокнистых ПКМ в качестве армирования могут использоваться углеродные, стеклянные и арамидные волокна.
Полимерная матрица связывает армирующие волокна, фиксирует их положение, передает нагрузку между ними и формирует целостную конструкцию.
Основное отличие заключается в типе армирования. В углепластике используются углеродные волокна, а в стеклопластике — стеклянные. Поэтому материалы имеют разные механические, электрические и экономические характеристики.
Используемые полимерные матрицы и волокнистые армирующие материалы имеют сравнительно небольшую плотность, а направленная структура позволяет эффективно использовать материал только там, где он необходим для восприятия нагрузки.
ПКМ используются в авиации, космической технике, БПЛА, автомобилестроении, судостроении, энергетике, машиностроении, спортивных изделиях, медицине и других высокотехнологичных отраслях.
Существуют разные технологии: вакуумная инфузия, RTM, ручное ламинирование, намотка, прессование, вакуумное и автоклавное формование препрегов. Метод выбирается в зависимости от материала и требований к детали.
Полимерные композиционные материалы представляют собой не один конкретный материал, а большую группу систем, в которых полимерная матрица объединяется с армирующим наполнителем.
Их главное преимущество заключается в возможности проектировать не только форму детали, но и внутреннюю структуру самого материала.
Изменяя тип волокна, его направление, архитектуру армирования и свойства полимерной матрицы, можно получать ПКМ для совершенно разных условий эксплуатации — от легких стеклопластиковых конструкций до высоконагруженных и высокотемпературных углепластиков.
На характеристики готового изделия влияют не только исходные материалы, но и качество пропитки, пористость, схема армирования и режим формования.
ИТЕКМА производит комплекс материалов для изготовления полимерных композиционных конструкций: углеродные и стеклянные армирующие материалы, эпоксидные и высокотемпературные связующие, препреги, конструкционные клеи и технологические материалы для различных способов производства ПКМ.
Материалы ИТЕКМА для производства полимерных композиционных материалов