Kompozity jsou materiály skládající se alespoň ze dvou složek s různými vlastnostmi. Nejoblíbenější z nich jsou polymery. Patří mezi ně výztužné plnivo (skleněné nebo uhlíkové vlákno se specifickou vazbou a výrobní technologií) a pojivo – např. polyesterová nebo epoxidová pryskyřice. Výrobky vyrobené z uhlíkových polymerních kompozitních materiálů na epoxidové pryskyřici lze tedy pevností srovnávat s ocelí, ale zároveň je jejich hmotnost přibližně třikrát nižší.
„Vzhledem k samoopravnosti a odolnosti vůči vysokým teplotám (některé snesou provoz při teplotách 200-250°C) je použití kompozitů možné ve všech odvětvích těžkého průmyslu. Kompozitní materiály si dokonale poradí se zadanými úkoly ve vesmíru, stavbě lodí a letectví,“ řekl ředitel kompetenčního centra Národní technologické iniciativy (NTI) „Digital Materials Science: New Materials and Substances“ na MSTU pojmenovaném po N.E. Bauman Vladimír Nelyub.
Z kompozitních materiálů jsou například vyrobena křídla a mechanizační jednotky domácího hlavního letounu MS-21 a také trup výzkumného plavidla Pioneer-M. Z nových materiálů vzniká i spotřební zboží: vyrábí se z nich kombinézy pro hasiče, osobní ochranné prostředky pro zdravotnické pracovníky, obuv, fitness produkty, zubní a kostní implantáty.
„UAV, lyže, snowboardy a zubní implantáty, konstrukce budov, mosty a další inženýrské stavby, sítě pro zpevnění svahů a zeminy v silničním stavitelství vznikají z kompozitů. Životnost kompozitů je poměrně dlouhá a může dosáhnout 30-50 let. V současné době se po celém světě pracuje na vytvoření nových biologicky odbouratelných materiálů, které v budoucnu umožní vyrábět například implantáty pomocí kompozitů, které se budou rozkládat s růstem zdravé tkáně. K dispozici budou také lékařské obvazy na hojení ran a systémy pro dodávání léků z kompozitů do těla,“ řekl Vadim Mikrin, zástupce generálního ředitele ITECMA (výrobce a vývojář kompozitních materiálů, členská společnost NTI).
Výrobky z kompozitů dnes podle něj nejsou levné. Důvodem je ruční výroba, často bez možnosti automatizace procesu, dlouhý cyklus vytvrzování produktů a vysoká cena samotných materiálů. Díky rozvoji průmyslu a technologií však budou ceny kompozitních výrobků postupně klesat.
Dokonalost a růst
Dnes v Rusku existuje více než tucet společností vyrábějících nové materiály, řekl Anton Ryazantsev, vedoucí kompetenčního centra NTI pro nové funkční materiály na Novosibirské státní univerzitě. A domácí vývoj v této oblasti podle něj často překonává západní obdoby, pokud jde o kvalitativní vlastnosti: například požární odolnost.
Anton Ryazantsev:
„V Sovětském svazu byly v této oblasti rozvinuty dobré kompetence, které dnes slouží jako základ průmyslu. Program náhrady dovozu zde také působí blahodárně.“
Jak poznamenává Vladimir Nelyub, trh s novými materiály v Rusku v roce 2022 bude činit asi 3–4 miliardy dolarů, což jsou asi 4 % celosvětového objemu.
Vladimír Nelyub:
„Podle různých předpovědí bude trh s kompozity v roce 2022 činit zhruba 100 miliard USD s růstem 6–7 % ročně. Podle různých odborníků je dnes trh v Rusku asi 3–4 % celosvětového trhu. Do roku 2040, vezmeme-li v úvahu rychlost růstu trhu, navzdory stávajícím objektivním ekonomickým problémům by objem světového trhu mohl dosáhnout až 350 miliard dolarů ročně.“
Součásti kompozitního úspěchu
Odborníci se shodují, že rozvoj letectví, raketové techniky, stavby lodí a motorů pomůže trhu s domácími kompozitními materiály k rychlému růstu.
Vladimír Nelyub:
„Nejdůležitější věc, kterou průmysl potřebuje pro rozvoj, je potřeba zákazníků po high-tech produktech a rozvinutá ekonomika, která za ně zaplatí. Pokud se bude letecký a kosmický průmysl rozvíjet, bude potřeba jak kompozitů, tak nového vývoje. Druhým klíčovým aspektem je pomoci ostatním průmyslovým odvětvím zvládnout kompozitní produkty, čehož lze dosáhnout rozvojem kooperativních vazeb.“
Podle jeho názoru může mít významný význam vytvoření velkého celoruského centra pro kompozity, kde si podniky a podnikatelé mohou rychle, v režimu „jednoho okna“ objednat návrh výrobku, výrobu jeho prototypu a testování. vliv na rozvoj průmyslu.
Vladimír Nelyub:
„Je také nutné zavést zjednodušeně řečeno digitální pasy pro kompozitní materiály, které urychlí výrobu výrobků z nich a předem předpovídají jejich budoucí vlastnosti. Do roku 2025 navíc naše NTI centrum spustí systém, který nám umožní předem předvídat vlastnosti finálního polymerního kompozitního materiálu nebo indikovat, ze kterých komponent by měl být vyroben, pokud jsou potřeba specifické vlastnosti produktu.“
Pro rozvoj odvětví je nutné odstranit regulační bariéry. Například v řadě průmyslových odvětví nelze podle státních norem pro výrobu určitých výrobků použít jiný materiál než kov. „Nezáleží na tom, že toto pravidlo bylo zavedeno před 40 lety a že dnes existuje vhodnější materiál pro výrobu tohoto produktu. To samozřejmě vyžaduje změny,“ uzavřel Anton Ryazantsev.
1. prosince uspořádá RBC fórum „New Economy“. Mezi hlavní témata akce patří nové vektory pro rozvoj tuzemského podnikání, investiční projekty v oblasti substituce dovozu, podpůrná opatření a personální otázky.
Kompozitní materiál je heterogenní souvislý materiál složený ze dvou nebo více složek s jasným rozdílem mezi nimi. Nejjednodušším příkladem je obyčejná překližka. Ale existují mnohem zajímavější technologie a materiály používané v letecké výrobě, automobilové výrobě a dalších oblastech. Více podrobností – pod souhrnem.
Starověcí objevitelé
Dva nebo více heterogenních materiálů se používá společně k vytvoření nového jedinečného materiálu nebo ke zlepšení vlastností jednoho z nich. První použití této metody se datuje do roku 1500 př. n. l., kdy se hlína a sláma používaly na stavbu budov v Egyptě a Mezopotámii. Do kompozice byla přidána také sláma pro zpevnění keramiky a lodí.
Cihly, ve kterých byl použit šrot, se nazývají „nepálené“. Egypťané je vyrobili zhruba takto:
Dalším milníkem je rok 1200 našeho letopočtu. Mongolové se snažili ze všech sil: vytvořili první kompozitní luk z materiálů, jako je dřevo, kost a zvířecí lepidlo. Mongolské luky byly obvykle vyrobeny z několika vrstev dřeva (většinou břízy), které byly slepeny pomocí zvířecího lepidla. Na vnitřní straně luku byly umístěny rohové obložení, zajištěné žilami.
Éra plastů
Nebyly by žádné moderní kompozity, kdyby vědci nevynalezli plasty. Dříve byly jediným zdrojem lepidla a pojiv přírodní pryskyřice získávané ze zvířat nebo rostlin. A na začátku XNUMX. století byly vyvinuty vinyl, polystyren, fenol a polyester. Tyto materiály byly výrazně lepší než dříve používané.
Ale plasty nemohly poskytnout dostatečnou pevnost. Bylo potřeba lepší vyztužení a v roce 1935 Owens/Corning vyvinul sklolaminát. V kombinaci s plastovými polymery vytváří extrémně pevnou a přitom velmi lehkou strukturu. To byl začátek průmyslu vyztužených polymerů.
První reklama na výrobek ze sklolaminátu pochází z roku 1939. Jedná se o vzduchový filtr Owens-Corning.
V roce 1957 společnost inzerovala tištěné závěsy ze skelných vláken.
Ještě něco z roku 1970 – sklolaminátové panely pro tepelnou izolaci ve stavebnictví.
Rané inovace v oblasti kompozitních materiálů: Druhá světová válka
Mnoho vynálezů v této oblasti bylo vynalezeno během válek. Stejně jako Mongolové vytvořili svůj kompozitní luk, druhá světová válka umožnila zesíleným polymerům migrovat z laboratoří do skutečného světa.
Při konstrukci vojenských letadel byly zapotřebí alternativní materiály, které snižují hmotnost konečného produktu. Inženýři si velmi rychle uvědomili výhody kompozitů z hlediska jejich hmotnosti a pevnosti.
Inženýři se také dozvěděli o takové výhodě sklolaminátových kompozitů, jako je radiová propustnost. A začali používat „popravky“, které chrání rádiové moduly před vnějšími faktory, včetně větru.
Během války se Německo také pokusilo vyvinout letadlo stealth, dávno před americkým Stealth. Pak bylo potřeba použít kompozitní materiál v karoserii, kde by mezi vrstvami překližky byla výplň ze světlé balzy – stromu rostoucího v Jižní Americe. Jenže v roce 1944 byl tento materiál pro Němce nedosažitelný, a tak museli použít náhražkový kompozit Vormholz: mezi vrstvami 1,5mm překližky byla směs pilin impregnovaných pryskyřicí a porézního uhlí.
Adaptace kompozitů
Obecně platí, že do konce války byl malý výklenek kompozitního průmyslu zaplněn. A teď tu byl obtížný úkol: jak přejít od vojenských zakázek k produktům pro mírové účely.
Mezi zřejmé možnosti byly lodě. První loď s kompozitním trupem byla představena v roce 1946. Přibližně ve stejné době vyráběli sklolaminátová surfová prkna. A objevila se metoda „protahování“ – „pultruze“, používaná při výrobě polymerních kompozitních materiálů.
Zde je například schéma suché pultruze. Metoda značně zjednodušila výrobu.
Automobilový průmysl je další důležitou oblastí pro polymerní kompozity.
V roce 1954 se ve Spojených státech začal prodávat první sportovní vůz s karoserií vyrobenou ze sklolaminátu: Kaiser-Darrin. Toto auto zrychlilo na 60 mph za 15,1 sekundy. A maximální rychlost je těsně pod 100 mil za hodinu, tedy asi 160 km/h.
Takové vlastnosti byly dosažitelné s motorem o výkonu 90 koňských sil, především díky nízké hmotnosti vozu – asi 2200 liber, tj. 997 kg.
V 1970. letech se materiály staly ještě lepšími a složitějšími. DuPont, skupina vedená Stephanie Kwolek, vyvinula aramidová vlákna, která známe jako Kevlar. Nyní je to dobře známý materiál používaný na neprůstřelné vesty. Kevlar je pětkrát pevnější než ocel. Jeho materiál byl vytvořen pro vyztužení pneumatik automobilů a k těmto účelům se používá dodnes. Používá se také k vyztužení měděných a optických kabelů.
Automobilová pneumatika Wrangler využívající kevlar.
Kevlarové pouzdro s dokem pro iPhone.
Kevlar se také používá v bezpilotních letadlech. Například pro dodatečnou ochranu bezpilotního letounu RQ-11 Raven.
Vesmír a letectví
Hliník a další kovy jsou při výrobě leteckých dílů nahrazovány nízkohustotními kompozity, což umožňuje snížit hmotnost letadel. To zase šetří palivo. Kompozity jsou tedy nyní široce používány v civilním letectví.
U Boeingu 787 DreamLiner je 50 % prvků trupu vyrobeno z kompozitních materiálů na bázi uhlíku. Toto letadlo je tedy lehčí a pevnější než běžné dopravní letadlo s hliníkovým trupem.
Kompozitní materiály využívá i motor Genx od General Electric: je z nich vyrobeno pouzdro, lopatky turbíny a vstřikovače, které vstřikují palivo do spalovací komory.
Zbraně
K výrobě zbraní se samozřejmě používají kompozitní materiály. Například mezikontinentální balistická střela Topol-M: skládá se z 90 % z kompozitů, včetně konstrukcí motoru a hlavice.
Náhradní hlaveň pušky Christensen Arms z uhlíkových vláken. Puška je postavena na základě skupiny šroubů Remington-700.
Carbon Custom R-93 karabina s výměnnými hlavněmi.
Pažby z kompozitních materiálů. Loni na Open Innovations představil ruský výrobce HC Composite.
Moderní polymerní kompozitní materiály
Nejzajímavější skupinou kompozitů jsou polymery. Nejedná se o překližku nebo slámu v cihlách, ale o materiály, které jsou náročné na výrobu, někdy včetně práce i v nanoměřítku (10 až -9 stupňů).
Tentokrát trochu teorie. Pro použití na zesílení:
uhlíkové tkaniny (uhlík);
Aramidové tkaniny (Kevlar);
hybridní tkaniny (karbon + Kevlar);
jednosměrné hybridní tkaniny;
laminát;
multiaxiální tkáně;
uhlíkové pásky;
prepregy.
Jak se používají uhlíkové tkaniny?
Pro výrobu karbonových dílů se používají jak jednoduché karbonové vlákno s náhodně umístěnými závity, které vyplňují celý objem materiálu, tak tkanina (Carbon Fabric). Nejběžnější typy tkaní jsou Plain, Twill, Satin.
Hustota tkaniny neboli měrná hmotnost, vyjádřená v g/m^2, závisí kromě typu tkaní na tloušťce vlákna, která je dána počtem uhlíkových vláken. Tato charakteristika je násobkem tisíce. Takže zkratka 1K znamená tisíc vláken ve vláknu.
Často můžeme slyšet od chlapci v oblasti motoristé, že „pokryli svá auta uhlíkovými vlákny“. Zde se vlastně častěji nebavíme o polymerních kompozitech, ale o obyčejné dekorativní fólii vyrobené tak, aby vypadala jako uhlík. Taková fólie neposkytuje žádnou výhodu: hmotnost dílů se nesníží a nezíská ani pevnost. Jde tedy o honbu za módou a touhu, aby vaše vlastní auto vypadalo jako závodní auta z Need For Speed.
Při výstavbě budov a komunikací, pro vyztužení betonových nádrží a skladovacích objektů se používá výztuž z uhlíkových vláken a sklolaminátu, která je inertní vůči všem agresivním prostředím, má vysokou pevnost a předpokládanou životnost 75 let.
Výztuž během stavby i po ní lze provést i zvenčí: pomocí uhlíkové pásky napuštěné dvousložkovou epoxidovou směsí. Bohužel jsem nenašel lepší obrázek.
Asfalt lze zpevnit přidáním vláken. Pamatujete na slámu a hlínu na začátku půstu?
Nanotechnologie
Samotné polymerní kompozity lze jen stěží označit za nanotechnologické, pokud je nanotechnologie definována jako „soubor technologických metod a technik používaných při studiu, návrhu a výrobě materiálů, zařízení a systémů, včetně cílené kontroly a řízení struktury, chemického složení a interakce jejich jednotlivých nanoprvků (o velikosti řádově 100 nm a méně), které vedou ke zlepšení nebo vzhledu dalších provozních a/nebo spotřebitelských charakteristik a vlastností výsledných produktů.
Nedávno však na trh vstoupily polymerní pryskyřice působící jako pojivo, které na základě svého výrobního procesu plně spadají pod definici nanotechnologie.
Медицина
Zpočátku vojenský vývoj samozřejmě velmi často přechází v mírové produkty a využívá se mimo jiné v lékařství.
Začněme stomatologií. Dali ti výplně? Je vysoce pravděpodobné, že se jednalo o kompozitní materiály. Přímo před vámi, bezprostředně před instalací, lékař smíchá komponenty, poté je nainstaluje na místo a poté drží ultrafialovou lampu několik minut. Jedná se o světlem tuhnoucí výplně.
Existují i chemicky vytvrzované výplně. Například skloionomerní cement vyrobený z prášku a kapaliny, kde prášek je aluminofluorokřemičité sklo s fluorem a kapalina je vodný roztok kyseliny polyakrylové.
Při výrobě ortéz se používají kompozitní vlákna. Ortéza je speciální zařízení určené k odlehčení, fixaci, aktivaci nebo korekci funkcí kloubu nebo končetiny. Existují kortesy, obvazy, boty a další produkty.
Zubní protézy se samozřejmě vyrábí i z kompozitních materiálů. V případě vzorků pro běžce je to prostě nutné, protože jiné materiály nejsou schopny poskytnout takovou flexibilitu a pevnost.
Závěr
Starodávná metoda, která pomohla učinit cihly a mašle pevnější, v kombinaci s moderními materiály poskytuje neocenitelné výhody v různých oblastech. Patří mezi ně letecký a automobilový průmysl, kosmonautika, lékařství včetně stomatologie a protetiky a stavebnictví. I tak jednoduchá věc, jako je výztuž v betonových konstrukcích, je nyní technologicky vyspělejší, vyrobená ze skelných vláken a uhlíkových vláken. Výplně u zubaře, jak jsem psal výše, také patří ke kompozitním materiálům. Kompozitní materiály se staly součástí našich životů, někdy z naší strany zcela nepovšimnuté.
Navíc je použití této metody možné i doma. V jedné z předchozích publikací jsem zmínil, že plánuji vyrobit nové mody pro svou kvadrokoptéru. Jakmile v tomto dosáhnu úspěchu, napíšu.
