1.1. Определение и общие сведения о композитных материалах
Композитные материалы – это искусственно созданные человеком материалы, которые получают соединением двух и более компонентов. Компоненты в существенной степени отличаются друг от друга по своим физико-химическим свойствам. Сочетание таких разнородных материалов приводит к тому, что образуются новые материалы с уникальными свойствами, отличными от исходного сырья. Комбинируя объемное содержание компонентов, можно получать композиционные материалы с требуемыми значениями прочности, жаропрочности, модуля упругости, абразивной стойкости, а также создавать композиции с необходимыми магнитными, диэлектрическими, радиопоглощающими и другими специальными свойствами.
Важно различать понятия композитный материал и композиционный материал. Они не всегда взаимозаменяемы.
Композитные материалы (композиты) состоят из матрицы и набивки. Матрица – это компонент, который непрерывный во всем объеме композиционного материала, связующее вещество. Набивка или арматура – компонент прерывистый, разделенный в объеме композиционного материала.
Композиционные материалы – материалы, состоящие из композиции (набора, совокупности) нескольких материалов, это более широкое понятие, в отличие от композита. Несколько компонентов при объединении дают новые свойства. При этом ярко выраженной границы раздела между компонентами на физическом уровне нет. Например, металлический сплав – это композиционный материал, т.к. для его получения происходит объединение нескольких компонентов. Главное отличие от композитов в том, что композиционный материал – однородный, он обладает одинаковыми свойствами в любой своей точке.
Принцип разработки таких материалов также отличается. Если композиты изначально разрабатываются, исходя из того, что каждый отдельный элемент конструкции возьмет на себя конкретные функции, то композиционный материал обладает едиными свойствами в любой своей точке, не зависящими ни от направления, ни от типа прикладываемой нагрузки.
1.2. История развития композитных материалов
Сегодня словосочетание «композитный материал» вызывает ассоциации с самыми прорывными технологиями и решениями, на которых уже строится будущее. Это не совсем верно: ведь самой идее композита уже несколько тысяч лет. Но, несмотря на весь прогресс, основной принцип создания композитов сохраняет свою актуальность и по сей день.
К числу первопроходцев по части получения и применения композитных материалов относят жителей Месопотамии – они населяли регион 3,5 тыс. лет до нашей эры. Именно там зародилась история композита, а именно материала, до сих пор используемого людьми, – фанеры. Было достаточно сложить несколько листов дерева друг на друга под разным углом, закрепить их примитивным клеем, и материал, доказавший свою эффективность на долгие сотни лет вперед, готов.
Сочетание клея и листов дерева образовало новый, куда более прочный и износостойкий материал, дошедший до наших дней. Это базовый принцип композита: объединение свойств уже существующих материалов. С того момента, как человек освоил этот принцип, технический прогресс начал ускоряться – композиты стали спутниками целых цивилизаций.
Папирус – композит. При его изготовлении спрессовываются слои горизонтальных волокон растения с вертикальными. В результате легкий, прочный, долговечный материал. Достаточно сравнить его с теми же месопотамскими глиняными табличками: громоздкие и неудобные, они по всем параметрам проигрывали изящному изобретению египтян. Папирус было удобнее хранить, и, по сравнению с «царапанием» по глине, на нем гораздо проще писать и рисовать.
Бетон – также композитный материал. Бетон впервые был описан римским архитектором Витрувием еще 2 тыс. лет назад. Ученый делал ставку на сочетание вулканического пепла и известняка, чтобы придать своим постройкам надежность и прочность. Использование нового материала позволило в значительной степени улучшить физико-механические характеристики сооружений. Бетон применялся практически везде, будь то храмы, многоэтажные дома, стадионы, гавани, мосты, акведуки или дороги. Где-то он даже вытеснил кирпич. Римский Колизей – одна из вершин античного зодчества – сохранился до наших дней благодаря тому, что в его строительстве применялся бетон. Секрет прочности римских конструкций во многом продиктован именно использованием бетона: этот пластичный материал выдерживал несколько десятков лет воздействия воды и при этом становился только прочнее.
Во все времена исследователи отмечали особую роль луков в военном могуществе кочевников, державших в страхе государства Европы и Азии в период XIII—XV веков. И это неудивительно – ведь луки, которые использовали завоеватели, были композитными. Такой лук состоял из дерева, костей и клея животного происхождения. Это легкое и простое для использования конниками оружие обладало рядом преимуществ даже по сравнению со знаменитыми английскими длинными луками: в отличие от последнего, монгольский композитный лук придавал стреле ускорение на протяжении всего «выстрела». Сама конструкция композитного лука и его гибкость придавали дополнительное ускорение стреле, что упрощало работу лучника и сказывалось на точности стрельбы. Оружие обеспечило преимущество на поле боя и заложило основу могущества Монгольской империи.
Настоящий расцвет использования композитных материалов пришелся на XIX—XX вв, когда плоды научно-технического прогресса изменили понимание человека о природе вещей.
В начале XIX века в строительстве вновь начал применяться бетон. Он вернулся в цивилизацию благодаря тому, что в 1796 году англичанин Д. Паркер запатентовал технологию получения романцемента – вяжущего материала, способного к затвердеванию и на открытом воздухе, и в воде. Смешанный с гравием, песком и водой цемент образовывал бетон. Этот строительный материал, отличавшийся своей пластичностью, завоевал новую популярность – впервые со времен Древнего Рима. Прочный и водостойкий материал плохо выдерживал нагрузку на растяжение, поэтому в качестве основного материала для несущих конструкций применялось железо в виде кованых стержней и полос. Но оно, в свою очередь, было подвержено коррозии, из-за чего перед человечеством стояла задача: найти более универсальный материал, способный сочетать свойства как бетона, так железа. Так придумали объединить два материала: арматура легко обволакивалась бетоном, тем самым оказываясь включенной в его массу. Сила сцепления железа с бетоном была огромной: материалы начинали работать как одно целое. Так появился железобетон – композит, ставший новой вехой в истории строительства. «Спрятанное» в бетон железо не ржавело и сохраняло свою прочность, а сам железобетон показал высокую огнестойкость. Материал показал себя как долговечный, устойчивый к воздействию температур и удобный в использовании – с железобетоном конструкции можно придать практически любую форму.
