Огляд композиційних матеріалів: види і основні характеристики

У сучасному світі розвиток науки і техніки досягло такого етапу, на якому використання тільки природних матеріалів вже не достатньо для вирішення цілого ряду завдань. На зміну природним прийшли композиційні матеріали (КМ), які не тільки володіють всіма необхідними властивостями, але і більш доступні і мають вартість нижча, ніж натуральні аналоги. Крім того, при створенні композитів є можливість комбінувати складу таким чином, щоб підсумковий продукт мав найбільш відповідні властивості для використання в конкретних завданнях.

Застосовуються КМ в електромеханіці, машинобудуванні, стоматології, будівництві та інших галузях. Розглянемо тільки ті продукти, які використовуються для електроізоляції і володіють низькою токопроводностью.

Що таке композитні матеріали

При виробництві композитних матеріалів величезну роль грає їх склад, тобто композиція, яка і визначає властивості отриманого матеріалу. Для прикладу, полиимидная плівка виходить в результаті поливу певних марок лаку на основу з вуглецю або склопластику. В результаті утворюється продукт, який не тільки є прекрасним ізолятором, але і має високу міцність. Використовується даний ізолятор при виробництві різних і роторів електродвигунів, кабелів і як підстава для друкованих плат, які виробляються величезними партіями і використовуються в різних сферах життя людини.

В основі будь-якого КМ лежить матриця – матеріал, який забезпечує цілісність продукту і його стійкість до руйнування. До матриці додаються інші компоненти, які формують основні властивості КМ і за допомогою яких можна досягти необхідних характеристик кінцевого композиту. Від армування матриці буде залежати міцність і пружність кінцевого продукту. На це впливає схема армування і розмір армуючих волокон.

Основні види композитів

Ще одним плівковим ізолятором є имидофлекс, який також проводиться на базі скловолокна і поліімідної плівки. В результаті утворюється продукт, який використовується для ізолювання якірної обмотки, ручної ізоляції з'єднань. Даний ізоляційний матеріал володіє необхідною термостійкістю, що дозволяє використовувати його в умовах нагріву обладнання. Крім того, имидофлекс має підвищену міцність на вигин, тому, може бути використаний для ізолювання рухомих ділянок з'єднань. Така ізоляція буде мати підвищений термін використання.

Ще одним ізоляційним композитом є синтофлекс, який представляє собою матеріал на основі електрокартону і плівки, наклеєної з одного боку. Отриманий продукт використовується при виробництві потужних електромеханічних приладів та механізмів для ізоляції нерухомих з'єднань. Варто пам'ятати, що синтофлекс не має стійкості до підвищеної температури і може бути використаний до 120° С. Листи пленкоэлектрокартона можуть бути різної товщини, що дозволяє підібрати необхідний розмір для різних випадків використання.

Ще більш широку сферу застосування має лавсанова плівка, яка не тільки є електроізоляційним матеріалом, але і використовується при виробництві автомобільних запчастин, підлогових покриттів, аудіо та відео плівок, шлангів та багатьох інших необхідних людині речей. Така широта використання виникає завдяки унікальним властивостям матеріалу, серед яких:

• Непроникність для газів;
• Пропускає світло поверхню;
• Властивість поверхні, завдяки якому матеріал можна фарбувати та наносити лаки;
• Не схильний до дії вологи;
• Підвищена міцність та тривалий термін зберігання і використання.

Крім того, лавсанова плівка використовується як термоформовочный матеріал в парфумерії і побутової хімії.

Крім електроізоляційних, існують також:

• Керамічні композити, які використовуються для теплоізоляції в екстремальних умовах, наприклад, газових турбінах, електропечах та інших механізмах, що працюють при підвищених температурних режимах.
• Органопластика, тобто КМ з комбінацією органічних і синтетичних матеріалів. Наприклад, такі продукти як органічне скло зроблені з таких композитів. Володіють підвищеною механічною міцністю. Так, кевлар, який використовується в бронежилетах, – це композитний матеріал на основі вуглепластика.
• Металлокомпозиты утворюються при комбінуванні кольорових металів, наприклад міді і наповнювача. У результаті виходить матеріал, який має підвищену стійкість до температур і зносостійкість.

Переваги і недоліки композитних матеріалів

Важно понимать, что КМ проектируются для использования в конкретных задачах, то есть при изолировании материал имеет все преимущества перед  конкурентами, но может иметь ряд недостатков в других областях применения. Например, материал будет иметь необходимые характеристики для изоляции, но при этом иметь слабую прочность или гигроскопичность.

Главной задачей инженера при создании композита является придание ему необходимых характеристик для выполнения конкретной задачи. Создать универсальный материал при нынешнем развитии технологий пока не удается.

Итак, главными преимуществами КМ являются:

• Прочность выше, чем у традиционных, естественных материалов;
• Повышенная жесткость;
• Сниженный удельный вес;
• Больший срок эксплуатации;
• Сниженный износ при использовании в экстремальных условиях.

Вместе с тем, существует и ряд недостатков, которые ограничивают возможность применения КМ:

• Повышенная стоимость, обусловленная сложностью процесса изготовления и использования для производства сложных механизмов и производственных цепочек
• Повышенный удельный объем материалов
• Наличие способности впитывать влагу, что обуславливается неоднородностью некоторых КМ и требует дополнительной защиты от воздействия влаги
• Повышенная токсичность. В процессе производства и дальнейшей эксплуатации, некоторые композиты выделяют вредные для человека и окружающей среды вещества. Это свойство сильно ограничивает применение материалов в некоторых сферах
• Неоднородность материала приводит к такому явлению, как анизотропия, то есть свойства могут меняться в зависимости от направления воздействия при использовании

Незважаючи на деякі недоліки, що промисловість не може обійтися без композитних матеріалів в деяких сферах. Тому, активно відбувається створення нових і вдосконалення вже існуючих КМ. Розвиток мікроелектроніки вимагає все більш міцних та легких матеріалів для виробництва друкованих плат і інших компонентів.