Что значит композитный материал

Что значит композитный материал

В истории развития техники может быть выделено два важных направления :

  • развитие инструментов, конструкций, механизмов и машин,
  • развитие материалов.

Какое из них главнее сказать сложно, т.к. они довольно тесно взаимосвязаны, но без развития материалов технический прогресс невозможен в принципе. Не случайно, историки подразделяют ранние цивилизационные эпохи на каменный век, бронзовый век и век железный.

Нынешний 21 век уже можно отнести к веку композиционных материалов (композитов).

Понятие композиционных материалов сформировалось в середине прошлого, 20 века. Однако, композиты вовсе не новое явление, а только новый термин, сформулированный материаловедами для лучшего понимания генезиса современных конструкционных материалов.

Композиционные материалы известны на протяжении столетий. Например, в Вавилоне использовали тростник для армирования глины при постройке жилищ, а древние египтяне добавляли рубленную солому в глиняные кирпичи. В Древней Греции железными прутьями укрепляли мраморные колонны при постройке дворцов и храмов. В 1555-1560 при постройке храма Василия Блаженного в Москве русские зодчие Барма и Постник использовали армированные железными полосами каменные плиты. Прямыми предшественниками современных композиционнных материалов можно назвать железобетон и булатные стали.

Существуют природные аналоги композиционных материалов — древесина, кости, панцири и т.д. Многие виды природных минералов фактически представляют собой композиты. Они не только прочны, но обладают также превосходными декоративными свойствами.

Композиционные материалы — многокомпонентные материалы, состоящие из пластичной основы — матрицы, и наполнителей, играющих укрепляющую и некоторые другие роли. Между фазами (компонентами) композита имеется граница раздела фаз.

Сочетание разнородных веществ приводит к созданию нового материала, свойства которого существенно отличаются от свойств каждого из его составляющих. Т.е. признаком композиционного материала является заметное взаимное влияние составных элементов композита , т.е. их новое качество, эффект.

Варьируя состав матрицы и наполнителя, их соотношение, применяя специальные дополнительные реагенты и т.д., получают широкий спектр материалов с требуемым набором свойств.

Большое значение расположение элементов композитного материала, как в направлениях действующих нагрузок, так и по отношению друг к другу, т.е. упорядоченность. Высокопрочные композиты, как правило, имеют высокоупорядоченную структуру.

Простой пример. Горсть древесных опилок, брошенная в ведро цементного раствора никак не повлияет на его свойства. Если опилками заменить половину раствора — то существенно изменится плотность материала, его теплофизические константы, себестоимость производства и др. показатели. Но, горсть полипропиленовых волокон сделает бетон ударопрочным и износостойким, а полведра фибры обеспечат ему упругость, совсем не свойственную минеральным материалам.

В настоящее время в область композиционных материалов ( композитов ), принято включать разнообразные искусственные материалы, разрабатываемые и внедряемые в различных отраслях техники и промышленности, отвечающие общим принципам создания композитных материалов

Почему интерес к композиционным материалам проявляется именно сейчас ? Потому, что традиционные материалы уже не всегда или не вполне отвечают потребностям современной инженерной практики.

Матрицами в композиционных материалах являются металлы, полимеры, цементы и керамика. В качестве наполнителей используются самые разнообразные искусственные и природные вещества в различных формах ( крупноразмерные, листовые, волокнистые, дисперсные, мелкодисперсные, микродисперсные, наночастицы).

Известны также многокомпонентные композиционные материалы, в т.ч.:

  • полиматричные, когда в одном композиционном материале сочетают несколько матриц,
  • гибридные, включающие несколько разных наполнителей, каждый из которых имеет свою роль.

Наполнитель, как правило, определяет прочность, жесткость и деформируемость композита, а матрица обеспечивает его монолитность, передачу напряжений и стойкость к различным внешним воздействиям.

Особое место занимают декоративные композиционные материалы, имеющие выраженные декоративне свойства.

Разрабатываются композитные материалы со специальными свойствами, например радиопрозрачные материалы и радиопоглощающие материалы, материалы для тепловой защиты орбитальных космических аппаратов, материалы с малым коэффициентом линейного термического расширения и высоким удельным модулем упругости и другие.

Композиционные материалы используются во всех областях науки, техники, промышленности, в т.ч. в жилищном, промышленном и специальном строительство, общем и специальном машиностроении, металлургии, химической промышленности, энергетике, электронике, бытовой технике, производстве одежды и обуви, медицине, спорте, искусствах и т.д.

Структура композиционных материалов.

По механической структуре композиты делятся на несколько основных классов: волокнистые, слоистые, дисперсноупрочненные, упрочненные частицами и нанокомпозиты.

Волокнистые композиты армируются волокнами или нитевидными кристаллами. Даже небольшое содержание наполнителя в композитах такого типа приводит к существенному улучшению механических свойств материала. Широко варьировать свойства материала позволяет также изменение ориентации размера и концентрации волокон.

В слоистых композиционных материалах матрица и наполнитель расположены слоями, как, например, в триплексах, фанере, клееных деревянных конструкциях и слоистых пластиках.

Микроструктура остальных классов композиционных материалов характеризуется тем, что матрицу наполняют частицами армирующего вещества, а различаются они размерами частиц. В композитах, упрочненных частицами, их размер больше 1 мкм, а содержание составляет 20-25% (по объему), тогда как дисперсноупрочненные композиты включают в себя от 1 до 15% (по объему) частиц размером от 0,01 до 0,1 мкм. Размеры частиц, входящих в состав нанокомпозитов еще меньше и составляют 10-100 нм.

Некоторые распространеные композиты

Бетоны — самые распространенные композиционные материалы. В настоящее время производится большая номенклатура бетонов, отличающихся по составам и свойствам. Современные бетоны производятся как на традиционных цементных матрицах, так и на полимерных ( эпоксидных, полиэфирных, фенолоформальдегидных, акриловых и т.д.). Современные высокоэффективные бетоны по прочности приближаются к металлам. Популярными становятся декоративные бетоны.

Органопластики — композиты, в которых наполнителями служат органические синтетические, реже — природные и искусственные волокна в виде жгутов, нитей, тканей, бумаги и т.д. В термореактивных органопластиках матрицей служат, как правило, эпоксидные, полиэфирные и фенольные смолы, а также полиимиды. Органопластики обладают низкой плотностью, они легче стекло- и углепластиков, обладают относительно высокой прочностью при растяжении; высоким сопротивлением удару и динамическим нагрузкам, но, в то же время, низкой прочностью при сжатии и изгибе. К наиболее распространенным органопластикам относятся древесные композиционные материалы. По объемам производства органопластики превосходят стали, аллюминий и пластмассы.

В зарубежной литературе в последнее время становятся популярными новые термины — биополимеры, биопластики и соответственно — биокомпозиты.

Древесные композиционные материалы. К наиболее распространенным древесным композитам относятся арболиты, ксилолиты, цементностружечные плиты, клееные деревянные конструкции, фанеры и гнутоклееные детали, древесные пластики, древесностружечные и древесноволокнистые плиты и балки, древесные прессмассы и пресспорошки, термопластичные древесно-полимерные композиты.

Стеклопластики — полимерные композиционные материалы, армированные стеклянными волокнами, которые формуют из расплавленного неорганического стекла. В качестве матрицы чаще всего применяют как термореактивные синтетические смолы (фенольные, эпоксидные, полиэфирные и т.д.), так и термопластичные полимеры (полиамиды, полиэтилен, полистирол и т.д.). Стеклопластики обладают высокой прочностью, низкой теплопроводностью, высокими электроизоляционными свойствами, кроме того, они прозрачны для радиоволн. Слоистый материал, в котором в качестве наполнителя применяется ткань, плетенная из стеклянных волокон, называется стеклотекстолитом.

Углепластики — наполнителем в этих полимерных композитах служат углеродные волокна. Углеродные волокна получают из синтетических и природных волокон на основе целлюлозы, сополимеров акрилонитрила, нефтяных и каменноугольных пеков и т.д. Матрицами в угепластиках могут быть как термореактивные, так и термопластичные полимеры. Основными преимуществами углепластиков по сравнению со стеклопластиками является их низкая плотность и более высокий модуль упругости, углепластики — очень легкие и, в то же время, прочные материалы.

На основе углеродных волокон и углеродной матрицы создают композиционные углеграфитовые материалы — наиболее термостойкие композиционные материалы (углеуглепластики), способные долго выдерживать в инертных или восстановительных средах температуры до 3000° С.

Боропластики — композиционные материалы, содержащие в качестве наполнителя борные волокна, внедренные в термореактивную полимерную матрицу, при этом волокна могут быть как в виде мононитей, так и в виде жгутов, оплетенных вспомогательной стеклянной нитью или лент, в которых борные нити переплетены с другими нитями. Применение боропластиков ограничивается высокой стоимостью производства борных волокон, поэтому они используются главным образом в авиационной и космической технике в деталях, подвергающихся длительным нагрузкам в условиях агрессивной среды.

Пресспорошки ( прессмассы). Известно более 10000 марок наполненных полимеров. Наполнители используются как для снижения стоимости материала, так и для придания ему специальных свойств. Впервые наполненный полимер начал производить др. Бакеланд (Leo H. Baekeland, США), открывший в начале 20 в. способ синтеза фенолформфльдегидной (бакелитовой) смолы. Сама по себе эта смола — вещество хрупкое, обладающее невысокой прочностью. Бакеланд обнаружил, что добавка волокон, в частности, древесной муки к смоле до ее затвердевания, увеличивает ее прочность. Созданный им материал — бакелит — приобрел большую популярность. Технология его приготовления проста: смесь частично отвержденного полимера и наполнителя — пресс-порошок — под давлением необратимо затвердевает в форме. Первое серийное изделие произведено по данной технологии в 1916, это — ручка переключателя скоростей автомобиля «Роллс-Ройс». Наполненные термореактивные полимеры широко используются в самых разных областях техники. Для наполнения термореактивных и термопластичных полимеров применяются разнообразные наполнители — древесная мука, каолин, мел, тальк, слюда, сажа, стекловолокно, базальтовое волокно и др,

Читайте также:  Дается ли ипотека на строительство дома

Текстолиты — слоистые пластики, армированные тканями из различных волокон. Технология получения текстолитов была разработана в 1920-х г.г. на основе фенолформальдегидной смолы. Полотна ткани пропитывают смолой, затем прессуют при повышенной температуре, получая текстолитовые пластины или фасонные изделия. Связующими в текстолитах является широкий круг термореактивных и термопластичных полимеров, а иногда и неорганические связующие на основе силикатов и фосфатов. В качестве наполнителя используются ткани из самых разнообразных волокон — хлопковых, синтетических, стеклянных, углеродных, асбестовых, базальтовых и т.д. Соответственно разнообразны свойства и применение текстолитов.

Композиционные материалы с металлической матрицей. При создании композитов на основе металлов в качестве матрицы применяют алюминий, магний, никель, медь и т.д. Наполнителем служат высокопрочные волокна, тугоплавкие частицы различной дисперсности, нитевидными монокристаллы оксида алюминия, оксида бериллия, карбидов бора и кремния, нитридов алюминия и кремния и т.д. длиной 0,3-15 мм и диаметром 1-30 мкм.

Основными преимуществами композиционных материалов с металлической матрицей по сравнению с обычным (неусиленным) металлом являются: повышенная прочность, повышенная жесткость, повышенное сопротивление износу, повышенное сопротивление ползучести.

Композиционные материалы на основе керамики. Армирование керамических материалов волокнами, а также металлическими и керамическими дисперсными частицами позволяет получать высокопрочные композиты, однако, ассортимент волокон, пригодных для армирования керамики, ограничен свойствами исходного материала. Часто используют металлические волокна. Сопротивление растяжению растет незначительно, но зато повышается сопротивление тепловым ударам — материал меньше растрескивается при нагревании, но возможны случаи, когда прочность материала падает. Это зависит от соотношения коэффициентов термического расширения матрицы и наполнителя.

Армирование керамики дисперсными металлическими частицами приводит к новым материалам (керметам) с повышенной стойкостью, устойчивостью относительно тепловых ударов, с повышенной теплопроводностью. Из высокотемпературных керметов делают детали для газовых турбин, арматуру электропечей, детали для ракетной и реактивной техники. Твердые износостойкие керметы используют для изготовления режущих инструментов и деталей. Кроме того, керметы применяют в специальных областях техники — это тепловыделяющие элементы атомных реакторов на основе оксида урана, фрикционные материалы для тормозных устройств и т.д.

Композиты обычно классифицируются по виду армирующего наполнителя: [1]

  • волокнистые (армирующий компонент — волокнистые структуры);
  • слоистые;
  • наполненные пластики (армирующий компонент — частицы)
  • насыпные (гомогенные),
  • скелетные (начальные структуры, наполненные связующим).

Преимущества композиционных материалов

Главное преимущество КМ в том, что материал и конструкция создается одновременно. Исключением являются препреги, которые являются полуфабрикатом для изготовления конструкций. Стоит сразу оговорить, что КМ создаются под выполнение данных задач, соответственно не могут вмещать в себя все возможные преимущества, но, проектируя новый композит, инженер волен задать ему характеристики значительно превосходящие характеристики традиционных материалов при выполнении данной цели в данном механизме, но уступающие им в каких-либо других аспектах. Это значит, что КМ не может быть лучше традиционного материала во всём, то есть для каждого изделия инженер проводит все необходимые расчёты и только потом выбирает оптимум между материалами для производства.

Причём, разные классы композитов могут обладать одним или несколькими преимуществами. Некоторых преимуществ невозможно добиться одновременно.

Недостатки композиционных материалов

Композиционные материалы имеют достаточно большое количество недостатков, которые сдерживают их распространение.

Высокая стоимость

Высокая стоимость КМ обусловлена высокой наукоёмкостью производства, необходимостью применения специального дорогостоящего оборудования и сырья, а следовательно развитого промышленного производства и научной базы страны.

Анизотропия свойств

Анизотропия — непостоянство свойств КМ от образца к образцу. Для компенсации анизотропии увеличивают коэффициент запаса прочности, что может нивелировать преимущество КМ в удельной прочности. Таким примером может служить опыт применения КМ при изготовлении вертикального оперения истребителя МиГ-29. Из-за анизотропии применявшегося КМ вертикальное оперение было спроектировано с коэффициентом запаса прочности кратно превосходящим стандартный в авиации коэффициент 1,5, что в итоге привело к тому, что композитное вертикальное оперение Миг-29 оказалось равным по весу конструкции классического вертикального оперения, сделанного из дюралюминия.

Низкая ударная вязкость

Низкая ударная вязкость также является причиной повышения коэффициента запаса прочности. Кроме этого, низкая ударная вязкость обуславливает высокую повреждаемость изделий из КМ, высокую вероятность возникновения скрытых дефектов, которые могут быть выявлены только инструментальными методами контроля.

Высокий удельный объем

Высокий удельный объем является существенным недостатком при применении КМ в областях с жесткими ограничениями по занимаемому объему. Это относится, например, к сверхзвуковым самолётам, у которых даже незначительное увеличение объема самолёта приводит к существенному росту волнового аэродинамического сопротивления.

Гигроскопичность

Композиционные материалы гигроскопичны, т.е. склонны впитывать влагу, что обусловлено несплошностью внутренней структуры КМ. При длительной эксплуатации и многократном переходе температуры через 0 по Цельсию вода, проникающая в структуру КМ, разрушает изделие из КМ изнутри (эффект по природе аналогичен разрушению автомобильных дорог в межсезонье). Так одной из возможных причин авиакатастрофы American Airlines Flight 587, в которой от фюзеляжа оторвался композитный киль, названо разрушение структуры композитного киля от периодически замерзавшей в ней воды. Аналогичные примеры отделения композитного киля от фюзеляжа происходили также в России. [2]

КМ могут впитывать также другие жидкости, обладающие высокой проникающей способностью, например, авиационный керосин.

Токсичность

При эксплуатации КМ могут выделять пары, которые часто являются токсичными. Если из КМ изготавливают изделия, которые будут располагаться в непосредственной близости от человека (таким примером может послужить композитный фюзеляж самолета Boeing 787 Dreamliner), то для одобрения применяемых при изготовлении КМ материалов требуются дополнительные исследования воздействия компонентов КМ на человека.

Низкая эксплуатационная технологичность

Композиционные материалы обладают низкой эксплуатационной технологичностью, низкой ремонтопригодностью и высокой стоимостью эксплуатации. Это связано с необходимостью применения специальных трудоемких методов, специальных инструментов для доработки и ремонта объектов из КМ. Часто объекты из КМ вообще не подлежат какой-либо доработке и ремонту.

Области применения

Товары широкого потребления

  • Железобетон — один из старейших и простейших композиционных материалов
  • Удилища для рыбной ловли из стеклопластика и углепластика
  • Лодки из стеклопластика
  • Автомобильные покрышки
  • Металлокомпозиты

Спортивное оборудование

  • оборудование для горнолыжного спорта — палки и лыжи
  • Хоккейные клюшки и коньки
  • байдарки, каноэ и вёсла к ним

Машиностроение

В машиностроении композиционные материалы широко применяются для создания защитных покрытий на поверхностях трения, а также для изготовления различных деталей двигателей внутреннего сгорания (поршни, шатуны).

Характеристика

Технология применяется для формирования на поверхностях в парах трения сталь-резина дополнительных защитных покрытий. Применение технологии позволяет увеличить рабочий цикл уплотнений и валов промышленного оборудования, работающих в водной среде.

Композиционные материалы состоят из нескольких функционально отличных материалов. Основу неорганических материалов составляют модифицированные различными добавками силикаты магния, железа, алюминия. Фазовые переходы в этих материалах происходят при достаточно высоких локальных нагрузках, близких к пределу прочности металла. При этом на поверхности формируется высокопрочный металлокерамический слой в зоне высоких локальных нагрузок, благодаря чему удается изменить структуру поверхности металла.

Полимерные материалы на основе политетрафторэтиленов модифицируются ультрадисперсными алмазографитовыми порошками, получаемыми из взрывных материалов, а также ультрадисперсных порошков мягких металлов. Пластифицирование материала осуществляется при сравнительно невысоких (менее 300 °C) температурах.

Металлоорганические материалы, полученные из природных жирных кислот, содержат значительное количество кислотных функциональных групп. Благодаря этому взаимодействие с поверхностными атомами металла может осуществляться в режиме покоя. Энергия трения ускоряет процесс и стимулирует появление поперечных сшивок.

Технические характеристики

Защитное покрытие в зависимости от состава композиционного материала может характеризоваться следующими свойствами:

  • толщина до 100 мкм;
  • класс чистоты поверхности вала (до 9);
  • иметь поры с размерами 1 — 3 мкм;
  • коэффициент трения до 0,01;
  • высокая адгезия к поверхности металла и резины.

Технико-экономические преимущества

  • На поверхности формируется высокопрочный металлокерамический слой в зоне высоких локальных нагрузок;
  • Формируемый на поверхности политетрафторэтиленов слой имеет низкий коэффициент трения и невысокую стойкость к абразивномуизносу;
  • Металлоорганические покрытия являются мягкими, имеют малый коэффициент трения, пористую поверхность, толщина дополнительного слоя составляет единицы микрон.
Читайте также:  Подшипники для болгарки размеры

Области применения технологии

  • нанесение на рабочую поверхность уплотнений с целью уменьшения трения и создания разделительного слоя, исключающего налипание резины на вал в период покоя.
  • высокооборотные двигатели внутреннего сгорания для авто и авиастроения.

Авиация и космонавтика

В авиации и космонавтике с 1960-х годов существует настоятельная необходимость в изготовлении прочных, лёгких и износостойких конструкций. Композиционные материалы применяются для изготовления силовых конструкций летательных аппаратов, искусственных спутников, теплоизолирующих покрытий шатлов, космических зондов. Всё чаще композиты применяются для изготовления обшивок воздушных и космических аппаратов, и наиболее нагруженных силовых элементов.

Вооружение и военная техника

Благодаря своим характеристикам (прочности и лёгкости) КМ применяются в военном деле для производства различных видов брони:

Литература

  • Васильев В. В. Механика конструкций из композиционных материалов. — М.: Машиностроение, 1988. — 272 с.
  • Карпинос Д. М. Композиционные материалы. Справочник. — Киев, Наукова думка

См. также

Примечания

  1. Дж. Любин. 1.2 Термины и определения // Справочник по композиционным материалам: В 2-х кн = Handbook of Composites. — М .: Машиностроение, 1988. — Т. 1. — 448 с. — ISBN 5-217-00225-5
  2. Игорь МангазеевАндреапольские МиГи разваливаются от старости. Тверской информационный портал eTver (27-01-2009). Архивировано из первоисточника 4 августа 2012.

Ссылки

Композиционный материал на Викискладе ?
  • «Композиты из наукограда» Телесюжет
  • «Технология черного крыла» Телесюжет
Конструкционные строительные материалы
Бетон • Сталь • Древесина
Кровельные материалы Толь • Рубероид • Черепица • Шифер
Отделочные материалы Обои • Паркет • Линолеум
Облицовочные материалы Облицовочный камень • Керамическая плитка
Природные строительные материалы Природный камень • Песок • Пиломатериалы‎

Из чего состоит композит

Композит, из которого строят суда, базово состоит из 4-х типов материалов:

  • связующее вещество (смола)
  • армирующее вещество (ткань)
  • средний слой (наполнитель для сэндвича: пена или сотовый материал)
  • поверхностный слой (краска/гелькоут)

Если объяснять упрощенно, то композит производят следующим образом — ткань пропитывается жидкой смолой с отвердителем, высыхает и отвердевает. Самые простые композитные конструкции состоят просто из нескольких слоев ткани и смолы. Например, так строят корпуса детских парусных яхт Оптимист.

Для более сложных и больших конструкций, например, прогулочных катеров, используют композитный сэндвич. В композитном сэндвиче появляется средний слой — пена. Она закладывается между двумя армирующими слоями ткани, все вместе пропитывается смолой и в результате получается монолитный материал обладающий еще большей поверхностной прочностью, но при этом все еще достаточно легкий.

Разберем отдельно каждый тип материалов.

Смола

Смола — связующую вещество, которое пропитывает все слои композита и превращает их в готовую монолитную деталь. В судостроении используется 3 типа смолы:

  • эпоксидная
  • эпоксивинилэфирная
  • полиэфирная

Эпоксидная смола — самая прочная и дорогая. За счет повышенной прочности для изготовления детали ее требуется меньше, чем полиэфирной смолы, а значит сама деталь получается легче. Не содержит ядовитого вещества — стирола. Корпус лодки из эпоксидной смолы может эксплуатироваться без ремонта до 30 лет подряд.

Эпоксивинилэфирная — это соединение на основе эпоксидной смолы. В отличие от эпоксидной смолы оно уже содержит стирол, но в меньших количествах, чем полиэфирная смола. По цене и прочности это промежуточный вариант между эпоксидной и полиэфирной смолой.

Полиэфирная — дешевая и наименее прочная, содержит стирол. Изделия из нее получается тяжелее и со временем начинают впитывать воду. Полиэфирная смола более хрупкая, поэтому корпуса из нее со временем нуждаются в ремонте. Корпус из полиэфирной смолы в среднем служит до 20 лет.

Ткань

Ткань в судостроении выполняет роль армирующего вещества — с помощью нее изделию задается форма, она берет на себя нагрузку на скручивание. Ткань дает конструкции прочность на растяжение или сжатие.

В судостроении используется три типа ткани:

  • стекломат
  • стеклоткань
  • углеткань

Стекломат — рубленные спресованные волокна стекловолокна. Стекломат максимально гибкий и подвижный, ему можно задать любую форму или изгиб. Но при этом это наименее прочный вид ткани, у него нет устойчивости к скручиванием и разрывам — если потянуть сухую ткань в разные стороны она просто расползется.

Стеклоткань — стекловолокна, которые сплетено таким образом, что у ткани есть конкретное направление. Виды плетения бывают разными и от них зависит под каким углом ткань абсолютно устойчива на растяжение. Грамотный проект яхты учитывает особенности направления ткани и четко регламентирует какой тип плетения надо использовать на конкретных участках конструкции. Благодаря сочетанию разных типов плетения получаются максимально прочные детали, устойчивые к любым видам нагрузок.

Углеткань — тоже самое, что стеклоткань, только из углеволокна. У нее тоже есть разные типы плетения и направления. Углеволокно примерно в 2 раза прочнее, чем стекловолокно — точное соотношение зависит от типа плетения. Но стоит в 20 раз дороже.

Если упрощенно, то благодаря повышенной прочности на одну и ту же деталь углеволокна уходит в 2 раза меньше, чем стекловолокна. В результате деталь из углеволокна получается примерно в 2 раза легче. Готовый материал изделия из углепластика называется карбон. Полностью из карбона строят самые дорогие и быстрые гоночные яхты в мире.

Читайте также:  Чем заполнить стенку в гостиной

Средний слой

Средний слой нужен, чтобы добавить расстояния между несколькими армирующими слоями ткани, и тем самым повысить поверхностную плотность изделия. Дело в том, что сама по себе ткань дает нужную прочность только на скручивание или сжатие, но не дает необходимой поверхностной прочности — деталь получается слишком тонкой.

В теории, увеличить толщину и соответственно поверхностную прочность можно просто наложив больше слоев стеклоткани, но тогда мы получим слишком большой вес, и при этом избыточную прочность к скручивающим нагрузкам.

Поэтому, чтобы соблюсти баланс между весом, поверхностной прочностью и устойчивостью к скручиванию, используют принцип сэндвича и прокладывают армирующие слои легким наполнителем. Чаще всего в производстве используют следующие типы наполнителя:

  • ПХВ
  • Coremat

ПХВ — пенополивинилхлорид. Очень легкое, но при этом достаточно прочное соединение. В цифрах плотность этого материала — от 80 до 120 кг на 1 кубический метр. Еще один важный фактор — эта пена не впитывает в себя смолу, а значит не набирает лишний вес. В ней делают специальная перфорация, чтобы смола пропитала все слои и соединила их в одну монолитное изделие.

Coremat — состав, сделанный на основе тех же соединений, что и стекловолокно. Стоит значительно дешевле, чем ПХВ, но итоговое изделие получается тяжелее. По своему принципу он похож на стекломат, но весит меньше и впитывает меньше смолы. Поэтому если сравнивать, что лучше — просто накатать больше ткани или использовать coremat, выгоднее выбрать coremat.

Если нужен максимально легкий и быстрый корпус, лучше использовать ПХВ. Если нужно получить дешевую, но тихоходную лодку — выгоднее использовать coremat.

Поверхностный слой

Поверхностный слой — внешний слой корпуса, который дает цвет и защищает от поверхностных повреждений. Обычно его делают из гелькоута или полиуретановой краски.

Гелькоут — соединение по составу очень похожее на смолу, оно тоже может быть на полиэфирной, эпоксидной или эпоксивинилэфирной основе. Если упрощенно, это густая смола с конкретным цветом. Гелькоут достаточно устойчив к поверхностным воздействиям. Закладывается в матрицу, как один из слоев монолитного корпуса.

Полиуретановая краска — тип краски, который хорошо защищает от внешних воздействий. Краска предлагает большой выбор цветов и стоит дороже. Наносится сверху на готовое изделие.

Как строят корпус

Чтобы построить яхту из композита, нужна матрица — форма, в которую будут выкладываться слои ткани и смолы, чтобы в итоге получился корпус. Можно сделать одну матрицу для всей нижней части корпуса — тогда он будет полностью монолитный. Можно сделать несколько маленьких матриц и производить детали по отдельности, а потом вручную собирать их в одно целое — такой метод используют при производстве больших корпусов длинной от 20 метров.

В любом варианте укладывать слои и добиваться отвердевания можно разными способами. Вот основные методики изготовления готового корпуса:

  • ручная формовка
  • ручная формовка + вакуумное обжатие
  • вакуумная инфузия
  • запекание (prepeg)

Ручная формовка — самый трудоемкий и наименее технологичный метод. Рабочие вручную выкладывают ткань в матрицу и пропитывают ее смолой с помощью валика. Для упрощения работы есть специальный инструмент — чоппер. В него загружают смолу и рубленный стекломат, он соединяет внутри эти два компонента и распыляет их как бы из пистолета. Этот метод обычно используют для полиэфирной или эпоксивинилэфирной смолы. Вручную невозможно изготовить композитный сэндвич.

Минусы:
— итоговые изделия получаются тяжелыми из-за избытка смолы
— вручную трудно сделать весь корпус равномерным
Плюсы:
— дешево, просто, не требует специальных знаний и оборудования

Ручная формовка + вакуумное обжатие — в этом случае слои ткани и смолы также наносятся вручную, потом на них надевается специальный мешок, который откачивает лишний воздух и избыток смолы. Воздух — это пузырьки в смоле, которые так или иначе там появляются при методе ручной формовки. Эти пузырьки нарушают однородность корпуса и снижают его прочность. При откачке воздуха финальное изделие получается практически таким же прочным, как при методе вакуумной инфузии. Откачивать воздух можно после укладки каждого слоя по отдельности или после формовки всех слоев. Используется в основном в работе с эпоксидной смолой.

Композитный сэндвич можно изготовить только с помощью метода вакуумного обжатия или вакуумной инфузии.

Минусы:
— трудозатратно, долго и дорого
— нужно специальное оборудование
Плюсы:
— метод дает гарантированный результат, трудно что-то испортить в процессе

Вакуумная инфузия — в этом случае все сухие компоненты сэндвича (кроме смолы) выкладываются в форму-матрицу. Потом матрицу накрывают специальным вакуумным мешком, который откачивает весь воздух и сжимает компоненты. Затем вместо вакуума в деталь подается смола. Благодаря вакууму удается максимально точно контролировать количество смолы, а значит производить детали минимального веса. Метод требует высококвалифицированных специалистов и сложного оборудования. Если в производственном процессе допустить ошибку, есть риск испортить весь корпус и все задействованные материалы.

Минусы:
— нужно специальное оборудование
— требует строителей высокой квалификации
Плюсы:
— безупречное качество корпуса при соблюдении технологии
— при работе с большими объектами выгоднее с точки зрения трудозатрат

Запекание (prepeg) — самый высокотехнологичный метод, используется исключительно при работе с углеволокном. Для него необходим специально оборудованный цех-печь, где можно четко контролировать температуру и влажность.

Корпус яхты изготавливают из особого вида углеткани, сразу пропитанной смолой. Такая ткань перевозится в холодильниках и имеет короткий срок хранения. Из нее вручную формуют корпус яхты при температуре около 18 градусов и влажности не больше 60%. Потом конструкция обжимается вакуумным мешком и целиком запекается при температуре около 100 градусов.

Этот метод позволяет создать максимально легкий и прочный корпус. Например, вес яхты длиной 72 фута без оснастки, оборудования и киля получается около 2700 кг. Запекание используют в строительстве самых быстрых в мире гоночных яхт.

Плюсы:
— минимальный вес корпуса при нужной прочности
Минусы:
— очень дорогие материалы
— сложный и трудоемкий технологический процесс

Какие материалы и технологии используют на верфи Pacifico

Создание корпуса на верфи Pacifico Yachts состоит из нескольких этапов. Для каждой модели есть своя матрица и свои особенности производственного процесса в зависимости от технического проекта и итоговых характеристик яхты.

Поэтому разбирать этапы будем на конкретном примере — строительстве корпуса Pacifico Voyager 99. Нижняя часть корпуса этого проекта полностью монолитна, поэтому формуется в одной большой матрице.

Этап 1. Работа начинается с подготовки и полировки внутренней поверхности матрицы.

Этап 2. После подготовительных работ, наносят внешний слой — гелькоут. Мы используем гелькоут на полиэфирной основе и наносим его пистолетом.

Этап 3. После этого вручную формуется «корка» из стекломата и эпоксивинилэфирной смолы. «Корка» нужна для того, чтобы основной слой корпуса из эпоксидной смолы крепко соединился с полиэфирным гелькоутом.

Этап 4. После того, как сформирована «корка», начинается формовка основного слоя — вручную укладывается сухая основа композитного сэндвича: стеклоткань + ПХВ + углеткань. Плетение и направление ткани выкладывается строго в соответствии с техническим проектом.

Этап 5. Корпус формуется методом вакуумной инфузии: конструкция обтягивается вакуумный мешком, из детали откачивается воздух, затем подается эпоксидная смола.

Этап 6. Смола отвердевает в течение 24 часов, затем корпус извлекается из матрицы и на нем начинаются технические работы.

В результате мы получаем эпоксидный корпус из стеклопластика, армированный углеволокном. Композитный сэндвич с ПВХ добавляет поверхностной прочности — корпус легко выдерживает удар кувалдой или столкновение с камнем, но все еще остается достаточно легким. Сочетание этих технологий и материалов позволяет нам строить быстрые и относительно экономичные катамараны, но при этом сохранять адекватную стоимость конечного продукта.

В этой статье мы разобрали большинство материалов и технологий производства. От них во многом зависят качество и технические характеристики готовой лодки: скорость, экономичность, долговечность и, конечно, цена. Но важно понимать, что в этом деле нет черного и белого, нет однозначно правильных или неправильных подходов к производству — каждый из них отвечает определенной задаче.

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector