Alles über Verbundwerkstoffe

Die einfachsten Analoga eines Verbundwerkstoffs, die einem Anfänger in den Sinn kommen, sind Süßwarenwaffeln und Holzsperrholz. Im ersten Fall befindet sich zwischen den Kuchen eine cremige Füllung mit Netzvorsprüngen. Die zweite Möglichkeit sind senkrecht angeordnete Faserschichten, die mit einer Klebstoffzusammensetzung imprägniert sind.

Composite ist eine Kombination aus Schichten unterschiedlicher und unterschiedlicher Materialien, die sich in einer Reihe von physikalischen, technologischen und mechanischen Eigenschaften unterscheiden. Eine der Hauptanforderungen ist die Neutralität, die durch eine signifikante Ähnlichkeit in den chemischen Eigenschaften der verwendeten Schichten gegeben ist. Technologische und mechanische sowie eine Reihe von physikalischen Eigenschaften des erhaltenen Verbundes unterscheiden sich von den analogen Ausgangsparametern jeder der Schichten getrennt.

In einem Verbundwerkstoff gibt es nur zwei Arten von Zwischenschichten: eine Matrix mit Zellen und einen Füllstoff. Das einfachste Konstruktionsanalogon eines Verbundwerkstoffs ist Stahlbeton, der aus einem Stahlrahmen besteht, dessen Raum (und teilweise außerhalb) mit Betonguss gefüllt ist, der innerhalb eines Monats nach dem Gießen der Betonlösung aushärtete und an Festigkeit gewann .

Strukturell sind Verbundwerkstoffe faserig, dispersionsgehärtet, teilgehärtet (nicht zu verwechseln mit partiellem Härten, erwähnt im Sinne einer gewissen Verbesserung der Zusammensetzungsparameter) und nanometrisch.

Beispiele für Verbundwerkstoffe.

• Stempelpapier für Geld und Dokumente mit synthetischen Haaren, die die Reißfestigkeit und den Abrieb erhöhen. Sie sind auch einer der vielen Indikatoren für eine Ticketfälschung.
• Lehmziegel mit Stroh enthalten. Der Lehmziegel erhält eine gewisse Widerstandsfähigkeit gegen Rissbildung.
• Epoxidklebstoff mit Metall- oder Holzpulver. Letzteres wird in die Zusammensetzung eingebracht, um Epoxidharz einzusparen.
• Carbon, das bei multidirektionalen Stößen bricht. Es knackt nicht nur, wenn Stöße und Vibrationen in ihrem Aufprallvektor mit der Bewegungsrichtung des Radfahrers übereinstimmen. Wenn Sie einen Carbon-Fahrradrahmen flach auf einen Gegenstand schlagen, zum Beispiel einen Betonpfosten, dann zerbricht die Carbonfaser in Fragmente.
• Triplex - Glasschichten auf der Front- und Heckscheibe des Autos, die durch Zelluloidschichten zusammengehalten werden. Bei einem Unfall ist die Streuung einer Vielzahl von keilförmigen Bruchstücken ausgeschlossen, was häufig zum Verlust der Sicht des verunfallten Fahrers führt.

So, Panzerglas für Polizei- und Militärfahrzeuge besteht aus drei oder mehr Schichten gehärtetem Glas - es kann nur mit panzerbrechenden Kugeln oder Granaten durchbohrt werden. Panzerglas gehört zu den Verbundwerkstoffen. Die Vielfalt der heute verfügbaren Entwicklungen unterteilt den Verbundwerkstoff in Dutzende von Typen und Varianten, die jeweils auf dem Markt für Bau- und Reparaturdienstleistungen sehr gefragt sind.

So, es gibt Spiegel-, Füllungs-, Quarz- und andere Verbundmaterialien, die für bestimmte Anwendungen entwickelt wurden. Die Eigenschaften jeder dieser Arten unterscheiden sich voneinander. Polymerfreie Nano- und Mikrokomposite brennen beispielsweise nicht.Sie verkohlen erst, wenn sie auf mindestens Hunderte von Grad Celsius erhitzt werden, was ihre Verwendung bei für Raumbedingungen ungewöhnlichen Temperaturen vereinfacht.

Verbundwerkstoffe werden nach folgendem Schema hergestellt. Zuerst wird die Matrixkomponente auf die Verstärkungsfasern aufgebracht, dann werden die Bänder des Verstärkungsbestandteils und die Matrix selbst unter Verwendung einer Pressform geformt. Das resultierende Material wird ausgepresst, gesintert und eine zusätzliche Beschichtung auf die Fasern aufgebracht. Außerdem wird das gebildete Sekundärmaterial (die nächste Stufe) zum erneuten Pressen geschickt, durchläuft die Stufe des Aufbringens der Matrix in Form des Spritzens mit Hilfe von Plasma. Die dritte Pressung - das Quetschen - ist die letzte Stufe. Somit wird das Komprimieren (Pressen) mindestens dreimal ausgeführt.

Natürliche Verbundwerkstoffe sind leicht, langlebig und auf dem neuesten Stand der Technik. Sie werden hauptsächlich für Flugzeuge verwendet, einschließlich Flugzeugen und Raketen. Unkomplizierte Verbunde werden von der Natur selbst geschaffen, zum Beispiel Jahrringe aus Holz, Rinde. Vom Menschen geschaffene natürliche Verbundwerkstoffe sind Tonziegel, die Sand enthalten, Zement-Sand-Blöcke unter Beigabe von Sägemehl und andere.

Glasfaser gilt als eine der klassischen Verbundfasern. Es ist ein Kunststoff-Verbundband, das auf allen Arten von Oberflächen haftet. Diese Matrix hält die Glasfaserstränge an Ort und Stelle. Dank der so gepressten Glasfilamente ist die Festigkeit dieses Materials gewährleistet. Kunststoff ist von Natur aus weich und flexibel, während Glas hart und spröde ist.

Durch die Kombination dieser Eigenschaften ist es möglich, ein sehr flexibles und gleichzeitig festes Material zu erhalten, bei dem sich Kunststoff und Glas ergänzen. Der Verbundstoff wird zur Herstellung von Karosserien für Autos und Motorboote verwendet. Glasverbund rostet oder oxidiert nicht.

Modernere Baustoffe, die viel später auftauchten, enthalten als Hauptsubstanz Metall, Keramik und / oder Polymer. Bei der Einstufung dieser Materialien werden auch nichtmetallische Zusätze wie Holzspäne oder Staub berücksichtigt. Kunststoffverstärkte Holzverbundwerkstoffe oder Verbundplatten (und Plattenmaterial aus den gleichen Zutaten) werden in der Möbelherstellung und bei Veranda- oder Terrassenböden verwendet.

Holz, zerkleinert und mit einem weich geschmolzenen Polymer vermischt, wird als gehärteter Terrassenbelag verwendet, auf dem Sie laufen und sogar Möbel bewegen können: Holzplastikplatten oder -platten brechen oder reißen nicht, da es sich um ein festes Material handelt.

MDF - Kasten- oder Vollprofil, die kein Kunstharz oder Kunststoff verwendet, sondern ausschließlich Harze natürlichen Ursprungs. Zu Spänen und Staub zerkleinertes Holz wird mit dieser Substanz imprägniert und durchläuft dann die Sinter- und Pressstufen im Ofen. Übliche Produkte aus MDF sind hochwertige Türen und Laminat. Beim Sintern und Aushärten des Harzes polymerisieren sie - es entsteht ein natürliches Polymer, in dem sich Holzstaub auflöst (und Späne verteilt).

Das einfachste Beispiel ist eine kohlenstofffaserverstärkte Aluminium- oder Magnesiumlegierung. Aber Aluminium kann mit Siliziumkarbid ergänzt werden, und die Kupfer-Nickel-Zusammensetzung kann mit Graphen, einer Unterart der Kohlefaser, ergänzt werden.Verbundwerkstoffe mit Metallmatrix sind stark, haben eine akzeptable Steifigkeit zur Lösung der meisten Probleme, sind verschleißfest, oxidationsbeständig und haben eine relative Leichtigkeit im Vergleich zu Ganzmetallprodukten.

Sie sind teuer und schwer zu verarbeiten. Kolbenelemente für Diesel-Verbrennungsmotoren werden beispielsweise aus modernen Verbundwerkstoffen hergestellt. Die Verbundverkleidung für die Fassade besteht aus Aluminiumblech, zwischen dessen Schichten Kunststoff gegossen wird. Das Färben hilft, einem solchen Finish eine andere Farbe zu verleihen.

Anstelle von Metall ist das Hauptmaterial des keramischen Verbundwerkstoffs, wie Sie sich vorstellen können, Keramik. Als dieses Element wird beispielsweise borhaltiges Glas auf der Basis von Silikateinschlüssen verwendet. Es dient als sekundäre Matrixkomponente und ist mit Kohlefaser- oder Keramikeinschlüssen verstärkt, in deren Rolle Siliziumkarbid eingesetzt wird. Der keramische Verbund ermöglicht beispielsweise, die Sprödigkeit von Vollkeramik zu bewältigen und eine charakteristische Verstärkung zu schaffen, um das Phänomen der Knickrissbildung zu überwinden.

Kohlenstoff-Karbid-Verbundwerkstoffe sind eines der am meisten nachgefragten Produkte auf dem Markt für Verbundwerkstoffe., die es ermöglicht, eine Zusammensetzung zu erhalten, die hinsichtlich ihrer Festigkeitseigenschaften den Kohlefasern und Verbundwerkstoffen voraus ist und ein Indikator für die Zuverlässigkeit von Werkstücken aus einem solchen Material ist. Ein solcher Verbund wird beispielsweise bei der Herstellung von Teilen für ein Kraftfahrzeug-Brems- und Kupplungssystem verwendet.

Heutzutage hört die Entwicklung modernerer Materialien nicht auf, die diejenigen ersetzen würden, die bereits den Markt durchdrungen haben, auf dem Zehntausende von Arten von Produkten daraus hergestellt werden. So, Die Abmessungen von Verstärkungsfasern in der Nanotechnologie sind 1000-mal kleiner als bei ihren längeren Vorgängern. Eines der Materialien der Zukunft sind Carbon Nanotubes, aus denen beispielsweise Hockeyschläger hergestellt werden. In diesem Beispiel ist die Nanokohlenstofffaser mit einem Nickel-Kobalt-Verbundmaterial beschichtet. Dieser Schläger ist fast dreimal so stark und ein Fünftel knickfreier ohne zu reißen als ein ähnliches Produkt aus einer Stahllegierung.

Dispersionsgehärtete Verbundwerkstoffe werden als Nanomaterialien klassifiziert, bei denen die Länge der Hauptfasern auf einen Wert von 100 nm gebracht wird. Aber in den letzten Jahren sind zehn Nanopartikel auf 10 nm geschrumpft – ein ähnlicher Ansatz wird beispielsweise bei Halbleitern und Leitern verwendet, die einen Kristall eines Mikroprozessors, Mikrocontrollers oder Mikroschaltungen bilden, die einen elektronischen Speicher bilden. Für Verbundträger und -platten gelten streng festgelegte Standards: So muss beispielsweise die Steifigkeit (Young-Modul) mindestens 130 Gigapascal betragen, die Materialien müssen ermüdungsbeständig und formstabil sein. Ziel ist es, all diese Probleme gleichzeitig zu lösen. Nachteile - hohe Kosten durch den erhöhten wissensintensiven Aufwand bei der Entwicklung, Implementierung und praktischen Anwendung dieser Materialien.

Der russische Markt für die Herstellung von CM macht nur 3% der weltweiten Exportlieferungen aus. Dies liegt an dem Fehlen einheitlicher regulatorischer Dokumente, die die Herstellung von Verbundbaustoffen vereinfachen, und bis vor kurzem wurden 90 % der Rohstoffe für die Produktion importiert.

So, Die Produktion von kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff in Russland hat gerade erst begonnen, sich zu entwickeln, während beispielsweise China einer der führenden Hersteller von Verbundwerkstoffen ist. Neue Materialien, an deren Entwicklung auch russische Wissenschaftler beteiligt waren, basieren hauptsächlich auf der Verwendung von Nanopartikeln.

Verbundwerkstoffe werden im Flugzeugbau zur Herstellung bestimmter Triebwerkskomponenten und Flugzeugtragstrukturen verwendet. Die Raumfahrtindustrie verwendet sie zur Herstellung von Trag- und Verkleidungsstrukturen für Raketen und Satelliten, die beim Eintritt in die Umlaufbahn einer starken Erwärmung ausgesetzt sind. Die Automobilindustrie verwendet Verbundwerkstoffe zur Herstellung von Karosserien und Stoßfängern. Der Bergbau verwendet CM als Bohrmaterial. Der Tiefbau verwendet CM für den Bau von Brückenelementen und anderen Hochhäusern.

Die Hauptvoraussetzung in verschiedenen Bereichen des Maschinenbaus ist die Reduzierung des Eigengewichts von Autos und Sondergeräten, Fahrzeugen aller Art: bis zu 70 % der Komponenten sind nichtmetallisches Material. Bei einem selbstnivellierenden Boden (Gießböden) sowie bei Gießtreppen wird ein Verbundwerkstoff verwendet, in dem sich vor der Reaktion mit Luft eine halbflüssige, möglicherweise sirupartige Substanz befindet. Dieser Verbund lässt sich einfach mit Epoxidkleber, in dem der Grundfüller gelöst ist, auf den Betonunterboden auftragen.

Die Berechnung der Machbarkeit des Einsatzes von CM basiert auf dem wichtigsten Parameter - der Effektivität des Einsatzes geeigneter Technologien. Metallische und nichtmetallische Matrizen bei der Herstellung eines komplexeren Verbundes können in unterschiedlicher Reihenfolge kombiniert werden. Als Beispiel ein Fahrradreifen, bei dem in einem Laufband mehrere Schichten von Verstärkungsfasern verwendet werden: Nylon, Kevlar, dünner Stahldraht und Mischung, die es ermöglichen, die Anzahl der Schutzlinien zu erhöhen. Dank dieser Technologien "greifen" Radfahrer nicht nach Dornen und Glasstücken, Draht, die sich ohne Asphalt, Feldwege und steinige Straßen am Straßenrand bewegen.

Ein solcher Reifen wird nicht einen, aber nicht weniger als zwanzigtausend Kilometer zurücklegen, bevor er so abgenutzt ist, dass seine Reifenpannen dennoch häufig vorkommen. Die Berechnung der Kosten eines solchen Reifens, bei denen sich dieser Preis um das 10-fache oder mehr erhöhen kann, ermöglicht es Ihnen, von einer kleinen allgemeinen Preisreduzierung zu profitieren, ohne ähnliche Reifen bis zu 10-mal zu wechseln (dieser Faktor wird als Zeitaufwand betrachtet) bei Reparaturmanipulationen) - wenn alle die gleichen 20.000 km auf den gleichen Reifen durchlaufen.

Fahrradreifen sind in diesem Fall eine Art Multi-Composite, bei dem mehrere Verstärkungsschichten (Matrizen) verwendet werden und nicht eine. Die Berechnung der Herstellung eines bestimmten Verbundwerkstofftyps basiert auf der Form, in der er verwendet wird. Verstärkungseinschlüsse werden als Fäden, Bänder, dünne Gewebe-, Faser- oder Seilkomponenten verwendet. Die Menge an Härter im Material nach Volumen und Gewicht beträgt 30-80%, je nach Verwendungszweck eines bestimmten Verbundtyps.