Todo sobre composite

Los análogos más simples de un compuesto que le vienen a la mente a un principiante son los gofres de confitería y la madera contrachapada. En el primer caso, se ubica un relleno cremoso entre las tortas con proyecciones de malla. La segunda opción son capas de fibra dispuestas perpendicularmente, que se impregnan con una composición adhesiva.

El material compuesto es una combinación de capas de diferentes tipos de materiales que difieren en una serie de propiedades físicas, tecnológicas y mecánicas. Uno de los principales requisitos es la neutralidad, proporcionada por una similitud significativa en las propiedades químicas de las capas utilizadas. Las propiedades tecnológicas y mecánicas, así como una serie de propiedades físicas del compuesto resultante, difieren de los parámetros iniciales análogos de cada una de las capas por separado.

Solo hay dos tipos de capas intermedias en un material compuesto: una matriz con celdas y un relleno. El análogo de construcción más simple de un compuesto es el hormigón armado, formado por un marco de acero, el espacio dentro del cual (y en parte fuera de él) se llena con vertido de hormigón, que se endureció y ganó resistencia dentro de un mes a partir de la fecha de vertido de la solución de hormigón. .

Estructuralmente, los materiales compuestos son fibroso, endurecido en dispersión, parcialmente endurecido (no confundir con endurecimiento parcial, mencionado en el sentido de alguna mejora en los parámetros de composición) y nanométrico.

Ejemplos de materiales compuestos.

• Sellar papel para billetes y documentos que contienen pelos sintéticos que aumentan la resistencia a la tracción y la abrasión. También son uno de los muchos indicadores de la falsificación de un billete.
• Ladrillos de barro con paja incluida. El ladrillo de adobe gana cierta resistencia al agrietamiento.
• Adhesivo epoxi con polvo de metal o madera. Este último se introduce en la composición para ahorrar resina epoxi.
• Carbono que se rompe en impactos multidireccionales. No se agrieta solo cuando los choques y vibraciones coinciden en el vector de su impacto con la dirección en la que se mueve el ciclista. Si golpea el cuadro de una bicicleta de carbono sobre cualquier objeto, por ejemplo, un poste de hormigón, la fibra de carbono se romperá en fragmentos.
• Triplex: capas de vidrio en las viseras delantera y trasera del automóvil, unidas por capas de celuloide. En caso de accidente, se excluye la dispersión de una gran cantidad de fragmentos en forma de cuña, lo que a menudo resulta en la pérdida de visión del conductor involucrado en un accidente.

Entonces, El vidrio blindado para vehículos policiales y militares está hecho de tres o más capas de vidrio templado. - Solo se puede perforar con proyectiles o balas perforantes. El vidrio blindado pertenece a los materiales compuestos laminados. La variedad de desarrollos disponibles en la actualidad divide el material compuesto en docenas de tipos y variedades, cada uno de los cuales tiene una gran demanda en el mercado de servicios de construcción y reparación.

Entonces, hay espejos, rellenos, cuarzo y otros materiales compuestos diseñados para aplicaciones específicas. Las características de cada una de estas especies difieren entre sí. Por ejemplo, los nanocompuestos y microcompuestos sin polímero no se queman.Se carbonizan solo cuando se calientan al menos a cientos de grados Celsius, lo que simplifica su uso a temperaturas inusuales para las condiciones ambientales.

Los materiales compuestos se fabrican de acuerdo con el siguiente esquema. Primero, el componente de la matriz se aplica a las fibras de refuerzo, luego se forman cintas del ingrediente de refuerzo y la propia matriz utilizando un molde de compresión. El material resultante se prensa, se sinteriza y se aplica un recubrimiento adicional a las fibras. Además, el material secundario formado (la siguiente etapa) se envía para volver a prensar, pasa la etapa de aplicación de la matriz en forma de pulverización con la ayuda de plasma. La tercera presión, apretar, es la etapa final. Por lo tanto, la compresión (prensado) se lleva a cabo al menos tres veces.

Los materiales compuestos naturales son ligeros, duraderos y de última generación. Se utilizan principalmente para aviones, incluidos aviones y misiles. Los compuestos sencillos son creados por la propia naturaleza, por ejemplo, anillos de madera, corteza. Los materiales compuestos naturales creados por el hombre son los ladrillos de arcilla, que contienen arena, bloques de cemento y arena con la adición de aserrín y otros.

La fibra de vidrio es reconocida como una de las fibras compuestas clásicas. Es una cinta compuesta de plástico que se adhiere a todo tipo de superficies. Esta matriz mantiene los hilos de fibra de vidrio en su lugar. Gracias a los filamentos de vidrio prensados ​​de esta manera, se asegura la resistencia de este material. El plástico es inherentemente suave y flexible, mientras que el vidrio es duro y quebradizo.

Combinando estas propiedades, es posible obtener un material muy flexible y a la vez sólido, en el que el plástico y el vidrio se complementan. El material compuesto se utiliza para la fabricación de carrocerías para automóviles y embarcaciones a motor. El compuesto de vidrio no se oxida ni se oxida.

Los materiales de construcción más modernos que aparecieron mucho más tarde contienen metal, cerámica y / o polímero como sustancia principal. La clasificación de estos materiales también tiene en cuenta los aditivos no metálicos, como las virutas de madera o el polvo. El compuesto de madera reforzado con plástico, o tablero compuesto (y material laminado hecho con los mismos ingredientes), se usa en la fabricación de muebles y pisos de terrazas o terrazas.

La madera, triturada y mezclada con un polímero fundido a un estado blando, se utiliza como cubierta de cubierta endurecida, sobre la que puede caminar e incluso mover muebles: La tabla o lámina de madera y plástico no se romperá ni agrietará, ya que es un material sólido.

MDF - caja o perfil macizo, que no utiliza resinas sintéticas ni plásticos, sino exclusivamente resinas de origen natural. La madera triturada en astillas y polvo se impregna con esta sustancia y luego pasa por las etapas de sinterización y prensado en el horno. Los productos comunes hechos de MDF son puertas y laminados de alta calidad. Durante la sinterización y el endurecimiento de la resina, se polimerizan: se forma un polímero natural en el que se disuelve el polvo de madera (y se distribuyen las virutas).

El ejemplo más simple es una aleación de aluminio o magnesio reforzada con fibra de carbono. Pero el aluminio se puede complementar con carburo de silicio y la composición de cobre y níquel se puede complementar con grafeno, un subtipo de fibra de carbono.Los materiales compuestos con una matriz metálica son fuertes, tienen una rigidez aceptable para resolver la mayoría de los problemas, son resistentes al desgaste, resistentes a la oxidación y tienen una ligereza relativa en comparación con los productos totalmente metálicos.

Son costosos y difíciles de procesar. Por ejemplo, los elementos de pistón para motores diésel de combustión interna están hechos de compuestos modernos. El revestimiento compuesto para la fachada está hecho de chapa de aluminio, entre cuyas capas se vierte plástico. La tinción ayuda a darle un color diferente a dicho acabado.

En lugar de metal, el material principal del compuesto cerámico, como puede imaginar, es la cerámica. Por ejemplo, como este elemento se utiliza vidrio que contiene boro hecho a base de inclusiones de silicato. Sirve como componente secundario de la matriz y está reforzado con fibra de carbono o inclusiones cerámicas, en cuya función se utiliza carburo de silicio. El compuesto cerámico permite, por ejemplo, hacer frente a la fragilidad de las cerámicas sólidas, creando un refuerzo característico para superar el fenómeno del agrietamiento por torsión.

El compuesto de carburo de carbono es uno de los productos más demandados en el mercado de materiales compuestos., que permite obtener una composición por delante de la fibra de carbono y el composite en cuanto a sus características de resistencia y un indicador de la fiabilidad de las piezas fabricadas a partir de dicha sustancia. Un compuesto de este tipo se utiliza, por ejemplo, en la producción de piezas para un sistema de embrague y freno de automóvil.

Hoy no se detiene el desarrollo de materiales más modernos, que reemplazarían a los que ya han penetrado en el mercado, que cuenta con decenas de miles de tipos de productos elaborados a partir de ellos. Entonces, las dimensiones de las fibras de refuerzo en nanotecnología son 1000 veces más pequeñas que sus predecesoras más largas. Uno de los materiales del futuro son los nanotubos de carbono, a partir de los cuales se fabrican, por ejemplo, palos de hockey. En este ejemplo, la fibra de nanocarbono se recubre con un material compuesto de níquel-cobalto. Este palo es casi tres veces más duradero y una quinta parte más libre de torceduras sin agrietarse que un producto similar hecho de aleación de acero.

Los materiales compuestos endurecidos por dispersión se clasifican como nanomateriales en los que la longitud de las fibras principales se lleva a un valor de 100 nm. Pero en los últimos años, diez nanopartículas se han reducido en longitud a 10 nm; se utiliza un enfoque similar, por ejemplo, en semiconductores y conductores que forman un cristal de un microprocesador, microcontrolador o microcircuitos que forman una memoria electrónica. Se aplican normas estrictamente especificadas a vigas y paneles compuestos: por ejemplo, la rigidez (módulo de Young) debe ser de al menos 130 gigapascales, los materiales deben resistir el desgaste por fatiga y ser dimensionalmente estables. El objetivo es resolver todos estos problemas al mismo tiempo. Desventajas: alto costo debido a la mayor carga de conocimiento intensivo en el desarrollo, implementación y aplicación práctica de estos materiales.

El mercado ruso para la producción de CM produce solo el 3% de los suministros de exportación del nivel mundial. Esto se debe a la falta de documentos reglamentarios uniformes que simplifiquen la producción de materiales de construcción compuestos y, hasta hace poco, el 90% de las materias primas para la producción eran importadas.

Entonces, la producción de plástico reforzado con fibra de carbono en Rusia acaba de comenzar a desarrollarse, mientras que, por ejemplo, China es uno de los principales fabricantes de compuestos. Los nuevos materiales, en cuya creación también participaron científicos rusos, se basan principalmente en el uso de nanopartículas.

Los materiales compuestos se utilizan en la construcción de aeronaves para la producción de ciertos componentes de motores y estructuras de carga de aeronaves. Las industrias espaciales los utilizan para la producción de estructuras portantes y de revestimiento para cohetes y satélites, que experimentan un fuerte calentamiento al entrar en órbita. La industria del automóvil utiliza materiales compuestos para carrocerías y parachoques. La industria minera utiliza CM como material para taladros. La ingeniería civil utiliza CM para la construcción de elementos para puentes y otras estructuras de gran altura.

El principal requisito previo en las diferentes ramas de la ingeniería mecánica es el aligeramiento del peso muerto de los automóviles y equipos especiales, todo tipo de vehículos: hasta el 70% de los componentes son materiales no metálicos. Un piso autonivelante (pisos de vertido), así como escaleras de vertido, implica el uso de un compuesto, en el que, antes de reaccionar con el aire, hay una sustancia semilíquida, posiblemente almibarada. Es fácil aplicar un compuesto de este tipo al contrapiso de hormigón con pegamento epoxi en el que se disuelve el relleno principal.

El cálculo de la viabilidad del uso de CM se basa en el parámetro más importante: la efectividad del uso de tecnologías apropiadas. Las matrices metálicas y no metálicas en la fabricación de un material compuesto más complejo se pueden combinar en una secuencia diferente. A modo de ejemplo, un neumático de bicicleta, en una cinta de correr del que se utilizan varias capas de fibra de refuerzo: nailon, kevlar, alambre de acero fino y compuesto, que permiten aumentar el número de líneas de protección. Gracias a estas tecnologías, los ciclistas no "agarran" espinas y trozos de vidrio, alambres, circulando por el costado de la carretera sin asfalto, caminos de tierra y caminos pedregosos.

Tal neumático no recorrerá uno, sino no menos de veinte mil kilómetros antes de que se gaste tanto que, sin embargo, sus pinchazos se convertirán en algo frecuente. El cálculo del costo de uno de estos neumáticos, en el que este precio puede aumentar 10 veces o más, le permite beneficiarse de una pequeña reducción general en el precio, sin cambiar neumáticos similares hasta 10 veces (este factor se considera un tiempo invertido). sobre manipulaciones de reparación) - al pasar todos esos mismos 20.000 km con los mismos neumáticos.

En este caso, los neumáticos de bicicleta son una especie de multi-compuesto, donde se utilizan varias capas de mejora (matrices), y no una. El cálculo de la producción de un tipo particular de material compuesto se basa en la forma en que se utiliza. Las inclusiones de refuerzo se utilizan como hilos, cintas, tejido fino, componente fibroso o de cuerda. La cantidad de endurecedor en el material en volumen y en peso es del 30 al 80%, dependiendo del propósito de un tipo particular de compuesto.