Алюминий композитный что это такое

Об алюминиевых композитных панелях

Многие здания современных городов отличаются сложностью архитектурных форм. Большинство из этих сложных конструкций, скорее всего, выполнено с применением алюминиевых композитных панелей. Алюминиевые композитные панели (АКП) дали архитекторам возможность воплотить самые невероятные проекты, которые еще 50 лет назад казались бы совершенно нереальными.

Ниже представлен краткий обзор по алюминиевым композитным панелям. Особое внимание уделяется устройству панелей, технологии их изготовления, применяемым материалам, особенностям обработки, противопожарным характеристикам.

Применение алюминиевых композитных панелей

Области применения алюминиевых композитных панелей:

наружная отделка вентилируемых навесных фасадов новых и реконструируемых зданий (рисунок 1);

облицовка балконов, карнизов и навесов;

облицовка внутренних стен и потолков;

облицовка автозаправок, тоннелей и колонн;

вывески, информационные и выставочные стенды;

различные специальные и нестандартные объекты.

Рисунок 1 — Пример применения алюминиевых композитных панелей

Устройство алюминиевых композитных панелей

Алюминиевая композитная панель состоит из двух алюминиевых листов, между которыми находится сердцевина из термопластичного наполнителя (рисунок 2):

полиэтилена низкой плотности или

минерального негорючего состава с полимерным связующим материалом.

Эти два типа алюминиевых композитных панелей обозначаются в зарубежных документах PE (polyethelene) и FR (fire resistant или fire retardant [1]).

Рисунок 2 — Строение типичной алюминиевой композитной панели c полиэтиленовым наполнением [2]

Серцевина, полиэтиленовая или минеральная, прочно соединена с алюминиевыми листами с помощью адгезивных материалов, которые вводятся в процессе изготовления панели.

За рубежом стандартная толщина алюминиевой композитной панели составляет 4 мм: два листа алюминия по 0,5 мм и сердцевина толщиной 3 мм. Между тем, в России в целях удешевления продукции в основном применяют два листа алюминия по 0,4 мм и сердцевину 3,2 мм.

Для повышения долговечности панелей в особых условиях они могут иметь алюминиевую оболочку толщиной 0,8 мм, а общая толщина панели быть 3 или 6 мм.

Кроме того, бывают облегченные алюминиевые композитные панели с общей толщиной 2 и 3 мм и толщиной алюминиевых листов 0,3 мм и даже 0,21 мм [2]. Такие панели в строительстве не применяют, из них изготавливают, например, информационные и рекламные щиты.

Стандартная ширина панелей обычно составляет от 1000 до 1500 мм, а длина — от 2000 до 8000 мм.

В композитных панелях применяют листы из алюминиево-марганцевого сплава 3103, а также из марки алюминия 1100 и алюминиево-магниевого сплава 5005. Самую высокую прочность и лучшую коррозионную стойкость обеспечивают листы из сплава 5005.

Защитные и декоративные покрытия

Чтобы защитить алюминиевую оболочку от коррозии и придать ей привлекательный внешний вид, на обе ее наружные поверхности наносят специальное защитное покрытие, а на видимую поверхность дополнительно наносят декоративное покрытие. Обычно это покрытия на основе фторополимеров, чаще всего, поливинилиденфторида, ПВДФ (PVDF), а также полиэстерные покрытия.

Металлические композитные панели

Кроме алюминия в качестве материала наружной оболочки панели могут применяться и другие металлы, такие как медь, нержавеющая сталь, цинк или титан. Такие панели называют металлическими композитными панелями (МКП). Хотя алюминий, конечно, также является металлом, к металлическим композитным панелям обычно относят панели, металлическая оболочка которых остается без защитно-декоративного покрытия. При установке на здание эти коррозионностойкие оболочки визуально не отличаются от цельных листов из тех же меди, нержавеющей стали, цинка и титана. Медь и цинк со временем формируют естественную патину, тогда как нержавеющая сталь и титан сохраняют неизменным свой первоначальный внешний вид.

Технологии изготовления алюминиевых композитных панелей

Для изготовления алюминиевых композитных панелей применятся несколько различных технологий. Пример одной из таких технологий показан на рисунке 3.

Рисунок 3 — Технология изготовления алюминиевых композитных панелей [2]

Экструдер прессует полиэтленовый лист, который подается по конвейеру в обжимной пресс. На прессе установлены две бухты с алюминиевыми листами, верхний и нижний. Во время движения по конвейeру полиэтиленовый лист разогревается в печи и подается между валками пресса. Валки подают в зону прессования верхний и нижний алюминиевые листы, на которые наносят адгезионный слой или пленку. В зоне прессования происходит прочное адгезионное соединение алюминиевых листов с полимерной сердцевиной.

Преимущества алюминиевых композитных панелей

Преимуществами алюминиевых композитных панелей являются [3]:

высокая жесткость и стойкость к короблению;

стойкость к климатическим воздействиям: от минус 50 ºС до плюс 80 ºС;

долговечность и высокая коррозионная стойкость;

высокие характеристики звуко- и теплоизоляции;

удобство механической обработки и формовки.

Обработка алюминиевых композитных панелей

Резание и фрезерование

Алюминиевые композитные панели намного удобнее и легче обрабатывать, чем цельные алюминиевые листы. Порезку алюминиевых композитных панелей часто производят с помощью обычной циркулярной пилы с карбидными насадками. Иногда применяют резку на гильотине, однако в этом случае могут возникать смятие торцов, а плоскость среза может отклоняться от прямого угла на 5°. Фрезерование производят вручную или с применением станков с ЧПУ (рисунок 4) [4].

Рисунок 4 — Фрезерование заготовки для композитной панели на станке с ЧПУ [4]

Фрезерование и формирование углов

При фрезеровке выемки в панели для формовки углов типа (а) и (в) на рисунке 5 необходимо оставлять слой полиэтилена в точке изгиба толщиной в зависимости от толщины алюминиевого листа. Выполнить хороший гиб при толщине полиэтилена более 0,5 мм в этих случаях затруднительно. С другой стороны, если остающийся слой полиэтилена будет очень тонким, то это может приводить к разрушению алюминия, а практическое отсутствие наполнителя в месте гиба делает его слабым к воздействию ударов. При формовке угла по типу (б) оставляют слой наполнителя около 1,0 мм. Простые способы формирования коробчатых углов показаны на рисунке 6.

Рисунок 5 — Фрезерование пазов под формовку углов [4]

Рисунок 6 — Способы выполнения коробчатых углов [4]

Цилиндрическая гибка

Алюминиевые композитные панели можно легко гнуть и формовать на заданный радиус или на прессе с одиночным роликом, для небольших радиусов гибки, или на трехвалковом гибочном станке. Для предотвращения смятия панели между ней и гибочными роликами прокладывают мягкий материал.

Учет температурного расширения

Вентилируемые фасады с композитными панелями

Современные технологии навесных вентилируемых фасадов позволяют применение различных видов материалов для наружной облицовки любых типов зданий. Алюминиевые композитные панели дают возможность реализовывать самые выразительные архитектурные формы.

Вентилируемые фасады состоят из декоративной облицовки, теплоизоляционного слоя и алюминиевого несущего каркаса (подконструкции). Между теплоизоляционным слоем и облицовкой предусмотрен вентилируемый зазор. Благодаря такой конструкции теплоизоляция предотвращает здание от перегрева летом и тепловых потерь зимой.

Важнейшими свойствами навесных вентилируемых фасадов являются:

способность выравнивать «кривые» стены;

минимизация ветровых нагрузок на стены здания;

защита стен от холодного ветра и прямого солнечного излучения.

Алюминиевые композитные панели дают навесным вентилируемым фасадам дополнительные преимущества:

декоративное покрытие с имитацией любого типа материала;

высокая долговечность защитно-декоративного покрытия;

монтаж на строительной площадке практически в любую погоду;

минимальные нагрузки на несущие стены;

простота установки и краткие сроки монтажа фасадов;

возможность обработки панелей прямо на строительной площадке.

Алюминиевые композитные кассеты

Эти облицовочные элементы имеют сформированные углы со всех четырех сторон (рисунок 7). Их изготавливают в соответствии с чертежами на облицовку конкретных зданий. Коробчатая трехмерная форма кассет обеспечивает им хорошую плоскостность даже при больших размерах. Крепление кассет производят с помощью заклепок, болтов или специальных корнштейнов.

Рисунок 7 — Пример алюминиевых композитных кассет:
а — развертка кассеты, б — готовая кассета

Пожарная безопасность алюминиевых композитных панелей

В Европе степень горючести строительных материалов определяют в соответствии с европейским стандартом EN 13501, а также немецким стандартом DIN 4102. Согласно DIN 4102 к негорючим материалам относятся материалы категории А1, например, сталь, гранит и кирпич, а также материалы категории А2, например, цельные алюминиевые листы. К категории В1 относятся трудногорючие материалы, а к категории В2 — среднегорючие материалы.

Самые лучшие алюминиевые композитные панели с минеральным наполнителем могут достигать противопожарных характеристик группы А2. Только такие панели разрешается устанавливать в Германии в зданиях выше восьмого этажа. Большинство панелей с минеральными наполнителями относятся к группе В1 — их устанавливают на офисных зданиях, общественных зданиях, школах. Алюминиевые композитные панели с наполнителем из первичного полиэтилена и негорючими добавками обычно относятся к группе В2. Облицовочные материалы этой категории применяют в основном для малоэтажных частных зданий [1].

Источники:

1. Aluminium Composite Panels, World Architecture, Dec/2009

2. European Patent EP 2 420 380 A1, 2010

3. Neobond Aluminium Composite Panels Description, 2008

4. Reynobond Fabrication Guide, ALCOA, 2010

ООО «Алюком»
г. Москва, ул. Нагатинская, д. 16, стр. 9, офис 2-5

Тел.: +7 (495) 268 0444
E-mail: info@alucom.ru

Производство и склад: Калужская обл., г. Малоярославец, ул. Калужская, 64.

Источник

Алюминиевые композитные панели: виды, характеристики, размеры, монтаж

Из всех облицовочных материалов именно алюминиевые композитные панели (АКП) целесообразно использовать для монтажа вентилируемого фасада. Широкая популярность алюминиевых панелей обусловлена повышенной механической прочностью, пластичностью, устойчивостью к атмосферным осадкам, кроме того, материал практически не поддается коррозии и отличается оригинальным дизайном.

Данная статья полностью посвящена алюминиевым композитным материалам. В соответствующих разделах будут описаны конструкция, виды и область использования АКП. Отдельно будет рассмотрена технология крепления алюминиевых композитных плит. В качестве дополнительной информации, приводится перечень ведущих производителей, продукция которых пользуется повышенным спросом, как в широкомасштабном строительстве, так и в частном секторе.

Что такое композитные панели из алюминия

Алюминиевые композитные панели это прочный и пластичный облицовочный материал с высокими теплоизоляционными свойствами.

Высокие прочностные характеристики и пластичность плиты обеспечивается двумя алюминиевыми слоями, толщина которых может составлять от 0,2 до 0,5 мм. В роли наполнителя, чаще всего, выступают негорючие полиолефины или минеральный теплоизолятор, которые скрепляются с основой посредством молекулярных клеевых составов.

На лицевую часть панели наносится полимерное PVDF напыление, которое имеет высокую износостойкость и устойчиво к атмосферному воздействию. Тыльная сторона панели покрывается защитным покрытием РЕ, предотвращающим воздействие на алюминиевую основу агрессивных химических соединений. Для предотвращения порчи панелей во время транспортировки и хранения, лицевая часть покрывается защитной пленкой, которая снимается после завершения монтажных работ.

Виды алюминиевых композитных панелей

Классифицировать композитные панели из алюминия можно по типу наполнителя и материалу защитного слоя.

Классификация по типу наполнителя

Вид наполнителя обуславливает область применения, класс горючести, тепло- и звукоизоляционные свойства панелей.

С минеральным наполнителем

Композитные алюминиевые панели с минеральными наполнителями относятся к классу слабогорючих материалов (Г1). Даже в случае пожара не наблюдается выделение токсичных веществ и растекание расплавленной массы. Некоторые производители используют в качестве добавки к минеральному наполнителю гидроксид алюминия, что существенно увеличивает огнестойкость изделия.

С полимерным наполнителем

В полимерных АКП наполнителем может служить поликарбонат, вспененный полиэтилен и другие полимеры. Эта разновидность панелей отличается небольшим удельным весом и высокой механической прочностью, что значительно снижает нагрузку фундамент и несущие конструкции здания. Чаще всего, полимерные алюминиевые панели используются для облицовки легких построек и декорирования.

Сотовые алюминиевые композитные панели

В качестве промежуточного слоя в таких АКП используется каркас из алюминиевых пластин. Для армированных панелей характерны высокая механическая прочность, жесткость и способность выдерживать значительные ветровые нагрузки. Помимо этого, армированные панели обладают высокой огнестойкостью, что позволяет применять материал для облицовки многоэтажных зданий.

Классификация по типу защитного покрытия

Для защиты алюминиевых композитных панелей от внешних атмосферных и механических воздействий, на лицевую поверхность могут наноситься различные виды защитно-декоративных покрытий.

Размеры и характеристики композитных алюминиевых панелей

Технология изготовления АКП позволяет наладить производство панелей любых размеров, в соответствии с пожеланиями заказчика, однако существуют и стандартные габариты. Рассмотрим основные эксплуатационные характеристики и размеры композитных панелей на примере модельного ряда компании «Алюминстрой».

Габаритные размеры АКП«Алюминстрой»

Эксплуатационные свойства АКП «Алюминстрой»

Удельный вес, кг/м 3

Минимальная прочность при растяжении, МПа

Минимальная прочность при изгибе, МПа

Коэффициент удлинения при растяжении, %

Допустимая нагрузка при изгибе, МПа

Нагрузка, вызывающая расслоение панели, Н/мм

Модуль упругости при изгибе, МПа

Рабочий температурный диапазон, 0 С

Пожарно-технические свойства АКП «Алюминстрой»

Класс конструкционной пожарной опасности

Минимальная теплота сгорания, МДж/кг

Преимущества и недостатки композитных панелей на алюминиевой основе

Главными преимуществами АКП, обеспечившими им широкую популярность, являются:

К недостаткам композитных материалов из алюминия можно отнести следующие особенности:

Кроме того, стоимость АКП значительно выше стоимости других облицовочных материалов.

Область применения алюминиевых композитных панелей

В современном строительстве и дизайне АКМ широко применяются при:

Технология монтажа композитных алюминиевых панелей

Монтаж АКП относительно прост и производится в следующей последовательности:

Способы обработки композитных материалов

Для получения необходимой конфигурации композитной панели могут использоваться следующие виды обработки:

Важно! При порезке АКП не следует использовать болгарку, поскольку значительное увеличение температуры в зоне резания может повредить защитно-декоративное покрытие. После завершения работы срез необходимо обработать специальным полимерным составом.

Ведущие производители алюминиевых панелей для фасада

В настоящее время наибольшим спросом пользуются композитные алюминиевые материалы следующих производителей:

«Алкотек»

Продукция производственного объединения «Алкотек» давно пользуется заслуженным спросом у отечественных застройщиков. Высокое качество выпускаемых композитных панелей и большой выбор расцветок позволяют применять АКП «Алкотек» для воплощения любых дизайнерских решений.

«Алюкобонд»

Компания работает на российском рынке более 15 лет, и за это время успело занять лидирующие позиции в области производства композитных алюминиевых материалов. Чаще всего, АКП «Алюкобонд» применяются для монтажа вентилируемых фасадов различной сложности. Кроме этого, материал нашел самое широкое применение при изготовлении рекламных конструкций и малых архитектурных форм. Широкий выбор расцветок и текстур позволяет использовать АКП «Алюкобонд» не только для наружных работ, но и для внутренней отделки.

«Билдекс»

Композитные материалы от компании «Билдекс» широко используются при декоративной облицовке фасадов, монтаже рекламных конструкций, а также при внутренней отделке жилых и офисных помещений. Длительный период эксплуатации и высокая износостойкость изделий обеспечиваются специальным защитно-декоративным PVDF покрытием. Большой выбор текстур и расцветок позволяет подобрать материал, идеально соответствующий общей архитектурной концепции или дизайнерскому решению.

При стандартной ширине 1220 и 1500 мм, длина плиты может варьироваться в пределах от 2000 до 6000 мм, в соответствии с требованиями клиента. В зависимости от назначения, толщина кассеты может быть 3 или 4 мм.

«Голдстар»

АКП «Goldstar» выпускаются производственным объединением «Алюминстрой». Инновационная технология производства и использование новейшего оборудования позволили наладить выпуск композитных панелей, соответствующих всем существующим стандартам качества и пожарной безопасности. Модельный ряд компании включает в себя несколько серий, наибольшей популярностью, среди которых, пользуются: «Хамелеон», «Жемчуг», «Classic» и «Кварц».

Стандартная длина плит составляет 4000 мм, однако, при необходимости, могут быть изготовлены плиты любой длины в диапазоне от 1850 до 6000 мм.

«Краспан»

Еще один российский производитель композитных материалов, качество которых не уступает зарубежным аналогам. Основными особенностями алюминиевых композитных плит «Краспан» являются высокая огнестойкость и прочность. Пластичность изделий позволяет производить облицовку фасадов, имеющих сложную конфигурацию, в том числе, радиусные элементы. Разнообразие цветовых решений и текстур дает возможность воплощать в жизнь самые оригинальные дизайнерские разработки.

Помимо облицовочных плит Компания «Краспан» производит элементы несущих систем для устройства вентилируемых фасадов и возведения различных строительных конструкций.

«Grossbond»

АКП «Grossbond» относятся к классу универсальных отделочных материалов. Основной областью применения композитных плит «Grossbond» является облицовка фасадов, кроме того, материал активно используется при создании интерьеров, изготовлении вывесок, указателей, рекламных щитов и специальной мебели.

Панели «Grossbond» полностью отвечают всем требованиям пожарной безопасности, что подтверждается наличием соответствующих сертификатов. Помимо композитных материалов, компания производит элементы подсистем из конструкционной оцинкованной стали алюминиевых сплавов.

Стремительное развитие строительных технологий позволяет значительно ускорить процесс проведения строительно-монтажных работ. Применение алюминиевых композитных панелей не только дает возможность в кратчайшие сроки произвести облицовку или изготовить рекламную конструкцию, но и обеспечивает длительный срок службы и высокие эстетические характеристики фасада.

Источник

Композит: состав,строение,описание,алюминиевые композитные панели,фото,видео.

Содержание статьи

1. Общие сведения о композиционных материалах..

2. Состав и строение композита..

3. Оценка матрицы и упрочнителя в формировании свойств композита..

3.1. Композиционные материалы с металлической матрицей

3.2. Композиционные материалы с неметаллической матрицей

4. Строительные материалы – композиты..

4.1. Полимеры в строительстве.

4.2. Композиты и бетон..

4.3. Алюминиевые композитные панели..

В начале XXI века задаются вопросом о будущих строительных материалах. Бурное развитие науки и техники затрудняет прогнозирование: еще четыре десятилетия назад не было широкого применения полимерных строительных материалов, а о современных «истинных» композитах было известно только узкому кругу специалистов. Тем не менее, можно предположить, что основными строительными материалами также будут металл, бетон и железобетон, керамика, стекло, древесина, полимеры. Строительные материалы будут создаваться на той же сырьевой основе, но с применением новых рецептур компонентов и технологических приемов, что даст более высокое эксплуатационное качество и соответственно долговечность и надежность. Будет максимальное использование отходов различных производств, отработавших изделий, местного и домашнего мусора. Строительные материалы будут выбираться по экологическим критериям, а их производство будет основываться на безотходных технологиях.

Уже сейчас имеется обилие фирменных названий отделочных, изоляционных и других материалов, которые в принципе отличаются только составом и технологией. Этот поток новых материалов будет увеличиваться, а их эксплуатационные свойства совершенствоваться с учетом суровых климатических условий и экономии энергетических ресурсов России.

1. Общие сведения о композиционных материалах

Композицио́нный материа́л — неоднородный сплошной материал, состоящий из двух или более компонентов, среди которых можно выделить армирующие элементы, обеспечивающие необходимые механические характеристики материала, и матрицу (или связующее), обеспечивающую совместную работу армирующих элементов.

Механическое поведение композита определяется соотношением свойств армирующих элементов и матрицы, а также прочностью связи между ними. Эффективность и работоспособность материала зависят от правильного выбора исходных компонентов и технологии их совмещения, призванной обеспечить прочную связь между компонентами при сохранении их первоначальных характеристик.

В результате совмещения армирующих элементов и матрицы образуется комплекс свойств композита, не только отражающий исходные характеристики его компонентов, но и включающий свойства, которыми изолированные компоненты не обладают. В частности, наличие границ раздела между армирующими элементами и матрицей существенно повышает трещиностойкость материала, и в композитах, в отличие от металлов, повышение статической прочности приводит не к снижению, а, как правило, к повышению характеристик вязкости разрушения.

Преимущества композиционных материалов:

высокая удельная прочность

высокая жёсткость (модуль упругости 130…140 ГПа)

высокая усталостная прочность

из КМ возможно изготовить размеростабильные конструкции

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

Недостатки композиционных материалов

Большинство классов композитов (но не все) обладают недостатками:

повышенная наукоёмкость производства, необходимость специального дорогостоящего оборудования и сырья, а следовательно развитого промышленного производства и научной базы страны

2. Состав и строение композита

Композиты — многокомпонентные материалы, состоящие из полимерной, металлической., углеродной, керамической или др. основы (матрицы), армированной наполнителями из волокон, нитевидных кристаллов, тонкодиспeрсных частиц и др. Путем подбора состава и свойств наполнителя и матрицы (связующего), их соотношения, ориентации наполнителя можно получить материалы с требуемым сочетанием эксплуатационных и технологических свойств. Использование в одном материале нескольких матриц (полиматричные композиционные материалы) или наполнителей различной природы (гибридные композиционные материалы) значительно расширяет возможности регулирования свойств композиционных материалов. Армирующие наполнители воспринимают основную долю нагрузки композиционных материалов.

По структуре наполнителя композиционные материалы подразделяют на волокнистые (армированы волокнами и нитевидными кристаллами), слоистые (армированы пленками, пластинками, слоистыми наполнителями), дисперсноармированные, или дисперсно-упрочненные (с наполнителем в виде тонкодисперсных частиц). Матрица в композиционных материалах обеспечивает монолитность материала, передачу и распределение напряжения в наполнителе, определяет тепло-, влаго-, огне — и хим. стойкость.

По природе матричного материала различают полимерные, металлические, углеродные, керамические и др. композиты.

Наибольшее применение в строительстве и технике получили композиционные материалы, армированные высокопрочными и высокомодульными непрерывными волокнами. К ним относят: полимерные композиционные материалы на основе термореактивных (эпоксидных, полиэфирных, феноло-формальд., полиамидных и др.) и термопластичных связующих, армированных стеклянными (стеклопластики), углеродными (углепластики), орг. (органопластики), борными (боропластики) и др. волокнами; металлич. композиционные материалы на основе сплавов Al, Mg, Cu, Ti, Ni, Сг, армированных борными, углеродными или карбидкремниевыми волокнами, а также стальной, молибденовой или вольфрамовой проволокой;

Композиционные материалы на основе углерода, армированного углеродными волокнами (углерод-углеродные материалы); композиционные материалы на основе керамики, армированной углеродными, карбидокремниевыми и др. жаростойкими волокнами и SiC. При использовании углеродных, стеклянных, арамидных и борных волокон, содержащихся в материале в кол-ве 50-70%, созданы композиции (см. табл) с уд. прочностью и модулем упругости в 2-5 раз большими, чем у обычных конструкционных материалов и сплавов. Кроме того, волокнистые композиционные материалы превосходят металлы и сплавы по усталостной прочности, термостойкости, виброустойчивости, шумопоглощению, ударной вязкости и др. свойствам. Так, армирование сплавов Аl волокнами бора значительно улучшает их механические характеристики и позволяет повысить т-ру эксплуатации сплава с 250-300 до 450-500 °С. Армирование проволокой (из W и Мо) и волокнами тугоплавких соединений используют при создании жаропрочных композиционных материалов на основе Ni, Cr, Co, Ti и их сплавов. Так, жаропрочные сплавы Ni, армированные волокнами, могут работать при 1300-1350 °С. При изготовлении металлических волокнистых композиционных материалов нанесение металлической матрицы на наполнитель осуществляют в основном из расплава материала матрицы, электрохимическим осаждением или напылением. Формование изделий проводят гл. обр. методом пропитки каркаса из армирующих волокон расплавом металла под давлением до 10 МПа или соединением фольги (матричного материала) с армирующими волокнами с применением прокатки, прессования, экструзии при нагр. до т-ры плавления материала матрицы.

Один из общих технологических методов изготовления полимерных и металлич. волокнистых и слоистых композиционные материалы — выращивание кристаллов наполнителя в матрице непосредственно в процессе изготовления деталей. Такой метод применяют, напр., при создании эвтектич. жаропрочных сплавов на основе Ni и Со. Легирование расплавов карбидными и интерметаллич. соед., образующими при охлаждении в контролируемых условиях волокнистые или пластинчатые кристаллы, приводит к упрочнению сплавов и позволяет повысить т-ру их эксплуатации на 60-80 oС. композиционные материалы на основе углерода сочетают низкую плотность с высокой теплопроводностью, хим. стойкостью, постоянством размеров при резких перепадах т-р, а также с возрастанием прочности и модуля упругости при нагреве до 2000 °С в инертной среде. О методах получения углерод-углеродных композиционные материалы см. Углепластики. Высокопрочные композиционные материалы на основе керамики получают при армировании волокнистыми наполнителями, а также металлич. и керамич. дисперсными частицами. Армирование непрерывными волокнами SiC позволяет получать композиционные материалы, характеризующиеся повыш. вязкостью, прочностью на изгиб и высокой стойкостью к окислению при высоких т-рах. Однако армирование керамики волокнами не всегда приводит к значит. повышению ее прочностных св-в из-за отсутствия эластичного состояния материала при высоком значении его модуля упругости. Армирование дисперсными металлич. частицами позволяет создать керамико-металлич. материалы (керметы), обладающие повыш. прочностью, теплопроводностью, стойкостью к тепловым ударам. При изготовлении керамич. композиционные материалы обычно применяют горячее прессование, прессование с послед. спеканием, шликерное литье (см. также Керамика). Армирование материалов дисперсными металлич. частицами приводит к резкому повышению прочности вследствие создания барьеров на пути движения дислокаций. Такое армирование гл. обр. применяют при создании жаропрочных хромоникелевых сплавов. Материалы получают введением тонкодисперсных частиц в расплавленный металл с послед. обычной переработкой слитков в изделия. Введение, напр., ТhO2 или ZrO2 в сплав позволяет получать дисперсноупрочненные жаропрочные сплавы, длительно работающие под нагрузкой при 1100-1200 °С (предел работоспособности обычных жаропрочных сплавов в тех же условиях — 1000-1050 °С). Перспективное направление создания высокопрочных композиционные материалы-армирование материалов нитевидными кристаллами («усами»), к-рые вследствие малого диаметра практически лишены дефектов, имеющихся в более крупных кристаллах, и обладают высокой прочностью. наиб. практич. интерес представляют кристаллы Аl2О3, BeO, SiC, B4C, Si3N4, AlN и графита диаметром 1-30 мкм и длиной 0,3-15 мм. Используют такие наполнители в виде ориентированной пряжи или изотропных слоистых материалов наподобие бумаги, картона, войлока. композиционные материалы на основе эпоксидной матрицы и нитевидных кристаллов ThO2 (30% по массе) имеют раст 0,6 ГПа, модуль упругости 70 ГПа. Введение в композицию нитевидных кристаллов может придавать ей необычные сочетания электрич. и магн. св-в. Выбор и назначение композиционные материалы во многом определяются условиями нагружения и т-рой эксплуатации детали или конструкции, технол. возможностями. наиб. доступны и освоены полимерные композиционные материалы Большая номенклатура матриц в виде термореактивных и термопластич. полимеров обеспечивает широкий выбор композиционные материалы для работы в диапазоне от отрицат. т-р до 100-200°С — для органопластиков, до 300-400 °С — для стекло-, угле — и боропластиков. Полимерные композиционные материалы с полиэфирной и эпоксидной матрицей работают до 120-200°, с феноло-формальдегидной — до 200-300 °С, полиимидной и кремнийорг. — до 250-400°С. Металлич. композиционные материалы на основе Аl, Mg и их сплавов, армированные волокнами из В, С, SiC, применяют до 400-500°С; композиционные материалы на основе сплавов Ni и Со работают при т-ре до 1100-1200 °С, на основе тугоплавких металлов и соед. — до 1500-1700°С, на оснбве углерода и керамики — до 1700-2000 °С. Использование композитов в качестве конструкц., теплозащитных, антифрикц., радио — и электротехн. и др. материалов позволяет снизить массу конструкции, повысить ресурсы и мощности машин и агрегатов, создать принципиально новые узлы, детали и конструкции. Все виды композиционные материалы применяют в хим., текстильной, горнорудной, металлургич. пром-сти, машиностроении, на транспорте, для изготовления спортивного снаряжения и др.

3. Оценка матрицы и упрочнителя в формировании свойств композита

3.1. Композиционные материалы с металлической матрицей

Композиционные материалы состоят из металлической матрицы (чаще Al, Mg, Ni и их сплавы), упрочненной высокопрочными волокнами (волокнистые материалы) или тонкодисперсными тугоплавкими частицами, не растворяющимися в основном металле (дисперсно-упрочненные материалы). Металлическая матрица связывает волокна (дисперсные частицы) в единое целое. Волокно (дисперсные частицы) плюс связка (матрица), составляющие ту или иную композицию, получили название композиционные материалы.

3.2. Композиционные материалы с неметаллической матрицей

Композиционные материалы с неметаллической матрицей нашли широкое применение. В качестве неметаллических матриц используют полимерные, углеродные и керамические материалы. Из полимерных матриц наибольшее распространение получили эпоксидная, фенолоформальдегидная и полиамидная. Угольные матрицы коксованные или пироуглеродные получают из синтетических полимеров, подвергнутых пиролизу. Матрица связывает композицию, придавая ей форму. Упрочнителями служат волокна: стеклянные, углеродные, борные, органические, на основе нитевидных кристаллов (оксидов, карбидов, боридов, нитридов и других), а также металлические (проволоки), обладающие высокой прочностью и жесткостью. Свойства композиционных материалов зависят от состава компонентов, их сочетания, количественного соотношения и прочности связи между ними. Армирующие материалы могут быть в виде волокон, жгутов, нитей, лент, многослойных тканей. Содержание упрочнителя в ориентированных материалах составляет 60-80 об.%, в неориентированных (с дискретными волокнами и нитевидными кристаллами) 20-30 об.%. Чем выше прочность и модуль упругости волокон, тем выше прочность и жесткость композиционного материала. Свойства матрицы определяют прочность композиции при сдвиги и сжатии и сопротивление усталостному разрушению. По виду упрочнителя композиционные материалы классифицируют на стекловолокниты, карбоволокниты с углеродными волокнами, бороволокниты и органоволокниты. В слоистых материалах волокна, нити, ленты, пропитанные связующим, укладываются параллельно друг другу в плоскости укладки. Плоские слои собираются в пластины. Свойства получаются анизотропными. Для работы материала в изделии важно учитывать направление действующих нагрузок. Можно создать материалы как с изотропными, так и с анизотропными свойствами. Можно укладывать волокна под разными углами, варьируя свойства композиционных материалов. От порядка укладки слоев по толщине пакета зависят изгибные и крутильные жесткости материала. Применяется укладка упрочнителей из трех, четырех и более нитей. Наибольшее применение имеет структура из трех взаимно перпендикулярных нитей. Упрочнители могут располагаться в осевом, радиальном и окружном направлениях. Трехмерные материалы могут быть любой толщины в виде блоков, цилиндров. Объемные ткани увеличивают прочность на отрыв и сопротивление сдвигу по сравнению со слоистыми. Система из четырех нитей строится путем разложения упрочнителя по диагоналям куба. Структура из четырех нитей равновесна, имеет повышенную жесткость при сдвиге в главных плоскостях. Однако создание четырехнаправленных материалов сложнее, чем трехнаправленных.

4. Строительные материалы – композиты

4.1. Полимеры в строительстве

Говоря о применении новых материалов на основе пластиков в стройиндустрии, стоит заметить следующее. Если в гражданском строительстве в основном применяются «традиционные» материалы, то в таких секторах, как, строительства мостов, железных дорог, мостов и др., у полимерных композитов есть неплохие перспективы.

Строительство Строительство – это размытый термин, который включает в себя самые разные механические нагрузки, начиная с легких нагрузок, которым подвергаются щиты, корпуса, гнезда для защиты оборудования или звуконепроницаемых стен, и заканчивая сверхвысоким давлением, которое выдерживают опоры для мостов.

Для поиска решений, применимых в этих несхожих ситуациях, в гражданском строительстве применяются очищенные пластмассы или композиты:

— Обычно применяемые в легких строительных конструкциях.

— Периодически используемые в специализированных (нишевых) конструкциях — Предназначенные исключительно для крупных строительных конструкций, например, мостов.

На рисунке 1 изображено несколько примеров.

В гражданском строительстве используются традиционные материалы, например бетон и сталь, для которых характерна низкая стоимость компонентов, но высокая стоимость обработки и установки, а также низкие возможности обработки. Результатом внедрения пластмасс может стать следующее:

— Сокращение итоговых расходов.

— Увеличение возможностей при проектировании в сравнении с деревом и металлами.

— Устойчивость к коррозии.

— Простота обработки и установки.

— Определенные полимеры могут пропускать свет и даже быть прозрачными.

— Простота технического обслуживания.

С другой стороны, следует помнить о старении и механическом сопротивлении. Тем не менее, некоторые проекты, построенные в середине 1950х годов с использованием полиэстера, укрепленного стекловолокном, демонстрируют значительную долговечность.

Отрасль гражданского строительства относится к консервативным, и перед расширением использования пластмасс и композитов стоят такие барьеры, как:

— Слабая изученность и малый опыт работы с этими материалами в отрасли гражданского строительства.

— Сложность перенесения опыта, накопленного в других отраслях промышленности.

— Сложность выбора и оценки размеров этих материалов.

— Сложность взаимопонимания между представителями различных профессий, обладающими очень разными менталитетами.

— Мнение о пластмассах, сложившееся в обществе.

— Жесткие окружающие условия на месте строительства.

— Сложные условия применения, которые не совсем совпадают с практикой и квалификацией строителей.

Прогрессивный ответ пластмасс возрастающим требованиям строительства: от очищенных термопластов к ориентированным композитам с углеродными волокнами Композиты представляют особый интерес для строительной отрасли, так как им присущи высокие коэффициенты [производительность/вес/конечная стоимость].

Более того, возможность задания направления в композитном укреплении расширяет возможности при проектировании в сравнении со сталью.

В таблице 1 сравнивают несколько случаев, но также существуют и другие промежуточные решения.

Таблица 1: Примеры свойств от очищенных термопластов к однонаправленным композитам

На рисунке 2 приведена схема роста механической эффективности в соответствии с армированием полимера.

Затраты на материал для композитов всегда превосходят аналогичные затраты на металл, а самое дорогое это углеродно-волоконное армирование (см. Рисунок 3). Эти затраты на пластмассы и композиты компенсируются другими преимуществами.

В обмен на высокую стоимость материала композиты предлагают уникальный набор интересных свойств:

— Снижение веса — Сокращение расходов на сборку — Установка — Сокращение операционных расходов — Сокращение итоговых расходов — Сопротивление коррозии — Безопасность.

Снижение веса Плотность стали превышает плотность композитов по следующим коэффициентам:

— 3.9 против эпоксидной смолы, армированной стекловолокном.

— 5.1 против эпоксидной смолы, армированной углеродным волокном.

— 5.8 против эпоксидной смолы, армированной кевларовым волокном.

Возможности снижения веса, если использовать композиты вместо стали, менее значительны. В большинстве предлагаемых в настоящее время решений их можно оценить приблизительно в 15-30%.

4.2. Композиты и бетон

Преимущества композиционных материалов хорошо проявляются при армировании бетона и строительстве.

Недорогой и разносторонний, бетон является одним из лучших строительных материалов во многих предложениях. Являясь настоящим композитом, типичный бетон состоит из гравия и песка, связанных вместе в матрице из цемента, с металлической арматурой, обычно добавляемой для усиления прочности. Бетон превосходно ведет себя при сжатии, но становится хрупким и непрочным при растяжении. Растягивающие напряжения, так же как и пластическая усадка во время отверждения, приводят с трещинам, которые поглощают воду, что, в конечном счете, приводит к коррозии металлической арматуры и существенной потере монолитности бетона при разрушении металла.

Композитная арматура утвердилась на строительном рынке благодаря доказанному сопротивлению коррозии. Новые и обновленные конструкторские руководства и тестовые протоколы облегчают инженерам выбор армированных пластиков.

Усиленные волокнами пластики (стеклопластик, базальтопластик) с давних пор рассматривались как материалы, позволяющие улучшить характеристики бетона.

Композитная арматура: признанная технология.

За последние 15 лет композитная арматура перешла от экспериментального прототипа к эффективному заменителю стали во многих проектах, особенно в связи с повышением цен на сталь. «Стеклопластиковая арматура часто используется, и это очень конкурентный рынок».

Для некоторых конструкторских проектов, таких как оборудование для магниторезонансной томографии в больницах, или приближение к будкам-пунктам взимания дорожной оплаты, которые используют технологию радиочастотной идентификации для определения уже оплативших покупателей, композитная арматура является единственным выбором. Стальная арматура не может быть использована, потому как интерферирует с электромагнитными сигналами. В добавление к электромагнитной прозрачности, композитная арматура также необычайно стойкая к коррозии, легкая по весу – около одной четверти от веса аналогичной стальной, и является теплоизолятором, потому как препятствует протеканию тепла в строительных конструкциях.

Композитные сетки в сборных бетонных панелях: высокий потенциал углеродно-эпоксидные сетки C-GRID заменяют традиционную сталь или арматуру в сборных структурах в качестве вторичного армирования.

C-GRID является крупной сеткой из жгутов на основе углерода/эпоксидной смолы. Используется как замена вторичной стальной армирующей сетки в бетонных панелях и архитектурных приложениях. Размер сетки меняется как в зависимости от бетона и типа заполнителя, так и от требований к прочности панели

Армированный волокнами бетон: появление прочности.

Использование коротких волокон в бетоне для улучшения его свойств было признанной технологией на протяжении десятилетий, и даже веков, если принять во внимание, что в Римской Империи строительные растворы были армированы конским волосом. Армирование волокнами усиливает прочность и упругость бетона (способность к пластической деформации без разрушения) посредством удерживания части нагрузки при повреждении матрицы и препятствуя росту трещин.

«Добавление волокон позволяет материалу деформироваться пластично и выдерживать растягивающие нагрузки».

Усиленный волокнами бетон был использован для изготовления этих предварительно напряженных мостовых балок. Использование арматуры не потребовалось из-за высокой эластичности и прочности материала, которая была придана ему стальными армирующими волокнами, добавленными в бетонную смесь.

4.3. Алюминиевые композитные панели

Алюминиевый композитный материал — это панель, состоящая из двух алюминиевых листов и пластикового либо минерального наполнителя между ними. Композитная структура материала придаёт ему лёгкость и высокую прочность в сочетании с упругостью и стойкостью к излому. Химическая и лакокрасочная обработка поверхности обеспечивает материалу превосходную устойчивость к коррозии и температурным колебаниям. Благодаря сочетанию этих уникальных свойств, алюминиевый композитный материал является одним из наиболее востребованных в строительстве.

Алюминиевый композит обладает рядом существенных преимуществ, обеспечивающих ему растущую с каждым годом популятность как отделочного материала.

— Минимальный вес в сочетании с высокой жёсткостью. Панели АКМ отличаются низким весом, обусловленным применением алюминиевых покрывающих листов и облегченного центрального слоя в сочетании с высокой жесткостью, задаваемой комбинацией вышеуказанных материалов. В условиях применения на фасадных конструкциях данное обстоятельство выгодно отличает АКМ от альтернативных материалов, таких как листовые алюминий и сталь, керамический гранит, фиброцементные плиты. Применение алюминиевого композитного материала значительно снижает общий вес конструкции вентилируемого фасада.

— Плоскостность материала. Алюминиевый композитный материал способен противостоять скручиванию. Причина — в нанесении верхнего слоя методом прокатки. Плоскостность обеспечивается применением прокатки вместо обычной прессовки, которая дает высокую равномерность нанесения слоя. Максимальная пологость составляет 2мм на 1220 мм длины, что составляет 0,16% от последней.

— Устойчивость лакокрасочного покрытия к воздействию окружающей среды. Благодаря чрезвычайно устойчивому многослойному покрытию материал в течение длительного времени не теряет интенсивность окраски под воздействием солнечного цвета и агрессивных компонентов атмосферы.

— Широкий выбор цветов и фактур. Материал выпускается с покрытием, выполненным лакокрасками: солидные цвета и цвета «металлик» в любом диапазоне цветов и оттенков, покрытиями под камень и дерево. Помимо этого выпускаются панели с напылением «хром», «золото», панели с фактурной поверхностью, панели с полированным покрытием из нержавеющей стали, титана, меди.

— Общая износостойкость. Панели АКМ имеют сложную структуру, образованную алюминиевыми листами и наполнителем центрального слоя. Сопряжение данных материалов обеспечивает панелям жесткость в сочетании с эластичностью, что делает АКМ устойчивым к нагрузкам и деформациям, создающимся окружающей средой. Материал не утрачивает своих свойств в течение чрезвычайно длительного времени.

— Коррозионная стойкость. Устойчивость материала к коррозии определяется применением в структуре панели листов алюминиевого сплава, защищенного многослойным лакокрасочным покрытием. В случае повреждения покрытия поверхность листа защищается образованием оксидной пленки

— Звукоизоляционные свойства. Композиционная структура панели АКМ обеспечивает хорошую звукоизоляцию, поглощая звуковые волны и вибрации.

— Обрабатываемость материала. Панели легко поддаются таким видам механической обработки как гибка, резка, фрезеровка, сверление, вальцовка, сварка, склеивание, без ущерба покрытию и нарушению структуре материала. При нагрузках, возникающих в процессе сгибания панелей, в том числе в радиус не отмечается расслаивание панелей либо нарушения поверхностных слоев, такие как растрескивание алюминиевых листов и лакокрасочного покрытия. При производстве на заводе панели защищаются от механических повреждений специальной пленкой, удаляемой после завершения монтажных работ.

— Придание формы. Панели легко принимают практически любую заданную форму, например радиусную. Пригодность материала к спаиванию позволяет добиваться сложной геометрии изделий, что невозможно ни с одним другим облицовочным материалом, кроме алюминия, перед которым AКМ значительно выигрывает по весу.

— Эстетичность конструкции. Применение алюминиевого композитного материала позволяет создавать панели облицовки различных размеров и форм, делает данный материал незаменимым при решении сложных архитектурных задач.

— Длительный срок службы. АКМ в течение длительного времени устойчивы к воздействию внешней среды, таким как солнечный свет, атмосферные осадки, ветровые нагрузки, колебания температуры, благодаря применению устойчивого покрытия и достигнутому в материале сочетанию жесткости и эластичности. Расчетный срок службы панелей на открытом воздухе составляет около 50 лет.

— Минимальный уход в процессе эксплуатации. Наличие высококачественного покрытия способствует самоочищению панелей от внешних загрязнений. Так же панели легко моются не агрессивными очистителями.

Заключение

Два перспективных пути открывают комбинированные материалы, усиленные либо волокнами, либо диспергированными твердыми частицами.

У первых в неорганическую металлическую или органическую полимерную матрицу введены тончайшие высокопрочные волокна из стекла, углерода, бора, бериллия, стали или нитевидные монокристаллы. В результате такого комбинирования максимальная прочность сочетается с высоким модулем упругости и небольшой плотностью. Именно такими материалами будущего являются композиционные материалы.

Композиционный материал конструкционный (металлический или неметаллический) материал, в котором имеются усиливающие его элементы в виде нитей, волокон или хлопьев более прочного материала. Примеры композиционных материалов: пластик, армированный борными, углеродными, стеклянными волокнами, жгутами или тканями на их основе; алюминий, армированный нитями стали, бериллия.

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.

Источник