Обзор композиционных материалов: виды и основные характеристики

В современном мире развитие науки и  техники достигло такого этапа, на котором использование только природных материалов уже не достаточно для решения целого ряда задач. На смену природным пришли композиционные материалы (КМ), которые не только обладают всеми необходимыми свойствами, но и более доступны и имеют стоимость ниже, чем натуральные аналоги. Кроме того, при создании композитов есть возможность комбинировать состав таким образом, чтобы итоговый продукт имел наиболее подходящие свойства для использования в конкретных задачах.

Применяются КМ в электромеханике, машиностроении, стоматологии, строительстве и других областях. Рассмотрим только те продукты, которые используются для электроизоляции и обладают низкой токопроводностью.

Что такое композитные материалы

При производстве композитных материалов огромную роль играет их состав, то есть композиция, которая и определяет свойства полученного материала. Для примера, полиимидная пленка получается в результате полива определенных марок лака на основание из углерода или стеклопластика. В итоге образуется продукт, который не только является великолепным изолятором, но и имеет высокую прочность. Используется данный изолятор при производстве различных электродвигателей и роторов, кабелей и как основание для печатных плат, которые производятся огромными партиями и используются в различных сферах жизни человека.

В основе любого КМ лежит матрица – материал, который обеспечивает целостность продукта и его устойчивость к разрушению. К матрице добавляются другие различные компоненты, которые формируют основные свойства КМ и с помощью которых можно добиться необходимых характеристик конечного композита. От армирования матрицы будет зависеть прочность и упругость конечного продукта. На это влияет схема армирования и размер армирующих волокон.

Основные виды композитов

Еще одним пленочным изолятором является имидофлекс, который также производится на базе стекловолокна и полиимидной пленки. В результате образуется продукт, который используется для изолирования якорной обмотки, ручной изоляции соединений. Данный изоляционный материал обладает необходимой термостойкостью, что позволяет использовать его в условиях нагрева оборудования. Кроме того, имидофлекс имеет повышенную прочность на изгиб, поэтому, может быть использован для изолирования подвижных участков соединений. Такая изоляция будет иметь повышенный срок использования.

Еще одним изоляционным композитом является синтофлекс, который представляет собой материал на основе электрокартона и пленки, наклеенной с одной стороны. Полученный продукт используется при производстве мощных электромеханических приборов и механизмов для изоляции неподвижных соединений. Стоит помнить, что синтофлекс не имеет стойкости к повышенной температуре и может быть использован до 120° С. Листы пленкоэлектрокартона могут быть различной толщины, что позволяет подобрать необходимый размер для различных случаев использования.

Еще более широкую сферу применения имеет лавсановая пленка, которая не только является электроизоляционным материалом, но и используется при производстве автомобильных запчастей, напольных покрытий, аудио и видео пленок, шлангов и многих других необходимых человеку вещей. Такая широта использования возникает благодаря уникальным свойствам материала, среди которых:

• Непроницаемость для газов;
• Пропускающая свет поверхность;
• Свойство поверхности, благодаря которому материал можно красить и наносить лаки;
• Не подвержен воздействию влаги;
• Повышенная прочность и длительный срок хранения и использования.

Кроме того, лавсановая пленка используется как термоформовочный материал в парфюмерии и бытовой химии.

Кроме электроизоляционных, существуют также:

• Керамические композиты, которые используются для теплоизоляции в экстремальных условиях, например, газовых турбинах, электропечах и других механизмах, работающих при повышенных температурных режимах.
• Органопластика, то есть КМ с комбинацией органических и синтетических материалов. Например, такие продукты как органическое стекло произведены из таких композитов. Обладают повышенной механической прочностью. Так, кевлар, который используется в бронежилетах, – это композитный материал на основе углепластика.
• Металлокомпозиты образуются при комбинировании цветных металлов, например, меди и наполнителя. В итоге получается материал, имеющий повышенную устойчивость к температурам и износостойкость.

Преимущества и недостатки композитных материалов

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

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

Итак, главными преимуществами КМ являются:

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

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

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

Несмотря на некоторые недостатки, промышленность не может обойтись без композитных материалов в некоторых сферах. Поэтому, активно происходит создание новых и совершенствование уже существующих КМ. Развитие микроэлектроники требует все более прочных и легких материалов для производства печатных плат и других компонентов.