Композиционные и порошковые материалы

Структура композитных материалов

По структуре композиты делятся на несколько основных классов: волокнистые, слоистые, дисперсноупрочненные, упрочненные частицами и нанокомпозиты. Волокнистые композиты армированы волокнами или нитевидными кристаллами — кирпичи с соломой и папье-маше можно отнести как раз к этому классу композитов. Уже небольшое содержание наполнителя в композитах такого типа приводит к появлению качественно новых механических свойств материала. Широко варьировать свойства материала позволяет также изменение ориентации размера и концентрации волокон. Кроме того, армирование волокнами придаёт материалу анизотропию свойств (различие свойств в разных направлениях), а за счёт добавки волокон проводников можно придать материалу электропроводность вдоль заданной оси.

В слоистых композиционных материалах матрица и наполнитель расположены слоями, как, например, в особо прочном стекле, армированном несколькими слоями полимерных плёнок.

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

Литература

• Кербер М. Л., Полимерные композиционные материалы. Структура. Свойства. Технологии. — СПб.: Профессия, 2008. — 560 с.
• Васильев В. В., Механика конструкций из композиционных материалов. — М.: Машиностроение, 1988. — 272 с.
• Карпинос Д. М., Композиционные материалы. Справочник. — Киев, Наукова думка
• СП 164.1325800.2014 Усиление железобетонных конструкций композитными материалами. Правила проектирования.
• Техническое заключение по результатам лабораторных испытаний арматурных выпусков из стеклопластика, установленных в монолитный бетон, на действие продольных относительно оси выпуска усилий // Tekhnicheskoe zaklyuchenie po rezul’tatam laboratornyh ispytaniy armaturnyh vypuskov iz stekloplastika, ustanovlennyh v monolitnyy beton, na deystvie prodol’nyh otnositel’no osi vypuska usiliy
• Высокопрочные системы усиления ITECWRAP/ITECRESIN. Екатеринбург: ООО НИИ Высокопрочные системы усиления ИНТЕР/ТЭК, 2010. 69 с. // Vysokoprochnye sistemy usileniya ITECWRAP/ITECRESIN. Yekaterinburg: OOO NII Vysokoprochnye sistemy usileniya INTER/TEK, 2010. 69.
• Коршунов, Я. Бурейская ГЭС: сверхпроектные работы/ Я. Коршунов // Газета «Вестник РусГидро».№ 4 — 2014. С.8. // Korshunov, Ya. Bureyskaya GES: sverhproektnye raboty/Ya. Korshunov//Gazeta «Vestnik RusGidro» #4-2014. P.8
• Усиление железобетонных конструкций (Пособие П 1-98 к СНиП 2.03.01-84*). Минск, 1998. // Usilenie zhelezobetonnyh konstrukciy (Posobie P 1-98 k SNiP 2.03.01-84*). Minsk, 1998.
• Хозин В. Г., Пискунов А. А., Гиздатуллин А. Р., Куклин А. Н.//Сцепление полимеркомпозитной арматуры с цементным бетоном / Известия КГАСУ № 1(23) — 2013. С.1-8
• Хозин В. Г., Пискунов А. А., Гиздатуллин А. Р., Куклин А. Н.//Сцепление полимеркомпозитной арматуры с цементным бетоном / Известия КГАСУ № 1(23) — 2013. С. 1-8

Разновидности композитов

В распоряжении стоматологов – широкий выбор композитных составов – химического, светового отверждения, макро- и микронаполненные, текучие, гибридные, нанокомпозиты и ормокеры. О каждом виде следует знать больше.

Химического отверждения

Это микронаполненные составы, гибриды в виде жидкости, порошка, пасты. Преимущества – невысокая мягкая усадка, привлекательный вид, скорость реставрации

Недостатки – важность точности дозировки, ограничение времени работы, невысокая стойкость цвета, полируемость, если сравнивать со светоотверждаемыми композитами. Субстанции рассчитаны на фиксацию к эмали, не к дентину

Светового отверждения

Это жидкотекучая субстанция либо однокомпонентная паста. Для полимеризации используют светопоглощающие компоненты. Самый распространенный – камфорохинон. Под воздействием света протекает образование свободных радикалов, полимеризация. Преимущества – нет нужды смешивать до однородности, до затвердевания модно скорректировать реставрацию, цветоустойчивость, высокие эстетические свойства. Недостатки – неоднородность глубины, уровня полимеризации. Чтобы повысить качество результата применяют нанесение слоями. Световые субстанции не совмещаются с химическими.

Макронаполненные

Это самые первые вещества, вошедшие в историю композитных материалов. По некоторым параметрам уступают современным субстанциям. Достоинства – неплохая оптика, удовлетворительная рентгенконтрастность, хорошая прочность. Недостатки – нет сухого блеска, плохо полируется, наличие шероховатости, что приводит к формированию налета. Перечисленные минусы сводят на нет эстетику реставрации, матрица вылущивается, остаются кратеры. Вследствие быстрого изнашивания пломбы зубы смещаются.

Микронаполненные

Начали применяться 50 лет назад, на тот момент стали прорывом в реставрационной стоматологии. Характеристики – высокая эстетичность результата, отличная полируемость. Тогда частицы были размером 1 мкм, сегодня 0,04 мкм. Микронаполненные варианты применяют в процессе восстановления резцов, изготовления виниров непосредственно у пациента в полости рта. Преимущества – полируемость, стойкость к изнашиванию, сохранение цвета, глянцевой поверхности. Минусы – удовлетворительная прочность, тепловое расширение, сильная усадка при полимеризации.

Текучие

Используются для заполнения небольших полостей от кариеса, а также для компенсации усадки полимеров, обеспечения качественного прилегания по краю. Плюсы – удобство во врем работы, хорошая эстетика, полируемость. Минусы – сильная усадка, удовлетворительная прочность, сниженная рентгенконтрастность.

Гибридные

Самый распространенный вариант сегодня благодаря универсальности применения. Исключением становятся полости кариеса, где доступ ограничен, поэтому используют другую консистенцию материалов. Плюсы – комфорт работы, универсальность, отличная прочность, привлекательность результата, хорошая рентгенконтрастность. Минусы – средняя усадка, повышенная стоимость.

Испытываете ли волнение перед визитом к стоматологу?ДаНет

Нанокомпозиты

Нанокластерные материалы – перспективная группа, их особенность заключается в применении нанокластеров, наномеров. Они отвечают за высокую наполняемость, гомогенность матрицы. Преимущества – высокая эстетика, отличная полируемость, долго сохраняющийся сухой блеск, нормальная прочность и малая усадка. Минусы – высокая стоимость, мало изучены результаты.

Ормокеры

Органически модифицированная керамика – результат поиска сырья с долгим сроком эксплуатации, низкой усадкой. Благодаря модификации матрицы плотность субстанции стала выше, усадка снизилась, а кол-во остаточного мономера уменьшилось. Плюсы – высокая прочность, малая усадка. Минусы – высокая цена, малый срок изучения, низкая эстетика.

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.

• высокая удельная прочность (прочность 3500 МПа)
• высокая жёсткость (модуль упругости 130…140 — 240 ГПа)
• высокая износостойкость
• высокая усталостная прочность
• из КМ возможно изготовить размеростабильные конструкции
• легкость

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

Композитные 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 растёт 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. Твёрдые 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.

Керамические композитные материалы получают методами горячего прессования (таблетирование с последующим спеканием под давлением) или методом шликерного литья (волокна заливаются суспензией матричного материала, которая после сушки также подвергается спеканию).

• Композитная арматура
• Гибридный материал

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.

Гигроскопичность

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.

Что такое ламинат?

Своего рода особый вид композитного материала, сформированного путём сращивания слоев двух или более других материалов при помощи клея – называется ламинатом.

Поскольку слои ламината обычно составлены разными материалами, ламинаты являются очевидными примерами композитных материалов, несмотря на отсутствие технологии объединения подобно другим (матричными) композитам.

Важно отметить: ламинат — это не просто несколько отдельно взятых слоёв материалов. Все составляющие ламината постоянно склеены, поэтому представлены как единый материал

Клей (или несколько различных клеев) также выступает составляющей частью ламината.

Структура несложного ламината: 1 – упругий высоко-износостойкий верхний слой; 2 – декоративное покрытие высокой чёткости; 3 – влагостойкая доска сердечника типа HDF, сделанная из натуральных волокон древесины; 4 – обработанное смолой балансное покрытие

Почему существует необходимость ламината? Объясняется потребность просто. Например, бумага, дерево, стекло, — материалы недостаточно прочные и долговечные в их натуральном виде.

Так, бумага легко пропитывается водой, а выполнить печать на пластике достаточно сложно. Между тем, печать можно выполнить на бумаге, после чего покрыть бумагу пластиком. Ламинированный композитный материал приобретает дополнительные свойства.

Композитные материалы с металлической матрицей

При создании композитов на основе металлов в качестве матрицы применяют алюминий, магний, никель, медь и т. д. Наполнителем служат или высокопрочные волокна, или тугоплавкие, не растворяющиеся в основном металле частицы различной дисперсности.

Свойства дисперсноупрочненных металлических композитов изотропны -одинаковы во всех направлениях. Добавление 5-10 % армирующих наполнителей (тугоплавких оксидов, нитридов, боридов, карбидов) приводит к повышению сопротивляемости матрицы нагрузкам. Эффект увеличения прочности сравнительно невелик, однако ценно увеличение жаропрочности композита по сравнению с исходной матрицей. Так, введение в жаропрочный хромоникелевый сплав тонкодисперсных порошков оксида тория или оксида циркония позволяет увеличить температуру, при которой изделия из этого сплава способны к длительной работе, с 1000° С до 1200° С. Дисперсноупрочненные металлические композиты получают, вводя порошок наполнителя в расплавленный металл, или методами порошковой металлургии.

Армирование металлов волокнами, нитевидными кристаллами, проволокой значительно повышает как прочность, так и жаростойкость металла. Например, сплавы алюминия, армированные волокнами бора, можно эксплуатировать при температурах до 450—500° С, вместо 250—300° С. Применяют оксидные, боридные, карбидные, нитридные металлические наполнители, углеродные волокна. Керамические и оксидные волокна из-за своей хрупкости не допускают пластическую деформацию материала, что создаёт значительные технологические трудности при изготовлении изделий, тогда как использование более пластичных металлических наполнителей позволяет переформование. Получают такие композиты пропитыванием пучков волокон расплавами металлов, электроосаждением, смешением с порошком металла и последующим спеканием и т. д.

В 1970-х появились первые материалы, армированные нитевидными монокристаллами («усами»). Нитевидные кристаллы получают, протягивая расплав через фильеры. Используются «усы» 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. Армирование «усами» позволяет значительно увеличить прочность материала и повысить его жаростойкость. Например, предел текучести композита из серебра, содержащего 24 % «усов» оксида алюминия, в 30 раз превышает предел текучести серебра и в 2 раза — других композиционных материалов на основе серебра. Армирование «усами» оксида алюминия материалов на основе вольфрама и молибдена вдвое увеличило их прочность при температуре 1650° С, что позволяет использовать эти материалы для изготовления сопел ракет.

Примеры использования ламинирования

Примеров для разъяснения этого вопроса можно набрать больше чем достаточно. Рассмотрим некоторые из реальных примеров, которые встречаются на практике.

Ламинированная древесина

Полы из натуральной древесины пользуются высокой популярностью, демонстрируют яркий пример износостойкости. Здесь логично рассмотреть обычный пол из твёрдой древесины и пол ламинированный. В отличие от традиционного пола из твердой древесины, ламинированный пол обычно состоит из четырех слоев:

1. Тонкий прозрачный пластик, разработанный для защиты от пятен и царапин.
2. Тонкая древесины (или бумага с рисунком древесины), что придает полу привлекательный вид.
3. Основная масса — низкокачественная ДВП.
4. Твёрдая влагостойкая доска.

Многие недорогие мебельные изделия, напоминающие твёрдую древесину, реально представляют ламинаты, изготовленные из древесных материалов более низкого качества (ДСП, ДВП) с тонким покрытием из шпона, пластика или даже бумаги. Основным недостатком ламинированных полов является неспособность противостоять влаге.

Ламинированное стекло

Ветровые и пуленепробиваемые стёкла — фактически тяжёлые ламинаты, собранные из нескольких слоёв стекла и пластика. Наружные слои стекла устойчивы к атмосферным воздействиям и царапинам, в то время как внутренние слои пластика обеспечивают прочность и некоторый процент гибкости, предотвращая разрушение стекла. Стекло также ламинируется пластиком для изготовления композитов, подобных, например, стеклу, армированному пластиком.

Тканевые ламинированные материалы

Большая часть обуви и верхней одежды, как правило, сделаны из ламинированных материалов. Типичный плащ обычно имеет водонепроницаемую мембрану между износостойким наружным слоем и мягким, комфортным внутренним слоем. Иногда мембрана непосредственно связана с внутренним и внешним слоями.

Таким способом делается прочная и долговечная одежда на основе 3-слойного ламината. Если мембрана связана с внешней тканью без внутренней подкладки, это называется 2,5-слойным ламинатом. Водонепроницаемая одежда, изготовленная таким способом, видится более «дышащей», чем трехслойные ламинаты, так как используется лёгкий вариант удаления влаги.

Бумажные ламинированные материалы

Часто в бытовой и хозяйственной практике пользуются портативными машинами для ламинирования. Такой техникой покрывают кусочки бумаги, карты или фотографии тонким, но прочным слоем пластика. Достаточно приобрести пакет пластиковых «мешочков», вставить внутрь бумажный предмет и пропустить набор через машину.

Ламинирующая машина нагревает, склеивает пластик и плотно прижимает два разных структуры, создавая атмосферостойкое и долговечное покрытие. Идентификационные (ID) карты и кредитные карты также ламинированы прозрачным пластиком. Поэтому карты используются без проблем несколько лет.

При помощи информации: Explainthatstuff

Требования к композитам

С помощью прямого пломбирования с участием композитов врачи смогли существенно расширить возможности реставрации. Полимерные субстанции отличаются хорошей адгезией, связываясь с зубами не хуже, чем их собственные ткани меж собой.

Достижения в стоматологии появляются ежедневно, улучшаются характеристики материалов, добавляются цвета, повышается стойкость к истиранию, сжатию. Несмотря на успешные разработки, до сих пор изобрести идеальный материал возможности нет. Но существует ряд требований, по которым отличают достойные композиты:

• прочность на растяжение / сжатие, стойкость к истиранию. Перечисленные параметры становятся особо важными при пломбировании коренных зубов, подвергающихся значительным нагрузкам (около 70 кг),
• адгезия с тканями зуба, возможность обеспечить герметизацию полостей реставрированных зубов,
• высокая рентгенконтрастность материалов, применяемых в пломбировании жевательных зубов,
• простота, комфорт применения. Вещество должно без особых усилий вводиться в полость, позволять формировать пломбу,
• биосовместимость. Вещество не должно включать компоненты, способные раздражать пульпу, слизистые,
• максимальное приближение цветовой гаммы материалов к натуральным оттенкам зубов, то же касается блеска, прозрачности,
• возможность композита длительно храниться без снижения основных характеристик,
• стабильность цвета со временем,
• приближение физических параметров состава к тем, которыми отличаются натуральные ткани зубов. Речь идет о тепловом расширении, теплопроводности и др.,
• универсальность. Хорошо, если один и тот же композит может применяться для решения различных стоматологических задач. Самые универсальные из существующих – гибриды и ормокеры,
• доступность.

Лечение зубов. Композитные пломбировочные материалы для пациентов

Полимерные композиты в стоматологии успешно могут конкурировать с прочими пломбировочными материалами. Их преимущества заключаются в высокой прочности, хорошей эстетичности, универсальности, низкой полимеризационной усадке, возможности решать разные стоматологические задачи на резцах и молярах.

Состав композитов

Классификация субстанций учитывает химический состав, размер фракций, состав частиц, уровень наполнения, метод отвердевания, консистенцию, назначение. Каждый параметр определяет группу композитных материалов.

Химический состав

Учитывая химический состав матрицы, субстанции делятся на традиционные, ормокеры. Последние представляют собой органически модифицированную керамику – современный состав, полученный усовершенствованием обычным матриц. Ормокеры характеризуются малой усадкой, при этом высокой степенью биологической совместимости, надежным соединением с наполнителями того или иного типа.

Размер и состав частиц

Частицы наполнителя обеспечивают полируемость, износостойкость уже готового результата. Чем меньше их размер, тем выше перечисленные параметры. Крупные частицы получают из солей бария, а с ним алюминия, лития, кварца, др. Если речь о нанонаполнителе, он изготавливается из двуокиси кремния. Когда частицы наполнителя имеют разные размеры, производитель выводит среднее значение.

Метод отверждения, консистенция, назначение

Отверждение (полимеризация) происходит за счет трансформации мономеров в полимеры. Сам процесс сопровождается сокращением объема вещества, повышением его плотности, из-за чего происходит усадка материала на 2-6%. Отверждение запускается инициатором (световым, химическим).

Композиты могут быть пастообразными, текучими. Чтобы их изготовить, нужны модифицированные матрицы со смолами определенной текучести. Учитывая плотность, различают обычную вязкость, текучую, пакуемую, конденсируемую.

С учетом того, для каких зубов (жевательных либо фронтальных) предназначена субстанция, она разнится по характеристикам. Стоматологи используют разные составы под реставрацию моляров, передних зубов, а также универсальные материалы.

Свойства композитов

Субстанции характеризуются рядом характеристик, заложенных во время их производства. Для выбора подходящего состава нужно знать все его параметры. Основные свойства веществ, которые должен учитывать стоматолог:

• прочность на механическое растяжение и сжатие. Она варьируется в зависимости от консистенции, наполненности. У самых прочных вариантов – 450 МПа, а у текучих – 220 МПА,
• износостойкость. Чем меньше размер у частиц наполнителя, тем выше этот показатель,
• оптические характеристики – опаковость, опалесценция,
• рентгенконтрастность. Варьируется от типа и объема наполнителя. К слову, рентгенконтрастность у дентина – 150%, у эмали – 230%. Чем выше параметр, тем лучше материал заметен на рентгене, что делает более точной диагностику,
• тиксотропность. Показатель указывает, как вязкость изменится от механической нагрузки, как изменится текучесть,
• полимеризационная усадка. Минимальный параметр 1,6%, максимальный – 5,5%,
• эластичность. Показывает, как материал сопротивляется растяжению, сжатию,
• биосовместимость. Регламентируется международными стандартами. После окончания полимеризация полученные составы не токсичны,
• рабочие свойства. Учитываются такие параметры, как удобство и скорость проведения стоматологических манипуляций, весьма экономичный расход, универсальность,
• эстетика. Учитывается длительность сохранения блеска, цветовая гамма, полируемость.

Области применения

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.

брони для военной техники