ЭКОНОМИКА
занимательно, просто, кратко
примеры
и факты

Композитные материалы: история развития


Человечество издавна стремилось преодолеть естественные ограничения и улучшить свойства природных материалов.

Композитные материалы: история развития

Как за счет специальной обработки изделий (обжиг глины, закаливание стали), так и путем смешивания различных компонентов для получения нового материала, обладающего улучшенными характеристиками. Сегодня такие материалы называют композитами, и многие исследователи говорят, что за ними будущее, по аналогии с веком бронзовым и железным называя XXI в. веком композитов. Но сама идея их создания родилась задолго до нашей эры.

Уже в 1500 г. до н.э. в Египте и Месопотамии использовались саманные кирпичи, изготовленные из глины с добавлением соломы, которая обеспечивала дополнительную прочность. Солома применялась также для укрепления керамических изделий и лодок. В Древней Греции железными прутьями укрепляли мраморные колонны при постройке дворцов и храмов. Древние римляне активно использовали в массовом строительстве бетон — искусственный материал, получаемый из смеси вяжущего вещества и дробленых камней. Знаменитый Пантеон до сих пор остается самым крупным в мире объектом, купол которого выполнен из неармированного бетона. Один из древнейших композиционных материалов — булат, в котором тончайшие слои (иногда нити) высокоуглеродистой стали «склеены» мягким низкоуглеродным железом.

«Эра пластика», наступившая в начале XX в., ознаменовала появление целого спектра полимеров и композитных материалов на их основе. А в 1935 г. стекловолокно положило начало развитию армированной полимерной промышленности, бурный рост которой начался после Второй мировой войны. В соединении с пластиковыми полимерами стекловолокно представляет собой чрезвычайно прочную и при этом очень легкую структуру — бесценное сочетание для авто-, авиа- и ракетостроителей.

По мере развития науки и технологий композитные материалы становились все разнообразнее — появлялись новые армирующие вещества (карбон, кевлар, текстолит, гибридные ткани и др.), новые связующие на основе различных смол и пластмасс и новые технологии соединения компонент в единое целое. Сегодня вряд ли можно отыскать сферу человеческой деятельности, где не использовались бы искусственно созданные композитные материалы. Они применяются везде — от космических ракет до зубных пломб.

В середине XX века в общей семье композитов некоторые исследователи стали выделять отдельный класс гибридных материалов (в литературе эти понятия до сих пор часто употребляют как синонимы). Но если каждый гибрид по своей сути является композитом, то далеко не каждый композит — гибридом. В самом общем виде композит — это сплошной неоднородный материал, состоящий из двух или более компонентов, которые можно разделить на матрицу (связующее вещество) и армирующие элементы (наполнитель).

Варьируя количество, химический состав, размер и взаимное расположение (внутреннюю архитектуру) исходных компонентов, можно управлять свойствами получаемого композитного материала. Простой пример: горсть древесных опилок, брошенная в ведро цементного раствора, никак не повлияет на его свойства, но если этих опилок будет полведра, то существенно изменятся плотность материала, его теплофизические константы, себестоимость производства и другие показатели; если же вместо опилок взять полипропиленовые волокна, то даже их горсть сделает бетон ударопрочным и износостойким, а полведра обеспечат ему упругость, не свойственную минеральным материалам.

Матрицей в композиционных материалах может служить широкий спектр металлов, полимеров, цементов и керамики. Спектр наполнителей еще более широк. В этом качестве используются самые разнообразные искусственные и природные вещества в различных формах и размерах (крупноразмерные, листовые, волокнистые, дисперсные, мелкодисперсные, микродисперсные, наночастицы). Наполнитель, как правило, обеспечивает прочность, жесткость и деформируемость композита, а матрица — его монолитность, передачу напряжений и стойкость к различным внешним воздействиям.

Но если в некоторых композитах матрица и наполнитель могут иметь одну и ту же природу (углеродную, керамическую, металлическую), то гибрид предполагает соединение химически разных компонентов (чаще всего — органических с неорганическими), которые формируют пространственную структуру, отличную от структуры исходных реагентов. То есть в гибридном материале компоненты химически взаимодействуют друг с другом, а не просто «склеиваются». Кроме того, гибрид, как правило, состоит не из двух-трех, а из нескольких компонентов.

Самое последнее на сегодня поколение композитов — это гибридные наноматериалы. В них размер частиц неорганической составляющей уменьшен до размера молекул органической части (несколько нанометров), что позволяет получить не просто улучшенные, но даже абсолютно новые свойства конечного материала (например, электропроводящий, но при этом прозрачный пластик).

Однако дороговизна и несовершенство технологий синтеза сдерживают массовое производство и применение гибридных, а тем более — наногибридных материалов. Именно поэтому, несмотря на то, что уже сегодня наногибриды активно применяются в микроэлектронике (различные покрытия), медицине (протезирование), энергетике (твердые электролиты, электроды) и др., сегодня о них говорят в основном как о материалах будущего, хотя и не слишком далекого. В массовых масштабах гибридные материалы могут быть востребованы везде, где уже сейчас активно применяются композиты. Это гражданское, промышленное и дорожное строительство, полимерные покрытия и отделочные материалы, авто- и судостроение, авиационная и космическая промышленность, новая энергетика и т.д. Использование наногибридов позволит увеличить мощность и ресурс энергетических и силовых установок. Может быть, менее массовые, но тоже чрезвычайно интересные применения просматриваются в медицине и робототехнике.

Источник:
"ЭКО"-информ // ЭКО. Всероссийский экономический журнал, №11, Ноябрь 2017, C.15-35
Читайте также:
Современная экономика имеет много отличительных черт и особенностей - от возрастающей роли цифровых технологий, быстрой смены товаров и услуг до расширения круга материалов, из которых они производятся.
Углеродные нанотрубки (CNT) - это цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной от нескольких микронов до нескольких сантиметров.
05:15
33
Нет комментариев. Ваш будет первым!
Загрузка...


Обзоры

Copyright © 2015 popecon.ru
При использовании материалов сайта активная ссылка на popecon.ru обязательна

Сайт посвящен популяризации экономический теории. Здесь вы найдете статьи по экономике, примеры экономических закономерностей, интересные факты об экономике и объяснение явлений, происходящих в хозяйственной жизни общества.