Композиционный материал

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 износостойкость

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:

высокая стоимость

анизотропия свойств

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

Стеклопластики

Для армирования этих композиционных материалов используются стеклянные волокна, сформованные из расплавленного неорганического стекла. Матрица основывается на термоактивных синтетических смолах и термопластичных полимерах, которые отличают высокая прочность, низкая теплопроводность, высокие электроизоляционные свойства. Изначально они использовались при производстве антенных обтекателей в виде куполообразных конструкций. В современном мире стеклопластики широко применяются в строительной сфере, судостроении, производстве бытового инвентаря и спортивных предметов, радиоэлектронике.

В большинстве случаев стеклопластики производятся на основе напыления. Особенно эффективен этот метод при мелко- и среднесерийном производстве, например корпусов катеров, лодок, кабин для автомобильного транспорта, железнодорожных вагонов. Технология напыления удобна экономичностью, так как не требуется раскраиваться стекломатериал.

Композитные панели для фасада

Особенности производства

Древесные композиты имеют особенную структуру за счет сочетания в них полимерной основы с древесиной. Среди материалов подобного типа можно отметить древесно-стружечные, древесноволокнистые плиты разной плотности, плиты из ориентированной щепы и древесно-полимерный композит. Производство композитных материалов данного типа ведется в несколько этапов:

Измельчается древесина. Для этого используются дробилки. После дробления древесину просеивают и делят на фракции. Если влажность сырья — выше 15 %, его обязательно высушивают.
Дозируются и смешиваются основные компоненты в определенных пропорциях.
Готовое изделие прессуется и форматируется для обретения товарного вида.

Полимерные материалы

Полимерные композиты представлены в многообразии вариантов, что открывает большие возможности по их использованию в разных сферах, начиная от стоматологии и заканчивая производством авиационной техники. Наполнение композитов на основе полимеров выполняется разными веществами.

Наиболее перспективными сферами использования можно считать строительство, нефтегазовую промышленность, производство автомобильного и железнодорожного транспорта. Именно на долю этих производств приходится порядка 60 % объема использования полимерных композиционных материалов.

Благодаря высокой устойчивости полимерных композитов к коррозии, ровной и плотной поверхности изделий, которые получаются методом формования, повышается надежность и долговечность эксплуатации конечного продукта.

Рассмотрим популярные виды полимерных материалов.

Древесные композиты

Отдельно стоит упомянуть древесный композит. Он получается посредством сочетания сырья разного типа, при этом в качестве основного компонента выступает древесина. Каждый древесно-полимерный композит состоит из трех элементов:

частиц измельченной древесины;
термопластичного полимера (ПВХ, полиэтилена, полипропилена);
комплекса химических добавок в виде модификаторов – их в составе материала до 5 %.

Самый популярный вид древесных композитов – это композитная доска. Ее уникальность в том, что она объединяет в себе свойства и древесины, и полимеров, что существенно расширяет сферу ее применения. Так, доска отличается плотностью (на ее показатель влияет базовая смола и плотность древесинных частичек), хорошим сопротивлением на изгиб. При этом материал экологичный, сохраняет текстуру, цвет и аромат натурального дерева. Использование композитных досок абсолютно безопасно. За счет полимерных добавок композитная доска обретает высокий уровень износостойкости и влагостойкости. Ее можно использовать для отделки террас, садовых дорожек, даже если на них приходится большая нагрузка.

Особенности производства

Измельчается древесина. Для этого используются дробилки. После дробления древесину просеивают и делят на фракции. Если влажность сырья — выше 15 %, его обязательно высушивают.
Дозируются и смешиваются основные компоненты в определенных пропорциях.
Готовое изделие прессуется и форматируется для обретения товарного вида.

Полимерные материалы

Рассмотрим популярные виды полимерных материалов.

Основные типы

Классификация композитов основана на их матрице, которая может быть металлической и неметаллической. Материалы с металлической матрицей на основе алюминия, магния, никеля и их сплавов обретают дополнительную прочность за счет волокнистых материалов или тугоплавких частиц, которые не растворяются в основном металле.

Композиты с неметаллической матрицей в основе имеют полимеры, углерод или керамику. Среди полимерных матриц наиболее популярны эпоксидная, полиамидная и фенолформальдегидная. Форма композиции придается за счет матрицы, которая выступает своеобразным связующим веществом. Для упрочнения материалов используются волокна, жгуты, нити, многослойные ткани.

Изготовление композитных материалов ведется на основе следующих технологических методов:

пропитка армирующих волокон матричным материалом;
формование в пресс-форме лент упрочнителя и матрицы;
холодное прессование компонентов с дальнейшим спеканием;
электрохимическое нанесение покрытия на волокна и дальнейшее прессование;
осаждение матрицы плазменным напылением и последующее обжатие.

Методы реставрации

Как осуществляется композитная реставрация зубов? Выбор метода определяется видом пораженного зуба (фронтальный или жевательный), а также объемом повреждений.

Рассмотрим их более детально:

Виниры. Представляют собой тонкие пластинки, предназначенные для покрытия дентальной поверхности. Реставрация такого типа проводится для коррекции визуальных зубных эффектов и защиты от внешних повреждений. Виниры могут использоваться для маскировки расширенных зубных щелей, а также для устранения выраженной желтизны зубной эмали. Изготавливает виниры дантист или зубной техник. Проводится процедура непосредственно в ротовой полости больного. Предварительно врач после местной анестезии снимает часть эмали, чтобы винир не выходил за пределы зубного ряда. После этого контактная поверхность очищается и обезжиривается, а также обрабатывается антисептиком. Композитный материал послойно наносится на поверхность. Каждый слой высушивается при помощи специальной лампы. На заключительном этапе поверхность винира шлифуют и придают ей форму. Таким образом может осуществляться реставрация фронтальных зубов композитным материалом.
Вкладка. Это слепок композита, дублирующий поверхность зуба. Данный элемент изготавливается непрямым методом. Устанавливается композитная вкладка в два этапа. Сперва врач обрабатывает пораженный зуб и снимает слепок зубного ряда. Это поможет определить очертания зуба и прикуса. На этом же этапе определяется цвет вкладки. После этого врач устанавливает временный аналог. По форме слепка из композитного материала изготавливают саму вкладку. Ее устанавливают во время повторного визита к стоматологу. Для установки используют специальные клеящие составы. Граница вкладки должна быть тщательно отполирована. Данную методику сегодня выбирают достаточно редко из-за ее низкой эффективности. При этом стоимость процедуры высокая.
Пломбы. Они также могут изготавливаться из композитных материалов. Сперва проводится подготовка зубной полости. Испорченный участок резца высверливают и придают ему правильную форму. После этого поверхность зачищают для лучшего сцепления с композитом. Зуб изолируют от контакта с жидкими средами и в течение 15 секунд вытравливают при помощи фосфорной кислоты. Далее наносится связующий компонент, затвердевающий под действием фотополимеризатора. Текучий или эластичный композит нужно наносить послойно. Толщина каждого слоя составляет примерно 2 мм. Это необходимо для того, чтобы он затвердевал нужным образом. При нанесении слоев стоматолог обычно придает зубу физиологическую форму. Перед заключительной полировкой врач проверяет укус. Выступающие элементы пломбы не должны доставлять пациенту дискомфорт при жевании.

Какой упрочнитель?

Во многих сферах промышленности нашли применение композитные материалы. Что это такое, мы уже сказали. Это материалы на основе нескольких компонентов, которые обязательно упрочняются специальными волокнами или кристаллами. От прочности и упругости волокон зависит и прочность самих композитов. В зависимости от вида упрочнителя все композиты можно поделить:

на стекловолокниты;
карбоволокниты с углеродными волокнами;
бороволокниты;
органоволокниты.

Упрочнительные материалы могут укладываться в две, три, четыре и больше нити, чем их больше, тем прочнее и надежнее в эксплуатации будут композиционные материалы.

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.

Основные типы

Изготовление композитных материалов ведется на основе следующих технологических методов:

пропитка армирующих волокон матричным материалом;
формование в пресс-форме лент упрочнителя и матрицы;
холодное прессование компонентов с дальнейшим спеканием;
электрохимическое нанесение покрытия на волокна и дальнейшее прессование;
осаждение матрицы плазменным напылением и последующее обжатие.

Основные характеристики

Мы описали самые популярные полимерные композитные материалы. Что это такое, теперь понятно. Благодаря слоистой структуре есть возможность армирования каждого слоя параллельными непрерывными волокнами. Стоит отдельно сказать о характеристиках современных композитов, которые отличаются:

высоким значением временного сопротивления и предела выносливости;
высоким уровнем упругости;
прочностью, которая достигается армированием слоев;
за счет жестких армирующих волокон композиты обладают высокой стойкостью к напряжениям на разрыв.

Композиты на основе металлов отличаются высокой прочностью и жаропрочностью, при этом они практически неэластичны. За счет структуры волокон уменьшается скорость распространения трещин, которые иногда появляются в матрице.

Углепластики

Свойства композитных материалов на основе полимеров дают возможность использовать их в самых разных сферах. В них в качестве наполнителя используются углеродные волокна, получаемые из синтетических и природных волокон на основе целлюлозы, пеков. Волокно обрабатывается термически в несколько этапов. По сравнению со стеклопластиками углепластики отличаются более низкой плотностью и более высоким модулем упругости при легкости и прочности материала. Благодаря уникальным эксплуатационным свойствам углепластики находят применение в машино- и ракетостроении, производстве космической и медицинской техники, велосипедов и спортивных принадлежностей.

Композитный материал-технологии изготовления

На конечные свойства изделия также влияет то, каким способом оно произведено. Некоторые методы позволяют организовать производство композитов даже у себя в гараже. И так, рассмотрим наиболее часто встречающиеся методы производства КМ:

Напыление

Рубленное волокно, перемешанное с катализированной смолой напыляется с помощью пистолета на оснастку.

Связующее : преимущественно, полиэфирная смола

Наполнитель: стекловолокно

Вакуумное формование

После укладки и пропитки ткани как при ручной формовке, на стадии отверждения, применяется давление для укрепления ламината.

Связующее : чаще, эпоксидная смола или фенольная

Намотка

Волокна, пропитанные связующим, наматываются в различных направлениях на оправку. Пример: стеклопластиковые трубы или баллоны.

Пултрузия

Процесс производства профильных изделий из одноосно-ориентированных пластиков непрерывным способом, является аналогией экструзии металлов.

RTM

Сухой армирующий слой укладывается на оснастку, затем вторая часть оснастки закрывается и происходит инъекция смолы в полость.

Автоклав

Препрег (предварительно пропитанное волокно или ткань) выкладывается на поверхность оснастки. Затем оснастка нагревается под давлением до 120-180 °С. Давление создается автоклавом, а высокая температура активирует катализатор в связующем.

Связующее: обычно эпоксидная, полиэфирная или фенольная смола

Наполнитель: чаще всего углеродное или стекловолкно.

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.

Финансовая сторона

Сколько стоит композитная реставрация зубов? Отзывы пациентов подтверждают, что данная процедура является весьма доступной. Цена зависит от объема пораженной области, метода реставрации, а также используемых композитных материалов. В среднем, установка пломбы из композита светового отражения под коронку обойдется в 2 тысячи рублей. Художественная реставрация зуба будет стоить около 4 тысяч рублей. Установка винира оценивается в такую же сумму. Наиболее дорогим методом считается установка композитной вкладки. Она стоит от 7 тысяч рублей. Кроме того, нужно будет также оплатить анестезию, фиксацию штифта, фторирование и различные терапевтические методики, предшествующие использованию композитных материалов.

Стеклопластики

Навигация по записям

Последовательность действий

Рассмотрим более подробно этапы реставрации зубов композитными материалами:

Подготовка. Сперва врач должен выполнить профессиональную чистку, удалить налет. Затем осуществляется подбор композитного материала. Он должен иметь структуру и цвет, соответствующие зубам пациента. На этом же этапе обычно проводится местное обезболивание.
Основной этап. Стоматолог высверливает поврежденные участки зубов, изолирует их от слюны при помощи ватных тампонов или специальных приспособлений. После этого послойно наносят композитный материал и устанавливают штифты.
На заключительном этапе осуществляется полировка и шлифовка поверхности зубов, а также их покрытие фторсодержащим лаком.

Противопоказания

К сожалению, композитная реставрация подходит не всем. Вмешательство такого рода нельзя проводить при наличии у пациента кардиостимулятора. Проблема в том, что фотополимеризатор способен нарушить частоту импульсов аппарата и привести к остановке сердечной деятельности. Также реставрацию нельзя проводить при некоторых стоматологических особенностях, связанных с невозможностью ограждения кариозной полости от проникновения влаги. К противопоказаниям также относится аллергическая реакция на отдельные элементы композита.

Существуют относительные противопоказания. Процедура в таком случае допускается при их коррекции. К ним относятся:

Бруксизм.
Недостаточный гигиенический уход за полостью рта.
Неправильный прикус.
Дефект резцов.
Повышенная стираемость эмали.
Занятие травмоопасными видами спорта.

КАКИЕ МАТЕРИАЛЫ ПРИМЕНЯЮТ ДЛЯ ТАКОГО ПЛОМБИРОВАНИЯ?

Рассмотрим все варианты пломбировочного материала, которые применяют в клинике «Кларимед». Они показали себя лучшими в соотношении цена-качество и помогают решить практически любую проблему с жевательными зубами.

Стеклоиономерный цемент (СИЦ). Это современный цементный материал, который часто применяют для установки постоянных пломб на жевательной поверхности. Он хорошо твердеет во влажной среде, поэтому его используют и для лечения самых проблемных видов кариеса, например находящихся ниже уровня десны. Материал создает межмолекулярные связи с эмалью и дентином, поэтому прекрасно держится и не требует дополнительных площадок для укрепления. В процессе полимеризации цементный материал практически не усаживается, выделяет в ткани зуба ионы фтора и прекрасно прилегает к краю эмали и дентина из-за термического расширения.

Композит светового отверждения «Филтек». Светоотверждаемый нанокомпозитный материал, который несколько лет подряд получал медали в разнообразных стоматологических конкурсах на международном уровне. Хорошо поддается моделированию, эстетичен, эластичен и очень прочен после застывания. Подходит для любых кариозных полостей, долго сохраняет свои качества и минимально поддается истиранию.

Жидкотекучий композит светового отверждения FLOW. Идеально подходит для пломбирования небольших кариозных полостей на жевательных зубах. Материал эстетичен, хорошо моделируется, долговечен.

Жидкотекучий композит светового отверждения Estelite. Высшая награда в области реставрирования зубов, своеобразный стоматологический «Оскар», по мнению популярного американского журнала The Dental Advisor, вручалась этому японскому пломбировочному материалу с 2010 по 2020 год.

Estelite подходит для любых видов кариозных полостей, при отверждении дает минимальную усадку и имеет 20 оттенков, которые полностью восстановят эстетику любого зуба. Это самый износостойкий материал из представленных, у него минимальное истирание, есть возможность восстановления как передних, так и боковых зубов; режущей и жевательной поверхности. Японский состав выделяет ионы фтора, поэтому уменьшается риск повторного кариеса. Кроме того, композит отличается глубокой адгезией к дентину, в результате получается монолитная конструкция, без краевой щели.

Если пломба на жевательную поверхность поставлена правильно, то ее практически не отличить от настоящего зуба

Требования к композитным материалам в стоматологии

Какие перспективы?

По мнению представителей сферы промышленности России, композиционный материал относится к материалам нового поколения. Планируется, что к 2020 году вырастут объемы внутреннего производства продукции композитной отрасли. Уже сейчас на территории страны реализуются пилотные проекты, направленные на разработку композитных материалов нового поколения.

Применение композитов целесообразно в самых разных сферах, но наиболее эффективно оно в отраслях, связанных с высокими технологиями. Например, сегодня ни один летательный аппарат не создается без использования композитов, а в некоторых из них используется порядка 60 % полимерных композитов.

Благодаря возможности совмещения различных армирующих элементов и матриц можно получить композицию с определенным набором характеристик. А это, в свою очередь, дает возможность применять эти материалы в самых разных сферах.

В заключение

ХХI век давно называют веком композитных материалов, как были каменные и бронзовые века в древности. Композиты прочно вошли в нашу жизнь, изделия из углепластика и стеклопластика можно встретить во всех отраслях промышленности и в быту. Ясно, что у российского рынка композитов колоссальный потенциал. Производству ПКМ способствуют различные Государственные программы. Технология изготовления изделий из композиционных материалов вошла в число 27 приоритетных направлений, предусмотренных Указом №899 «Об утверждении приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в РФ и перечня критических технологий РФ». Владение базовой теорией композитов может пригодиться и в быту от ремонта стеклопластиковой душевой кабины до упрочнения фундамента домов углеродной лентой. О перспективах компаний производящих композитные материалы не приходиться и говорить.

Буду признателен за любую обратную связь. Спасибо!