הכל על מורכב

האנלוגים הפשוטים ביותר של חומר מרוכב שעולים לראש למתחילים הם וופל קונדיטוריה ודיקט עץ. במקרה הראשון, מילוי קרמי ממוקם בין העוגות עם נקודות רשת. האפשרות השנייה היא שכבות סיבים מסודרות בניצב, אשר ספוגות בהרכב דבק.

קומפוזיט הוא שילוב של שכבות של חומרים מסוגים שונים ושונים הנבדלים במספר תכונות פיזיקליות, טכנולוגיות ומכניות. אחת הדרישות העיקריות היא ניטרליות, הניתנת על ידי דמיון משמעותי בתכונות הכימיות של השכבות בהן נעשה שימוש. טכנולוגיות ומכאניות, כמו גם מספר מאפיינים פיזיקליים של המרוכב המתקבל, שונים מהפרמטרים ההתחלתיים האנלוגיים של כל אחת מהשכבות בנפרד.

ישנם רק שני סוגים של שכבות ביניים בחומר מרוכב: מטריצה ​​עם תאים וחומר מילוי. אנלוגי הבנייה הפשוטים ביותר של קומפוזיט הוא בטון מזוין, שנוצר על ידי מסגרת פלדה, החלל שבתוכה (ובחלקו מחוצה לה) מלא ביציקת בטון, שהתקשה והתחזקה תוך חודש ממועד יציקת תמיסת הבטון. .

מבחינה מבנית, חומרים מרוכבים הם סיבי, מוקשה בפיזור, מוקשה חלקית (לא להתבלבל עם התקשות חלקית, מוזכרת במובן של שיפור מסוים בפרמטרי ההרכב) ו ננומטרי.

דוגמאות לחומרים מרוכבים.

• נייר חותמת לכסף ומסמכים המכילים שערות סינתטיות המגבירות את חוזק הדמעות והשחיקה. הם גם אחד מהאינדיקטורים הרבים לזיוף כרטיס.
• לבני חרס עם קש כלולים. לבנת ה-adobe זוכה להתנגדות מסוימת בפני פיצוח.
• דבק אפוקסי עם אבקת מתכת או עץ. זה האחרון מוכנס לתוך הרכב על מנת לחסוך שרף אפוקסי.
• פחמן שנשבר בהשפעות רב-כיווניות. הוא אינו נסדק רק כאשר זעזועים ורעידות חופפים בווקטור של פגיעתם עם הכיוון שאליו נע רוכב האופניים. אם תפגע בשלדת אופני פחמן שטוחה על חפץ כלשהו, ​​למשל, עמוד בטון, אז סיבי הפחמן יתנפצו לרסיסים.
• טריפלקס - שכבות זכוכית בחזית ומגן האחורי של המכונית, המוחזקות יחד על ידי שכבות של צלולואיד. בתאונה, פיזורם של מספר רב של שברים בצורת טריז אינו נכלל, מה שגורם לרוב לאובדן הראייה של הנהג המעורב בתאונה.

לכן, זכוכית משוריינת לרכבי משטרה וצבא עשויה משלוש שכבות או יותר של זכוכית מחוסמת - ניתן לנקב אותו רק עם כדורים או פגזים חודרי שריון. זכוכית משוריינת שייכת לחומרים מרוכבים למינציה. מגוון הפיתוחים הקיימים כיום מחלק את החומר המרוכב לעשרות סוגים וזנים, אשר לכל אחד מהם יש ביקוש רב בשוק שירותי הבנייה והתיקונים.

לכן, ישנם מראה, מילוי, קוורץ וחומרים מרוכבים אחרים המיועדים ליישומים ספציפיים. המאפיינים של כל אחד מהמינים הללו שונים זה מזה. לדוגמה, ננו ומיקרו מרוכבים ללא פולימרים אינם נשרפים.הם נחרכים רק כאשר הם מחוממים למאות מעלות צלזיוס לפחות, מה שמפשט את השימוש בהם בטמפרטורות חריגות לתנאי החדר.

חומרים מרוכבים מיוצרים על פי התוכנית הבאה. תחילה מורחים את רכיב המטריצה ​​על סיבי החיזוק, לאחר מכן נוצרים באמצעות תבנית דחיסה את הסרטים של מרכיב החיזוק והמטריצה ​​עצמה. החומר המתקבל נלחץ החוצה, חוטא, וציפוי נוסף מוחל על הסיבים. יתר על כן, החומר המשני שנוצר (השלב ​​הבא) נשלח ללחיצה חוזרת, עובר את שלב מריחת המטריצה ​​בצורה של ריסוס בעזרת פלזמה. הלחיצה השלישית - סחיטה - היא השלב האחרון. לפיכך, דחיסה (לחיצה) מתבצעת לפחות שלוש פעמים.

חומרים מרוכבים טבעיים הם קלים, עמידים ומתקדמים. הם משמשים בעיקר למטוסים, כולל מטוסים וטילים. חומרים מרוכבים לא מסובכים נוצרים על ידי הטבע עצמו, למשל, טבעות עצים של עץ, קליפה. חומרים מרוכבים טבעיים שנוצרו על ידי האדם הם לבני חרס, המכילות חול, גושי חול מלט בתוספת נסורת ועוד.

פיברגלס מוכר כאחד הסיבים המרוכבים הקלאסיים. זהו סרט מורכב מפלסטיק שנדבק לכל מיני משטחים. מטריצה ​​זו מחזיקה את גדילי הפיברגלס במקומם. הודות לחוטי הזכוכית הנלחצים בצורה זו, חוזק החומר הזה מובטח. פלסטיק הוא מטבעו רך וגמיש, בעוד זכוכית היא קשה ושבירה.

בשילוב תכונות אלו ניתן לקבל חומר גמיש מאוד ויחד עם זאת מוצק בו פלסטיק וזכוכית משלימים זה את זה. המרוכב משמש לייצור פחחות למכוניות ולסירות מנוע. קומפוזיט זכוכית אינו מחליד או מתחמצן.

חומרי בניין מודרניים יותר שהופיעו הרבה יותר מאוחר מכילים מתכת, קרמיקה ו/או פולימר כחומר העיקרי. הסיווג של חומרים אלו מביא בחשבון גם תוספים שאינם מתכתיים כגון שבבי עץ או אבק. מרוכב עץ מחוזק בפלסטיק, או לוח מרוכב (וחומר יריעות עשוי מאותם מרכיבים), משמש בייצור רהיטים וריצוף מרפסת או סיפון.

עץ, כתוש ומעורבב עם פולימר המומס למצב רך, משמש ככיסוי סיפון מוקשה, עליו ניתן ללכת ואף להזיז רהיטים: לוח או יריעת פלסטיק מעץ לא ישברו או ייסדקו, בהיותם חומר מוצק.

MDF - קופסה או פרופיל מוצק, אשר אינו משתמש בשרף סינטטי או פלסטיק, אלא אך ורק שרפים ממקור טבעי. עץ כתוש לשבבים ואבק ספוג בחומר זה ולאחר מכן עובר את שלבי הסינטר והכבישה בתנור. מוצרים נפוצים העשויים מ-MDF הם דלתות ולמינציה באיכות גבוהה. במהלך הסינטר וההתקשות של השרף הם מתפלמרים - נוצר פולימר טבעי, בו מתמוסס אבק עץ (ומפיצים שבבים).

הדוגמה הפשוטה ביותר היא סגסוגת אלומיניום או מגנזיום מחוזקת בסיבי פחמן. אבל ניתן להוסיף לאלומיניום סיליקון קרביד, ולהרכב הנחושת-ניקל ניתן להוסיף גרפן, תת-סוג של סיבי פחמן.חומרים מרוכבים עם מטריצת מתכת הם חזקים, בעלי קשיחות מקובלת לפתרון רוב הבעיות, עמידים בפני שחיקה, עמידים בפני חמצון ובעלי קלילות יחסית בהשוואה למוצרי מתכת.

הם יקרים וקשים לעיבוד. לדוגמה, אלמנטים בוכנה למנועי בעירה פנימית דיזל עשויים מחומרים מרוכבים מודרניים. ציפוי מרוכב לחזית עשוי יריעת אלומיניום, בין שכבותיו יוצקים פלסטיק. צביעה עוזרת לתת צבע שונה לגימור כזה.

במקום מתכת, החומר העיקרי בקומפוזיט הקרמי, כפי שניתן לנחש, הוא קרמיקה. לדוגמה, זכוכית המכילה בורון העשויה על בסיס תכלילי סיליקט משמשת כאלמנט זה. הוא משמש כמרכיב מטריקס משני והוא מחוזק בתכלילים של סיבי פחמן או קרמיקה, שבתפקידם נעשה שימוש בסיליקון קרביד. הקומפוזיט הקרמי מאפשר, למשל, להתמודד עם השבריריות של קרמיקה מוצקה, ויוצר חיזוק אופייני להתגברות על תופעת פיצוח הקינק.

פחמן-קרביד מרוכב הוא אחד המוצרים המבוקשים ביותר בשוק לחומרים מרוכבים., מה שמאפשר לקבל קומפוזיציה שמקדימה את סיבי הפחמן והקומפוזיט מבחינת מאפייני החוזק שלו ואינדיקטור לאמינות של חלקי עבודה העשויים מחומר כזה. מרוכב כזה משמש, למשל, בייצור חלקים למערכת בלימה ומצמד לרכב.

כיום לא עוצר הפיתוח של חומרים מודרניים יותר, שיחליפו את אלו שכבר חדרו לשוק, המיוצרים מהם עשרות אלפי סוגי מוצרים. לכן, הממדים של סיבי חיזוק בננוטכנולוגיה קטנים פי 1000 מקודמיהם הארוכים יותר. אחד החומרים של העתיד הוא ננו-צינורות פחמן, מהם עשויים, למשל, מקלות הוקי. בדוגמה זו, סיבי הננו-פחמן מצופים בחומר מרוכב ניקל-קובלט. מועדון זה חזק כמעט פי שלושה וחמישית יותר ללא קיפולים ללא סדקים מאשר מוצר דומה העשוי מסגסוגת פלדה.

חומרים מרוכבים מוקשים מסווגים כננו-חומרים שבהם אורך הסיבים העיקריים מובא לערך של 100 ננומטר. אבל בשנים האחרונות, עשרה ננו-חלקיקים התכווצו באורך ל-10 ננומטר - גישה דומה משמשת, למשל, מוליכים למחצה ומוליכים היוצרים גביש של מיקרו-מעבד, מיקרו-בקר או מיקרו-מעגלים היוצרים זיכרון אלקטרוני. על קורות ולוחות מרוכבים חלים תקנים מוגדרים בקפדנות: למשל, הקשיחות (מודול יאנג) חייבת להיות לפחות 130 ג'יגה-פסקל, החומרים חייבים לעמוד בפני בלאי עייפות ולהיות יציבים במידות. המטרה היא לפתור את כל הבעיות הללו בו זמנית. חסרונות - עלות גבוהה עקב העומס המוגבר עתיר הידע בפיתוח, יישום ויישום מעשי של חומרים אלו.

השוק הרוסי לייצור CM עושה רק 3% מאספקת היצוא ברמה העולמית. זאת בשל היעדר מסמכים רגולטוריים אחידים המפשטים את ייצור חומרי בניין מרוכבים, ועד לאחרונה יובאו 90% מחומרי הגלם לייצור.

לכן, הייצור של פלסטיק מחוזק בסיבי פחמן ברוסיה רק ​​החל להתפתח, בעוד, למשל, סין היא אחת היצרניות המובילות של מרוכבים. חומרים חדשים, שביצירתם השתתפו גם מדענים רוסים, מבוססים בעיקר על שימוש בננו-חלקיקים.

חומרים מרוכבים משמשים בבניית מטוסים לייצור רכיבי מנוע מסוימים ומבנים נושאי עומס של מטוסים. תעשיות החלל משתמשות בהן לייצור מבנים נושאי עומס וחיפוי רקטות ולוויינים, שחווים חימום חזק בכניסה למסלול. תעשיית הרכב משתמשת בקומפוזיט לייצור פחחות ופגושים. תעשיית הכרייה משתמשת ב-CM כחומר למקדחות. הנדסה אזרחית משתמשת ב-CM לבניית אלמנטים של גשרים ומבנים רבי קומות אחרים.

תנאי הסף העיקרי בענפים שונים של הנדסת מכונות הוא הקלת המשקל העצמי של מכוניות וציוד מיוחד, כל סוגי הרכבים: עד 70% מהרכיבים הם חומר לא מתכתי. רצפת פילוס עצמית (רצפות יציקה), כמו גם יציקת מדרגות, כרוכה בשימוש בחומר מרוכב, שבו לפני שהוא מגיב עם אוויר, ישנו חומר חצי נוזלי, אולי סירופי. ניתן ליישם את הקומפוזיט הזה בקלות על תת רצפת הבטון באמצעות דבק אפוקסי בו ממיסים את מילוי הבסיס.

חישוב היתכנות השימוש ב-CM מבוסס על הפרמטר החשוב ביותר – יעילות השימוש בטכנולוגיות מתאימות. ניתן לשלב מטריצות מתכתיות ולא מתכתיות בייצור מרוכב מורכב יותר ברצף שונה. כדוגמה, צמיג אופניים, בהליכון שמשתמשים בו במספר שכבות של סיבי חיזוק: ניילון, קוולר, חוט פלדה דק ותרכובת, המאפשרים להגדיל את מספר קווי ההגנה. הודות לטכנולוגיות אלו, רוכבי אופניים אינם "תופסים" קוצים וחתיכות זכוכית, חוטים, נעים בשולי הכביש ללא אספלט, דרכי עפר וכבישים סלעיים.

צמיג כזה יעבור לא אחד, אבל לא פחות מעשרים אלף קילומטרים לפני שהוא יתבלה עד כדי כך שהפנצ'רים שלו בכל זאת יהפכו לאירוע תדיר. חישוב העלות של צמיג אחד כזה, שבו תג מחיר זה יכול לעלות פי 10 או יותר, מאפשר לך ליהנות מהוזלה כללית קטנה במחיר, מבלי להחליף צמיגים דומים עד פי 10 (גורם זה נחשב כזמן בילוי על מניפולציות תיקון) - כאשר עוברים את כל אותם 20,000 ק"מ על אותם צמיגים.

במקרה זה, צמיגי אופניים הם מעין רב-קומפוזיט, שבו נעשה שימוש במספר שכבות שיפור (מטריצות), ולא אחת. חישוב הייצור של סוג מסוים של חומר מרוכב מבוסס על הצורה שבה הוא משמש. תכלילים לחיזוק משמשים כחוטים, סרטים, בד דק, רכיב סיבי או חבל. כמות המקשה בחומר לפי נפח ומשקל היא 30-80%, בהתאם לייעודו של סוג מסויים של קומפוזיט.