Kāda ir kompozītmateriāla definīcija?

DonNichols / Getty Images

Brīvi definēts, kompozītmateriāls ir divu vai vairāku dažādu materiālu kombinācija, kas rada labāku (bieži vien spēcīgāku) produktu. Cilvēki ir radījuši kompozītmateriālus tūkstošiem gadu, lai izveidotu visu, sākot no vienkāršām patversmēm un beidzot ar sarežģītām elektroniskām ierīcēm. Ja pirmie kompozītmateriāli tika izgatavoti no dabīgiem materiāliem, piemēram, dubļiem un salmiem, mūsdienu kompozītmateriāli tiek radīti laboratorijā no sintētiskām vielām. Neatkarīgi no to izcelsmes kompozītmateriāli ir padarījuši dzīvi tādu, kādu mēs to zinām.

Īsa vēsture

Arheologi saka, ka cilvēki ir izmantojuši kompozītmateriālus vismaz 5000 līdz 6000 gadu. Senajā Ēģiptē ķieģeļi tika izgatavoti no dubļiem un salmiem, lai aptvertu un nostiprinātu koka konstrukcijas, piemēram, fortus un pieminekļus. Dažās Āzijas, Eiropas, Āfrikas un Amerikas daļās pamatiedzīvotāju kultūras veido struktūras no vālītes (dēlīši vai koka sloksnes) un dubļu (dubļu vai māla, salmu, grants, kaļķa, siena un citu vielu kompozīts).

Cita attīstīta civilizācija — mongoļi — arī bija kompozītmateriālu izmantošanas pionieri. Sākot ar 1200. gadu pēc mūsu ēras, viņi sāka būvēt pastiprinātus lokus no koka, kaula un dabīgas līmvielas, kas ietītas ar bērza mizu. Tie bija daudz spēcīgāki un precīzāki par vienkāršiem koka lokiem, palīdzot Čingishana Mongolijas impērijai izplatīties visā Āzijā.

Mūsdienu kompozītmateriālu laikmets sākās 20. gadsimtā, kad tika izgudrotas agrīnas plastmasas, piemēram, bakelīts un vinils, kā arī inženierijas koka izstrādājumi, piemēram, saplāksnis. 1935. gadā tika izgudrots vēl viens būtisks kompozītmateriāls — stikla šķiedra. Tas bija daudz izturīgāks nekā iepriekšējie kompozītmateriāli, to varēja veidot un veidot, un tas bija ārkārtīgi viegls un izturīgs.

Otrais pasaules karš pasteidzināja vēl vairāk no naftas iegūtu kompozītmateriālu izgudrošanu, no kuriem daudzi joprojām tiek izmantoti mūsdienās, tostarp poliesters. Sešdesmitajos gados tika ieviesti vēl sarežģītāki kompozītmateriāli, piemēram, kevlars un oglekļa šķiedra.

Mūsdienīgi kompozītmateriāli

Mūsdienās izmantošana kompozītmateriāli ir attīstījies, parasti iekļaujot strukturālo šķiedru un plastmasu, to sauc par šķiedru pastiprinātu plastmasu vai saīsināti FRP. Tāpat kā salmi, šķiedra nodrošina kompozītmateriāla struktūru un izturību, savukārt plastmasas polimērs satur šķiedru kopā. Parasti FRP kompozītmateriālos izmantoto šķiedru veidi ir:

• Stikla šķiedra
• Karbona šķiedra
• Aramīda šķiedra
• Bora šķiedra
• Bazalta šķiedra
• Dabiskā šķiedra (koks, lini, kaņepes utt.)

Gadījumā, ja stikla šķiedra , simtiem tūkstošu sīku stikla šķiedru tiek apkopotas kopā un stingri noturētas ar plastmasas polimēru sveķiem. Parastie plastmasas sveķi, ko izmanto kompozītmateriālos, ir:

• Epoksīds
• Vinila esteris
• Poliesters
• Poliuretāns
• Polipropilēns

Kopējie lietojumi un priekšrocības

Visizplatītākais kompozīta piemērs ir betons. Šajā lietošanā strukturālā tērauda armatūra nodrošina betona stiprību un stingrību, bet sacietējušais cements notur stieni nekustīgu. Armatūra vien pārāk daudz salocīsies, un cements viens pats viegli saplaisās. Tomēr, apvienojot kompozītmateriālu, tiek izveidots ārkārtīgi stingrs materiāls.

Kompozītmateriāls, kas visbiežāk tiek saistīts ar terminu “kompozīts”, ir ar šķiedru pastiprināta plastmasa. Šis kompozītmateriālu veids tiek plaši izmantots mūsu ikdienas dzīvē. Ar šķiedru pastiprinātas plastmasas kompozītmateriāliem parasti tiek izmantoti šādi materiāli:

• Lidmašīna
• Laivas un jūras
• Sporta aprīkojums (golfa šahtas, tenisa raketes, vējdēļi, hokeja nūjas utt.)
• Automobiļu sastāvdaļas
• Vēja turbīnu lāpstiņas
• Bruņas
• Celtniecības materiāli
• Ūdens caurules
• Tilti
• Instrumentu rokturi
• Kāpņu sliedes

Mūsdienu kompozītmateriāliem ir vairākas priekšrocības salīdzinājumā ar citiem materiāliem, piemēram, tēraudu. Varbūt vissvarīgākais ir tas, ka kompozītmateriāli ir daudz vieglāki. Tie ir arī izturīgi pret koroziju, ir elastīgi un izturīgi pret iespiedumiem. Tas, savukārt, nozīmē, ka tiem nepieciešama mazāka apkope un ilgāks kalpošanas laiks nekā tradicionālajiem materiāliem. Kompozītmateriāli padara automašīnas vieglākas un līdz ar to arī degvielas taupīgākas, padara bruņuvestes izturīgākas pret lodēm un padara turbīnu lāpstiņas, kas spēj izturēt liela vēja ātruma radīto stresu.

Avoti

• BBC News darbinieki. 'Nomira kevlāra izgudrotāja Stefanija Kvoleka.' BBC.com. 2014. gada 21. jūnijs.
• Enerģētikas departamenta darbinieki. '9 labākās lietas, ko jūs nezinājāt par oglekļa šķiedru.' Energy.gov. 2013. gada 29. marts.
• Karaliskās ķīmijas biedrības darbinieki. 'Saliktie materiāli.' RSC.org.
• Vilfords, Džons Nobls. 'Atjaunot dubļu ķieģeļu veltījumu aizgājušajam Ēģiptes karalim.' NYTimes.com. 2007. gada 10. janvāris.