История композитов – Композитные конструкции

Что такое

композиты

материалы конструкционного назначения
из 2 или более компонентов

один из элементов (матрица)
объединяет армирующие элементы,
фиксируя структуру материала

армирующие элементы имеют относительно
малые характерные размеры
(толщину или диаметр)

и придают материалу особые свойства:
высокую жесткость и прочность, тепло- или
электропроводность, износостойкость и т. п.

главное преимущество композитных материалов –
уникальное сочетание свойств
По отдельно взятым свойствам композиты могут не являться самыми лучшими

Стеклопластики или углепластики

не самые
прочные

не самые
легкие

но

превосходят все другие материалы
по сочетанию прочности и легкости

которая характеризуется отношением прочности к плотности материала
и называется удельной прочностью

Два или более неоднородных материала используют вместе,
чтобы создать новый уникальный материал или же улучшить характеристики одного из них.

Первое использование этого метода относится к 1500 году до нашей эры, когда в Египте и Месопотамии начали использовать глину и солому для строения зданий. Также солому вносили в состав для укрепления керамических изделий и лодок.

➤

Инновационный потенциал

Эволюция материалов

Натуральные материалы

Камень

Дерево

Кость

Шкуры

Кремень

Самородное золото

Самородная медь

Материалы, полученные
опытным путем

Керамика

Бронза

Стекло

Железо

Цемент

Чугун

Сталь

Стальные сплавы

Легкие сплавы

Жаропрочные сплавы

синтез, основанный на знании

Межфазная инженерия

Дислокационная теория

Термохимия

Композиционные материалы

3D-печать

Гибридные материалы

Эпоксиды

Акрилы

Композиты

Полиэфиры

Двухфазная сталь

Жесткая керамика

Аморфные металлы

Ультрамелкозернистые материалы

Композиты

100 000

10 000

5 000

1 000

1 500

1 800

1 900

1 940

1 960

1 980

1 990

2 000+

до н.э.

↤↦

после н.э.

1200 год нашей эры

Монголы создали первый композиционный лук из таких материалов, как древесина, кость и животный клей.

Монгольский лук делали обычно из нескольких слоев древесины (в основном это была береза), которые склеивали с помощью животного клея. Роговые накладки помещали на внутренней стороне лука, закрепляя жилами.

Не было бы современных композитов, если бы ученые не придумали пластмассы

До этого единственным источником клея и связующих веществ служили природные смолы,
которые получали из животных или растений.

А в начале XX века разработали винил, полистирол, фенол и полиэстер.
Эти материалы значительно превосходили ранее используемые.

Множество изобретений в этой сфере были придуманы во время войн. Как монголы создали свой композиционный лук, так и Вторая мировая война позволила армированным полимерам перекочевать из лабораторий в реальный мир.

Альтернативные материалы, позволяющие снизить вес конечного изделия, были необходимы в военном авиастроении. Очень быстро инженеры поняли преимущества композитов в плане их веса и прочности.

Также инженеры узнали о таком преимуществе композитов из стекловолокна,
как радиопроницаемость.

И начали применять «обтекатели», защищающие радиомодули от внешних факторов, в том числе ветра.

Изменения массы в аэрокосмической индустрии

Взлетный вес / Число мест / Макс. дальность * 1000

➤

1950

1960

1970

1980

1990

2000

2010

2020

Мировые производители определили наиболее эффективные способы решения задачи повышения полезной загрузки.

Одним из ключевых направлений являлось снижение веса и повышение эксплуатационных характеристик, которые впоследствии точечно были перенесены в гражданскую авиационную промышленность.

Вопрос стоимости являлся второстепенным.

Изменения массы в автомобильной индустрии

Увеличение массы, %

➤

1974

1983

1991

1997

2003

2008

2012

написать текст про увеличение веса авто написать текст про написать текст про написать текст про написать текст про написать текст про написать текст про написать текст про написать текст про написать текст про написать текст про написать текст про написать текст про.

написать текст про написать текст про написать текст про

написать текст про

Автомобили – еще одно важное направление для полимерных композитов.

В 1954 году в США в продаже появился первый спорткар Kaiser-Darrin, корпус которого сделан из стекловолокна.

Автомобиль разгонялся до 60 миль в час за 15,1 секунды, а максимальная скорость достигала чуть менее 100 миль в час (≈160 км/ч.)

Такие характеристики стали достижимыми при двигателе в 90 лошадиных сил во многом благодаря небольшому весу автомобиля — около 2200 фунтов (997 кг).

ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ АВТОТРАНСПОРТА

% изменения с 1975г.

➤

1975

1980

1985

1990

1995

2000

2005

2010

2015

2020

ПЕРЕПИСАТЬ Рост массы компенсировали мощностью и теряли в экономичности.

После выявления перспективности данного направления, а также ужесточающихся требований регуляторов, автомобильные концерны начали активно экспериментировать с переносом данных технологий и дальнейшей их адаптацией в серийном производстве, где сохранение и повышение свойств сочеталось бы с экономической доступностью конечных продуктов.

CAFE

Пробег на 1л, км

➤

2007

2016

2025

Утвержденный стандарт Агентства по защите окружающей среды США (US EPA) для автопроизводителей

Цели:
• Снижение импорта нефти на 2 млн. баррелей к 2025 г.
• Экономия на топливе 1,7 трлн. долларов для домохозяйств
• Снижение выброса парниковых газов от новых автомобилей на 6 млрд. тонн между 2012 и 2025 гг.

НАПИСАТЬ ТЕКСТ ПРО
Регуляторы (США, Япония, Китай)
Снижение потребления топлива
Уменьшение выбросов, влияние на экологию
Электромобили

Технология композиционных материалов в авиастроении и космосе:
масса меньше, цена больше
по сравнению с конструкциями из металла

Технология Fraunhofer ICT - DIEFFENBACHER в широком применении:
масса меньше, цена меньше
стабильность качества, производительность, доступность сырья
Массовость: Роботизация, автоматизация, устойчивость

Применяемые технологии позволяют обеспечить в изделии любые заданные свойства и их сочетания

Используемое оборудование позволяет производить продукцию по основным передовым имеющимся в мире композитным технологиям для полимеров

Технологии в проекте

Технология компрессионной формовки

Термореактивная

Термопластическая

SMC Детали из SMC – это видовые изделия с повышенными требованиями прочности, жесткости и качества поверхности с возможной последующей окраской:
85%

Прямое листовое прессование

D-SMC

Прямая переработка пресс-компаунда

HP-RTM Основное применение деталей HP-RTM-технологии: изделия со сложной конфигурацией поверхности и структурой материала с повышенными удельными характеристиками прочности и жесткости, высоким качеством поверхности с возможной последующей окраской, стойкие ко всем видам агрессивных сред:
• высоконагруженные детали;
• элементы несущего каркаса и пр.
5%

Пропитка под высоким давлением

Гибридный процесс Основное применение деталей влажной формовки – конструкционные элементы
5%

Влажная формовка

LFT-D LFT-D Изделия со сложной конфигурацией поверхности из материалов со средними показателями прочности и жесткости, но высокой ударной вязкостью, стойкостью ко всем видам агрессивных сред:
5%

Прямое прессование длинноволоконных термопластов

Tailored LFT-D

Непрерывная формовка длинноволоконных термопластов

GMT

Термопласты, армированные стекловолокном

LWRT

Легкие армированные термопласты