Kompozitni materiali: definicija, vrste, lastnosti in primeri

Sestavljeni materiali so narejeni iz dveh ali več osnovnih materialov, ki so pomešani skupaj. Materiali so lahko naravni ali ne, pri mešanju pa ohranijo svoje ločene lastnosti. Vendar se lahko kompozitni material kot celota obnaša drugače kot kateri koli od njegovih delov. Na primer, armirani beton (narejen iz betona in jekla) je odporen proti tlaku in upogibnim silam. Neprepustno steklo (iz stekla in plastike) je odpornejše proti udarcem kot samostojno steklo ali plastika.

Beton je kompozitni material, eden najstarejših umetnih kompozitov, ki se uporablja več kot kateri koli drug umetni material na svetu.

Les je naravni kompozit celuloznih vlaken v matrici iz lignina. Prvi kompozitni materiali, ki jih je ustvaril človek, so bili slama in blato, združeni v opeko za gradnjo stavb. Ta starodavni postopek izdelave opeke je bil dokumentiran na egipčanskih grobnih poslikavah.

Polimeri, ojačeni z vlakni, se danes pogosto uporabljajo, prav tako tudi plastika, ojačena s steklom.

Definicija in osnovni pojmi

Kompozitni materiali (sestavljeni materiali) so sestavljeni iz dveh glavnih komponent: matrice in ojačitve. Matrica drži ojačitev skupaj in prenaša obremenitve med vlakni ali polnili, ojačitev pa zagotavlja večino mehanskih lastnosti, kot so natezna trdnost in togost. Zaradi kombinacije različnih materialov lahko končni kompozit izkaže lastnosti, ki so boljše ali drugačne od posameznih komponent.

Vrste kompozitnih materialov

• Polimerni kompoziti (PMC) – najpogostejši tip: polimerni matriks (epoksi, poliester, vinilester) z ojačitvijo iz vlaken (steklena, ogljikova, aramidna). Primeri: Polimeri, ojačeni z vlakni, plastika, ojačena s steklom.
• Metalni kompoziti (MMC) – kovinska matrica z ojačitvami iz keramičnih vlaken ali delcev; uporabljajo se, kadar so potrebne visoke temperature in nosilnost.
• Keramični kompoziti (CMC) – keramična matrica, ojačena z vlakni; primerni za zelo visoke temperature (letalske turbine, zaščitne obloge).
• Cementni in betonasti kompoziti – na primer armirani beton (kombinacija betona in jekla)), kjer armatura izboljša natezno trdnost betona.
• Naravni kompoziti – npr. Les, ki je naravni kompozit celuloznih vlaken v matrici iz lignina.
• Sandwich strukture – dve trdi zunanjosti (npr. kompozitne plošče) z lahkim jedrom (penaste, medenčaste strukture) za zelo visoko togost pri nizki teži.

Glavne lastnosti kompozitov

• Visoko razmerje trdnosti/količine (moč glede na težo): kompoziti so pogosto lažji in močnejši od kovin iste mase.
• Anizotropija: lastnosti so odvisne od orientacije vlaken; kompoziti lahko načrtujemo za specifične smeri obremenitev.
• Korozijska odpornost: mnogi polimerni kompoziti so odporni proti rji in kemikalijam.
• Togost in udarna trdnost: izbira matrice in ojačitev vpliva na togost in odpornost proti udarcem.
• Občutljivost za poškodbe: kompoziti so lahko dovzetni za delaminacijo, krtinsko rabo ali lom vlaken ob udarcih.
• Toplotne in električne lastnosti: lahko so izolatorji ali prevodniki (npr. ogljikova vlakna prevajajo elektriko), poleg tega je pri visokih temperaturah raznolikost lastnosti pomembna.

Načini izdelave

• Ročno polaganje (hand lay-up) – preprosta metoda za velike ali kompleksne oblike; plasti vlaknene tkanine se ročno prelivajo z smolo.
• Vakumsko oblikovanje in infuzija smole – zanesljivejša kontrola prelitja smole, manj napak in manj emisij hlapov.
• Pultruzija – ekstrudiranje oblike skozi matrico za dolge, konstantne prereze (palice, profili).
• Navijanje z nitjo (filament winding) – za okrogle in cilindrične komponente (tanke posode, cevi).
• RTM (resin transfer molding) – smola se pod pritiskom vbrizga v zaprt kalup s predoblikovano ojačitvijo; primerna za serijsko proizvodnjo kakovostnih delov.
• Litje in sintranje – za MMC in CMC, kjer so vključeni kovinski ali keramični postopki pri visokih temperaturah.

Uporaba kompozitov

Kompoziti so razširjeni v številnih panogah zaradi njihove prilagodljivosti in ugodnega razmerja med lastnostmi in težo:

• Aeronavtika: krila, trupni paneli, notranje strukture.
• Avtomobilska industrija: karoserije, nosilne komponente, znižanje teže vozil za nižjo porabo goriva.
• Gradbeništvo: armirani beton, kompozitne fasadne obloge, sandvič plošče za strehe in mostovi.
• Morska industrija: trupovi čolnov iz plastike, ojačane s steklom, jadrnice in komponente za podmornice.
• Športna oprema: kolesarski okvirji iz ogljikovih vlaken, tenis loparji, smuči.
• Medicinski pripomočki: lažji in močni protezni deli, kompozitne ortopedske konstrukcije.
• Elektronika: ohišja, tiskane plošče z nizko maso in možnostjo prilagodljive togosti.

Prednosti in slabosti

• Prednosti: visoka trdnost proti teži, odpornost proti koroziji, možnost oblikovanja po meri, varčevanje z energijo zaradi nižje mase.
• Slabosti: višji stroški materialov in izdelave (pri določenih tehnologijah), težave z recikliranjem, težave pri popravilih (delaminacija), kompleksno napovedovanje življenjske dobe zaradi anizotropije.

Trajnost in recikliranje

Recikliranje kompozitov (zlasti termoeritnih polimernih kompozitov) je izziv, ker so materiali zlepljeni in pogosto vsebujejo različne vrste polimerov in vlaken. Raziskave se osredotočajo na:

• mehanološko zdrobljanje in ponovno uporabo kot polnila,
• termične in kemične postopke za ločitev vlakninske in matriksne frakcije,
• razvoj biokompozitov (naravne smole in vlakna) za lažjo biološko razgradnjo ali recikliranje.

Primeri iz prakse

• Beton kot široko uporabljen kompozit: tradicionalni primer gradbenega kompozita.
• Les kot naravni kompozit: uporabljen v gradbeništvu in pohištvu.
• Armirani beton (kombinacija betona in jekla)) kot primer kombinacije materialov za strukturalno moč.
• Neprepustno steklo (iz stekla in plastike)) za varnostne in protipoškodbene aplikacije.
• Polimeri, ojačeni z vlakni, in plastika, ojačena s steklom kot primeri sodobnih in široko uporabljenih kompozitov v industriji ter potrošniških izdelkih.

Kompozitni materiali omogočajo inženirjem in oblikovalcem, da združijo prednosti različnih materialov in ustvarijo rešitve, prilagojene konkretnim zahtevam glede teže, trdnosti, odpornosti in stroškov. Pri načrtovanju je treba upoštevati tudi življenje izdelka, možnosti popravil in končno obdelavo ali recikliranje, kar postaja vse pomembnejši del odgovorne proizvodnje.

Ozadje

Najbolj primitivni sestavljeni materiali so bili slama in blato v obliki opeke za gradnjo stavb. Svetopisemska knjiga Izhod govori o Izraelcih, ki jih je faraon zatiral in jih prisilil, da so izdelovali "opeke brez slame". Danes uporabljamo kabine za prhanje in kopalne kadi iz steklenih vlaken, ki so vrsta kompozita.

Vezan les je običajen kompozitni material, ki ga veliko ljudi srečuje v vsakdanjem življenju.

Vprašanja in odgovori

V: Kaj so sestavljeni materiali?

V: Ali se lahko sestavljeni materiali obnašajo drugače kot katerikoli od njihovih delov?

V: Iz česa je narejen armirani beton?

V: Kakšne so lastnosti armiranega betona?

V: Iz česa je izdelano neprebojno steklo?

V: Kakšne so lastnosti neprebojnega stekla?

V: Iz česa je narejen beton?

Išči po črki