История и причины создания композиционных материалов

1
ВВЕДЕНИЕ
Уровень развития техники всегда определялся, прежде всего, наличием
необходимых материалов. Недаром технический уровень развития
цивилизации характеризуют видом материала, позволявшего создавать в свое
время передовые орудия и средства производства. Так, были каменный век,
бронзовый век, железный век. Настоящее время многие называют «веком
композиционных материалов».
Композиционные материалы (КМ), состоящие из нескольких
компонентов, родились не сейчас, человек использовал их еще в древние
времена. Первые кирпичи и гончарные изделия, появившиеся за 5000 лет до
н.э., содержали измельченные камни или солому, скрепленные глиной.
Древние гончары регулировали даже пористость таких изделий, упоминание
о чем содержится в Библии. Развитие античной науки в 3000÷2500 годах до
н.э. дало людям египетские лодки (речные суда из тростника, пропитанного
битумом), папирус (пропитанные смолой и спрессованные листы тростника),
искусство мумифицирования (первый пример ленточной намотки – тело
обматывали лентами из ткани и пропитывали природными смолами с
образованием жесткого кокона). За 1000 лет до н.э. ассирийцы изготавливали
понтонные мосты, используя плетеные лодки (гуфасы), пропитанные
водостойкими битумами. В Индии использовали точильные камни на основе
песка и природного лака – шеллака. Вся история развития человечества
связана с изобретением тех или иных композиционных материалов.
В начале первого тысячелетия римляне изобрели бетон, сыгравший
грандиозную роль в строительстве и развитии цивилизации. В прошлом веке
были изобретены такие КМ как резина и пресс-материал на основе
фенолформальдегидной смолы.
Таким образом, начало технологии КМ уходит в античные времена, но
именно настоящее время называют «веком композиционных материалов».
Почему так получилось, что роль КМ в развитии общества с каждым годом
возрастает?
Современная цивилизация отличается высокими темпами научнотехнического прогресса. Бурное развитие техники требует новых материалов
с заранее заданными свойствами. Требуются материалы со сверхвысокими
прочностью, твердостью, жаростойкостью, коррозионной стойкостью,
другими необходимыми характеристиками и сочетанием этих супер-свойств.
Вместе с тем, сотни тысяч традиционных природных и искусственных
технических материалов уже не отвечают возрастающим требованиям, а
2
открытие принципиально новых материалов происходит крайне редко. То
есть, подавляющее большинство «простых» (некомпозиционных) материалов
уже известно, и ждать чудес в этом направлении не приходится. Основное и
долгосрочное направление в разработке новых материалов сейчас состоит в
структурном соединении различных уже известных материалов, то есть – в
получении новых КМ.
Аналогичная ситуация имеет место в области полимерного
материаловедения. Доля полимеров среди потребляемых материалов как
никогда велика и с каждым годом растет. Так, в начале века Финляндия и
ФРГ за год потребляли на душу населения около 100 кг пластмасс, в США –
около 70 кг, в Японии – около 55 кг, в России – 15 кг. Мировое производство
пластмасс достигло 80 млн. тонн.
Сейчас требуются полимерные материалы с более высоким уровнем
свойств, но синтез и, тем более, освоение выпуска новых полимеров
практически завершились в прошлом веке. Поэтому модифицирование
известных полимеров и комбинирование их с различными материалами и
между собой является сегодня одним из основных способов разработки
новых полимерных материалов. Основная причина возникновения класса
полимерных композиционных материалов (ПКМ) состоит в том, что
традиционные «чистые» полимеры в значительной степени исчерпали свои
возможности.
Более того, ПКМ имеют ряд преимуществ над
традиционными материалами (металлами, керамикой, древесиной и др.):
1) уникальное сочетание не характерных для «простых» материалов
прочностных, деформационных, ударных, упругих, тепловых, реологических,
адгезионных, электрических, фрикционных и других характеристик;
2) возможность управления свойствами ПКМ путем простого
изменения состава и условий получения;
3) сохранение в ПКМ основных достоинств полимеров: малая
энергоемкость, технологичность переработки, низкая плотность.
Как правило, КПМ не являются “чемпионами” по отдельно взятому
свойству. Но по сочетанию определенных свойств им нет равных. Например,
резина не имеет такой прочности как металлы или конструкционные
пластики, но обладает высокой способностью к обратимой деформации, а
ПКМ на основе каучука могут развивать еще бóльшую деформацию, чем
резина. По сочетанию прочности со способностью к многократным
обратимым деформациям резины превосходят другие конструкционные
материалы. Можно привести другой пример. Стеклопластики или
углепластики не самые прочные и далеко не самые легкие материалы, но они
3
превосходят все материалы по удельной прочности, которая характеризуется
отношением предела прочности к плотности материала.
Итак, причины бурного развития КМ и ПКМ ясны. Но возникает
другой вопрос, а зачем нужна наука о композиционных материалах?
Сама по себе идея получения новых материалов путем смешения
исходных компонентов достаточно проста и очевидна. Если требуется
материал, сочетающий в себе свойства двух других известных материалов,
следовательно, надо соединить два эти материала в один и получится то, что
требуется. Такая идея, естественно, приходит в голову в первую очередь, и ее
тысячи раз пробовали осуществить. Но положительный результат получался
далеко не всегда. Дело в том, что смешение двух материалов не приводит к
простому сложению их свойств. Свойства многокомпонентных материалов,
как правило, неочевидным образом зависят от состава и условий совмещения
компонентов. Поэтому для прогресса в области композиционных материалов
необходимо иметь ответы на вопросы:
− Почему свойства материала изменяются таким, а не другим образом?
− Какими свойствами будет обладать материал, сочетающий в себе
исходные вещества?
− Соединение каких веществ даст требуемое сочетание свойств?
Ответы на эти вопросы дает наука о композиционных материалах,
которая возникла в середине 20 века. Зарождение науки о КМ относят к 1950тым годам. Военно-воздушным силам США была поставлена задача
применить в авиастроении материалы на основе новых видов волокон –
борных и углеродных, обладающих высокими термостойкостью,
прочностными и упругими характеристиками. Национальное управление по
аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) и ВВС
США были кураторами исследовательских и технологических программ,
направленных на решение этой проблемы. Это стало главной причиной
быстрого развития науки о композиционных материалах или композитах,
возникшей на стыке разных областей знаний. В короткие сроки были
получены совершенно новые материалы с необычным комплексом свойств,
разработаны технологии их производства и методы расчета.
Передовые в техническом плане отрасли промышленности, такие как
ракетостроение, авиастроение, автостроение, являются лидерами в
потреблении КМ. Несмотря на успехи технологии ПКМ, закономерности,
определяющие связь состава и условий получения материалов со структурой
и свойствами исходных компонентов, оказались настолько сложными, что
очень многие из них до сих пор до конца не ясны. В результате, в настоящее
время практические результаты использования ПКМ значительно опережают
4
их теоретическую интерпретацию. Но несомненно, что будущее материалов
этого класса определяется научно обоснованным подходом к решению задач
их разработки и эксплуатации. Поэтому расширение и углубление знаний в
области ПКМ необходимо каждому специалисту, разрабатывающему и
использующему новую технику.