Главная » Статьи » Базальтовое волокно в слоистых композитах: от теории к практике
Базальтовое волокно в слоистых композитах: от теории к практике
Источник: pixabay.com

Базальтовое волокно в слоистых композитах: от теории к практике

В условиях современных требований к конструкционным материалам большое внимание со стороны специалистов практически всех отраслей привлекают слоистые (ламинированные) композиционные материалы. Они составляются по принципу сэндвича, в котором отдельные слои связываются в монолитную структуру материалом матрицы.

Огромный потенциал слоистых композитов обусловлен практически неограниченным набором армирующих и матричных материалов, возможностью получить высокопрочные, коррозионностойкие и лёгкие материалы, включая тонкостенные полые изделия.

В зависимости от необходимых физико-химических и эксплуатационных свойств конечного изделия в качестве матричного материала используют металлы и сплавы, углерод и керамику, органические и неорганические полимеры. Сочетая наиболее выгодные для конкретного случая свойства и характеристики отдельных составляющих, можно получить современные конструкционные композиты с возможностями, которые недостижимы для традиционных материалов.

Компонируя свойства матрицы и наполнителей, удаётся компенсировать отрицательные характеристики отдельных составляющих, добиваясь практически идеальных показателей композита для определённых назначений с учётом диапазона и видов ожидаемых нагрузок и условий эксплуатации.

Матрице отводится важная роль: обеспечить монолитность изделия, зафиксировать его форму и взаимное расположение армирующих материалов, распределить действующие напряжения по объёму композита, гарантируя равномерную нагрузку на наполнитель и её перераспределение при разрушении некоторой его части.

Требования, предъявляемые к матричным материалам, можно разделить на

• эксплуатационные – связанные с механическими и физико-химическими свойствами материала матрицы, обеспечивающими работоспособность композиции при действии различных эксплуатационных факторов;
• технологические – обеспечивать эффективную совместную работу волокон при различных видах нагрузок.

Не менее серьёзным является комплекс эксплуатационных и технологических требований, которым должен удовлетворять армирующий материал:

• эксплуатационные – прочность, жёсткость, плотность, стабильность свойств в необходимом температурном диапазоне, химическая стойкость;
• технологические – определяют возможность организации высокоэффективного процесса производства изделий на их основе.

Слоистые композиты армируются волокном, лентами, тканями, жгутами, тканым и нетканым текстилем, причем возможно комбинирование различных типов материалов в одной композиции. Отдельные слои матричного компонента могут быть дисперсно-армированными.

Базальтовое волокно по своим характеристикам и стоимости занимает промежуточную позицию между углеродным и стекловолокном. Это заставляет проектировщиков всё чаще рассматривать его применение в качестве наполнителя в гибридных слоистых композитах, например, комбинируя с углеродным и стеклянным армированием.

Базальтовое волокно в слоистых композитах: от теории к практике

Сотрудники Университета Тренто (факультет промышленной инженерии, Италия) объединили ткани из базальтовых и Е-стекловолокон с тканями из углеродного волокна с целью получения слоистых гибридных композитов на основе эпоксидного связующего и провели исследования эффекта гибридизации на изгибные и ударные свойства полученных слоистых материалов.

В результате тестов на предельную гибкость был отмечен значительный синергетический эффект. Ударные испытания по Шарпи свидетельствовали о повышении прочности по мере увеличения содержания базальтовых и стекловолокон. Гибридизация с базальтовыми волокнами способствовала увеличению поглощения энергии удара. Наблюдаемые улучшения были связаны с повышенной способностью базальт/углеродных ламинатов предотвращать распространение повреждений и расслоения без катастрофического разрушения.

Параллельно с лабораторными тестами и научными изысканиями развивается и практическое применение слоистых композитов в самых разных отраслях.

По технологии гибридных ламинатов с применением базальтового волокна команда Ecole de Technologie Superieure (государственной инженерной школы в Монреале, входящей в структуру Квебекского университета) уже несколько лет создаёт серию субмарин Omer, неоднократно становившихся победителями в американской и европейской версиях международных гонок подлодок, приводимых в действие человеческой силой.

Базальтовое волокно в слоистых композитах: от теории к практике

Источник: facebook.com/OmerETS/

Международная подводная гонка (ISR) проходит под эгидой американского Фонда подводных исследований и образования (FURE), а организатором выступает Военно-морской центр Warface. Европейские состязания EISR (European International Submarine Races) организованы IMarEST, международным институтом и научным обществом, которое объединяет морских инженеров, ученых и технологов. Спонсируют мероприятие компании, ведущие деятельность в основном в оборонных секторах. Значимость организаторов и кураторов соревнований подчёркивают, что такие состязания становятся платформой для практического тестирования новейших технологий, материалов, решений и методов их применения.

К базальтовому волокну и внешнему покрытию из углеволокна создатели субмарин Omer перешли от стекловолокна и бальзы в корпусах первых подлодок.

Выбор в пользу базальтовой ткани, как основного материала для субмарины, команда поясняет так: «Выбор используемого волокна был одним из первых шагов при проектировании корпуса. На самом деле, свойства волокна имеют огромное значение. Было рассмотрено несколько вариантов, таких как углеродное волокно, стекловолокно, INEGRA (полиэфирный углерод) и базальтовое волокно. Каждый тип волокна имеет свои преимущества и недостатки. Преимущество карбона заключается в том, что он чрезвычайно прочен, будучи относительно легким, но он дорогой. Стекловолокно слабее, но намного дешевле. INEGRA обладает хорошей ударопрочностью и некоторыми свойствами углеродного волокна. Наконец, базальт по прочности находится между стекло- и углеродным волокном, но по цене, близкой к стекловолокну. По экономическим причинам выбор пал на базальтовое волокно. Действительно, у него хорошее соотношение цена/прочность».

Экономические аспекты применения базальтовых продуктов в гибридных слоистых композитах играют немаловажную роль. Композиты из узконишевых материалов постепенно переходят в сферу промышленного применения, где дорогостоящие материалы будут максимально вытесняться более дешёвыми, но обеспечивающими достаточно высокие эксплуатационные характеристики изделий. Ведущие разработчики технологий и производители оборудования для создания конструкционных композитов однозначно указывают на это.

Например, британская компания Creative Composites в 2016 году представила новую разработку – мощную компрессионную установку для прямого прессования полимерных композитов, которая создает формующее давление в 1500 тонн и позволяет обрабатывать изделия размером 3 на 2 метра. Новый пресс способен работать с различными видами волокон, в том числе с базальтовым, и будет использоваться для удовлетворения растущего спроса на высококачественные композитные изделия для автомобильной, аэрокосмической и строительной индустрий, где особенно важна прочность изделий.

Год спустя Компания Henkel открыла центр тестирования композитов в Азии в ответ на запрос представителей автопрома, которые проявляют активный интерес к использованию композитных материалов в своих моделях. Клиенты Henkel смогут работать вместе со специалистами компании над созданием и проверкой композитных деталей, а также оптимизацией процесса серийного производства. Испытания проводятся методом литьевого формования полимеров под высоким давлением (HP RTM) на собственном оборудовании Henkel, которое имитирует близкие к реальному производству условия.

Базальтовое волокно в слоистых композитах: от теории к практике

Источник: pixabay.com

Недавно подразделение известнейшей компании Firestone Fibers & Textiles, которое занимается разработкой и производством моно- и мультиаксиальных тканей для автопокрышек и ремней, конвейерных лент, кровельных материалов и надувных лодок, палаток, тентов и резинотехнической продукции — шлангов, воздуховодов и т.д., заявило, что проводит экспериментальные работы с базальтовыми материалами.

В последнее время вопросы экологичности и возможности рециклинга конструкционных материалов получили особое значение в мировых масштабах. Снижение веса транспортных средств, сокращение «углеродного следа» при производстве и эксплуатации, энергоэффективность сооружений и всех видов транспорта диктуют условия, в которых применение композиционных материалов становится уже необходимостью. В различных приложениях производители всё чаще экспериментируют с натуральными и базальтовыми волокнами, обеспечивающими максимальное удовлетворение вопросов защиты окружающей среды.

Одной из активно занимающихся исследованием, разработкой, созданием прототипов и продвижением на глобальный рынок устойчивых решений с возможностью повторной переработки и созданием безотходных промышленных производств замкнутого цикла является итальянская компания GS4C. Определив базальтовое волокно как наилучший компромисс между эффективностью и экологичностью, компания запатентовала технологию получения волоконно-металлического слоистого материала из тонких слоев алюминия и базальтового волокна с помощью вакуумной инфузии для аэрокосмических и других приложений.

Из ламинатов с базальтовым волокном австрийская компания Niche успешно создаёт целые линейки полностью перерабатываемых и в то же время высококачественных сноубордов, которые высоко оценили специалисты. Это позволило завоевать экологичным спортивным снарядам две награды Good Wood Awards в сезоне 2017/18 г.г.

 

Литература:

1. Классификация композиционных материалов и их роль в современном машиностроении (научная статья) / Рогов В.А., Шкарупа М. И., Велис А. К. // Журнал Вестник Российского университета дружбы народов. Серия: Инженерные исследования. 2012.
2. Механика композиционных материалов: электрон. учеб.-метод. комплекс дисциплины / Скворцов Ю.В. //М-во образования и науки Рос. Федерации, Самар. гос. аэрокосм. ун-т им. С. П. Королева (нац. исслед. ун-т) (СГАУ) [Электронный ресурс].
3. Публикации портала Basalt.Today.

О Irina Yaroslavna

Irina Yaroslavna
Главный редактор отраслевого портала Basalt.Today
x

Читайте также

О возможностях применения базальтовых материалов в конструкциях средств защиты вооружения, военной и специальной техники

О возможностях применения базальтовых материалов в конструкциях средств защиты вооружения, военной и специальной техники

Согласно проведенным испытаниям, использование базальтовых тканых материалов показывает аналогичные арамидным и гибридным пакетам результаты, однако стоимость монослоя в сравнении с арамидом меньше в 9-10 раз, при этом базальтовая ткань демонстрирует лучшие показатели огне- и термостойкости. Достигнутые при проведении расчетов и экспериментальных исследований результаты позволяют сделать вывод о перспективности применения базальтовых материалов для задач защиты конструкций наземной, морской и авиационной техники.