Tout sur les composites

Les analogues les plus simples d'un composite qui viennent à l'esprit pour un débutant sont la gaufre de confiserie et le contreplaqué de bois. Dans le premier cas, une garniture crémeuse est située entre les gâteaux avec des projections de mailles. La deuxième option consiste en des couches de fibres disposées perpendiculairement, qui sont imprégnées d'une composition adhésive.

Le composite est une combinaison de couches de types différents et différents de matériaux qui diffèrent par un certain nombre de propriétés physiques, technologiques et mécaniques. L'une des principales exigences est la neutralité, assurée par une grande similitude des propriétés chimiques des couches utilisées. Les propriétés technologiques et mécaniques, ainsi qu'un certain nombre de propriétés physiques du composite obtenu diffèrent des paramètres initiaux analogues de chacune des couches séparément.

Il n'existe que deux types d'intercalaires dans un matériau composite : une matrice à alvéoles et une charge. L'analogue de construction le plus simple d'un composite est le béton armé, formé d'un cadre en acier, l'espace à l'intérieur duquel (et en partie à l'extérieur) est rempli de béton coulé, qui a durci et a gagné en résistance dans un délai d'un mois à compter de la date de coulage de la solution de béton. .

Par structure structurelle, les matériaux composites sont fibreux, durci par dispersion, partiellement durci (à ne pas confondre avec le durcissement partiel, évoqué dans le sens d'une certaine amélioration des paramètres de composition) et nanométrique.

Exemples de matériaux composites.

• Papier tampon pour monnaie et documents contenant des poils synthétiques qui augmentent la résistance à la traction et à l'abrasion. Ils sont aussi l'un des nombreux indicateurs d'une contrefaçon de billet.
• Briques d'argile avec paille incluses. La brique d'adobe acquiert une certaine résistance à la fissuration.
• Adhésif époxy avec poudre de métal ou de bois. Ce dernier est introduit dans la composition afin d'économiser la résine époxy.
• Carbone qui se brise en impacts multidirectionnels. Il ne se fissure pas uniquement lorsque les chocs et vibrations coïncident dans le vecteur de leur impact avec la direction dans laquelle se déplace le cycliste. Si vous frappez un cadre de vélo en carbone à plat sur un objet, par exemple un poteau en béton, la fibre de carbone se brisera en fragments.
• Triplex - couches de verre sur les visières avant et arrière de la voiture, maintenues ensemble par des couches de celluloïd. En cas d'accident, la dispersion d'un grand nombre de fragments en forme de coin est exclue, entraînant souvent la perte de vision du conducteur impliqué dans un accident.

Donc, le verre blindé pour véhicules de police et militaires est composé de trois couches ou plus de verre trempé - il ne peut être percé que par des balles ou des obus perforants. Le verre blindé appartient aux matériaux composites feuilletés. La variété des développements disponibles aujourd'hui divise le matériau composite en des dizaines de types et de variétés, dont chacun est très demandé sur le marché des services de construction et de réparation.

Donc, il existe des miroirs, des remplissages, du quartz et d'autres matériaux composites conçus pour des applications spécifiques. Les caractéristiques de chacune de ces espèces diffèrent les unes des autres. Par exemple, les nano- et microcomposites sans polymère ne brûlent pas.Ils ne sont carbonisés que lorsqu'ils sont chauffés à au moins des centaines de degrés Celsius, ce qui simplifie leur utilisation à des températures inhabituelles pour les conditions ambiantes.

Les matériaux composites sont fabriqués selon le schéma suivant. Tout d'abord, le composant de matrice est appliqué sur les fibres de renforcement, puis des rubans de l'ingrédient de renforcement et la matrice elle-même sont formés à l'aide d'un moule de compression. Le matériau résultant est pressé, fritté et un revêtement supplémentaire est appliqué sur les fibres. En outre, le matériau secondaire formé (l'étape suivante) est envoyé pour un repressage, passe l'étape d'application de la matrice sous forme de pulvérisation à l'aide de plasma. La troisième pression - la compression - est la dernière étape. Ainsi, la compression (pressage) est effectuée au moins trois fois.

Les matériaux composites naturels sont légers, durables et à la pointe de la technologie. Ils sont principalement utilisés pour les avions, y compris les avions et les missiles. Les composites simples sont créés par la nature elle-même, par exemple, des cernes de bois, d'écorce. Les matériaux composites naturels créés par l'homme sont des briques d'argile, qui contiennent du sable, des blocs de ciment-sable additionnés de sciure de bois, etc.

La fibre de verre est reconnue comme l'une des fibres composites classiques. C'est un ruban composite plastique qui adhère à toutes sortes de surfaces. Cette matrice maintient les brins de fibre de verre en place. Grâce aux filaments de verre ainsi pressés, la solidité de ce matériau est assurée. Le plastique est intrinsèquement doux et flexible, tandis que le verre est dur et cassant.

En combinant ces propriétés, il est possible d'obtenir un matériau à la fois très souple et solide, dans lequel le plastique et le verre se complètent. Le composite est utilisé pour la fabrication de carrosseries de voitures et de bateaux à moteur. Le composite de verre ne rouille pas et ne s'oxyde pas.

Les matériaux de construction plus modernes apparus beaucoup plus tard contiennent du métal, de la céramique et/ou du polymère comme substance principale. La classification de ces matériaux prend également en compte les additifs non métalliques, tels que les copeaux de bois ou les poussières. Le bois composite renforcé de plastique, ou panneau composite (et le matériau en feuille fabriqué à partir des mêmes ingrédients), est utilisé dans la fabrication de meubles et de planchers de véranda ou de terrasse.

Le bois, broyé et mélangé à un polymère fondu à l'état mou, est utilisé comme revêtement de terrasse durci, sur lequel on peut marcher et même déplacer des meubles : Le panneau ou la feuille de plastique en bois ne se cassera pas ou ne se fissurera pas, étant un matériau solide.

MDF - caisson ou profilé plein, qui n'utilise ni résine synthétique ni plastique, mais exclusivement des résines d'origine naturelle. Le bois broyé en copeaux et poussières est imprégné de cette substance puis passe par les étapes de frittage et de pressage dans le four. Les produits courants fabriqués à partir de MDF sont les portes et le stratifié de haute qualité. Pendant le frittage et le durcissement de la résine, ils polymérisent - un polymère naturel se forme dans lequel la poussière de bois est dissoute (et les copeaux sont distribués).

L'exemple le plus simple est un alliage d'aluminium ou de magnésium renforcé de fibre de carbone. Mais l'aluminium peut être complété par du carbure de silicium, et la composition cuivre-nickel peut être complétée par du graphène, un sous-type de fibre de carbone.Les matériaux composites à matrice métallique sont solides, ont une rigidité acceptable pour résoudre la plupart des problèmes, sont résistants à l'usure, à l'oxydation et ont une relative légèreté par rapport aux produits entièrement métalliques.

Ils sont chers et difficiles à traiter. Par exemple, les éléments de piston pour les moteurs diesel à combustion interne sont constitués de composites modernes. Le revêtement composite pour la façade est en tôle d'aluminium, entre les couches desquelles du plastique est coulé. La coloration aide à donner une couleur différente à une telle finition.

Au lieu du métal, le matériau principal du composite céramique, comme vous pouvez le deviner, est la céramique. Par exemple, du verre contenant du bore à base d'inclusions de silicate est utilisé comme cet élément. Il sert de composant de matrice secondaire et est renforcé par des inclusions de fibre de carbone ou de céramique, dans le rôle desquelles du carbure de silicium est utilisé. Le composite céramique permet, par exemple, de faire face à la fragilité des céramiques solides, créant un renfort caractéristique pour surmonter le phénomène de fissuration par entortillement.

Le composite carbone-carbure est l'un des produits les plus demandés sur le marché des matériaux composites., qui permet d'obtenir une composition en avance sur la fibre de carbone et le composite en termes de caractéristiques de résistance et un indicateur de la fiabilité des pièces réalisées à partir d'une telle substance. Un tel composite est utilisé, par exemple, dans la réalisation de pièces pour un système de freinage et d'embrayage automobile.

Aujourd'hui, le développement de matériaux plus modernes ne s'arrête pas, qui remplaceraient ceux qui ont déjà pénétré le marché, qui en compte des dizaines de milliers de types de produits. Donc, les dimensions des fibres de renforcement en nanotechnologie sont 1000 fois plus petites que leurs prédécesseurs plus longs. L'un des matériaux du futur est constitué par les nanotubes de carbone, à partir desquels, par exemple, des bâtons de hockey sont fabriqués. Dans cet exemple, la fibre de nanocarbone est revêtue d'un matériau composite nickel-cobalt. Ce club est près de trois fois plus solide et un cinquième plus sans plis sans fissures qu'un produit similaire en alliage d'acier.

Les matériaux composites durcis par dispersion sont classés comme des nanomatériaux dans lesquels la longueur des fibres principales est portée à une valeur de 100 nm. Mais ces dernières années, dix nanoparticules ont rétréci à 10 nm - une approche similaire est utilisée, par exemple, dans les semi-conducteurs et les conducteurs qui forment un cristal d'un microprocesseur, un microcontrôleur ou des microcircuits qui forment une mémoire électronique. Des normes strictes sont appliquées aux poutres et panneaux composites : par exemple, la rigidité (module de Young) doit être d'au moins 130 gigapascals, les matériaux doivent résister à l'usure par fatigue et être dimensionnellement stables. Le but est de résoudre tous ces problèmes en même temps. Inconvénients - coût élevé en raison de la charge accrue de connaissances dans le développement, la mise en œuvre et l'application pratique de ces matériaux.

Le marché russe pour la production de CM ne représente que 3% des approvisionnements d'exportation au niveau mondial. Cela est dû au manque de documents réglementaires uniformes qui simplifient la production de matériaux de construction composites, et jusqu'à récemment, 90 % des matières premières pour la production étaient importées.

Donc, la production de plastique renforcé de fibres de carbone en Russie vient de commencer à se développer, tandis que, par exemple, la Chine est l'un des principaux producteurs de composite. Les nouveaux matériaux, à la création desquels des scientifiques russes ont également participé, reposent principalement sur l'utilisation de nanoparticules.

Les matériaux composites sont utilisés dans la construction aéronautique pour la production de certains composants de moteurs et de structures porteuses d'avions. Les industries spatiales les utilisent pour la production de structures porteuses et de revêtement pour fusées et satellites, qui subissent un fort échauffement lors de leur entrée en orbite. L'industrie automobile utilise des matériaux composites pour la carrosserie et les pare-chocs. L'industrie minière utilise le CM comme matériau pour les foreuses. Le génie civil utilise CM pour la construction d'éléments de ponts et d'autres structures de grande hauteur.

La principale condition préalable dans les différentes branches du génie mécanique est l'allègement du poids mort des voitures et des équipements spéciaux, toutes sortes de véhicules : jusqu'à 70 % des composants sont des matériaux non métalliques. Un sol autonivelant (planchers coulants), ainsi que des escaliers coulants, implique l'utilisation d'un composite dans lequel, avant de réagir avec l'air, se trouve une substance semi-liquide, éventuellement sirupeuse. Ce composite peut être facilement appliqué sur le sous-plancher en béton à l'aide de colle époxy dans laquelle le mastic de base est dissous.

Le calcul de la faisabilité de l'utilisation de CM est basé sur le paramètre le plus important - l'efficacité de l'utilisation de technologies appropriées. Les matrices métalliques et non métalliques dans la fabrication d'un composite plus complexe peuvent être combinées dans un ordre différent. A titre d'exemple, un pneu de vélo, dans un tapis roulant dont plusieurs couches de fibre de renfort sont utilisées : nylon, kevlar, fil d'acier fin et compound, qui permettent d'augmenter le nombre de lignes de protection. Grâce à ces technologies, les cyclistes ne "saisissent" pas les épines et les morceaux de verre, de fil de fer, se déplacent le long de la route sans asphalte, chemins de terre et routes rocheuses.

Un tel pneu ne parcourra pas un, mais pas moins de vingt mille kilomètres avant d'être tellement usé que ses crevaisons deviendront néanmoins fréquentes. Le calcul du coût d'un tel pneu, auquel ce prix peut augmenter de 10 fois ou plus, vous permet de bénéficier d'une petite réduction générale de prix, sans changer des pneus similaires jusqu'à 10 fois (ce facteur est considéré comme un temps passé sur les manipulations de réparation) - lors du passage de tous ces mêmes 20 000 km sur les mêmes pneus.

Dans ce cas, les pneus de vélo sont une sorte de multi-composite, où plusieurs couches d'amélioration (matrices) sont utilisées, et non une. Le calcul de la production d'un type particulier de matériau composite est basé sur la forme sous laquelle il est utilisé. Les inclusions de renforcement sont utilisées sous forme de fils, de rubans, de tissu fin, de composant fibreux ou de corde. La quantité de durcisseur dans le matériau en volume et en poids est de 30 à 80 %, selon le but d'un type particulier de composite.