Трудове навчання (технічні види праці). 9 клас. Лебедєв

§ 4. Поняття про композиційні матеріали

Завдання 1

На малюнках 24 та 25 зображено етапи виготовлення моделі яблука з пап'є-маше та будівництво осами гнізда. Поміркуйте над послідовністю дій виконавців. Що спільного в технології цих двох процесів?

Мал. 24. Виготовлення моделі яблука з пап'є-маше

Мал. 25. Оси будують гніздо

В обох випадках як основний матеріал використано целюлозу (газетний папір — у першому, та дрібні часточки деревини, що їх збирають і подрібнюють своїми щелепами оси, — у другому). Людина, щоб з'єднати шматки газети один з одним, використовує клей. Оси під час подрібнення деревини просочують її власною слиною. Після висихання в'язкої речовини в обох випадках утворюється міцний і легкий матеріал на основі целюлози та клейких речовин. Матеріали такого типу ми надалі називатимемо композиційними.

Як ви пам'ятаєте з матеріалу § 1, композити (композиційні матеріали) — це матеріали, створені на основі двох або більше вихідних компонентів.

Один із компонентів на момент створення композиту є пластичним (клейка речовина, або матриця), а другий має високі характеристики міцності (наповнювач, або зміцнювач). Відповідно, у композиційних матеріалах кожна його складова виконує особливу функцію: матриця просочує волокна матеріалу основи, з'єднує їх між собою. Висихаючи (полімеризуючись), матриця зберігає форму композиційного матеріалу, а зміцнювач забезпечує міцність виготовленого виробу.

Мал. 26. Залізобетон — композит, який використовують у будівництві

Навколо нас чимало композиційних матеріалів. Залізобетон (мал. 26) є одним із них — це композиційний матеріал, матрицю якого виготовлено з цементу, гравію і піску. Як зміцнювач у ньому прокладено сталеві стержні.

Коло створених і перспективних композиційних матеріалів надзвичайно широке: адже існує можливість варіювати компоненти, структуру, технологію. Композити можуть різнитися між собою більше, ніж, скажімо, деревина і сталь. Тому було вирішено зробити їх умовну систематизацію — на різних рівнях і за різними принципами.

1. За хімічним складом компонентів:

  • (а) матриці (термореактивні смоли — поліефірна, епоксидна, фенолформальдегідна тощо, термопластичні полімери — поліетилен, поліпропілен, поліамід тощо). Композиційні матеріали, які містять два або більше різних матричних матеріали, називають поліматричними;
  • (б) зміцнювача (скляні, карбонові, металеві тощо).

2. За формою армувальних елементів (неперервні або короткі волокна), дисперсні (каолін, тальк, крейда тощо) наповнювачі тощо;

3. За схемою армування (хаотичне армування короткими волокнами), тканини різного плетіння (сатинове, штапельне, атласне тощо);

4. За технологією виробництва (намотування, викладання у форму тощо) або конструкційним призначенням (високоміцні, жаростійкі, декоративні тощо).

Композити поєднують у собі всі позитивні властивості своїх складових, при цьому їхні негативні якості в утвореному новому матеріалі, як правило, не проявляються.

Водночас композиційні матеріали мають чимало недоліків, які стримують їх поширення. Це, зокрема, висока вартість виробництва, низька ударна в'язкість, схильність до розшарування, гігроскопічність; матеріал матриці може виділяти токсичні речовини.

Гігроскопічність — здатність вбирати рідини через неоднорідність внутрішньої структури.

Унаслідок зміни відсоткового співвідношення ваги матриці та наповнювача можливі суттєві зміни механічних властивостей композиційного матеріалу. Для досягнення найкращих параметрів композиту вага матриці та наповнювача у вихідному матеріалі має бути майже однаковою (залежить від характеристик матеріалів, з яких утворюють композит). Зменшення питомої ваги матриці у композиті робить його ламким (шари наповнювача недостатньо міцно з'єднуються один з одним). Збільшення питомої ваги матриці тягне за собою перевитрату доволі дорогої сировини та збільшує крихкість готового композиту.

Назва полімерних композиційних матеріалів зазвичай складається з двох частин. Перша частина назви визначає матеріал волокон наповнювача, друга — вказує на те, що композит виготовлено на основі матриці з пластичних мас. Наприклад, полімерні композити, армовані скловолокном, називаються склопластиками; металевими волокнами — металопластиками, органічними волокнами — органопластиками, вуглецевими волокнами — вуглепластиками тощо.

Існує великий клас композиційних матеріалів, до складу яких входять у тому чи іншому вигляді деревні матеріали. Крім отримання матеріалів із новими експлуатаційними властивостями виробництво деревних композитів має ще й ту перевагу, що воно дає змогу ощадливо використовувати деревину, адже при цьому використовують деревні відходи від інших виробництв.

Завдання 2

Розгляньте вміщені нижче фото й пригадайте, які із зображених матеріалів ви вже вивчали та обробляли у 5 класі. За зовнішнім виглядом поверхонь цих матеріалів визначте вид наповнювача.

Деревинна волокниста плита (ДВП) — листовий конструкційний матеріал, отриманий гарячим пресуванням маси деревинного волокнистого килиму, що складається з целюлозних волокон, води, синтетичних полімерів і спеціальних добавок (мал. 27). Його використовують у будівництві, вагонобудуванні, виробництві меблів, столярних та інших виробів і конструкцій, захищених від зволоження, а також у виробництві тари.

Мал. 27. Деревинні волокнисті плити (ДВП)

Мал. 28. Деревинні стружкові плити (ДСП)

Мал. 29. Листи OSB

Деревинна стружкова плита (ДСП) — листовий композиційний матеріал, виготовлений гарячим пресуванням переважно стружки. ДСП-плити з'явилися в 40-х роках ХХ ст. у США як матеріал для виготовлення тимчасових меблів. Цей матеріал швидко насичується вологою, що призводить до набрякання деревинних складників, відтак плита розбухає та розтріскується. Плити можуть бути облицьовані шпоном, папером, полімерними плівками, пластиком.

Поєднання відносно низької собівартості й хороших технічних характеристик (термостійкість, простота обробки тощо) робить ДСП одним із найпопулярніших будівельних матеріалів.

Але ДВП та ДСП мають і певні недоліки. Найголовніший із них — токсичність унаслідок використання для їх виготовлення формальдегідних смол, які за неправильної обробки матеріалу можуть становити серйозну загрозу здоров'ю людини. Крім того, у порівнянні з натуральною деревиною ДСП є менш міцною.

Окрім ДСП і ДВП, останнім часом широкої популярності набули плити ОСМП, або OSB (мал. 29) — багатошаровий (3-4 і більше шарів) матеріал. Його основою є дрібна тріска, яку отримують способом лущення — розрізання стовбурів по спіралі. Як і багато інших композиційних матеріалів, плити OSB виготовляють методом гарячого пресування із застосуванням водостійких смол для їх склеювання. Перед тим, як піддати сировину пресуванню, тріску розміщують таким чином, щоб сусідні шари мали взаємно перпендикулярну орієнтацію, що дає змогу отримати високий опір матеріалу на вигин у всіх напрямках.

Плити OSB є матеріалом, який добре піддається обробці різальним інструментом, деталі з нього міцно з'єднують за допомогою клею, цвяхів та шурупів, його зручно фарбувати. Плити OSB використовують здебільшого для виготовлення будівельних конструкцій.

Чи добре засвоїли?

  • 1. Що називають композитом?
  • 2. Яку будову має композиційний матеріал?
  • 3. Як класифікують композиційні матеріали?
  • 4. Укажіть переваги і недоліки композитів.
  • 5. Які композити виготовляють із деревинних відходів?
  • 6. Які переваги ДСП в порівнянні з деревиною?

Поясніть

  • 1. Чому розглянуті в параграфі матеріали дістали назву «композиційних»?
  • 2. Як і чому змінюватимуться властивості композиту в разі зміни відсоткового співвідношення ваги матриці й наповнювача?

Підбиваємо підсумки

Матеріали, створені на основі двох чи більше вихідних компонентів, називають композитами (композиційними матеріалами).

Матриця в композиті виконує зв'язувальну функцію, а інший компонент є зміцнювачем.

Найважливішою ознакою у класифікації композиційних матеріалів є матеріал матриці.

Основними перевагами композиційних матеріалів є їхня міцність, жорсткість, висока зносостійкість і легкість.

До недоліків композитів відносять високу вартість виробництва, низьку ударну в'язкість, схильність до розшаровування, гігроскопічність і токсичність.

Композиційний матеріал, виготовлений з деревинних відходів, є значно дешевшим замінником деревини.

Поглибте свої знання

В Україні започатковано принципово нові методи створення композитів, наприклад, на основі боридів металів (відновлення оксидів металів бором у вакуумі та карбіду бору). Освоєно метод прямого синтезу силіцидів з металу й силіцію, а також безпосереднє відновлення оксидів металів силіцієм тощо. Такі композити за міцністю, ударною в'язкістю, границею витривалості тощо значно перевищують традиційні матеріали, завдяки чому потреби машинобудівної промисловості в таких матеріалах зростають.

Виготовлення композитів має високу собівартість, тому найширше їх використовують в аерокосмічній промисловості. Мінімальна маса конструкції літака є одним з основних критеріїв, які визначають досконалість його конструкції. Композити дають змогу знизити масу конструкції, а відтак — підвищити економічну ефективність літака. Тому частка використання композиційних матеріалів у конструкції сучасних магістральних літаків сягає 50 %. Так, у літаках Boeing 787, Dreamliner та Airbus A350 композиційні матеріали використовують у конструкції крила, центроплану, фюзеляжу та хвостового оперення.