Komposiitmaterjalid: definitsioon, tüübid ja kasutusalad

Komposiitmaterjalid on valmistatud kahest või enamast alusmaterjalist, mis on omavahel segatud. Materjalid võivad olla looduslikud või mitte ja säilitada omavahel segatuna oma eraldi omadused. Komposiitmaterjal tervikuna võib siiski käituda teisiti kui üks selle osadest. Näiteks raudbetoonil (mis on valmistatud betoonist ja terasest) on vastupidavus survele ja painutusjõududele. Kuulikindel klaas (valmistatud klaasist ja plastist) on löögikindlam kui klaas või plast eraldi.

Betoon ise on komposiitmaterjal, üks vanimaid inimtekkelisi komposiitmaterjale, mida kasutatakse rohkem kui ühtegi muud inimtekkelist materjali maailmas. Selliste kombineeritud materjalide eelis on see, et komponendid annavad kokku omadused, mida üksikmaterjal ei suudaks pakkuda — näiteks suur tugevus, vastupidavus korrosioonile või väike tihedus koos kõrge jäikusega.

Puit on looduslik komposiit, mis koosneb tselluloosikiududest ja ligniini maatriksis. Varaseimad inimtekkelised komposiitmaterjalid olid õled ja muda, mida kombineeriti hoonete ehitamiseks kasutatavateks telliskivideks. Seda iidset tellise valmistamise protsessi on dokumenteeritud Egiptuse hauamaalingutega.

Tänapäeval kasutatakse laialdaselt kiududega tugevdatud polümeere ja klaasiga tugevdatud plasti, kuid komposiite valmistatakse väga paljudest kombinatsioonidest sõltuvalt nõutavatest mehaanilistest ja keskkonnalistest omadustest.

Komposiitide tüübid

• Kiududega tugevdatud komposiidid — kiud (klaas-, süsi-, või aramiidkiud) on paigutatud maatriksisse (tavaliselt polümeersesse vaikusse). Need on levinud lennunduses, autotööstuses ja spordivarustuses.
• Partikkel- või täitematerjaliga komposiidid — tahked osakesed on jaotatud maatriksis, et parandada jäikust või kulumiskindlust (näiteks keraamilised täited metallmaatriksis).
• Struktuursed komposiidid (sandwich) — kaks tugevat väliskihti ja vahekiht (südamik) pakuvad kõrget jäikust väikese massi juures (kasutatakse näiteks lennuki stabilisaatorites, kajakites).
• Orgaanilised ja looduslikud komposiidid — puit, bambus ja muud biokomposiidid, kus looduslikud kiud toimivad tugevdajana.
• Hübriidkomposiidid — kombineeritakse eri tüüpi kiude või maatrikseid, et saavutada spetsiifilisi omadusi.

Peamised omadused

• Kõrge tugevuse ja madala tiheduse suhe — eriti süsikiustel ja klaaskiududel.
• Anisotroopsus — omadused võivad erineda sõltuvalt kiudude orientatsioonist (suundadesiire).
• Hea korrosioonikindlus — paljud polümeermaatriksiga komposiidid ei roosteta nagu metallid.
• Hea väsimiskindlus sõltuvalt konstruktsioonist ja koormusest.

Tootmismeetodid

• Hand lay-up ja vacuum bagging — lihtsamad meetodid põrkepindade ja väikeste sarjade jaoks.
• Resin transfer molding (RTM) — vaik surutakse suletud mouldi läbi kiudriidest, sobib tootmise automatiseerimiseks.
• Pultrusioon — pidev profiili tootmine, kus kiud tõmmatakse vaikuga immutatud läbi kuumutatud vormi.
• Filament winding — kiud keritakse ümber vormi ja immutatakse vaiguga, kasutusel torude ja rõngaste valmistamisel.
• Valtsimine ja survevalamine — kasutatavad plast- ja metallkomposiitide puhul.

Kasutusalad

• Ehitus: raudbetoon, sandwich-paneelid, tugevdatud konstruktsioonielemendid.
• Lennundus ja kosmosetööstus: kaalulangus ja kõrge tugevus muudavad komposiidid eelisteks tiibadel, kereosadel ja pardasildu.
• Autotööstus: kere- ja kereosi, pidurikettad, kergekaalulised komponendid kütusekulu vähendamiseks.
• Merendus: paadid, kereosad ja tekid, kuna komposiidid taluvad hästi merekeskkonda.
• Sport ja vaba aeg: jalgrattaraamid, suusad, aerukepid ja muud varustuse elemendid.
• Tööstus ja energia: rõngad, torud, isolatsioonikihid ja komponendid tuuleenergia rootoritele.

Eelised ja piirangud

• Eelised: suur tugevus/kaalusuhe, hea korrosioonikindlus, võimalus optimeerida omadusi suuna ja struktuuriga.
• Piirangud: meenuta tootmise ja materjalide kulud võivad olla kõrged; keerukam taaskasutus ja ringlussevõtt; tundlikkus UV-kiirguse ja kõrgete temperatuuride suhtes sõltuvalt maatriksist.

Taaskasutus ja jätkusuutlikkus

Komposiitide ringlussevõtt on keeruline, eriti polümeermaatriksiga tugevdatud kiudkomposiitide puhul. Praegused lähenemised hõlmavad mehhaanilist jahvatamist täitematerjaliks, termilist töötlemist (pyrolysis) vaikude eemaldamiseks ja keemilist depolymerisatsiooni. Samuti suureneb huvi biopõhiste vaikude ja looduskiudude (näiteks riisikoored, puidukiud) kasutamise vastu, et vähendada süsiniku jalajälge ja parandada biolagunevust.

Kokkuvõte

Komposiitmaterjalid pakuvad suurt disainivabadust ja võimaldavad kombineerida eri materjalide parimaid omadusi. Nende kasutusvaldkond on laienemas tänu arengutele tootmistehnoloogiates, uutes vaikudes ja kiududes ning vajadusele kergemate ja vastupidavamate lahenduste järele. Samal ajal nõuavad komposiidid teadlikku lähenemist materjalivalikul, tootmisel ja ringlussevõtul vastavalt konkreetsele rakendusele.

Taust

Kõige primitiivsemad komposiitmaterjalid olid õlgedest ja mudast tellised, mida kasutati hoonete ehitamiseks. Piibli raamatus "2. Moosese raamat" on juttu iisraellastest, keda vaarao rõhus ja sundis tegema "õlgedeta telliseid". Tänapäeval kasutame klaaskiust dušikabiinid ja vannid, mis on komposiitmaterjalist.

Vineer on tavaline komposiitmaterjal, millega paljud inimesed oma igapäevaelus kokku puutuvad.

Küsimused ja vastused

K: Mis on komposiitmaterjalid?

K: Kas komposiitmaterjalid võivad käituda teisiti kui kumbki nende osa?

K: Millest on valmistatud raudbetoon?

K: Millised on raudbetooni omadused?

K: Millest on valmistatud kuulikindel klaas?

K: Millised on kuulikindla klaasi omadused?

K: Millest on valmistatud betoon?

Otsing