Что такое композитные материалы

Композиты — группа материалов, состоящих из нескольких компонентов, один из которых выполняет армирующую функцию, а второй связующую.

Например, железобетон — это вид композита. В этом соединении железо выполняет армирующую функцию, а бетон — связующую. Композит, который используют в судостроении, называется стеклопластиком или углепластиком. Базово он состоит из стеклоткани или углеткани и смолы.

Особенность композитов, что готовый материал обладает гораздо большей прочностью и жесткостью, чем его ингредиенты по отдельности. А значит, готовое изделие весит меньше. В судостроении важно сделать корпус максимально легким — чем он легче, тем более мореходная, быстрая и экономичная получается лодка. Поэтому композитные материалы как нельзя лучше подходят для этой задачи.

Композит, из которого строят суда, базово состоит из 4-х типов материалов:

• связующее вещество (смола)
• армирующее вещество (ткань)
• средний слой (наполнитель для сэндвича: пена или сотовый материал)
• поверхностный слой (краска/гелькоут)

Для более сложных и больших конструкций, например, прогулочных катеров, используют композитный сэндвич. В композитном сэндвиче появляется средний слой — пена. Она закладывается между двумя армирующими слоями ткани, все вместе пропитывается смолой и в результате получается монолитный материал обладающий еще большей поверхностной прочностью, но при этом все еще достаточно легкий.

Разберем отдельно каждый тип материалов.

Смола — связующую вещество, которое пропитывает все слои композита и превращает их в готовую монолитную деталь. В судостроении используется 3 типа смолы:

Эпоксидная смола — самая прочная и дорогая. За счет повышенной прочности для изготовления детали ее требуется меньше, чем полиэфирной смолы, а значит сама деталь получается легче. Не содержит ядовитого вещества — стирола. Корпус лодки из эпоксидной смолы может эксплуатироваться без ремонта до 30 лет подряд.

Эпоксивинилэфирная — это соединение на основе эпоксидной смолы. В отличие от эпоксидной смолы оно уже содержит стирол, но в меньших количествах, чем полиэфирная смола. По цене и прочности это промежуточный вариант между эпоксидной и полиэфирной смолой.

Полиэфирная — дешевая и наименее прочная, содержит стирол. Изделия из нее получается тяжелее и со временем начинают впитывать воду. Полиэфирная смола более хрупкая, поэтому корпуса из нее со временем нуждаются в ремонте. Корпус из полиэфирной смолы в среднем служит до 20 лет.

Ткань в судостроении выполняет роль армирующего вещества — с помощью нее изделию задается форма, она берет на себя нагрузку на скручивание. Ткань дает конструкции прочность на растяжение или сжатие. В судостроении используется три типа ткани:

Стекломат — рубленные спресованные волокна стекловолокна. Стекломат максимально гибкий и подвижный, ему можно задать любую форму или изгиб. Но при этом это наименее прочный вид ткани, у него нет устойчивости к скручиванием и разрывам — если потянуть сухую ткань в разные стороны она просто расползется.

Стеклоткань — стекловолокна, которые сплетено таким образом, что у ткани есть конкретное направление. Виды плетения бывают разными и от них зависит под каким углом ткань абсолютно устойчива на растяжение. Грамотный проект яхты учитывает особенности направления ткани и четко регламентирует какой тип плетения надо использовать на конкретных участках конструкции. Благодаря сочетанию разных типов плетения получаются максимально прочные детали, устойчивые к любым видам нагрузок.

Углеткань — тоже самое, что стеклоткань, только из углеволокна. У нее тоже есть разные типы плетения и направления. Углеволокно примерно в 2 раза прочнее, чем стекловолокно — точное соотношение зависит от типа плетения. Но стоит в 20 раз дороже.

Если упрощенно, то благодаря повышенной прочности на одну и ту же деталь углеволокна уходит в 2 раза меньше, чем стекловолокна. В результате деталь из углеволокна получается примерно в 2 раза легче. Готовый материал изделия из углепластика называется карбон. Полностью из карбона строят самые дорогие и быстрые гоночные яхты в мире.

Средний слой нужен, чтобы добавить расстояния между несколькими армирующими слоями ткани, и тем самым повысить поверхностную плотность изделия. Дело в том, что сама по себе ткань дает нужную прочность только на скручивание или сжатие, но не дает необходимой поверхностной прочности — деталь получается слишком тонкой. В теории, увеличить толщину и соответственно поверхностную прочность можно просто наложив больше слоев стеклоткани, но тогда мы получим слишком большой вес, и при этом избыточную прочность к скручивающим нагрузкам. Поэтому, чтобы соблюсти баланс между весом, поверхностной прочностью и устойчивостью к скручиванию, используют принцип сэндвича и прокладывают армирующие слои легким наполнителем. Чаще всего в производстве используют следующие типы наполнителя:

ПХВ — пенополивинилхлорид. Очень легкое, но при этом достаточно прочное соединение. В цифрах плотность этого материала — от 80 до 120 кг на 1 кубический метр. Еще один важный фактор — эта пена не впитывает в себя смолу, а значит не набирает лишний вес. В ней делают специальная перфорация, чтобы смола пропитала все слои и соединила их в одну монолитное изделие. Coremat — состав, сделанный на основе тех же соединений, что и стекловолокно. Стоит значительно дешевле, чем ПХВ, но итоговое изделие получается тяжелее. По своему принципу он похож на стекломат, но весит меньше и впитывает меньше смолы. Поэтому если сравнивать, что лучше — просто накатать больше ткани или использовать coremat, выгоднее выбрать coremat.

Если нужен максимально легкий и быстрый корпус, лучше использовать ПХВ. Если нужно получить дешевую, но тихоходную лодку — выгоднее использовать coremat.

Поверхностный слой — внешний слой корпуса, который дает цвет и защищает от поверхностных повреждений. Обычно его делают из гелькоута или полиуретановой краски.

Гелькоут — соединение по составу очень похожее на смолу, оно тоже может быть на полиэфирной, эпоксидной или эпоксивинилэфирной основе. Если упрощенно, это густая смола с конкретным цветом. Гелькоут достаточно устойчив к поверхностным воздействиям. Закладывается в матрицу, как один из слоев монолитного корпуса.

Полиуретановая краска — тип краски, который хорошо защищает от внешних воздействий. Краска предлагает большой выбор цветов и стоит дороже. Наносится сверху на готовое изделие.