Kompozyty: materiały przyszłości

Nowoczesne kompozyty pojawiły się na rynku w połowie XX w., jako obiecująca klasa materiałów inżynierskich, dająca nowe perspektywy dla rozwoju nowoczesnych technologii. Mówiąc ogólnie, każdy materiał złożony z 2 lub więcej składników o różnych właściwościach i cechujący się występowaniem wyraźnych granic między tymi składnikami może być określany jako materiał kompozytowy. Co więcej, pomysł łączenia kilku składników w celu wytworzenia materiału o właściwościach nieosiągalnych dla pojedynczych składników był stosowany przez ludzi od tysięcy lat. W związku z tym większość materiałów naturalnych, które powstały w wyniku długotrwałego procesu ewolucji, można traktować jako materiały kompozytowe.

Początki używania kompozytów sięgają starożytności. Starożytni Egipcjanie i mieszkańcy Mezopotamii wykonywali ściany domów z gliny wzmacnianej trzciną, słomą lub trawą. Od XIII w. p.n.e. Izraelici przy wznoszeniu swoich budynków wykorzystywali bloki z mieszanki błotnej wzmocnionej słomą i końską sierścią, a Egipcjanie (od ok. 3600 r. p.n.e.) stosowali sklejkę. Tradycyjna chińska laka, służąca do wyrobu naczyń i mebli, otrzymywana przez przesycanie wielu cienkich warstw papieru i tkanin żywicznym „samoutwardzalnym” sokiem z sumaka rhus, była stosowana od co najmniej V w. p.n.e. W średniowieczu wykonywano miecze i tarcze składające się z warstw różnych materiałów, aby zapewnić im jak największą trwałość i wytrzymałość.

Rozwój nowoczesnych materiałów kompozytowych związany był z ewolucją technologii wytwarzania włókien sztucznych, którą zapoczątkowało powstanie w czasie II wojny światowej włókien szklanych. Dalszy progres był wynikiem opracowania technologii wytwórczych włókien węglowych nisko i wysoko modułowych oraz włókien aramidowych, znanych pod nazwą handlową Kevlar. Materiały kompozytowe stosowane były w drogich przedsięwzięciach, np. militarnych czy kosmicznych, co wiązało się z ich wysoką ceną. Jednak rozwój technologii wytwarzania oraz zwiększenie zainteresowania materiałami tego typu spowodowały znaczny spadek kosztów produkcji kompozytów, a tym samym wprowadzenie ich do produkcji cywilnej mało- i wielkoseryjnej. Obecnie branża materiałów kompozytowych jest jedną z najszybciej rozwijających się. Zmiany zachodzące na tym rynku najlepiej oddaje z roku na rok coraz bogatsza oferta wystawców na wszelkiego rodzaju targach.

Niektórzy czytelnicy być może pamiętają najmniejszy na świecie kompozytowy jacht żaglowy Mini 230, który wziął udział w wyjątkowym projekcie przepłynięcia Bałtyku na trasie Kołobrzeg - Bornholm - Kołobrzeg; do budowy jego kadłuba użyto najwyższej jakości surowców kompozytowych. Sukces odniosły też takie konstrukcje jak pływające drony czy kompozytowe BMW. Większość z nas miała do czynienia z takimi wyrobami jak m.in. węglowe kule ortopedyczne, umywalka z syntetycznego granitu czy rozmaity sprzęt sportowy, do których produkcji stosuje się właśnie kompozyty. Dzięki połączeniu tworzywa sztucznego i odpowiedniego wzmocnienia można bez wątpienia otrzymać jedne z najlepszych alternatywnych materiałów.

Metody wytwarzania kompozytów polimerowych

Kompozyty, jak wspomniano na początku, to połączenie 2 lub więcej materiałów składowych o różnych właściwościach fizycznych lub chemicznych. Po ich połączeniu uzyskuje się materiał o cechach odbiegających od ich pierwotnych właściwości. Dwa główne składniki kompozytu to osnowa i włókno. Matryca jest materiałem bazowym, a włókno wzmacnia materiał. Oprócz wzmocnień z włókien i matrycy kompozyty mogą również zawierać materiały rdzeniowe, wypełniacze, dodatki i wykończenia powierzchni, aby zapewnić wyjątkowe właściwości użytkowe. Ich zaletą jest szeroki zakres wartości właściwości uzyskiwanych z kompozytów oraz możliwość dostosowania właściwości. Materiały kompozytowe mają również ogólnie wyższy stosunek wytrzymałości i modułu do masy niż tradycyjne materiały inżynieryjne. Te cechy mogą zmniejszyć wagę nawet o 20–30%. Oszczędność masy przekłada się na oszczędność energii lub zwiększoną wydajność. Zaawansowane kompozyty wykazują pożądane właściwości dynamiczne oraz mają wysoką odporność na pełzanie i dobre właściwości tłumiące.

O wytrzymałości kompozytów decyduje nie tylko rodzaj włókien wzmacniających i ich procentowy udział w kompozycie, ale również to, że ich ułożenie można dostosować do obciążeń, które przenosi wyrób. Jako spoiwa kompozytowe wykorzystuje się różne materiały: polimery termoplastyczne i termoutwardzalne, metale oraz stopy metali, a także materiały ceramiczne. Jako włókna wzmacniające stosowane mogą być włókna naturalne (sizal, juta). Jednakże częściej używane są włókna sztuczne i syntetyczne (szklane, poliamidowe, polipropylenowe, bazaltowe, węglowe, borowe, metalowe). Kompozyty, w których spoiwami są polimery, nazywamy kompozytami polimerowymi. Na osnowę kompozytów polimerowych stosuje się:

• żywice termoutwardzalne – fenoplasty i aminoplasty (kompozyty tego rodzaju produkuje się dwuetapowo: w pierwszej fazie wytwarza się tłoczywa (żywica z dodatkami) metodą mokrą lub suchą, zaś w drugiej fazie metodą prasowania tłocznego, przetłoczonego lub płytowego tłoczywa przetwarza się na gotowe wyroby);
• żywice chemoutwardzalne - poliestrowe, epoksydowe i silikonowe (proces wytwarzania laminatów obejmuje nałożenie na powierzchnie formy (zewnętrzną, wewnętrzną) warstwy rozdzielającej, warstwy licowej, tzw. żelkotu (specjalna żywica zawierająca barwnik i środek tiksotropowy, np. krzemionkę koloidalną), następnie warstwy zbrojenia i osnowy. Materiały kompozytowe o osnowie żywic chemoutwardzalnych wytwarza się metodami ręcznymi i maszynowymi);
• tworzywa termoplastyczne - poliamidy, polipropylen, poliestry termoplastyczne i poliwęglan oraz w mniejszych ilościach polimery styrenowe (wytwarza się je metodami wtrysku i wytłaczania; metody znajdują zastosowanie do otrzymywania kompozytów zbrojonych włóknami krótkimi oraz cząsteczkami ceramicznymi).

Proces powstawania kompozytu polimerowego z zastosowaniem żywic chemoutwardzalnych przebiega przeważnie równocześnie z formowaniem wyrobu. Składowe elementy kompozytu (włókno wzmacniające i spoiwo – kompozycję żywicy chemoutwardzalnej z utwardzaczem) łączy się ze sobą najczęściej dopiero w formie, w której wyrób jest formowany. Po utwardzeniu żywicy z formy wyjmuje się gotowy wyrób, który zazwyczaj wymaga jedynie obcięcia i ewentualnych innych operacji wykończeniowych. W przypadku polimerów termoplastycznych najpierw zazwyczaj produkuje się kompozyt w postaci półfabrykatu, z którego wykonuje się następnie wyroby. Takim półfabrykatem mogą być np. granulki polietylenu z ciętym włóknem szklanym, przetwarzane później, np. technologią wtrysku.

Wyróżnia się kilka rodzajów kompozytów, w tym np. strukturalne (m.in. sklejka i żelbet), laminaty (np. pykret), mikrokompozyty i nanokompozyty. W nowoczesnych kompozytach stosuje się włókna wzmacniające o bardzo małej średnicy, mierzonej w tysięcznych częściach milimetra. Istnieje bowiem ogólna prawidłowość, że im średnica włókien wzmacniających jest mniejsza, tym wytrzymałość kompozytu większa. W ostatnich latach obserwuje się stały rozwój zarówno surowców do wyrobów kompozytowych, jak i doskonalenie sposobów ich wytwarzania oraz przetwórstwa. Struktura materiałów kompozytowych jest uzależniona od technologii wytwarzania, właściwości materiału osnowy, właściwości, rodzaju i udziału fazy zbrojącej, od strefy połączenia osnowa - zbrojenie, ale również od rozkładu fazy zbrojącej. Równomierny rozkład fazy zbrojącej jest cechą charakterystyczną prawidłowej struktury materiału kompozytowego.

Właściwości tych tworzyw nierzadko utrudniają ich obróbkę. Niektóre kompozyty są twarde i sztywne jak stal, inne elastyczne jak guma, zachowujące odporność na duże naprężenia.

Zastosowanie

Polski sektor materiałów kompozytowych prężnie się rozwija i z roku na rok rośnie jego krajowy rynek. Z jednej strony rozwój technologii, a z drugiej rosnące wymagania użytkowników - te 2 elementy wymagają coraz to nowszych tworzyw obniżających koszty produkcji, a jednocześnie wykazujących właściwości lepsze niż materiały tradycyjne. W rezultacie możemy odnotować ogromny rozwój stosowania kompozytów.

Duży wpływ na ten postęp wywarło wykorzystanie tych materiałów w technice rakietowej. W chwili obecnej to bardzo szeroka rodzina nowoczesnych materiałów konstrukcyjnych, znajdujących zastosowanie praktycznie we wszystkich dziedzinach techniki i działalności człowieka. O ich wytrzymałości decyduje nie tylko rodzaj włókien wzmacniających i ich procentowy udział w kompozycie, ale również to, że ich ułożenie można dostosować do obciążeń, które przenosi wyrób.

Kompozyty są wykorzystywane także w druku 3D jako materiały konstrukcyjne, a łącząc zalety druku 3D z unikatowymi właściwościami materiałów kompozytowych można otrzymać zupełnie nową jakość wytwarzania. Doskonałe parametry mechaniczne i wytrzymałościowe oraz niewielki ciężar własny sprawiają, że kompozyty odkrywane są w kolejnych obszarach zastosowań: od kosmonautyki, przez technikę jądrową, po sprzęt rekreacyjny i produkty elektroniczne. Nie tylko branża lotnicza, przemysł samochodowy czy transport kołowy i szynowy w zaawansowanym stopniu korzystają dziś z kompozytów - korzyści z ich użycia odkryła też m.in. branża zbrojeniowa (osłony balistyczne, pociski), sportowa (łodzie, narty, rowery itd.), medyczna i budownictwo. W rezultacie możemy odnotować ogromny rozwój wykorzystania kompozytów.

W chwili obecnej to bardzo szeroka rodzina nowoczesnych materiałów konstrukcyjnych, znajdujących zastosowanie praktycznie we wszystkich dziedzinach techniki i działalności człowieka.

Wiele nowych kompozytów to polimery napełnione drewnem, odpadami drewnianymi, mączką, włóknami naturalnymi, imitujące tradycyjne materiały, a wykazujące doskonałą odporność na wodę, środki chemiczne, paliwa, oleje. Możliwość dowolnego formowania kształtu, łatwe wytwarzanie, właściwości mechaniczne porównywalne z wytrzymałością stali konstrukcyjnej przy 5-krotnie mniejszym ciężarze i odporności na warunki atmosferyczne oraz większość czynników agresywnych to zalety kompozytów polimerowych, tworzyw wzmocnionych. Wykorzystanie materiałów kompozytowych będzie nadal rosło. Im więcej inżynierów zrozumie kompozyty, tym więcej możliwości ich zastosowania zostanie rozpoznanych. Wraz ze wzrostem skali ich użycia nastąpi więcej zmian w obszarach materiałów składowych, analizy, projektowania i wytwarzania.

Materiały kompozytowe oferują ogromne możliwości i tanie przetwarzanie przy niewielkim wpływie na środowisko - te atrybuty tworzą dla nich bardzo świetlaną przyszłość. Zainteresowanie kompozytami wciąż rośnie, a ich potencjał nie jest jeszcze w pełni wykorzystany. Spowodowane jest to trudną do opanowania technologią, dlatego też prowadzi się intensywne badania naukowe nad wytwarzaniem i przetwórstwem kompozytów. Nowe możliwości stworzone przez inżynierię materiałową pozwalają na poszukiwanie nowych materiałów o nieznanych dotąd właściwościach, a także modyfikowanie tych już znanych w celu dostosowania ich do nowych obszarów wykorzystania.