河卵石复合破(复合材料：人类如何改善自然)

Posted 2023-05-31

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河卵石复合破(复合材料：人类如何改善自然)

人天生没有有力的爪子或长长的獠牙，所以他的主要武器是大脑。棍子加长手臂，凿石打败野兽。但宇宙并没有帮助一个人的目的——烂木做的船，茅草屋只适合夏天，临时材料制成的武器杀伤力有限。然后这个人想出了将可用材料相互组合的想法。早在工业革命和科学时代之前，第一种复合材料就诞生了。他们是如何发展的，以目前的进步水平，他们有未来吗？

第一个复合材料 - 手头的组合

复合材料的不同之处在于它们使用两种或多种不会结合成一种物质的成分。例如，除非你达到原子水平，否则你不会在铸铁锅中找到铁和木炭。但是您可以使用手头的简单工具将胶合板分成几层并注意它们上的粘合剂。通常，复合材料由基质和增强元素、填料组成。使用具有这两种特性的各种物质，可以获得具有完全不同特性的复合材料，具体取决于所使用的物质以及基体和材料的设计。

第一种复合材料易于制造，但从根本上改变了人们的生活。为了让树不在水中腐烂，一个人想出了用树脂浸渍它的主意。船的质量显著提高。另一种最古老的复合材料是土坯砖，即由粘土和切碎的植物纤维制成的棒材。用这种材料建造的建筑物是可靠的。干粘土提供力量，稻草将它粘在一起，帮助粘土不裂开。第一批用土坯砖砌成的房子出现在美索不达米亚和埃及，那里没有茂密的森林可供建造茅屋。但早在我们这个时代之前五千年，人们就找到了它们的绝佳替代品——这要归功于最早的复合材料之一。

用土坯砌房子

欧洲和美洲大陆都发明了弓。然而，为了增加它们的杀伤力，有必要将传统的（弧形）弓放大到巨大的尺寸。将其用于狩猎或骑马作战是不现实的。蒙古游牧民族在这里找到了解决办法- 复合弓或复合弓被证明是有效的，其中多层木头可以粘合在一起，结合了灵活耐用的岩石，并且还添加了骨插入物。同时，弓肩的设计是向前弯曲的——在这种情况下，弓弦在发射时保持更长的张力，将能量传递给箭。弓肩作为杠杆，这种设计使得制作相对较小的弓具有很大的杀伤力成为可能。有了它们，骑手骑马很方便 - 从远处射击敌军或打猎。

弓箭手，20 年代

复合材料还包括混凝土，其具有上述结构：鹅卵石和沙子作为加固基础，并用填料 - 水泥浇注。从获得的复杂物质中，可以构建坚固且几乎不可燃的结构。混凝土至少在两千多年前就已为人所知，早在古罗马时期。

复合材料可以让您创造出令人眼花缭乱的有效解决方案，但它们并不是万灵药。总是存在局限性，事实上，这些局限性决定了复合材料是否应该优于其他解决方案。除了高成本之外，第一种复合材料还有许多特定的缺点。例如，第一张复合弓是用一种防水的动物基粘合剂粘合在一起的。土坯砖具有吸湿性，因此它不会倒塌，必须用灰泥覆盖。对于发明它的地区来说，这是可以接受的，但在雨水多、灰泥无济于事的北部地区，土坯房并不常见。长期以来，天然材料的有限范围缩小了复合材料的可能范围，直到化学方面的科学突破从根本上改变了这一局面。

复合材料的二次风

19世纪，化学的发展让工业获得了新材料。聚合的发现使发明橡胶和塑料成为可能，它们的出现提供了一种新型的复合材料。没有它们，20 世纪根本就不会成为工业化时代：如果没有开发出新的复合材料，就没有足够的天然材料用于所有建筑工地。例如，在俄罗斯，他们学会了如何获得石碳酸钙（类似于胶木）。它属于热塑性塑料：导热和电流差，不燃烧。使用各种填料，碳硼石既可用作绝缘体，又可用作各种设备外壳的材料。它最大的应用是 GOELRO 项目中的绝缘体材料，根据该项目，整个苏联实现了电气化。

古董胶木电话，20 世纪中叶

大量引入复合材料的第二个重要因素是成本的降低和人类已知材料的改进。例如，第一座钢筋混凝土房屋建于 19 世纪中叶。但只有铁合金的工业化生产及其特性的改进才使得在 20 世纪初开始大规模建造这种材料成为可能。

一些发现引发了另一些发现。在寻找织物的人工替代品时，发现了从纤维素中提取的粘胶。在粘胶生产过程中，他们学会了如何获得玻璃纸，起初它几乎是副产品，但后来证明是一种极好的包装材料。几乎所有新发现的材料都可以用作复合材料中的填料，这反过来又具有以前材料几乎无法想象的特性。

现代复合材料

尽管复合材料需要创造新的产业，但它们的使用并不总是比现有的更昂贵。该技术的扩展降低了成本，并允许更换稀缺材料。例如，如果没有大规模建造飞机，很难想象苏联在伟大卫国战争中的胜利。飞行设备的最佳材料是铝合金 - 轻便耐用。但是这种有色金属的产量是完全不够的。并保存......胶合板。当然，不仅仅是胶合板，还有高科技。用酚醛树脂浸渍桦木单板 - 获得三角木。在某些参数上，它的强度是木材的两倍，尽管它比同等重量的铝差一倍半。尽管三角木飞机比金属飞机重一些，

康宁以其智能手机屏幕的防刮涂层 - 大猩猩玻璃而闻名。但早在 19 世纪，她就开始使用玻璃，而在 1930 年代，她的专家发现了玻璃纤维，这是复合材料的另一种流行成分。原来，干净、没有杂质和瑕疵的玻璃非常耐用，用它制成的细线也很有弹性。通过将它们编织在一起，您可以获得玻璃纤维 - 一种坚固、相对轻质的材料，也不会氧化。早在上世纪 50 年代，就开始在其基础上制造用于船体和飞机外壳的材料。玻璃纤维的另一个重要特性是无线电透明性，这就是它被用于雷达天线罩的原因。得益于这一套“能力”，玻璃纤维在我们这个时代得到了广泛的应用。

复合材料造船技术被用于建造12700艘扫雷舰项目

高科技的核心

新世纪已成为复合材料的理想选择：新物质一直在合成，工业需要从根本上说是新材料。“靠眼睛”的读者将不再确定他看到的是“纯”材料还是复合材料。现在复合材料最受关注的应用领域有哪些？
一些最极端的工作条件是在核反应堆中。在他们的设计中，使用了 SiC-SiC 型复合材料：碳化硅纤维增强的碳化硅基体能够在辐射和高温下长期运行。

先进的氢能源也离不开复合材料：碳纤维材料被认为是气体扩散层的组成部分，以及具有聚合物质子传导膜的燃料电池的双极板。

CFRP 火箭主体，特种机械制造研究所

在碳化合物的基础上获得了极其多样化的复合材料。此外，各种形式的碳既用于基体中又用作粘合剂填料。碳碳复合材料可在两千度的温度下使用！以这种方式加热时，许多金属会熔化。例如，在苏联，Gravimol 碳材料是为 Buran 航天飞机制造的——它被用于整流罩和机翼的前缘，在着陆期间它们的温度最高。我们可以在俄罗斯生产这种材料吗？

“目前，正在积极开展转向国产 PAN 前体的工作，这是制造碳纤维的重要原材料，是许多复合材料的基础。NIIgrafit JSC（Rosatom State Corporation 的一部分）科学与创新副主任 Artur Radikovich Gareev 告诉 Naked Science，这对民用和军用工业都很重要。他补充说，Yumatex 生产一系列 UMT 纤维，这些是俄罗斯技术含量最高的碳纤维——它们的强度比钢合金高几倍。总的来说，NIIGrafit 开发基于碳纤维、结构石墨等的复合材料，用于火箭、航天和航空技术，以及其他在高温下运行的设备的组件。

“根据增强结构，相同的碳-碳复合材料可以在摩擦条件下工作，承受飞机刹车片的长期负载，例如，在俄罗斯 MS-21 中。由于其导电性，碳-碳复合材料被用于制造高温炉的加热器，它们可以长期可靠地运行。然而，这种 CM（复合材料）非常脆弱，这限制了它们在工程中的应用，”Artur Gareev 解释了适用性的限制。

如果需要柔韧性，则将碳纤维编织的层与环氧树脂或聚合物连接，然后得到碳纤维。它们中最好的提供与金属相当的强度，但质量显着增加。它们的工作温度不如碳-碳复合材料高，但它们可以使用多年。俄罗斯使用碳纤维最著名的例子之一是有前途的 MS-21 飞机的机翼。未涂漆碳纤维的颜色被称为“黑翼”，但比颜色更重要的是，除了减轻重量外，它们还使获得更高效、更省油的机翼形状成为可能。总体而言，复合材料占飞机材料的 40%，这是世界上最好的指标之一。2018 年，创建飞机元素的 Aerocomposite（PJSC UAC 的一部分），

聚合物不仅可以是基质，还可以是填料。芳纶线可以作为服装和防弹背心的基础。基于它们的复合材料“击败”了金属，因为它们更轻且强度相当。一个有前途的方向是由超高分子量聚乙烯 (UHMWPE) 制成的纤维。在强度方面，它超过了芳纶纤维，以它为基础的最好的防弹衣的密度与水相当：1 g/cm 3。

一般来说，复合材料并不反对金属，后者显然将成为未来很长一段时间内创造现代文明技术的基础。基于金属基体的复合材料的设计和开发，以及以特殊方式在其中放置或形成非金属相的复合材料，可以将金属的众多优点与复合系统的新特性结合起来。制造对工艺过程的精度要求很高。JSC NPO TsNIITMASH 开发了用氧化物、碳化物和氮化物纳米颗粒增强金属基体的复合材料生产产品的技术：

“从基于金属基体的复合材料生产产品的方法之一是选择性激光熔化方法，这使得获得需要最少机械加工的复杂几何形状的产品成为可能，”物理和数学博士候选人 Ivan Ivanov 解释道。科学学院冶金与机械工程研究所所长。一个例子是使用 DUO 钢（用氧化物弥散强化）的可能性。这种复合材料的结构是金属基体，其中纳米级氧化物相均匀分布。它们用于具有增加的热、腐蚀和辐射负荷的侵蚀性环境。

复合记录

为什么积极创造新合金和物质并没有减少对复合材料的需求？“例如，铜的密度接近九，而复合材料的密度不到二，但导热性相当。因此，它们在航空航天工业中的需求量极大，”Artur Gareev 举了一个例子。密度越低，相同体积物质的质量就越小。同时，飞机中电线的总长度超过 200 公里（！），因此减轻它们的重量将显着降低油耗。

Gareev 补充说，俄罗斯目前正在开发基于中间相沥青的新型纤维——它们的导热系数约为 600 W / (m * K)，铜为 394 W / (m * K)。一旦有可能在俄罗斯建立生产，它们将成为金属的良好替代品。在结构方面，复合材料可与钛和铝竞争：密度减半（约 1.4 g/cm 3对 3 g/cm 3），它们具有相似的强度和弹性模量。同时，碳塑料加工得很好。

为什么复合材料没有取代所有其他材料？几乎所有这些都有一些缺点。例如，玻璃纤维可以用作船体，但只能在遇到障碍物时使用。金属更具塑料性，它能更好地承受打击，也更容易修复。碳-碳复合材料通常很脆。CFRP 具有柔性，但通常具有各向异性：也就是说，它们仅在相对于材料的特定方向上表现出其特性（导热性、强度）。

在某些情况下，这甚至是有益的，但设计师希望在以任何角度施加力时具有相同的强度。科学家们有工作要做。同时，我们没有在新项目中选择材料的金弹。每次工程师都必须计算哪种材料更好用：金属、聚合物、复合材料。或者也许它很棒 - 有创造力的空间。

如何创建新的复合材料

新型复合材料是如何产生的？首先，事实上，科学家和研究人员的任务是要达到什么指标。为达到给定的特性应采用何种基料和填料的组合是已知的。例如，氮化硼可以很好地抵御中子，并赋予复合材料高导热性。我们需要导电性——然后我们使用石墨作为填充物。但主要的工作还是要在实验室里完成——以什么比例、以什么方式将它们结合起来，才能最充分地满足既定要求。

如何让复合材料变得更好？也许一切都可以在超级计算机上计算？或者，相反，他们已经达到了极限？“你无法在超级计算机上制作完整的复合材料，”Artur Gareev 解释道。“因为有些物理和化学效应是你无法模拟的。通常需要在实验室中研究结合基质和填充的技术。但是你当然可以让它们变得更好。新型纤维、新型材料正在涌现。”

举个简单的例子，Gareev 提到了日本人在基于中间相沥青制造碳纤维方面达到的水平。如果我们谈论俄罗斯，现在掌握UHMWPE纤维的生产和使用很重要。最近的前景是智能复合材料，它们能积极响应环境条件的变化。例如，它们发出弯曲信号、在撞击时变硬，甚至自我修复。这里Gareev将高分子压电复合材料命名为一个有趣的方向。实际上，这是一种材料，其每个部分都用作传感器。

通过用镍钛诺（镍和钛的化合物）和其他具有记忆效应的材料制成的金属丝“闪烁”铝基体，可以实现自我修复。当冷却到临界温度以下时，它会产生内应力，当加热时，它会恢复到之前处于加热状态的形状。镍钛诺本身具有记忆效应，但这种效应在复合材料的成分中得到增强。

还有更多实用的东西。在功能方面，正在研究无线电透明、抗辐射的复合材料。抗辐射复合材料可用于容纳低功率核电站的大型结构。当然，即使现在有这些课程的材料，但改进的潜力是可见的。

最后，Naked Science 通讯员请 Artur Radikovich 花一分钟做一个未来主义者，问他希望在未来看到什么样的复合材料？

- 将活组织与合成材料相结合的生物复合材料。使人们能够显着提高自身身体的效率和耐力！

该材料是与教育项目 Homo Science 联合编写的。在这个在线平台上，科学家、专家和科普者以一种通俗易懂、有趣的方式谈论物理、化学、信息技术、医学、数学和生物学等科学背景下的“原子”话题。我们建议您关注那里的新闻。