Арматура композитная: Арматура композитная ТУ 12 мм 50 м цвет оранжевый

Композитная арматура — применение в строительстве, характеристики и сравнение

Изобретение композитной арматуры знатоки строительного дела относят к 60-м годам прошлого столетия. В этот период в США и в Советском Союзе были начаты активные исследования ее свойств.

Однако, несмотря на достаточно солидный возраст, данный материал до сих пор не знаком большинству застройщиков. Восполнить пробел знаний о стеклопластиковой арматуре, ее свойствах, достоинствах и недостатках вам поможет эта статья.

Попутно отметим, что материал этот весьма спорный. Производители хвалят его на все лады, а строители-практики относятся с недоверием. Простые граждане смотрят на тех и на других, не зная кому верить.

Что такое композитная арматура, как она производится и где применяется?

Коротко структуру композитной арматуры можно охарактеризовать как «волокно в пластике». Ее основа – стойкие к разрыву нити из углерода, стекла или базальта. Жесткость композитному стержню придает эпоксидная смола, обволакивающая волокна.

Для лучшего сцепления с бетоном на прутья наматывается тонкий шнур. Он сделан из того же самого материала, что и основной стержень. Шнур создает винтовой рельеф, как у стальной. Твердение эпоксидной смолы происходит в сушильной камере. На выходе из нее композитную арматуру немного вытягивают и нарезают. Некоторые производители до момента твердения полимера обсыпают пластиковые стержни песком для улучшения сцепления с бетоном гладких участков.

Область применения стеклопластиковой арматуры нельзя назвать очень широкой. Ее используют в качестве гибких связей между облицовкой фасада и несущей стеной, а также укладывают в дорожные плиты и опалубку резервуаров. В каркасах, усиливающих ленточные фундаменты и бетонные полы, пластиковую арматуру применяют не так часто.

Ставить композитные стержни в плиты перекрытия, перемычки и другие конструкции, работающие на растяжение, не рекомендуется. Причина – повышенная гибкость данного материала.

Физические свойства композитной арматуры

Модуль упругости у полимерного композита существенно ниже, чем у стали (от 60 до 130 против 200 ГПа). Это значит, что там, где металл вступает в работу, предохраняя бетон от образования трещин, пластик еще продолжает сгибаться. Прочность на разрыв у стеклопластикового стержня в 2,5 раза выше, чем у стального.

Основные прочностные параметры композитной арматуры содержатся в таблице №4 ГОСТ 31938-2012

Здесь мы видим основные классы композитного материала: АСК (стеклопластиковая композитная), АБК (базальтовое волокно), АУК (углеродная), ААК (арамидокомпозитная) и АКК (комбинированная – стекло + базальт).

Наименее прочная, но самая дешевая — арматура из стекловолокна и базальтовый композит. Самый надежный и вместе с тем самый дорогой материал делают на основе углеродного волокна (АУК).

К прочностным свойствам материала мы еще вернемся, когда будем сравнивать его с металлом.

А пока рассмотрим другие характеристики данного материала:

• К положительным качествам композита относится его химическая инертность. Он не боится коррозии и воздействия агрессивных веществ (щелочной среды бетона, морской воды, дорожных химреагентов и кислот).
• Вес пластиковой арматуры в 3-4 раза меньше, чем стальной. Это дает экономию при транспортировке.
• Низкая теплопроводность материала улучшает энергосберегающие характеристики конструкции (нет мостиков холода).
• Композитная арматура не проводит электричества. В конструкциях, где она используется, не возникает коротких замыканий электропроводки и блуждающих токов.
• Композитный пластик магнитноинертен и радиопрозрачен. Это позволяет использовать его в строительстве сооружений, где должен быть исключен фактор экранирования электромагнитных волн.

Стеклопластиковый стержень под 90 градусов на стройке не согнешь

Недостатки композитной арматуры:

• Невозможность гибки с малым радиусом в условиях стройки. Гнутый стержень нужно заранее заказывать у производителя.
• Невозможность сваривать каркас (минус относительный, поскольку даже для стальной арматуры лучший способ соединения – вязка, а не сварка).
• Низкая термостойкость. При сильном нагреве и пожаре бетонная конструкция, армированная композитными стержнями, разрушается. Стекловолокно не боится высокой температуры, но связующий ее пластик теряет прочность при нагреве выше +200 С.
• Старение. Общий минус всех полимеров. Неметаллическая арматура не исключение. Ее производители завышают срок эксплуатации до 80-100 лет.

Вязка пластиковыми хомутами или стальной проволокой – единственный возможный метод сборки каркаса

Какая арматура лучше металлическая или стеклопластиковая?

Один из главных аргументов, приводимых в пользу стеклопластиковой при сравнении с металлической арматурой, – более низкая цена. Однако, заглянув в ценники металлобаз, вы увидите, что это не так. Стоимость металла в среднем на 20-25% ниже композита.

Причина путаницы состоит в том, что продавцы пластика берут в расчет так называемый «эквивалент» диаметра. Логика здесь такая: неметаллическая арматура на разрыв прочнее строительной стали. Поэтому полимерный стержень меньшего диаметра выдержит такую же нагрузку, как и более толстая стальная арматура. На основании  этого делается вывод: для армирования конструкции пластика нужно меньше, чем металла. Отсюда и появляется более «низкая» цена.

Для аргументированного сравнения композита с металлом необходим нормативный документ. Сегодня такое руководство уже имеется. Это приложение «Л» к приказу Минстроя России № 493/пр от 08.07. 2016 г.

В пункте Л.2.3. малопонятном для рядовых застройщиков, но весьма интересном для профессионалов содержатся два понижающих коэффициента для всех видов композитной арматуры.

Для примера рассмотрим самую распространенную стеклопластиковую (АСК):

• При действии продолжительной нагрузки предел ее прочности на растяжение должен умножаться на 0,3. То есть, вместо 800 МПа мы получаем 240 МПа (800х0,3=240).
• Если конструкция работает на открытом воздухе, то полученный результат нужно умножить еще на 0,7 (240 МПа х 0,7 = 168 МПа).

Таблица с понижающим коэффициентом для композитной арматуры

Таблица с коэффициентами, учитывающими условия эксплуатации

Далее, как требует норматив, полученные 168 МПа нужно разделить на коэффициент надежности (запас прочности), равный 1,5. В итоге мы получим 112 МПа.

Теперь можно корректно сравнивать прочность пластиковой арматуры с металлической. Для примера возьмем строительную сталь марки А500. У нее предельное сопротивление растяжению с учетом запаса прочности составляет 378 МПа. У стеклопластикового композита мы получили всего 112 МПа.

Наше маленькое исследование наглядно иллюстрирует таблица реальной, а не теоретической равнопрочной замены стальной арматуры на композитную. Ей можно пользоваться при выборе и покупке.

Просмотрев данную таблицу, нетрудно заметить, что пластика для равноценной замены металла требуется не меньше, а больше металла. Только самый дорогой углеродоволоконный материал (АУК) превосходит сталь равного с ним диаметра.

Сортамент и цена композитной арматуры

Самая востребованная на стройке – арматура из стеклопластикового композита. Ее сортамент и средние цены мы свели в одну таблицу.

О том, сколько весит пластиковая арматура разных диаметров вы можете получить информацию из таблицы ниже.

Продают материал в бухтах по 200, 100 и 50 метров и в виде стержней любой длины.

Выводы и рекомендации

Принимая во внимание ценовой фактор (равнопрочный со сталью композит обойдется дороже) мы не можем рекомендовать композитную арматуру для повсеместного применения в частном строительстве.

Для армирования ригелей, плит перекрытия, несущих балок, колонн и диафрагм жесткости специалисты настойчиво советуют не ставить ее. Как конструктивную такую арматуру использовать можно. Для армирования плитных фундаментов она может использоваться.

Плитный фундамент с каркасом из стеклопластиковой арматуры

Для усиления свайных ростверков и ленточных фундаментов лучше купить стальные прутья.

Стеклопластиковая арматура или стальная, что выбрать?

Утверждение №5: «Композитная арматура заменит металлическую везде».

Нормативы не запрещают применение композитного армирования для возведения какого-либо вида конструкций. Их задача – обеспечить необходимую прочность и другие значимые свойства конструкции. Если композитный материал дает такую возможность, то он может быть применен. Для тех, кто желает построить коттедж, баню, гараж, забор на бетонном фундаменте, этот материал будет экономически вы-годен и удобен в использовании, поскольку позволит создать прочные и надежные бетонные и кирпичные конструкции, слоистую кладку с гибкими связями, бетонные фундаменты и полы на основе сетки из композитной арматуры, армированную кладку из газо- и пеноблоков. Ответ на вопрос «Могут ли применяться композитные материалы при строительстве многоэтажек?» то-же положительный, но где и как конкретно – решают проектанты, производящие расчеты. Они оценивают композитную арматуру очень высоко. Помимо выше охарактеризованных диэлектрических свойств, долговечности и легкости:

• композитный материал практически не проводит тепло (показатель в 130 раз ниже, чем у металла), предотвращая «мостики холода»;
• близкий к бетону коэффициент теплового расширения позволяет избежать образования трещин при температурных колебаниях, что делает данный материал применимым в интервале температур от -70°до +100°С.

Эти и другие свойства, действительно, дают простор для применения композитных материалов.

Утверждение № 6: «Композитная арматура не может применяться в строительстве из-за малого модуля упругости».

Данный показатель, действительно, используется при расчете ряда бетонных конструкций. Но его значение важно только в конструкциях, работающих на прогиб (СНиП 52-01-2003 «Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения») — для предотвращения раскрытия микротрещин.

В соответствии с расчетами, производимыми по вышеуказанному СНиП, композитная арматура также может использоваться в данных конструкциях, но ввиду меньшего модуля упругости необходимо закладывать большие диаметры по отношению к металлической, что выгодно только в условиях строительства специальных объектов (строительство в зонах повышенной щелочности, кислотности, влажности, действий агрессивных вод и других) в связи с быстрым разрушением металлической.

В то же время, в элементах, находящихся на упругом основании значимость характеристики – модуля упругости почти равна нулю, т.к. само основание не дает конструкции прогнуться, обеспечивая равно-мерную поддержку. В данном случае расчет ведется по основному показателю – предел прочности на растяжение, который у композитной арматуры в 2,5 раза выше, чем у металлической, поэтому использование композитной арматуры в таких конструкциях будет экономически выгоднее, а надежность конструкций значительно выше, по сравнению с армированием стандартной железной арматурой. Это, прежде всего, все фундаменты и их отдельные части (блоки, плиты) и другие.

Ленточный фундамент, принимая на себя нагрузки от стен и, частично, от всего строения передает их на несущее основание — землю. Основание в данном случае противодействует образованию прогиба.

Монолитный плитный фундамент, принимая распределенную нагрузку от всего строения, также опирается на основание, противодействующее прогибу. Таким образом, применение композитной арматуры не целесообразно только в конструкциях, работающих на прогиб, однако это небольшая часть бетонных изделий. В остальных же случаях использование такой арматуры выгодно повышает характеристики надежности изделия.

В любом случае, армируемую конструкцию необходимо рассчитывать согласно СНиП 2.01.07-85 «Нагрузки и воздействия»; СНиП 52-01-2003 «Бетонные и железобетонные конструкции»; СП 63.13330.2012 «Бетонные и железобетонные конструкции» и т.д., и только вследствие полученных результатов делать вы-воды о применимости того или иного материала.

Утверждение № 7: «Композитная арматура снижает огнестойкость сооружений».

Под огнестойкостью (СП 2.13130.2009 «Обеспечение огнестойкости объектов защиты») понимают способность строительной конструкции сохранять несущие и (или) ограждающие функции в условиях пожара положенное количество времени.

Действующие государственные нормы – СНиП 21-01-97 «Пожарная безопасность зданий и сооружений», НПБ 244-97 «Материалы строительные. Декоративно-отделочные и облицовочные материалы. Матери-алы для покрытия полов. Кровельные, гидроизоляционные и теплоизоляционные материалы. Показатели пожарной опасности». В настоящих нормах приведены противопожарные требования, подлежащие обязательному соблюдению.

Для подтверждения соответствия композитной арматуры ООО «ПолиКомпозит» существующим нормам компания передала образцы продукции в аккредитованный лабораторный центр ООО «ПожСтандарт» для проведения необходимых испытаний. В соответствии с ГОСТ 30244-94, ГОСТ 30402-96 и ГОСТ 12.1.044-89 специалисты «ПожСтандарта» подтвердили соответствие композитной арматуры АСК требованиям пожарной безопасности НПБ 244-97 по СниП 21-01-97.

На основании проведенных испытаний ООО «ПолиКомпозит» выдан сертификат соответствия нормам пожарной безопасности, удостоверяющий возможность использования композитной арматуры в строи-тельных конструкциях без ограничений.

Утверждение № 8: «Невозможность скрепления полимерной арматуры методом сварки».

Это – факт, как и то, что жидкости нельзя резать, а квадратное – сложно катать». Но является ли это их не-достатком? Данное мнение в отношении композитной арматуры имеет налет ущербности в угоду традиции, ведь ее предшественницу – металлическую арматуру – десятилетиями именно сваривали, чтобы получать прочные пространственные конструкции. Композитную арматуру сваривать нельзя, но и не требуется. В статье «Вязка композитной арматуры» (ссылка) уже сообщалось о множестве других методов скрепления арматуры.

При этом именно сварка на сегодняшний день является самым проблемным способом крепления ввиду ослабления прочностных характеристик от температурных воздействий, ускоренной коррозии металла из-за нарушения его структуры в месте сварного соединения, необходимости держать на стройке сварочные аппараты с опытными сварщиками и невозможности безопасного выполнения работ при наличии атмосферных осадков.

Утверждение № 9: «Создавать гнутые элементы из композитной арматуры невозможно».

При создании объёмных арматурных каркасов для ответственных конструкций необходимо применять гнутые элементы. Традиционно строители на месте изгибают отрезки металлических стержней для придания им необходимой формы. Действительно, композитную арматуру нельзя качественно согнуть на строительном объекте. При этом есть, как минимум, два выхода: использовать смешанное армирование (стержни композитной арматуры скрепляются металлическими угловыми элементами. Данное армирование значительно упрощает и удешевляет строительство без снижения прочностных характеристик) или заказывать изготовление гнутых элементов производителю. Утверждение № 10: «Для применения композитной арматуры нормативная база недостаточна».

На сегодняшний день применение композитной арматуры в строительных объектах РФ предусмотрено ГОСТ и, соответственно, разрешено. Если расчеты нагрузки в проекте проходят проверку экспертизы, то никто не в праве запретить реализовать такой проект. А вот программ и готовых моделей расчета конструкций с применением не металлической, а композитной арматуры, на самом деле, нет или недостаточно, но тем интереснее задача для проектировщиков, смотрящих в будущее.

Утверждение № 10: «Для применения композитной арматуры нормативная база недостаточна».

На сегодняшний день качество арматуры, выполненной из композита, подтверждено ГОСТ, что позволяет ее применять в строительных объектах РФ. Имеются СНиПы. Таким образом, если расчеты нагрузки в проекте проходят проверку экспертизы, то никто не в праве запретить реализовать такой проект. А вот программ и готовых моделей расчета конструкций с применением не металлической, а композитной арматуры, на самом деле, пока недостаточно, но тем интереснее задача для проектировщиков, смотрящих в будущее.

Композитная арматура — Энциклопедия

Композитная арматура – изделие строительного назначения, представляющее собой  стержни из стеклянных или базальтовых волокон со спиральной или поперечной рельефностью, пропитанных химически стойким термореактивным или термопластичным полимером .

Арматура, изготовленная из стеклянных волокон, называется стеклопластиковой (АСП). Арматура, изготовленная на основе базальтового волокна, называется — базальтопластиковой (АБП).

Композитная арматура, исходя из своих физико-механических свойств, является не только альтернативой строительной арматуре из металла, но и вполне самостоятельным изделием, применение которого (в ряде направлений строительства) является обязательным и незаменимым.

На базе указанных видов композитной арматуры изготавливается и такое изделие строительного назначения, как – гибкие связи, используемые при возведении кирпичной кладки и для монтажа плит утепления зданий.

---

Классификация и виды композитной арматуры

Стеклопластиковая композитная арматура (АСП)

АСП – композитная арматура с продольным рифлением, изготавливаемая из стекловолокна, придающего необходимую прочность и жесткость и термореативных смол, выступающих в качестве связующего. Одним из основных преимуществ этого строительного материала являются легкий вес и высокая прочность.

Базальтопластиковая композитная арматура (АБП)

АБП – композитная арматура с продольным рифлением, изготавливаемая из базальтового волокна и термореактивных смол. Существенным отличием данного строительного материала от перечисленных выше – является высокая термо- и огнестойкость. Однако стоимость АБП в значительной степени превышает стоимость АСП.

---

Производство композитной арматуры

Производство композитной арматуры осуществляется методом пултрузии. Общий вид построения технологической линии для производства таких видов композитной арматуры как АСП и АБП выглядит следующим образом:

• 1 – ровинг;
• 2 – пропиточный ролик;
• 3 – ванна со связующим;
• 4 – ровинг, пропитанный связующим;
• 5, 6 – формующее и калибрующее устройства;
• 7 – тянущее устройство;
• 8 – отрезное устройство;
• 9 – готовое изделие.

---

Области применения композитной арматуры

1. Промышленно-гражданское строительство:
   • Жилые, общественные и промышленные здания;
   • Малоэтажное и коттеджное строительство;
   • Бетонные конструкции;
   • Слоистая кладка стен с гибкими связями;
   • Ремонт поверхностей железобетонных и кирпичных конструкций;
   • Работы в зимнее время, когда в кладочный раствор вводятся ускорители отверждения и противоморозные добавки, вызывающие коррозию стальной арматуры.
2. Дорожное строительство:
   • Сооружение насыпей;
   • Устройство покрытий;
   • Элементы дорог, которые подвергаются агрессивному воздействию противогололёдных реагентов;
   • Смешанные элементы дорог (типа «асфальтобетон-рельсы»).
3. Укрепление откосов дорог:
   • Монолитные конструкции;
   • Сборные конструкции.
4. Мосты:
   • Проезжая часть, ездовое полотно пролетных строений;
   • Опоры диванного типа;
   • Ремонт мостов.
5. Берегоукрепление:
   • Монолитные конструкции;
   • Сборные конструкции.

---

Характеристики композитной арматуры

Характеристики	Металлическая арматура класса А-III (А400С) ГОСТ 5781-82[1]	Неметаллическая композитная арматура (АСП — стеклопластиковая, АБП — базальтопластиковая) ГОСТ 31938-2012[2]
Материал	Сталь 35ГС, 25Г2С и др.	АСП — стеклянные волокна диаметром 13-16 микрон связанные полимером; АБП — базальтовые волокна диаметром 10-16 микрон связанные полимером
Вес	По строительным нормам	Легче металлической арматуры
Временное сопротивление при растяжении, МПа	360	1200 (АСП1300 – АБП)
Модуль упругости, МПа	200000	55000 (АСП71000-АБП)
Относительное удлинение, %	25	2,2 (АСП и АБП)
Характер поведения под нагрузкой (зависимость «напряжение-деформация»)	Кривая линия с площадкой текучести под нагрузкой	Прямая линия с упруголинейной зависимостью под нагрузкой до разрушения
Коэффициент линейного расширения αх*10-5/°C	13-15	9-12
Плотность, т/м³	7	1,9 (АСП и АБП)
Коррозионная стойкость к агрессивным средам	Корродирует с выделением продуктов ржавчины	Нержавеющий материал первой группы химической стойкости, в том числе к щелочной среде бетона
Теплопроводность	Теплопроводна	Нетеплопроводна
Электропроводность	Электропроводна	Неэлектропроводна — диэлектрик
Выпускаемые профили	6-80	3,5-12 в перспективе до 20
Длина	Стержни длиной 6-12 м	Любая длина по требованию заказчика
Экологичность	Экологична	Имеется санитарно-эпидемиологическое заключение, не выделяет вредных и токсичных веществ
Долговечность	По строительным нормам	Прогнозируемая долговечность не менее 80 лет
Замена арматуры по физико-механическим свойствам	·         5Вр-1 проволока·         6А-III·         8А-III·         10А-III·         12А-III·         14А-III·         16А-III	·         АСП-4, АБП-4 ·         АСП-6, АБП-6 ·         АСП-8, АБП-8 ·         АСП-8, АБП-8 ·         АСП-10, АБП-10 ·         АСП-12, АБП-12
Экономика	Зависит от конъюнктуры рынка	АСП – Превышает цену металлической арматуры в 3-5 разАБП – Значительно превышает цену металлической арматуры

---

Стоит ли доверять композитной арматуре

Композитная арматура – сравнительно молодой в строительстве материал, который, несмотря на свой возраст, успел себя положительно зарекомендовать среди сообщества строителей, и прочно обосноваться на стройплощадке, потеснив стальную арматуру. Это – материал, состоящий из нескольких компонентов. Точнее, основных компонентов два:

1. Волокна, которые несут основную нагрузку, и непрерывно тянутся по всей длине арматурного стержня. Объем волокон должен быть не менее 75% от массы арматуры.
2. Связующее на основе термореактивных смол, благодаря которому компоненты соединяются в единое целое.

Диаметр арматуры, согласно нормативному документу ГОСТ 31938-2012, устанавливается и используется следующий: 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 22, 25, 28 и 32 мм. Из них диаметры от 4 до 8 производятся и продаются в скрученном виде (мотках, барабанах), что облегчает транспортировку. Остальные диаметры производятся и продаются в прутках со стандартной длиной 6 – 12 метров.

Состав композитной арматуры бывает различный, и, в зависимости от компонентов, меняются свойства и себестоимость готового продукта.

Какая бывает композитная арматура

Классификация композитной арматуры в соответствии с составом волокон, несущих основную нагрузку, следующая:

• стеклопластиковая,
• базальтокомпозитная;
• углекомпозитная,
• арамидокомпозитная
• комбинированная композитная арматура.

В последнем варианте разные волокна комбинируются в необходимой пропорции. Оптимальный вариант по себестоимости и свойствам – стеклопластиковая арматура, которая и получила наибольшее распространение.

На наружную оболочку композитной арматуры следует обратить особое внимание. Арматура (и композитная, и стальная) должна как можно плотнее сцепляться с бетоном, который она армирует, и эту задачу решает именно наружная поверхность. У разных производителей оболочка выполнена по-разному; например, где-то – это выступы волокон определённой формы, где-то – песок крупной фракции, и т.д.

Как правильно укладывать композитную арматуру

Перед заливкой бетонного элемента композитная арматура укладывается и вяжется в виде пространственного жесткого каркаса. Если вы покупали материал в бухте, её необходимо размотать, разрезать на нужные отрезки, и дать ей распрямиться, отлежаться, вернуть свою форму.

Далее, мы определяем необходимую для нашего бетонного изделия форму каркаса (или прибегая к помощи квалифицированных специалистов, или ищем информацию в интернете, и на свой страх и риск сами проектируем каркас). К сожалению, каждое изделие индивидуально, и в каждом конкретном случае правильный путь – это работа инженера-проектировщика, который в составе проекта дома, опираясь на расчетные данные проекта дома, предоставит дополнительно формы и размеры каркасов для армирования, а также диаметр арматуры и другие данные.

В местах пересечения прутков их необходимо зафиксировать. Фиксация выполняется либо при помощи специальных кляймеров (это идеальный вариант), либо при помощи пластиковых хомутов, если нет специализированного крепежа. Угловые пересечения прутков могут быть выполнены либо в металле (комбинируем композитный каркас и стальную арматуру), либо могут быть изготовлены на заводе-производителе цельнолитым элементом.

Так, как композитный каркас имеет малую жесткость и меняет свои размеры от малейших наружных воздействий, его необходимо закрепить. Идеальным решением будет применение стальных элементов каркаса, которые увеличат жесткость и позволят композитным пруткам не сдвинуться с места при заливке бетоном.

Что лучше: композитная или стальная арматура?

Поскольку до композитной арматуры свойства бетона улучшали исключительно стальной арматурой, и композитная арматура является прямым конкурентом стальной, повсеместно принято сравнивать два вида арматуры. Сравним и мы.

Итак, плюсы композитной арматуры:

1. Вес. Композитная арматура весит меньше в несколько раз.
2. Форм-фактор. Композитная арматура малых диаметров продается в скрученном виде, в бухтах. Это позволяют транспортировать её на личном автомобиле.
3. Коррозия на стеклопластиковую арматуру не распространяет свое действие, в отличие от стальной арматуры. Вследствие этого, более долгая служба.
4. Не проводит электричество. Не создает препятствий для радиосигналов, для сигналов мобильных телефонов.
5. Более устойчива к воздействию отрицательных температур. Сталь при низких температурах становится более хрупкой, композитная арматура сохраняет свои свойства.
6. Теплопроводность небольшая, вследствие этого дом, армированный композитной арматурой, в холодное время года лучше сохраняет тепло.
7. Экологична. Не наносит вред природе при разложении.

Минусы композитной арматуры:

1. Не пластична. Арматуру в условиях строительства часто необходимо гнуть, с последующим сохранением формы. Стальная арматура гнется и фиксируется в согнутом положении, а вот стеклопластиковая, к сожалению, нет. После того, как термореактивная смола-связующее затвердеет, изменить её форму уже нельзя, можно только сломать. Но выход есть, и даже не один: можно заказать на заводе арматуру какой угодно формы или комбинировать стальную и композитную арматуру.
2. Не сваривается. К сожалению, сварка композитной арматуры невозможна. Но есть решение. Если есть такая необходимость, можно использовать композитную арматуру, оканчивающуюся металлическими прутками. Соединение композитной арматуры и металлического прутка выполняется на производстве.
3. Не стойка к тепловому разрушению. Держит температуру до 150-160 градусов по цельсию. То есть, при пожаре бетон, армированный стальной арматурой, при разрушении повиснет на прутках стали, а вот бетон с композитной арматурой после нагрева более 150 градусов, просто упадет.
4. Высокая вредность при резке. При обработке образуются мельчайшие острые частицы, загрязняющие рабочее пространство, угрожающие дыхательным путям, органам зрения.
5. Не жесткая. Модуль упругости композитной арматуры меньше аналогичного у стальной в 4 раза. То есть, для того, чтобы армированный композитной арматурой бетон работал на растяжение так же, как армированный стальной арматурой, нужно увеличить диаметр композитной арматуры. Пример: диаметр стальной арматуры 12 мм, диаметр композитной арматуры должен быть 24 мм. То есть, это не выгодно экономически, и для перекрытий лучше брать стальную арматуру.

Вывод: Композитная арматура имеет как плюсы, так и минусы. Поэтому, в каждом конкретном случае нужно тщательно взвесить все качества стальной и композитной арматуры, и выбрать для себя нужный вариант в соответствии с конкретной ситуацией.

Два главных мифа о композитной арматуре.

Прежде, чем приобрести композитную арматуру, любой покупатель пожелает узнать особенности ее применения, положительные и отрицательные стороны, и главный источник информации — интернет. Но понять, какая информация достоверна, не всегда удается. Попробуем дать ответ на наиболее сложные вопросы и развеять устоявшиеся мифы:

Миф первый: Арматура из композита – «резиновая». Подразумевается, что у композитной арматуры модуль упругости ниже, чем у стальной. Так ли это?

Модуль упругости:

Чтобы растянуть образец на заданное некоторое расстояние, необходимо приложить определенное усилие – это и есть модуль упругости. У композитной арматуры он составляет 45000 Мпа, у металлической – 200 000 Мпа. Значит арматуру из композита в 4 раза легче «растянуть». Однако проведенные исследования доказали, то у стальных материалов величина модуля упругости не постоянна и резко снижается при усилении нагрузки из-за появления пластических деформаций. Главная задача арматуры в бетоне – работа на растяжение и разрыв. У самого бетона модуль упругости имеет колебания в пределах от 20000 до 30000 Мпа, в зависимости от марки, но резиновым его назвать сложно.

Учитывая свойства материала, необходимо учитывать полный комплекс его характеристик, который включает относительное удлинение на разрыв, временное сопротивление разрыву, предел текучести, равномерное удлинение.

Конструкция из железобетона при нагрузке ведет себя следующим образом: После небольшого растяжения в бетоне появляются микротрещины, после чего металлическая арматура препятствует окончательному его растрескиванию. Микротрещины в нагружаемой конструкции явление обычное, так как даже при минимальной нагрузке предотвратить их появление невозможно. От модуля упругости арматуры зависит размер этих трещин, чем он меньше, тем сильнее бетон «провиснет». Чтобы вся конструкция не обрушилась, в действие вступает предел прочности. Чем выше этот предел, тем более сильную нагрузку выдержит бетон. У самого бетона предел прочности при растяжении в 8-20 раз ниже прочности при сжатии. Маркировка В25 означает, что данный класс материала способен выдержать давление на сжатие 25Мпа, а на растяжение всего 1-4 Мпа. У стали этот показатель равен 400 Мпа, а у композитной арматуры 1200 Мпа. Данная характеристика показывает, что конструкция с композитной арматурой способна выдержать в 3 раза большую нагрузку, чем с металлической. Но при этом она в 4 раза сильнее провиснет. Размер микротрещин при одинаковой нагрузке в бетоне с металлической арматурой будет в 4 раза меньше.

Деформация растяжения:

Использование стальной арматуры регулируется ГОСТами и СНиПами, так как со временем она подвергается коррозии, теряет свойства, что может привести к обрушению конструкции. Арматура из композита не ржавеет и разрушение ей не грозит. Однако появление трещин в бетоне не является только следствием коррозии. При усилии на разрыв деформация стеклопластика составляет до 2,8%, а металла 25%.

В СП52-101-2003 указано, что армированные бетонные конструкции дают трещины при деформации растяжения 0,015%, т.е. задолго до предела прочности арматуры, независимо от ее материала (композита или стали).

Если возникло желание заменить металлическую арматуру на композитную в перекрытиях или несущих стенах, необходимо произвести перерасчет проектно-технической документации, что позволит избежать появления крупных трещин. Перерасчет производится для конструкций, подвергающихся максимальным нагрузкам. В местах, где предполагается минимальная нагрузка, допускается замена металлической арматуры на композитную с меньшим диаметром. СНиП позволяет не производить перерасчет раскрытия трещин, не предусмотренных конструкцией. Поэтому элементы конструкции, не подверженные сильной нагрузке, можно смело выполнять с применением стеклопластиковой арматуры.

Миф второй. Равнопрочная или равнозначная замены? В чем разница?

Не следует путать равнопрочную и равнозначную замены. Если образец не уступает по прочности исходную конструкцию, то говорят о равнопрочной замене. В данном случае под прочностью подразумевается «предел прочности», максимальное механическое напряжение, после которого наступает разрушение материала. В ГОСТе 1497-84 под прочностью понимается «временное сопротивление разрушения», напряжение, которое соответствует максимальному усилию перед разрывом образца при испытаниях.

Если произвести замеры двух образцов из металла и композитного материала, получим следующие показатели: прочность на разрыв у композита диаметром 10 мм составит 63000 Мпа, а у стали диаметром 14 мм 60 000 Мпа. Это показывает, что данная замена не является равнопрочной, так как арматура из композита прочнее на 5%. Отсюда вывод, что при равнопрочной замене металлическую арматуру диаметром 14 мм можно смело заменить на композитную с диаметром 10мм.

Что же такое равнозначная замена? При такой замене физические характеристики образцов должны быть идентичны. Если у стеклопластиковой арматуры модуль упругости в 4 раза меньше, чем у металлической, то для замены ее необходимо брать в 4 раза больше. Способность твердого тела деформироваться при приложении к нему усилия называют модулем упругости. Этот термин включает в себя несколько физических величин. Рассчитаем диаметры материалов при равнозначной замене. Если композитного материала необходимо в 4 раза больше, то используя формулу площади круга получаем, что для замены металлической арматуры диаметром 10 мм требуется стеклопластик диаметром 20 мм.

Полученные расчеты необходимо учесть до начала строительства или составления проекта, и четко понимать разницу между равнозначной и равнопрочной заменой.

В конструкциях, где прогиб арматуры не имеет особого значения, целесообразно использовать более прочные композитные материалы. В плитах перекрытия или несущих стенах требуется использование металлической арматуры с высоким модулем упругости или производить перерасчет при использовании стеклопластика.

Композитная арматура: виды, химический состав, свойства

Композитная арматура из полимерных материалов – материал, предназначенный для замены металлических аналогов в местах с высокой вероятностью воздействия агрессивных сред. Полимерные изделия эффективны во влажных средах, особенно в местах контакта с морской водой.

Виды композитной арматуры в зависимости от исходного материала

Эта продукция состоит из волокон различного происхождения и полимерной связующей пропитки. Для производства этих изделий используется несколько видов сырья, состав которого определяет свойства материала:

• стекловолокно – стекловолоконная арматура АСК с поперечным рифлением;
• арамидное волокно – изделия ААК;
• базальтовое волокно, образуемое из расплава диабаза или базальта – базальтопластиковая арматура АБК с продольным рифлением;
• углеводородное волокно – углекомпозитная арматура (АУК), на сегодняшний день используется мало.

 

Поверхность стержней может быть двух типов:

• периодической – стержень обматывается полимерным канатом, изделие покрывается прозрачной термореактивной смолой, такая форма обеспечивает прекрасное сцепление с бетонной смесью;
• условно-гладкой, покрытой мелкофракционным кварцевым песком.

Примерный состав композитной полимерной арматуры и базовые механические свойства стеклопластиковых изделий регламентируются ГОСТом 31938-2012. Производители самостоятельно подбирают точную рецептуру, а проектировщики делают расчеты в соответствии с их рекомендациями.

Особенности использования полимерной арматуры

Использование металлических усиливающих элементов – классическая строительная технология, для которой характерен ряд серьезных недостатков.

• Большой удельный вес металлических элементов в железобетоне требует сооружения массивного усиленного фундамента. Удельный вес полимерной арматуры примерно в 7-8 раз ниже аналогичного показателя стальных изделий.
• Коррозия стального арматурного каркаса ослабляет прочность сооружений. Пластиковая арматура коррозии не подвержена, проявляет хорошую стойкость к морской воде, аммиачным растворам, соляной, серной и другим кислотам.
• Полимерная продукция устойчива к воздействию низких температур.
• Высокая электропроводность стали – нежелательный фактор при эксплуатации некоторых типов сооружений, например, в которых расположены приборы, чувствительные к электромагнитному влиянию. Полимеры – диэлектрики, магнито- и радиопрозрачны.
• Дополнительный плюс – возможность сматывать изделия в бухты с последующим возвращением в исходное состояние. Изделия могут иметь любую длину, у металлической продукции ограничение – 12 м.

 

Минусы использования полимерной арматуры

• Существенный недостаток – потеря рабочих характеристик при температурах, начиная с +120°C.
• Для соединения неметаллической арматуры нельзя применять сварку, а только пластиковые хомуты или вязальную проволоку.
• Из композитных стержней нельзя сформировать углы конструкций и криволинейные области.
• Неметаллическая арматура не пригодна для связи с колоннами, для этих целей может использоваться только металлопрокат.
• Ограниченное применение в плитах перекрытий.

Области применения неметаллических усиливающих элементов

Композитная арматура востребована:

• при создании бетонных конструкций в строительстве жилых, общественных и промышленных объектов;
• для проведения ремонтных и реставрационных работ;
• для осуществления кирпичной кладки с гибкой связью;
• при устройстве наливных полов;
• в строительстве дорог для усиления покрытий и укрепления откосов;
• для создания конструкций, препятствующих размыву берегов;
• возможно применение в ленточных фундаментах нетяжелых строений, возводимых на прочных грунтах.

виды, характеристики, плюсы и минусы, область применение в строительстве.

Сравнительно недавно металлическая арматура была не просто самой распространенной – она была единственным в своем роде материалом. Неудивительно, что все армирование бетона выполнялось с её помощью. Но сегодня рынок насыщен многочисленными аналогами, большинство из которых превосходит металлические пруты по ряду параметров. Одним из них является арматура композитная, так же известная как пластиковая. Рассмотрим подробно, что она собой представляет.

Что такое композитная арматура?

Внешне она похожа на классические металлические пруты, но основным материалом при её изготовлении являются волокна из углерода, базальта, стекла или арамида. Они скрепляются воедино специальными термопластичными или термореактивными полимерами, придающими им высокую прочность и долговечность.

Неметаллическая арматура может иметь на поверхности специальные ребра, что повышает качество сцепления с бетоном при армировании. В некоторых случаях поверхность просто густо посыпается песком. Прилипая к ещё не застывшему полимеру, он также улучшает сцепление, но благодаря простоте изготовления стоимость материала значительно ниже.

Кроме того, в продаже имеется гладкая пластиковая арматура. Она имеет сравнительно невысокую цену, но малое сцепление существенно ограничивает сферу применения. Её не используют в качестве основной рабочей арматуры – только как вспомогательную. При армировании крупных массивов бетона (фундамент, толстые стены) пруты не укладываются на основание, а собираются в каркас. Основные пруты, которые будут улучшать качества бетона, имеют ребра. А гладкие применяется именно для сборки каркаса – на них приходится минимальная нагрузка. Поэтому возможно использование более простого материала для снижения затрат на строительство.

Где она применяется?

Применение композитной арматуры стремительно набирает популярность. Она используется при возведении различных объектов:

• малоэтажные здания;
• монолитное строительство с легкими и тяжелыми бетонами;
• дорожные полотна, основание железных дорог;
• железобетонные плиты перекрытия;
• мосты;
• путепроводы.

Кроме того, высокое качество продукции приводит к тому, что арматура из пластика часто применяется при изготовлении бетонных изделий, как с предварительным напряжением, так и без него. Опоры для линий электропередач, осветительные опоры, поребрики, заборные плиты, шпалы для железных дорог – это далеко не полный список железобетонной продукции, при изготовлении которое используется арматура неметаллическая композитная.

Виды арматуры

Теперь расскажем поподробнее из каких материалов изготавливается неметаллическая композитная арматура. Наиболее распространенными на сегодняшний день являются следующие разновидности:

• АСП или стеклопластиковая. Изготавливается из стекловолокна, пропитанного термореактивной смолой, выполняющей функцию связующего материала. Главным достоинством является малый вес и высокая прочность;
• АУП или углепластиковая. Основным материалом при их изготовлении выступают углеводородные волокна. Обладая высокой прочностью, эта она имеет определенные недостатки. Главным из них является высокая цена. Именно из-за неё она не получила широкого распространения;
• АБП или базальтопластиковая. Создается из базальтового волокна и органических смол. Имеет меньшую прочность, чем стеклопластиковая, зато может применяться в агрессивных средах – солях, газах, щелочах и кислотах, что делает её весьма востребованным строительным материалом;
• АКК или комбинированная. Как понятно из названия, эта пластиковая арматура изготавливается из волокон разного типа – а конкретно из базальтопластиковых и стеклопластиковых. Является компромиссом между чистыми видами, частично сохраняя их достоинства.

Разумеется, все рассмотренные материалы в полной мере подходят под ГОСТ 31938-2012, регулирующий все характеристики нового материала. Благодаря такому многообразию использование композитной арматуры становится всё более широким. Для возведения любого объекта может быть подобран вариант, подходящий по стоимости, прочности и другим характеристикам.

Также в некоторых случаях можно увидеть пруты разного цвета. Некоторые продавцы утверждают, что цвет влияет на прочность, химическую стойкость и другие параметры. На самом деле это не более, чем рекламный ход. Красящий пигмент никак не влияет на важные технические характеристики материала – не улучшает и не ухудшает его. Главное назначение – придание внешнего вида (опять же рекламный ход, заставляющий потенциального покупателя обратить внимание на конкретную продукцию) и упрощение визуального распознавания прутов разной толщины.

Композитная арматура какого диаметра существует?

Как в случае с металлической, диаметр композитной арматуры может быть различным. Наиболее востребованы материалы диаметром от 4 до 32 миллиметров – они полностью удовлетворяют требованиям строителей как при заливке фундамента для бани или гаража, так и при строительстве многоэтажного монолитного дома.

Однако некоторые покупатели, не слишком хорошо разбирающиеся в торговле, удивляются, что при собственноручном замере диаметр не соответствует тому, что был заявлен в магазине. Здесь нет ничего удивительного. Во-первых, погрешность в несколько всегда может иметь место – даже при замере одного прута в разных точках. Но это практически не влияет на прочность материала, поэтому ГОСТ предусматривает такие перепады. Во-вторых, изучая характеристики композитной арматуры, вы читаете про номинальный диаметр. Также существует внешний (при проведении замеров по выступающим ребрам) и внутренний (при замере по самому стержню). Номинальный же, который присваивается материалу, является средним арифметическим между внешним и внутренним.

Также при строительстве нередко используют сетку из композитной арматуры. Тонкие волокна и высокая гибкость значительно упрощают процесс выравнивая потолков и стен (если накладываемый слой штукатурки имеет толщину 1.5-2.5 сантиметра и более), а также прекрасно подходят для армирования бетонной стяжки.

Когда с этим разобрались, будет полезно рассказать о плюсах и минусах композитной арматуры, чтобы каждый потенциальный покупатель решил – подходит ему этот материал или же лучше поискать другой.

Основные достоинства

Для начала расскажем про преимущества композитной арматуры, позволившие ей стать настолько популярным строительным материалом:

1. Высокая прочность – по некоторым данным строительная полимерная арматура из стеклопластика в 10 раз прочнее, чем такая же по диаметру металлическая.
2. Экологическая чистота. Материал не вредит окружающей среде, не выделяет даже при длительной эксплуатации и контакте с открытым огнем токсичные вещества.
3. Низкий коэффициент теплопроводности снижает теплопотери здания.
4. Устойчивость перед коррозией – даже если при работе материал напрямую контактирует с водой, газом или агрессивной средой, он способен прослужить многие годы, не снижая изначальных эксплуатационных характеристик.

Кроме прекрасных строительных свойств использование композитной арматуры в строительстве оправдано по причине удобства рабочих. Она обладает большей гибкостью, чем металлическая, но при этом, как уже говорилось, имеет высокую прочность. Благодаря таким качествам создание каркаса становится значительно более легким и простым. Для обеспечения высокой надежности угловых соединений теперь не обязательно использовать специальные станки, чтобы сгибать арматуру.

Также в положительные свойства композитной арматуры можно вписать коэффициент температурного расширения близкий с бетоном. Если армированный бетон нагревается или охлаждается, то он не разрушается, так как пластиковая арматура расширяется и сужается вместе с ним.

Имеет ли материал недостатки?

Каждый строительный материал имеет определенные недостатки. Поэтому знать про минусы композитной арматуры не менее важно, чем про достоинства. Перечислим основные из них:

1. Малая упругость. Как показывают испытания, пластиковая арматура имеет упругость примерно в 4 раза ниже, чем у такой же по диаметру металлической. Поэтому при армировании крупных объемов бетона нужно использовать в 4 раза больше арматуры, что весьма не дешево.
2. Опасность резки. Если металлический прут можно разрезать или распилить без лишних проблем, то когда распиливается неметаллическая арматура в воздух попадает большое количество микроскопических частиц стекловолокна. При попадании в дыхательные пути или глаза они могут стать причиной множественных микротравм.
3. Низкая пластичность. Материал практически лишен пластичности. Поэтому, чтобы согнуть прут, необходимо нагреть его до нужной температуры. Очень важно не превысить отметку в 300 градусов по Цельсию – это приведет к потере несущих свойств.

Как видите, пластиковая арматура имеет как важные преимущества, так и серьезные недостатки. Серьёзно подумайте, прежде чем окончательно определиться с выбором подходящей арматуры для строительства.

Теперь вы знаете, что такое композитная арматура, а также разбираетесь в её плюсах и минусах. Это позволит легко сделать правильный выбор, о котором не придется сожалеть впоследствии. К тому же, разбираясь в основных свойствах материала, можно легко решить, в каких случаях он станет лучшим выбором, а когда желательно отдать предпочтение другим аналогам.

Армированный композит

— обзор

2.4.7 Применение арамида

Композиты, армированные арамидным волокном, имеют низкую плотность, высокую особую прочность и удельный модуль упругости, хорошие усталостные свойства при растяжении, хорошую ударную вязкость, но низкую прочность на сжатие и прочность на межслойный сдвиг, а также сложность в процессе резки. Применения арамида и его композитов представлены ниже.

(1) Аэрокосмическая отрасль. В авиации он в основном используется для различных обтекателей, передних крыльев, закрылков, руля направления, наконечника стабилизатора, хвостового конуса, системы аварийного вывоза, оконной рамы, потолка, переборки, пола, двери, багажника, сидений и т. Д.Использование арамидных композитов позволяет снизить вес на 30% по сравнению с композитными материалами из стекловолокна. Для уменьшения веса и повышения экономической эффективности, как правило, арамидные композиты широко используются в коммерческих самолетах и ​​вертолетах. Например, общий объем арамидных композитов, используемых на самолете Samsung L-1011, составляет 1135 кг, а вес самолета уменьшается на 365 кг. Объем арамидных композитов на внешней поверхности коммерческих вертолетов С-16 достигает 50%. На смеси арамида с CF изготовлены легкие композитные компоненты самолетов Boeing 767 и 777.Арамидно-ламинированный гибридный армированный алюминий (ARALL) как новый вид авиационного конструкционного материала успешно применяется в самолетах. В космосе он в основном используется для изготовления корпусов твердотопливных двигателей и сосудов под давлением, кабины космических кораблей, контейнеров с кислородом, азотом и гелием, вентиляционных каналов и т. Д.

(2) Области, связанные с электричеством и электроникой. Мы используем термостойкую эпоксидную смолу для пропитки нетканого арамидного полотна для изготовления высококачественной печатной платы.

(3) Сфера гражданского строительства.Поскольку арамид обладает легким весом, высокой прочностью, устойчивостью к коррозии, немагнитными, непроводящими свойствами и т. Д., Он широко используется в области гражданского строительства. Типичные области применения включают бетон, армированный коротким волокном из арамида, материалы из армированной арамидом смолы для замены стального стержня, навесной стены, армированного моста и т. Д.

(4) Арамидные композиты, используемые в судостроительной промышленности, эффект легкости лучше, чем армированный стекловолокном пластик и алюминий, корпус может снизить вес на 28-40%.Экономия топлива на 35% и увеличение навигационного маршрута на 35%.

(5) В спорте он успешно используется для изготовления многих видов спортивного оборудования, таких как смесь арамида с деревом в хоккейной клюшке, смесь арамида с углеродным волокном в клюшке для гольфа, теннисная ракетка, копье, лук, удочка. и лыжи. В смешанной структуре арамид улучшает прочность на разрыв, ударные и экономические свойства композитов.

(6) Изготовление баллона со сжатым природным газом и дыхательного аппарата для дайвинга и т. Д.

(7) Для защитных материалов, таких как танк, бронетранспортер, самолет, защитная пластина лодки, шлем, бронежилеты и т. Д.

(8) Арамид обладает такими характеристиками, как высокая прочность, малый вес, стабильность размера и т. Д., Поэтому его также можно использовать для покрытия ткани. Он особенно подходит для покрытия строительных конструкций, поддерживаемых воздухом и надувными тканевыми покрытиями, такими как резиновая лодка, спасательный плот, надувной мост, дирижабль, воздушный шар, специальная одежда и баллон с авиационным топливом и т. Д.

Руководство по композитным материалам: Армирование — NetComposites

Роль армирования в композитном материале заключается в улучшении механических свойств чистой полимерной системы.Все различные волокна, используемые в композитах, имеют разные свойства и поэтому по-разному влияют на свойства композитов. Свойства и характеристики обычных волокон описаны ниже.

Однако отдельные волокна или пучки волокон могут использоваться только сами по себе в некоторых процессах, таких как намотка волокон (описанных ниже). Для большинства других применений волокна должны быть скомпонованы в лист какой-либо формы, известный как ткань, чтобы можно было манипулировать им. Различные способы сборки волокон в листы и разнообразие возможных ориентаций волокон приводят к тому, что существует множество различных типов тканей, каждый из которых имеет свои особенности.Эти различные типы тканей и конструкции будут объяснены позже.

Опубликовано любезно Дэвидом Криппсом, Gurit

http://www.gurit.com

---

Ткань для тесьмы

Эти ткани обеспечивают сверхлегкое усиление ткани для композитных материалов.

Узнать больше

Свойства волокна

Охватывает механические свойства армирующих волокон.

Узнать больше

Свойства ламината

Охватывает механические свойства волокон с точки зрения прочности и жесткости.

Узнать больше

Ударный ламинат

Обращает внимание на проблемы, вызванные ударным повреждением.

Узнать больше

Стоимость волокна

Графическая информация о стоимости различных типов волокон.

Узнать больше

Стекловолокно

Объясняет, как формируется стекловолокно и какие варианты доступны.

Узнать больше

Арамидное волокно

Объясняет, как производится арамид, и его различные торговые наименования.

Узнать больше

Углеродное волокно

Объясняет производственные процессы, связанные с изготовлением углеродного волокна.

Узнать больше

Сравнение волокон

Обозначает преимущества и недостатки типов волокон.

Узнать больше

Прочие волокна

Охватывает несколько других широко используемых типов волокон.

Узнать больше

Волокнистая отделка

Объясняет различные виды обработки поверхности волокон.

Узнать больше

Калибровочная химия

Обзор химического состава проклейки по сравнению с матрицей, подлежащей усилению.

Узнать больше

Типы тканей

Объясняет типы волокна, категории ориентации волокна и методы построения.

Узнать больше

Ткани

Объясняет обычно используемые типы переплетений.

Узнать больше

Гибридные ткани

Объясняет, что подразумевается под термином «гибридная ткань».

Узнать больше

Мультиаксиальные ткани

Объясняет основные характеристики многоосных тканей.

Узнать больше

Прочие ткани

Покрывает циновку из рубленых прядей, салфетки и тесьму.

Узнать больше

Поделиться статьей

Твиттер Facebook LinkedIn Электронная почта

---

Перейти к основным материалам Вернуться к покрытиям

Что такое армирование и матрица в композитах?

Слово «составной» означает «состоящий из двух или более отдельных частей». Таким образом, материал, имеющий два или более различных составляющих материала или фаз, может считаться композитным материалом .Армирование и матрица — две фазы композитного материала.

Однако мы признаем материалы как композиты только тогда, когда составляющие фазы не растворяются друг в друге и имеют существенно разные физические свойства, и, таким образом, свойства композита заметно отличаются от составляющих свойств.

Материал считается композитным материалом, когда

1. Комбинация материалов должна приводить к значительным изменениям свойств
2. Содержание компонентов обычно превышает 10%
3. В целом свойство одного компонента намного больше (≥ 5), чем другой компонент

Один компонент называется усиливающей фазой , а тот, в который он встроен, называется матрицей . Материал армирующей фазы может быть в форме волокон, частиц или хлопьев. Материалы матричной фазы обычно непрерывны.

Армирование в композитах

Армирование может быть волокнами, частицами ткани или усами. эти арматуры в основном используются для повышения механических свойств композитных материалов.

Основное назначение армирования —

• Обеспечение превосходных уровней прочности и жесткости композита.
• Армирующие материалы (графит, стекло, SiC, оксид алюминия) могут также обеспечивать тепловую и электрическую проводимость, контролируемое тепловое расширение и износостойкость в дополнение к структурным свойствам.
• Наиболее широко используемая форма армирования в высокоэффективных композитах — это жгуты волокон (раскрученный пучок непрерывных волокон).
• Волоконно-мононити используются в PMC, MMC и CMC; они состоят из одного волокна с диаметром, как правило, ≥100 мкм.
• В MMC частицы и рубленые волокна являются наиболее часто используемой морфологией армирования, и они также применяются в PMC.
• Усы и тромбоциты в меньшей степени используются в ЧВК и ММС.

Матричный материал в композитах

Матричный материал представляет собой однородный и монолитный материал, в который встроена армирующая система из композита, полностью сплошная.

Основное назначение матрицы —

• связывать арматуру вместе благодаря ее когезионным и адгезионным характеристикам.
• Для передачи нагрузки на арматуру и между арматурой матрица позволяет использовать ее в полной мере, обеспечивая эффективную передачу нагрузки от внешних сил на арматуру.
• Матрица обеспечивает жизненно важный неупругий отклик, так что концентрации напряжений резко снижаются, а внутренние напряжения перераспределяются из-за сломанной арматуры.
• Для защиты арматуры от воздействия окружающей среды и обращения с ней.
• Матрица также обеспечивает твердую форму композиту, что упрощает обработку во время производства и обычно требуется в готовой детали.
• В качестве непрерывной фазы матрица, таким образом, контролирует поперечные свойства, межслойную прочность и прочность композита при повышенных температурах.
• Поскольку арматура обычно более прочная и жесткая, матрица часто является «слабым звеном» в композите с точки зрения конструкции.

Заключение

Мы обсудили основное назначение арматуры и матрицы в композитных материалах. Если у вас все еще есть какие-либо мысли по этой теме, дайте нам знать в разделе комментариев ниже.

Армирование — композитные материалы | CompositesLab

Многие материалы могут армировать полимеры.Некоторые материалы, такие как целлюлоза в древесине, являются продуктами природного происхождения. Однако большая часть коммерческого подкрепления создается руками человека. Существует множество имеющихся в продаже форм армирования, отвечающих требованиям пользователя к конструкции. Возможность адаптировать архитектуру волокна позволяет оптимизировать производительность продукта, что приводит к снижению веса и затрат.

Хотя многие виды волокон используются в качестве армирующих в многослойных композитных материалах, на стекловолокно приходится более 90 процентов волокон, используемых в армированных пластмассах, поскольку их производство недорогое и они имеют относительно хорошие характеристики прочности и веса.

• Стекловолокно: На основе алюмооксидно-известково-боросиликатной композиции волокна, произведенные из стекла «E» или «E-CR», считаются преобладающими армирующими элементами для композитов с полимерной матрицей из-за их высоких электроизоляционных свойств, низкой восприимчивости к влажность и высокие механические свойства. Стекло E-CR также отличается от стекла E своей превосходной стойкостью к коррозии. Другие коммерческие композиции включают стекло S с более высокой прочностью, термостойкостью и модулем, H-стекло с более высоким модулем и стекло AR (стойкое к щелочам) с превосходной коррозионной стойкостью.Стекло, как правило, является хорошим ударопрочным волокном, но весит больше, чем углерод или арамид. Стекловолокно имеет отличные механические характеристики, в некоторых формах оно прочнее стали. Более низкий модуль упругости требует специальной обработки, когда жесткость имеет решающее значение. Стекловолокно прозрачно для радиочастотного излучения и используется в радиолокационных антеннах.
• Углеродные волокна: Углеродные волокна изготавливаются из органических предшественников, включая PAN (полиакрилонитрил), вискозу и смолы, причем последние два обычно используются для низкомодульных волокон.Термины «углеродные» и «графитовые» волокна обычно используются взаимозаменяемо, хотя графит технически относится к волокнам, которые содержат более 99 процентов углерода по сравнению с 93-95 процентами для углеродных волокон на основе ПАН. Углеродное волокно обеспечивает самую высокую прочность и жесткость из всех армирующих волокон. Высокотемпературные характеристики особенно хороши для углеродных волокон. Основным недостатком волокон на основе ПАН является их высокая относительная стоимость, которая является результатом стоимости основного материала и энергоемкого производственного процесса.Композиты из углеродного волокна более хрупкие, чем стекло или арамид. Углеродные волокна могут вызвать гальваническую коррозию при использовании рядом с металлами. Для предотвращения этого используется барьерный материал, такой как стекло и смола.
• Арамидные волокна (полиарамиды): Наиболее распространенным синтетическим волокном является арамид. Арамидное волокно — это ароматический полиимид, который представляет собой искусственное органическое волокно для армирования композитов. Арамидные волокна обладают хорошими механическими свойствами при низкой плотности с дополнительным преимуществом в виде прочности или устойчивости к повреждениям / ударам.Они характеризуются достаточно высокой прочностью на разрыв, средним модулем упругости и очень низкой плотностью по сравнению со стеклом и углеродом. Арамидные волокна являются изоляторами электричества и тепла и повышают ударопрочность композитов. Они устойчивы к воздействию органических растворителей, горюче-смазочных материалов. Композиты из арамида не так хороши по прочности на сжатие, как композиты из стекла или углерода. Сухие арамидные волокна прочны и используются в качестве тросов или канатов и часто используются в баллистических приложениях.Кевлар®, пожалуй, самый известный пример арамидного волокна. Арамид является преобладающим заменителем органического армирующего волокна для стальных лент в шинах.
• Новые волокна: Полиэфирные и нейлоновые термопластические волокна недавно были введены как в качестве первичного армирования, так и в гибридной конфигурации со стекловолокном. К привлекательным характеристикам можно отнести низкую плотность, разумную стоимость и хорошую устойчивость к ударам и усталости. Хотя полиэфирные волокна обладают довольно высокой прочностью, их жесткость значительно ниже, чем у стекла.Более специализированные арматуры для высокопрочных и высокотемпературных применений включают металлы и оксиды металлов, такие как те, которые используются в самолетах или аэрокосмической отрасли.

Независимо от материала, усиление доступно в различных формах, чтобы удовлетворить широкий спектр процессов и требований к конечному продукту. Материалы, поставляемые в качестве армирующего материала, включают ровинг, измельченное волокно, рубленые пряди, непрерывный, рубленый или термоформованный мат. Армирующие материалы могут быть спроектированы с уникальной архитектурой волокон и иметь предварительную форму (форму) в зависимости от требований к продукту и производственного процесса.

• Ровинги с несколькими и одинарными концами: Ровинги используются в основном в термореактивных компаундах, но могут применяться и в термопластах. Многоконцевые ровницы состоят из множества отдельных прядей или пучков нитей, которые затем нарезаются и случайным образом осаждаются в матрице смолы. В таких процессах, как формование листов (SMC), преформа и напыление, используется многосторонний ровинг. Многоконечные ровницы также могут использоваться в некоторых приложениях для намотки волокон и пултрузии. Односторонний ровинг состоит из множества отдельных нитей, намотанных в одну прядь.Продукт обычно используется в процессах, в которых используется однонаправленное армирование, например, намотка нитей или пултрузия.
• Маты и вуали: Армирующие маты и вуали из нетканого материала обычно описываются по весу на единицу площади. Например, коврик из рубленых прядей весом 2 унции будет весить 2 унции на квадратный ярд. Тип армирования, дисперсия волокон и количество связующего, которое используется для скрепления мата или вуали, определяют различия между матовыми изделиями. В некоторых процессах, таких как ручная укладка, необходимо, чтобы связующее растворилось.В других процессах, особенно при компрессионном формовании и пултрузии, связующее должно выдерживать гидравлические силы и растворяющее действие матричной смолы во время формования. Следовательно, с точки зрения связующего, производятся две основные категории матов или вуалей, которые известны как растворимые и нерастворимые связующие.
• Тканые, прошитые, плетеные и трехмерные ткани: Существует множество типов тканей, которые можно использовать для усиления смол в композитах. Многонаправленное армирование производится путем плетения, вязания, сшивания или плетения непрерывных волокон в ткань из крученой и скрученной пряжи.Ткани можно изготавливать с использованием практически любого армирующего волокна. Чаще всего используются ткани из стекловолокна, карбона или арамида. Ткани обладают ориентированной прочностью и высокими усиливающими нагрузками, которые часто встречаются в высокопроизводительных приложениях. Ткани позволяют точно разместить арматуру. Это невозможно сделать с измельченными волокнами или рублеными прядями и возможно только с непрерывными прядями с использованием относительно дорогостоящего оборудования для укладки волокон. Из-за непрерывной природы волокон в большинстве тканей отношение прочности к весу намного выше, чем у вариантов с разрезанным или рубленым волокном.Сшитые ткани позволяют настраивать ориентацию волокон в структуре ткани. Это может быть большим преимуществом при проектировании устойчивости к сдвигу или кручению.
• Однонаправленное: Однонаправленное армирование включает ленты, жгуты, однонаправленный жгутовый лист и ровинг (которые представляют собой совокупности волокон или прядей). Волокна в этой форме все выровнены параллельно в одном направлении и не изогнуты, что обеспечивает высочайшие механические свойства. Композиты с использованием однонаправленных лент или листов обладают высокой прочностью в направлении волокна.Однонаправленные листы тонкие, и для большинства структурных приложений требуется несколько слоев. Типичные области применения однонаправленного армирования включают высоконагруженные композитные материалы, такие как компоненты самолетов или гоночные лодки.
• Препрег: Препрег — это готовый материал, состоящий из армирующей формы и полимерной матрицы. Для изготовления препрега используется пропускание армирующих волокон или форм, таких как ткани, через ванну со смолой. Смола пропитывается (пропитывается) волокном, а затем нагревается, чтобы продвинуть реакцию отверждения до различных стадий отверждения.Доступны термореактивные или термопластичные препреги, которые можно хранить в холодильнике или при комнатной температуре в зависимости от составляющих материалов. Препреги можно наносить вручную или механически в различных направлениях в зависимости от требований конструкции.
• Размолотые: Размолотые волокна — это рубленые волокна, имеющие очень короткие длины волокон (обычно менее 1/8 дюйма). Эти продукты часто используются в термореактивных замазках, отливках или синтаксических пенах для предотвращения растрескивания затвердевшего состава из-за усадки смолы.

Полимерные композиты Часть 3: Общие армирующие элементы, используемые в композитах

В этом вводном посте будут представлены общие армирующие элементы для композитов. Это послужит «накрытием стола» для будущих дискуссий по препрегам, ламинатам и широкому спектру композитов, армированных волокном. Выбор армирования является решающим фактором при проектировании или выборе композитных материалов, поскольку во многих случаях свойства композитного материала определяются армированием.Армирование обычно неизотропно (то есть имеет направленность), что приводит к свойствам, которые могут отличаться в направлениях X, Y и Z. Например, однонаправленный волокнистый композит может иметь очень высокую прочность в направлении волокон из-за того, что большую часть нагрузки несет волокно, и плохую прочность в поперечном направлении из-за нагрузки, которую несет матрица смолы. Композиты сконструированы таким образом, что большая часть нагрузки воспринимается арматурой, что обеспечивает высокое соотношение прочности к весу.Химическая природа армирования, а также форма армирования являются важными расчетными параметрами композитного материала. В следующих двух разделах будут обсуждаться типы армирования и формы армирования.

Виды подкрепления

• Стекловолокно
• Углеродные или графитовые арамидные (кевларовые) волокна
• Волокна из сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ)
• Экзотические волокна (бор)
• Наполнители в виде твердых частиц (керамические наполнители (карбонат кальция, коллоидальный диоксид кремния), металлические наполнители)

На Рисунке 1 показана кривая деформации напряжения для некоторых типичных волокон, используемых в композитах.

Рис. 1. Растягивающее напряжение в зависимости от деформации растяжения для различных армирующих материалов, обычно используемых в композитах (1)

Самый распространенный вид композитной арматуры — стекло E. Судя по данным «напряжение-деформация», стекло E имеет самый низкий модуль упругости, но имеет относительно хорошую прочность на разрыв. Е-стекло также является самым недорогим стекловолокном. E-стекло обычно доступно во многих формах (см. Ниже). S-стекло предлагает более высокий модуль упругости и прочность на разрыв, но имеет более высокую стоимость по сравнению с E-стеклом.Переходя к левому краю рисунка 1, можно увидеть, что кевлар 49 имеет более высокий модуль упругости и прочность на разрыв по сравнению со стекловолокном. Углеродные волокна имеют самые высокие модули, а высокопрочные углеродные волокна имеют примерно такую ​​же прочность на разрыв, что и Е-стекло, со значительно более высоким модулем. Обратите внимание, что для высокомодульного углеродного волокна прочность на разрыв уменьшается, поэтому это волокно будет использоваться там, где модуль и жесткость будут более важными критериями проектирования. Таблица 2.1 в ссылке 1 дает хороший обзор свойств материала (модуль упругости, предел прочности, деформация до разрушения, КТР и коэффициент Пуассона) для широкого спектра промышленных армирующих волокон.

Общие формы армирования:

• Буксиры непрерывные (однонаправленные)
• Ткани и плетеные рукава (двунаправленные)
• Непрерывные рубленые волокна (дискретные волокна и волокнистые маты)
• Твердые наполнители

На следующем рисунке схематически показаны различные формы армирования и их использование в многослойной укладке конечного композита.

Рис. 2. Основные строительные блоки композитов, армированных волокном (1)

После выбора типа волокна (например,грамм. стекло, карбон, кевлар), то в зависимости от области применения подбирается форма. Однонаправленные волокна потенциально могут выдерживать высокие нагрузки при использовании, но обычно их необходимо наносить слоями в стопке для достижения желаемых свойств. Как можно видеть в ламинате в левом нижнем углу рисунка 2, несколько однонаправленных слоев уложены стопкой в ​​точках 0 ^o , 90 ^o и 45 ^o (0, 90, 45,45,45,45,45, 90,0) в симметричной укладке. Преимущество тканых материалов состоит в том, что геометрию переплетения можно адаптировать для придания требуемых свойств в направлениях X и Y.Ткани имеют разные типы переплетения (полотняное / квадратное, саржевое, атласное) и могут иметь разное количество пряжи в направлениях X (основа) и Y (уток / набивка). Например, стеклоткань с атласным переплетением имеет хорошую драпируемость (для формирования сложных изогнутых форм) и низкую изгибаемость. Обжим — это угол между пересекающимися волокнами, и более низкий обжим дает улучшенные механические свойства, поскольку более прямые волокна могут нести более высокие нагрузки.

Композиты, изготовленные с использованием формовочных масс (BMC) и листовых формовочных смесей (SMC), изготавливаются с использованием рубленого стекловолокна.BMC обычно содержат случайно ориентированные короткие рубленые волокна Е-стекла. Материалы SMC также производятся с использованием хаотично ориентированных рубленых волокон Е-стекла. Как показано в правом нижнем углу рисунка 2, комбинация внешних слоев с однонаправленными волокнами может быть объединена с внутренними слоями, содержащими однонаправленные прерывистые (рубленые) волокна, чтобы обеспечить требуемые механические свойства по заданной цене.

В следующих нескольких статьях мы более подробно рассмотрим матричные смолы, используемые в типичных композитах

Артикул:

1) Армированные волокном композиты, материалы, производство и дизайн, стр.К. Маллик, CRC Press, 2007

Проектирование архитектур биоинспирированного армирующего композита с помощью 3D-магнитной печати

3D-композиты с магнитной печатью

Здесь мы подробно описываем совершенно иной подход, называемый 3D-магнитной печатью, который ориентирует анизотропные армирующие частицы во время печати композитов с использованием магнитных полей. Мы можем производить элегантные конструкции армирования керамических микрочастиц с размерами элементов 90 мкм. Эта архитектура позволяет создавать композитные материалы, которые демонстрируют повышенные свойства жесткости, прочности и твердости.Этот надежный, недорогой, масштабируемый, устойчивый метод позволит создать совершенно новый класс прочных и легких композитных прототипов с программируемыми свойствами.

Чтобы продемонстрировать возможности этого метода, мы воссоздали выбранную архитектуру армирования, которую демонстрируют композитные системы из биологических прерывистых волокон, включая структуры остеонов в кортикальной кости млекопитающих, слоистую перламутровую оболочку морских ушек и усиленную холестерином дактильную булаву павлиньего богомола (рис.1). В каждом случае считается, что конкретная ориентация усиливающих элементов способствует выдающимся свойствам композита, включая повышенную прочность, высокую жесткость и необычайную ударную вязкость. Архитектура армирования в каждом натуральном композитном материале выражается в упрощенной микроструктуре, преобразованной в армирование пластинками. Эти микроструктуры импортируются в нашу основу для 3D-магнитной печати для создания объемных композитов с точно настроенным микроструктурным дизайном, созданным с помощью биоинспекций.

Рис. 1. Композиты с микроструктурированной архитектурой, созданные методом биоинспекции, можно воссоздать с помощью 3D-магнитной печати.

( a ) Haliotidae sp. Раковина ушка демонстрирует слоистую структуру кальцитовых призм, покрывающих плоские пластинки арагонита (перламутр). Печатается по исх. 27 (воспроизведено с разрешения Wiley-VCH). Эта архитектура ( b ) упрощена и ( c ) напечатана на магнитном поле ( c ). ( d ) Дактильная дубинка креветки павлиньего богомола демонстрирует холестерическую структуру минерализованных хитиновых волокон ^2,3 .Печатается по исх. 3 (воспроизведено с разрешения Elsevier). Эта архитектура ( e ) упрощена и ( f ) напечатана на магнитном поле ( f ). ( г ) Кортикальная кость млекопитающих демонстрирует концентрические фанерные структуры из армированных пластинками остеонов ⁴ . Печатается по исх. 28 (воспроизведено с разрешения Elsevier). Эта архитектура ( h ) упрощена и ( i ) напечатана на магнитном поле ( i ). Все напечатанные микроструктуры представляют собой сополимеры акрилата и уретана, усиленные пластинками оксида алюминия с 15 об.%.Масштабная линейка, 5 мкм в a ; 25 мкм в c ; 15 мкм в d ; 50 мкм (черный) и 20 мкм (белый) в f ; 200 мкм в г ; и 5 мм (черный) и 25 мкм (белый) в i .

Процесс 3D-магнитной печати

Мы создали основу для 3D-печати на основе SLA, называемую 3D-магнитной печатью, которая позволяет печатать плотные керамические / полимерные композиты, в которых можно точно настроить направление армирующих керамику частиц в каждом отдельном вокселе печатного материала (рис.2а). Чтобы обеспечить ориентацию армирующих керамику частиц, мы используем методы магнитной маркировки для покрытия традиционно немагнитных армирующих материалов, таких как высокопрочный оксид алюминия, диоксид кремния и фосфат кальция, номинальными количествами наночастиц оксида железа ^20,21 . Трехмерная магнитная печать позволяет создавать самые разнообразные новые композитные микроархитектуры с четко напечатанными элементами размером до 90 мкм, демонстрирующими уникальное усиление. Процесс 3D-магнитной печати обязательно является иерархическим: магнитные наночастицы (∼10 нм) реагируют на внешние поля, чтобы ориентировать керамические микрочастицы (∼10 мкм) во время печати, которые работают для усиления каждого напечатанного полимерного вокселя (∼100 мкм), что приводит к сложная макроскопическая композитная архитектура (∼10 см).

Рис. 2: Процесс 3D-магнитной печати.

( a ) В установке 3D-магнитного принтера используется цифровой световой процессор (DLP) для фотополимеризации смолы с помощью ультрафиолета (УФ), в то время как магнитное поле одновременно применяется через электромагнитные соленоиды. ( b ) Процесс трехмерной магнитной печати систематически выравнивает и выборочно полимеризует группы вокселей, запрограммированных на определенную ориентацию армирования в каждом слое печатного материала на основе сдвига поля.Платформа построения отслаивается после завершения слоя для печати дополнительных слоев. ( c ) С помощью 3D-магнитной печати можно распечатать подробные микроархитектуры армирования из файлов дизайна, включая этот пример золотого прямоугольника, который демонстрирует четкие элементы размером всего 90 мкм. Масштабная линейка, 2 мм, 500 и 50 мкм в c слева направо.

Стандартные процессы SLA-печати включают ультрафиолетовую (УФ) полимеризацию всего набора активных вокселей одновременно в одном слое неотвержденного полимера.Вместо этого процесс трехмерной магнитной печати включает дополнительные этапы для ориентации керамических микрочастиц во время печати, как показано на рис. 2b. Во-первых, воксели в каждом слое печати разделяются на группы с одинаковой ориентацией армирования. Во-вторых, перед полимеризацией первой активной группировки вокселей применяется вращающееся магнитное поле для выравнивания длинных осей усиливающих микрочастиц ²² . Время выравнивания в суспензии предшественника полимера составляет ~ 12 с в зависимости от приложенного поля, вязкости раствора, покрытия наночастиц и геометрии микрочастиц (см. Дополнительное обсуждение и Дополнительный рис.1). В-третьих, цифровой световой проектор (DLP) полимеризует эту активную группу вокселей одновременно за 10 секунд, консолидируя структуру и фиксируя ориентацию арматуры с помощью ультрафиолетового света. В-четвертых, следующий набор активных вокселей выравнивается в сдвинутом магнитном поле, чтобы установить новую ориентацию. В-пятых, эти активные воксели затем подвергаются УФ-полимеризации. Эти последние два шага повторяются для каждой уникальной ориентации армирования, которая должна быть включена в композитный слой. Наконец, отвержденный полимер отделяется от основания при подъеме рабочей пластины.Это приводит к попаданию неотвержденных чернил в область печати для печати следующего слоя.

Чтобы продемонстрировать надежность этого метода, были реализованы различные конструкции для определения микроархитектуры армирования, включая микроструктуры с биовоздушной обработкой, показанные на рис. 1, и геометрический узор золотого прямоугольника, показанный на рис. 2c, который показывает размеры элементов низко 90 мкм. Хотя этот метод не зависит от материала, представленные здесь микроархитектуры представляют собой твердые печатные композитные блоки из сополимера уретана и акрилата, усиленные 15 объемными процентами микропластинок оксида алюминия с ориентацией на конкретную площадку.В качестве примера напечатанный композит на рис. 2с состоит из бинарного армирующего рисунка (углы микропластин, изменяющиеся между θ = 0 ° и θ = 90 °), в котором показаны 300 на 185 вокселей. Ориентация микрочастиц оксида алюминия приводит к оптическому изменению поверхности композита. Арматура, ориентированная в плоскости, рассеивает больше света и кажется более белой, в то время как арматура, ориентированная вне плоскости, поглощает больше света и кажется более темной. Однако ключевым аспектом этого процесса является то, что, за исключением локальной ориентации армирующих частиц, производятся полностью однородные материалы.Этот процесс печати требовал четырех последовательных этапов, включая (i) выравнивание пластинок θ = 0 ° с вращающимся в плоскости магнитным полем, (ii) УФ-отверждение вокселей, запрограммированных на усиление θ = 0 ° с помощью DLP. (iii) выравнивание оставшихся пластинок θ = 90 ° с вращающимся магнитным полем вне плоскости и (iv) УФ-отверждение вокселей, запрограммированных на усиление θ = 90 ° с помощью DLP. Эти четыре этапа заняли 2 минуты, чтобы изготовить весь композитный слой.Анализ нижележащих армирующих микроструктур с помощью СЭМ выявил высокий уровень выравнивания микрочастиц в конечных композитах. Дополнительные примеры см. На дополнительных рисунках с 2 по 13.

3D микроархитектурный дизайн

3D магнитная печать позволяет создать совершенно новый класс прочных и легких композитов. Мы представляем себе производственный процесс, который начинается с того, что пользователь вводит цифровую геометрию с помощью программного обеспечения автоматизированного проектирования (САПР) или устройства обработки изображений (например, лазерного 3D-сканера), применяя механический анализ конечных элементов к цифровой геометрии для поиска оптимизированной архитектуры армирования. и 3D-печать оптимальной архитектуры путем ориентации арматуры в каждом вокселе.Возможность настройки архитектур армирования обеспечивает широкие возможности программирования жесткости, прочности, ударной вязкости и многофункциональности композитных материалов. Чтобы исследовать эти утверждения, мы охарактеризовали монолитные блоки 3D-магнитных печатных композитов (то есть все воксели, имеющие одинаковую ориентацию) с испытаниями на растяжение для измерения свойств материала по каждой оси (рис. 3a, b). Оси с арматурой, выровненной параллельно основным напряжениям (сильная ось), показали как повышенную жесткость, так и твердость, что является ожидаемым результатом теории композитов.Кроме того, композиты с сильной осью имели деформацию при разрыве в два раза больше, чем композиты со слабой осью (4% против 2%, оба намного меньше, чем 300% чистой матрицы). Чтобы подтвердить, что эти свойства материала поддерживаются в каждом вокселе сложной печатной структуры, была разработана микроархитектура, которая подверглась картированию твердости для измерения локальных свойств материала (рис. 3c). Картирование твердости было использовано для демонстрации детального программирования композитов в естественном мире, особенно в градиентных структурах, которые имеют неоднородную твердость ^23,24 .Воксели с армированием, ориентированным вне плоскости, демонстрируют значительное увеличение внеплоскостной жесткости по сравнению с вокселями с армированием в плоскости.

Рис. 3. Механические свойства композитных материалов, напечатанных на магнитной основе.

( a ) Схема отдельного вокселя, показывающая две сильные и одну слабую оси полимерного вокселя, содержащего полностью ориентированные керамические микропластинки. ( b ) Испытания на растяжение были проведены на печатных композитах с ориентацией монолитного армирования.Печатные композиты с вокселями, содержащими керамические микрочастицы, выровненные параллельно основным напряжениям, показали более высокую жесткость (+ 29%), более высокую твердость (+ 23%) и более высокую деформацию при разрыве (+ 100%) по сравнению с композитами с вокселями, показывающими перпендикулярное выравнивание. ( c ) Схематично показана иерархия блока с трехмерной магнитной печатью с концентрическим квадратным узором. ( d ) Блок изготовлен методом 3D-магнитной печати (блок 2,2 × 2,2 см, толщина 3 мм) и подвергнут картированию твердости.Масштабная линейка, 4 мм d .

Кроме того, считается, что микроструктура играет роль в определении механики разрушения, особенно в гетерогенных природных композитах, таких как кортикальная кость. Несмотря на наличие многих цилиндрических дефектов, содержащих сосудистую сеть (каналы Харверса), кортикальная кость сохраняет впечатляющие механические свойства отчасти благодаря концентрической фанерной микроструктуре остеонов, армированных пластинками ⁴ . С помощью 3D-магнитной печати были напечатаны армированные композитные собачьи кости различной архитектуры, окружающие большие круглые дефекты.Протестированные архитектуры включали структуры «на основе остеонов» с усилением, концентрически выровненным вокруг дефекта, и «монолитные» структуры с полностью выровненным армированием под разными углами (рис. 4a, b, см. Дополнительную таблицу 1). Эти уникальные архитектуры были смоделированы с помощью анализа конечных элементов для наблюдения ожидаемых деформаций, окружающих эти круглые дефекты. Деформация была построена как относительная деформация, ɛ _отн. , которая отражает соотношение между основной локальной деформацией и максимальной основной деформацией во всех микроструктурах, которые возникли на краю кольцевого дефекта в монолитной структуре с θ = 90 ° (подробности моделирования см. В дополнительных методах).Архитектура, «вдохновленная остеонами», характеризующаяся концентрической ориентацией усиливающих тромбоцитов, показала самую низкую концентрацию деформации и максимальную среднюю прочность на разрыв, за исключением монолитной микроструктуры 0 ° (рис. 4b, c). Однако, поскольку архитектура, «вдохновленная остеонами», является симметричной, нагрузку можно прикладывать под любым углом относительно микроструктуры для получения столь же высоких характеристик. В рамках 3D-магнитной печати композитная архитектура может быть оптимизирована между цифровым генерированием геометрии и фактической печатью материала.Эта оптимизация архитектуры может быть реализована с помощью анализа FEA для развития композитной архитектуры в направлении улучшенных показателей производительности, таких как более высокая прочность и жесткость.

Рис. 4. Механический анализ напечатанных композитов с круглыми дефектами.

( a ) Образцы с круглыми дефектами напечатаны на 3D-магнитной печати с программируемой архитектурой армирования, включая микроструктуры «на основе остеонов» с концентрической ориентацией армирования и «монолитные» микроструктуры, как показано в b .( b ) Предполагается, что микроструктуры, «вдохновленные остеонами», будут демонстрировать меньшую относительную деформацию ( _отн. ) по сравнению с смещенными «монолитными» микроструктурами. ( c ) Испытания на растяжение печатных композитов с круглыми дефектами показывают, что архитектуры, «вдохновленные остеонами», превосходят все, кроме идеально выровненного «монолитного» образца. Поскольку архитектура, «вдохновленная остеонами», является симметричной, нагрузку можно прикладывать под любым углом по отношению к микроструктуре для получения аналогичных характеристик.Масштабная линейка, 5 мм в a .

Управление трещинами с помощью 3D-магнитной печати

Детальный анализ синтетических остеонных структур выявил очевидные различия в поведении переломов между «остеонами» и 0 ° монолитными по сравнению с 90 ° монолитными. Монолитная структура под углом 90 ° имела тенденцию демонстрировать прямое быстрое распространение трещины, связанное с расколом ²⁵ , в то время как монолитная архитектура «на основе остеонов» и 0 ° имела тенденцию демонстрировать прогиб во время распространения трещины, ведущего к извилистой траектории трещины.Эти результаты показали, что 3D-магнитная печать позволяет создавать микроархитектуры, которые увеличивают прогиб на пути трещины (см. Дополнительный рисунок 9). Такое отклонение трещин часто связано с повышенной вязкостью разрушения, особенно в человеческой кости ¹⁶ и перламутре ²⁶ .

Пути распространения трещин можно дополнительно настроить, создав архитектуры с 3D-магнитной печатью, которые предназначены для преувеличения отклонения пути трещины. На рисунке 5 показаны примеры печатных структур, в которых квадратные островки 4 × 4 мм с различной ориентацией армирования были напечатаны на первом этапе, а объемлющий монолитный фон был напечатан на втором этапе, чтобы получить сплошной композит.Когда ориентация островка совпадала с фоном, была создана монолитная структура, и поведение трещин соответствовало ожидаемому от монолитных композитных материалов. Однако, когда ориентация островка контрастировала с ориентацией фона, трещина проходила сквозь материал. В случае, когда ориентация островков была перпендикулярна основному направлению трещины, островки действовали как сильные точки и отталкивали вершину трещины. В случае, когда ориентация островков была параллельна основному направлению трещины, островки действовали как слабые места и притягивали вершину трещины.Управление трещинами обеспечивает возможное управление механизмами упрочнения разрушения в микроструктурах композитов. Например, это свойство можно использовать для программирования механизмов разрушения материала, которые могут отклонять трещины от важных участков конструкции.

Рис. 5: Управление трещинами с помощью трехмерных магнитных печатных архитектур.

Архитектура с трехмерной магнитной печатью с островками, которые соответствуют и контрастируют с ориентацией армирования объемной пленки. Обнаружено, что сложные микроархитектуры способны управлять трещиной (удлинять трещину).Масштабная линейка 4 мм.

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.

---

Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:

• В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки вашего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
• Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, используйте кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
• Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
• Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
• Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

---

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.

---

Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файлах cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

No related posts.