Контроль качества композитных материалов

Композиционные материалы — это материалы, состоящие из двух или более разнородных фаз, которые в совокупности обладают свойствами, не характерными для их отдельных компонентов. Проще говоря, композитными называют материалы, образованные из нескольких различных компонентов (например, железа, пластмассы, древесины, цемента), которые в сочетании образуют новый материал, объединяющий преимущества каждого из них [1].

Наука о композитных материалах возникла в середине ХХ века, хотя эти материалы человек начал использовать еще в древности, когда для укрепления изделий из глины в нее добавляли различные материалы органического происхождения, а также каменные породы [2]. 

С течением времени и развитием научного и технологического прогресса, учеными было разработано множество различных композитных материалов, которые находят применение в самых разных сферах жизни.

Классифицируют композитные материалы по следующим основным признакам:

• Материалу матрицы и армирующих элементов;
• Геометрии компонентов;
• Структуре и расположению;
• Методу получения.

Общее название композитного материала основывается на материале матрицы, где под матрицей подразумевается основной заполнитель (среда), в которой находятся остальные составляющие композита. Композиты с металлической матрицей называются металлическими, с полимерной – полимерными и т.д. В качестве армирующих элементов выступают: волокна (стеклянные, углеродные), сетки, частицы (порошки), тканые структуры.

Классификация композитных материалов

По геометрии компонентов композитные материалы бывают:

• Дисперсно-армированные – наполнитель равномерно распределен в матрице (как правило — это мелкие частицы в виде порошка).
• Волокнистые – армированные нитями или волокнами.
• Слоистые – композит состоит из чередующихся слоев разных материалов.
• Сетчатые/каркасные – армирующий элемент имеет структуру сетки или объемного каркаса.

По структуре и расположению армирующих фаз композиты бывают:

• Однородными – армирующие элементы равномерно распределены.
• Градиентные – структура меняется по толщине.
• Локализованные – армирующие материалы сконцентрированы в определенной области.

По методу получения (технологии изготовления) композиты разделяют в соответствии с основными методами получения:

• Прессование – формование материала под воздействием давления и температуры.
• Пропитка – армирующий материал (стекловолокно и др.) укладывается в форму и пропитывается полимерной смолой.
• Пултрузия – непрерывные волокна пропитываются смолой и протягиваются через формующую матрицу, где под действием температуры и давления происходит затвердевание.
• Напыление – армирующие волокна подаются и наносятся при помощи распылителя.
• Автоклавная формовка – подготовленное композитное изделие помещается в форму и подвергается воздействию высокой температуры и давления.

Самыми распространенными композитными материалами в строительстве являются бетон и железобетон.

В настоящий момент производят самые различные виды и типы бетона и железобетона, отличающиеся по составу, свойствам и области применения. Преимуществами бетона и железобетона является доступность сырья для производства, возможность изготовления и применения сборных конструкций различного вида, возможность механизации и автоматизации приготовления бетона. Бетон долговечный, огнестойкий, а его плотность и прочность изменяются в широких пределах. Основным недостатком обычного бетона является его низкая прочность на растяжение. Она в 10-15 раз ниже прочности на сжатие. Данный недостаток устраняется в железобетоне, в котором растягивающее напряжение воспринимает арматура [1, 3].

Второе место среди композитных материалов занимают древесные композиты. 

К таким материалам относятся клееные деревянные конструкции, фанера, древесностружечные плиты. Одним из плюсов таких композитов является возможность их производства из древесных отходов других производств. Композиты на основе древесины обладают высокими теплоизоляционными свойствами, экологической безопасностью, устойчивы к воздействиям внешней среды, легко поддаются ручной и механической обработке. К основным недостаткам относят низкую влагостойкость, ограниченную огнестойкость и низкую прочность на изгиб и удар.

На третьем месте по распространенности применения в строительстве находятся стеклопластики, состоящие из стеклянного наполнителя и синтетического полимерного связующего. 

Эти материалы обладают достаточно высокой прочностью, низкой теплопроводностью и высокой электроизоляцией. К недостаткам относятся: низкая термостойкость, горючесть (могут выделять токсичные газы), хрупкость при ударе. Из стеклопластиков производят облицовочные панели, трубы и резервуары, арматуру.

Четвертое место среди композитных материалов, применяемых в строительстве, занимают композитные материалы на металлической основе .

В таких материалах железная матрица воспринимает всю нагрузку, а дисперсные частицы наполнителя препятствуют развитию пластических деформаций. Получают такие материалы, путем введения армирующего порошка в жидкий расплав металла или сплава. К плюсам композитных материалов на основе металла относятся: высокая прочность и жесткость, ударная вязкость, теплопроводность, долговечность. К недостаткам таких материалов можно отнести: подверженность коррозии, тепловое расширение, высокая стоимость производства.

Методы испытаний композитных материалов

Как и любые строительные материалы и изделия, композиты должны соответствовать установленным строительным нормам и требованиям. Обычно эти требования указываются в проектной документации или регламентируются соответствующими ГОСТами. Для подтверждения соответствия материала предъявляемым нормам производитель или завод-изготовитель обращается в строительную лабораторию, где проводятся необходимые испытания и оформляются результаты, подтверждающие качество и пригодность материала к применению.

Все испытания строительных композитных материалов условно можно разделить на три основных типа:

1. Визуальный контроль — проверка изделия на наличие поверхностных дефектов, нарушений целостности или несоответствий требованиям стандартов. Такой осмотр выполняют сотрудники строительной лаборатории или другие специалисты, имеющие соответствующий допуск и квалификацию для проведения измерений и оценки качества.
2. Лабораторные испытания общего типа — проводятся в строительных лабораториях для определения характеристик материала, требующих применения специализированного измерительного и испытательного оборудования.
3. Специализированные лабораторные испытания — выполняются в профильных лабораториях с использованием высокоточного и уникального оборудования, предназначенного для проведения сложных и узконаправленных исследований. 

Основные показатели композитных материалов, а также ГОСТы на эти испытания представлены в таблице.

Таблица 1. Основные показатели композитных материалов

Порядок проведения испытаний

Проверку на соответствие композитных материалов требованиям ГОСТов можно разделить на несколько этапов:

1. Выезд сотрудника лаборатории на объект с целью проведения визуального обследования. Отбор или приемка образцов композитного материала, с составлением акта отбора, в котором указываются основные сведения о материале и заказчике испытаний.
2. Выбор методики испытаний в соответствии с требованиями проекта или других строительных нормативных документов.
3. Проведение испытаний и регистрация полученных данных.
4. Обработка полученных данных и оформление протокола, в котором указываются результаты и выводы о соответствии или не соответствии материала предъявляемым требованиям.

Заключение

Контроль качества композитных материалов является важнейшей составляющей их производства и применения, напрямую влияющей на надёжность, долговечность и безопасность изделий. Современные подходы к оценке качества включают широкий спектр методов — от традиционных лабораторных испытаний до высокотехнологичных систем неразрушающего контроля.

Анализ тенденций показывает, что развитие контроля качества движется в сторону интеграции автоматизированных и интеллектуальных технологий. Всё большее распространение получают онлайн-системы мониторинга, позволяющие контролировать параметры материала в реальном времени, а также методы компьютерного моделирования, прогнозирующие его поведение на протяжении всего жизненного цикла. Неразрушающие методы диагностики, такие как ультразвуковое сканирование, тепловизионный анализ и акустическая эмиссия, становятся стандартом для отрасли, так как позволяют выявлять дефекты на ранней стадии без повреждения изделия.

Перспективы развития в этой области связаны с комплексной цифровизацией процессов контроля, применением искусственного интеллекта для автоматического распознавания дефектов и созданием универсальных систем контроля, адаптируемых под различные виды композитов. Такой подход обеспечит более высокий уровень качества продукции, снизит производственные затраты и повысит конкурентоспособность композитных материалов на рынке.

Автор: Максим Лашин, исследователь-материаловед

Список литературы

1. Шитова И. Ю. и др. Современные композиционные строительные материалы. Учебное пособие. – 2015.
2. Лустина О. В. История развития композиционных материалов //Наука и инновации в XXI веке: Актуальные вопросы, открытия и достижения. – 2017. – С. 111-114.
3. Левицкая К. М., Юраков Н. С. Применение композитов в строительстве //Наукоемкие технологии и инновации. – 2016. – С. 225-231.