Композиционные материалы (неметаллические или металлические) отличаются своей структурой – их конструкция усилена элементами различного типа, в частности, волокнами. Одни из самых распространенных по частоте применения– волокнистые наполнители. Они занимают вторую ступеньку по популярности после дисперсионных.
Суть данной технологии в соединении абсолютно разнородных материалов в единое целое, чтобы получить новые качества, в отдельности им неприсущие. Например, в лабораторных условиях куску поваренной соли, строго говоря, хлористого натрия, удалось придать, пластичность, добавив в нее золото. Кстати, волокнистые композиционные материалы – это не приобретение нашего времени. К первым образцам подобных материалов можно смело отнести выполненные для египетских мумий оболочки, для которых использовались пропитанных смолой куски папируса .
Волокнистые материалы и их свойства
Для армирования волокнистых композитов используют волокна либо нитевидные кристаллы. Даже небольшое их содержание в материале такого типа существенно улучшает его механические свойства. Возможность изменения при армировании ориентации волокон, их размера и концентрации позволяет еще шире варьировать свойства композитного материала.
Для армирования в большинстве случаев используют волокна углерода, бора, стеклянные, базальтовые или полимерные.Исключительный интерес, благодаря чрезвычайно высокому модулю упругости и прочности при растяжении, вызывают также монокристаллические волокна в виде нитевидных кристаллов.
Волокнистые композиционные материалы, скажем, цемент, гипсоволоконные плиты и другие, в своем составе обычно содержат волокна стекла, пластмассы, стали или углерода. Что же касается натуральных волокон, скажем, целлюлозы, то процент их использования в данном сегменте рынка значительно ниже, но и они, в свою очередь, придают композиту принципиально интересные характеристики. Среди них можно выделить:
- более высокую степень эластичности;
- лучшую способность влагорегулирования;
- меньшую плотность и вес.
Структура наполнителей
Основные типы волокон, в частности, стеклянные и углеродные, имеют в основном круглое сечение ø 8-20 мкм, хотя в сечении может лежать также треугольник, ромб или другая фигура. Непрерывные волокна с сечением, отличным от круга, называют профильными. Они могут быть и также полыми, что способствует снижению плотности армированного композита.
По структуре же их классифицируют на четыре группы: непрерывные однонаправленные, тканевые, нетканые, объемного плетения. Придавая наполнителям различную структуру и фиксируя ее, помимо первичных крученых нитей, лент, можно получать разные виды усиливающих наполнителей: сетка, пленка, холст и другие.
Рассмотрим в качестве примера такой популярный волокнистый наполнитель, используемый для армирования, как стекловолокно.
- Обычное стекловолокно (диаметр частиц – 10-15 мкм, длина – 0.3-0.65 мм). Значительно увеличивает такие параметры изделия, как жесткость, прочность к механическим нагрузкам, устойчивость к ползучести, твердость и теплостойкость, усталостная прочность. Повышает плотность, износостойкость и неизменность размеров изделия.
Стекловолокно длинное (длина –10-12 мм). Ко всем перечисленным выше характеристикам просто необходимо прибавить «очень». Изделия, укрепленные длинными стекловолокнами выполняют в условиях, не нарушающие целостности волокна.- Стекловолокно(0.08 мм), мелкорубленное. Жесткость и механическую прочность композита увеличивается умеренно. Изделие – значительно менее износостойкое.
- Стеклянные полые сферы. Увеличивают жесткость, но уменьшают ударопрочность. Снижают вес, коробление и анизотропию усадки, то есть различие усадки в разных направлениях изделия.
Некоторые распространенные волокнистые материалы: свойство и применение
Древесные композиты. ДСП, арболиты, ДВП, древесные пресспорошки и прессмассы, фанеры, клееные конструкции, древесно-полимерные термопластичные композиты и другие.
Большое распространение получили плиты ДВП. В процессе их производства резаная масса из древесины проходит через специально конструированные размалывающие диски, в результате появляются тончайшие волокна (толщина – 0,1 мм). После смешения с клеем, их прессуют и закаливают при высокой температуре. В дальнейшем поверхность плит обычно шлифуют. Конструкция композита имеет определенные преимущества:
- структура плиты по всей толщине равномерно плотная;
- крепко держаться крепежные детали: шурупы, гвозди;
- поддаются фрезерованию не хуже, чем массив дерева.
Бетоны. Номенклатура современных бетонов очень разнообразна и отличается по своим 
составам и свойствам. В их основе лежит традиционная цементная, как и выполненная из полимеров, эпоксида, полиэфира, акрила и другое. По своей прочности высокоэффективные бетоны приближаются к металлам. В последнее время распространение получили и декоративные.
Углепластики. Углеродные волокна, наполнителиэтих 
полимерных композитов, получают из природных и синтетических волокон из целлюлозы, акрилонитрила, сополимеров, каменноугольных песков, нефти и т. д. Матрицами в углепластиках служат термореактивные или термопластичные полимеры. Это легкий, но очень прочный материал, обладает низкой плотностью и высоким модулем упругости. Углепластики нашли применение в машино- , авиа-, ракетостроении, производстве медтехники и иных областях.
Стеклопластики. Усиление волокнистого композита проводят, используя стеклянные волокна, 
которые формируют вытяжкой из находящегося в расплавленном состоянии неорганического стекла. Композиты отличает высокая прочность, низкая теплопроводность, высокие электроизоляционные характеристики, не препятствуют прохождению радиоволн. Стеклопластики используют в судостроении, радиоэлектронике, строительстве и т. д.
Боропластики. Борными волокнами в виде мононитей или жгутов и лент с присутствием стеклянной или других нитей наполняют термореактивные матрицы. Композиты исключительно проявили себя в условиях длительных нагрузок в агрессивной среде. Производство борных нитей обходится достаточно дорого, поэтому сфера применения боропластиков ограничивается авиационной и космической промышленностью.
Пресспорошки (прессмассы). На сегодняшний день известно уже более 10000 типов 
композитных полимеров. Первый наполненный полимер, бакелит, был получен путем добавления под давлением пресс-порошка, в частности, древесной муки в частично отвержденный полимер. Таким образом хрупкое вещество невысокой прочности необратимо затвердевает в форме и приобретает повышенную прочность. Чаще всего в качестве наполнителя используют древесную муку, каолин, тальк, мел, слюду, сажу, базальтовое и стекловолокно и другое.
Впервые изделие, произведенное по этой технологии, ручку переключателя скоростей, было использовано в автомобилях «Роллс-Ройс».
Сегодня наполненные полимеры находят применение в различных областях.
