Композиты вчера, сегодня и завтра

Волович Владимир Александрович,

МБОУ прогимназия №133, класс 2

Руководитель:

Веселовская Елена Евгеньевна,

учитель начальных классов

МБОУ прогимназии № 133

Челябинск – 2015г.

Содержание

Введение ………………………………………………………………………………………….3

1 Древний материал будущего

1.1. Композиционный материал: что это и в чём его преимущества? ......................................3

1.2. Композиты: вчера, сегодня и завтра………………………………………………………. 5

2 Изготовление композита и экспериментальное исследование его прочностных свойств

2.1. Изготовление композиционного материала дома ...………………………………………5

2.2. Сравнение прочности композитной трубки и трубки из бумаги ...………………………6

Заключение ……………………………………………………………………………………….8

Список литературы ………………………………………………………………………………9

Приложение А. Журнал эксперимента “Испытание нагрузкой”……………………..………

Приложение Б. Исследование прочности бумажных трубочек ………………………………

Приложение В. Исследование прочности композитных трубочек ………………………….

Введение

Я люблю работать с бумагой, склеивать разные конструкции из неё. Делая фигурки из бумаги, я заметил, что две соединённые клеем полоски бумаги становятся намного прочнее, чем просто две полоски той же бумаги. Возник вопрос: почему так происходит, и насколько получившийся материал прочнее бумаги?

Поиски ответа на эти вопросы привели меня к знакомству с композиционными материалами (композитами), созданию такого материала и его испытанию.

Цель работы: познакомиться с композиционными материалами и экспериментально подтвердить предположение о большей прочности таких материалов.

Задачи проекта:

1. Найти определение композиционных материалов и выявить их преимущества.

2. Выяснить, где применялись композиты в прошлом, настоящем и каковы перспективы их использования в будущем.

3. Самостоятельно получить композит, сделав конструкцию из композитного материала в домашних условиях.

4. Экспериментально исследовать композитную конструкцию на прочность.

Методы исследования:

· Изучение литературных источников, Интернет-ресурсов;

· Сравнение;

· Эксперимент;

· Анализ полученных результатов.

Древний материал будущего

1.1 Композиционный материал: что это и в чём его преимущества?

Всё под луной открыто,

да многое спрятано

(Равиль Алеев)

Впервые слово “композиты” я услышал в телепередаче на канале “Наука 2.0” [3]. Изучив справочную и научно-популярную литературу, я выяснил, что композиционным называют искусственно созданный, сплошной материал, имеющий в своём составе два или более компонента [1; 7; 10]. Особенность композитного материала в том, что он состоит из связующего, склеивающего компонента (учёные называют его “матрица”) и усиливающего, армирующего. Таким армирующим наполнителем могут быть, например, волокна, нити и т.п.; а матрицей – среда, объединяющая и связующая частицы наполнителя в единое целое (например, смола, цемент и др.). Наполнитель, как правило, определяет прочность и жёсткость композита, а матрица фиксирует форму изделия, обеспечивает его монолитность и стойкость к различным внешним воздействиям.

В результате соединения этих двух компонентов получается совершенно новый материал, характеристики которого превосходят характеристики тех материалов, которые мы взяли для его создания. Условно это можно записать так: “1+1=3”.

Характерной особенностью композиционного материала является то, что изделие из него создаётся одновременно с созданием самого материала. Другими словами, при создании композитов одновременно конструируется материал и изделие.

Композит – от латинского compositio – значит “сочетание, складывание, составление”, и даже слова – названия композиционных материалов, как правило, составные: стеклопластик, углепластик, стеклотекстолит… Всё это очень интересные материалы с уникальными свойствами.

Изучив статьи в журналах [2; 5; 11] и различные Интернет-ресурсы [7; 8], я выделил некоторые основные преимущества композитов:

1. Прочность. Изделия из композитов получаются намного прочнее, чем изделия из его отдельных составляющих (и я постараюсь это доказать в практической части моей работы). О поразительной прочности композитов можно судить, например, потому, что они широко используются в бронежилетах.

2. Лёгкость (малый вес). Изделия из композитов намного легче изделий той же прочности, но сделанных из простых материалов. Например, лучшие рыболовные спиннинги, лёгкие и прочные, сделаны из композитов. Таким удилищем, длиной 6 метров и весом около одного килограмма, втаскивают крупную рыбу; и если перейти на любой другой материал, это удилище вместе с рыбой придётся поднимать лебёдкой [3].

3. Возможность создавать изделия с заранее заданными, уникальными свойствами, наиболее полно отвечающими характеру и условиям их работы. Меняя или по-разному располагая компоненты, составляющие композитный материал, можно менять его свойства в зависимости от задачи, стоящей перед проектировщиком изделия.

4. Надёжность и долговечность. Известно, например, что металл со временем ржавеет, дерево гниёт, а искусственный композиционный материал – нет, он обладает высокой износостойкостью.

Возможно проявление и многих других преимуществ композитов (например, устойчивость к высоким температурам, деформации, радиации и т.д.).

Композитные материалы создаются под выполнение конкретных задач, поэтому не могут обладать сразу всеми возможными преимуществами; но, проектируя новый композит, инженер волен задать ему нужные характеристики, значительно превосходящие возможности традиционных материалов при выполнении данной цели в данном механизме.

Композиты вчера, сегодня и завтра

То, что сегодня наука, – завтра техника.

(Эдвард Теллер, американский физик)

Оказывается, история применения композитов уходит в древние века. Ещё в Древнем Египте люди, строящие здания, укрепляли глину соломой при изготовлении кирпичей. А жители древнего города Вавилона, воздвигая стены жилищ, армировали глину тростником [7].

Композиционные материалы и сейчас широко используются в строительстве. Например, железобетон. Конструкцию из бетона, внутри которого проложена металлическая арматура, можно найти почти в каждом здании.

За последний век люди значительно расширили сферу применения композиционных материалов. Сейчас композиты используют при изготовлении спортинвентаря, корпусов и деталей ракет, самолетов и автомобилей, в стоматологии, в оборудовании атомных электростанций, а также во многих других областях высокотехнологичной промышленности.Например, истребитель Т-50 – рекордсмен среди российских истребителей по числу деталей из композитов: около 70% его площади сделано из углепластика. Другой пример – Боинг 787. Большая часть его конструкции содержит композитные материалы, и благодаря лёгким материалам он потребляет на 20% меньше топлива по сравнению с самолётами такого же размера и грузоподъёмности [3].

При этом возможности использования композитов постоянно расширяются. Используя их удивительные свойства, инженеры и учёные получают всё новые, более сложные материалы, позволяющие реализовать конструкции, казавшиеся раньше невозможными. В “Росатоме” идёт разработка композиционных материалов для ядерных реакторов и ожидается, что они позволят обеспечить надёжную работу в самых экстремальных условиях [8, 111].

Благодаря их свойствам композиты уже называют материалом будущего [6]. “Завтра” для композитов – это дальнейшее совершенствование и внедрение в жизнь людей композиционных материалов с датчиками, сенсорами, с обратной связью, то есть интеллектуальных материалов.

Итак, можно сделать вывод, что использование композитов – очень перспективное направление в науке, которое будет иметь всё большее практическое значение в будущем. Поэтому исследования и разработки в этой области актуальны и совершенно необходимы.