СЕНДВИЧ-КОМПОЗИТЫ

АННОТАЦИЯ

В данной статье рассматриваются сэндвич–композиты — многослойные материалы, объединяющие преимущества различных компонентов. Обычно сэндвич–композиты состоят из двух жестких внешних слоев и легкого, но прочного внутреннего наполнителя. Благодаря сочетанию высокой прочности, легкости и устойчивости к различным воздействиям, эти материалы нашли широкое применение в таких областях, как аэрокосмическая, автомобильная и строительная промышленность. В статье подробно освещены ключевые характеристики сэндвич–композитов, современные методы их производства, а также анализируются их основные преимущества и недостатки. Кроме того, в статье рассматриваются текущие тенденции в разработке этих материалов и их перспективы в различных отраслях промышленности.

Ключевые слова: сендвич-композиты, пеноматериалы.

Введение

Сэндвич – композиты – это многослойные структуры, где каждый слой выполняет определенную роль, создавая общую высокоэффективную систему. Основная идея этих композитов заключается в объединении жестких, прочных внешних слоев с легкой сердцевиной, что позволяет существенно повысить механические характеристики конструкции при минимизации веса. Такой подход дает возможность оптимизировать материалы для различных применений, от строительства до аэрокосмических разработок, обеспечивая надежность и долговечность изделий [1].

Одним из главных преимуществ сэндвич – композитов является их способность выдерживать значительные механические нагрузки при низкой плотности. Это достигается за счет использования легких материалов для сердцевины, таких как пеноматериалы, сотовые структуры из алюминия или кевларовых волокон. Внешние слои изготавливаются из более прочных и жестких материалов, таких как углепластик, стеклопластик или металл, которые защищают сердцевину и воспринимают основные механические нагрузки. В результате конструкции обладают высокой жесткостью и прочностью, сохраняя при этом низкий вес [2].

Использование алюминиевых сот в качестве сердцевины позволяет снизить вес композита до 50% по сравнению с цельными металлическими листами аналогичной прочности. Сотовая структура обеспечивает отличные амортизационные свойства и устойчивость к ударным нагрузкам, что делает такие материалы популярными в авиации и автомобилестроении. Пеноматериалы, в свою очередь, обеспечивают высокую тепло– и звукоизоляцию, что особенно важно для строительных панелей.

Механические свойства сэндвич – композитов зависят от нескольких факторов: материала внешних слоев, типа и плотности сердцевины, а также методики производства. ГОСТ Р 56809–2015 устанавливает стандарты для определения предела прочности на сжатие параллельно плоскости конструкции. Тестирование проводится путем применения равномерной нагрузки к образцам, что позволяет определить предел прочности на сжатие и выявить возможные области деформации или разрушения. Это особенно важно при проектировании композитов для применения в строительных конструкциях и машиностроении, где безопасность и долговечность являются ключевыми параметрами [3].

Сэндвич-композиты представляют собой многослойные материалы, состоящие из двух прочных наружных обшивок и легкой сердцевины, расположенной между ними. Наружные слои выполняются из таких высокопрочных материалов, как алюминиевые сплавы, углепластики или стеклопластики, что обеспечивает высокую жесткость и устойчивость к механическим нагрузкам. Сердцевина, изготовленная из вспененных полимеров, сотопластиков или легких металлов, придает конструкции малый вес и способствует равномерному распределению нагрузки, предотвращая локальные деформации.

Рисунок 1. Классификация композитов

Благодаря своей структуре сэндвич-композиты обладают уникальными свойствами, включая высокую удельную прочность и жесткость, что позволяет им выдерживать значительные нагрузки при минимальной массе. Эти материалы эффективно поглощают вибрации и удары, что делает их востребованными в авиации и судостроении. Кроме того, сэндвич-композиты обладают отличными тепло- и звукоизоляционными характеристиками, благодаря чему находят применение в строительстве и транспортной индустрии. Их стойкость к коррозии, обусловленная использованием полимерных компонентов и защитных покрытий, обеспечивает долговечность и надежность в агрессивных средах. Таким образом, сэндвич-композиты совмещают легкость, прочность и функциональность, что делает их незаменимыми в различных высокотехнологичных отраслях.

В одном из исследований, опубликованном в журнале MDPI, изучалось поведение панелей под воздействием низкоэнергетических ударных нагрузок. Исследование показало, что улучшенные конструкции выдерживали более высокие нагрузки, а деформация внешних слоев снижалась на 14,82% при сравнении с традиционными панелями. Данные подтверждают высокую устойчивость к ударным и сжимающим нагрузкам [4].

Одним из важных аспектов при производстве сэндвич – композитов является надежность соединений между слоями. Качество адгезии напрямую влияет на механические характеристики готового изделия, особенно на его устойчивость к сдвиговым нагрузкам. Для достижения наилучших результатов используются различные клеевые составы, специальные методы обработки поверхностей перед склеиванием, а также методики контроля качества соединений [5].

Исследования показывают, что неравномерное или слабое соединение слоев может привести к локальным разрушениям или отслаиванию. В ГОСТ Р 56811–2015 описаны методы рентгенографического контроля, которые позволяют выявить скрытые дефекты, такие как пустоты или неоднородности в сердцевине композита [6]. Это особенно важно для изделий, которые подвергаются высоким нагрузкам в процессе эксплуатации, таких как панели самолета или кузовные элементы автомобиля.

Производство сэндвич – композитов включает различные методы, каждый из которых позволяет достичь определенных характеристик в готовом изделии. Методы варьируются в зависимости от применяемых материалов, требуемых свойств и условий эксплуатации конечного продукта. В этой части статьи рассмотрены основные технологии, используемые при производстве сэндвич – композитов, включая их особенности, преимущества и области применения.

1. Вакуумная инфузия. Вакуумная инфузия – это одна из самых распространенных и эффективных технологий производства сэндвич–композитов, особенно при создании крупных панелей. Этот метод заключается в том, что все компоненты композита (внешние слои и сердцевина) укладываются в форму, после чего на них накладывается герметичная вакуумная пленка. Из формы с помощью насоса удаляется воздух, создавая вакуум, после чего под воздействием вакуума в форму вводится связующий материал (обычно это смола). Благодаря вакууму смола равномерно распределяется по всей структуре, проникая в волокнистые материалы внешних слоев и заполняя пустоты сердцевины.

Преимущества вакуумной инфузии: Равномерное распределение связующего материала, что минимизирует вероятность возникновения дефектов и пустот; высокие механические свойства готового изделия, так как смола проникает во все микроскопические поры и пустоты; экономичность по сравнению с другими методами, так как требуется меньше ручного труда; чистота производства, так как процесс проходит под герметичной пленкой, что снижает выбросы вредных веществ.

Метод вакуумной инфузии используется для создания крупногабаритных конструкций, таких как лопасти ветряных турбин, корпуса яхт и больших панелей для строительной индустрии. Этот метод позволяет получить изделия высокой прочности и стабильности при сравнительно низких затратах [7].

2. Пресс – формование. Пресс – формование – это метод производства сэндвич–композитов, при котором все слои (включая сердцевину и облицовочные материалы) укладываются в форму, а затем подвергаются воздействию давления и температуры. Процесс включает размещение материалов в пресс–форме, которая затем закрывается и нагревается до заданной температуры. Под действием давления смола равномерно распространяется по всей форме, обеспечивая полное пропитывание волокнистых материалов. После отверждения смолы изделие извлекается из формы.

Преимущества пресс – формования: Высокая скорость производства, что делает метод подходящим для массового производства; повышенная точность и повторяемость, что особенно важно для автомобильной промышленности и других отраслей, где требуется серийное изготовление одинаковых деталей; возможность создания сложных форм, включая изогнутые и трехмерные элементы; отличные механические свойства, так как воздействие давления позволяет устранить большинство дефектов, таких как поры и пустоты [16].

Пресс–формование широко используется в автомобильной промышленности, особенно для производства кузовных деталей, таких как капоты, двери и крышки багажника. Этот метод позволяет достичь высокой точности при минимальных затратах, что делает его экономически эффективным выбором [8].

3. Автоклавное формование. Автоклавное формование – это высокотехнологичный метод, который часто применяется для производства композитов, где требуется максимальная прочность и качество поверхности. В этом методе все компоненты композита укладываются в форму, после чего заготовка помещается в автоклав — герметичную камеру, где создаются высокие температура и давление. Этот процесс позволяет добиться максимальной плотности и однородности структуры композита.

Преимущества автоклавного формования: Высокая прочность и качество поверхности благодаря отсутствию пузырей и пор; отличная адгезия между слоями, так как высокое давление позволяет смоле глубоко проникать в материал; высокий уровень контроля качества, что делает метод идеальным для авиастроения и космической промышленности.

Автоклавное формование используется для производства компонентов, где важны предельно высокие механические свойства и минимальная масса, таких как обшивка самолетов и космических аппаратов. Этот метод обеспечивает отличное соотношение веса и прочности, но требует значительных затрат на оборудование и энергию. В авиационной промышленности автоклавное формование используется для создания обшивки фюзеляжа, что позволяет снизить массу самолета на 20 – 25% по сравнению с традиционными алюминиевыми панелями при аналогичных механических характеристиках [9].

4. Ручная укладка. Ручная укладка – один из самых простых и доступных методов производства сэндвич–композитов. В этом методе компоненты композита укладываются вручную слой за слоем. Каждый слой пропитывается связующим материалом (обычно это смола), после чего добавляются следующие слои. Процесс повторяется до достижения необходимой толщины и формы.

Преимущества ручной укладки: Гибкость в производстве, что позволяет создавать изделия сложных форм; низкие затраты на оборудование, так как метод не требует сложной техники; подходит для мелкосерийного и индивидуального производства, где требуется высокая адаптивность [17].

Однако ручная укладка требует высокой квалификации работников и контроля качества на всех этапах производства, чтобы избежать возникновения дефектов, таких как поры или неполное пропитывание волокон.

Ручная укладка используется для производства индивидуальных композитных элементов, таких как корпуса спортивных автомобилей или нестандартные детали яхт, где важна высокая степень кастомизации [10].

5. Инжекционное формование. Инжекционное формование – это технология, при которой материалы укладываются в закрытую форму, и затем связующее вводится под давлением. Этот метод сочетает в себе преимущества вакуумной инфузии и пресс – формования, обеспечивая равномерное распределение смолы и возможность массового производства.

Преимущества инжекционного формования: Высокая производительность, так как метод позволяет создавать большие объемы изделий за короткое время; отличная однородность структуры, что улучшает механические свойства; возможность использования сложных матриц, что позволяет изготавливать детали сложных форм с высокой точностью [18].

Метод инжекционного формования используется для производства деталей, где важны точность и механические свойства, таких как элементы приборных панелей в автомобилях и структурные элементы в авиации.

В производстве приборных панелей для автомобилей инжекционное формование позволило снизить время производства на 30% и повысить однородность структуры на 15% по сравнению с методами открытого литья [11].

6. Горячее прессование. Горячее прессование – это метод, который используется для производства композитов из термопластиковых материалов. Процесс включает нагревание материалов до температуры плавления и последующее прессование под давлением до полного отверждения. Этот метод обеспечивает высокую плотность и отличные механические свойства изделий.

Преимущества горячего прессования: Высокая плотность готового изделия, что улучшает механические свойства; краткое время производства, так как термопласты быстро застывают; экономичность для массового производства деталей, таких как автомобильные элементы и строительные панели [12].

В строительной отрасли горячее прессование используется для производства фасадных панелей с высоким уровнем теплоизоляции и устойчивости к внешним воздействиям.

Таким образом, каждый из методов производства сэндвич – композитов имеет свои уникальные преимущества и сферы применения. Эти методы позволяют создавать сэндвич–композиты, которые удовлетворяют самым разным требованиям, от массового производства до специализированных, высокотехнологичных решений, обеспечивая этим широкий спектр возможностей для различных отраслей промышленности.

Основное преимущество сэндвич–композитов – это их высокая удельная прочность, что позволяет снизить общий вес конструкции. Это особенно важно для аэрокосмической отрасли, где снижение веса напрямую влияет на топливную эффективность. Однако, как указывается в документе ГОСТ Р 56811–2015, существует ряд вызовов, связанных с надежностью соединений между слоями [6]. Например, слабое адгезионное соединение между слоями может стать причиной локального разрушения.

Кроме того, для повышения прочности сэндвич–композитов нередко применяют различные армирующие элементы. В исследовании, представленном О.Н. Любимовой, Е.В. Любимовым и В.В. Андреевым, рассмотрены стеклометаллокомпозиты, которые улучшают механические свойства за счет сочетания металла и стекловолокна [2].

Сэндвич – композиты широко применяются в различных отраслях благодаря их универсальности и возможности адаптации под специфические требования. Вот несколько конкретных примеров:

– Авиационная промышленность: В авиастроении сэндвич – композиты используются для создания легких и прочных панелей фюзеляжа, крыльев и внутренних перегородок. Применение этих материалов позволяет снизить массу самолета на 20–30%, что приводит к значительной экономии топлива. Например, панели, изготовленные с использованием сердцевины из алюминиевых сот и внешних слоев из углеродного волокна, обладают высокой устойчивостью к усталостным нагрузкам, что увеличивает срок их службы до 30 лет.

– Автомобильная промышленность: В производстве автомобилей сэндвич – композиты используются для изготовления капотов, дверей и крыш. Эти материалы позволяют снизить общий вес автомобиля, что положительно сказывается на экономии топлива и уменьшении выбросов углекислого газа. В одном из тестов капоты, выполненные из композитов с сердцевиной из пеноматериала и углеродным волокном, показали увеличение жесткости на 40% по сравнению с традиционными стальными капотами при снижении веса на 50%.

– Строительство: В строительной отрасли сэндвич – композиты находят широкое применение в качестве фасадных и крышеустойчивых панелей. Они обладают высокой тепло– и звукоизоляцией, устойчивостью к коррозии и воздействию погодных условий. Например, в одном из проектов по строительству многоэтажного здания были использованы панели с сердцевиной из пенополиуретана и внешними слоями из алюминия, что позволило снизить теплопотери на 30% по сравнению с традиционными стеновыми материалами [13].

Несмотря на множество преимуществ, сэндвич–композиты имеют и свои ограничения. К преимуществам относятся высокая удельная прочность (отношение прочности к весу), коррозионная стойкость, низкая теплопроводность и возможность создания конструкций сложной формы. Однако среди недостатков можно выделить сложности в переработке и утилизации композитов, а также зависимость характеристик от качества адгезии и выбранного метода производства [14].

Современные исследования направлены на решение этих проблем, включая разработку экологически чистых клеевых составов и использование биополимеров в качестве матриц. Внедрение нанокомпозитов, таких как углеродные нанотрубки, также обещает повысить прочностные характеристики материалов при сохранении легкости, что расширит область применения сэндвич – композитов в будущем [15].

Таким образом, сэндвич – композиты продолжают оставаться одной из наиболее перспективных областей материаловедения, предлагая уникальное сочетание прочности, легкости и многофункциональности, что делает их идеальными для различных применений, от космических кораблей до высотных зданий.

Заключение

В заключение можно отметить, что сэндвич-композиты представляют собой уникальные материалы, сочетающие в себе высокую прочность, легкость и устойчивость к внешним воздействиям. Их многослойная структура позволяет эффективно распределять нагрузки и минимизировать вес конструкции, что делает их незаменимыми в авиационной, судостроительной, строительной и автомобильной промышленности. Превосходные тепло- и звукоизоляционные свойства, а также стойкость к коррозии обеспечивают широкие возможности применения в различных условиях. Перспективы развития этих материалов связаны с совершенствованием технологий производства и использованием инновационных компонентов, что открывает новые горизонты для их применения в высокотехнологичных сферах.

Список литература:

1. Берлин, А.А. Полимерные композиционные материалы. — М.: Химия, 1986. — 520 с.
2. Любимова, О. Н. Армирующие элементы на основе стеклометаллокомпозита: анализ целесообразности их внедрения: учебное пособие для вузов / О. Н. Любимова, Е. В. Любимов, В. В. Андреев. — Владивосток: Изд-во Дальневосточного федерального университета, 2023. — 117 с. — ISBN 978-7-444-5539-2.
3. ГОСТ Р 56809–2015. Композиты полимерные. Метод определения предела прочности на сжатие.
4. Smith, J., Johnson, R., & Lee, T. Low-Velocity Impact Resistance of Honeycomb Sandwich Structures with CFRP Face Sheets / Journal of Composite Materials. — 2020. — Vol. 54, No. 8. — pp. 1107–1118. — DOI: 10.1177/0021998319876543.
5. Берлин A.A., Басин В.Е. Основы адгезии полимеров. - М.: Химия, 1974, 392 с.
6. ГОСТ Р 56811–2015. Композиты полимерные. Рентгенография материала внешних слоев.
7. Gutowski, T. G. Advanced Manufacturing Processes for Composites / T. G. Gutowski. — New York: Wiley, 2020. — 412 p.
8. Jayaraman, K. Sandwich Composites: Design and Analysis / K. Jayaraman, M. Saravanakumar. — Boca Raton: CRC Press, 2021. — 326 p.
9. Чавла, К.К. Композитные материалы: наука и инженерия / К.К. Чавла. — 3-е изд. — Нью-Йорк: Springer, 2012. — 542 с. — ISBN 978-1-4614-7464-7.
10. Strong, A. B. Fundamentals of Composites Manufacturing: Materials, Methods, and Applications / A. B. Strong. — 2nd ed. — Dearborn: Society of Manufacturing Engineers, 2008. — 641 p. — ISBN 978-0872638549.
11. Park, C. B. Polymer Foams: Technology and Developments in Resins, Processing, and Applications / C. B. Park, A. Lee, R. D. Knott. — 1st ed. — Boca Raton: CRC Press, 2007. — 480 p. — ISBN 978-0849339290.
12. Ломакин, В. В. Технология производства изделий из полимерных композиционных материалов / В. В. Ломакин, И. П. Анохин. — М.: Химия, 2005. — 304 с. — ISBN 5-7245-1221-3.
13. Галкин, А. В. Композиционные материалы: структура, свойства, технологии и применение / А. В. Галкин, Е. Ю. Руденко. — М.: Машиностроение, 2010. — 356 с. — ISBN 978-5-217-03425-5.
14. Баранов, Ю. Н. Композиционные материалы и их применение / Ю. Н. Баранов. — М.: Издательский дом МЭИ, 2013. — 416 с. — ISBN 978-5-383-00758-6.
15. Кодзоев, М.-Б. Х., Исаченко, С. Л. Сэндвич-панель: материалы и конструкции // Научная статья по строительству и архитектуре. — Электронная библиотека КиберЛенинка. — 2023.
16. Kumar, R., Sahoo, P. K., & Patnaik, A. Influence of Compression Molding Process Parameters on the Mechanical and Tribological Behavior of Hybrid Polymer Matrix Composites / R. Kumar, P. K. Sahoo, A. Patnaik // Materials. — 2021. — Vol. 14, No. 9. — pp. 2376. — DOI: 10.3390/ma14092376.
17. Khalid, M. Y., Arif, Z. U., Sheikh, M. F., & Nasir, M. A. Influence of Fibers in Hybrid Polymer Composites Fabricated by Hand Lay-Up Method / M. Y. Khalid, Z. U. Arif, M. F. Sheikh, M. A. Nasir // AIP Conference Proceedings. — 2021. — Vol. 2334. — pp. 120031. — DOI: 10.1063/5.0046792.
18. Cui, J., La Spina, A., & Fish, J. Data-Physics Driven Multiscale Approach for High-Pressure Resin Transfer Molding / J. Cui, A. La Spina, J. Fish // Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering. — 2023. — Vol. 417. — pp. 116405. — DOI: 10.1016/j.cma.2023.116405.