Композиционные материалы и их классификация

Композиционные материалы (композиты, КМ) – искусственно созданные материалы, состоящие из двух или более неоднородных и нерастворимых друг в друге компонентов, соединяемых между собой физико-химическими связями.

Одним из компонентов композиционных материалов является арматура, или наполнитель, обеспечивающие необходимые механические характеристики материала, а другим компонентом – матрица (или связующее), обеспечивающая совместную работу армирующих элементов. В качестве матрицы используют полимерные, металлические, керамические и углеродные материалы, в зависимости от типа которых композиционные материалы получают общее название.

Упрочнителями служат стеклянные, борные, углеродные, органические, нитевидные кристаллы (карбидов, боридов, нитридов и др.) и металлические проволоки, обладающие высокой прочностью и жесткостью. При формировании композиции эффективно используются индивидуальные свойства составляющих элементов композиций.

Свойства композиционных материалов зависят от состава компонентов, количественного соотношения и прочности связи между ними. Комбинируя объемное содержание компонентов, можно в зависимости от назначения получить материалы с требуемыми значениями прочности, жаропрочности, модуля упругости или получать композиции с необходимыми специальными свойствами, например магнитными и т.п.

Композиционные материалы имеют высокую удельную прочность, жесткость (модуль упругости 130–140 ГПа), высокие износостойкость, усталостную прочность. Из них можно изготовить размеростабильные конструкции. Композиционные материалы являются весьма перспективными конструкционными материалами для многих отраслей машиностроения.

Но некоторые виды композитов имеют недостатки: высокую стоимость, анизотропию свойств, повышенную наукоемкость производства, необходимость специального дорогостоящего оборудования и сырья, а следовательно, развитого промышленного производства и научной базы.

Композиционные материалы классифицируют по геометрии наполнителя, расположению его в матрице и природе компонентов, схеме расположения наполнителей, по природе компонентов, структуре композиционного материала.

По природе компонентов композиционные материалы (КМ) делят на четыре группы:

1. КМ, содержащие компоненты из металлов или сплавов;
2. КМ, включающие компоненты из неорганических соединений оксидов, карбидов, нитридов и др.;
3. КМ, состоящие из неметаллических элементов, углерода, бора и др.;
4. КМ, содержащие компоненты из органических соединений (эпоксидные, полиэфирные, фенольные и другие смолы).

По структуре композиты делятся на несколько основных классов: волокнистые, слоистые, дисперсно-упрочненные, упрочненные частицами и нанокомпозиты.

Волокнистые композиты армированы волокнами или нитевидными кристаллами. Механические свойства композита могут изменяться за счет ориентации размера и концентрации волокон. Кроме того, армирование волокнами позволяет придать материалу анизотропию свойств (различие свойств в разных направлениях). За счет добавки волокон проводников можно придать материалу электропроводность вдоль заданной оси. В слоистых композиционных материалах матрица и наполнитель располагаются слоями.

Остальные классы композиционных материалов характеризуются наполнением матрицы частицами армирующего вещества, различающегося дисперсностью частиц. Так, дисперсно-упрочненные композиты включают от 1 до 15% (по объему) частиц размером от 0,01 до 0,1 мкм. Композиты, упрочненные частицами, содержат 20–25% (по объему) частиц размером более 1 мкм. Размеры частиц, входящих в состав нанокомпозитов, составляют 10–100 нм.

Композиционные материалы. Свойства композиционных материалов. Применение композиционных материалов. Эвтектические и полимерные композиционные материалы.

Композиционные материалы

– искусственно созданные материалы, которые состоят из двух или более компонентов, различающихся по составу и разделенных выраженной границей, и которые имеют новые свойства, запроектированные заранее.

Компоненты композиционного материала различны по геометрическому признаку. Компонент, непрерывный во всем объеме композиционного материала, называется матрицей. Компонент прерывистый, разделенный в объеме композиционного материала, называется арматурой. Матрица придает требуемую форму изделию, влияет на создание свойств композиционного материала, защищает арматуру от механических повреждений и других воздействий среды.

В качестве матриц в композиционных материалах могут быть использованы металлы и их сплавы, полимеры органические и неорганические, керамические, углеродные и другие материалы. Свойства матрицы определяют технологические параметры процесса получения композиции и ее эксплуатационные свойства: плотность, удельную прочность, рабочую температуру, сопротивление усталостному разрушению и воздействию агрессивных сред. Армирующие или упрочняющие компоненты равномерно распределены в матрице. Они, как правило, обладают высокой прочностью, твердостью и модулем упругости и по этим показателям значительно превосходят матрицу. Вместо термина армирующий компонент можно использовать термин наполнитель.

Классификация композиционных материалов

По геометрии наполнителя композиционные материалы подразделяются на три группы:

• с нульмерными наполнителями, размеры которых в трех измерениях имеют один и тот же порядок;
• с одномерными наполнителями, один из размеров которых значительно превышает два других;
• с двухмерными наполнителями, два размера которых значительно превышают третий.

По схеме расположения наполнителей выделяют три группы композиционных материалов:

• с одноосным (линейным) расположением наполнителя в виде волокон, нитей, нитевидных кристаллов в матрице параллельно друг другу;
• с двухосным (плоскостным) расположением армирующего наполнителя, матов из нитевидных кристаллов, фольги в матрице в параллельных плоскостях;
• с трехосным (объемным) расположением армирующего наполнителя и отсутствием преимущественного направления в его расположении.

По природе компонентов композиционные материалы разделяются на четыре группы:

• композиционные материалы, содержащие компонент из металлов или сплавов;
• композиционные материалы, содержащие компонент из неорганических соединений оксидов, карбидов, нитридов и др.;
• композиционные материалы, содержащие компонент из неметаллических элементов, углерода, бора и др.;
• композиционные материалы, содержащие компонент из органических соединений эпоксидных, полиэфирных, фенольных и др.

Свойства композиционных материалов зависят не только от физико-химических свойств компонентов, но и от прочности связи между ними. Максимальная прочность достигается, если между матрицей и арматурой происходит образование твердых растворов или химических соединений.

В композиционных материалах с нульмерным наполнителем наибольшее распространение получила металлическая матрица. Композиции на металлической основе упрочняются равномерно распределенными дисперсными частицами различной дисперсности. Такие материалы отличаются изотропностью свойств.

В таких материалах матрица воспринимает всю нагрузку, а дисперсные частицы наполнителя препятствуют развитию пластической деформации. Эффективное упрочнение достигается при содержании 5…10 % частиц наполнителя. Армирующими наполнителями служат частицы тугоплавких оксидов, нитридов, боридов, карбидов. Дисперсионно упрочненные композиционные материалы получают методами порошковой металлургии или вводят частицы армирующего порошка в жидкий расплав металла или сплава.

Промышленное применение нашли композиционные материалы на основе алюминия, упрочненные частицами оксида алюминия (Al₂O₃). Их получают прессованием алюминиевой пудры с последующим спеканием (САП). Преимущества САП проявляются при температурах выше 300^oС, когда алюминиевые сплавы разупрочняются. Дисперсионно упрочненные сплавы сохраняют эффект упрочнения до температуры 0,8 Т_пл.

Сплавы САП удовлетворительно деформируются, легко обрабатываются резанием, свариваются аргонодуговой и контактной сваркой. Из САП выпускают полуфабрикаты в виде листов, профилей, труб, фольги. Из них изготавливают лопатки компрессоров, вентиляторов и турбин, поршневые штоки.

В композиционных материалах с одномерными наполнителями упрочнителями являются одномерные элементы в форме нитевидных кристаллов, волокон, проволоки, которые скрепляются матрицей в единый монолит. Важно, чтобы прочные волокна были равномерно распределены в пластичной матрице. Для армирования композиционных материалов используют непрерывные дискретные волокна с размерами в поперечном сечении от долей до сотен микрометров.

Материалы, армированные нитевидными монокристаллами, были созданы в начале семидесятых годов для авиационных и космических конструкций. Основным способом выращивания нитевидных кристаллов является выращивание их из перенасыщенного пара (ПК-процесс). Для производства особо высокопрочных нитевидных кристаллов оксидов и других соединений осуществляется рост по П-Ж-К – механизму: направленный рост кристаллов происходит из парообразного состояния через промежуточную жидкую фазу.

Осуществляется создание нитевидных кристаллов вытягиванием жидкости через фильеры. Прочность кристаллов зависит от сечения и гладкости поверхности.

Композиционные материалы этого типа перспективны как высокожаропрочные материалы. Для увеличения КПД тепловых машин лопатки газовых турбин изготавливают из никелевых сплавов, армированных нитями сапфира (Al

2O₃), это позволяет значительно повысить температуру на входе в турбину (предел прочности сапфировых кристаллов при температуре 1680^oС выше 700 МПа).

Армирование сопл ракет из порошков вольфрама и молибдена производят кристаллами сапфира как в виде войлока, так и отдельных волокон, в результате этого удалось удвоить прочность материала при температуре 1650^oС. Армирование пропиточного полимера стеклотекстолитов нитевидными волокнами увеличивает их прочность. Армирование литого металла снижает его хрупкость в конструкциях. Перспективно упрочнение стекла неориентированными нитевидными кристаллами.

Для армирования композиционных материалов применяют металлическую проволоку из разных металлов: стали разного состава, вольфрама, ниобия, титана, магния – в зависимости от условий работы. Стальная проволока перерабатывается в тканые сетки, которые используются для получения композиционных материалов с ориентацией арматуры в двух направлениях.

Для армирования легких металлов применяются волокна бора, карбида кремния. Особенно ценными свойствами обладают углеродистые волокна, их применяют для армирования металлических, керамических и полимерных композиционных материалов.

Эвтектические композиционные материалы – сплавы эвтектического или близкого к эвтектическому состава, в которых упрочняющей фазой выступают ориентированные кристаллы, образующиеся в процессе направленной кристаллизации. В отличие от обычных композиционных материалов, эвтектические получают за одну операцию. Направленная ориентированная структура может быть получена на уже готовых изделиях. Форма образующихся кристаллов может быть в виде волокон или пластин. Способами направленной кристаллизации получают композиционные материалы на основе алюминия, магния, меди, кобальта, титана, ниобия и других элементов, поэтому они используются в широком интервале температур.

Полимерные композиционные материалы. Особенностью является то, что матрицу образуют различные полимеры, служащие связующими для арматуры, которая может быть в виде волокон, ткани, пленок, стеклотекстолита. Формирование полимерных композиционных материалов осуществляется прессованием, литьем под давлением, экструзией, напылением.

Широкое применение находят смешанные полимерные композиционные материалы, куда входят металлические и полимерные составляющие, которые дополняют друг друга по свойствам. Например, подшипники, работающие в условиях сухого трения, изготовляют из комбинации фторопласта и бронзы, что обеспечивает самосмазываемость и отсутствие ползучести.

Созданы материалы на основе полиэтилена, полистирола с наполнителями в виде асбеста и других волокон, обладающие высокими прочностью и жесткостью.

Состав композиционных материалов — Справочник химика 21

    При изучении и прогнозировании горючести полимерных композиционных материалов необходимо прежде всего знать, как ведут себя при горении отдельные компоненты, входящие в их состав. Каждый компонент, входящий в состав композиции, является ли он поли.мером, органическим или неорганическим веществом, вносит определенный вклад в горючесть композиции в целом. Хотя присутствие негорючих компонентов может оказывать заметное влияние на горючесть полимерных композиций, однако решающее влияние на характер процесса горения и скорость потери массы при горении композиционного материала оказывает природа и количество полимера. [c.320]

    Полимерцементные материалы относятся к композиционным вяжущим, получаемым на основе неорганической составляющей (портландцемент, глиноземистый цемент, гипс и др.) в сочетании с органическим компонентом [20]. В качестве органического компонента используются водорастворимые материалы (эпоксидные, карбамидные и фура-новые смолы, производные целлюлозы и др.) и водные дисперсии полимеров (поливинилацетат, латексы, эмульсии кремнийорганических полимеров). Применяются также мономерные и олигомерные соединения, которые полимеризуются при гидратации вяжущего материала под действием отвер-дителей и инициаторов, температуры, рН-среды и т. п. Полимерный компонент вводится либо в воду затворения, а затем используется при приготовлении растворной или бетонной смеси, либо вводится в виде порошкообразного компонента в состав сухой смеси на основе вяжущего вещества, а затем при затворении растворной или бетонной смеси водой диспергируется в водной среде, а при твердении растворов полимеризуется [10]. Свойства получаемых материалов зависят от многих факторов вида и качества цемента, вида полимера, полимерцемент-ного отношения (П/Ц), водоцементного отношения (В/Ц) и др. Полимерцементное отношение определяется как отношение массовой доли полимера (в расчете на сухое вещество) и цемента в композиционном вяжущем. Для полимерцементных материалов характерно отношение П/Ц > 0,2-0,4, когда полимерная фаза образует в цементном камне органическую структуру. При П/Ц = 0,2-0,25 кристаллизационно-коагуляционная структура цементного камня в местах дефектов (полы, трещины) укрепляется полимерной составляющей, что и обусловливает формирование более прочной и эластичной структуры. При П/Ц > 0,25 полимер образует непрерывную полимерную сетку. В полимерцементных композициях не наблюдается взаимодействие между органической и неорганической фазами [20]. Органические фазы взаимодействуют с гид-ратными фазами только за счет ионных и водородных связей и сил Ван-дер-Ваальса. В присутствии полимерных добавок изменяется кинетика гидратации портландцемента, причем с ростом П/Ц наблюдается замедление скорости взаимодействия цемента с водой. [c.295]

    Попытки установить зависимости между механическими характеристиками изделий и компонентов, входящих в состав композиционного материала, многочисленны, но предлагаемые формулы не всегда удобно применять в инженерной практике. Кроме того, при выводе формул обычно принимаются во внимание лишь соотношения между некоторыми характерными свойствами (прочность, модуль упругости, коэффициент Пуассона), которые считаются определяющими [42, с. 41]. Однако нельзя не принимать во внимание различия в релаксационном характере свойств различных компонентов пластиков. Необходимость учета большого числа факторов в ряде случаев затрудняет создание расчетных формул общего вида [54]. Иногда целесообразны расчетные формулы частного характера, справедливые для какого-либо определенного состава композиции. Примерами могут служить приближенные зависимости для расчета стеклопластиков, в которых использованы маты, непрерывные волокна или ткани [55, с. 1 56, с. 43]. [c.24]

    Успешное применение полимерных композиционных материалов возможно только тогда, когда оценены вероятность загорания и условия горения, поскольку только в этих случаях можно подобрать состав композиционного материала так, чтобы он удовлетворял предъявляемым к нему требованиям. [c.360]

    Часто особенности технологии изготовления изделий, специфика условий их эксплуатации или экономические соображения вынуждают изготовителя вводить в состав композиционного материала компоненты, плохо совместимые или вообще не совместимые с полимерной основой и другими ингредиентами композита. Применительно к полимерным пленкам наиболее часто подобная ситуация возникает при введении красителей (пигментов), стабилизаторов и других добавок, выбор которых ограничен требованиями достижения определенного эксплуатационного свойства готового изделия даже в ущерб другим характеристикам материала. [c.88]

    Не претендуя на полноту предложенной нами классификации, отметим, что она дает достаточно правильное представление о том, что надо относить к полимерным композиционным материалам. Этот принцип классификации основывается прежде всего на размерном параметре вводимых в полимерную матрицу компонентов дисперсные частицы, анизотропные материалы (волокна и ткани) и полимерные частицы в смесях. Хотя теоретически структуры вводимых в полимер веществ следует характеризовать большим числом параметров (форма, размер, распределение по размерам, ориентация, состав и т.п.), наиболее легко определяемым и поддающимся классификации является средний размер частицы дисперсной фазы. При этом понятие «фаза используется как описательное, а не термодинамическое определение структурно-однородной части материала, поскольку вводимые в полимер дисперсные и волокнистые наполнители сами по себе могут быть гетерофазны-ми системами. [c.10]

    Исследования свойств фосфогипса показали, что в его составе имеются примеси, оказывающие негативное влияние на свойства получаемого из него гипсового вяжущего. Так как фосфогипс в предложенной технологии используется в естественном состоянии, изучали влияние примесей фосфогипса на свойства гипсового вяжущего, входящего в состав композиционной смеси и получаемого прессованного материала. [c.66]

    Состав новых рецептур полимерных композиций основывается на подборе оптимального сочетания полимера и добавок, взаимное влияние которых определяет появление у композиции и изделий из нее требуемых свойств. Очевидно, что технологические свойства композиционного материала, характеризующие его способность к переработке в изделия различными методами, зависят от свойств базовой марки полимера. [c.12]

    Так как толщина пристенного слоя и его состав для каждого композиционного материала могут быть приняты постоянными, не зависящими от параметров процесса течения, получение реологических свойств среды пристенного слоя не вызывает затруднений, и для этого могут быть использованы стандартные вискозиметрические методы. [c.66]

    Клей представляет собой композиционный материал, в состав-которого входят связующее, носитель, катализаторы и отверди-гели, различные модифицирующие добавки [c.447]

    Так, например, блок конечного продукта требует достижения в конце прессования определенного качества материала, поэтому результат решения модели блока конечного продукта (оптимальный химический состав Х°) вводится как ограничение в модель прессования. Решения таких композиционных структур рассмотрены в работе [84]. [c.224]

    Для совмещения термопластичных полимеров с такими армирующими наполнителями, как ткани, волокна или стальная проволока, можно использовать полимерные пленки, получаемые экструзией. При этом наполнитель укладывается между слоями пленок и материал спрессовывается при повышенной температуре. Технологические трудности, возникающие из-за высокой вязкости расплавов полимеров, можно исключить, используя порошкообразные полимеры, спекаемые в присутствии наполнителя. Однако при этом неполное спекание может приводить к образованию несвязанных и связанных между собой пустот. Термопластичные полимеры можно подвергнуть вспениванию при экструзии или литье под давлением, если в их состав вводить порофоры, которые разлагаются с образованием паров, или газообразных продуктов, либо другие вещества, способные переходить в газообразное состояние при резком снижении давления, например, при выходе расплава полимера из экструзионной головки. Вспененные материалы (пенопласты) часто не относят к композиционным, хотя они являются типичными композиционными материалами. [c.366]

    Для регулирования межфазового взаимодействия в вьтсоконаполненной композиционной системе олигомер — огнеупорный наполнитель был использован метод модификации олигомера поверхностно-активными веществами (олигооксипропиленгликоли различной молекулярной массы, четвертичные аммониевые основания и др.). Результаты исследования показывают, что введение ПАВ в олигомер способствует усилению межфазового взаимодействия и позволяет направленно в широких пределах регулировать свойства композиционных материалов. Введение в состав связующего поверхно-стно-активньпс веществ позволило значительно повысить прочность композиционного материала. [c.14]

    Более эффективной представляется технология пиролиза лакокрасочных отходов. По этой технологии шлам, содержащий краску, например автомобильную, сушат при температуре не более 200°С с целью удаления воды и органических растворителей. Сухой шлам подвергают пиролизу в инертной (N2, Аг) атмосфере при 600°С с образованием газообразных и жидких продуктов, а также сухого остатка. Газообразные и жидкие продукты улавливают и получают из них угольные материалы. Сухой остаток спекают при 900-1300 С в атмосфере N2, Аг, ЫНз до образования неорганического композиционного материала, содержащего нитрат бария и соединения титана, например его диоксида и карбида (металлы входят в состав красок) (Ь)аги1а…). [c.277]

    Наряду с аппликационными материалами, в которых в качестве адсорбционной составляющей применяются углеродные адсорбенты, разработаны различные композиционные материалы на основе неорганических адсорбентов. Данные лечебные медицинские накладки предназначены для лечения гнойных ран путем интенсивного поглощения образующегося экссудата, подавления действия токсинов и вьщеления в раневую область лекарственного препарата. В состав одного из таких композиционных материалов, разработанного в Санкт-Петербургском государственном технологическом институте (техническом университете) совместно с МОЛГМИ (Московский государственный медицинский институт им. И.И. Пирогова), входит полимер — супервлагопоглотитель, неорганический адсорбент и лекарственный препарат. Сущность процесса заключается в следующем. Полимерный материал, обладающий высокой абсорбционной способностью по капельножидкой влаге, обеспечивает поглощение водянистых выделений из раны. При этом гидрофильный адсорбент с нанесенным на активную поверхность лекарственным препаратом, также подвергается воздействию влаги и поглощает ее, пролонгированно выделяя в раневую, гнойную область заданное лекарство. Таким образом композиционный материал обеспечивает обезвоживание и сушку раны, а также подавление характерной для нее токсичной микрофлоры. Используемые в композиционном материале компоненты имеют разрешение для [c.570]

    Пиролиз органических волокон сопровождается увеличением их пористости. Высокомодульные карбоволокна имеют поры вытянутой формы, отличаются от низкомодульных ориентацией бороздок и трещин вдоль оси волокна и их меньшей концентрацией на поверхности. По-видимому, при вытяжке происходит сглаживание части поверхностных дефектов, особенно эффективное при высокотемпературной обработке волокон [19]. Поры на поверхности карбоволокон имеют разные размеры. Крупные поры диаметром несколько сотен ангстрем при формовании композиционного материала заполняются связующим, при этом прочность сцепления связующего с наполнителем повышается. Большая часть пор на поверхности волокон имеет диаметр несколько десятков ангстрем. В столь малые полости могут проникать только низкомолекулярные компоненты связующего, и у поверхности наполнителя происходит молекулярно-ситовое перераспределение связующего, изменяющее его состав. На рис. У.Ю представлена [20] зависимость предельных значений адсорбции от молекулярного веса компонентов, входящих в состав резольной смолы, поверхностью низкомо- [c.211]

    Таким образом, применение статистических методов планирования эксперимента позволяет при минимальном количестве опытов оптимизировать состав термостабилизирующей системы для композиционного материала. [c.99]

    Оптимальные составы композиционного материала должны характеризоваться не только хорошей совместимостью компонентов, входящих в их состав, но и возможно более высокими показателями основных эксплуатационных характеристик. Используя метод симплекс-ре-шетчатого планирования, можно оптимизировать исследуемь)й материал по всем показателям, интересующим потребителя. Для этого с помощью ЭВМ рассчитывают координаты линий постоянного значения для всех исследуемых свойств. Затем на симплекс наносят изолинии предельных значений нескольких наиболее существенных для эксплуатации данного материала параметров, ограничивая таким образом область оптимального состава материала. На рис. 3.16 приведен пример нахождения оптимального состава композиций на основе полиэтилена, пластификатора (вакуумное масло) и консерванта, используемых для изготовления пленок, применяемых при упаковке скоропортящихся продуктов. Ка диаграмме нанесены, изолинии предельно допустимых значений параметров оптимизации (сохранность продукта в баллах, формуемость и жесткость пленок). Стрелками показано желательное направление изменения параметров. Область оптимального состава не должна выходить за пределы, ограниченные изолиниями предельно допустимых значений параметров оптимизации. [c.100]

    Композиционные материалы — это гете-рофазные системы, состоящие из двух или более компонентов, в которых сохраняются индивидуальные свойства каждого компонента. Композиционные материалы по совокупности различных свойств выгодно отличаются от других конструкционных материалов во-первых, состав и форма компонентов определяются заранее во-вторых, вид и количественный состав компонентов подбирается в зависимости от заданных свойств формируемого материала в-третьих, сформированный материал является однородным в макромасштабе и неоднородным. на микроуровне компоненты различаются по свойствам и между ними существует граница раздела — межфазный слой. Как правило, компоненты композиций различают по геометрическому признаку. [c.756]

---

Виды и применение композитных материалов

Эта статья продолжает рассказ о полимерных композитах, знакомит читателя с композитами на основе металлов и керамическими композитными материалами. Также в ней рассказывается об основных видах применения композитов.

• Органопластики с органическими волокнами естественного и искусственного происхождения. Легче, чем стекло- и углепластики. Отличаются высокой прочностью на удар, но низкой — на растяжение/изгиб. К пластикам этого типа относится, например, кевлар.
• Текстолиты, изготовленные из матрицы из полимера и тканей различной природы в качестве наполнителя. Некоторые текстолиты изготавливаются с матрицей из неорганических веществ (силикатов, фосфатов). Свойства материалов очень разнообразны, зависят от вида волокон ткани. Волокна производят из хлопка, асбеста, базальта, стекла, искусственных материалов и пр.
• Полимеры с порошковым заполнением (полиэтилены, полипропилены, смолы с различными наполнителями, например, тальком, крахмалом, сажей, карбонатом кальция и пр.) — разработано уже более 10 тыс. видов пластиков этого типа. Обратите внимание, что у нас можно купить различные наполнители и другое необходимое сырье для изготовления композитов.

Композиты на основе металлов

Металлокомпозиты изготавливают на основе многих цветных металлов, например, меди, алюминия, никеля. Для наполнения берутся волокна, устойчивые к высоким температурам, не растворяющиеся в основе. Чаще всего используются металлические волокна или монокристаллы из оксидов, нитридов, керамики, карбидов, боридов. Благодаря этому получаются композиты, гораздо более огнестойкие, прочные и износоустойчивые, чем исходный чистый металл.

Керамические композиты

Керамические композиты изготавливают методом спекания под давлением исходной керамической массы с добавлением волокон или частиц. В качестве наполнителей чаще всего применяются металлические волокна — получаются керметы. Они отличаются устойчивостью к тепловому удару, высокой теплопроводностью.

Керметы используются для производства износоустойчивых и термостойких деталей, например, газовых турбин, электропечей. Также они востребованы для изготовления режущего инструмента, деталей тормозных систем, тепловыделяющих стержней для атомных реакторов.

Применение композитов

Композитные материалы уже сейчас используются практически во всех областях производства. Их применяют:

• в строительстве;
• производстве безопасных и бронированных стекол для транспортных средств, витрин и дверей;
• медицинских протезов;
• покрытий для кухонных столов и основы для электронных плат;
• деталей и корпусов бытовых приборов;
• оконных рам и многого другого.

Это интересно: композиты с экстремальными свойствами востребованы в самолето-, авто-, судо- и ракетостроении. Они нужны при производстве деталей для космических аппаратов, атомных станций, спортивного инвентаря (например, легких и прочных велосипедов). Применяются для изготовления элементов приборов и оборудования, эксплуатирующихся в агрессивных средах и при высоких температурах.

Композитная история

Произнося слово «композитный», большинство из нас представляет что-то современное и инновационное. Например, обшивку для космического корабля или новейшего самолета, в крайнем случае – композитную пломбу или коронку на зуб. Редко мы задумываемся над тем, что композиты появились несколько тысяч лет назад, уходят своими корнями в Древний Египет. Об истории развития композитных материалов в мире, их современном применении и перспективах – в нашем материале.

История и устройство: от железобетона до нанокомпозитов

Композитный материал или просто композит – это материал, состоящий из двух или более компонентов, каждый из которых обладает различными физическими и химическими свойствами. При этом в сочетании друг с другом они создают новый материал или улучшают характеристики одного из них. Сегодня многие исследователи уверены, что за этими материалами будущее и называют XXI столетие веком композитов. Удивительно, но сама идея их создания родилась задолго до нашей эры.

Композитами, по сути, можно назвать даже саманные кирпичи, которые использовались в Древнем Египте. Главными компонентами такого древнего композита выступали глина и солома. Еще один пример античного композитного материала – бетон, который придумали древние римляне. Такой композит из смеси вяжущего вещества и дробленых камней использовался при строительстве масштабных зданий той эпохи. К примеру, знаменитый Пантеон считается самым крупным зданием в мире, купол которого выполнен из неармированного бетона.

Первым же «официальным» композитным материалом стал железобетон, который появился в конце XIX века. На его примере легко объяснить принцип строения композитов. Железобетон включает в себя два компонента: металлическую сетку и бетон. Главное, что граница между ними хорошо различима. Это и есть основная характеристика любого композита – он состоит из нескольких материалов, но с четкой границей между ними. Для сравнения, другой многокомпонентный материал – сталь – не является композитом. В ней углерод внедряется в кристаллическую решетку железа, и граница исчезает. Итак, в составе композита выделяют матрицу и наполнитель. Изменяя их состав и соотношение можно получить множество видов новых материалов с различными свойствами.

По структуре композиты делятся на несколько основных классов: волокнистые, дисперсно-упрочненные, упрочненные частицами и нанокомпозиты. Как следует из названия, волокнистые композиты армированы волокнами или нитевидными кристаллами. Самыми простыми и наглядными примерами могут послужить кирпичи с соломой и папье-маше.

Остальные три вида композиционных материалов объединяет тот факт, что их матрицы наполнены частицами армирующего вещества, а различаются они размерами этих частиц. В композитах, упрочненных частицами, их размер больше 1 мкм, а содержание составляет 20-25% от общего объема, тогда как в дисперсно-упрочненных композитах до 15% частиц размером от 0,01 до 0,1 мкм. Нанокомпозиты являются новым поколением композиционных материалов. В их состав входят частицы совсем маленькие – размером до 100 нм.

Эра пластика: универсальность полимерной матрицы

Различные волокна или кристаллы в композитах наполняют основную матрицу. Она в свою очередь тоже может быть разной: полимерной, деревянной, керамической или на основе металла. Композиты, в которых матрицей служит полимерный материал, являются сегодня самыми распространенными.

Пластик считается одним из основных новшеств прошлого века. Этот легкий и удобный материал обладал одним недостатком – хрупкостью. Именно эту проблему технологам удалось решить, армировав пластик по аналогии с железобетоном. Так появились углепластики и стеклопластики – полимерные материалы, с которыми мы связываем само понятие «композиты».

Использование стеклопластиков, где наполнителем является расплавленное неорганическое стекло, началось в середине XX века в оборонной промышленности. Тогда из них изготавливались антенные обтекатели. Сегодня стеклопластики широко используют в строительстве, судостроении, радиоэлектронике, производстве бытовых предметов, например, оконных рам, и так далее.

Углепластики – полимерные композиты, где наполнителем служат углеродные волокна. Легкость и высокая прочность – основные достоинства этих материалов. Углепластик в пять раз легче стали и примерно вдвое легче алюминия. Есть углепластики, которые способны на протяжении долгого времени выдерживать температуры до 3000 °С. Они применяются для создания высокотемпературных деталей ракет и самолетов. Например, для изготовления тормозных колодок для скоростных самолетов и многоразовых космических кораблей.

Композиты в небе и на земле 

В свое время именно прогресс в космической сфере стал стимулом для развития композитной отрасли. В нашей стране лидером данного направления было и есть Обнинское научно-производственное предприятие «Технология». Первые обнинские композитные материалы еще в 1980-х годах были испытаны на стойкость на планете Венера – вошли в состав одноименных советских космических аппаратов. Чуть позже «Технология» присоединилась к самому масштабному космическому проекту страны – разработке корабля многоразового использования «Буран». Космоплан должен был выдержать температуру 1500 °С во время входа в атмосферу. Специалистами «Технологии» была создана специальная керамическая плитка для обшивки. Для «Бурана», который совершил полет в 1988 году, было выпущено почти 40 тыс. таких плиток.

В Обнинске были разработаны и крупногабаритные композиционные конструкции, например, головной обтекатель ракеты-носителя «Протон». Благодаря использованию композитов «Протон» «скинул» почти полторы тонны, что имело огромный экономический эффект. Ведь вывести на орбиту тонну груза стоит почти столько же сколько тонна золота.

Сегодня «Технология» производит множество композиционных конструкций для космоса и авиации. Это обтекатели для ракет-носителей, панели для самых современных спутников, детали для военных и гражданских самолетов. К примеру, на предприятии создаются композитные конструкции для новейшего авиалайнера МС-21 и двигателей самолета Sukhoi Superjet 100.

Композиты сейчас применяются не только в космической индустрии и авиастроении, их можно встретить везде. Например, еще в 1980-х годах они «перекочевали» в автопром. Наглядной рекламой композитов для автомобилестроения послужила тогда победа на международных автогонках первого углепластикового болида. С тех пор с каждым годом объем композитов в современных машинах растет. Их использование позволяет снизить массу автомобиля примерно на четверть, а значит повысить эффективность двигателя и уменьшить расход горючего.

По мере развития науки композитные материалы становятся разнообразнее и дешевле. Всего столетие назад европейские монархи заказывали алюминиевые короны и сервировали столы алюминиевой посудой – тогда алюминий стоил дороже золота. Позже алюминий научились изготавливать в промышленных масштабах, и сегодня любой может купить газировку в алюминиевой банке и использовать фольгу. Композиты проходят тот же путь, и их развитие способно предоставить промышленности совершенно новые технологические возможности.

Дополнительные компоненты для композитных материалов: ИА «Кам 24»

В современной промышленной сфере активно используются композитные материалы. Они производятся из нескольких составных компонентов, которые обуславливают их технические и эксплуатационные характеристики. Основа композитного состава представлена полимерной смесью или керамикой. Для дополнительного армирования используются наполнители в виде волокон, разнообразных частиц или нитевидных кристаллов. Процесс производства композитных материалов предусматривает применение различных методов: пропитка армирующих компонентов матричным составом, использование пресс-форм, осаждение плазменным напылением с последующим обжатием. Качественная продукция получается при добавлении в рабочий состав отвердителей, катализаторов и пигментных паст.

Наполнители для композитных материалов

Наполнители – это специальные добавки (https://www.polypark.ru/catalog/additive/) для подготовленной композитной смеси, которые используются для придания определенных эксплуатационных характеристик. Такая добавка как Akperox A50, представляющая собой смесь пероксида и метидэтилкетона, активно применяется при производстве:

• гидроустойчивого ламината;
• сантехнических элементов;
• труб;
• автотранспортной облицовки.

В роли тиксотропной добавки к композитным материалам используется аэросил. Он представляет собой микронизированный порошок с голубовато-белым оттенком. Препарат выполняет роль загустителя. Его смесь со смолянистыми составами может применяться для выполнения шпаклевочных работ. Полученный материал отличается высоким уровнем плотности и прочности. В процессе производства синтетического камня используется тригидрат алюминия. Белый на цвет порошок обладает качествами антипирена. Он придает изделиям уникальные эксплуатационные свойства. Продукция характеризуется высокими механическими параметрами, огнестойкостью и невысоким уровнем дымообразования. Производителями композитных материалов часто используется добавка Alufy 6, которая идеально подходит для изделия, основа которых состоит из эпоксидных, полиэфирных или акриловых смол, поливинилхлорида, целлюлозных материалов. Чтобы поверхность готовых композитных изделий оставалась сухой и не липкой, рекомендуется добавлять парафин в стироле.

Преимущества применения пигментных паст в композитных материалах

Пигментные пасты – это основа тонировки композитных материалов. Их применение имеет много преимуществ перед использованием сухих красящих смесей:

• соблюдение санитарно-гигиенических норм в производственных цехах;
• экономия финансовых расходов;
• цветовая насыщенность готовых изделий.

Пигментные пасты выпускаются с широким диапазоном оттенков. Они гарантируют равномерность окрашивания материала. В колеровочных составах сочетается множество мелкодиспенсерных элементов. Они применяются для окрашивания нитроцеллюлозной продукции, ПВХ, различных видов смол. Современные виды пигментных паст отличаются морозостойкостью и возможностью экономного расходования.

Матричные композиты

Композитный материал, также называемый композиционный материал или композит — это искусственно созданный неоднородный сплошной материал, состоящий из двух или более компонентов, различных по физическим и химическим свойствам, которые остаются раздельными на макроскопическом уровне в финишной структуре. Механическое поведение композита определяется соотношением свойств армирующих элементов и матрицы, а также прочностью связи между ними. Эффективность и работоспособность материала зависят от правильного выбора исходных компонентов и технологии их совмещения, призванной обеспечить прочную связь между компонентами при сохранении их первоначальных характеристик. Самый примитивный композитный материал – это кирпичи из глины и соломы, которые применялись в строительстве еще в древнем Египте. Космические корабли служат примерами самых продвинутых композитов, выдерживающих работу в экстремальных средах. Самый распространенный композит это асфальтобетон или цемент со стальной арматурой. Также мы можем встретить его и на кухне, где из композитного материала делают столешницы, с гранитной или мраморной крошкой. В состав композитного материала входит две категории элементов: матрица и армирующее вещество. Здесь надо отметить, что слово «матрица» приобрело несколько искаженное значение. Им часто называют оснастку или форму, по которой создается изделие. Далее слово «матрица» употребляется только в значении связующего вещества в композитном материале. Материал матрицы окружает и фиксирует армирующий материал, придает изделию форму. Армирующее вещество передает изделию свои механические и физические свойства, и, таким образом, усиливает свойства матрицы. Такая взаимосвязь позволяет создать более совершенный материал с набором свойств, недоступным каждому из входящих в его состав материалов в отдельности. Широкая гамма армирующих и матричных материалов дает возможность создавать материал с теми свойствами, которые соответствуют назначению изделия. Понятие «матрица» употребляется только в значении связующего вещества в композитном материале. Материал матрицы окружает и фиксирует армирующий материал, придает изделию форму. Армирующее вещество передает изделию свои механические и физические свойства, и, таким образом, усиливает свойства матрицы. Такая взаимосвязь позволяет создать более совершенный материал с набором свойств, недоступным каждому из входящих в его состав материалов в отдельности. Широкая гамма армирующих и матричных материалов дает возможность создавать материал с теми свойствами, которые соответствуют назначению изделия. Для того, чтобы придать форму композитному материалу используется оснастка. Матричный материал укладывается в оснастку вместе с армирующим материалом. Затем матрица застывает, тем самым создавая форму изделия. В зависимости от того, что за материал используется в качестве матрицы, этот процесс называют химической полимеризацией или схватыванием. Термин «композитный материал» наиболее часто применяется в отношении композитов на основе полимерных матриц или смолы. Полимеры очень разнообразны, нам интересно несколько видов называемых по названию основных веществ в их составе – эпоксидные, полиэфирные, винилэфирные, фенольные, полипропиленовые и пр. В качестве армирующих веществ наиболее распространены волокна и сыпучие вещества. Большое влияние на свойства композитного материала оказывает итоговое соотношение матрицы и армирующих волокон. Чем меньше в изделии смолы, тем прочнее изделие. Совершенствование технологии в области формование направлено на достижение идеальных пропорций компонентов в материале. Методы формования изделий из композитных материалов В процессе производства, называемым формованием, составляющие изделия, армирующее вещество и матрица объединяются, и ему придается форма. Форма детали неизменна, за исключением случаев разрушающих воздействий. Для термореактивных полимерных матричных материалов процесс формования заключается в химической реакции отверждения. Для термопластичных полимерных матриц, процесс формования заключается в застывании из расплавленного состояния. Как правило, процесс осуществляется при комнатной температуре и нормальном давлении. Ручное или контактное формование, как самый распространенный и дешевый метод создания ламината, имеет ряд серьезных недостатков: • большое количество смолы в изделии, что приводит к его хрупкости • сложность достижения идеальных пропорций матричного и армирующего вещества • неравномерность толщины ламината и воздушные ловушки внутри Всё это приводит к тому, что изделие становится хрупким, непрочным, тяжелым, не способным выдерживать механические нагрузки. Воздушные ловушки внутри ламината со временем начинают разрушать его изнутри. Более совершенные технологии формования устраняют частично или полностью недостатки ручного формования, вот некоторые из них. Вакуумное формование В этом процессе используется открытая оснастка, в которую укладываются компоненты композитного материала. Сверху оснастка закрывается полимерной пленкой (вакуумным пакетом) или силиконовой мембраной. Затем накладывается вакуум. Процесс может проходить при комнатной или повышенной температуре и при атмосферном давлении. Вариации этой технологии используют повышенное давление воздуха или пара с внешней стороны пленки (мембраны). Вакуумная инфузия (вакуумная пропитка) Процесс вакуумной инфузии это техника, которая использует силу вакуумного давления для ввода смолы в ламинат. Материалы будущего композита выкладываются в сухом виде в оснастку, затем накладывается вакуум, до ввода смолы. Как только достигается давление вакуума, смола засасывается в ламинат по специальным трубкам. В этом процессе используется набор вспомогательных материалов и инструментов. Автоклав В процессе используется оснастка и мембрана или полимерная пленка. Материалы укладываются в оснастку, как правило, используются пропитанные волокна, препрег. Иногда используется пленка из смолы и сухие армирующие материалы. После установки мембраны, на оснастку накладывается вакуум. Конструкция помещается в автоклав, где на нее воздействуют давление и температура. RTM (Resin transfer moulding) Инжекция в закрытую форму RTM – метод производства изделий средних серий. В этом процессе связующие впрыскиваются в закрытую форму, уже содержащую сухой армирующий материал. Изделия, отформованные методом RTM, имеют две гладкие стороны и точно выдержанную форму и размер. Вариации технологии используют вакуум или давление для ввода смолы. Процесс может проводиться при комнатной или повышенной температуре. Другие виды пултрузия, намотка, формование под давлением SMC (Sheet Moulding Compound), DMC (Bulk Moulding Compound), открытое формование контактное формование и напыление. Композитные материалы завоевали свою популярность, несмотря на высокую стоимость, в отраслях, где механические свойства должны сочетаться с низким весом и возможностью выдерживать высокие нагрузки. Наиболее часто упоминаются авиакосмические компоненты (хвосты, крылья, фюзеляж, пропеллеры), корпуса и весла суден, кузова автомобилей, велосипедные рамы, удилища. Крылья и фюзеляж нового Боинга 787 Dreamliner более чем на 50% выполнены из композитных материалов.

Состав применяемых композиционных материалов.

Введение: Микроуплотнение — один из важных факторов, способствующих разрушению реставраций из смолы. Целью этого исследования было определить влияние расположения края десны (эмаль, дентин или цемент) на наногибридной композитной смоле на микроподтекание задней реставрации класса II. Методы: Это было исследование in vitro, проведенное в колледже стоматологии и сестринского дела им. Аль-Фараби в Джидде (Саудовская Аравия). Восемьдесят один ранее удаленный коренной зуб человека был взят из клиник колледжа Аль-Фараби и разделен на три основные группы (по 27 в каждой) в зависимости от расположения края десны.Группа 1: расположение десневого края в эмали. Группа 2: на цементно-эмалевом переходе. Группа 3: в цементе. Каждая основная группа была разделена на три подгруппы (по 9 в каждой) в зависимости от времени хранения. Подгруппа А: время хранения 24 часа. Подгруппа B: срок хранения — один месяц. Подгруппа C: срок хранения — три месяца. Полость класса II была подготовлена ​​на одной проксимальной поверхности каждого моляра в соответствии с общими принципами препарирования полости. Все образцы были восстановлены композитом наногибридрезина (TetricEvoCeram).Образцы хранили в дистиллированной воде при 37 ° C и влажности 100% в инкубаторе в течение одного дня, одного месяца и трех месяцев, соответственно, в соответствии с подгруппами. После герметизации образцы окрашивали 2,5% -ным красителем метиленовым синим. Каждый образец исследовали под микроскопом с помощью стереомикроскопа с использованием компьютеризированной системы анализа изображений. Статистический анализ был выполнен с помощью двухфакторного теста ANOVA, сравнивающего средние значения проникновения красителя (мкм). Полученные результаты: Величина проникновения красителя заметно увеличивалась от эмали, цементно-эмалевого перехода [CEJ] до цемента, и это было статистически значимым (p <0.001). Заключение: Ни один из протестированных материалов не смог полностью устранить краевые микропротечки на разных краях десны. Наименьшее проникновение красителя было обнаружено на эмалевом десневом крае, затем в CEJ и затем в цементе. Наименьшее микроподтекание наблюдалось у края десны, расположенного в эмали.

Что такое композитный материал? (Полное руководство)

Композитный материал — это комбинация двух материалов с разными физическими и химическими свойствами.Когда они объединяются, они создают материал, который специализируется на выполнении определенной работы, например, чтобы стать прочнее, легче или устойчивым к электричеству. Они также могут улучшить прочность и жесткость. Причина их использования по сравнению с традиционными материалами заключается в том, что они улучшают свойства основных материалов и применимы во многих ситуациях.

Если у вас есть вопросы или вам нужна помощь, напишите нам, чтобы получить консультацию специалиста:

[email protected]

Нажмите здесь, чтобы увидеть наши последние подкасты по технической инженерии на YouTube .

Содержание

Люди использовали композиты на протяжении тысячелетий. В 3400 гг. До н.э. г. первые искусственные композиты были созданы месопотамцами в Ираке. Древнее общество склеивало деревянные полоски друг на друга под разными углами для создания фанеры. После этого, примерно в 2181 г. до н.э., г. египтяне начали делать посмертные маски из льна или папируса, пропитанного гипсом. Позже оба этих общества начали укреплять свои материалы соломой, чтобы укрепить глиняные кирпичи, глиняную посуду и лодки.

В г., 1200 г. н. Э., г. н.э., монголы начали изготавливать составные луки, которые в то время были невероятно эффективными. Они были сделаны из дерева, бамбука, кости, сухожилий крупного рогатого скота, рога и шелка, скрепленных сосновой смолой.

После промышленной революции синтетические смолы начали принимать твердую форму с помощью полимеризации. В 1900-х годах эти новые знания о химических веществах привели к созданию различных пластмасс, таких как полиэстер, фенол и винил. Затем начали разрабатываться синтетические материалы, бакелит был создан химиком Лео Бэкеландом.Тот факт, что он не проводил электричество и был термостойким, означал, что он мог широко использоваться во многих отраслях промышленности.

1930-е годы были невероятно важным временем для развития композитов. Стекловолокно было представлено компанией Owens Corning, которая также положила начало производству первых армированных волокном полимеров (FRP). Смолы, разработанные в ту эпоху, до сих пор используются, а в 1936 были запатентованы ненасыщенные полиэфирные смолы. Два года спустя стали доступны системы смол с более высокими эксплуатационными характеристиками.

Первое углеродное волокно было запатентовано в 1961 и затем стало коммерчески доступным. Затем, в середине 1990-х годов , , композиты начали становиться все более распространенными для производственных процессов и строительства из-за их относительно дешевой стоимости по сравнению с материалами, которые использовались ранее.

Композитные материалы на Boeing 787 Dreamliner в в середине 2000-х годов подтвердили их использование для высокопрочных приложений.

Некоторые распространенные композитные материалы включают:

• Композит с керамической матрицей: Керамика на керамической матрице.Это лучше, чем обычная керамика, поскольку она устойчива к тепловым ударам и разрушению.
• Композит с металлической матрицей : Металл, растекающийся по матрице
• Железобетон : Бетон, усиленный материалом с высокой прочностью на разрыв, таким как стальные арматурные стержни
• Бетон, армированный стекловолокном : Бетон, залитый в структуру из стекловолокна с высоким содержанием диоксида циркония
• Прозрачный бетон : Бетон, покрывающий оптические волокна
• Конструкционная древесина : Обработанная древесина в сочетании с другими дешевыми материалами.Одним из примеров может быть ДСП. В этом композите
также можно найти специальный материал, такой как шпон.
• Фанера : древесина, полученная путем склеивания множества тонких слоев древесины вместе под разными углами
• Искусственный бамбук : Полоски бамбукового волокна, склеенные вместе, чтобы образовать доску. Это полезный композит, потому что он имеет более высокую прочность на сжатие, растяжение и изгиб, чем древесина
.
• Паркет : Квадрат из множества деревянных частей, часто собранных из твердой древесины.Продается как декоративный элемент
.
• Древесно-пластиковый композит : пластик, отлитый из древесного волокна или муки
• Древесное волокно на цементной основе : Кусочки минерализованной древесины, отлитые в цемент. Этот композит имеет изоляционные и акустические свойства
• Стекловолокно : Стекловолокно в сочетании с относительно дешевым и гибким пластиком
• Полимер, армированный углеродным волокном : Набор из углеродного волокна в пластике с высоким отношением прочности к весу
• Сэндвич-панель : различные композиты, уложенные друг на друга
• Композитные соты : Набор шестиугольников из композитных материалов, образующих сотовую структуру.
• Папье-маше : Бумага с клеевым переплетом. Они найдены в ремеслах
• Бумага с пластиковым покрытием : Бумага с пластиковым покрытием для повышения прочности. Пример того, где это используется, — игральные карты
.
• Синтаксическая пена : Легкие материалы, получаемые при заполнении металлов, керамики или пластика микрошариками. Эти баллоны изготавливаются из стекла, углерода или пластика
.

Материалы и процессы: композитные волокна и смолы

Современное использование композитных материалов в производстве не ново, оно насчитывает несколько десятилетий, начиная с начала 1960-х годов.А до этого комбинация волокна с жидкой матрицей использовалась в самых разных сферах, начиная от испытанной высушенной грязи и соломы (сырцовых кирпичей) до концептуального автомобиля, разработанного Ford Motor Co. (Детройт, штат Мичиган, США). США) в 1941 году, в котором кузовные панели были изготовлены из композитов, армированных натуральными волокнами.

Несмотря на это, по сравнению с унаследованными материалами, такими как сталь, алюминий, железо и титан, композиты все еще достигают зрелости, и только сейчас их лучше понимают конструкторы и инженеры-производители.Кроме того, композитным материалам препятствует их неизотропная природа, что затрудняет их моделирование и моделирование. Однако физические свойства композитов в сочетании с непревзойденным легким весом делают их, несомненно, привлекательными.

Для новичка в области композитов, к счастью, есть надежда, и она заключается в том, что эти материалы легко понять и применить. Далее следует грунтовка волокон и смол, обычно используемых при производстве композитов.

Выигрышная недвижимость

Высокая прочность и малый вес остаются выигрышной комбинацией, которая продвигает композитные материалы на новые арены, но другие свойства не менее важны.Композиционные материалы обеспечивают хорошее демпфирование колебаний и низкий коэффициент теплового расширения (CTE) — характеристики, которые могут быть разработаны для специальных применений. Композиты устойчивы к усталости и обеспечивают гибкость проектирования / изготовления, что может значительно уменьшить количество деталей, необходимых для конкретных применений, что приводит к получению готового продукта, для которого требуется меньше сырья, меньше соединений и креплений, а также более короткое время сборки. Композиты также доказали свою устойчивость к перепадам температур, коррозии и износу, особенно в промышленных условиях, где эти свойства значительно снижают затраты на жизненный цикл продукта.Эти характеристики привели к широкому использованию композитов. Например, стремление к экономии топлива и эффективности сделало облегчение веса приоритетом почти во всех видах механического транспорта, от велосипедов до больших коммерческих самолетов.

С тех пор, как Boeing Co. (Чикаго, Иллинойс, США) 787 Dreamliner — 50% композитного материала по весу и 100% композитов на его аэродинамических поверхностях — был запущен в производство и в декабре 2009 года успешно совершил свой первый полет, композиты заработали их путь в основные и второстепенные аэрокосмические конструкции и нашел большее место в салоне самолета в аэрокосмическом мире.С тех пор 787 попал в центр внимания других самолетов, использующих композитные материалы, от его конкурента коммерческих транспортных самолетов Airbus (Тулуза, Франция) и других. Первый самолет Airbus A350 XWB на 52% был поставлен на рассвете 2015 года. Airbus ранее использовал композиты в своем пассажирском суперджамбо-самолете A380 и военно-транспортном самолете A400M. Эти четыре программы являются настоящим завершением долгожданной трансформации, которая также охватила рынок самолетов авиации общего назначения и долгое время была частью производства военных самолетов.Доступные во все более разнообразных формах материалов и производимые с помощью обширного набора процессов формования и формования — заняли или готовы занять центральное место на производственных площадках по всему миру.

Совершенно другой материал

Композиты отличаются от традиционных материалов тем, что составные части состоят из двух совершенно разных компонентов — волокон и матричного материала (чаще всего полимерной смолы), которые при объединении остаются дискретными, но действуют интерактивно, создавая новый материал, свойства которого не может быть предсказан простым суммированием свойств его компонентов.Фактически, одним из основных преимуществ комбинации волокно / смола является ее взаимодополняющий характер. Например, тонкие стекловолокна обладают относительно высокой прочностью на разрыв, но подвержены повреждениям. Напротив, большинство полимерных смол обладают слабой прочностью на разрыв, но чрезвычайно жесткими и пластичными. Однако в сочетании волокно и смола противодействуют слабости друг друга, производя материал, гораздо более полезный, чем любой из его отдельных компонентов.

Структурные свойства композитных материалов в первую очередь определяются армированием волокном.Коммерческие композиты для крупных рынков, такие как автомобильные компоненты, лодки, потребительские товары и коррозионно-стойкие промышленные детали, часто изготавливаются из прерывистых, беспорядочно ориентированных стеклянных волокон или непрерывных, но неориентированных форм волокон. Усовершенствованные композиты, первоначально разработанные для военно-космического рынка, предлагают характеристики, превосходящие характеристики обычных конструкционных металлов, и теперь находят применение в спутниках связи, самолетах, спортивных товарах, транспорте, тяжелой промышленности и в энергетическом секторе при разведке нефти и газа и ветряных турбинах. строительство.

Высококачественные композиты получают свои структурные свойства за счет непрерывного, ориентированного, высокопрочного армирования волокном — чаще всего углеродом, арамидом или стеклом — в матрице, которая способствует технологичности и улучшает механические свойства, такие как жесткость и химическая стойкость.

Ориентацию волокна можно контролировать, что может улучшить производительность в любом приложении. Например, в композитных валах клюшек для гольфа бор и углеродные волокна, ориентированные под разными углами внутри композитного вала, позволяют ему наилучшим образом использовать их свойства прочности и жесткости и выдерживать крутящие нагрузки и многочисленные изгибающие, сжимающие и растягивающие силы.

Матрица может быть полимерной, керамической или металлической. Полимерные матрицы, наиболее широко используемые для композитов в коммерческих и высокоэффективных аэрокосмических приложениях, представляют собой термореактивные смолы, состоящие из полимерных цепей, которые постоянно отверждаются в сшитую сетку при смешивании с катализатором, под воздействием тепла или и тем, и другим. Отверждение обычно происходит при повышенной температуре и / или давлении в печи и / или вакуумном мешке или в автоклаве. Альтернативные, но менее используемые технологии отверждения включают электронный луч, ультрафиолетовое (УФ) излучение, рентгеновские лучи и микроволновые процессы.

Другим наиболее часто используемым типом матрицы является термопластичная (TP) смола, которая становится все более популярным вариантом для производителей композитов. Образуются термопластичные линейные полимерные цепи, которые могут быть преобразованы в твердые тела определенной формы путем плавления или размягчения с последующим охлаждением материала. Термопласты, которые часто продаются в виде листов или панелей, могут быть обработаны методами консолидации на месте, такими как простая штамповка для изготовления жестких деталей почти чистой формы без отверждения в автоклаве или вакуумного мешка, необходимого для термореактивных материалов.Возможность реформирования TP дает возможность исправлять аномалии или устранять повреждения в процессе эксплуатации.

Стекловолокно

Подавляющее большинство волокон, используемых в композитной промышленности, — это стекло. Стекловолокно является самым старым и наиболее распространенным армированием, используемым в большинстве конечных применений (аэрокосмическая промышленность является значительным исключением) для замены более тяжелых металлических деталей. Стекловолокно весит больше, чем второе по распространению армирование, углеродное волокно, и не такое жесткое, но оно более устойчиво к ударам и имеет большее удлинение до разрыва (то есть оно в большей степени удлиняется, прежде чем сломается). .В зависимости от типа стекла, диаметра нити, химического состава покрытия (называемого «проклейка») и формы волокна может быть достигнут широкий диапазон свойств и уровней производительности.

Стеклянные волокна поставляются в связках, называемых прядями. Нить представляет собой набор непрерывных стеклянных нитей. Ровинг обычно относится к пучку нескрученных прядей, упакованных, как нить, на большой катушке. Односторонний ровинг состоит из прядей, состоящих из непрерывных многослойных стеклянных нитей, которые проходят по всей длине пряди.Многоконечный ровинг содержит длинные, но не полностью непрерывные пряди, которые добавляются или опускаются в шахматном порядке в процессе намотки. Пряжа — это совокупность скрученных вместе прядей.

Высокоэффективные волокна

Высокоэффективные волокна, используемые в современных композитах, включают углеродное волокно, арамидное волокно (известное под торговыми названиями Kevlar и Twaron), борное волокно, высокомодульный полиэтилен (PE), новые волокна, такие как поли-п-фенилен-2,6. -бензобисоксазол (PBO), а также гибридные комбинации.Кевлар является продуктом компании DuPont Protection Technologies (Ричмонд, Вирджиния, США). Волокна Twaron производятся компанией Teijin (Арнем, Нидерланды).

Углеродное волокно — безусловно, наиболее широко используемое волокно в высокопроизводительных приложениях — производится из различных прекурсоров, включая полиакрилонитрил (ПАН), вискозу и смолу. Волокна-предшественники химически обрабатываются, нагреваются и растягиваются, а затем карбонизируются для создания высокопрочных волокон. Первые представленные на рынке углеродные волокна с высокими эксплуатационными характеристиками были изготовлены из предшественника вискозы.Сегодня волокна на основе PAN и пека заменили волокна на основе вискозы в большинстве приложений. Углеродные волокна на основе ПАН — самые универсальные и широко используемые. Они обладают удивительным набором свойств, включая превосходную прочность — до 1000 тысяч фунтов на квадратный дюйм — и высокую жесткость. Пековые волокна, изготовленные из нефтяных или каменноугольных пеков, имеют жесткость от высокой до чрезвычайно высокой и от низкого до отрицательного осевого коэффициента теплового расширения (КТР). Их свойства КТР особенно полезны в космических аппаратах, требующих управления температурой, например в корпусах электронных приборов.Свойства углеродного волокна стимулируют поиск альтернативных и менее дорогих исходных материалов, таких как лигнин, который получают из целлюлозно-бумажных отходов. Несмотря на то, что исследования набирают обороты, таким недорогим волокнистым материалам еще далеко до того, как они станут жизнеспособными коммерческими вариантами армирования.

Углеродные волокна прочнее, чем стекло или арамидные волокна, но не только менее устойчивы к ударам, но и могут подвергаться гальванической коррозии при контакте с металлом. Производители преодолевают последнюю проблему, используя барьерный материал или слой вуали — часто стекловолокно / эпоксидную смолу — во время укладки ламината.

Основная форма волокна для высокоэффективного углеродного волокна — это пучки непрерывных волокон, называемые жгутом. Жгут углеродного волокна состоит из тысяч непрерывных, нескрученных нитей, причем количество нитей обозначается числом, за которым следует «K», что указывает на умножение на 1000 (например, 12K означает количество нитей 12000). Жгуты могут использоваться непосредственно в таких процессах, как наматывание волокон или пултрузия, или могут быть преобразованы в однонаправленную ленту, ткань и другие формы армирования.

Арамидные волокна, изготовленные из ароматического полиамида, обеспечивают исключительную ударопрочность и хорошее удлинение (выше, чем у углерода, но меньше, чем у стекла). Стандартное высококачественное арамидное волокно имеет модуль упругости около 20 Msi, предел прочности на разрыв около 500 ksi и относительное удлинение около 3%. Арамидное волокно, известное своей производительностью в пуленепробиваемых жилетах и ​​других видах брони и баллистической защиты, отчасти пользуется спросом из-за необходимости защиты персонала и брони на рынках правоохранительных органов и вооруженных сил.Свойства арамида также делают волокно отличным выбором для лопастей винта вертолетов, корпусов морских судов и спортивных товаров, где требуется ударопрочность.

Волокна бора в пять раз прочнее и в два раза жестче стали. Бор обеспечивает прочность, жесткость и легкий вес, а также обладает превосходными сжимаемыми свойствами и сопротивлением продольному изгибу. Использование композитов на основе бора варьируется от спортивных товаров, таких как удочки, валы клюшек для гольфа, лыжи и велосипедные рамы, до аэрокосмических применений, таких как обшивка оперения самолета, элементы фермы и сборные ремонтные заплатки самолетов.

Высокая стоимость высокоэффективных волокон может сдерживать их выбор, если производители пренебрегают изучением того, как эта высокая стоимость снижается за счет большей производительности, долговечности и свободы дизайна, которые эти материалы привносят в проект, и, как следствие, положительные эффекты, которые эти преимущества имеют по ключевой метрике: стоимости жизненного цикла. Это особенно верно для углеродного волокна, выбор которого исторически осложнялся значительными колебаниями предложения и спроса на углеродное волокно.

Термореактивные смолы

Полимеры, наиболее широко используемые в композитах, представляют собой термореактивные полимеры, класс пластичных смол, которые при отверждении термическим и / или химическим (катализатор или промотор) или другими способами становятся практически неплавкими и нерастворимыми. После отверждения термореактивный материал нельзя вернуть в неотвержденное состояние. Хотя почти все термореактивные пластмассы, используемые сегодня в коммерческих целях, получают из нефтяного сырья, исследования и разработки и коммерциализация продолжаются в растущей области биосмол. Разработанные в основном с целью использования возобновляемого сельскохозяйственного сырья, биосмолы содержат в различных пропорциях полиол (из соевых бобов) и этанол (из кукурузы).

Ненасыщенные полиэфирные смолы являются наиболее широко используемыми термореактивными полимерами в коммерческих целях массового производства благодаря простоте обращения, хорошему балансу механических, электрических и химических свойств и относительно низкой стоимости. (Насыщенные полиэфиры представляют собой термопластичные полимеры.) Обычно в сочетании с армирующими стекловолокнами, полиэфиры хорошо адаптируются к ряду производственных процессов и чаще всего используются в распылении в открытой форме, прессовании, литье с переносом смолы (RTM) и литье.Свойства составов полиэфиров могут быть изменены для соответствия определенным критериям эффективности, основанным на выборе гликоля и кислотных элементов и реакционноспособных мономеров (чаще всего стирола). Стирол добавляется в количестве до 50% для снижения вязкости, что упрощает обработку и обработку смолы.

Смолы на основе сложных виниловых эфиров

представляют собой мостик между дешевыми, быстро отверждаемыми и легко обрабатываемыми полиэфирами и эпоксидными смолами с более высокими характеристиками (описанными ниже). Их молекулярная структура очень похожа на структуру полиэфиров, но они имеют реакционные центры только на концах молекулярных цепей и имеют меньше сложноэфирных групп.Поскольку сложноэфирные группы подвержены гидролизу, их меньшее количество увеличивает устойчивость виниловых эфиров к воде и химически агрессивным средам, что частично объясняет их более высокую цену. Сложные виниловые эфиры используются в резервуарах для химикатов и других сферах, в которых коррозионная стойкость является ключевой целью, и они также повышают ценность конструкционных ламинатов, требующих высокой степени влагостойкости (например, корпуса и палубы лодок). Они обрабатываются и отверждаются так же, как и полиэфиры, с потенциалом повышения прочности, хотя обычно для этого требуется дополнительное отверждение при повышенной температуре.

Для современных композитных матриц наиболее распространенными термореактивными смолами являются эпоксидные смолы, фенольные смолы, цианатные эфиры (CE), бисмалеимиды (BMI), бензоксазины и полиимиды.

Эпоксидные смолы придают композиту прочность, долговечность и химическую стойкость. Они обеспечивают высокую производительность при повышенных температурах, при температурах эксплуатации в горячих и влажных условиях до 121 ° C. Эпоксидные смолы бывают жидкими, твердыми и полутвердыми и обычно отверждаются путем реакции с аминами или ангидридами. Эпоксидные смолы не отверждаются катализатором, как полиэфирные смолы, а вместо этого используют отвердитель (также называемый отвердителем).Отвердитель (часть B) и основная смола (часть A) взаимодействуют в «реакции присоединения» в соответствии с фиксированным соотношением. Таким образом, очень важно использовать правильное соотношение смеси смолы и отвердителя, чтобы обеспечить полную реакцию. В противном случае смола не будет полностью отверждена и не приобретет своих полных свойств. Упрочненная эпоксидная смола — с добавлением термопластов и реактивных резиновых смесей для противодействия хрупкости из-за высокой степени сшивки — стала нормой для самолетов с высоким процентным содержанием композитных материалов, таких как Boeing Co.787 Dreamliner и Airbus A350 XWB.

Фенольные смолы основаны на комбинации ароматического спирта и альдегида, такого как фенол, в сочетании с формальдегидом. Они находят применение в огнестойких внутренних панелях самолетов и на коммерческих рынках, где требуются недорогие, огнестойкие и малодымные продукты. Превосходный выход полукокса и абляционные (поглощающие тепло) характеристики сделали фенольные смолы долгое время фаворитами для абляционных и ракетных сопел. Они также оказались успешными в неаэрокосмических приложениях, особенно в компонентах для морских нефтегазовых платформ, а также в приложениях для общественного транспорта и электроники.Однако фенольные смолы полимеризуются посредством реакции конденсации, которая вызывает выделение водяного пара и формальдегида во время отверждения. Это явление может привести к образованию пустот в композите. В результате механические свойства фенольных смол несколько ниже, чем у эпоксидных смол и большинства других высокоэффективных смол.

Цианатные эфиры (СЕ) представляют собой универсальные матрицы, которые обеспечивают превосходную прочность и ударную вязкость, позволяют очень низкое влагопоглощение и обладают превосходными электрическими свойствами по сравнению с другими полимерными матрицами, хотя эти преимущества связаны с более высокой стоимостью.CE имеют рабочие температуры в горячем / влажном состоянии до 149 ° C и обычно упрочняются термопластами или сферическими частицами резины. Они обрабатываются аналогично эпоксидным смолам, но их процесс отверждения проще благодаря профилю вязкости CE и номинальным летучим компонентам. Текущие приложения варьируются от обтекателей, антенн, ракет и абляций до микроэлектроники и микроволновых устройств.

Среди наиболее экзотических смол, бисмалеимиды и полиимиды (близкие родственники, химически) используются в высокотемпературных приложениях на самолетах и ​​ракетах (например,г., для компонентов гондолы реактивного двигателя). BMI предлагают горячие / влажные рабочие температуры (до 232 ° C), в то время как некоторые полиимиды можно использовать до 371 ° C в течение коротких периодов времени. Летучие вещества и влага, выделяемые во время отверждения, затрудняют работу с полиимидами, чем с эпоксидными смолами или КЭ; Для уменьшения или устранения пустот и расслоения были разработаны специальные рецептуры и методы обработки. И ИМТ, и полиимиды традиционно демонстрируют более высокое влагопоглощение и более низкие значения ударной вязкости, чем КЭ и эпоксидные смолы, но в последние годы был достигнут значительный прогресс в создании более жестких составов, и теперь ИМТ рекламируется как более устойчивый к проникновению жидкости, чем эпоксидные смолы.Более широкое использование BMI обусловлено не только инструментами и приложениями, в которых рабочие температуры превышают 177 ° C, но и все более широким использованием композитов в конструкциях, которые нуждаются в улучшенных характеристиках сжатия при горячем / влажном и открытом стволе (OHC) при умеренных температурах, например От 80 ° C до 120 ° C. Это причина его использования на истребителе F-35 Lightning II, что позволяет создавать устойчивые к повреждениям конструкции при меньшей массе по сравнению с эпоксидной смолой.

Термопластические смолы

В отличие от сшивающих термореактивных материалов, реакция отверждения которых необратима, термопласты затвердевают при охлаждении, но сохраняют свою пластичность; то есть они будут переплавляться и могут быть изменены путем повторного нагрева выше температуры их обработки.Менее дорогие термопластические матрицы предлагают более низкие температуры обработки, но также имеют ограниченные температуры использования. В их ассортименте представлены как инженерные, так и товарные пластмассы, такие как полиэтилен (PE), полиэтилентерефталат (PET), полибутилентерефталат (PBT), поликарбонат (PC), акрилонитрилбутадиенстирол (ABS), полиамид (PA или нейлон) и полипропилен (ПП). Крупносерийные коммерческие товары, такие как спортивная обувь, ортопедические изделия и медицинские протезы, выигрывают от прочности и влагостойкости этих смол, как и автомобильные воздухозаборники и другие детали под капотом.

Высокоэффективные термопластические смолы — полиэфирэфиркетон (PEEK), полиэфиркетон (PEK), полиамид-имид (PAI), полиарилсульфон (PAS), полиэфиримид (PEI), полиэфирсульфон (PES), полифениленсульфид (PPS) и жидкокристаллический полимер (LCP). ) — хорошо работают в высокотемпературных средах и после затвердевания не впитывают воду и не разлагаются под воздействием влаги. Эти смолы, армированные высококачественными волокнами, обладают длительным сроком хранения препрега без охлаждения и обладают исключительной ударопрочностью и гашением вибрации.Они также предлагают возможность использовать переработанное содержимое и упростить переработку отходов и отслуживших конструкций.

Однако они могут поставить производителей композитов перед некоторыми трудностями при обработке из-за их относительно высокой вязкости. Армированные термопластичные композиты, в которых используются смолы с более высокими эксплуатационными характеристиками в качестве матриц, все больше используются в аэрокосмической сфере.

композитных материалов: прогресс ведет к простоте использования, лучшей производительности | Том 34, Выпуск 5

Композитные материалы: прогресс ведет к простоте использования и повышению производительности

Роберт Марджас, DDS, приглашенный редактор

Поскольку композитная технология продолжает развиваться, сегодняшние исследования сосредоточены на материалах наночастиц, направленных на улучшение физических и механических характеристик при одновременном снижении усадки при полимеризации.Хотя ни один композит не является идеальным для каждой ситуации, многие достижения привели к созданию улучшенных продуктов для врачей.

Разработка молекулы эпоксидной смолы в 1951 году положила начало революции в технологии стоматологических композитов. Более 50 лет производители стремились создать наиболее идеальную композитную смолу, которая имитирует естественный зуб. Первоначальные составы были химически отверждены, но их клинические характеристики были неудовлетворительными. ¹ В 1970-е годы разработка фотоотверждаемых композитных смол полностью изменила ситуацию. ² Светоотверждаемые композитные смолы были более стабильными по цвету, чем предыдущие самоотверждающиеся композиты, и имели более мелкие частицы наполнителя, что улучшало износостойкость. ³ Смолы Microfill были введены в производство в конце 70-х годов и имели субмикронный средний размер частиц, что привело к лучшему обращению, более высокой полируемости и износостойкости. ³ В 80-е годы уменьшился размер частиц и увеличилась нагрузка на наполнитель, что значительно улучшило светоотверждаемые композитные полимеры для универсального использования в реставрациях передних и боковых зубов. ³

Сегодня исследования сосредоточены на композитах с наночастицами. Эти нанонаполнители представляют собой дискретные частицы с размерами частиц ниже длины волны видимого света, что может привести к более высокой загрузке наполнителя и, следовательно, к улучшенным физическим и механическим характеристикам при уменьшенной усадке при полимеризации. ⁴

Комбинация материалов

Композиты можно определить как трехмерную (3-D) комбинацию по крайней мере двух химически разных материалов с четкой границей раздела, разделяющей компоненты. ⁵ Инфраструктура композитных смол включает органическую фазу (матрицу), дисперсную фазу (наполнитель) и межфазную фазу (связующий агент). ² Bis-GMA — это органическая фаза, состоящая из высокомолекулярной мономерной системы, используемой примерно в 80–90% коммерческих стоматологических композитов. ⁶ Минеральный компонент композита называется «дисперсной фазой» и был заметно улучшен за счет добавления мелких частиц или наполнителей, размер которых различается в зависимости от процесса производства. ⁷ Наполнители в стоматологических композитах обеспечивают прочность и усиление. Связующий агент соединяет матрицу смолы и неорганический наполнитель. Изменение наполнителя остается наиболее значительным достижением в развитии композитных смол. ⁷ Изменение наполнителя изменяет механические и физические свойства композитного материала. Прочность на сжатие, прочность на изгиб, модуль упругости, коэффициент теплового расширения, водопоглощение и износостойкость зависят от этой фазы наполнителя.

Как указывалось ранее, в нанокомпозитах используются частицы наполнителя с молекулярным размером. Эти наноразмерные частицы можно диспергировать в более высоких концентрациях и полимеризовать в системе смол, чтобы обеспечить уникальные характеристики. Наполнитель является основным фактором, определяющим клинические свойства композитной смолы. Эти композиты могут иметь различные типы частиц наполнителя: форполимеризованные, тонко измельченные агломерированные нанокластеры; более крупные (субмикронные) частицы стекла или кремнезема в диапазоне 0.4 м; и отдельные наноразмерные частицы (0,05 мкм).

Несколько лет назад была представлена ​​новая технология, направленная на изменение химического состава композитов для решения проблемы, связанной с усадкой при полимеризации. Эти материалы, называемые силораном, являются гидрофобными, и их необходимо связывать с помощью другой адгезивной системы. Согласно некоторым исследованиям, низкая усадка силорана ⁸ приводит к более низкому напряжению сжатия; кроме того, было показано, что эти реставрации обладают низким водопоглощением и растворимостью в воде.Было показано, что силоран обладает хорошими механическими свойствами. ⁹ Эти материалы, однако, не получили широкого распространения в Соединенных Штатах из-за ограниченного количества оттенков и необходимости использовать отдельную адгезионную систему, совместимую только с силорановой технологией. В одном клиническом исследовании было показано, что предельное качество силоранового композита ниже, чем у наногибридного материала. ¹⁰ В другом исследовании силоран не вызывал более низкого напряжения сжатия, чем другие композиты. ¹¹

Другие материалы с низкой усадкой доступны в некоторых композитах. Диметакрилат уретана (UDMA) от DuPont имеет относительно высокую молекулярную массу по сравнению с бис-GMA. Другая компания использует димерный мономер кислоты, который, как было показано, имеет высокую конверсию двойных углеродных связей и при этом претерпевает меньшую усадку при полимеризации, чем системы на основе бис-GMA. ¹² Еще одна компания включила в систему фотоинициатора специальную добавку, которая делает материал менее чувствительным к окружающему свету, но в то же время обладает высокой реактивностью к отверждающему свету.Это позволяет сократить время полимеризации для каждого приращения.

Движение вперед

Итак, что же остается в стоматологии сегодня, в 2013 году? Компании-производители все чаще выступают за объемное заполнение реставраций боковых зубов. Новые выпускаемые композиты утверждают, что их можно отверждать на глубину 5 мм за 40 секунд, при этом они обладают меньшей усадкой при полимеризации. Хотя эти утверждения могут быть правдой, не так много исследований, показывающих долгосрочные результаты. Другими популярными продуктами являются текучие смолы, которые можно заполнять наливом.Эти материалы просты в использовании, но для лучшей износостойкости сверху следует нанести слой нетекучей смолы. Более важным, чем усадка при полимеризации, является напряжение, возникающее при усадке. Текучие смолы обладают более низким модулем упругости, поэтому они создают меньшую нагрузку на полимеризацию.

Еще одно умное нововведение, делающее композиты более текучими, — это использование звуковой энергии. Используется специальный наконечник, и производитель композитов заявляет, что препарированные полости могут быть заполнены и полимеризованы на глубину до 5 мм.И снова отсутствуют долгосрочные исследования, хотя автор поговорил с несколькими клиницистами, использующими звуковую технологию, и сказал, что они довольны результатами.

На сегодняшний день не может быть одного идеального композита для использования в каждой ситуации. Производители будут продолжать улучшать обработку и полируемость, снижая нагрузку на полимеризацию. Конкуренция хороша для отрасли, но важно отметить, что техника всегда будет важнее используемых материалов.Как говорится, «волшебство не в жезле; это в волшебнике ». Хорошая техника всегда будет преобладать.

ССЫЛКИ

1. Rubinstein S, Nidetz AJ. Прямые реставрации боковых зубов на адгезиве: эстетическая альтернатива. Дж. Эстет Дент . 1995; 7 (4): 167-173.
2. Талиб Р. Стоматологические композиты: Обзор. J Nihon Univ Sch Dent . 1993; 35 (3): 161-170.
3. Джексон Р.Д., Морган М. Новые полимеры для боковых зубов и упрощенная техника установки. J Am Dent Assoc . 2000; 131 (3): 375-383.
4. Combe EC, Burke FJ. Современные композитные материалы на основе смол для прямой установки реставраций: упаковываемые, текучие и другие. Dent Update . 2000; 27 (7): 326-336.
5. Филипс RW. Наука Скиннера о стоматологических материалах . 7-е изд. Филадельфия, Пенсильвания: W.B. Saunders Co .; 1973.
6. Руйтер И.Е., Ойсаед Х. Композиты для боковых зубов: состав и преобразование. Дж Биомед Матер Res . 1987; 21 (1): 11-23.
7. Рулетка JF. Деградация стоматологических полимеров . Базель, Швейцария: S. Karger AG; 1987.
8. Эрнст С.П., Мейер Г.Р., Клёкер К., Виллерсхаузен Б. Определение напряжения усадки при полимеризации с помощью фотоупругого исследования. Вмятина . 2004; 20 (4): 313-321.
9. Илие Н., Хикель Р. Стоматологический композит на основе силорана: поведение и способности. Dent Mater J . 2006; 25 (3): 445-454.
10. Шмидт М., Киркеванг Л.Л., Хорстед-Биндслев П., Поулсен С. Предельная адаптация композита на основе силорана с низкой усадкой: 1-летнее рандомизированное клиническое испытание. Clin Oral Investigation . 2011; 15 (2): 291-295.
11. Марчези Г., Брески Л., Антониолли Ф. и др. Напряжение сжатия композитных материалов с низкой усадкой, оцененное с помощью различных систем испытаний. Вмятина . 2010; 26 (10): 947-953.
12. Лу Х., Трухильо-Лемон М, Дж. Дж., Стэнсбери Дж. У. Стоматологические смолы на основе диметакрилатов димерных кислот: путь к высокой конверсии при низкой усадке при полимеризации. Компенд Контин Образов Дент . 2010; 31 спец. Выпуск 2: 1-4.

Образовательные ресурсы

Принятие клинического решения о восстановлении, замене или ремонте
dentalaegis.com / go / cced390

Композит на основе смолы в качестве материала для прямой эстетической реставрации
dentalaegis.com/go/cced391

Композитная смола: универсальный многоцелевой реставрационный материал
dentalaegis.com/go/cced392

Достижения в области реставраций DirectComposite
dentalaegis.com/go/cced393

Роберт Марджас, адъюнкт-профессор DDS
, кафедра оперативной стоматологии, Колледж стоматологии Университета Айовы, Айова-Сити, Айова;
Частная практика, Де-Мойн, Айова

Элюирование мономеров из временных композитных материалов

Целью этого исследования было оценить элюирование веществ из различных материалов, используемых для изготовления временных непрямых реставраций, после хранения в слюне и 75% этаноле.10 образцов трех химически отвержденных материалов (Protemp 3 Garant, Systemp.c & b и Trim) и один светоотверждаемый материал (Clip F) хранили в слюне и 75% этаноле в течение 24 часов, 7 и дней 28 дней. С носителя для хранения данных в каждый период времени готовили образцы и анализировали с помощью ЖХ-МС / МС, чтобы получить доступ к элюированию мономеров. Результаты различались для разных материалов (≤ 0,05). В образцах Protemp 3 Garant и Clip F мономеры не обнаружены. Вещества обнаружены только в образцах этанола Systemp.c и b и обрезать. Количество BisGMA, TEGDMA и UDMA 2, выпущенных из Systemp.c & b, было выше по сравнению с Trim. Время хранения сказалось на выделении веществ (≤ 0,05). Наибольшее высвобождение наблюдалось в течение первых 24 часов. Можно сделать вывод, что временные композитные материалы на основе смолы не показывают высокого высвобождения мономеров, и это высвобождение зависит от материала. Однако обнаружение дополнительных пиков во время анализа, предполагающих образование побочных продуктов элюированных веществ, может быть не в пользу этих материалов с точки зрения их токсичности.

1. Введение

Недостатки использования амальгамы для реставрации зубов и быстрое развитие стоматологических материалов и технологий в последние десятилетия в сочетании с концепцией минимально инвазивной терапии привели к чрезмерному использованию композитных материалов в повседневной клинической практике. Композиты на основе смолы показаны для нескольких применений в стоматологии, например, не только для материалов для окончательных реставраций, но и для изготовления временных реставраций, таких как вкладки, коронки и мосты, после препарирования зубов до фиксации окончательной непрямой реставрации.Эти временные реставрации могут оставаться в полости рта от нескольких дней до нескольких недель, пока не будут изготовлены окончательные реставрации.

О важности временных реставраций для успеха окончательных непрямых реставраций заявлялось в прошлом [1]. Композиционные материалы, используемые для изготовления временных зубных реставраций, должны соответствовать биологическим, эстетическим и механическим требованиям, напоминая форму и функции запланированного окончательного лечения [1].Правильный выбор материала для изготовления временных реставраций зависит от механических и физических свойств материала, обращения с ним и его биосовместимости [2]. В основном композиты из стоматологической смолы состоят из полимерной матрицы, неорганического наполнителя и связующего агента. Обычными мономерами, используемыми в матрице смолы, являются BisGMA (диметакрилат бисфенола A гликоля), UDMA (диметакрилат уретана), TEGDMA (диметакрилат триэтиленгликоля) и BisEMA (этоксилированный диметакрилат бисфенола A).На рынке доступны два различных типа материалов для временных коронок и мостовидных протезов: порошковые и жидкие, смешанные вручную метакрилатные смолы и паста / паста, в основном автоматически (не смешанные вручную) композитные материалы на основе смол [1]. Обычно виды мономеров, используемых в составе композиционных материалов, влияют на реакционную способность, вязкость, усадку при полимеризации и механические свойства композиционных материалов [3]. Было показано, что механическая стабильность композитных материалов, используемых для изготовления временных коронок и мостовидных протезов, сравнительно невысока, особенно в первые часы после изготовления [4].Степень полимеризации композитных материалов не влияет полностью на физические свойства и клинические характеристики композитных материалов на основе смол [5, 6]. Помимо физических и химических свойств композитных материалов, их биосовместимость является важным параметром при выборе материала для реставрации. Высвобождение таких веществ, как BisGMA, TEGDMA, HEMA (2-гидроксиэтилметакрилат) и UDMA из стоматологических композитных материалов, широко изучалось в литературе [7–14].Было показано, что элюированные вещества вызывают цитотоксичность [15] и апоптоз клеток пульпы зуба человека [16–19]. Кроме того, высвобождение бисфенола А из композитных материалов [9, 10, 12], который, как известно, действует как антагонист эстрогеновых рецепторов, вызывая эндокринные нарушения, вызывает опасения по поводу его возможных последствий для здоровья человека. Кроме того, размягчение материала, вызванное воздействием кислот зубного налета, пищевых продуктов и ферментов слюны в ротовой среде [20, 21], может привести к дальнейшему высвобождению веществ и продуктов разложения.

Недостатки химически отвержденных композиционных материалов, такие как низкая стабильность при хранении, плохие физические свойства и повышенная воздушная пористость, вызванная смешиванием, и пониженная степень превращения по сравнению с материалами светового отверждения [22, 23], усиливают опасения по поводу их биосовместимость. Предыдущие данные [24], касающиеся оценки материалов с наплавкой сердцевины, показали, что светоотверждаемые материалы менее критичны в отношении элюирования мономеров по сравнению с химически отвержденными или двойными отверждениями (полимеризация может быть активирована как световым инициированием, так и химическое инициирование) материалов.Хотя элюирование веществ из стоматологических композитных материалов широко изучалось в последние годы, нет данных о выделении веществ из материалов, используемых для изготовления временных вкладок, коронок и мостовидных протезов.

Целью настоящего исследования было оценить элюирование мономеров из четырех различных полимерных композитных материалов, используемых для изготовления временных непрямых реставраций. Элюирование веществ изучали с помощью LC-MS / MS. Были проверены следующие нулевые гипотезы: (а) элюирование веществ зависит от материала и (б) анализ, основанный на стандартах веществ, используемых для производства композитных материалов, является адекватным для эффективной оценки высвобождения мономеров из этих материалов. .

2. Материалы и методы

В настоящем исследовании использовались четыре различных материала для изготовления временных реставраций: три химически отвержденных материала Protemp 3 Garant (3M ESPE Dental Products, Зеефельд, Германия), Systemp.c & b (Ivoclar Vivadent) , FL-Schaan, Лихтенштейн) и Trim (компания Bosworth, Скоки, Иллинойс, США) и светоотверждаемый материал, Clip F (VOCO GmbH, Куксхафен, Германия). Информация о составе композиционных материалов, предоставленная производителями, приведена в таблице 1.

/ жидкая система самоотверждающийся 9035 3 Материал Категория Основной (е) мономер (мономеры) * Производитель Protemp 3 Garant Система паста / паста самоотверждающаяся Dimethacrylate, Германия Dimethacrylate, Германия 3M Systemp.c & b Паста / паста, самоотверждающаяся BisGMA, метакрилат и полифункциональные акрилаты Ivoclar Vivadent, FL-Schaan, Лихтенштейн Поли (этилметакрилат), метилметакрилат Bosworth Company, Скоки, Иллинойс, США Clip F Однокомпонентная система светоотверждения 2- Hydro метакрилат и сложный эфир акрилата VOCO GmbH, Куксхафен, Германия

Согласно информации производителя.

В настоящем исследовании были использованы два разных носителя для хранения веществ: (i) объединенная слюна человека, собранная у людей без композитных реставраций, и (ii) 75% этанол. Из каждого тестируемого материала были изготовлены две группы (каждая) для каждой тестируемой среды хранения. Для изготовления композитных образцов использовались формы диаметром 4,5 мм и толщиной 2 мм, что позволяло изготавливать стандартизированные цилиндрические образцы.Эти формы помещали на прозрачную пластиковую матричную ленту поверх стеклянной пластины. Затем они были заполнены соответствующими композитными материалами. Образцы наращивались за один приём. После помещения материалов в формы поверх них помещали прозрачную пластиковую матричную полосу (Kerr Hawe, Швейцария), чтобы избежать образования ингибированного кислородом поверхностного слоя. Кроме того, для выравнивания поверхности использовали предметное стекло. Материалы использовались в соответствии с инструкциями производителей.Для полимеризации образцов, изготовленных Clip F, использовали галогенную установку (Elipar Highlight, 3M ESPE, Зеефельд, Германия). Его сила света составляла 780–800 мВт / см ² . Спектральную освещенность определяли с помощью измерителя видимого света (Cure Rite; Dentsply, США). Полимеризация образцов происходила в течение 20 секунд согласно инструкции производителя. Три других протестированных композитных материала были химически отвержденными материалами. Protemp 3 Garant и Systemp.c & b — это материалы, не смешанные вручную, поскольку они смешиваются с помощью двойного картриджа с автоматическим смешиванием, а их образцы оставляли в покое на 5 минут, чтобы они могли затвердеть, как рекомендовано инструкциями производителей.Trim представляет собой материал, смешанный вручную (порошок / жидкость), и поэтому паста была приготовлена ​​вручную в соответствии с инструкциями производителя: 7 мл жидкости Trim было помещено в чашку для смешивания, добавлено 13 мл (по объему) порошка и паста перемешивали почти 1 мин. После помещения пасты в формы, как это было сделано для других материалов, образцы оставались нетронутыми в течение 5 мин. Еще через 10 минут после отверждения (химического или светового) каждый образец немедленно погружали в 1 мл соответствующей среды для хранения в соответствии с группой, к которой они принадлежат.Образцы хранили в темном ящике при комнатной температуре, и среду для хранения обновляли через 1 день, 7 дней и 28 дней после полимеризации. Из удаленной среды для хранения готовили жидкие образцы, которые хранили до анализа при 4 ° C в темноте.

Для анализа использовался ранее опубликованный метод [25] с использованием тандемной масс-спектрометрии с высокоэффективной жидкостной хроматографией (LC-MS- / MS). Использовали тройной квадрупольный масс-спектрометр (модель 1200L) от Varian Inc. в сочетании с ВЭЖХ.Разделение мономеров осуществляли на колонке CC 70/3 Nucleodur 100-3 C18ec HLC (Macherey-Nagel, Düren, Германия) с использованием градиентной программы с 0,1% (об. / Об.) Муравьиной кислоты и ацетонитрилом в качестве растворителей. Внешние калибровки со стандартами проводились по площадям пиков. В качестве эталонов использовались бисфенол A, бисфенол-A-глицидилдиметакрилат (BisGMA), две различные формы уретандиметакрилата (UDMA 1 и UDMA 2), диметакрилат триэтиленгликоля (TEGDMA) и метилметакрилат (MMA).Информация о веществах, используемых в качестве эталонов, приведена в таблице 2. Идентификация мономеров проводилась по времени удерживания и экспериментам MRM в режиме MS / MS (Рисунок 1). Пределы количественного определения всех тестируемых веществ составили 0,005 мк г / мл. Положительные сигналы за пределами этого уровня не могут быть квалифицированы. Кроме того, основные мономеры TEGDMA, BisGMA, UDMA 1 и UDMA 2 были смешаны, чтобы оценить дополнительные пики, которые могут существовать в случае, когда элюированные мономеры реагируют друг с другом.

2 или 72869-86-4 Вещества Название Элементная формула Мол. вес * Номер CAS BisGMA Бисфенол А гликоль диметакрилат C 29 H 36 г -2 TEGDMA Диметакрилат триэтиленгликоля C 14 H 22 O 6 286.32 г / моль 109-16-0 UDMA 1 Диметакрилат уретана C 26 H 42 O 8 4 0 8 904 904 N 0 моль — UDMA 2 Диметакрилат уретана C 23 H 38 N 8 O 470359 моль MMA Метилметакрилат C 5 H 8 O 2 100.12 г / моль 80-62-6

Информация от производителей.

2.1. Статистический анализ

Смешанная модель [26] была оснащена случайным пересечением. Переменная непрерывного отклика моделируется как линейная функция носителя информации и времени, а соответствующие взаимодействия — как объясняющие переменные отдельно для каждого материала. Компоненты дисперсии использовались в качестве ковариационной структуры.Рассчитываются средние значения наименьших квадратов. Значения для попарного сравнения носителей информации были скорректированы по методу Тьюки. Все расчеты были выполнены с использованием процедуры PROC MIXED из статистической программы SAS 9.1.2. Статистический анализ проводился при уровне значимости 0,05.

3. Результаты

Результаты для четырех протестированных материалов различались. С помощью аналитического метода, использованного в настоящем исследовании, не было обнаружено, что ни один из исследованных мономеров элюируется из Protemp 3 Garant и Clip F ни на одном из двух протестированных носителей.Что касается двух других протестированных материалов, то в слюне не было обнаружено никаких веществ, но в этаноле наблюдалось элюирование веществ на 75%.

После периодов элюирования, составляющих 24 часа и 7 дней, среду для хранения данных заменяли для отдельного измерения элюированных веществ для трех различных периодов элюирования. В таблице 3 представлена ​​средняя концентрация (± стандартное отклонение) каждого мономера, обнаруженного в растворах этанола от Trim и Systemp.c & b в каждый протестированный мгновенный период элюирования.Количество выделяемых веществ значительно различается между материалами (). В таблице 4 представлены результаты попарного анализа для Trim и Systemp.c & b для каждого обнаруженного вещества.

1 период 35 9035 9035 9035 9035 9035 9035 9035 9035 9035 9035 9035 9035 9035 9035 9035 Материал BisGMA TEGDMA UDMA 2 Период 1 Период 2 Период 2 Период 2 Период 2 Период 2 Период 2 Период 1 Период 2 Период 3 День 0-1 Дни 2–7 Дни 8–28 День 0-1 Дни 2–7 Дни 8–28 Дни 0–1 Дни 2–7 Дни 8–28 Systemp.c & b 0,614 ± 0,23 0,128 ± 0,27 nd 1,839 ± 0,202 1,544 ± 0,564 0,042 ± 0,03 16,931 ± 10,34 11,020 ± 9,9683 Накладка 0,026 ± 0,028 0,024 ± 0,051 nd 0,345 ± 0,123 nd nd 0,126 ± 0,083 nd nd = не обнаружено. 9035 9035 <0,00011. Systemp.c & b Количество BisGMA, TEGDMA и UDMA 2, высвобожденных из Systemp.c & b, было выше, чем количество, обнаруженное в образцах этанола Trim. Количество UDMA 2, высвобожденного из Systemp.c & b, было значительно выше (), чем количество BisGMA и TEGDMA. Наибольшее высвобождение веществ наблюдалось в первые 24 часа. Было обнаружено, что BisGMA высвобождается в течение 7 дней после полимеризации, в то время как, что касается TEGDMA и UDMA 2, небольшие количества высвобождаются после 28 дней хранения в 75% этаноле. 3.2. Trim Обнаружены низкие концентрации веществ. Наибольшее высвобождение наблюдалось для TEGDMA, затем для UDMA 2, а затем для BisGMA. BisGMA высвобождался до 7 дней хранения, в то время как TEGDMA и UDMA 2 были обнаружены только в образцах этанола через 24 часа. Согласно тесту, проведенному в Турции, время хранения не оказало значительного влияния на элюирование веществ. 3.3. Смесь основных мономеров На рисунке 2 представлены пики BisGMA (1), TEGDMA (2) и двух видов UDMA (3) на одной хроматограмме и идентифицированы в соответствии с отдельными пиками и временами удерживания (BisGMA: 10.6 мин; TEGDMA: 5,3 мин; UDMA: 10 мин.) Отдельных стандартов. Как видно на рисунке 3, после смешивания стандартов был обнаружен дополнительный пик, более высокий, чем пик основных мономеров, существующих при другом времени удерживания (~ 13 мин). 4. Обсуждение В настоящем исследовании четыре различных материала, используемых в повседневной стоматологической практике для изготовления временных непрямых реставраций, были протестированы на элюирование веществ в течение 28 дней после отверждения.Хотя элюирование мономеров из композиционных материалов широко проверено, в литературе нет информации о выделении мономеров из таких материалов. Элюирование веществ из материалов, используемых в полости рта, подобных тем, которые были протестированы в настоящем исследовании, имеет большое значение, поскольку оно сочетается с воздействием на их механические свойства и воздействием на здоровье человека. Настоящие результаты показали значительную разницу между протестированными материалами, поскольку только два из них показали выделение веществ.Испытанные материалы различались в зависимости от процесса смешивания и типа отверждения. Один из протестированных материалов (Trim) относится к категории порошкообразных / жидких, смешанных вручную метакрилатных материалов, а два из них (Protemp 3 Garant и Systemp.c & b) относятся к категории пасты / пасты, не смешиваемых вручную (автоматически смешиваемых). , и один из них (Clip F) относится к категории однокомпозитных светоотверждаемых композитных материалов. Оба материала, которые показали выделение веществ, были химически отвержденными композитными материалами, что соответствовало заявленным недостаткам химически отвержденных композитных материалов, так как они показывают плохую стабильность при хранении, плохие физические свойства, повышенную воздушную пористость, вызванную смешиванием, и пониженную степень превращения. по сравнению со светоотверждаемыми материалами [6, 22, 27].Никаких веществ не было обнаружено в носителе для хранения от светоотверждаемого материала, что позволяет предположить, что светоотверждаемый композитный материал приводит к более сшитой сетке, не позволяя неполимеризованным мономерам элюироваться. Высвобождение мономеров в настоящем исследовании зависело от материала, и поэтому первая гипотеза, высказанная в начале исследования, подтвердилась. Как и ранее сообщалось Ferracane [28], элюирование мономеров зависит от степени реакции полимеризации, химического состава используемого растворителя, а также размера и химической природы высвобождаемых компонентов.Состав материалов оказывает важное влияние на элюирование мономеров [29, 30]. Protemp 3 Garant имеет матрицу смолы BisGMA, а Systemp.c & b — другую смесь метакрилатов [31]. BisGMA, используемый в бисакриловых композиционных материалах, имеет жесткую центральную структуру, которая снижает его способность вращаться и участвовать в реакции полимеризации [31, 32], и поэтому материалы, содержащие BisGMA, не могут быть легко подвержены влиянию в процессе полимеризации по сравнению с другими видами. материалов [32].Согласно им, полимерная матрица Systemp.c & b на основе полиуретандиметакрилата может быть более подвержена изменениям [33]. В исследовании Akova et al. [31], на все протестированные временные реставрационные материалы (среди них: Protemp 3 Garant и Systemp.c & b) повлияло хранение в 75% этаноле в отношении их твердости и прочности на изгиб, что противоречит результатам настоящего исследования, поскольку не обнаружено элюирования веществ в этанольных растворах Протемп 3 Гарант.Степень полимеризации влияет на физические свойства и клинические характеристики полимерных композитных материалов [5, 6], играя важную роль в определении окончательного успеха реставрации [34]. Согласно исследованию Balkenhol et al. [4], степень превращения на самом деле не отражает стабильность их механических свойств, хотя было показано, что механические свойства временных реставрационных материалов зависят от времени хранения после смешивания. В прошлом мы могли показать, что степень превращения определенно не влияет на высвобождение веществ из стоматологических реставрационных материалов [24].Сходный уровень конверсии может приводить к разным скоростям элюирования, в то время как, как упоминалось выше, вид существующей сети может влиять на высвобождение мономеров [24]. В случае сильно сшитой сети большее количество мономеров может оставаться в ловушке, не будучи способным элюироваться. Тип сети зависит от химического состава каждого реставрационного материала. В настоящем исследовании вещества были обнаружены только в 75% этаноле. Хотя слюна является физиологической средой, существующей в полости рта, и хотя 75% этанола можно охарактеризовать как агрессивную среду, 75% этанол используется в качестве среды для хранения во многих исследованиях для моделирования условий полости рта [10, 21, 24, 25, 35].Согласно рекомендациям Управления по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA) (1976, 1988), 75% этанол является имитатором пищевых продуктов и ускорителем старения и поэтому считается клинически значимым [36]. Этанол 75% оказывает смягчающее действие на композитные материалы после воздействия на их поперечно-сшитую сеть, влияя таким образом на высвобождение веществ. Benetti et al. изучили влияние этанола на размягчение и элюирование мономеров и пришли к выводу, что существуют отрицательные корреляции между размягчением и элюированием в этаноле, соответственно, и степенью превращения [37].Schneider et al. в своем исследовании показали, что одним из основных эффектов 75% -ного этанола является ослабление механических свойств композиционных материалов [38]. В предыдущем исследовании [25] мы смогли показать, что количества TEGDMA и UDMA 2 были выделены в образцах слюны, что противоречит настоящим результатам, что может быть связано со стандартами, используемыми в настоящем исследовании, и типом материалов. учился. Количество мономеров, обнаруженных в этаноле после хранения тестируемых материалов, было относительно низким, хотя можно было бы ожидать высокого количества из-за категории, к которой принадлежат тестируемые материалы.Были выпущены только BisGMA, TEGDMA и UDMA 2. Кроме того, количество мономеров, высвобожденных из Systemp.c & b, было выше, чем из Trim. Различный состав и химический состав тестируемых материалов в сочетании с различными способами смешения могут быть причиной настоящих результатов. Trim содержит поливинилметакрилат с совершенно другим химическим составом по сравнению с Systemp.c & b. Тип веществ, используемых в качестве стандартов, также мог повлиять на результаты.Из-за разного состава ММА использовался в качестве стандарта как небольшая молекула, которую можно было бы идентифицировать как элемент более крупных молекул, содержащихся в тестируемых материалах. Согласно настоящим результатам, между образцами Systemp.c & b была большая разница в отношении обнаруженной концентрации UDMA 2, что означает наличие неоднородной массы приготовленных образцов. Это может быть связано с процедурами смешивания материала во время подготовки образцов, что предполагает более осторожное использование таких материалов в клинической практике.В настоящем исследовании было проверено элюирование определенных веществ, которые обычно считаются ответственными за вредное воздействие на здоровье человека. Однако необходимы дальнейшие исследования, чтобы оценить возможное вредное воздействие временных материалов и их элюатов на ткани полости рта. В настоящем исследовании, помимо аналитической процедуры, касающейся элюирования веществ из тестируемых материалов, основные мономеры, используемые для производства материалов и в качестве стандартов в настоящем исследовании, были смешаны вместе, чтобы оценить дальнейшую реакцию между ними, которая может иметь место после элюирования.В результате этого смешивания был обнаружен дополнительный высокий пик молекулы с более высокой массой и более низкой полярностью, чем у основных мономеров, что позволяет предположить, что во время элюирования веществ стоматологическими материалами может произойти своего рода взаимодействие между ними, приводящее к дополнительные побочные продукты, которые могут вызвать некоторую путаницу в процессе анализа в случае использования неподходящего метода. Эти побочные продукты могут быть частями основных мономеров, образующихся в результате их разложения, или новыми более крупными молекулами, которые образуются в результате их реакции.Это может быть причиной небольшого количества тестируемых мономеров, обнаруженных материалами в настоящем исследовании. Согласно им, вторая гипотеза, высказанная в начале исследования, оценивающая, достаточно ли стандартов веществ, используемых для производства композиционных материалов, для изучения элюирования веществ из композиционных материалов с использованием аналитических методов, не может быть принята. Однако результаты настоящего исследования дают только указание на существование других веществ во время элюирования помимо веществ, используемых для синтеза композиционных материалов, что дает понять важность выбора соответствующего аналитического метода.Необходимы дальнейшие исследования в этой области, чтобы оценить производство других веществ из высвобождаемых мономеров в различных условиях и с помощью разных носителей. Как было показано в прошлом [39], комбинация ВЭЖХ с масс-спектрометрией очень полезна для идентификации элюированных соединений из композитных материалов. По этой причине в качестве диметакрилата уретана использовались два разных вещества (UDMA 1 и UDMA 2), поскольку выбор стандартов может повлиять на результаты анализа [39].Дальнейшее развитие аналитических методов с использованием комбинации ВЭЖХ с масс-спектрометрией могло бы дать ценную информацию об идентификации побочных продуктов из композитных материалов. 5. Выводы В рамках ограничений настоящего исследования можно сделать вывод, что вымывание веществ из материалов, используемых для изготовления временных реставраций, зависит от материала, в зависимости от химического состава каждого материала. В человеческой слюне ни один из протестированных материалов не показал выделения каких-либо веществ.Только Systemp.c & b продемонстрировал элюирование мономеров в течение всего времени хранения 28 дней. Большинство веществ, которые считались вредными для здоровья человека, не элюировались. Однако обнаружение дополнительных пиков во время анализа образцов этанола предполагает образование побочных продуктов из-за элюированных веществ, предлагая осторожное использование этих материалов, поскольку они могут вызывать некоторые побочные эффекты. Конфликт интересов Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. Благодарность Авторы хотели бы поблагодарить доктора Мартина Волькевица (Институт медицинской биометрии и медицинской информатики, Университет Альберта Людвига, Фрайбург, Германия) за статистический анализ данных и его поддержку. Композиционный материал | строительство | Britannica Композитный материал , также называемый композитом , твердый материал, который образуется в результате объединения двух или более различных веществ, каждое со своими характеристиками, для создания нового вещества, свойства которого превосходят свойства исходных компонентов в конкретное приложение.Термин «композит» более конкретно относится к конструкционному материалу (например, пластику), в который заделан волокнистый материал (например, карбид кремния). Далее следует краткое описание композиционных материалов. Для полного обращения, см. материаловедение. Подробнее по этой теме Материаловедение: Композиты Хотя разработки в области металлов повлияли на конструкцию двигателей, наблюдается растущая тенденция к применению композитных материалов… Замечательные свойства композитов достигаются за счет встраивания волокон одного вещества в основную матрицу другого. Хотя структурная ценность пучка волокон невысока, прочность отдельных волокон может быть повышена, если они внедрены в матрицу, которая действует как адгезив, связывая волокна вместе и придавая материалу прочность. Жесткие волокна придают композиту структурную прочность, а матрица защищает волокна от воздействия окружающей среды и физических повреждений и придает им термическую стабильность.Комбинация волокна и матрицы также снижает вероятность полного разрушения; если одно волокно выходит из строя, трещина может не распространяться на другие волокна, тогда как трещина, которая начинается в монолитном (или одиночном) материале, обычно продолжает распространяться до тех пор, пока этот материал не разрушится. Большинство обычных композитов напоминают фанеру тем, что состоят из тонких слоев, каждый из которых армирован длинными волокнами, уложенными в одном направлении. Такие материалы обладают повышенной прочностью только в направлении волокон.Для производства композитов, прочных во всех направлениях, волокна сплетаются в трехмерную структуру, в которой они лежат вдоль трех взаимно перпендикулярных осей. Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас Структурный компонент композита может состоять из волокон из стекла или углеграфита, более коротких «усов» из карбида кремния или оксида алюминия или более длинных нитей из вольфрама и бора. Материал матрицы может представлять собой эпоксидную смолу или другой жаропрочный пластик, алюминий или другой металл, или керамику, такую ​​как нитрид кремния.Пластик, армированный стекловолокном, является наиболее известным композитом и нашел широкое применение как в бытовых, так и в промышленных товарах. Однако композиты наиболее широко используются в аэрокосмической промышленности, где их жесткость, легкость и термостойкость делают их предпочтительными материалами для усиления капотов двигателей, крыльев, дверей и закрылков самолетов. Композитные материалы также используются в ракетках и другом спортивном оборудовании, в режущих инструментах и ​​в некоторых частях автомобильных двигателей. Оптимизация состава композиционного материала для приложений микроэлектроники с использованием модели Изинга Оптимизация состава с использованием машины Изинга Композиционные материалы, которые мы рассматриваем в этой статье, широко используются во многих приложениях, от аэрокосмической до биомедицинской и микроэлектроники 11, 12,13 .Состав композитного материала зависит от области применения, поскольку требования к материалу зависят от характеристик конечного компонента продукта. На сегодняшний день было проведено множество исследований, касающихся эмпирического правила смешивания композитных материалов в композитах на основе металлов, а также композитных материалах на основе керамики и смол 14 . Следовательно, как только состав зафиксирован, свойства композита можно предсказать, вычислив правило смеси.Кроме того, метод нечеткого предпочтительного выбора (f-PSI) и так далее хорошо известен как метод выбора оптимального композиционного материала из заданных нескольких композиционных кандидатов 15 . Тем не менее, в случае обратной задачи, лучший состав из многих составляющих кандидатов для получения заданных свойств, со всеми комбинациями, полученными путем изменения состава и составляющего, должен быть рассчитан до тех пор, пока не будут получены заданные свойства. Таким образом, поскольку чем больше составляющие кандидатов и масштаб композиции увеличиваются, тем больше резко увеличивается комбинация, требуется много времени для вычисления всех комбинаций с использованием классического компьютера с архитектурой фон Неймана.Например, в случае n = 25 городов в задаче коммивояжера, комбинация которых равна 3,1 × 10 23 (n! / 2n) 16 , сообщается, что для выполнить все вычисления даже на суперкомпьютере, в то время как она решается менее чем за 1 минуту на машине с использованием эвристической оптимизации: модель Изинга 17 . Поэтому, чтобы найти оптимальный состав композитного материала, мы применяем тот же шаг в этом исследовании. Наш подход состоит из следующих пяти шагов. Шаг 1: Устранение проблем. Шаг 2: Преобразование задачи комбинаторной оптимизации. Шаг 3: Формулировка выражения модели Изинга. Шаг 4: Преобразование выражения в QUBO. Шаг 5: Вычисление QUBO для оптимального решения с помощью машины Изинга. Подробное содержание каждого шага описывается позже. Мы выбираем радиатор и радиатор для высокоскоростного компьютера в качестве целевого компонента для подхода к материаловедению с использованием модели Изинга. Радиатор и радиатор прикреплены к задней стороне Si-чипа, образуя ЦП для высокоскоростного компьютера 18,19,20 , как показано на рис.1. Во время работы на Si-поверхности 21 вырабатывается более 50 Вт / чип, в зависимости от компьютера. Большое количество тепла должно эффективно отводиться от Si-кристалла с использованием теплоотвода и компонента теплоотвода для правильной работы схемы на активной стороне Si. Следовательно, следующие три требования должны соответствовать материалу радиатора и радиатора 22,23,24 . 1. Высокая теплопроводность для надлежащего отвода тепла 2. Коэффициент теплового расширения близок к таковому у Si для сохранения возможности присоединения к Si 3. Низкий удельный вес для снижения механической нагрузки на хрупкий Si и склеивающую структуру с перевернутым кристаллом Рисунок 1 Типичная структура корпуса микроэлектроники высокоскоростного процессора компьютера.Тепло, генерируемое LSI, рассеивается радиатором и теплораспределителем, прикрепленным к задней стороне Si-чипа. Для одновременного удовлетворения трех вышеуказанных требований мы формулируем функцию энергии, используя формат квадратичной безусловной двоичной оптимизации (QUBO), эквивалентный модели Изинга. Общее уравнение модели Изинга относительно гамильтониана H выглядит следующим образом: 25,26 : $$ H = — \ mathop \ sum \ limits_ {i \ ne j} J_ {ij} \ sigma_ {i} \ sigma_ {j} — \ mathop \ sum \ limits_ {i} h_ {i} \ sigma_ {i} \ left ({\ sigma = \ pm 1} \ right) $$ , где σ i представляет удовлетворяемую входную переменную поскольку σ ∊ {- 1, + 1}.J ij является заданным параметром (двухчастичного) взаимодействия, а h i упоминается как заданное магнитное поле как (однокомпонентный) параметр. На практике модель преобразуется в эквивалентный стиль QUBO с битами q ∊ {0, 1} вместо σ ∊ {- 1, + 1}. QUBO получается только путем преобразования переменной в модели Изинга [σ = 2q — 1 или q = (σ + 1) / 2]. Чтобы принять метод решения задачи дискретной оптимизации в отношении состава композитного материала, мы вводим переменный бит xij ∊ {0, 1} с составом материала (j) компонента материала (i).Применяются значения для i (m = 10) и j (n = 100). Затем в это решение вводятся m × n = 1000 xij бит. Все биты распределяются, как показано в таблице 1. Таблица 1 Битовая комбинация матрицы x ij . Десять материалов (m = 10), показанных в таблице 2, выбраны в качестве составных частей композита в данном исследовании. Таблица 2 Свойства десяти материалов для составных кандидатов для моделирования отжига модели Изинга в этом исследовании. Необходимо ввести два ограниченных члена, чтобы правильно отобразить битовую комбинацию, показанную в таблице 1.{n} {y} _ {j} {x} _ {ij} $$ где Q i представляет собой удельный вес компонента i. Полная энергия формулируется путем добавления трех объективных членов и двух ограниченных членов следующим образом: $$ {\ text {E}} = \ alpha {\ text {E}} _ {{{\ text {TC }}}} + \ beta {\ text {E}} _ {{{\ text {TE}}}} + \ gamma {\ text {E}} _ {{{\ text {SP}}}} + \ delta {\ text {F}} + \ varepsilon {\ text {G}} $$ где α, β, γ, δ и ε — гиперпараметры, которые регулируют баланс между условиями ограничения и целевыми функциями. Оптимальный состав, который удовлетворяет всем трем требованиям одновременно, вычисляется путем определения матрицы битовых шаблонов в таблице 1, так что общее E минимизируется с помощью смоделированного процесса отжига машины модели Изинга 27 . Расчет выполняется одной из машин Изинга, т. Е. Цифровым устройством отжига (DA) 28 , для которого специализированное оборудование КМОП предназначено для решения полностью связанных задач QUBO с использованием алгоритма моделирования отжига (SA) с массивно-параллельная архитектура для оптимизации энергии модели Изинга путем поиска цепью Маркова методом Монте-Карло (MCMC) 29,30 .Архитектура обрабатывает 1024 параллельных бита, которые полностью подключаются с помощью 16-битных весов. В результате моделирования процесса отжига на машине Изинга следующие биты выбраны в качестве оптимизированного ответа: x 2, 38 , x 5, 3 , x 6, 2 , x 7, 9 , x 9, 19 , x 10, 29 . Одним из оптимальных составов в этом исследовании является 38Cu-3BeO-2AlN-9h-BN-19c-BN-29Diamond (объемные проценты), в зависимости от гиперпараметров α, β, γ, δ и ε.Это окончательный ответ на обратную задачу, решаемую машиной модели Изинга. Роль гиперпараметра заключается в определении функционального веса каждого члена в уравнении полной энергии и нормализации значения энергии каждого члена. В этом случае мы устанавливаем α: 0,001, β: 0,01, γ: 0,01, δ: 80 и ε: 100 соответственно. Общее время расчета моделируемого процесса отжига было менее 10 с, как в описанной выше задаче коммивояжера в 25 городах 16 . Проверка свойств композитного материала с использованием правила смеси Мы проверяем свойства оптимизированного состава композитного материала с помощью правила смеси 31 . {m} V_ {i} \ kappa_ { я} \ quad {\ raise0.{m} {V} _ {i} {\ rho} _ {i} $$ ρ i — удельный вес составляющего материала i, V i — объемная доля составляющего материала i. В таблице 3 показаны расчетные свойства оптимизированного композиционного материала, полученного по правилу смеси. Композитный материал, состав которого оптимизирован с помощью модели Изинга, удовлетворяет всем трем требуемым свойствам, как показано на рис. 2. Таблица 3 Расчетные свойства оптимизированного композитного материала, полученные с помощью модели Изинга с использованием правила смеси. Рисунок 2 Рассчитанные три требуемых свойства композитного материала, оптимизированные с использованием модели Изинга, по сравнению с существующим материалом-кандидатом на теплоотвод. Композиционный материал одновременно удовлетворяет всем трем требованиям: высокая теплопроводность, тепловое расширение, близкое к Si, и низкий удельный вес. Композитный материал, в состав которого входит алмаз, можно будет производить обычным способом 32,33 и современной обработкой материалов для 3D-печати 34,35 . Как описано выше, целью данного исследования является материал для радиатора и теплоотвода высокоскоростного компьютера, управляемого кремниевым активным чипом. В последнее время аналогичные типы радиаторов и теплораспределителей потребовались для приложений силовой электроники. Например, усилитель мощности базовой станции мобильного терминала для 5G и поста 5G выделяет намного больше тепла, чем у высокоскоростного компьютера 36 . В этом приложении, принимая тепловое расширение материала активного устройства, т.е.например, SiC или GaN, можно использовать ту же функцию энергии, что и в модели Изинга. Кроме того, другие дополнительные требования, такие как стоимость материала, экологичность и т. Д., Могут быть покрыты путем добавления обозначенного члена целевой функции, хотя только три целевые функции, касающиеся теплопроводности, теплового расширения и удельного веса, указаны в эта учеба. No related posts. Добавить комментарий Отменить ответ Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены * Комментарий * Имя * Email * Сайт Предыдущая запись: Что означают цветные полоски на зубных пастах: Полоски на тюбиках зубной пасты Следующая запись: Отбеливающие полоски для зубов rigel: Отбеливающие полоски для зубов RIGEL professional on -the-go teeth whitening strips Материал Сравнение пар BisGMA TEGDMA UDMA 0,155 0,2655 Период 1 по сравнению с 3 <0,0001 <0,0001 0.0004 Период 2 по сравнению с 3 0,356 <0,0001 0,0204 Обрезка 0,99 по сравнению с 2 0,99 Период 1 по сравнению с 3-м периодом 0,219 <0,0001 <0,0001 Период 2 по сравнению с 3-м периодом 0,257 0,991 1.0000