Tēma 13 13. KOMPOZĪTMATERIĀLI. HIBRĪDKOMPOZĪTI 13.1. IEVADS Par hibrīdkompozītiem parasti uzskata kompozītmateriālus, kuru veidošanā izmantoti vienlaicīgi divu vai vairāku vienkāršo kompozītmateriālu (pildītu, stiegrotu, slāņainu) uzbūves principi. Taču hibrīdkompozītu klasei pieder arī pildīti un stiegroti kompozīti, kuru matricā iekļauti divi vai vairāki viena tipa, bet pēc dabas atšķirīgi ingredienti. Piemēram, tie var būt stiegroti kompozīti, kuros kā stiegrojums izmantotas divas vai vairākas dažādas izcelsmes šķiedras, vai pildīti kompozīti, kuros ievadītas vairākas pēc dabas atšķirīgas pildvielas. Hibrīdkompozītu (HB) uzbūve ir sarežģītāka, salīdzinot ar vienkāršiem kompozītmateriāliem. Tāpēc HB īpašību prognoze izejot no komponentu īpašībām un izvietojuma kompozītā daudzos gadījumos ir problemātiska. Visbiežāk HB veido izejot no vispārīgiem priekšrakstiem par katra komponenta iespējamo ietekmi. Izveidotā HB īpašības tad precizē eksperimentāli. Mēs šajā tēmā īsumā aplūkosim tikai atsevišķus raksturīgus HB piemērus. Aplūkojot stiegrotos un slāņainos kompozītus, mēs jau ievērojām, ka bieži konkrētu kompozītu veido nevis kā materiālu, lai no tā izgatavotu dažādus izstrādājumus, bet gan kompozītu rada tieši konkrēta izstrādājuma izgatavošanas procesā. Pats izstrādājums tad ir kompozīts. HB gadījumā šī tendence ir sevišķi raksturīga. 13.2. DZELZSBETONS Dzelzsbetons ir hibrīdkompozīts, kura struktūrā apvienoti pildīta un stiegrota kompozītu uzbūves principi. 1
Dzelzsbetona matrica ir betons pildīts kompozīts, kuru veido sacietējis cementa akmens (skat. 8.tēmu) ar tajā izkliedētām pildvielām: smilts, grants, oļi u.c. (skat. 11. tēmu). Dzelzsbetona stiegrojums ir tērauda stieņi (stieples), kas noteiktā veidā izvietoti matricā. Tipiska dzelzsbetona struktūra parādīta 13.1. att. matrica - betons oļi stiegrojums tērauds sacietējis cements grants cementa akmens nereaģējuši cementa graudi 13.1.att. Dzelzsbetona struktūra Tērauda stiegrojuma forma un izmēri var būt ļoti dažāda. Stiegrojuma šķērsizmēri atkarībā no dzelzsbetona konstrukcijas izmēriem un funkcijām atrodas robežās no dažiem milimetriem (stieples) līdz dažiem desmitiem milimetru (stieņi) (13.2.att.). Stiegrojošie elementi betonā var tikt izvietoti kā izolētas stiegras, divdimensionālas, un trīsdimensionālas konstrukcijas (13.2.att.). 2
13.2.att. Stiegrojošie elementi un to konstrukcijas 3
Stiegrojuma elementu šķērsizmērus, stiegrojuma konstrukcijas veidu un konfigurāciju, kā arī stiegrojuma elementu izvietojuma blīvumu betona matricā nosaka vairāki kritēriji. Izšķirošie ir sasniedzamie veidojumā dzelzsbetona objekta stiprības rādītāji. Betonam ir pietiekami liela stiprība spiedē. Taču stiepē tā ir līdz divdesmit reizēm mazāka. Dzelzsbetonā stiepes spriegumi tiek efektīvi pārnesti uz tērauda stiegrojumu (skat. 12. tēmu), kura stiepes stiprība ir liela. Ja stiegrojuma elementu blīvums betona matricā ir pietiekami liels, tiek sasniegta liela visas dzelzsbetona konstrukcijas stiprība stiepē. Līdzās lielai mehāniskai izturībai dzelzsbetonam vēl ir virkne priekšrocību. Dzelzsbetona konstrukciju kalpošanas mūžs ir liels. Betona matricas stiprība matricā notiekošo struktūras pārvērtību dēļ laikā pieaug. Tā kā tērauda stiegrojuma un betona termiskās izplešanās koeficientu vērtības ir tuvas, dzelzsbetona konstrukcijām maz kaitē diennakts vai sezonas ārējas vides temperatūras svārstības. Dzelzsbetons ir izturīgs pret koroziju, jo korozijas izturīgā betona matrica pietiekami efektīvi pasargā stiegrojumu no korozijas. Dzelzsbetons nedeg, tāpēc tā konstrukcijas ir ugunsdrošas. Dzelzsbetona konstrukciju kopšanas izdevumi ir nelieli. Dzelzsbetona sastāvdaļas: betona matrica (cements, grants, oļi) un tērauda stiegrojums ir samērā lēti. Tāpēc dzelzsbetona konstrukciju izmaksas nav lielas. Visas šīs īpašības padara dzelzsbetonu par vienu no visplašāk pielietotiem materiāliem dažādu būvju un konstrukciju izveidē. Izšķir monolītās un saliekamās dzelzsbetona konstrukcijas. Monolītās dzelzsbetona konstrukcijas veido tieši būvlaukumā, izmantojot uz vietas samontējamos veidņus (13.3.att.). 4
1 3 2 4 13.3.att. Monolītas dzelzsbetona konstrukcijas formēšana Veidņus 1 (koks, metāli, plastmasa) nostiprina uz pamatnes 2. Veidņu izveidotā telpā nostiprina iepriekš samontētu stiegrojuma konstrukciju 3 (vai arī izveido šo konstrukciju tieši veidņu telpā). Telpu pakāpeniski aizpilda ar šķidru betona masu 4. Svarīgs uzdevums ir nodrošināt pēc iespējas pilnīgu betona masa kontaktu ar stiegrojumu ( 13.4.att.). 13.4.att. Kontakta veidošanās starp betona masu un stiegrojumu 5
To visbiežāk panāk ar dažādu vibrācijas ierīču palīdzību. Kad šis kontakts panākts, betonam ļauj sacietēt. Betona matrica sasniedz pietiekami lielu stiprību apmēram trīs diennakšu laikā. Tad ir pieļaujama veidņu nojaukšana. Monolītā dzelzsbetona konstrukcijas izmanto masīvās un lielām slodzēm pakļautās būvēs: ēku pamati, daudzstāvu ēku sienas, hidrotehniskās (aizsprosti, dambji) un transporta būves (tilti, estakādes, ceļu un laukumu segumi). Atsevišķi monolītā dzelzsbetona formēšanas piemēri redzami 13.5. att. 13.5.att. Monolītas dzelzsbetona konstrukcijas formēšana izmantojot dažāda tipa veidņus Daudzstāvu ēku sienu un līdzīgu būvju elementu formēšanā izmanto pārvietojamus (paceļamus) veidņus (13.6. att.). 6
13.6.att. Monolītas dzelzsbetona konstrukcijas formēšana izmantojot pārvietojamus veidņus Formēšanu sāk no apakšas. Kad betona pirmā kārta sacietējusi, veidņus paceļ augstāk. Monolīta dzelzsbetona konstrukciju izgatavošanai nepieciešamo betonu visbiežāk iegūst rūpnieciski lielākā daudzumā un pieved būvlaukumiem betonēšanai pēc vajadzības ar speciālā transporta mašīnām (13.7.att.). Šķidro betona masu ar speciālu sūkņu palīdzību iespējams pievadīt tieši no transporta mašīnas jebkurā būves punktā, arī lielā augstumā (13.8.att.). Saliekamās dzelzsbetona konstrukcijas ir dzelzsbetona pamatveids. Saliekamo dzelzsbetona konstrukcijas iespējams iegūt rūpnieciski, izmantojot augstražīgas metodes. Visvairāk izplatītās saliekamās dzelzsbetona konstrukcijas ir ēku apakšzemes un pamatu konstrukcijas: pamatu bloki, plātnes, pagraba sienu paneļi un bloki (13.9. att.), ēku karkasu konstrukcijas (kolonnas, sijas), ēku sienu un pārsegumu konstrukcijas (paneļi, plātnes), kāpņu konstrukcijas u.c. (13.10. att.), caurules un gredzeni (13.11. att.). 7
13.7.att. Rūpnieciska betona iegūšana un transports 13.8.att. Šķidrās betona javas pievadīšana būvobjektiem 13.9.att. Dzelzsbetona pamatu bloki, plātnes, pagraba sienu paneļi un bloki 8
13.10.att. Dzelzsbetona ēku karkasu konstrukcijas (kolonnas, sijas), ēku sienu un pārsegumu konstrukcijas (paneļi, plātnes), kāpņu konstrukcijas. 13.11.att. Dzelzsbetona caurules un gredzeni 9
Nolūkā uzlabot atsevišķas dzelzsbetona betona matricas īpašības (samazināt cietēšanas sarukuma izsaukto betona plaisāšanu cietējot, samazināt betona ūdens caurlaidību cietēšanas procesā) betonā ievada polimēru (polipropilēns) vai stikla šķiedras (0,1 3 tilpuma %). Pateicoties lielai elastības moduļa vērtībai (skat. 11. tēmu), stikla šķiedra sekmē vienmērīgāku spriegumu sadalījumu matricā. Rezultātā pieaug betona stiepes stiprība. Šādā veidā iegūst vēl sarežģītākas uzbūves hibrīdkompozītu (13.12. att.); salīdziniet 13.12. att. ar 13.1. att. šķiedras 13.12.att. Dzelzsbetons, kura betona matricā ievadītas stiegrojošās šķiedras Svarīgi ir nodrošināt pietiekami lielu stiegrojošās šķiedras garuma un diametra attiecību (skat. 11. tēmu). Tā ir grūti risināma tehnoloģiska problēma, jo betona masas sajaukšanas procesā rupjās betona komponentes (oļi, grants) sadragā smalkās šķiedras (šķiedru diametrs ir 10 40 μm). Interesants ir dzelzsbetons, kura betona matricā ir izkliedēti polimēra (polipropilēns) stienīši (diametrs ~ 1 mm, garums 60 100 mm). To klātbūtne betona stiprību būtiski neietekmē. Taču dzelzsbetona konstrukcijas sabrukuma gadījumā (piemēram, zemes trīce) stienīši notur sabrukušos betona fragmentus, neļaujot tiem brīvi krist (13.13. att.). 10
13.13.att. Polimēra stienīši betonā Interesants ir dzelzsbetona tālākas hibridizācijas piemērs. Kā zināms (skat. 6.tēmu), betona siltuma vadāmības koeficienta vērtība ir pietiekami liela (13.1. tabula). Dzelzsbetona siltuma vadāmības koeficienta vērtība ir vēl lielāka. To nosaka 13.1. tabula Dažu materiālu siltuma vadāmības koeficienta k vērtības Materiāls k, w/mk Dzelzs 79 Betons 1.1 Koks 0.15 Polistirols 0.13 Gaiss 0.026 Putupolistirols 0.10 siltumu vadoša stiegrojuma saturs un veids. Ja dzelzsbetons tiek izmantots ēku sienu izveidošanai nepieciešama sienu siltināšana. Parasti to veic no vienas vai abām pusēm noklājot sienu ar siltumu izolējoša materiāla (visbiežāk putuplasta) kārtu. Tas ir pietiekami sarežģīts un dārgs tehnoloģisks process. Apvienot dzelzsbetona sienas izgatavošanas un siltuma izolēšanas procesus vienā un vienlaicīgi būtiski vienkāršot šos procesus izdodas veidojot ēkas sienu kā savdabīgu hibrīdkompozītu (13.14.att.). 11
13.14.att. Dzelzsbetona sienas formēšana apvienojot ar abpusējas siltumu izolācijas izveidošanu Sienas izbūvē kā veidņi kalpo savā starpā ar šķērssaitēm (parasti plastmasas stieņi) savienoti putuplasta bloki, kas pēc sienas dzelzsbetona konstrukcijas noformēšanas veido sienas ārējo un iekšējo siltuma izolāciju. Bloku biezumu nosaka nepieciešamie siltumu izolējošie rādītāji. Savienojošie stieņi paliek sienas betona masā un kalpo kā papildus stiegrojums. 13.3. HIBRĪDKOMPOZĪTI AR POLIMĒRU MATRICU Hibrīdkompozīti ar polimēru matricu daudzveidība ir ļoti liela. Mēģināsim sistematizēt svarīgākos šo hibrīdkompozītu tipus. 12
PILDVIELAS SATUROŠI HIBRĪDKOMPOZĪTI polimēra matricā izkliedēti divu vai vairāku atšķirīgu veidu pildvielas, kas katra pilda speciālas tām atbilstošas funkcijas. piemēram: neorganiskas pildvielas kopā ar metāla daļiņām, kas nodrošina kompozītam elektrovadāmību vai/un siltumavadāmību neorganiskas pildvielas kopā ar magnētiskām pildvielām (barija ferrits, dzelzs oksīds, dzelzs) u.c. polimēra putuplasts vai poroplasts, kura matrica satur pildvielas (matricas stinguma, cietības u.c. rādītāju uzlabošanai) ŠĶIEDRAS SATUROŠI HIBRĪDKOMPOZĪTI polimēra matricā izvietots divu vai vairāku atšķirīgu šķiedru stiegrojums (grīstes, audums); piemēram: stikla, oglekļa un aramīda šķiedras polimēra matricā izvietots audums, kas izgatavots no divām vai vairākām atšķirīgām šķiedrām polimēra putuplasts vai poroplasts, kas stiegrots ar noteikta tipa šķiedrām SLĀŅAINI HIBRĪDKOMPOZĪTI slāņains kompozīts, kas sastāv no vairākiem atšķirīgiem slāņiem (metāli, polimēri, koksne, papīrs u.c.) slāņains kompozīts, kas sastāv no polimēru putuplasta slāņa, kuru no abām pusēm klāj blīva materiāla slāņi (metāli, polimēri, koksne u.c.) slāņains kompozīts, kas sastāv no stiegrota termoreaktīva vai termoplastiska polimēra slāņa, kuru no abām pusēm klāj dažādi slāņi (metāli, polimēri u.c.) 13
Visi aplūkotie hibrīdkompozītu varianti, kuru svarīgākā sastāvdaļa ir polimēri, tiek plaši izmantoti. Tālāk aplūkosim dažus interesantus sarežģītākas uzbūves hibrīdkompozītu veidus ar polimēra matricu. Viens no izcilākiem un plaši izmantojamiem izstrādājumiem ar hibrīdkompozīta struktūru, kurā kā matrica tiek izmantota gumija, ir spēkratu (arī lidaparātu) modernā pneimatiskā riepa. Pirmo pneimatisko riepu patentēja R.Tomsons jau 1845. gadā. Tā bija konstrukcija, kuru veidoja vairākas piepūšamas gumijas caurules, kas izvietotas ādas apvalkā (13.15. att.). 13.15. att. Tomsona pneimatiskās riepa 1888. gadā J. Danlops izgudroja pneimatisko riepu, kuras konstrukcija tiek izmantota arī šodien. Tā sastāvēja no viengabala gumijas kameras un pašas riepas stiegrota gumijas apvalka (13.16. att.). kameras riepa bezkameras riepa 13.16. att. Pneimatiskā kameras un bezkameras riepa 14
Riepas tālākas attīstības produkts ir pneimatiskā bezkameras riepa. Riepa pilda vairākas būtiskas funkcijas: nodrošina ievērojami samazinātu riteņa ritēšanas pretestību pateicoties iekšējam gaisa spiedienam un konstrukcijas superelastībai, efektīvi absorbē ceļa grambu triecienus nodrošina labu riteņa saķeri ar ceļa segumu. Tā kā automobiļi un lidaparāti kustas ar lielu ātrumu un bieži sarežģītos braukšanas apstākļos, riepas tiek stipri noslogotas. Lai nodrošinātu nepieciešamo izturību un stabilitāti, riepa tiek veidota kā sarežģīta hibrīdkompozīta konstrukcija, kura ietver slāņaino un stiegroto kompozītu principus. Atkarībā no konkrētās izmantošanas jomas, riepas kā kompozīta konstrukcija atšķiras. Viens no automobiļa riepas konstrukcijas variantiem parādīts 13.17. att. protektors riba protektora elementi sintētisko šķiedru kords tērauda šķiedru kords iekšējais gumijas slānis radiālais stiegrojums nepārtraukts tērauda stiepļu kūlis 13.17. att. Automobiļa pneimatiskās bezkameras radiālās riepas konstrukcija Riepas kā hibrīdkompozīta stiprības-deformācijas īpašības nodrošina matricas (gumija) un stiegrojošo materiālu stiprības-deformācijas rādītāji, komponentu izvietojums un tilpuma proporcijas, kā arī stiegrojošo materiālu saistība ar matricu. 15
Riepas pamatu veido ar sintētiskām šķiedrām stiegrots nepārtraukts gumijas slānis (radiālais stiegrojums). Tas tiek stiprināts ar gumijas slāņiem, kuri stiegroti ar tērauda stiegrām un sintētiskām šķiedrām. Mehāniski izturīgās kompleksās šķiedras (dabas šķiedras, sintētiskās, metāla), kuras savstarpēji paralēli izvietotu šķiedru slāņu vai dažāda pinuma audumu veidā tiek izmantotas gumijas matricas stiegrošanai sauc par kordu. Riepas daļas, kas saskaras ar riteņa disku, ir stiprināti ar izturīgu tērauda stiepļu kūli. Rezultātā riepas malas neizstiepjas un cieši pieguļ diskam, kas nepieciešams gaisa iekšējā spiediena uzturēšanai. Riepu gaisa necaurlaidīgu padara iekšējais gumijas slānis. Riepas virsmu, kas atrodas tiešā saskarē ar ceļu, veido protektors salīdzinoši biezs gumijas slānis ar dažādu reljefu. Protektora reljefa forma un gumijas stiprībasdeformācijas īpašības nosaka riepas saķeri ar ceļa segumu, kā arī riepas nodilumu. Cits plaši izmantojams izstrādājums ar hibrīdkompozīta struktūru un polimēra matricu ir slēpes. Slēpes konstrukcijai jābūt tādai, lai tā nodrošinātu: vienmērīgu slēpotāja svara sadalījumu pa slēpes saskares virsmu ar sniegu nepieciešamo slēpes slīdvirsmas slīdamību nepieciešamo slēpes spēju deformēties dažādos virzienos Pēdējos gadu desmitu laikā slēpju konstrukcija ir būtiski evolucionējusi. Pirmie slēpju eksemplāri bija izgatavoti no viengabala koka. Vēlāk tie tika veidoti kā kompozīti, kuros dažādi koka elementi savienoti savā starpā salīmējot, vai arī savienoti ar citiem materiāliem (metāliem, plastmasu). Modernās slēpes ir hibrīdkompozīti, kas sastāv no dažādas konfigurācijas elementiem, kas izgatavoti no dažādiem materiāliem. Šie elementi ir savienoti ar sintētisko polimēru līmes slāņiem vai arī ir spējīgi savstarpēji saistīties patstāvīgi. Atkarībā no pielietojuma slēpju konstrukcija var ievērojami atšķirties. Distanču slēpju konstrukcijas variants parādīts (13.18. att.). 16
13.18. att. Distanču slēpes hibrīdkonstrukcijas variants: 1 plāna polimēra aizsargplēve, 2 ar stikla šķiedras audumu stiegrota termoreaktīva polimēra slānis, 3 - ar oglekļa šķiedras audumu stiegrota termoreaktīva polimēra slānis, 4 - ar stikla šķiedras tīklu (orientēts zem 40 O pret slēpes asi) stiegrota termoreaktīva polimēra slānis, 5 cieta putuplasta serdenis, 6 polimēra slīdvirsmas slānis Kalnu slēpes kalpo ievērojami smagākos apstākļos. Tāpēc tās konstrukcijai jāatbilst šo apstākļu prasībām. Kalnu slēpju konstrukcijas variants parādīts (13.19. att.). tērauda maliņas bambusa sānsienas oglekļa šķiedras prepregi elastomēra slānis poliamīda slānis oglekļa šķiedras kompozīta koka serdenis ar grafītu pildīta polietilēna slīdvirsmas slānis 13.19. att. Kalnu slēpes hibrīdkonstrukcijas variants 17
Līdzīga struktūra kā kalnu slēpēm ir arī ūdens slēpēm, sniegdēļiem un viļņdēļiem. Hibrīdkompozītu struktūra ir arī daudziem citiem sporta inventāra veidiem. To vidū tenisa raketes, hokeja nūjas, golfa nūjas, makšķerkāti un daudzi citi. Augstos sportiskos sniegumus lielā mērā nosaka arī sporta inventāra izpildes līmenis. Lielisks piemērs tam ir kārtslēcēju kārts, kas pēc uzbūves ir oglekļa šķiedras un aramīda šķiedras hibrīdkompozīts. Vieglu un reizē mehāniski izturīgu un stabilu konstrukciju izveidei plaši tiek izmantotas bišu šūnu struktūras. Plānsienu bišu šūnām līdzīgus konstrukcijas (sloksnes biezums 5 30 mm, šķērsizmēri - līdz vairākiem metriem) parasti izgatavo no stiegrota kompozīta: stikla, oglekļa vai aramīda šķiedru auduma (mazāk slogotu konstrukciju gadījumā arī no papīra vai kartona), kas piesūcināts ar cietējošu polimēru (13.20.att.). plānsienu kompozīts līmes slānis 13.20. att. Kompozīta sloksne ar bišu šūnas struktūru (salīdzinājumam dabiskās bišu šūnas) Pēc vienas no metodēm uz daļēji sacietējuša kompozīta loksnēm precīzi fiksētās vietās uzklāj sintētiskās līmes joslu (13.21. att., I), tad loksnes sakļauj, izveidojot paketi (II). Kad līmes slānis sacietējis, visu konstrukciju izstiepj virzienā perpendikulāri paketes plaknei (III) līdz sasniegta šūnu struktūra (IV). Izveidoto struktūru nofiksē pilnīgi sacietinot kompozīta saistvielu. Pēc tam iegūto šūnveida konstrukciju perpendikulāri šūnu ass virzienam sagriež vajadzīgā biezuma sloksnēs. 18
kompozīta loksne līmes josla I II III IV 13.21. att. Šūnveida konstrukciju izgatavošana Šādā veidā iegūst šūnveida sloksnes ar atsevišķu šūnu šķērsizmēriem 3 līdz 20 mm. Sloksnes ar lielāka izmēra šūnām iegūst citādā veidā (13.21. att.). Daļēji sacietējuša kompozīta loksnēm tās uzsildot piešķir šūnas struktūras izveidošanai nepieciešamo formu un sacietina (I III). Uz noformētu sacietējušu sagatavju atbilstošajām virsmas daļām uzklāj līmi. Sagataves sakļauj un nocietina līmes slāni. Pēc tam iegūto šūnveida konstrukciju perpendikulāri šūnu asīm sagriež vajadzīgā biezuma sloksnēs. 19
I kompozīta loksne II līmes slānis III V IV VI 13.22. att. Liela izmēra šūnveida materiāla izgatavošana Šūnveida sloksnes izmanto dažādu hibrīdkonstrukciju (galvenokārt sendviča tipa) izgatavošanai. Vienkāršāki no tiem ir plakanie paneļi, kuri sastāv no šūnveida kompozīta sloksnes un divām stiegrota polimērkompozīta plāksnēm (13.22. att.). Komponentus kopā saista adhezīva slānis. 20
polimērkompozīta plāksne adhezīva slānis šūnveida kompozīta sloksne 13.23. att. Plakanais šūnveida panelis Plakanos šūnveida paneļus izmanto visdažādāko konstrukciju izgatavošanai. No mazas stiprības un stinguma izstrādājumiem (piemēram, iekštelpu durvis, mēbeļu elementi u.c.) līdz lielas stiprības un stinguma konstrukcijām aviācijas vajadzībām, sporta inventāra izgatavošanai u.c. Paneļiem ir labas siltuma un skaņu izolējošas īpašības. Kompozīta šūnveida sloksnes ir iespējams izlocīt, iekļaujot tās dažādās konstrukcijās, kur mazs svars, liela stiprība un stingums ir svarīgi rādītāji. Viens no liektas konfigurācijas šūnveida sloksnes izmantošanas piemēriem ir sacīkšu airu laivas korpuss (13.23. att.). 21
šūnveida kompozīta sloksne krāsas slānis praimera slānis oglekļa šķiedras kompozīts aramīda šķiedras kompozīts šūnveida kompozīta sloksne 13.24. att. Sacīkšu laivas korpusa shematisks šķērsgriezums Hibrīdkompozīti ir arī dažādie izstrādājumi sportam. Daudzveidīgie sporta apavi ir komplicētas uzbūves hibrīdkompozīti, kuru struktūrā sastrādā dažādas uzbūves elementi no stiegrotiem kompozītiem, putuplasta un metāliem, austie un neaustie audumi, šķiedras u.c. (13.24. att.). Ir izstrādāti arī apavi, kas pēc būtības ir viedais (inteliģentais) kompozīts (13.25. att.). Sporta kurpe, kuras konstrukcijā ietilpst dažādi kompozītmateriālu elementi, spējīga automātiski un ilgstoši uzturēt optimālus zoles amortizējošos rādītājus. 22
I II III IV 13.25. att. Sporta apavi ar hibrīdkompozīta struktūru: I kalnu slēpšanas zābaks, II kedas, III kurpes ar radzēm, IV alpīnistu zābaki Sistēma darbojas līdzīgi cilvēka nervu sistēmai. To vada 20MHz mikrodators. Kurpes nervs ir magnētisks sensors, kas atrodas kurpes papēža pazolē. Pie katra kurpes trieciena pret ceļu šis sensors izmēra attālumu starp pazoles augšu un apakšu, novērtējot amortizēšanas līmeni. 10 3 nolasījumu ar precizitāti 0,1 mm tiek nosūtīti uz kurpes smadzenēm, kas atrodas kurpes izliekumā. Tas ir mikroprocesors, kas veic 10 6 aprēķinus sekundē. Speciāla programmatūra salīdzina mērījumus un nosaka vai kurpe ir pārāk stinga vai pārāk padevīga un sūta komandu uz kurpes muskuli spriegotāju. Tas sastāv no nostieptas troses un mikro elektrodzinēja piedziņas, kas spēj savilkt vai atbrīvot trosi, tādējādi regulējot zoles stingumu. Maza baterija nodrošina 100 stundu darbību. 23
mikroprocesors spriegotājs sensors spriegotājs 13.26. att. Sporta kurpe ar viedā hibrīdkompozīta uzbūvi Interesanti hibrīdkompozītu risinājumi tiek izmantoti arī velosipēdu konstrukcijā. Treka velosipēdu riteņus ar tērauda spieķiem un stīpu nomaina dobi hibrīdkompozīta (ar oglekļa un aramīda šķiedru stiegrojumu) riteņi ar dažiem spieķiem vai pat pilnīgi bez tiem. Arī velosipēda rāmis var tikt veidots kā dobas konstrukcijas oglekļa - aramīda šķiedru hibrīdkompozīts (13.26. att.). 24
13.27. att. Treka velosipēda riteņi un rāmis ar stiegrota hibrīdkompozīta Stiegrota hibrīdkompozīta velosipēda rāmis bieži nespēj nodrošināt nepieciešamos stiprības-deformācijas rādītājus pie lielām mainīgām slodzēm (piemēram, kalnu velosipēds). Tādos gadījumos veido hibrīdkompozītu konstrukcijas, kuros apvieno stiegrotu hibrīdkompozītu un metāla elementus. Aplūkosim vienu šādas konstrukcijas variantu (13.27. att.). Caurules veida velosipēda rāmja bāze ir ar oglekļa šķiedru vai oglekļa un aramīda šķiedru stiegrots polimērkompozīts, kas atrodas titāna caurulē un cieši saistīts ar to. Titāns kā metāls izvēlēts nelielā blīvuma dēļ. Tas titānam ir ~ 4,5 g/cm 3, kas ir ievērojami mazāks kā tēraudam (~ 7,8 g/cm 3 ). Alumīniju (~ 2,7 g/cm 3 ) un magniju (~ 1,7 g/cm 3 ), kas ir vēl vieglāki, šim nolūkam izmantot nav lietderīgi samērā nelielo stiprības rādītāju dēļ. 25
Lai konstrukcija būtu vēl vieglāka daļu metāla caurules izgriež, izmantojot jaudīgu lāzera staru. lāzera stars izgrieztās metāla joslas titāna caurule ar oglekļa šķiedrām vai oglekļa - aramīda šķiedrām stiegrots polimērkompozīts 13.28. att. Kalnu velosipēda rāmja hibrīdkompozīta uzbūve Hibrīdkompozīti tiek efektīvi izmantoti arī ložu drošu aizsardzības līdzekļu izgatavošanai. Viens no tiem, piemēram, ir bruņu veste (13.28. att.). Tās galvenā sastāvdaļa ir ballistiskie paneļi, kas izvietoti noteiktos vestes rajonos Ballistiskais panelis ir veidots no superelastīga polimēra slāņiem, kas stiegroti ar blīva aramīda šķiedru audumu, vai polimēra slāņiem, kas stiegroti ar vienā virzienā orientētām aramīda šķiedrām un krusteniski izvietoti kompozītā (13.29. att.). 26
ballistiskais panelis aramīda šķiedras audums + polimērs bruņu veste polimēra plēvē aramīda šķiedras + polimērs 13.29. att. Bruņu vestes hibrīdkompozīta uzbūve Kad lode triecas pret ballistisko paneli, to noķer paneļa mehāniski izturīgo šķiedru tīkls. Šķiedras deformējas (izstiepjas) absorbējot un izkliedējot trieciena enerģiju, kas deformācijas viļņu veidā izplatās pa pietiekami lielu paneļa laukumu. Vienlaicīgi notiek lodes deformēšanās saplacināšanās, kas veicina slodzes vienmērīgāku sadalīšanos. Rezultātā lodes trieciens kopumā ievērojami samazinās. 27
Kā redzams hibrīdkompozītu ar polimēru matricu uzbūve ir ļoti daudzveidīga. No šiem kompozītiem veidotu konstrukciju elementu un izstrādājumu klāsts ir ļoti plašs un arvien palielinās. Var droši apgalvot, ka hibrīdkompozīti ar polimēru matricu vēl ilgi būs viens no daudzsološākiem kompozītu veidiem. 28