Композитный материал стеклопластик нашел много применений в различных отраслях промышленности, мы часто встречаем изделия из стеклопластика в повседневной жизни, поэтому его свойства многим знакомы – это прочный легкий материал, по виду мало отличающийся от обычного пластика, но превосходящий его по механическим свойствам.

Что такое стеклопластик? Это материал, композит, который состоит из множества стеклянных волокон, которые связывает полимер (смола). Волокна придают высокую прочность этому композиту, а полимер придает гибкость в создании различных форм. Именно сочетание этих свойств открывает широкие возможности его применения в архитектуре и строительстве. Стеклопластик конкурирует с традиционными строительными материалами, такими как сталь и бетон и показывает свою эффективность в самых разнообразных применениях. Например, десятилетиями в качестве арматуры для бетона использовали сталь, но уже сейчас композитная арматура (стеклопластиковая, базальтовая, и даже углепластиковая) стала очень серьезным конкурентом.

Композитная арматура

Какие у нее преимущества? Во-первых, стеклопластик не подвержен коррозии, из-за этого срок службы арматуры более 80 лет. Во-вторых, стеклопластик в несколько раз легче стали. А значит, общий вес конструкции снижается. Меньший вес, улучшенные механические характеристики бетона, армированного композитной арматурой, открывает больше возможностей при проектировании зданий, сооружений, архитектурных форм.

Композиты в строительстве и архитектуре могут выступать не только в качестве арматуры в бетоне, но и как самостоятельный материал. Сложные архитектурные формы, зачастую не реализуемые из бетона, выполняются сейчас из стеклопластика.

Скульптура Давида Кендаля, компания Optima Projects для выставки «Зеленая архитектура будущего»

В нашей компании инженеры и технологи понимают, насколько может быть важно дизайнерам и архитекторам воплотить их идеи в жизнь в неизменном виде, чтобы технологические, производственные ограничения не заставляли вносить корректировки в дизайн или в их концепцию. Поэтому, в нашем производстве стеклопластиковых деталей мы часто используем нестандартные инженерные подходы и технологические приемы. Например, при создании основного элемента стелы «Московские кольца» — сферы из стеклопластика, нам удалось сформировать большую композитную деталь путем совмещения всего из двух составляющий частей – полусфер, несмотря на очень большие габариты этого изделия. Хотя, из-за сложности и больших габаритов, изначально ее планировалось изготавливать из многих частей, в ущерб внешнему виду и концепции архитекторов.

Стеклопластиковая сфера для стелы «Московские кольца»

Больших усилий потребовала разработка и изготовление матрицы сферы. Ее производили из составных частей путем фрезерования модельного материала. Работы по доводке матрицы, покраске, формованию стеклопластика проводились непосредственно внутри матрицы.

Матрица и заготовка полусферы

В отличие от бетона, стеклопластик необычайно стоек к воздействию факторов окружающей среды. Поэтому, в последнее время, его стали использовать при создании фасадов зданий. Он также позволяет реализовать яркие дизайнерские решения, благодаря своей гибкости в создании сложных форм.

Стеклопластиковые панели павильона Шанель

Высокая стойкость стеклопластика к внешним воздействиям позволила нашей компании внедрить этот материал в некоторых применениях в задачах благоустройства города Москвы. Например, нам удалось произвести эффективную замену бетонных оснований рекламных конструкций и информационных стел. Изготавливаемые нами основания уже долгое время стоят на открытом воздухе на улицах Москвы и подвергаются воздействию солевых реагентов, воздействию спецтехники при чистке улиц и другим факторам и при этом не разрушаются, в отчие от бетонных оснований предыдущего поколения.

Стеклопластиковые подиумы: установленная конструкция, изделия на складе

Стеклопластик, таким образом, является стойким, прочным и технологически гибким конструкционным материалом. При квалифицированном подходе к проектированию и производству изделий из него в сфере строительства и архитектуры, этот композитный материал может проявлять эффективность в самых неожиданных применениях. Например, на нашем предприятии впервые была разработана и произведена опытная партия стеклопластиковых каркасов яранг. Яранги это традиционные жилище народов крайнего севера. Как несложно догадаться, каркасы это очень нагруженные конструкции, они работают в условиях низких температур и на них действуют большие знакопеременные ветровые нагрузки.

Сборные яранги из стеклопластика: изделие на производстве, изделие в сборе

В последние годы высокопрочные композиционные материалы занимают всё более широкие рыночные ниши. Основные типы высокопрочных композитов – это углепластики и стеклопластики на основе высокопрочного стекловолокна. Отличительная особенность таких композитов – это применение длинных волокон, длина которых ограничена только длиной деталей, в отличие от композитов на основе коротких волокон (длина – до нескольких миллиметров) и волокон средней длины (длина до 50мм).

Примеры деталей из высокопрочных композитов: фитинг для трубы высокого давления из высокопрочного стеклопластика (слева) и дуга крутильной машины из углепластика (справа)

На начальном этапе развития производства деталей из стеклопластика и карбоновых деталей (деталей из углепластика), 30-40 лет назад, их применение ограничивалось узкими сферами, такими как космос, авиация, гоночные автомобили, а к настоящему времени параллельно с расширением применений в авиации и автомобильной промышленности, стали развиваться и другие направления применения – такие как инженерный сектор и ветрогенерация.

Еще одним трендом в сфере технологий композитных материалов стало повышение степени автоматизации, позволяющее более эффективно осуществлять производство стеклопластиковых деталей крупными сериями. Наиболее развитыми методами производства высокопрочных композитов являются RTM и компрессионное формование (прессование).

Помимо армирующего материала (стеклянные или угольные волокна, соответственно, изделия из стеклопластика и изделия из углепластика) ключевую роль также играет тип матрицы – термопластичный (термопласт) или термореактивный (реактопласт). Ниже приведен сравнительный анализ свойств различных комбинаций типа армирующего материала и матрицы.

Волокно и матрица, составляющие композит, служат фундаментально различным целям. Волокно в основном поглощают усилия натяжения, тогда как матрица поддерживает связность материала и поглощает сжатие и сдвиговые усилия.

Влияние свойств волокна и матрицы на различные свойства композиционного материала приведены ниже.

*шкала от 1 до 5 – где 5 наивысшее влияние, 1 – практически отсутствие влияния

Таким образом, механические свойства определяются волокном, тогда как физические и химические свойства в основном обусловлены свойствами матрицы

Высокопрочные композиты имеют два основных преимущества над традиционными материалами (например, металлами) – удельную (в пересчете на массу) жесткость и удельную прочность.

* относительно стали

Как можно видеть из таблицы, это преимущество особенно сильно проявляется для однонаправленного волокна, однако даже для квази-изотропных ламинатов (имеющих одинаковые свойства по всем направлениям) преимущество над металлами существенно выражено.

В отличие от стандартных материалов, в случае композитов можно оптимизировать деталь, путем преимущественной ориентации волокон вдоль направления основной нагрузки на деталь.