Композитные (составные) материалы – один из популярных технологических трендов нашего времени. Хотя, эта технология не такая уж новая (монголы времен Чингисхана стреляли из композитных луков, а на Ближнем Востоке в это время строили дома из композитных кирпичей) и не такая уж сложная – обычная клееная фанера вполне себе композит.
Значительно расширил возможности композитов общий научно-технический прогресс, в частности, изобретение пластмасс, стекловолокна, кевлара и т.п. Сценарий обычно один и тот же: сначала одни ученые создают новый однородный материал, затем другие – придумывают как его можно совместить с другими, получив на выходе нечто новое и полезное. Этот процесс продолжается и на рынке постоянно возникают новые композитные материалы с уникальными параметрами. О некоторых новостях из мира композитов рассказал в своей публичной лекции заместитель генерального директора по исследованиям и разработкам компании «Umatex» (входит в структуру ГК «Росатом») Семен Кишилов. В частности, почему композитные материалы сегодня относят к топовой части химических технологий.
Композитные материалы очень разные. Одни достаточно просты в изготовлении, применяются массово и их свойства давно перестали нас удивлять. Помимо упомянутой выше фанеры, это железобетон, широко применяемый в строительстве. Сочетание бетона, который хорошо работает на сжатие и металлической арматуры, хорошо работающей на растяжение и изгиб, дало материал, позволивший строить высокие и прочные здания с относительно небольшими затратами.
Но есть и такие композиты, которые появились на рынке недавно, и мы пока учимся наиболее эффективно применять их свойства для своих нужд. К ним можно отнести довольно быстро растущую группу углепластиков, на которой докладчик остановился подробнее.
– Основными преимуществами композитов являются высокая удельная прочность и упругость при растяжении, и по этим параметрам углепластики занимают лидирующие позиции среди большинства композитных материалов, - отметил Семен Кишилов.
По этим характеристикам они не уступают стали и алюминию (а порой и превосходят их), но заметно выигрывают по массе, что в современном производстве часто имеет критическое значение. Например, в авиастроении, где использование композитов считают основой для создания самолетов нового поколения. Еще больше заинтересована в легких, но прочных материалах космонавтика, учитывая, что стоимость доставки на орбиту одного килограмма груза стоит порядка 70-100 тысяч долларов.
Очень перспективным материалом является углеродное волокно, из которого, в частности, делают карбоновые детали. Легкое, прочное, жесткое – настоящий «материал мечты» для многих инженеров и дизайнеров. Впрочем, не только для них. Среди автолюбителей популярна «обклейка карбоном авто». На самом деле речь обычно идет не о полимерных композитах, а об обычной декоративной пленке, сделанной «под карбон». Никакого преимущества такая пленка не дает: вес деталей меньше не станет, в прочности тоже она не выиграет. Разве что внешний вид машины становится более «модным».
Но куда интереснее возможности и параметры настоящих карбоновых композитов и углеродного волокна (УВ). Во-первых, это волокно, как правило, очень тонкое, его диаметр может быть в десятки раз меньше, чем у человеческого волоса. Это обеспечивает малую массу материалов, производимых на его основе.
Во-вторых, при его производстве может использоваться разное сырье, что заметно сказывается на качественных характеристиках. Более 90 % представленного на рынке УВ сделано на основе полиакрилонитрильных волокон (ПАН). Для него характерны сочетание сверхвысокой прочности (до 7 ГПа) и высокого модуля упругости (до 600 ГПа). Не удивительно, что этот тип УВ интересен производителям, прежде всего, как армирующий элемент полимерных композитов.
В обычной жизни проще всего найти полиакрилонитрильные волокна... в одежде, изготовленной с использованием синтетики. Правда, «текстильный вариант» ПАН далек от композитных материалов, которые создаются для нужд того же авиастроения, общего у них разве что исходное сырье.
Второй тип – УВ, созданное на основе пековых волокон. Пеками (от голл. pek — смола) называют остатки от перегонки каменноугольного, торфяного, древесного дёгтя, а также нефтяной смолы. Такое волокно обладает супервысоким модулем упругости (до 600 ГПа), имеет наиболее высокую тепло- и электропроводимость, но при этом, достаточно дорогое в производстве. Поэтому на рынке оно представлено гораздо меньше, занимая узкие ниши, где его качества намного важнее себестоимости. Из них изготавливаются электроды, экраны, поглощающие электромагнитное излучение, изделия для электро- и радиотехники. А также, углеродный войлок – единственно возможная термоизоляция в вакуумных печах, работающих при температуре 1100 °C и выше.
Еще один тип – УВ на основе вискозных волокон. В свое время лидером по производству такого волокна был СССР. Так же, как пековое, вискозное УВ имеет свои специфические параметры, которые позволяют ему занимать место на рынке, главным образом, медицинском: в производстве фильтрующего материала, ожоговых повязок и т.д. А главным ограничением снова служит высокая себестоимость производства, в среднем – 600 долларов за килограмм готового УВ.
В последние десятилетия мы наблюдаем устойчивый рост применения УВ в самых различных сферах экономики, и нет причин ожидать, что эта тенденция изменится, подчеркнул докладчик.
В частности, УВ оказалось востребовано строительной индустрией. Оно добавляется в стандартные стройматериалы, увеличивая их прочность к механическим нагрузкам, стойкость к температурным перепадам, атмосферным осадкам, воздействиям агрессивной среды. А еще позволяет снижать расходы - углебетон экономит до 30% цементно-песчаного раствора. Примерно такие же показатели достигаются при изготовлении труб.
Есть, конечно, и сдерживающие факторы. Главный – сложное производство, которое, в конечном счете, и выливается в высокую себестоимость. Над решением этой задачи сегодня работают разные научно-исследовательские центры. И тот, кто первым найдет способ сделать углеродное волокно дешевым (при сохранении остальных параметров) получит огромные преимущества на постоянно растущем рынке. Причем, эксперты уверяют, что принципиально эта задача решаемая. И учитывая, какие деньги стоят на кону, можно ожидать появления таких решений в обозримом будущем.
В заключение лекции, Семен Кишилов кратко описал отрасли, где сегодня интерес к использованию УВ наиболее высок. Помимо упомянутых выше авиации и строительства, это автомобилестроение. Сейчас большинство автомобильных комплектующих производится из стали, а при замене этого материала углеволокном вполне реально добиться снижения массы транспортных средств до 60% и соответственно - улучшения топливной экономичности. В результате чего автомобили стали бы выбрасывать на несколько десятков процентов меньше СО2. А это сегодня – залог присутствия на рынках большинства развитых стран (самого интересного для производителей сегмента).
Заинтересованы в УВ и энергетики (не зря компания в которой работает сам докладчик входит в структуру «Росатома»). Их привлекают такие свойства материала, как высокая прочность, термоустойчивость и стойкость к коррозии. Материал, который не боится ни влаги, ни высоких температур, ни сильного давления – это как раз то, что надо для создания безопасной энергетической инфраструктуры.
А еще оно способно помочь распространению энергетики, основанной на возобновляемых источниках. Комбинация высокой прочности и малого веса позволила создавать ветрогенераторы нового поколения. Лезвия из турбины с углеродными волокнами могут быть более длинными и более жесткими, чем традиционные модели из стекловолокна, что делает их более эластичными в море и более эффективными в менее приспособленных условиях.
В общем, куда ни посмотри, для углеродных волокон найдется свое применение. Что и позволяет им уже сейчас претендовать на звание одного из «материалов XXI века». А наличие целого пула задач, над которыми еще предстоит поработать, и динамичного рынка применения этих решений, открывает не менее заманчивые перспективы для молодых и амбициозных людей. Возможно и из числа тех, кто сегодня только посещает научно-популярные лекции Городских дней науки в Новосибирске.
Сергей Исаев
- Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы отправлять комментарии