Что такое композиционные материалы? Как улучшить свойства ткани или металла? Как создают новые материалы? В проекте «Мир вещей. Из чего сделано будущее» совместно с Фондом инфраструктурных и образовательных программ (группа РОСНАНО) рассказываем о последних открытиях и перспективных достижениях науки о материалах. Химик Борис Булгаков объясняет, почему все, что двигается быстро, стоит делать из композитов.

 

Сочетая вещества с разными свойствами, можно получить новый, композиционный материал. Самый известный пример такого материала — железобетон. Это материал, состоящий из металлической арматуры и бетона, без которого невозможно было бы строить высокие здания. Армирующий наполнитель — металлические прутья — обладает более высоким модулем упругости, чем бетон, и повышает жесткость материала. Прочность железобетона в направлении армирования значительно выше, чем у простого бетона. Можно строить сравнительно легкие и высокие конструкции, которые не будут терять устойчивость и разрушаться под собственным весом или внешними нагрузками. По такому же принципу устроены и другие конструкционные композиты.

 

 

Конструкционные полимерные композиты

 

Все композиционные материалы состоят из матрицы и жесткого армирующего наполнителя. Как правило, армирующий наполнитель в полимерных композитах — углеродные или стеклянные волокна, а матрица — полимерный материал, как правило синтетическая смола. Чаще всего применяют термореактивные смолы. При нагревании они образуют трехмерную полимерную сетку, из-за чего матрица становится жесткой и химически устойчивой. Из этих материалов можно создавать легкие детали, по прочности превосходящие металлические.

 

Их применение актуально везде, где важны легкость и прочность, в первую очередь в авиации: от веса самолета напрямую зависит расход топлива. В автомобильной промышленности из углепластиков делают спорткары, болиды «Формулы-1», элитные модели легковых автомобилей и электромобили. Все, что двигается быстро, сейчас стараются делать из композитов.

 

В конструкции самолета из композиционных материалов можно изготовить фюзеляж, крылья, хвостовое оперение, мотогондолу, детали интерьера. Чаще для самолетов применяется более легкий углепластик, а стеклопластик — для ненагруженных деталей и носового обтекателя. Стеклопластик тяжелее, чем углепластик, и менее прочный, но он значительно дешевле. Носовой обтекатель самолета делают из стеклопластика, так как эта деталь должна пропускать радиоволны, а углеволокно проводит ток и создает помехи.

Рекомендуем по этой теме:
9015
Углепластики

Схема лайнера Boeing-787. Темно-серым цветом выделены детали из углепластика

Нельзя заменить композиционными материалами детали двигателя, потому что полимеры не выдерживают температуры. Стойки шасси не делают из композитов, потому что на них высокая ударная нагрузка; металлическими остаются подвижные части, например некоторые элементы механизации крыла. Тормозные диски делают из композиционных материалов, но другого класса — углерод-углеродных композитов.

 

 

Разработка новых материалов

 

Композиционные материалы совершенствуются: прочность и легкость материала зависят от инжиниринга детали, вида наполнителя. Разработчики постоянно улучшают параметры углеродных волокон, меняют типы выкладок и совершенствуют технологии формования.

Чтобы производить термостойкие материалы, получают новые полимеры.

 

В технологии при создании новых полимерных матриц есть ограничение: нужно отталкиваться от исходных веществ, которые уже есть в тоннажном производстве и недорого стоят. Композитная отрасль в России достаточно маленькая, и запускать новое производство узкоспециализированных реагентов нерационально.

 

Теплостойкость материала определяется исключительно свойствами матрицы — все известные полимеры выдерживают существенно более низкие температуры, чем углеродное или стеклянное волокно. Стекловолокно плавится при температуре около 600 °C, а авиационные эпоксидные смолы — до 180 °C, максимальная описанная в научной литературе температура стеклования эпоксидных матриц — около 240 °C, но этого материала нет в массовом производстве.

 

Выдерживающие высокие температуры композиты нужны для деталей двигателей, выхлопных труб, для высокотемпературной электроизоляции, тепловых щитов космических кораблей, интерьеров подводных лодок — там, где очень сложно потушить пожар. В авиастроении снова рассматривают возможность возвращения к пассажирской сверхзвуковой авиации: скорости большие, важна экономия топлива и теплостойкость обшивки. Для всех этих применений нужны новые полимеры.

 

Одна из наших новых работ — группы ученых кафедры химической технологии МГУ имени М. В. Ломоносова — уже дошла до этапа опытно-промышленного производства — полимер, выдерживающий повышенные температуры. Одним из подходящих теплостойких связующих были достаточно давно известные фталонитрилы. Проблема в том, что чем выше теплостойкость конечного материала, тем более «капризные» для переработки базовые мономеры. Химической модификацией структуры фталонитрилов мы получили новый мономер и разработали фталонитрильное связующее, которое легко перерабатывается. Материал сохраняет свойства до 450 °C, но долговременно стабилен на воздухе при 350 °C, так как окисляется при более высоких температурах. Сами фталонитрилы мы не изобретали, но придумали, как производить их дешево, чтобы материал легко перерабатывался и не терял свойства.

 

 

Формирование деталей

 

Свойства композиционного материала определяют не только матрица и наполнитель, но и технология их получения. Благодаря волокну упрочнение идет только в одном направлении — вдоль волокна. Чтобы добиться хорошей прочности, композит выкладывают слоями, чередуя направление волокна — прочность уравнивается в длину и в ширину. Чтобы упрочнить материал в третьем направлении, слои могут быть вертикально прошиты дополнительными волокнами. Задавая направление волокон в материале, мы определяем его свойства. Каждая деталь индивидуальна, и у каждого типа изделия из композита своя выкладка — в зависимости от того, в каких направлениях она будет нагружаться. Как правильно выложить ленту волокна для конкретной детали, рассчитывают математики-прочнисты, исходя из свойств волокон и матрицы.

 

Как получить готовое изделие из композита? Изначально технология была похожа на изготовление папье-маше: брали волокно, промазывали кисточкой и клали следующий слой. Некоторые изделия производят таким способом до сих пор, но риск человеческой ошибки слишком высок. Сейчас процесс производства стремятся максимально автоматизировать.

Рекомендуем по этой теме:
18451
Из чего можно сделать топливо?

 

Есть разные способы совместить матрицу и наполнитель. Самый распространенный в авиации — формование препрегов. Заранее пропитанную связующим и выложенную в несколько слоев ткань (препрег, от английского pre-impregnated) помещают в автоклав, куда подают высокое давление и высокую температуру. Полимерные связующие вязкие, и при выкладке между слоями образуются пустоты, которые нужно убрать под высоким давлением — пузырек газа просто схлопывается и растворяется в матрице. Детали, имеющие осевую симметрию, например фюзеляжи самолетов или мачты парусников или ветрогенераторов, получают намоткой пропитанного связующим волокна на вращающийся вал, после чего их также помещают в автоклав. Использование автоклавов для формования больших деталей могут позволить себе только крупные производители, и мировые тенденции направлены на отказ от автоклавных технологий и удешевление производства.

 


Российский пассажирский лайнер МС-21. Крылья и фюзеляж выполнены из полимерных композитных материалов

Альтернатива автоклавам — технология вакуумной инфузии. В специальный пакет выкладывают сухой материал, полимерное связующее за счет вакуума затягивается по трубкам и пропитывает ткань, и деталь отверждают при высоких температурах. Пакет для вакуумной инфузии можно сделать любого размера, и эта технология позволяет производить очень большие детали, которые нельзя сделать ни одним из других методов производства композитов. Вакуумной инфузией получают детали крыла российского самолета МС-21 длиной 25 метров, чего до этого не делал никто в мире.

 

 

Минусы композиционных материалов

 

Использование композитов позволяет сокращать количество частей в детали, тем самым ускоряя сборку самолета, и получать изделия сложной формы. В отличие от металлов, композиты не подвержены усталости. В то же время полимерные композиты имеют ряд недостатков: композиционные материалы пока что значительно дороже, чем металлы, и их использование окупается лишь при долгой эксплуатации.

 

Слабое место полимерных композитов — ударная прочность. После удара в детали из композиционного материала образуются микротрещины, которые при циклических нагрузках приводят к расслоению материала. Для того чтобы полимерные композиты лучше «держали удар», разрабатывают специальные составы связующих, в состав термореактивных матриц вводят термопласты или используют термопластичные матрицы. Если композитная деталь ломается, ее нужно полностью заменять новой. Есть технологии ремонта, но они не очень надежны, и в авиации ремонт применяют редко: после него деталь редко может пройти квалификацию. Чтобы следить за появлением трещин, необходима сложная диагностика. Например, в композит встраивают оптоволоконные датчики: в режиме онлайн можно своевременно определять целостность структуры материала.

 

Кроме того, углепластики, в отличие от металла, горят, и при этом выделяются ядовитые вещества, люди могут задохнуться дымом, поэтому в интерьерах используются пластики с низкой горючестью, в состав которых входят специальные добавки — антипирены.