Углепластики

В наше время производится достаточно много композиционных материалов. Это такие вещества, которые содержат сразу несколько различных компонентов, при этом сами компоненты могут быть очень несходными между собой по структуре, происхождению и свойствам. Композит, составленный из таких элементов, проявляет довольно необычные свойства. 

Впрочем, производство различных композитных материалов распространено неравномерно. И многим ясно, что слишком мало по меркам нашего времени выпускается углепластиков – крайне важных композиционных материалов. Чем же они так притягательны?

Углепластики являются составными материалами, которые по структуре представляют собой матрицу. Состоят они из углеродных нитей, сплетённых между собой и расположенных в полимерной матрице; наиболее используемый вариант матрицы – эпоксидная смола, но могут применяться и другие полимеры. В составе углепластиков могут находиться также металлы, стекловолокно и другие компоненты. Углепластики – весьма прочные материалы, по этому показателю они превосходят даже сталь; при этом они существенно легче стали. 

В наше время человечество выпускает огромное количество предметов из различного пластика – возможно, значительно больше, чем требуется; при этом он не армируется углеродными волокнами, а это существенно снижает качество и возможности пластика. 

Каковы же возможности углепластиков? К примеру, отправить килограмм груза в ближайшее космическое пространство стоит сегодня 50 тысяч долларов. Каждый килограмм груза задействует дополнительное количество топлива, причём достаточно большое. Применяя в производстве самолётов (и грузов) прочные и лёгкие углепластики и другие композиционные материалы, можно существенно удешевить перевозку. 

Углепластики активно используются в современном автомобилестроении, которое постепенно переходит на электрические двигатели. Производство и использование электромобилей по большей части имеется в развитых странах, и там углепластики выпускаются поэтому в очень больших количествах. В России эта отрасль пока не сильно развита, и углепластиков производится не так много. Тем не менее производство сейчас приближается к 2 тысячам тонн, при том что ещё несколько лет назад в нашей стране их производилось не более 300 тонн в год. В 2025 году планируется производить уже 10 тысяч тонн. К слову, Советский Союз, наоборот, был одним из мировых лидеров по производству и применению углепластиков и углеродного волокна. Можно надеяться, что Россия в ближайшее время снова выйдет на лидерские позиции в этой отрасли. 

Углепластики изготавливаются из непрерывного волокна. Существует оборудование, которое очень быстро производит углепластиковые изделия различных форм и размеров. Это могут быть, в частности, детали очень больших габаритов или такие, которые имеют очень сложную форму. 

Прочность – это то, что в первую очередь привлекает в углепластиках. Эталоном прочности долгое время считалась советская сталь. Так вот, углепластики превосходят её по этому показателю примерно в три раза. Прочность углеродного волокна – семь гигапаскалей, но это только начало: учёные уже создали углеродные волокна, имеющие прочность до 15 гигапаскалей, а в обозримом будущем, возможно, эта цифра увеличится в целых десять раз! Что это означает? А то, что нить толщиной всего в один миллиметр способна выдержать груз до 15 тонн. 

Особенно большие перспективы для углеродного волокна открываются в космической промышленности. Ведь этот прочный материал способен не только заменить существующие материалы в различных конструкциях космических аппаратов, но и защитить космонавтов от вредных воздействий (например, излучения). Специалисты говорят, что проблема материалов в космонавтике – пожалуй, самая главная. 

Углеродное волокно изначально было дорогим материалом, однако его цена постепенно снижается при сохранении приемлемого качества. Благодаря этому углеродное волокно в скором будущем станет применяться особенно широко. Однако это лишь один компонент углепластиков; не менее важное значение имеет матрица, связующий компонент композитного материала. Матрицы бывают различных типов и с различными свойствами; например, термореактивные и термопластичные. Российские учёные разработали матрицы, которые в течение долгого времени (вплоть до десятков лет подряд) могут выдерживать очень высокие температуры. Фталонитрильные матрицы, к примеру, десятки лет могут выдерживать температуру в 350 градусов и кратковременно – более 500 градусов, что подходит для лабораторной техники, например, сушильных печей или лабораторных стерилизаторов. 

В наше время матрицы ограничивают раскрытие уникальных свойств углеродных волокон в полной мере; однако им уже есть чем похвастаться: например, по устойчивости к высоким температурам они уже превзошли сталь. Есть у углепластиков и другие преимущества перед металлами. К примеру, крупная часть механизма, такая как крыло самолёта, производится из нескольких тысяч металлических деталей; если же вместо них брать углепластиковые детали, то их уже потребуется на порядок меньше, поскольку детали из композитов могут быть больших размеров и сложных форм. Себестоимость производства одного и того же изделия существенно дешевле при использовании композитов, а не металлов, даже несмотря на то, что сами материалы могут быть дороже.

В ближайшее время углепластики найдут применение в ряде конкретных решений. К примеру, в космонавтике вместо металлических пилотируемых капсул будут использовать композитные, что обеспечит существенное снижение веса конструкции. Но композиты будут применяться и в более «земных» целях – например, в линиях электропередач. В наше время стержни проводов там делают из стали, поскольку у неё высокая прочность и она выдерживает большой вес; однако когда сердечники станут делать из композитов, масса проводов уменьшится. Благодаря более низкому температурному коэффициенту расширения композитов провода будут меньше провисать, а их длину можно будет увеличить в несколько раз. 

Сегодня углепластики применяются в строительстве. В Японии, например, активно используют тросы из углеродного волокна; благодаря таким тросам здания во время землетрясений не разрушаются. В нефтегазовой промышленности из углепластиков производятся баллоны высокого давления. Такие баллоны могут выдерживать давление в пять раз большее, чем традиционные стальные; это означает, что газа в такой баллон помещается гораздо больше, чем в обычный такого же объёма, при этом сам баллон по весу значительно легче. 

Таким образом, углеродное волокно и углепластики представляют собой поистине революционные материалы, которые способны изменить наш мир до неузнаваемости. И, по утверждению специалистов, основное слабое звено в производстве и применении композитов – это сами люди, в том числе и те, которые разрабатывают изделия. Необходимо подготовить подходящие кадры, нужны работники, которые смогут обращаться с углепластиками и использовать их необычные свойства в максимальной степени. Нужны и такие специалисты, которые могли бы правильно осуществлять процесс производства углепластиков из волокна; ведь это довольно сложная процедура, и даже небольшие ошибки способны снизить качество готового материала. Тем более что методы производства и контроля качества пока остаются дорогостоящими, и «забракованное» изделие означает большие деньги, пущенные на ветер.