Углепластики

Углепластики - это композиционные материалы, которые представляют собой матрицы. Они могут быть полимерные, углеродные, металлические, а также в виде волокон, которые обладают большей прочностью и жесткостью. Суть композитов и их перспектива состоит в том, что сочетания разных материалов позволяют получать новые материалы с новыми свойствами. Углепластики сегодня - это передний фронт науки и материаловедения. Это связано с действительно уникальными свойствами углеродного волокна.

Я хочу привести некоторые цифры. В мире производится чуть больше 1 миллиарда 600 миллионов тонн стали. Алюминия, который является композиционным материалом, всего 40 миллионов тонн. Производство титана, в котором Россия в числе двух-трех мировых лидеров, всего 250 тысяч тонн. Если говорить о стекловолокнах, то это всего 3 миллиона тонн в год на весь мир. А углеродные волокна - всего около 100 тысяч тонн. В то же время производится 250 миллионов тонн полимеров, то есть пластиков, полиэтиленов, полипропиленов. Человечество теряет колоссальные ресурсы, потому что выпускает полиэтиленовые, полипропиленовые материалы, не армируя их волокном. Это огромные резервы в развитии.

Почему роль углепластиков огромна и перспектива потрясающая? Например, для того, чтобы вывести килограмм груза в ближний космос, нужно 50 тысяч долларов. В авиации лишний килограмм груза на среднемагистральном самолете вроде А-320, или Ту-154, или в перспективе МС-21 - это 1-2 тонны в зависимости от интенсивности эксплуатации самолета, а стоимость тонны керосина примерно тысяча долларов. Самолеты летают 30 лет, и за это время набегает приличная сумма. Композиционные материалы позволяют экономить эти расходы.

Я также связываю взрывное применение углепластика с автомобилестроением и переходом на литийионные источники энергии и электрические двигатели. За этим стоит не экономика, а экология, потому что именно выхлопные газы в городах отравляют нашу жизнь. В Японии провозгласили производство 10 миллионов тонн углеродного волокна в год для перевода японской автомобильной промышленности на углепластики. Такие же цифры называет Китай. У нас в России пока не такие крупные цифры для автомобилестроения. Тем не менее если еще 5-10 лет назад мы производили всего 200-300 тонн в год, то в следующем году завершится строительство завода, и производство углеродного волокна возрастет до 2 тысяч тонн, а в 2025 году - до 10 тысяч тонн. Это позволит заложить культуру и динамику производства. Россия фактически возвращает себе лидерство, потому что Советский Союз всегда был в тройке лидеров по углеродному волокну и углепластикам.

Углепластики производятся на основе непрерывного волокна. Создается лента из углеродного волокна со специальными добавками. Существуют выкладочные машины, которые заряжаются 24 кассетами и очень стремительно и точно выкладывают огромные детали. Дальше они перерабатываются, и получается изделие. Взрывная революция происходит в оборудовании, которое позволяет изготавливать изделия самой сложной формы, с обратной кривизной и больших размеров. Это позволяет быть убежденным, что именно углепластик и стеклопластик будут развиваться очень быстро.

Сегодня углеродное волокно имеет рекорды по прочности. Прочность углеродного волокна - 7 гигапаскалей, что приблизительно в 3 раза больше, чем прочность советской стали. Захватывающие перспективы заключаются в том, что в лабораториях уже сегодня получены волокна с прочностью 10-12 гигапаскалей, а теоретические расчеты дают значение от 30 до 150 гигапаскалей. Это означает, что миллиметровая проволока может выдерживать 15 тонн до разрыва. В этом видятся колоссальные перспективы. Я хочу процитировать часть лекции профессора Кроули, который был ректором Сколтеха до недавнего времени. Он занимается космонавтикой и прочитал лекцию о ее будущем. Он сказал, что у космонавтики есть десять проблем, одна из них - материалы конструкционного назначения, которые одновременно позволяют защищать человека от воздействия космоса, и эта проблема стоит всех остальных девяти. Так он оценил значение материалов в космосе. Мне было, как материаловеду, приятно слышать такую оценку.

Сейчас происходит важное движение, когда цена углеродного волокна при достойном качестве сдвигается в сторону 10-12 долларов. Соотношение цены и качества приведет к этому масштабному использованию волокна. Волокно - это важный компонент композита углепластиков. Но не менее важным является связующее, матрица. Матрицы тоже бывают разные: термореактивные, термопластичные. В Московском университете мы достигли определенных успехов и сейчас организовываем производство не только эпоксидных матриц, у которых температура эксплуатации в течение десятков лет 150 градусов, но и бисмалеинимидных связующих, у которых этот показатель 250 градусов. Последняя разработка - фталонитрильные матрицы с температурой эксплуатации в течение десятков лет 350 градусов и кратковременно - 500-550 градусов.

Матрица является сегодня узким местом и ограничением в использовании уникальных свойств углеродного волокна. Тем не менее это уже хорошие показатели, потому что алюминий, который эксплуатируется максимум до температуры 300 градусов, а реально до 150-170, композиты уже превзошли. Еще одно преимущество заключается в том, что, например, крыло делается из 2 тысяч деталей, если оно металлическое. Когда же оно производится из композитов, то используется на порядок-два меньше деталей. Человечество развивается в направлении, чтобы делать интегральные конструкции из одной детали. Несмотря на то что материалы в разы дороже, в итоге себестоимость изготовления крупной детали будет в разы меньше.

Если говорить о космосе, то РКК «Энергия» сейчас имеет целую программу перехода от металлической пилотируемой капсулы на композитную. Мы тоже активно участвуем в этой работе. Это дает снижение веса на 15-20%. Еще один пример, где применение углепластиков будет эффективно, - это линии электропередач. ЛЭП-500 - расстояние между опорами 100 или 150 метров. Это устроено так: у проводов стальной стержень, для того чтобы выдерживать вес и обеспечивать прочность, а электричество передается либо по медным, либо по алюминиевым проводам. Сейчас реализуются разработки, когда сердечник будет из углеродного волокна. Это связано с его прочностью, гораздо большей, чем у стали, а также со снижением веса приблизительно в 5 раз. Что еще более существенно, это температурный коэффициент расширения. Если у стали он порядка 20, то у углеродного волокна - 5-6. Это позволяет бороться с провисами и увеличивать длину в 2-3 раза.

Также углепластики используются в строительстве. Например, японцы широко применяют тросы из углеродного волокна. И мы знаем, что во время землетрясений здания практически не разрушаются, потому что они специально балансируются на тросах из углеродного волокна. Углепластики также находят применение в нефтегазовой промышленности. Например, из них делают сосуды высокого давления. Если обычный стальной баллон выдерживает давление 150 атмосфер, то применение углеродного волокна позволяет увеличить показатель до 500-700 атмосфер. Сам баллон получается легче, в него помещается в 5-10 раз больше газа.

С моей точки зрения, проблемным местом являются не материалы, а люди, конструктора, которые умеют из этих материалов строить. Самое важное - подготовка кадров, которые будут соответствовать материаловедческой революции.