Знаете ли вы, что первый композит человечество придумало еще семь тысяч лет назад, когда из соломы и глины мы начали делать прочные и теплоизолирующие саманные кирпичи? Их до сих пор используют для хозяйственных построек. С тех пор сфера применения композитных материалов шагнула далеко вперед. Куда именно – рассказал руководитель технических проектов Композитного дивизиона «Росатома» Евгений Трофименко.
Композитные материалы — материалы, состоящие из двух и более компонентов, с четкой границей раздела фаз. За физико-механические характеристики композита отвечает армирующий компонент; за монолитность, защиту от внешних воздействий и распределение напряжения — матрица. Так, в железобетоне сталь — армирующий компонент, а бетон — матрица. Главное, что итоговые характеристики композитного материала выше, чем у его компонентов по отдельности. Мы получаем нечто новое и большее.
В XIX веке, на волне расцвета науки, произошли важные открытия в области композитов и материаловедения. Так появились железобетон, стекловолокно и углеволокно. Кстати, первое углеволокно придумал Томас Эдисон, создав нить для лампочки накаливания, обугливая хлопковую нить.
Следующий, XX век, стал эрой полимеров, что позволило получить современные композитные материалы – стеклопластик и углепластик. Из-за высокой стоимости тогда их использовали лишь в военных и космических программах. К началу XXI века цена на них упала, и сегодня мы находимся на пороге массового внедрения композитных материалов во все сферы жизни.
Классификация композитов по типу армирующего наполнителя
Композиты с углеволокном в качестве армирующего компонента нашли свое применение в авиационном и ракетно-космическом секторе благодаря высокой прочности и низкому весу. Их «младшие братья» — композиты со стекловолокном. По всем характеристикам они уступают углепластикам, но гораздо дешевле и применяются в отраслях, где сегодня использование углепластика остается нерентабельным.
Карбид кремния — относительно новый тип армирующего наполнителя. Он активно используется в композитах с металлической или керамической матрицей. Например, им армируют лопатки авиационных двигателей.
Сверхвысокомолекулярный полиэтилен, или СВМПЭ используется в бронезащите, а также при изготовлении сверхпрочных тросов и канатов.
Классификация композитов по материалу матрицы
Пожалуй, самая распространенная матрица — полимерная. К ней относятся эпоксидные, винилэфирные, полиэфирные и другие смолы. Например, из углеволокна и эпоксидной матрицы сделаны крылья самолета МС-21.
Матрицы бывают и углеродными. Когда углерод используется и в армирующем наполнителе, и в матрице, то материал называют углерод-углеродным композитом. Его главное преимущество — чрезвычайная устойчивость к высоким температурам при высокой прочности. Такие материалы нашли применение, например, в тормозных дисках самолетов. Во время торможения при посадке диски разогреваются до 1000 градусов Цельсия, но материал не крошится, не трескается и не разрушается.
Также углерод-углеродные тормозные системы используются в дорогих и гоночных автомобилях, а в СССР из углерод-углеродного материала делали теплозащиту для возвращаемых космических аппаратов, в частности, защитные блоки для аппарата «Буран». В США для той же цели использовали композиты с керамической матрицей.
Металлические матрицы — относительно новое направление. Например, из титановой матрицы с карбид-кремниевыми волокнами сделаны поршни двигателя автомобиля Porsche 911, что позволяет повысить его мощность.
Углеродные волокна
Углеродное волокно — это комплексная нить, состоящая из тысяч почти чисто (92-99%) углеродных моноволокон диаметром от 4 до 8 микрон. Для сравнения — толщина наших волос: от 40 до 120 микрон. В качестве сырья для производства углеродного волокна сегодня чаще всего используют полиакрилонитрил (ПАН). Именно с этим материалом работает Евгений Трофименко и его коллеги.
Углепластики обладают высокой удельной прочностью и химической инертностью.
Подробнее об их производстве, преимуществах и недостатках мы расскажем в следующий раз. Смотрите выступление Евгения на фестивале НАУКА 0+.
Чтобы не пропустить новые материалы о композитах, подписывайтесь на канал "Ученых Росатома".