Углеродные волокна — один из самых известных наполнителей композитных материалов. У него много преимуществ, но есть и недостатки. О производстве, исследовании и совершенствовании такого материала рассказал руководитель технических проектов Композитного дивизиона «Росатома» Евгений Трофименко.
Углеволокно — это комплексная нить, состоящая из тысяч углеродных (92-99% углерода) филаментов диаметром от 4 до 8 микрон. Почти 95% выпускаемых сегодня углеродных волокон делают из полиакрилонитрила (ПАН).
Древесина и другие природные источники лежат в основе гидратцеллюлозных волокон, которые так же могут быть сырьем для производства углеволокна. Сегодня их уже почти не используют, потому что они «проигрывают» по параметрам. Наконец, сырьем может быть пек — похожий на мазут остаток от глубокой переработки нефти. Вместе с коллегами Евгений занимается производством углеволокон на базе ПАН.
Стадии производства
Первая стадия — синтез, получение полимера из сырья. Этот процесс протекает в воде или специальных растворителях внутри реактора. В основе синтеза лежит мономер акрилонитрил, т.е. элементарный кирпичик будущего полимерного волокна, к которому «примешивают» добавки (сомономеры), которые упрощают дальнейшую работу с волокнами.
Второй этап — формование. Полимер растворяют, формуют, вытягивают, промывают, обрабатывают его поверхность, в результате чего получаются тысячи тончайших нитей собранных воедино – ПАН-волокно. Следующая стадия — многоступенчатая термообработка в различных средах, температура при этом может достигать 2500 градусов Цельсия! Так получаются прочные и легкие углеродные волокна.
Главные преимущества и недостатки углеволокна
Углепластики обладают высокой удельной прочностью, то есть прочностью относительно массы. Если взять одинаковые по размеру балку из углепластика и балку из металла, то прочность у них будет практически одинаковая, но углепластиковая будет весить значительно меньше.
Другое важное преимущество — высокая химическая инертность как к щелочам, так и к кислотам. Углепластик может долго выдерживать воздействие даже горячей серной кислоты. Если же создать еще более жесткие окислительные условия, и добавить к такой системе порцию перекиси водорода, то начнет растворяться эпоксидная смола, а углеволокно останется невредимым.
Еще одна важная особенность — программируемость свойств в изделии. Можно заранее рассчитать, сколько нужно слоев материала, чтобы получить необходимые параметры, например, прочности крыла самолета.
Один из главных недостатков углеволоконных композитов — неоднородность механических свойств материала в различных направлениях, называемая анизотропией. Максимальная прочность достигается лишь по направлению укладки волокон в материале. Характеристики «поперек» укладки заметно отличаются. У металлического же бруска нет такого изъяна и его характеристики равны в любом направлении приложения нагрузки.
Другой недостаток — сложность создания готовых изделий, относительно классических металлов: просто так отлить и отштамповать не получится. Однако работы в области новых методов массового простого изготовления композитных изделий ведутся. Длинная цепочка производства, включающая в себя добычу и глубокую переработку нефти, синтез полимера, формование ПАН-волокон, термообработку с получением углеродного волокна – приводит к высокой стоимости углепластиков. Однако работы по снижению себестоимости производства ведутся, как в России, так и в мире. Причем весьма успешно. Если сравнить стоимость углеволокна «на заре их появления», то стоимость за примерно полвека удалось снизить практически в 30 раз — читайте об истории и типах композитов.
Сферы применения
Авиация немыслима сегодня без композитных материалов. В 1960-70 гг в самолетах доля композитов была на уровне погрешности и составляла 5-7%, в современном самолете МС-21 композиты составляют до 40[1] [U2] % конструкции. Использование таких материалов позволяет экономить на топливе и, как следствие, снижать цену билетов.
«Современная авиация невозможна без композитов в целом, без углепластиков в частности», — объясняет Евгений Трофименко.
Легкость и прочность делают композиты с углеродным волокном незаменимым материалом в производстве космических ракет и спутников. Чем легче аппарат, тем дальше он пролетит и больше грузов сможет взять с собой.
Углепластики используются в судостроении, автомобилестроении и даже строительстве — например, для ремонта опор мостов и башен Московского Кремля. Кроме того, композиты активно внедряются в энергетику – из них изготавливают лопасти ветряных электростанций, а в атомной энергетике композиты применяются с 80-х годов ХХ века в роторах газовых центрифуг для обогащения урана.
Будущее углеволокон
Несмотря на то, что углепластики и другие композитные материалы уже прочно вошли в нашу жизнь, их совершенствование не останавливается ни на минуту, как отметил Евгений Трофименко. Снижается стоимость компонентов и производства, идет поиск методов массового изготовления готовых изделий, разрабатывается оборудование для работы с композитными материалами. Конечно, идет поиск новых композитных материалов и сфер их применения.
Композиты и новые материалы — чрезвычайно перспективная сфера развития для молодых ученых самых разных специализаций.
Читайте о том, как прошел второй модуль отраслевой Научной школы «Новые материалы и технологии для перспективных энергетических систем».
