Мы живет в эпоху бурного развития композиционных материалов. Вследствие малого веса и высокой прочности композиты занимают все новые и новые ниши. Их сейчас применяют в строительстве, авиации, космической технике, автопроме, оборонной промышленности.
Чаще всего композитами замещают металлы. Уже изготовляют композитные мосты, переходы, вышки, опоры. Все больше и больше композитных деталей появляется в авиационно-космической и автомобильной отраслях. Ярким примером служит изготовление композитных крыльев самолетов МС-21 из углеволокна. Здесь используют углеродные волокна и эпоксидные смолы. Они обеспечивает высокую прочность и жесткость материалу при малом весе.
Углеродные волокна сначала предварительно пропитываются смолами для образования препрегов (предварительно насыщенных композитных материалов). Затем из препрегов формируют слои, которые укладываются в различных направлениях для обеспечения заданных характеристик прочности и жесткости. Укладка слоев происходит в специальные формы или матрицы, которые соответствуют форме и контурам будущего крыла. После этого все помещается в автоклав, где под высоким давлением и при определенной температуре проходит полимеризация. Это позволяет композитам затвердеть и обрести заданные механические свойства.
Главным недостатком композитных изделий, изготовленных по технологии послойной склейки препрегов, является низкая прочность по вертикали. При высоких изгибающих нагрузках происходит расслоение, которое приводит к потере целостности и разрушению материала. Над решением этой проблемы сегодня бьются ученые всего мира.
В Институте металлургии и материаловедения Российской академии наук (ИМЕТ РАН) совместно с компанией “Карбонтекс” создали малое инновационное предприятие «Умные композиты», которое производит прочные композиционные изделия из угле- и стекловолокна методом 3D-ткачества. Здесь установлен уникальный ткацкий станок, который позволяет создавать переплетенные из углеродной нити во всех направлениях каркасы и затем пропитывать их для получения готовых изделий.
Технология 3D-ткачества обеспечивает монолитность и высокую прочность конструкций по всем направлениям без расслоения листов композиционных материалов. Из полнотелых цельнотканных преформ могут изготовляться объемные крупногабаритные детали (лопатки авиадвигателей, турбин, кронштейны, шпангоуты, отсеки, корпуса автомобилей). Данная технология позволяет изготовлять из угле- и стеклопластика композиционные конструкции больших размеров с высокой прочностью и малым весом.
Композиты из 3D-ткани обладают рядом преимуществ, которые делают их привлекательными для использования в различных отраслях:
1. Благодаря трехмерной структуре, такие композиты обеспечивают повышенную механическую прочность и жесткость по сравнению с традиционными 2D-композитами.
2. 3D-ткани имеют межслойные связи, что значительно снижает риск расслаивания - одной из главных проблем существующих многослойных композитов.
3. Трехмерная структура позволяет более равномерно распределять нагрузки по всему объему материала, что увеличивает его долговечность и устойчивость к повреждениям.
4. 3D-ткани могут быть произведены с различными свойствами в разных направлениях, что дает возможность адаптирования материалов под конкретные требования заказчиков.
5. Композиты легче традиционных материалов, что особенно важно в авиационной и автомобильной отраслях, где снижение веса приводит к экономии топлива и повышению эффективности.
6. Углеволоконные 3D-композиты могут выдерживать высокие температуры, не теряя своих механических свойств.
7. В структуру волокон таких композитов можно интегрировать различные проводные датчики, которые будут осуществлять контроль нагрузок и температуры в этих композитах.
Сама идея создавать “умные” композиционные изделия и конструкции (т.е. конструкции с дополнительными функциями мониторинга своих нагрузок, температуры, ударов, разрушений) имеет прорывное значение и может резко увеличить сферу применения композитных материалов. Данная идея была реализована на практике в лаб. №24 ИМЕТ РАН (https://amorphous-wires.ru). В качестве протяженного встраиваемого датчика здесь используют тонкие и прочные аморфные ферромагнитные провода диаметром 50 - 150 мкм. Такие провода позволяют осуществлять мониторинг нагрузок больших и протяженных композитных конструкций в режиме реального времени. С их помощью можно контролировать нагрузки в крыльях самолетов, несущих шпангоутах, отсеках ракет, лопастях винтов вертолетов, ветрогенераторов, композитных мостах, перекрытиях и прочих ответственных конструкциях.