От фанеры до углепластика. Освежим ваши знания о композитах

Хотите популярно объяснить старшекласснику, что такое композиционные материалы и где они применяются? Или надо освежить собственные знания? Вам в помощь выдержки из лекции заместителя начальника лаборатории синтеза и исследования новых материалов «НИИграфита» Егора Данилова. Ученый выступил перед детьми и внуками сотрудников «Росатома» в рамках проекта «Научные чтения».

Композиционный материал состоит как минимум из двух компонентов, различающихся по химическому составу или структуре. Свойства такого материала отличаются от свойств его компонентов. В любом композиционном материале есть так называемый наполнитель — ​это дискретные вкрапления в виде волокон или изометричных микроили наночастиц, они образуют границу раздела. И есть матрица — ​это основа, в которой распределен один или несколько наполнителей.

Обычно композитами называют созданные человеком материалы, но они встречаются и в природе. Древесина — ​типичный пример. Материал состоит из двух сильно различающихся фаз: хорошо ориентированные жгутики из целлюлозных волокон, а между ними распределена аморфная матрица сложной структуры. В человеческом теле много композиционных материалов — ​фактически все твердые ткани. Классический пример — ​крупные кости: состоят из пористой губчатой части внутри и более плотной наружной части.

Композиты начали применять в авиационной технике с самого начала ее развития. Основой первых самолетов была фанера — ​направленно армированный композиционный материал. Она представляет собой склеенные листы шпона, а шпон — ​это ориентированные листы древесины, включающие волокна целлюлозы. Матрица для авиационной фанеры — ​фенолформальдегидная смола, она используется в виде раствора в спирте. Такой материал гораздо менее пористый и более прочный, чем листовая доска. Фанеру широко применяли в авиастроении до Второй мировой войны, и до сих пор она иногда используется для изготовления деталей летательных аппаратов.

В середине прошлого века люди освоили производство стеклянных волокон. Их делают, продавливая расплав стекла через фильеры с микронными отверстиями, получают жгуты толщиной порядка 10 мк. Из них ткут ткани, которые затем можно выложить на оснастку нужного профиля, пропитать смолой и получить композиционный материал — ​стеклопластик. Чуть позже началось производство базальтовых волокон. С точки зрения физико-механических свойств они похожи на стеклянные, но у них лучше вибрационные характеристики. В материалах авиационного назначения базальтопластики применяются для подавления акустических шумов и вибраций. Чуть позже освоили производство углеродных волокон, они сейчас основные для изготовления слоистых композиционных материалов с особенно высокой жесткостью и низкой плотностью. Способ их получения совсем иной: из исходного полимера — ​в основном используют вискозу, полиакрилонитрил или тяжелые остатки нефтепереработки — ​делают волокна-прекурсоры. Их обрабатывают сложным образом сначала на воздухе, а потом до высоких температур в инертной среде и получают углеродные волокна, которые обладают высокой прочностью и упругостью.

Для изготовления композитов на основе углеродных волокон используют в основном две технологии. Первая — ​намотка: жгут пропитывают смолой, наматывают на оправку и отверждают. Вторая — ​технология препрегов. На заводе изготавливают очень длинные листы из ткани, пропитанной термореактивной смолой. При нагревании смола с отвердителем начинает реагировать, и происходит трехмерная сшивка. Из препрегов можно выкладывать изделия очень сложной формы и большого размера — ​например монолитную носовую часть пассажирского лайнера.

Алюминий на некоторое время потеснил фанеру в авиастроении — ​у него механические характеристики лучше. Но полимерные композиты — ​углепластики и стеклопластики — ​отличаются более высокими удельными свойствами, ​например отношением прочности к плотности. С начала 2000-х они захватывают авиапромышленность. Если у самолета Airbus A320 порядка 32 % летной массы составляли композиты, то у Airbus A380 — ​уже 52 %. У нас в России есть беспилотные аппараты для разведки лесных пожаров, у которых на 100 % пластиковый корпус, он может весить меньше 1 кг при внушительных размерах.

Сегодня композиционные материалы, которые разрабатывались для космоса и авиации, приходят на рынок товаров народного потребления. Стеклопластики и углепластики применяют для изготовления спортивного инвентаря премиум-класса: велосипедных рам, лыж и лыжных палок, скейтбордов и многих других вещей. Полимерные композиты нашли применение на автомобильном рынке, и уже не только в спортивных машинах.

Композиционные материалы применяются в строительстве: например, из них делают шпунты для укрепления грунта, они служат дольше, чем металлические. В атомной энергетике растет интерес к легким и прочным композитам в связи с проектами мобильных станций. Из полимерных композитов создаются роботы, которые будут оперировать переработкой отходов и вести ремонт на загрязненных площадях.

В медицине давно пытаются применить композиты для изготовления экзопротезов. Из этих материалов можно сделать тонкую, но прочную оболочку для сложной электроники, элементы сенсорных экранов. Материалы с керамическими и углеродными матрицами отличаются биоинертностью, поэтому из них изготавливают эндопротезы костей — ​они хорошо приживаются и со временем прорастают живой костной тканью.

Актуальная тенденция в разработке композиционных материалов — ​подражание природным механизмам адаптации свойств и структуры материала в ответ на внешние воздействия. Такие материалы называются интеллектуальными. Если мы порежемся или обожжемся, организм пошлет сигнал мозгу, начнутся химические реакции, ведущие к заживлению раны. Ученые разрабатывают композиты с функцией самозалечивания трещин. В простейшем варианте в состав материала вводятся полые капилляры или микрокапсулы, заполненные фотоотверждаемым полимером. При повреждении полимер вытекает на поверхность, отверждается, и прочность материала частично восстанавливается. Эксперименты проходят успешно, но пока это получается очень дорого. Другой пример — ​в конструкции из композитов встраивают датчики, которые позволяют точно судить, в какой точке возникают чрезмерные напряжения, и ослаблять нагрузку, чтобы изделие не разрушилось.

ВОПРОСЫ И ОТВЕТЫ

— Чем композиты отличаются от полимеров?

— Полимеры являются чистым химическим материалом, который находится в частично кристаллическом или стеклообразном состоянии. Композитом он станет в том случае, если мы для изменения свойств введем либо частицы, либо волокна, либо пластинки другого материала. Почти все полимеры, используемые в промышленности, строго говоря, композиты. Чистые полимеры обычно можно встретить только в лаборатории или на заводе. Как правило, для практического применения в полимеры вводят добавки для повышения стойкости к действию воздуха, света и влаги, удешевления материала и упрощения его переработки.

— Композиты используют в атомном ледоколостроении?

— Да, в основном стеклопластики — ​для внутренней обшивки. Для внешней все же применяются металлы. Полимеры не очень хорошо выдерживают температурные переходы через 0 °C, это ограничивает их использование.

— Можно ли применить технологию самозалечивания композитов для производства экранов гаджетов?

— Некоторые производители утверждают, что уже создали самозаживляющееся защитное стекло. Я себе такое купил — ​плохо пока еще работает эта технология. Но, безусловно, в ближайшие два-три года она будет доработана.