Судьба композитов: от фараонов до наших дней

Проводившиеся в барах научно-популярные лекции проекта Science Bar Hopping сегодня выходят онлайн. На одном из стримов Андрей Новиков, инженер и старший преподаватель МГТУ им. Баумана, рассказал, как возникли композитные материалы и в чем их преимущество. А вы знали, что первые композиты появились еще при фараонах?

ДОСЬЕ

Андрей Новиков — ​инженер, руководитель отдела методологии Межотраслевого инжинирингового центра «Композиты России», старший преподаватель кафедры «Ракетно-космические композитные конструкции» МГТУ им. Баумана и автор курса лекций по дисциплине «Наноинженерия космических аппаратов».

Проект Science Bar Hopping — ​совместный проект Фонда инфраструктурных и образовательных программ и медиакомпании «Бумага». Мероприятия проходят в формате научно-популярного фестиваля в Москве, Петербурге и Екатеринбурге. Ученые выступают в городских барах и рассказывают о своих исследованиях. Цель проекта — ​сделать так, чтобы науку обсуждали в барах с той же страстью, что и кино, политику или спорт.

Саманные дома и папирусные маски

Широкую известность композиты приобрели сравнительно недавно, но появились они несколько тысяч лет назад. Из композитных материалов сделаны погребальные маски фараонов Древнего Египта — ​их изготавливали из папируса, пропитанного древесной смолой. Кирпичи из глины и соломы, саман, — ​тоже композит. Жилища из самана строили еще в девятом тысячелетии до нашей эры. Конечно, ни о какой науке речи не шло — ​мастера того времени и не думали, что, соединяя разные материалы, создают композит. Они просто смешивали их друг с другом и выбирали подходящую комбинацию.

Самолеты из дерева и авианосцы изо льда

Первый «осмысленный» композитный материал — ​железобетон. Его придумали в конце XIX века — ​можно сказать, что композитные технологии появились именно тогда. Композит состоит из нескольких материалов, и что важно, с четкой макрограницей между ними. Так, упомянутый выше железобетон состоит из двух компонентов: металлической сетки и бетона с хорошо различимой границей. Другой многокомпонентный материал, сталь, — ​не композит. В ней углерод внедряется в кристаллическую решетку железа, и граница становится неразличима.

Многие интересные материалы появились благодаря военным разработкам. Во времена Второй мировой войны во Всесоюзном институте авиационных материалов придумали дельта-древесину — ​легкий и прочный материал из древесного шпона, пропитанного фенолили крезолоформальдегидной смолой. Из-за острой нехватки металла из дельта-древесины изготавливали силовые структуры самолетов, части их фюзеляжа и крыльев. Деревянные самолеты отлично показали себя в бою. Другой необычный материал, пайкерит, — ​тоже заслуга военных. Британцы создали ковкий и прочный композит из целлюлозы и льда. Материал оказывает примерно такое же сопротивление взрыву, как бетон, а тает при этом намного медленнее, чем обычный лед. Пайкерит в 1940-е годы планировали использовать в проекте «Хаббакук» — ​британской программе по созданию композитного авианосца. На поверхности искусственного айсберга — авианосца из пайкерита военные хотели сделать полетную палубу, а внутри — ​ангары для самолетов. Но из-за технических трудностей проект закрыли. Понадобилось три жарких лета, чтобы полностью растопить построенный в Канаде прототип ледяного корабля.

Автомобиль из отходов

XX век считается веком пластика. Из этого легкого и податливого материала изготавливают, кажется, все на свете. Но у пластика есть недостаток — ​хрупкость. Чтобы сделать его прочнее и долговечнее, технологи решили армировать пластик по аналогии с железобетоном. Так появились угле- и стеклопластики, которые все чаще применяют в промышленности — ​например в автомобилестроении. Первый композитный автомобиль, который производился серийно, — ​немецкий Trabant. Внешние элементы машины изготавливали из дюропласта — ​материала из отходов хлопчатобумажного производства, смешанных с фенолформальдегидной смолой.

Сделать еще один шаг вперед композитной отрасли позволило развитие космонавтики. Для «Бурана» пришлось разработать новые углерод-углеродные материалы для самых теплонагруженных деталей — ​носового обтекателя и передних кромок крыла. Специально для «Бурана» создали углеродный материал «Гравимол».

Весы для Менделеева

В 1889 году в Лондоне Менделееву подарили весы, одна чаша которых была сделана из золота, а вторая — ​из алюминия. В XIX веке алюминий считался очень ценным материалом: его продавали по 34 доллара за унцию, тогда как золото стоило 19 долларов за унцию. Прошло 130 лет, алюминий научились изготавливать в промышленных масштабах, и сейчас мы можем пойти в магазин и без проблем купить газировку в алюминиевой банке — ​металл стал общедоступным.

Композиты проходят тот же путь. Пока это дорогие материалы для массового использования, но технологии развиваются, и композитные материалы становятся дешевле. Еще 10 лет назад самый дешевый автомобиль с углепластиковой силовой структурой (монококом) McLaren MP4-12C стоил 150 тыс. евро, а сейчас можно купить бюджетный BMW i3 за 30 тыс. евро.

Космические перспективы

Важное преимущество композитов — ​неограниченный размер изделия. Самое большое судно из стеклопластика — ​российский тральщик «Александр Обухов». Корпус длиной 62 м изготовлен из монолитного стеклопластика без швов и заклепок. Такая конструкция надежна и герметична. Сегодняшние технологии не позволяют создать монолитное судно из металла, а вот из композитных материалов — ​без проблем. Эксперты верят, что композиты откроют новые возможности.

В космической отрасли композиты применяют не только для строительства кораблей. Их используют, например, для изготовления космических антенн на геостационарной орбите. Находящиеся на высоте 25 тыс. км, эти антенны при выходе из тени Земли переносят перепад температуры в 150–170 °C. Чтобы этот перепад не повлиял на конструкцию антенны, ее делают из углепластика, который не расширяется при нагреве.

«ГРАВИМОЛ» ДЛЯ «БУРАНА»

15 ноября 1988 года совершил свой первый и единственный полет советский многоразовый космический корабль «Буран». Для него были разработаны углерод-углеродные материалы и антиокислительные покрытия для носового обтекателя и передней кромки крыла, которые могли выдерживать температуру до 1600 °C. Причем для этих элементов использовались разные варианты композитного материала, отличавшиеся видом углеродных волокон. Технология производства была многоступенчатой: формование, пропитка углеродом, кремнием при высокой температуре (до 3000 °C), затем — ​точнейшая механическая обработка. Толщина каждого элемента — ​5–7 мм. Углерод-углеродным материалам для «Бурана» были присвоены марки «Гравимол» и «Гравимол-В» (по названиям головных предприятий, участвовавших в их создании, — «НИИграфит», ВИАМ, «Молния», ВНИИВПроект). Из композитного материала «Термар», разработанного в «НИИграфите», были изготовлены фрикционные диски тормозов «Бурана», а также самолетов Ан‑124, Ту‑160, Ту‑204, Ту‑214.