Углепластики. Химик Виктор Авдеев об уникальных свойствах углепластиков, сферах их применения и перспективных показателях прочности

Что такое композиционные материалы? Как значительно улучшить свойства ткани или металла? Как создают новые материалы? В проекте «Мир вещей. Из чего сделано будущее» совместно с Фондом инфраструктурных и образовательных программ (ФИОП) рассказываем о последних открытиях и перспективных достижениях науки о материалах.

Углепластики — это композиционные материалы, которые представляют собой матрицы. Они могут быть полимерные, углеродные, металлические, а также в виде волокон, которые обладают большей прочностью и жесткостью. Суть композитов и их перспектива состоит в том, что сочетания разных материалов позволяют получать новые материалы с новыми свойствами. Углепластики сегодня — это передний фронт науки и материаловедения. Это связано с действительно уникальными свойствами углеродного волокна.

Я хочу привести некоторые цифры. В мире производится чуть больше 1 млрд 600 млн тонн стали. Алюминия, который является композиционным материалом, всего 40 млн тонн. Производство титана, в котором Россия в числе двух-трех мировых лидеров, всего 250 тысяч тонн. Если говорить о стекловолокнах, то это всего 3 млн тонн в год на весь мир. А углеродные волокна — всего около 100 тысяч тонн. В то же время производится 250 млн тонн полимеров, то есть пластиков, полиэтиленов, полипропиленов. Человечество теряет колоссальные ресурсы, потому что выпускает полиэтиленовые, полипропиленовые материалы, не армируя их волокном. Это огромные резервы в развитии.

Почему роль углепластиков огромна и перспектива потрясающая? Например, для того, чтобы вывести килограмм груза в ближний космос, нужно $50 000. В авиации лишний килограмм груза на среднемагистральном самолете вроде А-320, или Ту-154, или в перспективе МС-21 — это 1–2 тонны в зависимости от интенсивности эксплуатации самолета, а стоимость тонны керосина примерно тысяча долларов. Самолеты летают 30 лет, и за это время набегает приличная сумма. Композиционные материалы позволяют экономить эти расходы.

Я также связываю взрывное применение углепластика с автомобилестроением и переходом на литийионные источники энергии и электрические двигатели. За этим стоит не экономика, а экология, потому что именно выхлопные газы в городах отравляют нашу жизнь. В Японии провозгласили производство 10 миллионов тонн углеродного волокна в год для перевода японской автомобильной промышленности на углепластики. Такие же цифры называет Китай. У нас в России пока не такие крупные цифры для автомобилестроения. Тем не менее если еще 5–10 лет назад мы производили всего 200–300 тонн в год, то в следующем году завершится строительство завода, и производство углеродного волокна возрастет до 2 тысяч тонн, а в 2025 году — до 10 тысяч тонн. Это позволит заложить культуру и динамику производства. Россия фактически возвращает себе лидерство, потому что Советский Союз всегда был в тройке лидеров по углеродному волокну и углепластикам.

Углепластики производятся на основе непрерывного волокна. Создается лента из углеродного волокна со специальными добавками. Существуют выкладочные машины, которые заряжаются 24 кассетами и очень стремительно и точно выкладывают огромные детали. Дальше они перерабатываются, и получается изделие. Взрывная революция происходит в оборудовании, которое позволяет изготавливать изделия самой сложной формы, с обратной кривизной и больших размеров. Это позволяет быть убежденным, что именно углепластик и стеклопластик будут развиваться очень быстро.

Сегодня углеродное волокно имеет рекорды по прочности. Прочность углеродного волокна — 7 гигапаскалей, что приблизительно в 3 раза больше, чем прочность советской стали. Захватывающие перспективы заключаются в том, что в лабораториях уже сегодня получены волокна с прочностью 10–12 гигапаскалей, а теоретические расчеты дают значение от 30 до 150 гигапаскалей. Это означает, что миллиметровая проволока может выдерживать 15 тонн до разрыва. В этом видятся колоссальные перспективы. Я хочу процитировать часть лекции профессора Кроули, который был ректором Сколтеха до недавнего времени. Он занимается космонавтикой и прочитал лекцию о ее будущем. Он сказал, что у космонавтики есть десять проблем, одна из них — материалы конструкционного назначения, которые одновременно позволяют защищать человека от воздействия космоса, и эта проблема стоит всех остальных девяти. Так он оценил значение материалов в космосе. Мне было, как материаловеду, приятно слышать такую оценку.

Сейчас происходит важное движение, когда цена углеродного волокна при достойном качестве сдвигается в сторону $10–12. Соотношение цены и качества приведет к этому масштабному использованию волокна. Волокно — это важный компонент композита углепластиков. Но не менее важным является связующее, матрица. Матрицы тоже бывают разные: термореактивные, термопластичные. В Московском университете мы достигли определенных успехов и сейчас организовываем производство не только эпоксидных матриц, у которых температура эксплуатации в течение десятков лет 150 градусов, но и бисмалеинимидных связующих, у которых этот показатель 250 градусов. Последняя разработка — фталонитрильные матрицы с температурой эксплуатации в течение десятков лет 350 градусов и кратковременно — 500–550 градусов.

Матрица является сегодня узким местом и ограничением в использовании уникальных свойств углеродного волокна. Тем не менее это уже хорошие показатели, потому что алюминий, который эксплуатируется максимум до температуры 300 градусов, а реально до 150–170, композиты уже превзошли. Еще одно преимущество заключается в том, что, например, крыло делается из 2 тысяч деталей, если оно металлическое. Когда же оно производится из композитов, то используется на порядок-два меньше деталей. Человечество развивается в направлении, чтобы делать интегральные конструкции из одной детали. Несмотря на то что материалы в разы дороже, в итоге себестоимость изготовления крупной детали будет в разы меньше.

Если говорить о космосе, то РКК «Энергия» сейчас имеет целую программу перехода от металлической пилотируемой капсулы на композитную. Мы тоже активно участвуем в этой работе. Это дает снижение веса на 15–20%. Еще один пример, где применение углепластиков будет эффективно, — это линии электропередач. ЛЭП-500 — расстояние между опорами 100 или 150 метров. Это устроено так: у проводов стальной стержень, для того чтобы выдерживать вес и обеспечивать прочность, а электричество передается либо по медным, либо по алюминиевым проводам. Сейчас реализуются разработки, когда сердечник будет из углеродного волокна. Это связано с его прочностью, гораздо большей, чем у стали, а также со снижением веса приблизительно в 5 раз. Что еще более существенно, это температурный коэффициент расширения. Если у стали он порядка 20, то у углеродного волокна — 5–6. Это позволяет бороться с провисами и увеличивать длину в 2–3 раза.

Также углепластики используются в строительстве. Например, японцы широко применяют тросы из углеродного волокна. И мы знаем, что во время землетрясений здания практически не разрушаются, потому что они специально балансируются на тросах из углеродного волокна. Углепластики также находят применение в нефтегазовой промышленности. Например, из них делают сосуды высокого давления. Если обычный стальной баллон выдерживает давление 150 атмосфер, то применение углеродного волокна позволяет увеличить показатель до 500–700 атмосфер. Сам баллон получается легче, в него помещается в 5–10 раз больше газа.

С моей точки зрения, проблемным местом являются не материалы, а люди, конструктора, которые умеют из этих материалов строить. Самое важное — подготовка кадров, которые будут соответствовать материаловедческой революции.