В течение тысячелетий человечество преимущественно использовало натуральные, природные материалы. Однако, со временем, для решения технологических задач, человечеству потребовались материалы, имеющие несколько иные характеристики, чем натуральные, природные материалы. Уровень развития цивилизации характеризуют видом материала, позволявшего создавать в свое время наиболее передовые орудия и средства производства.
Первыми искусственными материалами, освоенными человечеством, были сплавы. Одним из сплавов, освоенных человечеством, на сравнительно ранней стадии развития цивилизации и сыгравших существенную роль в последующем развитии стала бронза.Не случайно, антропологи и историки называют один из периодов в истории человечества Бронзовым веком. Со временем развитие цивилизации потребовало создания материалов, имеющих более сложную структуру, чем сплавы, заранее определённые технологические характеристики и вполне прогнозируемые эксплуатационные качества. Начало технологий по изготовлению и использованию композиционных материалов уходит в античные времена, но именно настоящее время многие специалисты называют «веком КМ». Наиболее активно искусственные материалы стали использоваться в индустрии с XIX века. Одним из подобных материалов стали композиты. Действительно, в настоящее время доля КМ среди потребляемых материалов как никогда велика и с каждым годом растет.
Композиты – многокомпонентные материалы, состоящие из полимерной, металлической, углеродной, керамической или другой основы (матрицы), армированной наполнителями из волокон, нитевидных кристаллов, тонкодиспeрсных частиц и др. Путем подбора состава и свойств наполнителя и матрицы (связующего), их соотношения, ориентации наполнителя можно получить материалы с требуемым сочетанием эксплуатационных и технологических свойств[1].
Один из наиболее распространённых типов композитов – это полимерные материалы. Их делят на три основные группы: пластические массы, каучуки и химические волокна. Химики знали основные пластмассы и работали с ними более 160 лет назад. Винил был получен в 1838 году, стирол – в 1839, акрил — в 1843, а полиэстер – в 1847. Но в то время еще не было потребности в таких синтетических материалах. В 1907 году Лео Бекеленд разработал фенольную пластмассу, которая стала первым синтетическим материалом, производившимся в больших количествах. Массовое производство других групп полимеров было освоено в течение 3-х последующих десятилетий.
Советский Союз был пионером в производстве синтетического каучука в начале 30-х годов. Но, к сожалению, завод в Ярославле, где его производство было налажено впервые в мире, сейчас полностью разрушен.
Особое место среди композиционных материалов занимает металлокерамика (керметы) – материалы, искусственно создаваемые посредством спекания металлических и керамических порошков. Судя по сохранившимся источникам, первые опыты по созданию металлокерамических соединений проводилось ещё в середине XVIII века. Металлокерамики объединяют важные конструкционные и эксплуатационные свойства металлов и неметаллов. Они отличаются большой прочностью, высокими износостойкостью и теплостойкостью, антикоррозионными свойствами. Однако впервые относительно массовое применение металлокерамика получила только в 40-ые годы XX века. Начиная с середины второй мировой войны, нацистская Германия испытывала серьёзные проблемы с минеральными ресурсами. Именно в тот период времени немецкие ученые разработали металлокерамику на основе оксидов в качестве замены сплавов. В послевоенное время немецкие разработки по металлокерамике были достаточно успешно освоены американскими компаниями. Именно наличием серьёзной технологической базы можно объяснить значительные успехи США в производстве металлокерамики. Основная технология для получения металлокерамических изделий – порошковая металлургия.
В настоящее время основными сферами применения композиционных материалов являются: строительство, жилищно-коммунальное хозяйство, аэрокосмическая промышленность и авиастроение, автомобилестроение и медицина (в первую очередь – протезирование и трансплантология).
ПРИМЕНЕНИЕ КОМПОЗИТОВ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ
Наиболее распространённый композиционный материал, используемым в строительстве – железобетон, состоящий из бетона и стали. Он был запатентован в 1867 г. Хотя, реально он был изобретён и стал использоваться в строительстве, в том числе и в России, примерно 40-50 годами ранее. Широкое применение железобетона дало импульс, в первую очередь, высотному строительству. С течением времени стали разрабатываться технологии, позволяющие заменять стальную арматуру в железобетоне другими композитными материалами. Одной из причин, побудивших искать замену стальной арматуре, стал её значительный вес. При высотном строительстве снижение веса устанавливаемых конструкций, при сохранении основных эксплуатационных характеристик, имеет чрезвычайно важное значение. Вместо стальных стержней стали использоваться стержни из стеклянных, базальтовых, углеродных или волокон, пропитанных термореактивным или термопластичным полимерным связующим и отверждённых. Арматуру, изготовленную из стеклянных волокон, принято называть стеклопластиковой (АСП), из базальтовых волокон – базальтопластиковой (АБП), из углеродных волокон – углепластиковой. Для сцепления с бетоном на поверхности композитной арматуры в процессе производства формируются специальные рёбра или наносится покрытие из песка. Благодаря своим физико-механическим характеристикам и техническим преимуществам композитная арматура может являться альтернативой арматуре из металла, как обладающая сочетанием высокой прочности и коррозионной стойкости. У композитной арматуры модуль упругости примерно в 3-4 раза ниже, чем у стальной (для базальтопластиковой и стеклопластиковой арматуры). Прочность стеклопластиковой арматуры в сравнении с аналогами из стали в три раза выше. Это достигается за счет армирования специальных прочных сортов пластика волокнами их стекла, дополнительно соединенными между собой синтетическими смолами. Такая конструкция переносит механические воздействия, хорошо защищена от негативных воздействий окружающей среды, имеет повышенную стойкость к коррозии и не поддается агрессивному влиянию хлористых и кислых сред.
Существенное значение имеет и тот факт, что при массовом производстве композитная арматура оказывается более дешёвой, чем стальная.
В последние 20-25 лет всё более широкое применение в строительстве находят фасады из композитных материалов, которые эффективно защищают здание от неблагоприятных погодных условий. Перспективной инновационной технологией в строительстве является внешнее армирование поврежденных балок и плит лентами из углеродного волокна. Данная технология позволяет проводить ремонтные работы, во-первых, фактически без остановки производства, во-вторых, со значительным сокращением временных и трудовых затрат. Эта технология наиболее перспективна для проведения ремонтных работ на предприятиях непрерывного производства.
В последние несколько десятилетий краски, изготовленные на основе композитных материалов, постепенно вытесняют традиционные масляные и водоэмульсионные краски. Большинство таких красок изготавливается на основе алкидных смол. Алкидные смолы, как правило, изготавливают путем варки растительных масел – льняного, соевого, и некоторых других – вместе со спиртными и органическими кислотами или кислотными ангидридами. Чем больше жирность (процентное содержание масла) алкидной смолы, тем эластичнее лакокрасочное покрытие. Главное достоинство красок, изготовленных на основе композитных материалов, – более высокая устойчивость к воздействию окружающей среды.
ПРИМЕНЕНИЕ КОМПОЗИТОВ В ДРУГИХ ОТРАСЛЯХ
Наиболее широкое применение композитные материалы находят в аэрокосмической и автомобильной промышленности. Достаточно сказать, что до 40-50% веса современных авиалайнеров – композитные материалы. Основная причина широкого использования композитов в авиастроении – снижение веса самолёта при сохранении его прочности. Значимым научно-техническим направлением является создание изделий радиотехнического назначения из стеклопластика, в первую очередь для авиации. В 1980-х годах сотрудники подмосковного НПО «Стеклопластик» разработали, на основе композитных материалов, теплозащиту, которая была успешно использована для многоразового космического корабля «Буран». В последние 5-7 лет ведущие автомобильные концерны стали использовать композиты для изготовления не только отдельных деталей, но и значительной части корпусов автомобилей. Причина та же, что и в авиастроении – снижение веса автомобилей, при сохранении прочностных характеристик.
В медицине широко применяются изготовляемые из синтетических полимеров искусственные суставы, сосуды и т.п., полностью заменяющие ткани организма. Изготовление их чаще осуществляется из материалов на основе ВМС (полимеров) – пластмасс. Освоение производства таких протезов позволило сохранить трудоспособность миллионам людей. Прорыв в эндопротезировании суставов совершил в 1960-е гг. английский хирург Джон Чарнли. Он сконструировал искусственный тазобедренный сустав с металлической головкой и полиэтиленовой суставной впадиной. Протез крепился к костной ткани акриловой смолой. Совершенствование материалов и их сочетаний, а также компьютерной техники в эндопротезировании продолжается. Сейчас практически любой сустав человеческого тела может быть заменен эндопротезом. В производстве протезов Россия пока уступает большинству развитых стран. Но есть и определённые успехи. Ещё 5 лет назад специалисты Белгородского государственного университета сказали свое слово в наномедицине – разработали технологию производства композитов из особого сплава титана – наноструктурированного. На сплав наносится наноструктурное керамическое покрытие из фосфата кальция. В итоге титановая основа обрела новые качества – стала в 1,5 раза прочнее, нежели зарубежные аналоги.
ПРОИЗВОДСТВО КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ В РОССИИ
«Объем производства композиционных материалов в России оценивается десятками тысяч тонн[2] и составляет всего лишь 0,3-0,5% от мирового рынка. Если 30 лет назад Советский Союз занимал лидирующие позиции в первую очередь в области высокопрочных материалов для авиационной и военной техники»[3]. Потребление на душу населения композитных материалов в сравнении с другими развитыми странами у нас пока ещё примерно в 15 раз меньше. Необходимость качественно изменить ситуацию осознаётся и Президентом и Правительством. Ещё в 2009 г. было создан «Союз производителей композитов», который провёл 30 ноября с.г. 9 международную научно-практическую конференцию. Есть распоряжение Правительства РФ от 24.07.2013 «Об утверждении плана мероприятий («дорожной карты») «Развитие отрасли производства композитных материалов».
Достигнуты несомненные успехи. Объединенная авиастроительная корпорация будет впервые в мире применять инфузионную технологию при создании интегральной (цельной) конструкции крыла для нового отечественного гражданского самолета МС-21. МС-21, кстати, будет состоять на 40% из композиционных материалов. В этом году было заложено судно на подводных крыльях, полностью из композитов. В перспективе такие суда заменят парк сегодняшних «Метеоров». В целом, Минпромторг планирует, что к 2020 г. выпуск композитных материалов достигнет 120 млрд. рублей, что в 5 раз больше уровня 2013 г.
Андрей Зобков
[1] Сайт «Пластэксперт».
[2] Имеются в виду композитные материалы, изготовленные на основе самых передовых технологий. Заметного отставания в производстве пластмасс и других полимеров нет. – Прим. автора.
[3] Журнал «Умное производство» № 31 // 9 – 2015 г.
