Наверняка вы много раз читали о том, что советский многоразовый космический корабль «Буран» был покрыт теплоизоляционной керамической плиткой. Произнося слово «керамический», каждый представляет что-то свое. Кто-то раковину в ванной комнате, кто-то любимую кружку, кто-то тонкий фарфор и керамический «Буран» в струях плазмы. На самом деле космический корабль был покрыт плиткой из легкого материала, по структуре, похожего на мелкий, воздушный … засохший зефир. Делались плитки из взбитых, практически вспененных, кварцевых волокон.
Итак, поговорим о компопозитах.
Железобетон - первый «осмысленный» композитный материал. 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.
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».
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.
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.
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.
