Композитные материалы — очередной этап прогресса человечества. Приглашение к познанию

Рубрика: Материалы и технологии
327

Все, что нас окружает, все, что создано природой и человеком, сделано из какого-либоматериала, потому у нас особое отношение к материалам. С одной стороны, наши желания и потребности могут быть реализованы лишь из имеющихся в наличии материалов, а поэтому их не всегда получается реализовать, с другой — появление новых материалов служит стимулом к изготовлению каких-то новых конструкций, которые раньше были невозможны. История человечества свидетельствует о том, что фундаментальные успехи его развития связаны с освоением и применением новых материалов (каменный век, бронзовый век, железный век).

 

Концентрированное во времени применение разных материалов наиболее наглядно прослеживается на примере авиации. В течение одного столетия прошли все этапы — от дерева и ткани до современных высокопрочных титановых и алюминиевых сплавов и далее до композиционных и керамических материалов. Для иллюстрации роли материалов в развитии техники приведу такой пример. Во второй половине XX в. в США приняли на вооружение стратегическую баллистическую ракету с тремя разделяющимися боеголовками, каждая из которых летела к цели самостоятельно. У СССР в то время ракеты соответствующей грузоподъемности не было, и задача адекватного ответа встала очень остро. Решение было найдено в результате замены металла на стеклопластик. Изготовление методом намотки корпуса ракеты позволило снизить массу на 4 тонны и, как следствие, установить не три, а шесть разделяющихся боеголовок.

 

Началом применения композитных материалов, а точнее, стеклопластиков, (термина «композиционные материалы» в то время еще не существовало) считаются сороковые годы прошлого столетия, когда в США из стеклопластика изготавливались кожухи для антенн и радаров. Но наибольшее применение композиты нашли в авиации и ракетостроении. Легкие самолеты и планеры в 50-х — 60-х гг. XX ст. и современные самолеты Boeing и Airbus, которые на 50 % и более состоят из композитов, а это десятки тонн на каждый самолет. Эффективность композитов и необходимость их применения обусловлены тем, что стоимость эксплуатации 1 кг лишней массы самолета составляет 500–800 долларов США в год на одну машину, а стоимость вывода на орбиту 1 кг полезной нагрузки колеблется в пределах 10–100 тыс. долларов. Можно себе представить напряженность и темпы разработки новых материалов и технологий их переработки в изделия!

 

В современном инженерном понимании композиционные материалы или просто композиты — это объемное сочетание двух и более разнородных материалов с четкой границей раздела фаз и гарантированным (не допускающим взаимного проскальзывания) соединением компонентов. Композиты характеризуются свойствами, которыми при заданных условиях испытаний не обладает ни один из составляющих элементов. К этим признакам иногда добавляют, что в природе композитов не существует, они — чистое изобретение человека.

 

В общем, подавляющее количество композитов состоит из волокон (или тканых, или трикотажных полуфабрикатов на основе нитей, состоящих из тысяч элементарных волокон диаметром 3–10 микрометров) и матрицы, которая обеспечивает монолитность материала. Волокна для композитов изготавливают из стекла (в том числе аналогов оконного), бора, углерода (графита), пластмасс и керамики. Материал арматуры дает название композита — стеклопластик, боропластик, углепластик и т. д. В качестве матричного (связующего) материала используются различные термореактивные и термопластичные полимеры, металлы, керамика и углерод. В настоящее время номенклатура и армирующих, и связующих материалов практически неисчислима, что позволяет синтезировать материалы с любыми потребительскими свойствами. Справедливости ради следует отметить, что композиты — это достаточно дорогие материалы. Например, современный углепластик для авиации стоит 50–100 долларов США за 1 кг, что в десятки раз дороже металлов. Основным стимулом снижения стоимости композитов, как ни странно, стала не авиация, а внедрение этих материалов в производство товаров широкого потребления — теннисных ракеток, удочек, спортивного инвентаря, велосипедов, автомобилей, малых судов и т. д.

 

Принципиальное отличие композиционных материалов от других состоит в том, что материал, а значит, и его свойства, получаются одновременно с конструкцией. На производство поступают рулоны с тканью, бабины с нитью и блоки со связующими их компонентами. Пропитка арматуры связующим происходит непосредственно на технологической форме или незадолго до этого, а формирование материала (отвердение связующего) осуществляется одновременно с деталью, после чего остается соответствующим образом обработать (обрезать) кромки, и изделие готово.

 

Продолжение статьи читайте в майском номере журнала "Наука и техника" за 2019 год.  Доступна как печатная, так и электронная версии журнала. Оформить подписку на журнал можно здесь.

 

На нашем сайте вы можете приобрести уникальные монографии-фотоальбомы Анатолия Верстюка, посвященные эскадренным миноносцам. В магазине на сайте также можно купить магнитыкалендарипостеры с авиацией, кораблями, сухопутной техникой.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.