Композитные материалы: области применения и перспективы
Композитный, или композиционный, материал представляет собой комбинацию нескольких компонентов, которые отличаются друг от друга определенными физическими, химическими, технологическими и механическими свойствами. В результате такого сочетания появляется материал с совершенно новыми характеристиками, которые не похожи на свойства его составляющих. Композиционные материалы получили широкое применение благодаря своим особым свойствам и отличным эксплуатационным характеристикам. На основе композитов разработано большое количество материалов и конструкций, которые широко применяются как в тяжелой, так и в легкой промышленности.
Какие характеристики композита делают его настолько востребованным? Первые композитные материалы люди начали использовать более 5 тысяч лет назад. Именно тогда жители Месопотамии придумали складывать несколько деревянных листов один на один под разным углом и скреплять их простым аналогом современного клея. Около 2 тысяч лет назад древние римляне стали использовать вещество, изготовленное из известняка и вулканического пепла. Получившийся в результате такой комбинации бетон придавал сооружениям устойчивость и не допускал деформации конструкций. С тех пор технический прогресс значительно ускорился, люди придумали гораздо более совершенные композиты, которые находят применение в самых разных отраслях промышленности и помогают значительно улучшить бытовые условия. Изначально современные, высокотехнологичные композиты разрабатывали, чтобы применять в военных целях. Но прошло совсем немного времени - и материалы вошли в сферу широкого потребления и прочно укрепились в ней.
В чем отличие композитных материалов от сплавов? Первые обладают гораздо более высокими показателями упругости, жесткости, выносливости. За счет использования наполнителя повышается устойчивость к образованию и распространению трещин.
Композитные материалы привлекательны тем, что не подвержены коррозии, магнитоинертны и не теряют своих свойств при сверхнизких температурах. Материалы можно использовать как в аэрокосмической отрасли, так и в производстве потребительских товаров. Российский рынок составляет ~1% от мирового (~100 млрд рублей по итогам 2022 года), но наблюдается постоянный рост не менее 5% в год. Удельное потребление композитов на душу населения в развитых экономиках сегодня составляет 4-10 кг/чел.
Сегодня композитный дивизион занят разработкой, внедрением и квалификацией линейки углеродных волокон на производствах в Татарстане и Саратовской области на собственном ПАН-прекурсоре для замещения импортных прекурсоров в авиации, ракетостроении, атомной промышленности. В Челябинске увеличивается объем производства уникальных высокомодульных углеродных волокон, причем так же на основе углеродных волокон из отечественного ПАН-прекурсора. В активной стадии проработка проекта по рециклингу композиционных материалов. Созданные дивизионом производственные мощности углеродного волокна и активное развитие собственных технологий сделали возможным полное замещение зарубежной продукции - стратегические отрасли обеспечены на 90% передовыми отечественными волокнами. Также в конце 2022 года композитный дивизион приобрел завод по производству стекловолокна и стеклотканей во Владимирской области, что увеличило его присутствие на рынке композитных материалов. На сегодняшний день предприятие выпускает около 55 тыс.
По итогам 2023 года наибольшим спросом среди номенклатуры дивизиона пользовались углеродное волокно и препреги собственного производства. Наибольший рост показывает рынок авиации: объем поставок углеродного волокна для нужд российской авиации по сравнению с 2022 годом увеличился вдвое. В рамках проекта по продвижению композитных материалов в строительстве формируется контур производственных площадок, которые расширят применение готовых изделий из композитов. Дивизион производит металлокомпозитные баллоны для хранения и транспортировки сжатых газов, обладающих высокой степенью надежности, которые установлены на современных городских автобусах, на коммунальной технике, магистральных тягачах, работающих на экологичном и экономичном топливе - метане. Кроме того, в январе 2024 года был представлен металлокомпозитный баллон давлением до 700 атмосфер для водородного автотранспорта.
Дивизион сыграл большую роль в успехе реализации проекта российского среднемагистрального самолета МС-21. Например, одним из наиболее значимых новых продуктов в современной авиационной отрасли является биндерная лента. Сейчас этот материал изготавливается из отечественного углеродного волокна и используется для автоматической выкладки крыла МС-21. Другим новым перспективным направлением являются негорючие препреги, разработку которых ведет проектно-производственная площадка дивизиона в Москве. В рамках Восточного Экономического форума в 2022 году было подписано соглашение о сотрудничестве между композитным дивизионом, Корпорацией развития Дальнего Востока и Арктики, правительством Сахалинской области и государственной корпорацией развития «ВЭБ.РФ». На сегодняшний день зарегистрирована проектная компания на Сахалине, получено инвестиционное решение Госкорпорации «Росатом». В конце августа 2023 года получено положительное решение кредитного комитета «ВЭБ.РФ». Приобретение доли в компании «ЗаряД» - крупнейшей в России производственной площадки, на которой выпускаются хоккейные клюшки одноименного бренда, - позволило наладить производство клюшек из отечественного углеволокна производства дивизиона.
На конец 2024 года запланировано открытие производства композитных ветролопастей в Ульяновске, где будут изготавливаться изделия весом более 7,5 т и длиной порядка 50 м. Масштаб производства обеспечит регион 400 новыми рабочими местами и позволит расширить линейку композитных изделий дивизиона. Производственные мощности цеха рассчитаны на изготовление 450 лопастей в год.
Области применения композитных материалов
Как известно, область применения композитов и композитных панелей очень велика: их используют и в машиностроении, и при создании спортивного инвентаря, и даже в авиастроении. Изначально композиционные материалы использовались лишь для военных целей. Но и по сей день из них изготавливаются бронежилеты, каски и броня для солдат и техники. Сегодня композиты активно используют в строительной отрасли, дизайне помещений, химической промышленности, при изготовлении автомобилей, судов, авиационных объектов и в других отраслях. В бытовых условиях мы часто сталкиваемся с предметами, даже не подозревая, что они изготовлены из композитных материалов. Спектр применения композитов в повседневном окружении современного человека настолько велик, что одно только перечисление групп потребительских товаров займет не одну страницу.
Автомобилестроение
Одна из самых значимых областей применения композитных материалов - это автомобилестроение. Из них получаются крепкие корпуса для автомобилей, троллейбусов и трамваев, а также топливные баки, кабины для водителей грузовиков и различные детали для внутреннего интерьера автомобильного и городского транспорта.Как правило, в автомобилестроении используются композиты из базальтовых волокон и углеволокна. Композитные материалы в тюнинге применяются повсеместно и, в известном смысле, определяют развитие этой творческой отрасли.
Авиастроение и ракетно-космическая техника
В авиастроении и ракетно-космической технике от материалов для изготовления корпусов и внутренних деталей требуется особая стойкость к колебаниям температуры и вибрации и относительная легкость. Большинство из композитных полимеров выигрывают сравнение с традиционными для ракетостроения титановыми и алюминиевыми сплавами. Например, одним из наиболее значимых новых продуктов в современной авиационной отрасли является биндерная лента. Сейчас этот материал изготавливается из отечественного углеродного волокна и используется для автоматической выкладки крыла МС-21.
Судостроение
Нашлось широкое применение и в судостроении. Здесь главная особенность композитов - это легкость и прочность. Именно поэтому из них изготавливаются корпуса различных судов. Также из композитных материалов делаются спасательные шлюпки для грузовых суден, перевозящих нефть. При аварии такие шлюпки могут вывести людей из опасной зоны, и, таким образом, трагедия будет предотвращена. Применение композитных материалов позволяет эффективно решать основные задачи отрасли - например, проблему защиты судов от коррозии и агрессивных внешних воздействий.
Сельское хозяйство
В сельском хозяйстве композиционные материалы используются благодаря их стойкости к коррозии. Здесь также композиты используются для изготовления корпусов тракторов и других сельскохозяйственных машин.
Мостостроение
Особое внимание стоит уделить мостостроению. В этой сфере композиты стали применяться относительно недавно. Такие материалы прекрасно подходят для этой области ввиду их прочности и водостойкости. Так, например, в Дании уже существует мост, созданный из композиционных материалов для железнодорожного транспорта. На создание этого сооружения потребовалось совсем немного времени - всего 16 часов!
Строительство
Благодаря таким своим свойствам как прочность, легкость, долговечность, неподверженность коррозии, пожаростойкость, композитные материалы широко применяются в строительстве как в качестве конструкционных, так и отделочных материалов. Композитные материалы становятся все более востребованными в современном строительстве. В данной статье мы подробно рассмотрим основные виды композитных материалов, применяемых в строительной отрасли, их свойства и преимущества, а также наиболее успешные примеры использования композитов в возведении современных зданий и сооружений. Композитные материалы представляют собой комбинацию двух или более компонентов с существенно отличающимися свойствами. Основу композита составляет матрица - связующее вещество, например полимер. Полимерно-волокнистые композиты на основе стекловолокна, базальтоволокна, углеродного волокна. Композитная арматура для железобетонных конструкций. Благодаря уникальному сочетанию прочности, легкости, долговечности и низкой стоимости композиты находят все более широкое применение в современном строительстве. Возведение несущих строительных конструкций. Композитные материалы применяются для изготовления балок, колонн, ферм и других несущих элементов зданий. Усиление и восстановление строительных конструкций. Армирование бетонных конструкций. Композитная арматура эффективно заменяет стальную в изделиях из бетона - фундаментах, перекрытиях, колоннах. Возведение мостов, эстакад, путепроводов. Одним из наиболее инновационных направлений применения композитов в строительной отрасли является технология 3D-печати конструкций. С помощью 3D-печати уже возводятся целые жилые комплексы, офисные и промышленные здания в различных странах мира. Композитную арматуру с успехом используют при возведении высотных зданий, мостов, причалов и других ответственных инфраструктурных объектов по всему миру.
Примеры объектов:
- Несущие конструкции. Объект: Лахта Центр, Санкт-Петербург.
- Усиление конструкций. Объект: Крымский мост, Керченский пролив.
- Транспортное строительство. Объект: Вантовый пешеходный мост через залив во Владивостоке.
Как видно из таблицы, композитные материалы обладают оптимальным набором характеристик по сравнению с традиционными материалами: высочайшей прочностью и долговечностью, коррозионной стойкостью и технологичностью.
Другие отрасли
Широкое распространение в нефтяной промышленности получили углеродосодержащие композиты, поскольку они обладают повышенными функциональными и эксплуатационными свойствами. Применение композитов в спорте позволяет не только совершенствовать инвентарь и улучшать характеристики экипировки, но является, по существу, основным способом «поднятия планки» для возможностей и рекордов человека. Также следует отметить важную роль современных композитных материалов в ветроэнергетике, где они используются для изготовления лопастей ветрогенераторов. Ведутся активные исследования в области нанокомпозитов, которые, благодаря своему составу, будут иметь как абсолютно новые свойства, так и качества, присущие обычным композитам, но увеличенные в несколько раз.
Виды композитных материалов и их применение в быту
Именно из стеклопластика изготавливают вкладыши в композитные купели. Чаша купели получается максимально прочной, устойчивой к появлению трещин. Вкладыш выдерживает нагревание до 60 °С и при этом не выделяет вредных веществ. Стеклопластик также используют при строительстве и оформлении жилых зданий: для создания дверных профилей, рам стеклопакетов, кровельных покрытий, навесов, панелей для возведения стен. Из-за гибкости и сравнительно небольшого веса такие изделия легко монтировать.
Очень прочный: этот показатель у многих разновидностей углепластика часто превышает аналогичный для стали! В его состав входят синтетические смолы, гидроксид алюминия, минеральные компоненты и пигменты. Акриловый камень активно используют в строительстве и дизайне, создавая элементы для оформления помещений и наружной отделки. Материал высоко ценят за такие качества, как прочность, устойчивость к влажности, отсутствие пористости. Пигменты позволяют получить материалы широкой цветовой гаммы, что существенно увеличивает возможности их применения. Изделия из акрилового камня легко впишутся в интерьер любого пространства. Они не требуют особого ухода - достаточно очистки обычными моющими средствами. Выполненные из такого камня предметы интерьера не боятся ударов и трещин.
Эти материалы включают древесную стружку и пластиковый компонент. Дерево может измельчаться вплоть до состояния пыли, после чего его смешивают с полимером, размягченным методом плавления. Получившаяся в результате древесная доска служит основой для производства мебели, создания особо прочного покрытия на веранде или террасе. Если при создании композитного материала с древесиной в составе используют не синтетический пластик, а натуральные смолы, в результате такой комбинации получают МДФ.
В таких композитах матрицей выступает металл (алюминий, медь, никель), а наполнителем - волокна высокой прочности или тугоплавкие частицы (бориды, карбиды). Композиты с металлической матрицей характеризуются жесткостью, устойчивостью к окислению и износу. При этом изделия из них весят меньше цельнометаллических аналогов. Хотя такие материалы наиболее востребованы в авиационной и аэрокосмической отраслях, применение им находят и в более привычных бытовых условиях.
Органопластики с органическими волокнами естественного и искусственного происхождения. Легче, чем стекло- и углепластики. Отличаются высокой прочностью на удар, но низкой - на растяжение/изгиб. Текстолиты, изготовленные из матрицы из полимера и тканей различной природы в качестве наполнителя. Некоторые текстолиты изготавливаются с матрицей из неорганических веществ (силикатов, фосфатов). Свойства материалов очень разнообразны, зависят от вида волокон ткани. Полимеры с порошковым заполнением (полиэтилены, полипропилены, смолы с различными наполнителями, например, тальком, крахмалом, сажей, карбонатом кальция и пр.) - разработано уже более 10 тыс. видов пластиков этого типа.
Керамические композиты изготавливают методом спекания под давлением исходной керамической массы с добавлением волокон или частиц. В качестве наполнителей чаще всего применяются металлические волокна - получаются керметы. Керметы используются для производства износоустойчивых и термостойких деталей, например, газовых турбин, электропечей.
С каждым днем композиционные материалы находят все большее применение - как в производстве технически сложной продукции, так и при создании изделий, которыми мы пользуемся в быту. Надежность, долговечность и экологичность обеспечивают разным видам композитов высокую востребованность.