Композитные материалы: области применения и перспективы

Композитные материалы представляют собой инновационные многокомпонентные вещества, созданные из двух или более компонентов с различными физическими и химическими характеристиками. Сочетание разнородных элементов позволяет получить материал с уникальными свойствами, превосходящими параметры исходных составляющих. Композиционный материал состоит из матрицы и наполнителя, которые сохраняют четкую границу между собой на микроуровне. В отличие от сплавов, где компоненты растворяются друг в друге на атомном уровне, в композитах каждый элемент сохраняет свою структуру и свойства. Это позволяет создавать материалы с заданными параметрами для конкретных задач.

Матрица выполняет функцию связующего элемента, придает форму изделию и распределяет нагрузки между армирующими компонентами. Матрица может быть полимерной, металлической, керамической или углеродной. Она защищает наполнитель от внешних воздействий, обеспечивает передачу нагрузок и определяет технологические свойства материала. Полимерные матрицы отличаются низкой плотностью и хорошими изоляционными характеристиками.

Наполнитель выступает армирующим элементом и может представлять собой волокна, частицы, листы или нитевидные кристаллы. Стеклянные и углеродные волокна обладают высокой прочностью при растяжении. Керамические частицы придают жаростойкость и твердость.

Композиционные материалы классифицируются по нескольким признакам: типу матрицы, виду наполнителя, структуре армирования и назначению. По способу расположения армирующих элементов выделяют волокнистые, слоистые и дисперсно-упрочненные композиты. Волокнистые материалы армированы непрерывными или короткими волокнами, ориентированными в одном или нескольких направлениях. Слоистые композиты состоят из чередующихся слоев матрицы и наполнителя.

Композиты 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.

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.

Основные типы композитных материалов

Полимерные композиты составляют наиболее обширную группу композиционных материалов. В качестве матрицы используются термореактивные смолы или термопластичные полимеры. Термореактивные матрицы обладают высокой прочностью, теплостойкостью и химической стойкостью.

Рассмотрим некоторые из них:

Стеклопластики

Стеклопластики представляют собой композиты на основе полимерной матрицы и стеклянных волокон. Содержание стекловолокна достигает восьмидесяти процентов по объему. Материал сочетает прозрачность и химическую инертность стекла с гибкостью и легкостью пластика. Стеклопластики устойчивы к коррозии, обладают низкой теплопроводностью и хорошими диэлектрическими свойствами.

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.

Углепластики

Углепластики армированы углеродными волокнами, которые получают термической обработкой органических волокон при температурах от одной до трех тысяч градусов Цельсия. Углеродные волокна содержат не менее девяноста двух процентов углерода, а высокомодульные графитовые волокна - свыше девяноста девяти процентов. Они обладают исключительной прочностью при малой плотности. По удельным характеристикам (отношение прочности к весу) углепластики существенно превосходят высокопрочные стали, будучи при этом легче на сорок процентов. Они имеют практически нулевой коэффициент температурного расширения и высокий модуль упругости.

Из углепластиков изготавливают корпуса гоночных автомобилей, велосипедные рамы, элементы самолетов и космических аппаратов.

Боропластики

Боропластики содержат борные волокна, которые обладают наивысшей прочностью при сжатии среди всех волокнистых материалов. Они устойчивы к химическим воздействиям и высоким температурам, но отличаются хрупкостью и высокой ценой.

Органопластики

Органопластики армированы органическими волокнами, такими как кевлар. Органопластики с органическими волокнами естественного и искусственного происхождения легче, чем стекло- и углепластики. Отличаются высокой прочностью на удар, но низкой - на растяжение/изгиб.

Текстолиты

Текстолиты изготавливаются 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

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.

Металлические композиты

Металлические композиты созданы на основе металлической матрицы, армированной волокнами, частицами или проволокой. Они сочетают пластичность и теплопроводность металлов с высокой прочностью и жаростойкостью армирующих элементов. Алюминиевые сплавы, армированные борными или углеродными волокнами, работают при температурах до пятисот градусов Цельсия вместо стандартных трехсот градусов. Такие материалы применяются в авиационных двигателях, космических конструкциях и спортивном оборудовании.

Никелевые сплавы, упрочненные дисперсными частицами оксида тория или оксида иттрия размером в доли микрометра, сохраняют прочность при температурах выше тысячи градусов Цельсия. Дополнительное легирование гафнием, цирконием и другими элементами улучшает адгезию защитного оксидного слоя. Такие материалы используются в лопатках газовых турбин и высокотемпературных узлах реактивных двигателей.

Металлокомпозиты изготавливают на основе многих цветных металлов, например, меди, алюминия, никеля. Для наполнения берутся волокна, устойчивые к высоким температурам, не растворяющиеся в основе. Чаще всего используются металлические волокна или монокристаллы из оксидов, нитридов, керамики, карбидов, боридов.

Керамические композиты

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.

Применение композитных материалов в различных отраслях

Композиционные материалы находят применение во множестве отраслей благодаря уникальному сочетанию свойств.

• Авиационно-космическая техника: композиты применяются для изготовления обшивки фюзеляжа, крыльев, хвостового оперения, лопастей винтов. Современные пассажирские самолеты содержат до пятидесяти процентов композитных материалов по весу конструкции. Углепластики используются в корпусах ракет, баках для топлива, элементах космических станций.
• Автомобильная промышленность: композиты используются для кузовных панелей, бамперов, интерьерных деталей, приводных валов. Гоночные автомобили изготавливаются практически полностью из углепластиков.
• Судостроение: стеклопластики применяются в производстве корпусов лодок, катеров, яхт.
• Строительная отрасль: композиты используются для несущих конструкций, фасадных панелей, кровельных материалов, оконных профилей. Композитная арматура применяется при армировании бетона вместо стальной благодаря коррозионной стойкости и меньшему весу.
• Медицина: медицинские композиты применяются в протезировании, имплантологии, стоматологии. Светоотверждаемые композиты используются для пломбирования зубов и эстетической реставрации. Биосовместимые композиты служат материалом для искусственных суставов, костных имплантов, элементов сердечно-сосудистых протезов.
• Спортивный инвентарь: ракетки для тенниса и бадминтона, клюшки для хоккея и гольфа, лыжи, сноуборды, велосипедные рамы изготавливаются из углепластиков и стеклопластиков.

Преимущества и недостатки композитных материалов

Композиционные материалы обладают рядом существенных преимуществ перед традиционными конструкционными материалами:

• Возможность проектирования материала и конструкции одновременно позволяет оптимизировать свойства для конкретной задачи.
• Композиты демонстрируют отличную коррозионную стойкость и не требуют защитных покрытий.
• Низкая теплопроводность полимерных композитов обеспечивает естественную теплоизоляцию.

Главным недостатком композитов является высокая стоимость производства, связанная со сложными технологическими процессами и дорогим сырьем. Некоторые композиты, особенно ранних поколений, способны впитывать влагу, что требует дополнительной защиты. Низкая ремонтопригодность композитных изделий создает проблемы при эксплуатации. Многие композиты не подлежат восстановлению после повреждений и требуют полной замены.

Российский рынок композитных материалов

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.

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.

Перспективы развития

Основные направления развития включают создание нанокомпозитов с уникальными свойствами, биокомпозитов из возобновляемого сырья, самовосстанавливающихся материалов. Совершенствуются технологии автоматизированного производства, снижающие стоимость композитов.

Композиционные материалы представляют собой технологический прорыв, объединяющий лучшие свойства различных веществ в единую структуру. Снижение веса конструкций при сохранении прочности, коррозионная стойкость, возможность формования сложных форм делают композиты незаменимыми в авиации, автомобилестроении, строительстве. Будущее принадлежит умным композитам, способным адаптироваться к условиям эксплуатации, самовосстанавливаться после повреждений, менять свойства по сигналу.

Таблица: Сравнение характеристик композитных материалов

Материал	Матрица	Наполнитель	Преимущества	Недостатки	Применение
Стеклопластик	Полимер	Стеклянные волокна	Прозрачность, химическая инертность, гибкость	Относительно низкая прочность	Корпуса лодок, купели, строительные панели
Углепластик	Полимер	Углеродные волокна	Высокая прочность, малая плотность	Высокая стоимость	Корпуса автомобилей, элементы самолетов, спортивный инвентарь
Металлокомпозит	Металл (Al, Ni)	Волокна (B, C), частицы (ThO2, Y2O3)	Пластичность, теплопроводность, высокая прочность при высоких температурах	Сложность производства	Авиационные двигатели, космические конструкции

Производство композитных материалов: технологии и инновации

Отказ от ответственности: Данная статья носит исключительно информационный и образовательный характер. Информация представлена для общего ознакомления с композиционными материалами и не является профессиональной технической консультацией. Автор не несет ответственности за любые решения, принятые на основе информации из данной статьи.