Композиты: что общего у Boeing и зубных протезов

Эпоксидка и соломенный кирпич

Композит состоит из нескольких компонентов, но ведь его получают не просто путём смешивания разных веществ, а как-то иначе?

Анатолий Гайданский: Да, технология совсем другая. Большинство полимерных композиционных материалов состоит из двух компонентов: связующей основы (матрицы) и армирующего наполнителя. Последний чаще всего представляет собой ткань или ленту из угля, стекла, керамики или базальта, реже - из чего-то другого.

Армирующий наполнитель укладывают в несколько слоёв и пропитывают связующей основой, например фенольной, кремнийорганической или какой-то другой смолой. И ещё популярна эпоксидная смола, которая под действием отвердителей может образовывать сшитые полимеры. В Советском Союзе любой школьник мог купить так называемую эпоксидку. Ею покрывали собранные вручную модели кораблей и самолётов, чтобы сделать их ещё более похожими на реальные. Затем изделие нагревают в печи и получают конструкцию - лёгкую, но очень прочную.

Почему композиты называют новыми материалами, ведь их создавали и использовали в советское время, да даже в древности...

Анатолий Гайданский: Сам метод получения материалов через комбинацию армирующего и связующего компонентов очень старый. Первые кирпичи, а это было тысячи лет назад, делали прокладывая глину слоями соломы и запекая потом эту смесь на солнце. Более поздние и хорошо известные всем композиты - это железобетон и древесно-стружечная плита, в которых жёсткая арматура или опилки заливаются бетоном или клеем соответственно. Но расцвет композиционных материалов всё же приходится на вторую половину XX века, когда произошёл общий технологический скачок и появились новые материалы для пропитки - те же искусственные смолы.

Слышала, что во время Второй мировой войны в СССР, когда алюминий был в жутком дефиците, самолёты делали из какой-то композиционной древесины.

Анатолий Гайданский: Было такое. В 1940 году изобрели дельта-древесину - берёзовый шпон, пропитанный фенолформальдегидной смолой. В авиации нужны были лёгкие и прочные материалы, которые могли заменить алюминий. Самолёты становились быстрее, манёвреннее. Этот новый материал был практически негорюч, обладал высокой прочностью и износостойкостью, что очень важно. Но, увы, его легко пробивали пули… Вообще авиапром и по сей день та область, где композиционные материалы наиболее востребованы.

Как сейчас обстоят дела в авиации?

Анатолий Гайданский: Современные углепластики позволяют создать крыло более совершенной аэродинамической формы, так называемое крыло большого удлинения, что невозможно при использовании алюминия. Благодаря этому повышается топливная эффективность самолёта.

И это не единственное преимущество. Например, силовые конструкции композитного крыла пассажирского самолёта МС-21, над которым работает наша компания, выполнены интегрально, то есть без дополнительного крепежа. Робот выкладывает заготовки элементов из углеродного наполнителя (углеродной ленты), они собираются друг с другом на специальной оснастке, помещаются в вакуумный мешок и далее пропитываются смолой в термоинфузионном центре. После отвержения при 180 °C мы получаем единую конструкцию длиной 18 метров. А у алюминиевого самолёта крыльевая панель состоит из отдельных частей, которые изготавливаются и крепятся друг к другу огромным количеством болтов. Это сложнее и дольше, а также ведёт к увеличению веса. Кстати, отсутствие болтов - причина, по которой композиты очень широко используются при создании военных самолётов.

Это помогает им быть невидимыми для радаров?

Анатолий Гайданский: Я бы сказал, менее видимыми. Если на воздушном судне стоят болты-заклёпки, они создают дополнительное отражение. Такой самолёт радару легче засечь.

Ракеты, поезда и зубные имплантаты

Можно ли сказать, что будущее авиастроения за композитами?

Анатолий Гайданский: Конечно! Правда, пока мы не можем взять всё от этих материалов, потому что нормы лётной годности деталей написаны исходя из характеристик алюминиевого самолёта, и многие требования просто неприменимы к композитным деталям. Со временем накопиться достаточно знаний по эксплуатации воздушного транспорта из новых материалов, и технические правила будут изменены. А пока мы доказываем безопасность композитных частей самолёта, проводя, так сказать, краш-тесты - ломая тысячи новых образцов самыми разными способами, порой даже экзотическими. Например, метают в композитное крыло мёртвых птиц, имитируя ситуацию, которая может реально возникнуть при взлёте или посадке.

Каково сейчас соотношение алюминиевых и композитных деталей в самолётах?

Анатолий Гайданский: Оно очень разнится. Boeing 787 Dreamliner почти весь состоит из композитов: крыло, хвостовое оперение, части фюзеляжа. На самолётах Airbus A320 или Boeing 747 деталей из углепластика не больше 20-25%. В новом пассажирском самолёте МС-21, головным разработчиком которого является ПАО "Корпорация "Иркут”", доля композитных конструкций составляет 40%.

В морском и речном судостроении углепластик тоже используют?

Анатолий Гайданский: Он для этого слишком дорогой. К деталям кораблей ведь нет таких сверхвысоких требований, как к авиационным, поэтому там используется более дешёвый стеклопластик. Исключения могут составлять спортивные катера. Положительных свойств, важных именно для кораблей, у стеклопластика масса: он довольно лёгкий, очень прочный, не подвержен коррозии, плохо проводит тепло, и, конечно, из него тоже создают цельные корпусные конструкции, что очень важно в судостроении. Также стеклопластик позволяет изготавливать детали сложных геометрических форм. Это не очень актуально для крейсеров или авианосцев, но важно для быстрых и манёвренных фрегатов.

Как насчёт применения в других видах транспорта, помимо воздушного и водного?

Анатолий Гайданский: Композиты используют при производстве скоростных поездов. В автомобилестроении такие материалы применяют в основном в гоночных моделях и автомобилях люксовых брендов. Ну, а если можно назвать транспортом ракеты, то космическая отрасль, конечно, широко применяет композиционные материалы.

Кроме транспорта где они популярны?

Анатолий Гайданский: В альтернативной энергетике: все лопасти ветряков сделаны из композитов, изготавливать эти детали из металла значительно сложнее. В строительстве используют самые разные композиты: стеклопластик, железобетон, углепластик.

Ещё в медицине: протезы, ортезы, пломбы… Много говорят о биоактивных имплантатах из композиционных материалов.

Анатолий Гайданский: Вот представьте, что у вас, не дай бог, случилась проблема с зубом, и вы пошли к стоматологу. Скорее всего, он поставит вам титановый имплантат, а не композитный. Эта область очень молодая. Но я уверен, что со временем огромное количество решений в медицине будет создаваться с использованием композитов.

Гибриды и сверхпроводники

В какую сторону движется развитие композитных материалов?

Анатолий Гайданский: В сторону постепенного улучшения характеристик композитов. К примеру, в авиастроении они имеют невысокую стойкость к удару. Если стукнуть молотком по металлической поверхности, на ней просто останется вмятина. А в композите от удара той же силы могут появиться микротрещины. Причём снаружи их не будет видно - это называется внутренней деламинацией. Если вовремя не обнаружить её в самолёте, может произойти катастрофа. Ещё композитные детали не любят, когда их сверлят.

Однако эти недостатки нивелируются в композитах с добавлением наноструктур. Пока они показывают улучшение свойств лишь на 10-15% при очень высокой стоимости производства. Но это перспективное направление.

Ещё вроде бы есть гибридные конструкции из металла и композита?

Анатолий Гайданский: Да, гибриды действительно лучше переносят ударные и разнонаправленные нагрузки. У композита и металла разные коэффициенты температурного расширения: эти два материала при одинаковых температурах ведут себя по-разному, и гибридная конструкция может разрушиться ещё на этапе производства. Но уже появляются и первые пути решения этой проблемы.

Вы описали поступательное развитие, а может ли в этой области случиться революция?

Анатолий Гайданский: Здесь мяч на стороне исследователей, занимающихся фундаментальной наукой. Настоящий технологический прорыв случится, если учёные создадут сверхпроводящие композиты, которые будут работать при температуре окружающей среды. Пока для сверхпроводников нужны очень низкие температуры. Если такие материалы появятся, можно будет заменить старые линии электропередачи, где огромное количество энергии превращается в тепло и теряется по пути, а это в корне изменит энергетику.

У вас или у вашей компании есть мечта - прорыв, который  вы хотели бы совершить?

Анатолий Гайданский: Я бы очень хотел печатать детали из композитов на ЗD-принтере. Не выкладывать их слой за слоем, как сейчас, а смешивать ингредиенты и моментально создавать нужные конструкции. Это бы позволило делать сверхсложные формы быстрее и дешевле. Даже не могу себе представить, как можно этого достичь, но было бы прекрасно.

Справка

Анатолий Гайданский окончил МГТУ им. Н.Э. Баумана по специальности "робототехнические системы и комплексы". В должности генерального директора ОАО "Рязанский завод по производству и обработке цветных металлов" организовал строительство и запуск нового корпуса завода мощностью 40 тыс. тонн свинцовых сплавов в год. Руководит компанией "АэроКомпозит" с момента её основания.