Знание-сила, 2008 № 12 (978)

Тоньше волоса, крепче стали

Это волокно в десять раз тоньше человеческого волоса и в пять раз прочнее, чем сталь. Изготовленный на его основе вид пластмассы, углепластик, — это легкий, жаростойкий, нержавеющий материал. Он сочетает в себе свойства, о которых инженеры могут только мечтать. Недаром его используют в космической промышленности и авиастроении.

Сейчас этот необычный материал входит в наш повседневный быт. Но каковы перспективы отечественных производителей?

«Никогда не изобретай то, на что нет спроса»

Т.А.Эдисон

Похоже, этот материал вскоре будет встречаться всюду — в космических аппаратах и машинах «Формулы-1», в теннисных ракетках, музыкальных инструментах и конструкциях мостов. Он незаменим там, где требуются два качества: легкость и прочность. Два качества, которые всегда было так трудно совместить. В истории техники ведь столетиями считалось чем-то вроде аксиомы: легкое значит слабое, хрупкое; прочное — читай громоздкое, массивное. Здесь же — «застывший воздух», но крепче, чем сталь. Что же это за чудо-материал, которому нельзя не найти применение везде?

А ведь его время только началось. Углеволокно было изобретено сравнительно недавно. Хотя слово «изобретено» не совсем точно. В этой истории не было своего мастера, придумавшего в одночасье новый материал. Нет, здесь даже Эдисон оказался на вторых ролях. Ведь широкому внедрению углеродного волокна предшествовала череда новшеств. Материал рождался постепенно.

Итак, без Эдисона все же не обошлось. Двадцать седьмого января 1880 года Томас Алва Эдисон получил патент США № 223898 на изобретение «Углеродное волокно, изготовленное из целлюлозы и предназначенное для электрических ламп накаливания». В то время нитями накаливания служили обыкновенные швейные нитки, покрытые углем; их приходилось менять через каких-то сорок часов работы. Пытаясь найти лучший вариант, Эдисон и его помощники перепробовали самые разные вещества и соединения (всего — 6000 наименований!), затратив на опыты свыше 100 тысяч долларов, и, наконец, выбрали бамбук — обугленные бамбуковые волокна. В том же году Эдисон начал выпуск своих безопасных лампочек, которые продавал по цене 2,5 доллара за штуку. Однако недостатками этого волокна были хрупкость и высокая пористость, да и стоило оно дорого, а потому Эдисон стал впоследствии изготавливать нити накаливания из вольфрама.

В 1889 году в США был запатентован новый метод получения углеродного волокна — пиролизом (термическим преобразованием) смеси метана и водорода в железном тигле (изобретатели — Т.Хьюджес и Ч.Чамберс).

Однако по-настоящему интерес к углеродному волокну пробудился лишь в середине ХХ века, когда начался поиск материалов, из которых можно было бы изготавливать ракетные двигатели. Углеродное волокно оказалось хорошим кандидатом на эту роль.

К тому времени был сделан ряд важных открытий в области органического синтеза. Так, еще в 1907 году Л.Бакеланд — бельгийский химик, в молодости переехавший в США, — получил патент на новый материал, удостоенный торгового наименования «бакелит». В наши дни он более известен под названием «фенолоформальдегидная смола», ведь изготавливают его путем конденсации формальдегида и фенола. Это был первый синтетический реактопласт, то есть пластик, не размягчающийся при высокой температуре. Многие его свойства оказались привлекательны для инженеров: материал легкий, прочный — вот только хрупкий, легко бьющийся. И все же несколько десятилетий, вплоть до первых послевоенных лет, из бакелита изготавливали самые разные бытовые предметы — от электрических выключателей до посуды.

Работы же по созданию новых материалов — новых пластмасс — продолжались. Уже в 1930-е годы пришли к нам такие полимеры, как полиэфир и эпоксидная смола. Они были уже не столь хрупкими, как бакелит. Тогда же появились и первые пластики, армированные (упрочненные) волокном.

В 1945 году американцы Дж. Лабин и У. Гринберг придумали метод формования искусственных волокон, что позволило придавать химволокну нужную прочность. В 1955 году английская компания Royal Aircraft Establishment добилась важного технологического прорыва — изготовила углеродное волокно с направленными кристаллическими структурами.

Наконец, в 1959 году компания National Carbon Company, входившая в состав крупного химического концерна Union Carbide Company, представила углеродную ткань, изготовленную из вискозы. С этого времени в США начинается промышленное производство углеродного волокна на основе вискозы. Первое волокно, появившееся на рынке, — Thornel 25 производства Union Carbid Company — стоило более 1000 фунтов стерлингов за килограмм.

Томас Алва Эдисон

Уже в последующее десятилетие спрос на углеродное волокно заметно возрос: ведь оно отличается идеальным набором свойств — весит вдвое меньше стекловолокна, не ржавеет, обладает высокой прочностью и теплостойкостью, гасит вибрации и к тому же не горит. В продольном направлении это волокно имеет отрицательный коэффициент теплового расширения. Это значит, что при нагревании оно становится толще и короче. По удельному значению механических свойств, то есть по отношению модуля упругости или прочности к плотности, оно превосходит все известные жаростойкие волокнистые материалы.

Примечательно, что в отсутствие кислорода прочность углеродного волокна практически не меняется даже при нагревании до 1600—2000 градусов Цельсия. Поэтому его используют прежде всего в качестве теплоизоляционного материала. Впрочем, на воздухе его температура эксплуатации не превышает 300 — 400°C. Для того чтобы избежать его окисления в среде, содержащей кислород, можно покрыть волокно тонким слоем карбида, например карбида кремния, или нитридом бора.

Углеродное волокно отличается также высокой химической стойкостью, оно выдерживает воздействие концентрированных кислот и щелочей, а потому пригодно, например, для фильтрации агрессивных веществ или очистки газов от дисперсных примесей. Оно устойчиво к действию света и проникающей радиации; его гигроскопичность невысока, хотя и поглощает водяные пары из атмосферы.

Изготавливают углеродное волокно, главным образом, из следующих органических материалов (так называемых прекурсов).

Целлюлоза (вискоза). Углеродное волокно, полученное из целлюлозы или вискозы, стоит дешево, но его структура далека от идеальной, а потому по своим качествам оно уступает другим разновидностям углеволокна. Так, его прочность и упругость сравнительно невысоки. То же касается его электрической и тепловой проводимости. Зато данный материал хорош для изготовления нитей накаливания, поскольку его электрическое сопротивление, наоборот, велико. Вообще же углеродное волокно, полученное из целлюлозы, обычно используют в качестве изоляционного материала, работающего при высокой температуре.

Эта лопасть судового винта выполнена из углеродного волокна

Полиакрилонитрил (ПАН). Большая часть углеродных волокон, применяемых в современной промышленности, изготовлена из полиакрилонитрила. Особенность этого типа волокон — высокая прочность на растяжение, вот только стоимость их тоже высока, что обусловлено стоимостью исходного материала. Впервые подобные волокна были получены на рубеже 1950 — 1960-х годов в СССР, а затем и в Японии.

Пек (смола). Годятся фенольные смолы, каменноугольные и нефтяные пеки, причем какой бы материал мы ни выбрали, он будет заметно дешевле, чем полиакрилонитрил. Однако затраты на его очистку и переработку так высоки, что стоимость полиакрилонитрилового углеродного волокна окажется, в конечном счете, ниже. К тому же углеродные волокна, полученные из пека, характеризуются низкой прочностью на разрыв и изгиб.

Обычно углеродное волокно получают термической обработкой исходных органических волокон. Их нагревают в азотной или аргоновой атмосфере до температуры порядка 800—1500 градусов Цельсия. Подобный процесс называют карбонизацией, ведь после такой обработки в материале остаются в основном атомы углерода. Содержание углерода в готовом волокне составляет 85 процентов и выше. Это приводит к существенному повышению прочности и жесткости материала.

При нагреве свыше 1800 градусов Цельсия происходит графитизация волокна. Его структура становится близка идеальной структуре графита, отличаясь лишь расстоянием между отдельными слоями углерода. Содержание углерода в волокне, прошедшем подобную обработку, достигает почти 99 процентов.

Готовое углеродное волокно — диаметр отдельных волокон равен примерно 5 — 8 микрометрам — выпускают в виде нитей, жгутов, лент, тканых и нетканых материалов. Все они отличаются высокими механическими характеристиками, а потому их используют в качестве упрочняющего наполнителя пластмассы. Связующим веществом в такой пластмассе — ее называют углепластиком — служит обычно эпоксидная, феноло-формальдегидная или полиэфирная смола.

Свойства углепластика можно заранее смоделировать. Любая деталь, изготовленная из этого материала, в какой-то мере уникальна. Важнейшее значение имеет расположение волокон. Ведь углепластик может быть как изотропным, так и анизотропным материалом, и его механические свойства зависят от того, как ориентированы отдельные волокна. У анизотропного материала, например, прочность вдоль волокон очень высока, зато в поперечном направлении мала. Так что конструкторы должны знать, каким нагрузкам будет подвергаться изделие и в каком направлении те будут действовать. А вот у изотропного материала отдельные волокна равномерно распределены во всех направлениях. Поэтому показатели его прочности в любом направлении примерно равны, и показатели эти невысоки. Так что, изотропный углепластик имеет малое промышленное значение.

Из углеволокна изготавливают сопла двигателей и наконечники ракет

Поначалу углеродное волокно применялось прежде всего в авиации и космонавтике, где была особенно высока потребность в материале, который не уступал бы по прочности стали, но был гораздо легче нее. Еще в 1976 году в США приняли программу по использованию углеродного волокна в авиастроении. Так, из него изготавливали отдельные детали самолетов «Боинг-727» и «Боинг-737». Постепенно сфера его применения расширялась, ведь это позволяло снизить вес самолета на 15 — 30 процентов и сократить расход топлива. Сейчас из углепластика выполнена, например, большая часть несущих поверхностей аэробуса А380 и фюзеляж «Боинга- 787». Эти самолеты примерно на 30 — 50 процентов по массе состоят именно из углепластика (для сравнения: в 1982 году в самолете «Боинг- 767» доля углепластика по массе составляла всего 3 процента). А ведь уменьшение веса аэробуса А380 всего на 1 килограмм приводит к экономии трех тонн горючего в год.

Легкость и прочность! Спрос на такое сочетание свойств очень высок. Не случайно углеродное волокно завоевало популярность и в автомобилестроении. Так, тормозные диски, изготовленные из него, оказываются примерно на 60 процентов легче стальных дисков. Они могут подолгу работать в очень сложных условиях, при температурах порядка 750 градусов Цельсия и даже в отдельных случаях при 1000 °С.

На изготовление яхты Team Adventure 105 Super Cat израсходовано около двух тонн углеволокна

Уменьшение веса аэробуса А380 всего на 1 килограмм приводит к экономии трех тонн горючего

Стоимость углеродного волокна, правда, очень высока. Оно стоит примерно в четыре раза выше, чем похожий на него материал — стекловолокно, а потому в автомобилях серийного производства детали из него редко используют. Ими оснащают обычно дорогие марки автомобилей, спортивные машины, военную технику.

Например, гоночная модель Audi R8, участвующая в марафоне «24 часа Ле-Ман», оснащена шасси из углепластика, что не случайно. Ведь каждый сэкономленный грамм массы позволяет увеличить скорость. В автоспорте можно встретить даже машины, чьи кузова полностью изготовлены из углепластика. В «Формуле-1» подобное новшество и вовсе является жизненно важным. Ведь волокнистые материалы, насчитывающие чуть ли не дюжину слоев, поглощают механическую энергию лучше любого металла. Подбирая различные типы волокон и варьируя способы их обработки, можно избежать лишнего риска. Машина будет вести себя в аварии так, как того пожелают конструкторы.

А знаете ли вы, что из углеродного волокна можно изготавливать даже мосты? Правда, пока еще мы не встретим ни одного моста, который бы полностью — от одного берега до другого — был сооружен из этого материала. Им лишь армируют конструкции из дерева или железобетона. Это повышает их несущую способность. Так, опоры и перекрытия из углепластика выдерживают вдвое большую нагрузку на растяжение, нежели такие же детали из конструкционной стали.

В добывающей, химической и атомной промышленности углепластик нашел применение в аппаратуре для разделительных процессов (газовые центрифуги), в реакторах высокого давления и баллонах для хранения сжатых и сжиженных газов, в оборудовании для глубоководных нефтяных и газовых платформ. Из углеродного волокна изготавливают электроды и электронагреватели, экраны, поглощающие электромагнитное излучение, и обогреваемую одежду и обувь.

Перед углеродным волокном открываются перспективы даже в астрономии. Например, появились телескопы, оснащенные тубами из углепластика. При изменении температуры эти детали заметно меньше деформируются, нежели металлические. Разница особенно ощутима в ночные часы. Когда температура понижается, металлическая туба немного укорачивается, что снижает качество снимков, выполняемых с длительной экспозицией. В телескопах же с тубами из углеволокна качество снимков ничуть не меняется.

Похоже, в скором времени мы будем встречать изделия из углеродного волокна на каждом шагу. Из него изготавливают колеса мотоциклов, лопасти ветряных двигателей, ракетки для игры в теннис или бадминтон. Вообще в спортивной промышленности углепластик нашел самое широкое применение. Водные лыжи, спортивные лодки, клюшки для гольфа, оборудование для виндсерфинга, даже удочки для рыбной ловли — все это можно сделать из углепластика. Современные гоночные велосипеды почти полностью состоят из него. Перечисляем: рама, вилка, поршень, педали, колеса, руль, сиденье... Стрелки из лука также берут на вооружение этот материал: из него делают древка стрел.

Своя техническая новинка порадовала и музыкантов: электрогитара со струнами из углеволокна — те служат дольше обычного. Спектр звучания инструмента расширился: стало больше обертонов и унтертонов. Для подобной гитары не страшны ни высокая влажность, ни перепады температуры. Кроме того, скорость распространения акустических волн в углеродном волокне в шесть раз выше, чем в древесине. Поэтому звук из усилителя доносится практически в режиме реального времени — обычно же между ударом по струне и звучанием, раздающимся из динамика, протекают какие-то доли секунды, и музыкантам приходится привыкать к этому.

Очевидно, в будущем углеродное волокно станет еще более популярным. «Список областей применения углеродных волокон может быть продолжен — отмечает научный сотрудник химфака МГУ Владимир Морозов, — но следует подчеркнуть, что если весь мир перешел этап промышленного применения композитов с углеродными волокнами, то в России все еще продолжается этап становления рынка и применение углеродных волокон ограничивается авиацией, космосом и атомной промышленностью».

В 2004 году доля российских промышленников на мировом рынке углеродного волокна составляла менее одного процента, и с тех пор ситуация мало изменилась, скорее даже ухудшилась. Между тем ежегодный мировой прирост производства углеволокна достигает уже десяти процентов. Ведущие западные производители постоянно улучшают его прочностные характеристики; у нас же они мало изменились даже со времен СССР. Стоимость отечественного углеродного волокна значительно выше, чем западных аналогов. Оно пока не выдерживает конкуренции на международном рынке. Необходима государственная поддержка отечественных производителей и разработчиков новых углеродных волокон. Назвать бы их еще «нановолокнами» — может, это облегчит им жизнь хотя бы на нашем, российском, рынке?

(Автор благодарен Владимиру Морозову за помощь, оказанную в подготовке этого материала.)

Наталия Басовская