Технологии

Совсем недавно стеклопластики начали использовать для производства театральных декораций: в прославленной «Мариинке» в Санкт-Петербурге декорации к спектаклям вот уже несколько лет изготавливают именно из этих материалов, что позволяет их сделать долговечнее и красивее, чем из традиционных материалов.

Основные области применения углепластиков связаны с такими их свойствами, как высокие удельная прочность и жесткость, усталостная прочность, тепло- и электропроводность, низкий коэффициент трения, регулируемая анизотропия свойств, устойчивость к термическому и радиационному воздействию. Изделия из этих материалов изготавливаются в виде монолитных конструкций сложной формы.

Изготовление из углепластиков крупногабаритных панелей летательных аппаратов позволяет снизить их массу на 20-40 %, повысить жесткость на 50 %, в несколько раз увеличить выносливость и т.п. Это дает возможность повысить топливную экономичность и уменьшить загрязнение окружающей среды, т.к. более легкий самолет при полете сжигает меньше топлива.

Именно поэтому армированные полимеры и, прежде всего, углепластики заняли преобладающее место в конструкции самолета Боинг 787.

Применение различных материалов в самолете Боинг 787

В самолете А350 применение композитов несколько меньше, однако, и в нем оно составляет около 35 % по массе.

Такое высокое содержание армированных пластиков в новейших самолетах явилось следствием их использования для изготовления фюзеляжа, хвостового оперения, рулей управления, наконечников крыльев, горизонтального стабилизатора и других крупногабаритных и чрезвычайно ответственных узлов и деталей.

Использование армированных пластиков позволило разработчикам лайнеров при их проектировании одновременно конструировать и материал. Учитывая неравномерность нагрузок в различных узлах самолета, они спроектировали их с дифференцированной толщиной. Так, толщина стенок фюзеляжа из углепластика в разных его сечениях составляет от 25 мм в области дверных проемов до 12 мм в местах стыковки топливных отсеков и до 2,5 мм в верхней его части.

Использование армированных пластиков благодаря технологической простоте позволяет изготавливать летательные аппараты удивительной формы с поверхностью, поражающей своим эстетическим и техническим совершенством.

Важной областью применения армированных полимерных материалов в авиастроении явилось их использование для изготовления радиопрозрачных и радиопоглощающих оболочек военных машин.

Радиопрозрачные материалы должны обладать высокими диэлектрическими характеристиками. Диэлектрическая проницаемость e должна приближаться к значению, характерному для воздуха, а тангенс угла потерь tgd должен быть максимально низким. Этим требованиям удовлетворяют стеклопластики, а также сотовые конструкции, изготовленные из стеклопластиков.

Радиоэкранирующие материалы, наоборот, должны поглощать радиочастотные излучения. Экранирование от радиочастотного излучения достигается применением высокоэлектропроводных материалов - полимерных композитов, армированных углеродными волокнами.

Не осталось в стороне от технологического прогресса и автомобилестроение. Сегодня многие ведущие фирмы стремятся использовать углепластики в конструкции выпускаемой ими техники. Так, фирма Mercedes-Benz изготавливает автомобиль McLaren SLR с углепластиковым кузовом, который весит на 50 % меньше стального и на 30 % меньше алюминиевого. А использование углепластиковых крыши и бампера позволило повысить устойчивость автомобиля BMW M6 на дороге при больших скоростях движения, т.к. позволило опустить центр его тяжести. Фирма Honda изготавливает из углепластика воздухозаборники некоторых моделей автомобилей. Масса таких воздухозаборников на 75 % меньше массы аналогичных деталей из алюминиевого сплава.

Предполагается использование углепластиков для изготовления следующих деталей автомобилей: листовых рессор, лонжеронов и поперечин рам, элементов крепления двигателя и коробки передач, рычагов подвески, карданного вала, шатунов, поддона картера двигателя и др.

Карданный вал автомобиля «Форд Кортина», выполненный в виде одной детали трубчатого сечения из полимерного композита на полиакрилонитрильном связующем и углеродном волокне, имеет массу 5,2 кг, в то время как масса стального вала равна 9 кг. Четырехлистовая стальная рессора автомобиля «Форд Гранада» имеет массу 12,7 кг, а заменяющая ее однолистовая рессора эллиптической формы из углепластика - 2,7 кг.

Для снижения стоимости деталей автомобилей из композитов применяют в качестве армирующих материалов комбинацию из углеродных и стеклянных волокон.

Широко используются углепластики для производства корпусов ракетных двигателей. Такие изделия производят намоткой в виде коконов, они имеют высокую прочность, термостойкость и устойчивость к агрессивным средам.

Лучший спортивный инвентарь с низкой массой и очень высокой прочностью также делают из углепластиков. Это спортивные ракетки, велосипеды, лыжи, хоккейные клюшки, лодки и «каноэ» и др.

Наконец, весьма перспективно использование углепластиков в производстве оборудования для ветряных электростанций, т.к. при замене ими стеклопластика появляется возможность увеличить их высоту с 39 до 44 м при той же общей массе, что имеет большое значение для повышения их эффективности. Поскольку установка ветряных электростанций растет примерно на 25 % в год, а производство ими энергии в 2005 году достигло 60 ГВт, следует ожидать значительного роста применения углепластиков для этих целей.

В целом, все же потребление углепластиков существенно ниже, чем стеклопластиков, и оценивается в 100 000 т, что связано с их более высокой стоимостью.

Создание углеродных волокон с диаметром несколько нанометров даст возможность получить принципиально новые нанокомпозиты с углеродным армирующим наполнителем, обладающие существенно более высокой прочностью, что позволит расширить области их рационального применения в аэрокосмической технике.

В последние годы интенсивно развивается использование базальтопластов с высокой теплостойкостью, отличными триботехническими и диэлектрическими свойствами, хорошей водостойкостью. Сочетание высоких эксплуатационных характеристик с хорошими гигиеническими свойствами позволяет изготавливать из базальтопластов тормозные колодки для автомобилей. Такие колодки не уступают по износостойкости и теплостойкости материалам на основе асбеста, но выгодно отличаются от них безвредностью дисперсных продуктов абразивного износа. Материалы на основе армирующих базальтовых волокон и фенольной смолы сохраняют практически без изменения фрикционные свойства при увеличении температуры вплоть до 450 °С.

Материалы на основе базальта и термореактивного полиимидного связующего, предназначенные для изготовления конструкций с высокими диэлектрическими свойствами могут длительно эксплуатироваться при 300-350 °С даже во влажной атмосфере.

Высокая химическая стойкость позволяет использовать базальтопласты для производства химического оборудования, устойчивого к воздействию агрессивных сред и горячей воды.

Большой класс армированных полимерных компаундов, в которых роль армирующего наполнителя выполняют волокнистые материалы из органических полимеров, составляют органопласты. Обе фазы в таких композитах являются полимерными, что и определяет их отличие от других армированных пластиков.

Композиты, армированные высокопрочными, предельно ориентированными полимерными волокнами, отличаются низкой плотностью и высокими прочностными свойствами, а также рядом специфических свойств и широко используются как чрезвычайно прочные материалы для изготовления крупногабаритных изделий с низкой массой. В качестве высокопрочных наполнителей применяются арамидные волокна кевлар (США), СВМ и армос (Россия) и ряд других. Особенно эффективны волокна из сверхвысокомолекулярного полиэтилена Spectra 900 и Spectra 1000 (США).

Защитные экраны из органопластов на основе высокомодульных волокон устойчивы к механическим и баллистическим ударным нагрузкам, а также к эрозионному воздействию.

Использование органопластов для производства защитных экранов обязано способности полимерных волокон, входящих в их структуру, к значительным деформациям под воздействием пуль и осколков снарядов и поглощению их кинетической энергии.

Технология изготовления органопластов, как и других армированных полимерных композитов, позволяет формовать броню по форме защищаемого объекта. Поэтому из органопластов изготавливают бронеодежду и защитные экраны для транспортных средств и боевой техники. В отличие от металлической, броня из органопластов не образует осколков при поглощении энергии индентора.

Это позволяет использовать органопласты для защиты наиболее уязвимых элементов конструкции летательных аппаратов. Использование органопластов взамен стального бронелиста позволило снизить массу бронезащиты вертолета UH-60A фирмы Сикорского (США) на 953 кг без ухудшения его защищенности от пуль и осколков. Для защиты бронетанковой техники также применяется броня из органопластов, но большей толщины.
Использование волокнистых материалов на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена позволяет повысить трещиностойкость бронезащиты и снизить ее массу по сравнению с органопластами на основе волокна кевлар.

Благодаря высокой прочности при сдвиге и растяжении в направлении, параллельном плоскости листа, органопласты используют для изготовления тонких облицовочных панелей сотовых конструкций. Сотовые панели, изготовленные из органопласта на основе волокна кевлар, использующиеся в аэробусе А350 при производстве пола, стен кабины и других элементов, позволяют снизить их массу на 30-50 %.

Органопласты в сочетании с металлом, в частности с алюминиевыми сплавами, при послойном чередовании обладают исключительными прочностными свойствами. Ресурс обшивок, изготовленных из такого комбинированного материала алюмоорганопласта, более чем в 5 раз превышает ресурс конструкций, изготовленных из традиционных алюминиевых сплавов, при этом масса конструкции снижается на 11-26 %.

Эти и другие области применения вывели органопласты по объемам использования на второе место среди всех армированных полимерных композиционных материалов. Их потребление в 2005 г. по экспертным оценкам составило около 200 000 т.

www.newchemistry.ru