Что такое композит?

Это любой материал, который состоит из двух и более составляющих. Например, бетон считается композитным материалом, поскольку внутри цемент, песок, щебень и вода. Фанера – тоже, потому что это несколько слоев шпона, проложенные клеевым материалом.

Композиты делятся на две больших группы: наполненные и армированные. Бетон – это наполненный композит, поскольку он состоит из цементной матрицы с «вкраплениями» песка и щебня, а сам материал похож на единую монолитную массу. Фанера – хороший пример армированного композита. В нем легко заметны разные слои, которые спрессованы вместе, чтобы армировать друг друга и в итоге создать единый материал с определенными свойствами (в случае фанеры – с увеличенной прочностью).

Углеволокно – это армированный полимерный композит, который состоит из нескольких слоев тончайших (от 5 до 10 микрометров) углеродных нитей. Этот материал очень прочен и легок, что делает его перспективным для самых разных отраслей промышленности: авиастроения, судостроения, автомобилестроения, строительства, энергетики и других.

Багаж технологий

История российских композитных технологий началась благодаря советскому авиастроению. Стратегическая разработка этих материалов началась еще в 1930-е годы с созданием Всесоюзного научно-исследовательского института авиационных материалов (ВИАМ). Одной из его прорывных разработок была дельта-древесина. Пропитав слои шпона фенол- или крезолформальдегидной смолой, и спрессовав их, инженеры получили материал, который легче и прочнее многих сплавов на основе алюминия. Более того, дельта-древесина была огнестойкой и не покрывалась плесенью. Этот композит массово использовался для производства боевых самолетов во время Второй мировой войны.

Следующий виток развития материалов для самолетостроения был связан не с композитами, а с дюралюминием (дюралью). Это группа сплавов на основе алюминия с добавлением меди, марганца и магния, которые при правильной обработке сохраняли легкость алюминия. При этом становились очень прочным и твердым. Это позволяло использовать дюралюминий для производства каркасов самолетов, скоростных поездов и деталей космических аппаратов. Советские разработки на основе дюралюминия начались параллельно с исследованиями свойств композитов в 1920-1930-х годах. И после Второй мировой получили более широкое распространение.
   
Впрочем, интерес инженеров и конструкторов к композитам не ослабевал. Космическая программа СССР ускоряла изобретение современных композитных материалов, которые постепенно начали превосходить по свойствам дюралюминий. Впервые композиты были использованы для создания советских космических аппаратов в рамках проектов «Венера-15» и «Венера-16 в 1970-х годах. В 1980-х годах начались эксперименты с новыми техниками применения композитных материалов для аэрокосмической сферы. В частности, начались испытания сетчатой структуры, созданной из композита для усиления прочности и гибкости конструкций.

В то же время композитные материалы разрабатывались и для атомной промышленности СССР: как для научно-исследовательских центрифуг по обогащению урана, так и для ядерно-оружейного комплекса. Таким образом в ГК «Росатом», который с момента своего основания в 2004 году начал модернизировать российскую атомную инфраструктуру, оказались два профильных завода, которые производили композиты еще в советскую эпоху, – это ООО «Аргон» (завод оборонно-промышленного комплекса был основан в 1976 году в городе Балаково Саратовской области) и Завод углеродных композитных материалов (ведет свою историю с 1982 года, когда на Челябинском электродном заводе начали производить углепластик).
   
«Росатом» начал целенаправленно развивать производство композитных материалов сравнительно недавно – с 2010-х годов. Тогда стало очевидно, что эти технологии нужны не только для промышленного и оборонного комплексов: спрос на композиты рос в гражданской сфере.

Углепластик позволяет улучшить характеристики спортивного оборудования. Он применяется в архитектуре, дизайне интерьеров, а также в медицине: для производства прочных и легких протезов и медицинских имплантатов, которые гораздо приятнее на ощупь, чем, например, металлические.

Композиты ближе к телу

Эндопротезы костей из современных керамических и углеродных полимеров считаются одними из лучших по биосовместимости. Они хорошо приживаются внутри тела и со временем прорастают живой костной тканью. Однако и эти свойства можно улучшить.

Еще одно перспективное направление композитных технологий – создание «умных» материалов, которые смогут копировать природные механизмы адаптации и менять свои свойства в определенных условиях. Например, «залечивать» повреждения с помощью внутренних капсул с полимером, который затвердевает на солнечном свете, или подстраиваться под костную ткань при установке имплантата.

За последнее десятилетие «Росатом» построил завод «Алабуга-Волокно» по переработке углеродного волокна в Татарстане, объединил профильные технопарки и производственные площадки (в том числе АО «Препрег-СКМ» в Москве и Дубне) по всей России в дивизион «Перспективные материалы и технологии». А также создал композитный дивизион UMATEХ, который занимается производством композитов и развитием этой сферы на отечественном рынке.

Углеволокно в самолете МС-21

Для создания российского пассажирского самолета МС-21 нужно углеродное волокно – композитный материала, критически важный для создания крыльев среднемагистрального пассажирского лайнера нового поколения.

Пассажирский лайнер МС-21

Узкофюзеляжный среднемагистральный лайнер
Длина 42,2 метра
Размах крыла 35,9 метра
Ширина 4,06 метра
150-210 пассажиров на борту
Дальность полета более 5 тысяч километров
Скорость полета около 870 километров в час
Панели крыла полностью сделаны из углеродного волокна
   
У ОАК был серьезный технологический задел, который позволил быстро наладить поставки отечественного углепластика для сбора крыльев МС-21. Производитель лайнера, корпорация «Иркут» (входит в состав ОАК), уже пять лет вела разработки композитных материалов – импортных аналогов.

Лайнер проектировался как первый самолет своего класса, крыло которого полностью сделано из углепластика. Это позволило сделать лайнер не только легче, но также экономнее и безопаснее. Отказ от использования композитных материалов лишал проект МС-21 уникальности и, соответственно, смысла.
   
«Полимерные композиты – углепластики и стеклопластики – отличаются более высокими удельными свойствами, например, отношением прочности к плотности, – рассказал Егор Данилов, заместитель начальника лаборатории синтеза и исследования новых материалов «НИИграфита» ГК «Росатом». – С начала 2000-х они захватывают авиапромышленность. Если у самолета Airbus A320 порядка 32 процентов летной массы составляли композиты, то у Airbus A380 – уже 52 процента».

К аэродинамическому совершенству

Производство углепластика для крыла МС-21 может показать потенциал обновленной технологической инфраструктуры по производству композитов.

Процесс создания крыла самолета из композитных материалов состоит из нескольких стадий:

- Автоматическая выкладка изделия из композитрных материалов,
- Процесс вакуумной инфузии,
- Зачистка изделия,
- Проведение неразрушающего контроля,
- Механическая обработка,
- Проведение контроля геометрии,
- Покраска,
- Процесс модульной сборки.

В итоге получаются детали крыла черного цвета, подлежащего покраске которые выдерживают такую же нагрузку, что и металлические сплавы, но легче их.
   
Эти свойства особенно важны для удлинения крыла – важнейшего параметра для самолета. Оно непосредственно связано с аэродинамическим совершенством, летно-техническими и экономическими характеристиками самолета.

Что такое удлинение крыла?

Это отношение размаха крыла к его средней хорде (сильно упрощая – к ширине). То есть чем длиннее и уже крыло, тем выше его несущие способности и меньше аэродинамическое сопротивление.

Удлинение крыла самолетов прошлого поколения составляет около 8-9. У современных лайнеров – 10-10,5. У МС-21 этот параметр достигает 11,5.

Не стоит путать термин «удлинение крыла» с длиной крыла. Дело в том, что длина крыла меняться не может, потому что она ограничена стандартами, принятыми для аэродромной инфраструктуры (ангары, рулежные дорожки и т.п.). В этом и заключается сложность технологической задачи для авиаконструкторов, которые с помощью композитных материалов стремятся сделать крыло прочнее, легче и совершеннее с аэродинамической точки зрения.

«Удельные прочностные характеристики металлов не позволяют сделать крыло длинным, узким, прочным и легким одновременно. Удельная прочность углеродных нитей существенно выше, чем у авиационных металлов – стали, алюминия. Соответственно, полимерные композиционные материалы позволяют заметно увеличить удлинение крыла по сравнению с металлическими конструкциями. Именно это преимущество углепластиков реализуется на самолете МС-21», – рассказал N + 1 источник, знакомый с процессом создания лайнера.

«Композитные элементы крыла более устойчивы к распространению повреждений: трещины, которые могут появиться в ходе эксплуатации, не распространяются дальше по детали. Это свойство увеличивает ресурс использования углепластиковых элементов. А еще материал позволяет экономить расход топлива, по расчетным данным, на 6-7 процентов.

Ноу-хау: вакуумная инфузия

Для снижения стоимости МС-21 «АэроКомпозит» применил технологию вакуумной инфузии, на основе которой производятся панели и лонжероны крыла, а также панели центроплана. Новый процесс позволил отказаться от сложного и дорогого автоклава, цена которого растет в геометрической прогрессии от размеров деталей. До сих пор технологию вакуумной инфузии не использовали нигде в мире для изготовления изделий такого большого размера.

Легкость деталей из углеволокна позволяет установить на борт больше оборудования, которое обеспечивает безопасность полета пассажирского лайнера. Это свойство также повышает конкурентоспособность МС-21 на международном рынке.

В том, что касается композитов, ситуация с американскими санкциями помогла вывести российские технологии на новый уровень. В 2017 году рынок углеродного волокна в России не превышал 1 процента от мирового. Руководство страны запланировало как минимум удвоить этот показатель к 2025 году. Согласно прогнозам Научно-исследовательского института технико-экономических исследований в химическом комплексе, к этому же времени мировой объем рынка композитов превысит 115 миллиардов долларов.