Индустрия 4.0

Композиционные материалы: от древних пирамид до современного авиапрома

Композиционными называются материалы, состоящие из двух или более компонентов, среди которых можно выделить армирующие наполнители, чаще всего волокна, определяющие прочность материала, и матрицу (или связующее), обеспечивающую совместную работу армирующих элементов. При этом ключевой отличительной особенностью композитов является тот факт, что соединенные вместе армирующие наполнители и матрица обладают свойствами, существенно отличающимися от свойств исходных компонентов.
15 января 2014

Композиционные материалы получили широкое распространение в последние три десятилетия, хотя известны они уже несколько тысяч лет. Типичным примером использования композиционных материалов в древнем мире являются египетские саркофаги и мумии, в изготовлении которых использовались шпон и ткани, пропитанные древесными смолами. Еще в XIII веке монгольские воины использовали уникальную технологию изготовления луков из сухожилий волов, рогов, бамбуковых стеблей, шелка и смолы сосны, причем их прочность лишь на 20% уступала современным аналогам.

Виктор Авдеев, генеральный директор НПО «УНИХИМТЕК», ЗАО «ИНУМиТ», доктор химических наук, профессор, заведующий кафедрой «Химические технологии и новые материалы» химического факультета МГУ им. Ломоносова

Сегодня композиционные материалы окружают нас в повседневной жизни. Это и железобетонные конструкции, и различные виды материалов на основе древесины, из которых производится большая часть современной мебели, и искусственный камень, широко используемый для производства кухонных столешниц, и автомобильные покрышки, армированные металлическим кордом и высокопрочными волокнами. Однако, когда речь идет о композиционных материалах, сегодня в первую очередь подразумеваются материалы на основе углеродных волокон и синтетических смол. Смолы в большинстве случаев являются высоковязкими жидкостями в исходном состоянии, а при полимеризации, протекающей чаще всего при повышенной температуре, образуют жесткую и прочную полимерную сетку, устойчивую к воздействию температуры, климатическому воздействию окружающей среды и агрессивных сред.

Такие материалы получили название «полимерные композиционные материалы», или ПКМ. Именно полимерные композиционные материалы на основе углеродных волокон благодаря уникально высокой прочности и низкой плотности (прочность в 1,5-2 раза выше прочности конструкционных сталей, а плотность в 3-5 раза ниже) в последние два десятилетия нашли широкое применение при производстве авиационной, космической и военной техники.

Мировой рынок композиционных материалов на сегодняшний день оценивается в 12 млн. тонн в год, что в денежном выражении составляет около 30 трлн. рублей, при этом потребление мирового авиастроительного сектора составляет порядка 340 млрд. рублей (около 1%). Композиционные материалы на основе углеродных волокон составляют порядка 62% от общего объема композитов, используемых в авиастроении. Ежегодно авиастроительные компании перерабатывают около 530 тонн (7% от мирового производства) углеродных волокон в виде препрегов и углеродных тканей и 330 тонн стеклянных волокон. В период 2011-2020 годы для производства авиационной техники, по оценке экспертов, будет использовано 7200 тонн углеродного и 4500 тонн стеклянного волокна. При этом потребление различных полимерных связующих составит около 13000 тонн.

Если доля использования композиционных материалов для производства компонентов планера воздушных судов практически достигла своего максимума и составляет около 50 % от веса воздушного судна, то потенциал потребления ПКМ для изготовления интерьеров исчерпан еще не полностью. Например, потребление ПКМ для производства пассажирских кресел в ближайшие 5 лет может превысить 2000 тонн. Переход на кресла из ПКМ экономит 400-450 кг веса для однопалубного самолета, потенциал для замены пассажирских сидений составляет около 2 млн. кресел в год.

Заместитель генерального директора ОКБ Сухого Александр Давиденко, генерального директор НПО

Всего лишь пять лет назад основными рынками потребления ПКМ на основе углеродных волокон являлись авиация, ракетостроение и оборонная промышленность. Применение углепластиков в автомобилестроении ограничивалось лишь суперкарами, производимыми в единичных экземплярах, и болидами Формулы-1, при производстве которых традиционно используются технологии, более близкие к авиастроению, чем к производству серийных автомобилей. Однако постоянное увеличение цен на топливо, введение запретительных законов, ограничивающих его максимальное потребление, бурное развитие электромобилей, а также снижение стоимости углеродных волокон ключевым образом изменили ситуацию. Главным инноватором в области композиционных материалов в автомобилестроении является немецкая компания BMW. В 2011 году BMW официально представила новую линейку автомобилей BMW i, которая будет запущена в виде моделей i3 и i8 в 2013 и 2014 годах соответственно. Модель i3, ранее известная как Megacity Vehicle, является четырехдверным электромобилем, пассажирский отсек которого полностью изготовлен из углепластика (см. фото). Данный подход позволил сократить вес автомобиля до 1250 кг. Модель BMW i8 является гибридным спортивным автомобилем с динамикой разгона от 0 до 100 км/ч менее чем за 5 секунд и расходом топлива менее 3 литров на 100 км. Его гибридный привод мощностью 260 кВт позволяет преодолевать до 35 километров без подзарядки в электрическом режиме, что достаточно для большинства повседневных поездок. Для организации серийного производства было создано совместное предприятие BMW и SGL Group (производителя углеродного волокна). В сентябре 2011 года компания SGL открыла новый завод в Мозес-Лейк, штат Вашингтон, который будет производить 3000 тонн в год углеродного волокна исключительно для проектов i3 и i8.

Потребление полимерных композиционных материалов (ПКМ) на душу населения

Вслед за BMW японский производитель углеродного волокна Toray Industries объявила о начале поставок корпорации Toyota Motor (TMC) и Fuji Heavy Industries (FHI) для изготовления кузовов автомобилей, производимых серийно в Японии. Компания Toyota планирует использовать углеродные волокна для капота и крыши модели Lexus LFA, которая производится с декабря 2011 года. Компания FHI будет продавать крыши, сделанные из ПКМ, в качестве дополнительной опции для стандартных спортивных автомобилей.

Популяризация композиционных материалов в США и Европе создала композитную «фэшн»-индустрию, оценивающуюся в сотни миллионов долларов. Причем свойства материала в этом случае практически не имеют значения, наибольшую важность представляет популярное слово «карбон». Так, углепластики находят все большее применение для создания эксклюзивной мебели, обвеса для спортивных автомобилей, декорации стрелкового и холодного оружия, производства музыкальных инструментов.

Объем производства композиционных материалов в России оценивается десятками тысяч тонн и составляет всего лишь 0,3-0,5% от мирового рынка. Если 30 лет назад Советский Союз занимал лидирующие позиции в первую очередь в области высокопрочных материалов для авиационной и военной техники, то сегодня ситуация выглядит достаточно сложно. Резкое падение спроса в последние двадцать лет на авиационную и оборонную продукцию практически заморозило развитие разработок в области полимерных связующих и армирующих волокон, щедро финансируемых в 1980-е годы. В это время в Европе и США происходит настоящий бум в развитии композитной отрасли. Прочность производимых углеродных волокон увеличивается в 2 раза (с 2,5-3 ГПа в 80-е до 6,5-7 ГПа сегодня), ведется активная разработка и внедрение новых полимерных матриц. В результате, когда в начале двухтысячных годов встала задача по созданию новых воздушных судов, российская авиационная промышленность столкнулась с проблемой неконкурентоспособности отечественных материалов. Учитывая, что при разработке первых отечественных пассажирских самолетов SuperJet100 и MC-21 перед конструкторами стояла задача создания конкурентоспособных на мировом рынке воздушных судов в чрезвычайно сжатые сроки, единственным решением в данной ситуации было использование композиционных материалов импортного производства.

Тем не менее пять лет назад президент Объединенной авиастроительной корпорации Михаил Погосян предпринял ряд важных шагов по решению проблемы использования композиционных материалов в отечественной гражданской авиации. Поддерживая и развивая традиционно существующие композитные производства на авиационных заводах в Ульяновке, Воронеже, Казани, ОАК параллельно создала дочернюю компанию «АэроКомпозит», специализирующуюся на современных технологиях в области ПКМ, которая в течение последних пяти лет переняла лучший опыт зарубежных компаний, при этом поддерживая постоянную связь с российской наукой. В результате была создана команда, на мой взгляд, наиболее квалифицированных на сегодняшний день в России специалистов в области технологий производства изделий из ПКМ. ОАК инвестировала более 8,5 млрд. руб. в строительство новых предприятий компании «АэроКомпозит» в Ульяновске и Казани. На двух построенных с нуля заводах, запуск которых состоялся в этом году, используются самые современные материалы, оборудование и технологии, в том числе только набирающая популярность в авиации технология вакуумной инфузии. Объединенная авиастроительная корпорация будет впервые в мире применять инфузионную технологию при создании интегральной (цельной) конструкции крыла для нового отечественного гражданского самолета МС-21. МС-21, кстати, будет состоять на 40% из композиционных материалов, вплотную приблизившись к мировым лидерам – самолетам Boeing Dreamliner и А-350.

Полностью изготовленный из углепластика пассажирский отсек автомобиля i3, представленный компанией BMW на выставке JEC-Paris 2013

В России в течение последних пяти лет направлены немалые ресурсы и на сокращение отставания отечественного производства композиционных материалов. При поддержке «Роснано» была создана компания «ХК Композит», обладающая на сегодняшний день самым современным оборудованием для производства углеродных волокон, углеродных тканей и препрегов. Созданный компанией инжиниринговый центр оснащен современным испытательным и пилотным оборудованием. Активно ведется работа по созданию новых материалов и в еще с советских времен традиционно лидирующем в области ПКМ научном центре ФГУП «ВИАМ». Материалы, разработанные в ФГУП «ВИАМ», и по сей день широко используются в отечественной гражданской и военной авиационной технике. Большая работа проделана ГК «Ростехнологии», организовавшей в 2009 году на базе ранее разрозненных ФГУПов специализированный холдинг «РТ-Химкомпозит», являющийся на сегодняшний день одним из крупнейших производителей изделий из композиционных материалов для космоса, авиации и военной техники. Научные и технологические разработки интенсивно ведутся в ведущих вузах страны – МГТУ им. Баумана, МГУ имени Ломоносова.

Большое внимание поддержке развития отрасли композиционных материалов уделяет Правительство РФ. В 2013 году утверждена подпрограмма «Развитие производства композиционных материалов и изделий из них» в составе государственной программы «Развитие промышленности и повышение ее конкурентоспособности на период до 2020 года». Кроме того, распоряжением Правительства РФ от 24 июля 2013 г., утверждена дорожная карта «Развитие отрасли производства композиционных материалов». Государственное стимулирование развития отрасли должно увеличить объем внутреннего производства композиционных материалов в 2016 году в 3 раза по отношению к 2012 году, а объем потребления композиционных материалов на душу населения – с 0,28 кг/чел до 0,68 кг/чел. Для сравнения: потребление ПКМ на душу населения с США составляет 7,8 кг., а в Китае – 1 кг. на человека.

Я уверен, что, несмотря на все существующие сложности, в ближайшие годы Россию ожидает бурное развитие отрасли композиционных материалов. При этом авиация и оборонная промышленность будут основным драйвером этого развития. Решение проблем композиционных материалов для этих отраслей станет основной движущей силой широкого внедрения ПКМ в строительстве, автомобилестроении, ЖКХ и других отраслях.

Пример композитной

Именно эта уверенность помогла мне не остановиться 10 лет назад на уже успешно существующем бизнесе огнезащитных и уплотнительных материалов – компании «УНИХИМТЕК», созданной мной и моими коллегами – профессорами МГУ имени Ломоносова из отраслевой лаборатории на химическом факультете. В 1980-е мы разрабатывали углеродные композиты для аэрокосмической техники из пенографита, пироуглерода, углеродного волокна и пеков. Когда начался кризис, в 1990 году на базе этой лаборатории мы и создали «УНИХИМТЕК». Первые 12 лет было тяжело, но у нас за это время стало уже 80 патентов. Сейчас – около 200.

В 2003 году мы создали Институт новых углеродных материалов и технологий, функции которого изначально заключались не только в научной поддержке существующего бизнеса, но и в развитии новых направлений. Направление композиционных материалов, включая углерод-углеродные и полимерные композиционные материалы, являлось одним из основных направлений работы с момента создания института. За десять лет работы создана уникальная инфраструктура, позволяющая вести разработку материалов от пробирки до получения опытных партий, успешно реализован целый ряд исследовательских проектов по заказу предприятий ОАО «ОАК» и ГК «Росатом». Разработанные командой института материалы конкурентоспособны не только с отечественными, но и с зарубежными аналогами.

Теги: