В каких продуктах есть карбон

Углепластик, он же карбон (от лат. carbo – уголь) или CFRP (Carbon-fiber-reinforced polymer) – полимерный композит на основе армирующих углеродных волокон, расположенных в матрице из специальных полимерных смол (рис.1). Композиционные углепластики отличаются наиболее высокими удельными упруго-прочностными характеристиками среди полимерных материалов.

Основная составляющая часть углепластика — это углеродные нити (рис.3). Такие нити очень тонкие (примерно 0,005-0,010 мм в диаметре) и обеспечивают прочность и жёсткость только в одном направлении – по оси волокон. Из этих нитей сплетаются ткани, они могут иметь разный рисунок плетения (ёлочка, рогожа и т.д.). Для придания ещё большей прочности ткани из нитей углерода кладут слоями, каждый раз меняя угол направления плетения (рис.2). Слои скрепляются с помощью специальных смол, чаще всего эпоксидных, но также могут быть использованы и сложные полиэфиры, виниловые эфиры или нейлон. Таким образом, получается композитный материал со структурой типа многослойного “сэндвича” (от англ. sandwich – бутерброд).

Рис. 1 – Углепластик (источник: ru.wikipedia.org)

Рис.2 – Схема расположения тканей в матрице

Рис. 3 – Углеволокно

В особых случаях вместо углеродных нитей применяются углеродные нанотрубки – это протяжённые цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких сантиметров (при этом существуют технологии, позволяющие сплетать их в нити неограниченной длины), состоящие из одной или нескольких свёрнутых в трубку графеновых плоскостей и заканчивающиеся обычно полусферической головкой, которая может рассматриваться как половина молекулы фуллерена. Углеродные нанотрубки обладают очень высокими прочностными характеристиками, но в настоящий момент они относятся к классу крайне дорогих материалов.

Автором изобретения углеволокон считается американский учёный Роджер Бэкон, который в конце 50-х проводил опыты в лаборатории известной американской химической компании Union Carbide. Бэкону удалось получить карбон, нагревая нити целлюлозы до процесса карбонизации. Однако в последствие такой метод был признан неудачным: конечный материал состоял только на 20% из углерода и имел низкие качественные показатели с точки зрения жесткости и прочности.

В начале 60-х свою страницу в историю производства карбона вписал ученый с противоположного берега Тихого океана – доктор Акио Шиндо из Агентства науки и технологии Японии. В отличие от своего американского коллеги в качестве сырьевого материала Шиндо использовал не целлюлозу, а полиакрилонитрил. Это позволило увеличить долю углерода в карбоновых волокнах почти в три раза – до 55%. На протяжении 70-х годов проводились разные опыты с одной целью – найти оптимальный вариант для производства углеволокна. Именно в этот период было предложено в качестве сырья для карбона использовать так называемый нефтяной пек, который является вторичным продуктом, получаемый при переработке нефти. Использование нового сырья позволило довести долю углерода в карбоне до 85%.

Углепластик появился чуть более полувека назад, однако, только сейчас он начал завоёвывать симпатии производителей и потребителей, оттесняя на задний план такие классические материалы как сталь и алюминий в авиа- и автомобилестроении. Карбон завоевал репутацию материала, который объединяет в себе два на первый взгляд противоположных качества – необычайную прочность и сверхлёгкость: в зависимости от типа, карбон на 40-50% легче стали и на 20-30% – алюминия. Однако его дороговизна пока сдерживает экспансию материала в других, более массовых, отраслях производства.

Говоря об углепластиках, на ум сразу же приходят самолёты. В военных машинах конструкции из композитов используются уже давно, но в настоящее время и в гражданских самолётах это происходит возрастающими темпами; доля композитов в конструкции планера (структурной части самолёта без силовой установки и оборудования) вот-вот перейдёт отметку 50 %. История в этом направлении развивается в непримиримом соревновании инженеров, главным образом – компаний Boeing и Airbus.

The Boeing Company (США) определила будущее мировой авиации на ближайшие десятилетия. Её новый флагманский продукт Boeing 787 (см. рис.4) на 50% состоит из углепластика. Благодаря инновационным решениям судно, получившее название Dreamliner (в переводе с англ. – лайнер мечты), стало первым пассажирским самолётом такого размера, фюзеляж которого полностью изготовлен из композиционных материалов. Каждый такой самолёт содержит 35 т углепластика, в том числе 23 т углеволокон, за что его часто неофициально называют “карбоновым самолётом” (см. рис.5).

Самая удивительная инновация полностью композитного фюзеляжа B-787 – его конструкция, состоящая из 4-х состыкованных между собой цилиндрических секций, исключающая около 50 000 (!!!) элементов крепежа, необходимых в алюминиевой конструкции, и позволяющая поддерживать в салоне самолёта более высокое давление.

Композитный фюзеляж даёт возможность увидеть все преимущества в большой степени интегрированной конструкции, в том числе существенное снижение стоимости производства.

Рис. 4 – Лайнер мечты от корпорации Boeing (источник: ruspekh.ru)

Огромный спрос на самолёт объясняется главным его преимуществом перед старой “лётной гвардией”: благодаря использованию карбона Dreamliner стал легче аналогичных моделей. Это позволяет лайнеру расходовать примерно на 20% меньше горючего, а ведь именно стоимость топлива как раз и является одним из основополагающих факторов, от которых зависит формирование цены на авиабилет. Дополнительный положительный эффект – отсутствие коррозии углепластика, что также отличает его от алюминиевых сплавов и позволяет эксплуатировать самолёт в условиях большей влажности воздуха.

Рис. 5 – Композитные решения, применяемые в Boeing 787 Dreamliner (источник: airspot.ru)

Данные по B-787 контрастируют с данными по самому большому в мире пассажирскому самолёту Airbus 380, планер которого состоит только на 25% из композитов, на 10% – из стали и на 61% – из алюминия. Возвращаясь к B-787, заметим, что его планер состоит на 80% из композитов.

При проектировании A-380 инженеры Airbus S.A.S. (Франция) помимо углепластиков сделали ставку на специальный композитный материал под названием GLARE (GLAss-REinforced fibre metal laminate), который представляет собой многослойный сэндвич, состоящий из чередующихся слоёв тончайшей алюминиевой фольги и стекловолокна в полимерной эпоксидной матрице.

Glare легче алюминия и имеет очень хорошие механические свойства. Плотность обычных алюминиевых сплавов близка к 2,8 г/см³, тогда как у Glare примерно 2,1 г/см³, а у карбонов плотность около 1,6 г/см³.

Стойкость к повреждениям у Glare значительно выше, чем у алюминия. Энергия, необходимая для создания вмятины значительно выше, чем для алюминия. Трещины начинают появляться раньше, но останавливаются перед каждым слоем стекловолокна. В результате распространение происходит настолько медленно, что трещина не может достичь критического размера в течение всего срока службы самолёта.

В 2009г. компания Airbus S.A.S. объявила о разработке прямого конкурента B-787 – самолёта Airbus 350, фюзеляж которого будет состоять на 52% из композитов, на 20% – из алюминий-литиевого сплава, на 14% – из титана, на 7% – из стали и на 7% – остальное. И в этом самолёте также будет использован цельнокомпозитный фюзеляж.

Изменения, произошедшие в 90-х годах прошлого века в Восточной Европе и бывшем Советском Союзе, привели к серьёзному кризису в Российской авиационной промышленности, и, несмотря на то, что КБ Антонова (Украина), Ильюшина, Сухого, Туполева, Яковлева, корпорация Иркут (разработчик перспективного самолёта МС-21) и недавно сформированная Объдинённая авиастроительная корпорация продолжают разработку пассажирских самолётов, они занимают очень незначительную долю рынка.

Тем не менее, российские специалисты стараются идти в ногу со временем и не отставать от своих именитых конкурентов. Так, например, ЗАО “Гражданские самолёты Сухого” – разработчик первого гражданского самолёта, полностью спроектированного и построенного в постсоветский период – применило в своём детище под названием Sukhoi Superjet 100 панели и навесные агрегаты из полимерных композиционных материалов, которые составляют около 10% площади поверхности самолета SSJ-100.

Несмотря на то, что SSJ-100 на 70-80% состоит из импортной “начинки”, закрылок, элерон, интерцепторы, воздушные тормоза, рули высоты и направления, а также другие элементы планера производятся российскими предприятиями из углепластиков и схожих композиционных материалов (рис.6).

Рис.6 – Сухой Суперджет 100 и детали из композиционных материалов (источник: composite-materials.ru)

В России также изготавливают углепластиковые обтекатели для ракет-носителей «Протон», «Рокот», «Ангара» и для ракетных комплексов С-300 и С-400, тепловые панели для самых современных спутников, детали и блоки для военных самолётов, например, для Су-47 «Беркут» и ПАК ФА.

Су-47 – истребитель с крылом обратной стреловидности. Доказано, что крыло для суперперегрузок не может быть сделано из металла – только из углепластика. Этот композиционный материал для Су-47 был разработан и произведён на Обнинском научно-производственном предприятии «Технология».

ПАК ФА или Т-50 – новейший истребитель пятого поколения – выполнен с применением технологии стелс, которая позволяет снизить заметность истребителя в оптическом, инфракрасном и радиолокационном диапазонах волн.

Масса планера снижена за счет широкого применения композиционных материалов — по массе композитные материалы составляют 25 % веса пустого самолёта, а по площади поверхности — 70 %. По сравнению с Су-27 в планере Т-50 в четыре раза меньше деталей. Это позволяет уменьшить трудоёмкость и сократить время изготовления, что выливается в снижение цены машины. Для защиты от поражения молниевым разрядом конструкций из углепластика, выходящих на внешнюю поверхность планера, для Т-50 разработано новое молниестойкое покрытие, также обеспечивающее снижение массы самолета.

Зарубежные эксперты, проводившие анализ первого прототипа, пришли к выводу, что Т-50 является первым прекрасным успехом российских инженеров в проектировании самолёта с использованием технологий малозаметности.

Воздушный транспорт – самый безопасный вид транспорта в мире. Практически все приборы на воздушном судне дублируются (некоторые компоненты представлены в тройном количестве), то есть при выходе из строя одного оборудования включается резервный прибор. Осмотр самолёта осуществляется абсолютно перед каждым вылетом воздушного судна.

Большинство людей считает, что в случае аварийного отключения всех двигателей самолёт неизбежно войдёт в штопор и разобьётся – это самое распространённое заблуждение касательно самолётов. Дело в том, что все современные лайнеры обладают хорошим аэродинамическим качеством, то есть способностью планировать при выключенных двигателях. Крыло самолета имеет несимметричный профиль (верхняя часть крыла более выпуклая), вследствие чего скорость потока по верхней кромке крыла будет выше, чем над нижней. В соответствии с законом Бернулли, статическое давление среды в тех областях, где скорость потока более высока, будет ниже, и наоборот. Создавшаяся разница давлений и порождает подъёмную силу (рис.7). Чем выше скорость в момент аварийного отключения двигателей, тем больше шансов выполнить успешную бездвигательную посадку, спланировав на землю. Если скорость мала, то имеющийся запас высоты позволит подразогнать самолёт при планировании.

Рис. 7 – Силы, действующие на крыло самолёта (источник: ru.wikipedia.org)

Несмотря на все вышеперечисленные достоинства самолётов, позволяющие свести количество аварий к нулю, несколько исследовательских институтов работают над увеличением прочности фюзеляжа летательных аппаратов, увеличивая, в первую очередь, значения ударной вязкости – способности композиционных материалов поглощать механическую нергию под действием ударной нагрузки. На сегодняшний момент создано несколько модификаций углепластиков, способных выдержать гигантские нагрузки, например, при падении даже с очень большой высоты, корпус самолёта будет иметь лишь трещины, но работы в данном направлении ещё продолжаются, и, может быть, уже через несколько лет, летальный исход в результате падения самолётов будет также редок, как при падении кометы на Землю.

Углепластики также активно применяются и в производстве MAV (micro air vehicle) – микро летательных аппаратов. На рис. 8 представлен один из таких аппаратов, в корпусе которого расположен вентилятор для создания подъёмной силы. Данный беспилотный летательный аппарат проводил разведку на месте аварии на АЭС “Фукусима-1”.

Разработка устройств такого класса без использования углепластика была бы практически невозможна. Основными заказчиками подобных устройств являются разведывательные управления и военные ведомства различных стран.

Рис. 8 – Разведывательный беспилотный летательный аппарат RQ-16 T-Hawk (источник: ru.wikipedia.org)

На рисунке 9 представлена ракета-носитель H-IIA производства Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. (Япония). Обтекатель (поз.1) частично выполнен из углепластика. Промежуточная секция основного корпуса (поз.2, чёрного цвета) и ракетный ускоритель (поз.3) полностью изготовлены из многослойного карбона.

Рис. 9 Ракета-носитель H-IIA (источник: ru.wikipedia.org)

В автомобильной отрасли первыми карбон начали применять разработчики болидов Формулы 1. В начале 80-ых из углепластика делали только шасси. Однако позднее карбон стали использовать и при производстве кузова.

Первый опыт использования так называемого “тяжёлого” углеродного волокна (жгуты с большим количеством сложений и высокой линейной плотностью) для изготовления автомобильных изделий был предпринят в рамках совместного производства компаний Menzolit GmbH, Volkswagen Group и Daimler AG (Mercedes-Benz) в 2005-2008 гг. Полученные изделия удовлетворяли по своим механическим характеристикам практически всем предъявляемым к ним требованиям, однако не обеспечивали необходимого качества поверхности и требовали трудоёмких предварительных операций раскроя и выкладки полуфабрикатов, что существенно удорожало процесс.

Реализуемое в настоящее время компанией Bayerische Motoren Werke AG производство изделий из конструкционных углепластиков для электромобилей i3 и i8 методом RTM высокого давления, обеспечивает высокое качество поверхности и заданные механические характеристики.

Электромобиль BMW i3 (рис. 10) – первый серийный автомобиль марки, в конструкции кузова которого обширно представлены элементы из углеродного волокна.

«Мы произведем революцию в производстве автомобилей», — не без гордости обещает глава BMW по продажам Рональд Крюгер. Углеродное волокно пока относительно дорого, признают в компании, но за 10 лет работы над технологией BMW удалось достичь существенного прогресса. Технологии отрабатывались при изготовлении углепластиковых крыш для спортивной модели M3, в результате удалось снизить себестоимость производства деталей из карбона на 50%. В основу новой технологии легло изобретение нового, более быстрого способа соединения деталей из карбона и новая система обработки панелей, которые привели к сокращению производственных и временных затрат. Для сравнения: углепластики приблизительно в шесть раз дороже металла.

Материалы из углеродного волокна открывают совершенно новые возможности для дизайна, отмечают в компании. Кузов машины получается на 250-350 кг легче, чем для электромобиля аналогичных размеров, что позволяет использовать белее легкие батареи меньшей ёмкости. Даже каркас сидений в данной модели выполнен из углепластика.

Рис. 10 – BMW i3 (источник: en.wikipedia.org)

Одной из острых проблем широкого применения карбона является его утилизация. При производстве изделий также образуется значительное количество отходов (операции раскроя, обрезка краёв деталей и т.д.). И если со стальными и алюминиевыми деталями всё предельно ясно, то в случае с углепластиком всё не столь однозначно. Инженерам ещё предстоит полностью решить данную проблему, но уже можно отметить некоторые успехи: в настоящий момент чуть более 10% углеродного волокна, необходимого для производства авто, получают из переработанного материала. И это только начало!

Ещё одной проблемой, с которой столкнулись немецкие специалисты – это кузовной ремонт. Специально для i3 была разработана методика ремонта кузова. Внешние панели, на которые, по данным BMW, приходится 95% аварий, меняются на новые того же цвета. Повреждения углепластиковой кабины устраняются заменой крупных фрагментов. Повреждённые места вырезаются по предусмотренным шаблонам, на их место вклеиваются ремонтные панели. Время и стоимость ремон