Нанотехнологии. Правда и вымысел

Наноструктурированные композиционные материалы

Воображение строит свои воздушные замки, когда нет не только хорошего дома, но даже сносной избушки.

Николай Гаврилович Чернышевский, русский публицист, литературный критик, прозаик, экономист, философ

Одна из отраслей промышленности, в которых нанотехнологии развиваются достаточно интенсивно, – это производство наноструктурированных композиционных материалов.

Основные разработки в этой области направлены на создание более прочных, легких и дешевых конструкционных материалов, улучшение уже имеющихся образцов, например металлоконструкций и бетона за счет их легирования нанопорошками, а также создание наноструктурированных композиционных материалов нового поколения (препрегов).

Композит (композиционный материал) – это многокомпонентный материал, состоящий из керамической, полимерной, металлической, углеродной или другой основы (матрицы), армированной наполнителями из волокон, нитевидных кристаллов, тонкодисперсных частиц и т. п.

Препреги – это своего рода машиностроительные и строительные полуфабрикаты на основе частично отвержденных слоистых наполнителей (стеклотканей, углеродных тканей), пропитанных термореактивным связующим.

Путем комбинации состава и свойств наполнителя и матрицы (связующего), их соотношения, а также пространственной ориентации наполнителя получают новые композиционные материалы с требуемым сочетанием эксплуатационных и технологических характеристик.

Армирующие наполнители воспринимают основную часть нагрузки, действующую на весь конструкционный материал. Матрица на основе специальных смол в композите обеспечивает монолитность материала, передачу и распределение напряжения в наполнителе, определяет тепловую, химическую, влаго-и огнестойкость.

Одним из наиболее известных и широко применяемых в промышленности композиционных материалов является углеволокно, или карбон. В качестве армирующей составляющей в нем выступает кевлар – самый прочный на настоящий момент полимерный материал в мире, работающий на растяжение (при работе на сжатие и изгиб его показатели много хуже). Для повышения механических характеристик волокна кевлара переплетают между собой под определенным углом, добавляя в них резиновые нити, а затем пропитывая всю тканевую конструкцию особыми эпоксидными смолами.

Композитный материал получает эти свойства именно после пропитки соответствующими смолами, которые, заполняя микро– и нанопустоты, соединяют волокна, образуя высокопрочную матрицу.

Пропитка осуществляется таким образом, что заложенные в армирующей основе свойства приобретают более высокие (на 30 %) физико-механические свойства. Нанокомпозиционные препреги можно успешно применять для изготовления корпусов самолетов и вертолетов, лопастей ветроэнергетических установок, строительных конструкций и т. д.

Например, американский самолет нового поколения Boeing 787 Dreamliner на 50 % по объему и на 20 % по массе состоит из композитных материалов, в том числе выпускающихся с применением российских технологий.

Как указывается в ряде источников, в новом отечественном авиалайнере Sukhoi Superjet 100 также используется около 1015 % композитных материалов, однако точно не известно, какие это материалы: углеволокно или стеклотекстолитовые и армированные стекловолокном панели.

Нанокомпозиты применяются и при изготовлении деталей автомобильной техники (бамперов, деталей кузова, салона и т. д.), спортивных товаров (рам велосипедов, шлемов, спортивного инвентаря и т. п.), товаров для туризма и отдыха (рыболовных удочек, элементов роликовых коньков и т. д.). Именно этот сегмент рынка обеспечивает самую быструю отдачу от вложенных средств.

В настоящее время мировой рынок композиционных материалов составляет 20,5 млрд долларов, из них только около 2 % принадлежит России. При этом восемь компаний производят около 90 % всей мировой продукции, а три крупнейших поставщика обеспечивают 66 % всего мирового рынка композитов.

Чтобы исправить значительное отставание, корпорация «РОСНАНО» одобрила первый в России интегральный проект «Препрег», цель которого – создание в Москве и Саратове самых современных производственных мощностей по выпуску препрегов широкой номенклатуры на базе нанотехнологий. Уже к 2011 году планируется производить более 300 т нанокомпозитных материалов стоимостью примерно 30 млрд рублей.

Говоря о практическом применении композиционных материалов в машиностроительной и строительной отраслях, следует остановиться на ветряной энергетике. Как известно, ее развитие сдерживается фундаментальной проблемой – тяжестью лопастей (рис. 56). Мощность установки критическим образом зависит от размера лопастей, что не позволяет повысить их конкурентоспособность.