Нанотехнологии. Правда и вымысел

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.

Новые композиционные наноструктурированные материалы дают возможность увеличить длину лопастей «ветряка» более чем в два раза, что выводит их на эффективность, сопоставимую с традиционными видами генерации электроэнергии.

Все более активно нанотехнологии применяются в строительной индустрии и сопутствующих ей отраслях: производстве лакокрасочных и отделочных материалов.

Определенные успехи в области создания наноматериалов для строительства уже достигнуты. В Пензенском государственном университете архитектуры и строительства разработаны и готовятся к промышленному производству новые наноразмерные модификаторы для строительных композиционных материалов.

Рис. 56. Ветряные энергетические установки — привычное зрелище в Западной Европе

На основе богатых месторождений необходимого минерального сырья в Пензенской области учеными разработаны наноразмерные строительные добавки: гидросиликаты кальция (14–40 нм), кремнеземсодержащий модификатор (17–20 нм) и органо-минеральные добавки (80–90 нм).