Знание-сила, 2008 № 12 (978)

Это волокно в десять раз тоньше человеческого волоса и в пять раз прочнее, чем сталь. Изготовленный на его основе вид пластмассы, углепластик, — это легкий, жаростойкий, нержавеющий материал. Он сочетает в себе свойства, о которых инженеры могут только мечтать. Недаром его используют в космической промышленности и авиастроении.

Сейчас этот необычный материал входит в наш повседневный быт. Но каковы перспективы отечественных производителей?

«Никогда не изобретай то, на что нет спроса»

Т.А.Эдисон

Похоже, этот материал вскоре будет встречаться всюду — в космических аппаратах и машинах «Формулы-1», в теннисных ракетках, музыкальных инструментах и конструкциях мостов. Он незаменим там, где требуются два качества: легкость и прочность. Два качества, которые всегда было так трудно совместить. В истории техники ведь столетиями считалось чем-то вроде аксиомы: легкое значит слабое, хрупкое; прочное — читай громоздкое, массивное. Здесь же — «застывший воздух», но крепче, чем сталь. Что же это за чудо-материал, которому нельзя не найти применение везде?

Углеродное волокно.

А ведь его время только началось. Углеволокно было изобретено сравнительно недавно. Хотя слово «изобретено» не совсем точно. В этой истории не было своего мастера, придумавшего в одночасье новый материал. Нет, здесь даже Эдисон оказался на вторых ролях. Ведь широкому внедрению углеродного волокна предшествовала череда новшеств. Материал рождался постепенно.

Родословная начинается с Эдисона

Итак, без Эдисона все же не обошлось. Двадцать седьмого января 1880 года Томас Алва Эдисон получил патент США № 223898 на изобретение «Углеродное волокно, изготовленное из целлюлозы и предназначенное для электрических ламп накаливания». В то время нитями накаливания служили обыкновенные швейные нитки, покрытые углем; их приходилось менять через каких-то сорок часов работы. Пытаясь найти лучший вариант, Эдисон и его помощники перепробовали самые разные вещества и соединения (всего — 6000 наименований!), затратив на опыты свыше 100 тысяч долларов, и, наконец, выбрали бамбук — обугленные бамбуковые волокна. В том же году Эдисон начал выпуск своих безопасных лампочек, которые продавал по цене 2,5 доллара за штуку. Однако недостатками этого волокна были хрупкость и высокая пористость, да и стоило оно дорого, а потому Эдисон стал впоследствии изготавливать нити накаливания из вольфрама.

В 1889 году в США был запатентован новый метод получения углеродного волокна — пиролизом (термическим преобразованием) смеси метана и водорода в железном тигле (изобретатели — Т.Хьюджес и Ч.Чамберс).

Однако по-настоящему интерес к углеродному волокну пробудился лишь в середине ХХ века, когда начался поиск материалов, из которых можно было бы изготавливать ракетные двигатели. Углеродное волокно оказалось хорошим кандидатом на эту роль.

К тому времени был сделан ряд важных открытий в области органического синтеза. Так, еще в 1907 году Л.Бакеланд — бельгийский химик, в молодости переехавший в США, — получил патент на новый материал, удостоенный торгового наименования «бакелит». В наши дни он более известен под названием «фенолоформальдегидная смола», ведь изготавливают его путем конденсации формальдегида и фенола. Это был первый синтетический реактопласт, то есть пластик, не размягчающийся при высокой температуре. Многие его свойства оказались привлекательны для инженеров: материал легкий, прочный — вот только хрупкий, легко бьющийся. И все же несколько десятилетий, вплоть до первых послевоенных лет, из бакелита изготавливали самые разные бытовые предметы — от электрических выключателей до посуды.

Работы же по созданию новых материалов — новых пластмасс — продолжались. Уже в 1930-е годы пришли к нам такие полимеры, как полиэфир и эпоксидная смола. Они были уже не столь хрупкими, как бакелит. Тогда же появились и первые пластики, армированные (упрочненные) волокном.

В 1945 году американцы Дж. Лабин и У. Гринберг придумали метод формования искусственных волокон, что позволило придавать химволокну нужную прочность. В 1955 году английская компания Royal Aircraft Establishment добилась важного технологического прорыва — изготовила углеродное волокно с направленными кристаллическими структурами.

Наконец, в 1959 году компания National Carbon Company, входившая в состав крупного химического концерна Union Carbide Company, представила углеродную ткань, изготовленную из вискозы. С этого времени в США начинается промышленное производство углеродного волокна на основе вискозы. Первое волокно, появившееся на рынке, — Thornel 25 производства Union Carbid Company — стоило более 1000 фунтов стерлингов за килограмм.

Томас Алва Эдисон

Между ПАНом и пеком