На смену титану и алюминию в наукоемких областях промышленного производства все чаще приходят композитные материалы нового поколения.

Последнее десятилетие в технологически наиболее развитых в военном отношении странах - России, США и Китае - ведутся комплексные работы в области создания высокопрочных высокотемпературных полимерных композитных материалов (ПКМ), которые обладают важными преимуществами перед несколько десятилетий не имеющих альтернатив металлических изделиях.

В узлах и блоках ракетной техники, самолетов, автомобилей и корабельной техники вместо алюминия и титана все чаще применяются их заменители из композитов и очередную разработку предложили российские специалисты под руководством Алексея Валерьевича Кепмана. Группа специалистов химиков кафедры химической технологии МГУ им. М.В. Ломоносова под его руководством в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014 - 2020 годы» работала над получением новых полимерных матриц и получила новый полимерный композитный материал (ПКМ), работающий при температурах до 400-450С. Новый материал уже воплощен «в пластике» и установлен на реактивных двигателях, которые проходят испытания на стендах в Центральном институте авиационного моторостроения (ЦИАМ) им. П.И. Баранова и в Казанском национальном исследовательском техническом университете им. А. Н. Туполева.

Долгое время высокая стоимость и недостаточно стабильные свойства композитов препятствовали массовому применению их в высокотехнологичных индустриях. Однако последнее десятилетие ситуация кардинальным образом изменилась и несмотря на то, что композиты нового поколения в 8-10 раз дороже титана и сплавов алюминия, самолёт Boeing 787 Dreamliner на 50% состоит из композитов, а у истребителей Eurofighter данный показатель использования пластиков достигает 70%.

За счет чего композитные материалы нового поколения в ряде областей вытесняют металлы? Специалисты приводят такие доводы.

Первое. Прочность углепластиков в 6-8 раз выше, чем у алюминия, а удельный вес ниже в 1,5 раза.

Второе. За счет меньшей массы тратится значительно меньше горючего, а весовая нагрузка летательных аппаратов существенно увеличивается.

Третье. Композиты не подвержены коррозии и по этой причине дольше не выходят из строя и им требуется значительно меньше ресурсов на обслуживание и профилактику. В совокупности вышеперечисленные преимущества обеспечивают конечную экономическую эффективность даже при большей стоимости полимерных композитных материалов по сравнению с традиционными металлами.

Четвертое. Конструктивно для изготовления крыла самолета из титана и алюминия, необходимо использовать, условно говоря, 100 деталей и элементов, а при использовании композитов - это число составляет примерно 10 единиц. То есть сборка производится быстрее и проще.

Однако очевидные преимущества пластиков в элементах, подвергаемых в работе мощному нагреванию, долгое время невозможно было реализовать на практике из-за низкой температурной стойкости этого материала. К примеру лопатки компрессора реактивного двигателя, нагревающиеся в процессе работы, должны выдерживать такую высокую температуру. Большинство же композитных материалов уже при температуре 200-250С теряет прочностные характеристики и не может обеспечивать работу элемента или узла, в который она входит.

И современные лаборатории во многих странах мира заняты решением этой проблемы. В температурно устойчивых полимерных композитах полимерная связующая матрица наполняется армирующим наполнителем, при этом в углепластиках в качестве армирующего наполнителя используется углеродная ткань, а связующей матрицей выступает эпоксидная смола.

Группа химиков МГУ под руководством Алексея Кепмана, работающая по проекту создания материала двойного назначения, смогла решить поставленную перед ней задачу и создать полимерный материал, который способен выдерживать тепловые нагрузки до 400-450С. Наши ученые создали конструкцию углепластика, в котором в качестве связующей матрицы материала были использованы полимеры из фталонитрильных мономеров, которые несмотря на относительную легкоплавкость при повышенных температурах при затвердевании остаются стабильными и прочными, в том числе при рабочей температуре использования выше 400С. Эффект был получен российскими химиками за счет большей гибкости полученных молекул мономера, в которые вводились специальные группы полимеров.

Помимо прочности и температурной стойкости некоторые типы ПМК абсолютно не горючи и данное свойство используется, в частности в США, при устройстве перегородок в подводных лодках, что повышает их безопасность. Поскольку работы над заменителями титана и сплавов алюминия проходят в рамках разработок материалов двойного назначения, значительный объем исследований в этой области в большинстве стран происходит в закрытом режиме.

Композитные материалы применяются сегодня и в трубопроводном транспорте, когда вместо стальных или бетонных труб изготавливаются стеклопластиковые композитные трубы как малых и средних, так и наиболее эффективных - больших диаметров трубопроводов. основные сферы применения композитных труб из стеклопластиков - нефтепроводы, в том числе промысловые, водопроводные сети, системы горячего водоснабжения, системы транспортировки коррозионно активных веществ и другие промышленные трубопроводные системы.

На фото: новый полимерный композитный материал (ПКМ), способный работать при температурах 400-450С и заменяющий металлы в высокотехнологичных областях промышленного производства, разработан химиками МГУ.