Карбон под водой, на земле и в небе…

В последнее время всё чаще можно встретить утверждение, что карбон — это прямо-таки олицетворение современной эпохи развития технологий и производства. По большому счету это даже правда, но есть один нюанс: в свободной продаже углепластик появился еще 54 года назад. И до этого он тоже существовал и использовался, но тему не особо распространяли по причине ее плотной связи с военно-промышленным комплексом. Не особо, правда, известно, как он применялся военными, да еще и в те годы, но нынче даже в гражданской сфере карбон действительно стал использоваться прямо-таки по всем фронтам.

Почему все так любят карбон

Сегодня углепластик по-прежнему связан с ВПК и на его усовершенствование традиционно тратятся немалые средства. Хотя какими бы ни были прочными композиты, а по убойной силе с термоядерной реакцией они всё равно и рядом не сидели. Так что нам остается лишь уповать на людское благоразумие, направляя исследования на развитие «мирного карбона», а именно — добиться с его помощью того, чтобы жить с ним нам было выгоднее, приятнее и комфортнее. При этом желательно, чтобы недорого, ведь именно цена в большинстве случае останавливает конечного потребителя. Поэтому удешевление стоимости производства изделий из карбона стало одной из главных задач, которую решают по всему миру 24/7, ведь идея внедрения углепластиков в массовое производство так и манит своими потенциальными прибылями.

И, тем не менее, даже сейчас из карбона пытаются выжать по максимуму, ведь даже его начальные параметры довольно впечатляющи: он легче стали и алюминия по отдельности, но прочнее их, взятых вместе. Когда это стало окончательно понятно, перспективы открылись серьезные. Радость омрачал лишь тот факт, что в тех случаях, когда при ударах металл отделается легким испугом в виде незначительной и еле заметной вмятины, углепластик треснет и разлетится, поскольку имеет крайне низкую способность к деформации. Это тоже стало одной из главных проблем, которую частично решили, решают и, вероятно, будут еще решать. Хотя в некоторых случаях это, наоборот, является преимуществом — к примеру, в гоночном спорте, куда композиты проникли едва ли не сразу после ВПК (что не удивительно, поскольку «Формула-1» — самый престижный класс международных автогонок, поэтому и деньги там вращаются немалые).

Мы его только не едим…

Авто-, вело-, мото- и другой спорт, быт и хобби, мода и дизайн, медицина и техника, гражданская авиация, корабли, катера и яхты — кажется, карбон, даже несмотря на свою стоимость, успел проникнуть уже везде.

Правда, стоит отметить, что в судостроении этот материал долгое время не использовали, поскольку не удавалось решить проблему, когда в соленой воде углепластик с металлами приводил к сильнейшей коррозии. Но поскольку сегодня уже есть технологии обработки композитов, моря и океаны бороздят корабли, построенные с использованием углепластиков.

Как ни странно, но, за редким исключением, во всех перечисленных выше сферах применения карбона ценится именно основное его качество — высокое отношение его прочности к массе. К примеру, модуль упругости лучших представителей углеволокна даже выше, чем 700 ГПа. Для наглядности это нагрузка 70 т на 1 кв. мм. А усилие на разрыв доходит до 5 ГПа — и это при крайне низкой массе!

Производство изделий из карбона: почему так дорого?

Основной причиной высокой себестоимости углеродного волокна являются высокие энергозатраты еще при его изготовлении. Ведь чтобы получить углеродные нити, необходимо взять имеющуюся углеродную цепочку либо волокно искусственного происхождения и в процессе обработки преобразовать их в углерод.

По прошествии нескольких лет активного поиска исходников для этого самые подходящие результаты продемонстрировали полиакрилонитриловые волокна (PAN). Именно с этого полимера началось производство углеволокна.

Кстати, трудно поверить, но производство это начинается с мягких белых волокон, которые, между прочим, активно применяются в легкой промышленности и содержатся в составе многих вещей, о чем вовсе не догадываются люди, далекие от химии. Например, эти волокна (сополимеры полиакрилонитрила) очень любит наша текстильная промышленность, выпускающая одежду, ковры, материалы для фильтров, обивки и всё остальное, где на этикетке значится акриловое волокно. Очень популярный сегодня АБС-пластик, которому сам черт не страшен, тоже содержит некоторые виды этих полимеров…

Итак, полимер вытягивают так, чтобы он располагался параллельно оси волокнá. Полиакрилонитриловые волокна нагревают до 260 °С и окисляют, вследствие чего соединение между молекулами становится стабильным. Далее вещество греют в инертном газе при температуре в несколько тысяч градусов, что ведет к тому, что с него убираются летучие компоненты и частицы волокон создают новые связи. Короче, материал обугливается — происходит его так называемая карбонизация, а все неуглеродные соединения в нем отторгаются и удаляются.

Тут следует заметить, что чем выше будет температура всего этого процесса, тем качественнее получат карбоновую нить. Так, при изготовлении карбона с экстремально высокими характеристиками прочности волокно подвергают всё в том же инертном газе многоступенчатому графитированию — а процесс этот, как можно догадаться, не из дешевых. Но качество продукта оправдывает затраты: получаемая карбоновая нить обладает фантастической прочностью на разрыв, хотя ее прочность на изгиб такими показателями не отличается. Для случаев, когда это принципиально, нашли простой выход: используют углеткань и, ориентируя в ней нужным образом волокна, укладывают перед полимеризацией в определенном направлении ее слои, задавая расчетную прочность конечного продукта.

Не волокном единым…

И тем не менее сами по себе волокна, несмотря на высокую прочность, без отверждающего вещества (смолы) мало что из себя представляют. Точнее сказать, чтобы получить крепкие изделия из карбона, одних волокон никак не достаточно — их необходимо равномерно связать со смолой. Вот почему есть много вариантов получения углепластиков, задавать характеристики которых можно не только меняя ориентацию волокон (как упомянуто выше), но и выбирая определенный вид связующего.

Кроме того, учитывая то, что часто необходимо получить деталь со сложной геометрией, есть вероятность получения участков, где волокно спрессовано недостаточно плотно. Это — уязвимые места, поэтому для производства таких сложных изделий используются не только углеткани с определенным видом плетения, но еще и технологии, которые делают процесс распределения отверждающего вещества равномерным.

Связующие вещества (компаунды) можно разделить на «холодного» и «горячего» отверждения — и обе технологии получения карбоновых деталей могут похваcтать преимуществами и опечалить недостатками. Но каковым бы ни был компаунд, получить само карбоновое волокно — дело в любом случае энергетически затратное, что и портит всю картину массовому производству, о чем говорилось с самого начала.

Задача снижения цены производства углепластика

Любая область машиностроения (и не только) активно занимается вопросом снижения стоимости производства карбоновых деталей. Опережает в этом плане, но стоит особняком тут всё еще военная промышленность, поскольку этим занимается узкий круг людей и информация об их успехах по большей части засекречена.

На бытовом же уровне всех заботит уменьшение цены на всё, чем мы пользуемся постоянно. Ибо если накопить денег на дорогую карбоновую удочку не так сложно, то уж купить автомобиль, где углепластиковые детали в большом количестве, уже не по карману человеку со средними доходами. А было бы неплохо — ведь карбоновые детали кузова (а также кузов целиком), снижают массу и улучшают его аэродинамику. Первое преимущество позволяет экономить на топливе, а второе — улучшает поведение автомобиля и снижает количество ДТП, что уже доказано статистикой. Эстетику, правда, в расчет не берем, поскольку сегодня есть технологии печати, которые могут делать имитацию, правдоподобно превращая капот и прочие детали в карбоновые — например, можно наклеить специальную пленку: это будет красиво, но всё равно металл и обман, который не сравнится с композитами, но который значительно дешевле.

А чтобы удешевить производство углепластиков, необходимо его больше автоматизировать и сделать менее энергозатратным. И вот поэтому сегодня создаются целые объединения институтов и лабораторий, и на сегодняшний день существует даже ряд их наработок, в результате которых должно произойти снижение стоимости производства карбона до 90 %.

Способы удешевления углепластиков

В первую очередь следует напомнить, что если карбон будет дешевле, он завоюет массовое производство — и это будет уже другая, более оптимистичная, история. Поэтому подробности новых технологий — коммерческая тайна, но кое-что всё-таки становится известным.

Например, одним из прорывов можно считать технологию струйного перенесения сухой смолы, что снижает стоимость производства кузовных деталей. Автор технологии — австралийская компания Quickstep. Тут разработали особый вид смолы в сухом виде, которую впоследствии распыляет робот. Суть в том, что подобный технологический ход уже не требует затратного способа подготовки жидкой смолы.

Также в компании ведутся работы по использованию карбонового сырья лигнина, который по прочности стои́т на одной ступени с бетоном, а получается из древесины. Кроме этого, ведется работа еще и по поиску методов использования углепластиков с термопластиковыми смолами, что также снижает стоимость производства до 70 %.

А учеными Пенсильвании совместно с американскими и бельгийскими производителями удалось найти иной способ для удешевления производства, а именно, с использованием графена.

Они выяснили, что лишь незначительная добавка графена позволяет получить углеволокно, которое по сравнению с углеволокном, полученным традиционным способом, имеет более высокие характеристики: на 225 % выше прочность и на 184 % — жесткость. И это тоже можно назвать своеобразной революцией в производстве, поскольку из двух технологических этапов нагрева углеволокнá один можно исключить полностью, а второй будет менее энергоемким.

Карбон будущих поколений

Логично, что по мере удешевления производства изделий из карбона этот материал будет активно передвигаться из высокотехнологичных отраслей в сферу быта. Хотя сегодня мы и так уже имеем возможность заниматься многими видами спорта и фитнеса с экипировкой из углепластика, готовить с ним еду, украшать им интерьер, носить карбоновые украшения и радовать себя красивыми аксессуарами из него. Но на подходе новое поколение веществ — углеродные нанотрубки, которые, помимо высочайшей прочности, обладают очень ценными характеристиками.

Например, уже появилась ткань на основе карбоновых нанотрубок, которая способна защитить от пули 45 калибра, а также поражающих ударов холодным оружием. Хотя, конечно, читателя это может не впечатлить, если он не работник правоохранительных органов, не военный, не политик или крупный бизнесмен и вообще ему не нужно усложнять свою жизнь защитной экипировкой…

Фантастика на пороге!

…Однако всё идет к тому, что не за горами реализация старой идеи космического лифта, предложенная еще в 1895 г. нашим великим ученым Константином Циолковским. Заключается она в том, чтобы доставлять на космическую станцию, пребывающую на геостационарной орбите, грузы, минуя дорогостоящие и небезопасные запуски космических ракет. А это, на минуточку, высота 35 000 км над поверхностью Земли!

Данный проект, возможно, давно бы реализовали — но для этого необходим был очень прочный материал, поэтому план, скорее, считали фантастикой гения. Однако по мере открытия и исследования углеродных нанотрубок (которые ведутся еще с 1990-х) всё это уже не кажется сказкой, поскольку нить из карбоновых нанотрубок толщиной всего 1 мм выдерживает вес до 30 тонн (!).

Компания Lamborghini в 2019 году стала первой, кто поставил для себя задачу исследования углепластика в условиях космоса, и отправила на Международную космическую станцию образцы, среди которых, между прочим, не только опытные, но и те, которые уже используются в серийном производстве. Что это значит?

Да то, что, если такие крупные корпорации тратят немалые деньги на исследования, значит это имеет расчетную выгоду, которая обязательно реализуется в денежные знаки, то есть доступность для простых смертных качественных и красивых изделий из карбона по низкой цене. Надо только подождать.