Оглавление
Длительность чтения:10 Минуты, 45 Секунды
Композитные материалы сейчас используются во всех отраслях промышленности. В машиностроении – углепластик, в текстильной и обувной промышленности – различные мембраны, в строительстве – гипсокартон. И хотя это современные материалы, многие из них появились благодаря разработкам советских ученых.
Краткая справка
Что такое композитный материал? Это сочетание нескольких материалов – в отличие от полимеров, являющихся единым веществом. Часто элементы композитного материалы не взаимодействуют друг с другом химически.
Композиты бывают двух видов:
Армированные. Появились в тот момент, когда человек впервые начал экспериментировать с сочетаниями природных волокон. Композиты в чистом виде: матрица из одного материала, армированная другим материалом. Самые простые примеры – фанера (состоит из слоев шпона с разнонаправленными для прочности волокнами), железобетон (бетонные плиты, укрепленные металлической арматурой). К более сложным видам армированных композитов можно отнести металлические – когда более мягкий металл укрепляют более твердым.
Наполненные, или полимерные. Даже если в составе этого композита нет собственно полимеров, его составляющие практически неотделимы друг от друга. Наполненный композит состоит из основного матрицы, пустоты которой заполнены другими материалами в виде дискретных частиц. К таким композитам относятся бетон, пломбировочные стоматологические составы, углепластик, некоторые сложные сплавы – например, победит.
В любом варианте композит – это материал, который стал качественно лучше после соединения с другим.
Советские композиты
В СССР работало несколько крупных научно-исследовательских институтов, занимавшихся вопросами разработки и применения на практике композитных материалов. До сих пор работают специализированный Уральский НИИ композиционных материалов, ВНИИ авиационных материалов, входящий в «НИАТ» ОНЦ «Композит», ЦНИИ специального машиностроения.
В их лаборатория было создано несколько интереснейших проектов.
Дельта-древесина
Один из главных прорывов среди ранних советских композитов сейчас используется в основном в легкой промышленности. Но в момент создания дельта-древесина стала технологическим прорывом и позволила продвинуть вперед авиационную отрасль.
28 июня 1932 года нарком тяжелой промышленности СССР Григорий Орджоникидзе подписал указ о создании ВИАМ – Всесоюзного научно-исследовательского института авиационных материалов. Достаточно быстро ВИАМ, изначально занимавшийся разработкой металлических сплавов для авиационной брони, стал одним из основных НИИ в области разработки композитных материалов.
Это было тяжелое время для советского авиапрома. Двигатели становились все мощнее, увеличивалась скорость полетов, а устаревшие технологии создания корпусов уже не подходили для создания новых фюзеляжей. Самолеты строились в основном из дерева или дерева в сочетании с металлом – слишком тяжелые и неуклюжие конструкции не выдерживали новых мощностей. Цельнометаллические каркасы уже существовали, но для них нужен был дорогостоящий дюралюминий, которого попросту не хватало. Не хватало и специалистов по работе с металлическими профилями, Это было тяжелое время для советского авиапрома. Двигатели становились все мощнее, увеличивалась скорость полетов, а устаревшие технологии создания корпусов уже не подходили для создания новых фюзеляжей. Самолеты строились в основном из дерева или дерева в сочетании с металлом – слишком тяжелые и неуклюжие конструкции не выдерживали новых мощностей. Цельнометаллические каркасы уже существовали, но для них нужен был дорогостоящий дюралюминий, которого попросту не хватало. Не хватало и специалистов по работе с металлическими профилями, и заводов по их производству.
Решением стала дельта-древесина, так же известная как бакелитовая фанера, балинит, лигнофоль, древесный слоистый пластик или ДСП-10. Ее изобрел в 1935 году Леонтий Рыжков, главный инженер Кунцевского завода авиационных винтов и лыж. Он обнаружил, что если пропитать березовый шпон спиртовым раствором фенолформальдегидной смолы, а затем спрессовать и склеить в несколько слоев, то получится легкий, прочный и негорючий материал.
Дальнейшими исследованиями свойств бакелитовой фанеры занимался ВИАМ. Рыжков передал все изготовленные образцы и техническую документацию группе Якова Аврасина. За несколько лет инженеры НИИ довели технологию дельта-древесины до совершенства и разработали для нее специальный клей – ВИАМ-3Б. Итоговый вариант оказался крепче не только фанеры и дерева, но и дюралюминия. Его легко обрабатывать, так как в нем нет воздушных карманов и каких-либо посторонних вкраплений, и он невероятно долговечен.
Разумеется, такой удивительный материал сразу же вызвал интерес авиаконструкторов. Его начали использовать при изготовлении самых разных частей самолетов: винтов, лонжеронов, шпангоутов, деталей корпуса. Известен исторический анекдот: однажды Семен Лавочкин продемонстрировал образец лонжерона из дельта-древесины самому Сталину. Тот заинтересовался и попробовал повредить образец: поджигал своей знаменитой трубкой, резал перочинным ножом – но материал не поддавался. Сталин оценил важность изобретения и издал указ о награждении Леонтия Рыжкова орденом.
8 марта 1940 году с Центрального аэродрома имени Фрунзе взлетел самолет проекта И-301. В его конструкции было несколько важных узлов, выполненных из дельта-древесины. После успешных испытаний самолет стал серийным и получил название ЛаГГ-3 – истребитель конструкторов Лавочкина, Горбунова и Гудкова. Этот самолет универсального назначения стоял на вооружении ВВС СССР во время Великой отечественной войны. В 1942 году на таком вылетел на задание летчик Николай Лысенко. Его сбили над рекой Усмань в Воронежской области, и до 2016 года самолет с останками летчика пролежал под водой. Когда водолазы поискового объединения «Дон» подняли его со дна реки, оказалось, что детали из дельта-древесины не потеряли форму и не прогнили.
Дельта-древесину широко использовался в авиастроении на протяжении нескольких десятилетий. Из него делали силовые узлы самолетов и планеров, лопасти вертолетных винтов (например, для Ми-10) и другие элементы. Кроме того, дельта-древесина использовалась в конструкции первой в мире межконтинентальной баллистической ракеты Р-7: из нее были сделаны воздушные рули для отделяемой первой ступени. К сожалению, после развала Советского союза технология высокопрочной дельта-древесины, из которой создавались все эти детали, была утеряна.
Сейчас дельта-древесина не играет такой важной роли в оборонной и аэрокосмической промышленности – ее заменили более современные материалы. Но в других областях она по-прежнему востребована. Из нее получаются крепкие мебельные узлы, прочные и красивые рукоятки ножей и садового инструмента
Силикальцит
Еще один знаковый для Советского союза композит изобрел в 1948 году Йоханнес Александрович Хинт. Он придумал искусственный камень, состоящий из песка и гашеной извести в пропорции 9:1. Процесс его изготовления довольно прост: измельчить песок, добавить к нему частицы воздушной извести, запечь в автоклаве – и получится силикальцит, или силикатный бесцементный бетон.
Это очень интересный материал. Чаще всего его сравнивают с бетоном, причем не в пользу бетону. Во-первых, для изготовления качественного силикальцита подойдет любой песок – в отличие от бетона, для которого лучше выбирать песок мелкий и чистый (речной или карьерный). Во-вторых, при затвердевании он не изменяется в объеме. В-третьих, силикальцитные блоки легче бетонных – всего 1900 кг/м3. В-четвертых, изначально очень прочный силикальцит со временем становится еще прочнее, так как в воздушной среде известь постепенно затвердевает и превращается в известняк. Ну и в-пятых – производство силикальцита намного дешевле за счет дешевизны его составляющих, ведь не нужны ни щебень, ни цемент.
История создания силикальцита тоже очень любопытна.
В 1941 году эстонцу Йоханнесу Хинту было 27 лет. Он успел окончить Тартуский университет со степенью бакалавра по математике, отучился там же на технологическом отделении и как раз получил диплом инженера-строителя в Таллинском техническом университете и членский билет Коммунистической партии. После начала войны Йоханнес, сын бывшего члена правительства Эстонской республики, отвечал за эвакуацию стратегически важных заводов на безопасную территорию. Но сам не отправился в эвакуацию, а остался в оккупированной Эстонии для подпольной работы. В 1943 году он попал в концентрационный лагерь и был приговорен к смерти, но смог бежать. Вскоре его снова арестовали. На этот раз он пробыл в концлагере до конца войны.
После освобождения Хинт вернулся в Таллин и приступил к работе сразу на двух должностях – главным инженером кирпичного завода и младшим научным сотрудником в Институте строительства и архитектуры. Такое совмещение и заставило его заняться главным делом его жизни. Пытаясь найти способ усовершенствовать производство строительных материалов, которых в послевоенный период требовалось огромное количество, Хинт экспериментировал с различными методами измельчения песка. После многих опытов оказалось, что лучше всего работает роторная дробилка-дезинтегратор. В ней песок не просто измельчался, а «активировался». Добавив такой песок в кирпич, изобретатель получил первый образец силикальцита. Первым домом, построенным из нового материала, стол собственный дом Хинта.
Спустя несколько лет, в 1952 году Йоханнес Александрович защитил диссертацию «Дезинтеграторный способ изготовления силикатных и силикальцитных изделий» и стал кандидатом технических наук. Его изобретение быстро обрело популярность за счет своей универсальности: из силикальцитных блоков можно было изготавливать не только стены, но и другие детали зданий – от фундамента до крыши.
В 1962 году Хинт получил почетную Ленинскую премию в области техники. К этому моменту в СССР работало более 30 заводов по производству силикальцитных изделий, а сам он основал Технологический институт силикальцита и занял в нем кресло директора. Новый материал оценили не только в союзных республиках: лицензии на производство силикальцитных изделий купили США, Япония, Египет, некоторые европейские страны. Доход от продажи лицензий исчислялся миллионами долларов.
С приходом к власти Брежнева многие предприятия перешли на хозрасчет – то есть фактически стали коммерческими.в 1974 году Йоханнес Хинт совершил почти невероятное – открыл хозрасчетное СКТБ «Дезинтегратор» по разработке дробилок, а через пару лет в доле с австрийской компанией Simmering-Graz-Paucker создал первое в Союзе международное предприятие, производившее дезинтеграры и различные товары массового спроса.
К сожалению, амбициозный и очень успешный бизнес-проект привел Хинта к краху. В 1981 году его обвинили в мошенничестве, контрабанде и хищениях в особо крупных размерах. Его приговорили к 15 годам тюрьмы с конфискацией имущества, лишили ученой степени и премий, в том числе Ленинской. В 1989 году его реабилитировали, но было поздно – в тюрьме Йоханнес Александрович умер.
А что же силикальцит?
Еще в середине 60-х его признали неперспективным, и производство почти прекратилось. Его производство, хотя и не слишком сложное, требовало большого количества высококлассных специалистов для работы с оборудованием. Кроме того, при его изготовлении образуется вредная для здоровья мелкодисперсная пыль.
Но окончательно силикальцит не пропал. Его до сих пор производят за рубежом – зачастую те же предприятия, что купили лицензии в советское время. Благодаря своей прочности он заменяет бетон в некоторых специфических областях строительства и достаточно востребован в Европе, США и других странах.
Композитная сетка
Пожалуй, самой наукоемкой областью использования композитных материалов является аэрокосмическая. И это тот случай, когда важно не только «что» используется, но и «как». То есть придумать подходящий для конкретной задачи способ использования материала порой даже сложнее, чем найти сам материал.
В 1963 году в подмосковном Хотьково был создан ЦНИИСМ – Центральный научно-исследовательский институт специального машиностроения. В задачи его сотрудников входили как раз разработки новых способов применения композитов.
Одним из главных изобретений института стала композитная сетка. Ее идею предложил Валерий Васильев, исследователь теории упругости, теории оболочек и в будущем крупный специалист в проектировании конструкций из композитных материалов. Суть идеи такова: использование сетчатой конструкции позволит упрочнить деталь из композитного материала.
Задача создания новых технологий встала перед специалистами ЦНИИСМа в начале 1980-х годов. Тогда работавшие на оборонную промышленность КБ начали разработку принципиально новых стратегических ракетных комплексов, и одной из основных проблем стала необходимость облегчить ракеты, сохранив жесткость и прочность конструкции. Обсуждалось использование легкого прочного углепластика, состоящего из полимерной смолы в качестве матрицы и наполняющих ее волокон углерода, но этого было недостаточно.
Решение оказалось довольно изящным. Еще в конце 19-го века российский архитектор Владимир Шухов разработал технологию сетчатых оболочек из стальных балок. Его гиперболоидные конструкции до сих пор считаются произведениями архитектурного искусства. Эта технология уже неоднократно применялась в авиастроении – ярким примером может служить разработанный в конце 1930-х годов в Англии бомбардировщик Vickers Wellington. Его фюзеляж состоял из перекрестных спиральных ребер, благодаря чему корпус самолета не разрушался при повреждении отдельных частей.
Рабочая группа во главе с Валерием Васильевым занялась исследованиями влияния сетчатой структуры на оболочки из композитных материалов. Окончательно технология была отработана к концу 1980-х годов. Были разработаны станки с программным управлением, позволявшие изготавливать из современных композитов – например, углепластика – сетчатые цилиндры для ребер жесткости и другие детали ракет. Произведенные по этой технологии компоненты оказывались прочнее и легче, чем сделанные из сплошных листов того же композитного материала или металлического сплава.
Использование сетчатых структур позволило создать ракетные комплексы «Молодец» встали на вооружение советской армии, а впоследствии послужили основой для знаменитых РК «Тополь-М». Сейчас по технологии Васильева производятся детали ракеты-носителя «Протон-М». В частности, из композитной сетки сделаны адаптеры переходных отсеков, соединяющих носитель с космическим кораблем – по весу они выигрывают у американских аналогов.
Современность
Разумеется, перечисленные технологии – лишь малая доля того, что разрабатывалось в советских НИИ. Часть старых разработок осталась лежать в архивах, но некоторые проекты продолжают изучать уже российские ученые. Тот же Валерий Витальевич Васильев, академик РАН, по сей день занимается механикой композитных конструкций в составе соответствующего совета РАН, входит в редколлегии профильных изданий и работает заместителем главного инженера ЦНИИСМ. Его коллеги в различных КБ создают новые композитные материалы и придумывают способы использования уже созданных.
Хотя вклад российских ученых в разработку современных композитных материалов малоизвестен, он есть. На Урале создают сотовые композиты из препрегов, в Санкт-Петербурге проходят испытания суперконструкционного термостойкого пластика, Ульяновск обеспечивает замену санкционного американского композита в отечественном проекте сверхпрочного композитного крыла для самолета МС-21.
В целом прогнозы на ближайшее будущее впечатляют. Консалтинговая компания NeoAnalytics в ходе исследований российского рынка композитных материалов пришла к заключению, что по использованию композитов Россия пока отстает от США и Европы. Но темпы роста производства позволяют с уверенностью сказать, что в течение нескольких лет Россия может стать лидером в этой области.
И надо сказать «спасибо» тем советским инженерам, ученым и изобретателям, которые стояли у истоков. Они оставили после себя сильную научную школу и производственную базу, которую сильно потрепало за время перемен и которую их преемники сейчас успешно возрождают.
Поделиться в сети
Facebook Twitter Pinterest LinkedIn VK 
Happy 0 0 % 
Sad 0 0 % 
Excited 0 0 % 
Sleepy 0 0 % 
Angry 0 0 % 
Surprise 0 0 %
