Применение новых и современных материалов

Создание новых материалов является одной из актуальных задач современного материаловедения. Сегодня процесс создания новых материалов
происходит быстрее, чем когда-либо, что связано с ускорением научно-технического прогресса. Под технологическим развитием производства понимается обновление традиционных и технологически отсталых или экологически вредных производственных технологий.

На смену традиционной схеме технологического процесса «материал — заготовка — деталь» пришел новый процесс получения материала с одновременным формированием детали, иными словами произошло совмещение функций технологий и материаловедения. Область материалов для аддитивных технологий
развивается активными темпами. Металлические порошки находят новые сферы применения в промышленности. При этом крайне актуальной областью
технологического развития становится разработка технологий получения и обработки металлических порошков, применяемых для наиболее высокотехнологичных приложений аддитивных технологий.

Перспективы развития композиционных материалов связаны с развитием двух основных направлений. Первым является управление материалом не только на макро-, но и на нано- и даже атомарном уровнях, что позволяет создавать материалы с более высокими характеристиками. Второе направление касается
совершенствования автоматизированных технологий производства композитных конструкций.

За немногими исключениями, рынок умных материалов и их технологий относительно молод и остается плохо изученным. Большинство современных применений весьма просты или являются производными друг от друга. Но эти материалы найдут более сложное применение, новые реализации и приобретут массовость тогда, когда технологии будут достаточно разработаны.

В России существуют научно-технические заделы в цифровом проектировании новых материалов с заданными свойствами, когда параллельно с процессом проектирования конструкции закладываются свойства, эксплуатационные характеристики и другие требования к материалу, из которого будет изготовлено изделие. Компьютерное проектирование материалов («цифровизация материалов») осуществляется на  нано-, микро- и макроуровне.

Применение композитных материалов как драйвер отраслей ОПК

Дочерние общества корпорации «Ростех», которые специализируются на исследованиях, разработках и производстве инновационных полимерных композитов, серийно производят блоки ПКМ для ракетоносителей «Протон» и «Ангара», около 36% деталей изготовлено из композиционных материалов, что способствовало снижению веса на 12%. Также производятся элементы звукопоглощающих панелей для авиационных двигателей. Масса самолетов ПАК ДА, ПАК ФА, Ил-112 снизилась на 20-30% за счет их использования ПКМ в их конструкции, также уменьшилось количество деталей, сократился срок изготовления и, соответственно, стоимость воздушного судна.

Рисунок 1 — Самолёт ПАК ДА

Для защиты кабины боевых вертолетов применяется керамико-пластиковая броня. Грудной щиток «протектор» и бронированное сиденье экипажа позволили обеспечить круговую защиту вертолета в диапазоне 360° в секторе обстрела.

На сегодняшний день элементы корпусов вертолетов изготавливаются из композитных материалов.

В России лопасти из углеродного волокна используются на модернизированном боевом вертолете Ми- 28НМ и многоцелевых вертолетах Ми-38, Ми-35М. Данное решение привело к увеличению их крейсерской и максимальной скорости.

В конструкциях центроплана, крыла, фюзеляжа и хвостового оперения применяются композитные материалы. Завод «АэроКомпозит-Ульяновск» серийное производит композитное крыло для российского авиалайнера МС-21. Российский многофункциональный истребитель пятого поколения Т-50 (ПАК ФА) имеет фюзеляж из радиопоглощающих композитных материалов. В общей массе пустого самолета их доля составляет 25%. Благодаря использованию композитных материалов количество деталей было значительно уменьшено.

Фюзеляж истребителей МиГ-29К/КУБ и МиГ-35 также на четверть состоит из современных композитов. Для изготовления деталей из углеродного волокна корпорация МИГ запустила специальное производство в г. Луховицы. Используются материалы российского производства, в том числе углеродное волокно. ФГУП «Крыловский государственный научный центр» разработал радиопоглощающие материалы для строительства корветов ближней морской зоны. Подобные исследования с целью получения новых легких радиопоглощающих материалов на основе наноуглеродных соединений для военной авиации успешно проводились в Научно-исследовательском центре Прикладных нанотехнологий в Санкт-Петербурге. Компания «Легар» (г. Санкт-Петербург) освоила производство полимерных консолей для малых и средних судов. Консоли соответствуют всем современным техническим требованиям, а также имеют отличный дизайн.

Фирма «Композит-Проф» разработала и внедрила технологию производства панелей промежуточного слоя, которые используются в качестве среднего слоя трехслойного полимерного композиционного материала. Данный материал используется в производстве плоских участков палуб, переборок, перегородок, надстроек надводных судов, а также кораблей, которые эксплуатируются в море и пресной воде.

Аэрогель для сбора космической пыли

Рисунок 2 — Коллектор ловушки для кометных частиц и звездной пыли для аппарата «Stardust»

Активное применение аэрогеля началось к концу ХХ века, в первую очередь, в космонавтике. 7 февраля 1999 года с помощью ракеты-носителя «Дельта-2» в космос была запущена автоматическая межпланетная станция «Stardust», предназначенная для исследования кометы 81Р/Вильда. Одной из основных задач был сбор кометных проб в виде мельчайших частиц, летящих в хвосте кометы, а также частиц звездной пыли.

Для этого на аппарате был установлена специальная ловушка для улавливания мелких частиц. Она представляла собой решетку, разделенную на 132 ячейки, в которые были размещены блоки кварцевого аэрогеля. Одна сторона решетки была обращена к комете для улавливания ее частиц, другая же сторона была предназначена для сбора частиц звёздной пыли.

За счет низкой плотности аэрогеля микрочастицы, попадая в ловушку, тормозились, не перегреваясь и, соответственно, не разрушаясь.

В последствии данная ловушка благополучно вернулась на Землю для изучения. Данная миссия позволила узнать новые детали о формировании Солнечной системы.

Новый бетон с добавкой графена стал на 150% прочнее обычного

Рисунок 3 — Бетонные блоки с добавкой графена

Графен — материал, состоящий из одного слоя связанных между собой атомов углерода. Он является одним из самых уникальных искусственных материалов в истории человечества. Недавно ученые Университета Эксетера (Великобритания) нашли ему очередное применение – в качестве присадки для создания нового типа бетона.

Для этого команда исследователей разработала технику суспензирования хлопьев графена в воде, после чего полученная смесь добавляется в традиционные бетонные ингредиенты — в цемент и наполнитель. Как сообщается, данный процесс не является затратным и вполне совместим с уже существующими технологиями производства бетона.

В ходе опытов было установлено, что прочность на сжатие графенового бетона по сравнению с обычным выросла на 146%, а прочность на изгиб — на 79,5%, при этом водонепроницаемость снизилась на 400 %. Новый материал полностью соответствует британским и европейским строительным стандартам.

Полученные показатели позволят значительно увеличить срок эксплуатации объектов, построенных из графенового бетона, и снизить его расход при строительстве примерно на 50 %. Это позволит улучшить и экологическую составляющую процесса, поскольку производство цемента является одним из основных источников выбросов СО2. По расчетам ученых, они сократятся на 446 кг/т.

Применение графена для защиты от бактериальной коррозии

Рисунок 4 — Труба с коррозионными повреждениями

Уже в недалеком будущем графен можно будет использовать в борьбе с бактериальной коррозией металлических труб.

В очистных сооружениях широко распространены сульфатвосстанавливающие бактерии, которые живут колониями в виде биопленок на поверхности труб и другого оборудования. Уже через 10 дней после очистки металлических поверхностей бактерии вновь появляются на них, приводя к коррозии и последующему разрушению.

Бактерии поражают трубы и изнутри, даже несмотря на полимерные покрытия, которыми они, как оказалось, вполне успешно питаются. Со временем эти покрытия становятся хрупкими, растрескиваются и их фрагменты попадают в водопровод.

Научный сотрудник Школы горнорудной добычи и технологий Южной Дакоты (США) Говинд Чилкур предложил решить эту проблему, использовав в качестве покрытия труб графен. В ходе лабораторных испытаний он обнаружил, что даже один слой графена толщиной менее 1 нм предотвращает попадание сульфатвосстанавливающих бактерий на внутреннюю поверхность металлических труб.

С учетом того, что графен является одним из самых прочных искусственных материалов, его целесообразно использовать при создании защитных покрытий вместо столь популярных полимеров.

Графеновая пена выдерживает нагрузку в 3000 раз больше собственного веса

Рисунок 5 — Графеновая пена

Графен в большинстве случаев встречается в виде двумерной структуры. Это не позволяет использовать такие его преимущества, как прочность, легкость, электропроводность и теплопроводность. Ученые из Массачусетского технологического института разработали трехмерную версию графена, которая в 10 раз прочнее стали. Теперь их коллеги из Университета Райса использовали углеродные нанотрубки для упрочнения графеновой пены. Полученный трехмерный материал может выдержать нагрузку, превышающую собственный вес в 3000 раз и ему можно придать практически любую форму.

Подобно тому, как обычная металлическая арматура укрепляет бетон, графеновая пена структурируется вокруг углеродных нанотрубок несколькими концентрическими слоями. Ранее ученые уже создавали трехмерную графеновую пену и использовали нанотрубки для укрепления графена в формате 2D. Теперь им удалось объединить в одно целое пену и графеновую арматуру.

Исследователи смешали нанотрубки с порошкообразным катализатором из никеля и сахара для получения углерода. Высушенные гранулы вещества были затем спрессованы в виде винтообразной оснастки. Углерод и сахар при этом превратились в графен, благодаря процессу химического осаждения. После удаления остатков никеля остался чистый углерод.

Исследования показали, что графеновая пена с арматурой из нанотрубок даже при нагрузке в 8500 раз больше своего веса деформируется всего на 25 %. Как уже было сказано, из нее можно изготавливать изделия практически любой формы. Один из первых опытов применения — электроды литий-ионных конденсаторов, которые показали высокую механическую и химическую стабильность.

Применение графена для производства аккумуляторных батарей

Расположенная в китайском Гуанчжоу компания GAC Group объявила о начале испытания инновационных электрокаров на графеновых аккумуляторах. Последние не так давно были представлены другим разработчиком — 3DG.

По словам специалистов, понадобилось время, чтобы изготовить первую партию аккумуляторов нового типа, что позволяет теперь провести полноценные испытания электрокаров.

Графеновые батареи являются новинкой современной индустрии.

Их отличительная особенность — способность быстро аккумулировать электрический заряд. Нужно всего 8 минут, чтобы заполнить батарею от нуля до 85%. Это решает проблему с мобильностью машин на электрической тяге. Обычно для зарядки нужно несколько часов.

Использование композитов в строительстве мостов

Рисунок 6 — Мостовая конструкция с применением композитов

Одной из все более расширяющихся областей применения композиционных материалов является мостостроение. Использование стеклопластика открывает перспективный путь строительства мостов из новых материалов. Рассматриваемое строительство — мост длиной 40 метров, протянутый поперек одной из наиболее загруженных железных дорог в Дании. Первый композитный мост изготовлен для железнодорожных переходов.

Ключевым условием создания моста, для одной из наиболее загруженных железных дорог Дании, было то, что он должен был быть установлен в самые сжатые сроки. В то же время сооружение должно было соответствовать определенным практическим и эстетическим критериям. Мост был смонтирован за 16 часов. Работа была выполнена ночью. Мост состоял из трех компонентов, которые были установлены на опоры с болтами — единственные элементы моста, требующие соединений.

Новый сложный мост был построен в Швейцарских Альпах прошлой осенью. Этот мост состоит из двух элементов, весящих по 900 кг, которые были установлены при помощи вертолета. Элементы были склеены и соединены болтами вместе. Мост, собранный из стали, едва ли смог бы транспортироваться вертолетом. Еще одно преимущество проекта состоит в том, что мост может быть легко демонтирован в случае весенних наводнений.

Лопасти ветрогенераторов из углеродного волокна вместо стекловолокна

Рисунок 7 — Ветрогенераторы с лопастями из углеродного волокна

Такие крупные компании как Vestas Wind Systems и Gamesa Technology Сorporation разработали свои турбины с использованием карбонового волокна и, в силу этого, вся стоимость системы меньше, чем система с полностью стекловолоконными лопастями. Плотность карбонового волокна (1,7-1,8 г/см3) много меньше, чем плотность стекловолокна (2,5 г/см3), при этом его давление (220-240 ГПа) гораздо больше, чем у стекловолокна (72 ГПа). Таким образом, становится возможным изготовление более тонких лопастей.

Более тонкие, а соответственно более легкие лопасти требуют менее надежные турбины и компоненты башни, поэтому экономия на каскад оправдывает дополнительные затраты на углерод. Это позволило увеличить КПД турбины. Например, переход на карбоновое волокно позволило Vestas, на начальном этапе, чтобы добавить 5 м/16 футов в длину лопасти без дополнительного утяжеления. Турбина Vestas V112-3MW предназначена для низкого и среднего ветра и имеет длину лопасти 54,6м/179-футов. Эти лопасти имеют такую же ширину, как 4 м/144-футовых лопасти компании, но их площадь составляет на 55 процентов больше. В результате выходная энергия значительно выше.

Компания GE Energy (Greenville) представив лопасти нового поколения из карбонового волокна, лопасти имеют длину 48,7 м/160 футов для турбин 1,6-100. Старший ведущий инженер энерго-производственных технологий GE, отметил, что при большей автоматизации и совершенствования производственных процессов из углеродного волокна, приведет к увеличению длины лопасти в системе 1,6 МВт, что позволит увеличить КПД системы. Решение компании GE поставить ротор диаметром 100 метров (328 футов) на турбине 1,6 МВт обратило внимание многих компаний в отрасли ветроэнергетики.

Использование металлопорошка и аддитивных технологий в производстве

Компания General Electric (GE) заявила о готовности к массовому производству топливных форсунок для своего нового турбовинтового двигателя LEAP с помощью процесса DMLS из кобальтохромового порошка. GE отметила, что может производить по меньшей мере 25 000 форсунок в год (одному двигателю требуется 19 форсунок).

Компания Westinghouse Electric сообщила, что применила 3D-печатный компонент ядерного реактора — заглушку тепловыделяющей сборки, загруженной в реактор первого блока АЭС «Байрон» в штате Иллинойс.

«Всероссийский институт легких сплавов» в феврале 2018 года сообщил о том, что полученные им металлические порошки были использованы в качестве материала для жаровой трубы камеры сгорания турбореактивного двигателя ДГ-4М, применяемого в ракетных комплексах. Труба была изготовлена Самарским национальным исследовательским университетом им. академика С.П. Королева методом селективного лазерного сплавления, относящегося к аддитивным технологиям.