О взаимосвязи и особенностях композиционных материалов

Сегодня о композиционных материалах, наноматериалах и технологиях им сопутствующих говорят много, в том числе и на самом высоком административном уровне. Упоминание новомодных брендов – это как свидетельство причастности или, как минимум, знание сути вопроса.

А между тем, создается впечатление, что не все ясно представляют себе, что подразумевается и как правильно использовать эти понятия. Во всяком случае, наблюдается явный перекос в трактовке понятий и расстановке приоритетов развития этого, безусловно важного направления развития науки, техники и технологий.

Во-первых, в известном списке критических технологий Российской Федерации, утвержденных Президентом РФ, а затем и Правительством, нанотехнологии и технологии создания композиционных материалов разнесены в разные концы списка. А как быть с нанокомпозитами?

Во-вторых, в министерстве промышленности и торговли РФ композиционные материалы записаны за секцией металлургической промышленности, а Союз производителей стекловолокна реализует свои интересы в секции химической промышленности экспертного клуба данного министерства.

И, наконец, анализ публикаций на рассматриваемую тему, состав различных советов и комиссий, данные с выставок и направления деятельности головных организаций, назначенных ответственными за различные аспекты развития нанотехнологий и композиционных материалов, говорят о том, что в области нанотехнологий приоритеты отдаются электронике и смежным с ней отраслям промышленности, а в области композиционных материалов наблюдается перевес в сторону композитов с металлической матрицей, с целью создания высокопрочных, износостойких и теплоустойчивых композиционных материалов, для нужд аэрокосмической и оборонных отраслей промышленности.

Возможно, что на данном этапе своего развития и с учетом финансового кризиса, Россия не может позволить себе большего, но за бортом стратегических интересов остался большой пласт перспективных и востребованных уже сегодня композиционных материалов, без широкого внедрения которых невозможно выпускать конкурентно- способную и необходимую во всех без исключения областях жизнедеятельности и производства, продукцию, соответствующую и превосходящую мировой уровень. В своей недавней истории наше государство уже проходило период развития, когда при безусловных победах в космической сфере и самых быстрых в мире танках, средний уровень развития производства, определяющий уровень жизни большинства граждан, не совсем соответствовал чаяниям самих граждан и уровню жизни в других развитых странах мира, что в конечном итоге привело к известным социальным переменам. Теория о необходимости первоочередного развития отдельных наукоемких направлений развития техники, которые «потянут» за собой остальные отрасли промышленности, на наш взгляд, не оправдала себя, что показала конверсия 90–х годов.

Для начала надо разобраться о каких композиционных материалах мы говорим. На Рис.1 представлена общая классификация композитов по виду связующего (матрицы).

Рис.1

Невозможно в рамках одной статьи рассмотреть и проанализировать, с точки зрения эффективности и необходимости развития, все виды композитов, поэтому рассмотрим самый многочисленный и бурно развивающийся за рубежом вид композиционных материалов с полимерной матрицей (ПКМ – полимерный композиционный материал ) «холодного» отверждения (отверждение при температуре +18-23 оС).

На Рис.2 показана обобщенная структура ПКМ.

Рис.2

На Рис.3 – укрупненная схема основных видов ПКМ.

Рис.3

Здесь представлены как широко известные и применяемые конструкционные ПКМ, так и композиционные материалы недостаточно освоенные для массового внедрения и узко специального назначения, а также перспективные материалы, над которыми еще работают ученые и специалисты. Следует отметить, что и конструкционные материалы находятся в режиме постоянного обновления и совершенствования. Появляются новые виды связующих (матриц), армирующих материалов и наполнителей. Помимо улучшения свойств материалов, продолжаются работы по совершенствованию технологий производства изделий различного производственно-технического назначения, а также технологий сборки, обработки и повышения эксплуатационной надежности готовых сборочных единиц через разработку регламентов по эксплуатации, обслуживанию и диагностике состояний.

Огромные средства, исчисляемые сотнями миллионов долларов, и усилия лучших исследовательских центров направлены на работы, связанные со специальными композиционными материалами. И это не только потому, что результаты работ могут быть широко использованы во всех отраслях промышленности, а главным образом потому, что получаемые материалы обладают уникальными прогнозируемыми свойствами, обеспечивая научно-технический прорыв, стратегическую и экономическую безопасность страны.

Уже сегодня химстойкие ПКМ способны противостоять воздействию практически всех известных химически-агрессивных сред и заменяют традиционные гумировку, металлы и сплавы в конструкциях многих технологических аппаратов и устройств: гальванические ванны и ванны травления, мерники, емкости для хранения и переработки химических ингредиентов, скрубберы , газоходы, кислотопроводы, градирни, отстойники и т.д., и т.п. Замена не ради замены, а с целью повышения надежности, удобства и увеличения сроков эксплуатации, улучшения рабочих параметров, а во многих случаях - с целью снижения стоимости оборудования.

Специальные ПКМ применяются: в тяжелонагруженных узлах трения(подшипники скольжения), работающих без смазки в режимах знакопеременного динамического нагружения; в качестве лопастей судов и рабочих колес насосов в условиях эрозионного и абразивного воздействия; радиопрозрачные экраны радаров; светопрозрачные экраны, сверхпрочные защитные элементы бронежилетов и т.д. Достаточно широко специальные композиты применяются в авиационной и аэрокосмической отраслях производства, поскольку это единственные материалы, отвечающие по своим характеристикам таким требованиям, как малая масса, высокая прочность и жесткость, хорошая стойкость к усталостным и знакопеременным нагрузкам.

Развитие приборо-, авиа- и ракетостроения, химической, машиностроительной , электротехнической и других высокотехнологичных отраслей промышленности требует создания новых полимерных композиционных материалов с улучшенным комплексом специальных свойств, адаптированных к конкретным требованиям эксплуатации. Существенное улучшение свойств композитов достигается введением стабилизированных наночастиц, равномерно распределенных в полимерной матрице. При относительно небольшом содержании наночастиц (до 5% обьема), они образуют дополнительные узлы в матрице и изменяют физико-химические параметры композита. Например, введение наночастиц палладия (Pd), проводит к увеличению прочности композита на сжатие – в 1,5 раза, а введение 3% трехокиси сурьмы существенно улучшает показатели огнестойкости композиционного материала.

Во многом работы с нанокомпозитами носят экспериментальный и закрытый характер, поэтому открытой информации еще мало. Известно, что работы ведутся по многим направлениям, таким как: получение композитов с улучшенными физико-механическими характеристиками, повышение химической стойкости, создание композитов с «эффектом памяти», получение композитов со свойствами самоконтроля и индикации, биополимеры, самоорганизующиеся химические системы и т.д. и т.п.

Все вышесказанное – это попытка дать общее представление об индустрии полимерных композиционных материалов, как большом и очень разнообразном направлении научно-технического прогресса, перспективы развития которого связаны с получением новых материалов с уникальными свойствами широчайшего применения во всех отраслях современного производства.

Работы с композитами надо проводить комплексно, без перекосов в ту или иную сторону, поскольку, во-первых, все перечисленные виды композитов уже нашли свою область применения и их дальнейшее совершенство будет стимулом развития «курируемой» отрасли промышленности. Во-вторых, все составляющие композита (матрица, армирующие материалы, наполнители) – в конечном итоге представляют готовое изделие с определенным набором свойств, и в этом случае нельзя работая над добавками из наночастиц, забывать о разработке новых видов связующего, армирующих материалов или технологиями формования (переработки) композита. И наконец, композиты – относительно молодой вид материалов, завоевывающий все новые позиции для применения в различных отраслях производства, преодолевая, в том числе, и психологические барьеры и доказывая свою состоятельность через эксперименты и опытное производство, поэтому внедрение должно идти по пути от простого к сложному, от разработки материалов с универсальным набором эксплуатационных характеристик, к материалам с узкоспецифическими характеристиками – нанокомпозитам.

Полимерные композиционные материалы сформировались как отдельная наукоемкая отрасль производства, конечный продукт которой – новые конструкционные и специальные материалы для других отраслей промышленности. Только комплексный подход к управлению этой отраслью может гарантировать динамичное, эффективное и созидательное развитие этого направления, обеспечивающего экономическую, стратегическую независимость государства, лидерство в научной и производственной областях.

Комплексное развитие отрасли возможно путем создания специализированных региональных центров, ориентированных, прежде всего, на интересы и специфику региона, заявленные приоритеты развития, и конечно, учитывающие интересы государства. Например, Северо-Запад – судостроение, Московский регион – нанокомпозиты, Самарская область – автомобилестроение, Свердловская область – химическое машиностроение, и т.д. Функции государства – формулировка первоочередных интересов, поддержка, контроль и координация работ.

Преимуществом такого подхода является, прежде всего, факт децентрализации жесткого и всеобъемлющего управления отраслью и наиболее широкое вовлечение всех заинтересованных региональных субъектов предпринимательской и научной сферы в решение важной наукоемкой проблемы, согласно своим возможностям, интересам и традициям, а также повышение оперативности и ответственности в принятии решений по ключевым проблемам отрасли. Региональные центры позволят в масштабах России наиболее полно и равномерно развивать отрасль, сделать прозрачными и доступными результаты работы, поддерживать высокий научно-технический потенциал регионов, создавать новые рабочие места и создать конкуренцию на рынке изделий и услуг, что повысит их качество. С другой стороны, такой подход снизит финансовые нагрузки с Центра, за счет привлечения средств местных бюджетов, заинтересованных в инвестициях в перспективную отрасль производства. Ни одно самое уважаемое ФУГП не в состоянии уделить должное внимание всем аспектам рассматриваемой проблемы, а перекосы и недооценка важности комплексного развития, как уже отмечалось выше, приведет к известным результатам.

Холодников Юрий Васильевич – Генеральный директор ООО СКБ «Мысль»

Альшиц Леонид Исаакович – Технический супервайзер компании Oy Reichhold Ab