На карбоновой кухне: Прочность

«Мы делаем ткани различных номиналов, разных плотностей и структур плетения — все в конечном итоге зависит от того, в каких углепластиковых деталях эти ткани будут использоваться, — объясняет "ПМ" Андрей Антонов, руководитель испытательной лаборатории предприятия.- Для использования в высоконагруженных конструкциях, например в авиации или судостроении, большей частью применяются однонаправленные материалы, где волокно в основном расположено в одном направлении. Там есть небольшое количество поперечных нитей (для скрепления всей ленты), но их процент очень невелик, менее 10%. Особенность таких тканей заключается в том, что они реализуют свои прочностные характеристики точно по линии, вдоль которой лежит волокно. Будущая карбоновая деталь будет состоять из десятков, возможно даже сотен слоев ткани. Если мы знаем, по каким направлениям на деталь будет оказываться наибольшее силовое воздействие, мы имеем возможность расположить ткань именно так, чтобы волокна большей части слоев также легли бы вдоль этих векторов. Это открывает широчайшие возможности для моделирования детали, для задания ей уникальных прочностных свойств».

В цеху также ткутся так называемые равнопрочные материалы, где процент нитей в основе и в поперечном направлении примерно одинаков. В виде углепластика эти ткани применяются как для армирования, так и для создания деталей, не испытывающих чрезмерных силовых нагрузок, зато имеющих более эстетичный вид. Речь идет, например, об углепластиковых деталях для тюнинговых автомобилей, протезах или спортивном инвентаре.

В ткацком цеху по стенам расставлено множество картонных коробок, где хранятся катушки с углеволокном. На одном ящике клеймо завода «Аргон» в Балаково, другой приехал из далекого Тайваня, третий родом из Турции. С заводом «Аргон» понятно: наряду с московским «Препрег-СКМ» он входит в созданный всего лишь в 2009 году холдинг «Композит», объединивший под своим управлением несколько предприятий по производству композитных материалов и имеющий своей задачей развитие в стране композитных технологий. Но почему Турция и Тайвань?

«Мы выпускаем разностороннюю продукцию для разных применений, и, к сожалению, на сегодня наша отечественная промышленность пока не обеспечивает все потребности рынка в углеродных материалах. Приходится использовать в том числе и импортное волокно, — говорит Андрей Антонов. — 30 лет назад в СССР активно работали над технологиями производства углепластиков, внедряли их в авиации, атомной промышленности и других отраслях. Были основаны НИИ "Графит", завод "Аргон". В те времена мы ничуть не отставали от зарубежных фирм, но перестройка и постперестроечная эпоха принесли с собой проблемы с финансированием. К счастью, мощности завода "Аргон" сохранились, но по технологиям мы сильно отстали от западных, а особенно — от японских компаний. Теперь в рамках холдинга "Композит" ставится задача наверстать упущенное».

Чтобы понять, где в черных нитях прячется тот самый хайтек, секреты которого ведущие производители углеволокна хранят как зеницу ока, мы отправились в соседний цех. Там находится лаборатория с оборудованием для производства ПАН-волокон — полупродуктов для изготовления углеволокна. ПАН — это полиакрилнитрил, полимер, получаемый из нефти путем оргсинтеза. ПАН-волокно используется не только в композитной промышленности — из него делают, например, синтетические ковры. Но далеко не каждый производитель таких волокон способен придать им необходимое качество для последующей переработки в углеволокно. Более того, ведущие компании-производители композитных материалов предпочитают делать ПАН-волокно сами для себя, не демонстрируя потенциальным конкурентам даже образцы. Поэтому здесь, в лаборатории научно-исследовательского центра холдинга «Композит», молодые российские ученые пытаются усовершенствовать имеющиеся технологии производства ПАН-волокон и самостоятельно довести их до уровня мировых стандартов, чтобы затем внедрить на предприятиях холдинга.

«Вскоре здесь появится полноценный НИЦ, в котором мы будем изучать и совершенствовать все этапы технологического процесса — от синтеза полимеров до переработки волокон в углеволокно», — говорит Денис Фокин, инженер-исследователь.

Процесс начинается с приготовления полимерного раствора, в котором присутствует полиакрилнитрил, а в качестве растворителя используется диметилсульфоксид (ДМСО). Вязкий прядильный раствор янтарного цвета отфильтровывается с удалением частиц меньше микрона, обезвоздушивается и с помощью шестеренчатого насоса подается в фильеру- экструдер, или, можно сказать, сито с отверстиями диаметром 60−70 мкм. Тончайшие филаменты, или элементарные волокна, попадают в осадительную ванну, где осаждаются с помощью воды. На приемный ролик подается жгутик, состоящий из тысяч филаментов (их число в жгуте может варьироваться от 12 000 до 64 000). Далее его путь лежит в ванну пластификационной вытяжки. Здесь ПАН-волокно вытягивается, приобретая большую прочность за счет ориентации макромолекул. Следующие производственные этапы— промывка (необходимо избавиться от остатков растворителя, который впоследствии помешает получению качественного углеволокна), обработка текстильно-вспомогательными веществами (замасливатели и антистатики нужны, чтобы нить дополнительно не травмировалась при трении и не накапливался статический заряд), далее волокно может подвергаться дополнительной термовытяжке или термофиксации в потоке горячего воздуха. На каждом этапе производства ПАН-волокна присутствуют свои технологические тонкости, без учета которых невозможно получить продукт, удовлетворяющий всем требованиям, предъявляемым к прекурсору (полупродукту). «В нашей стране развитием данных технологий долгое время уделялось мало внимания, — говорит Денис Фокин. — Так, например, на наших предприятиях используется неорганический растворитель — роданистый натрий, в то время как ведущие компании наряду с роданистым натрием широко применяют органические растворители. В настоящее время в нашей компании активно разрабатываются технологии получения ПАН-волокна с использованием органического растворителя ДМСО (диметилсульфоксид), что в перспективе позволит нам выйти на более высокий технологический уровень».

Не менее важны технологические тонкости и на следующем этапе композитного производства — при создании собственно углеволокна. Смысл этого процесса заключается в том, чтобы после обработки в ПАН-волокнах остался минимум примесей, а количество углерода составляло бы 99%. Производство углеволокна включает три основных этапа, каждый из которых связан с воздействием на волокно высоких температур. Первый этап — окисление (при температуре 250°С), второй — карбонизация, в результате которой при температуре около 1500 градусов в волокне образуются графитоподобные структуры, третий — графитизация (при температуре до 3000 градусов из волокон выводятся почти все оставшиеся примеси). В волокне образуются межатомные связи, приближающиеся к кристаллической структуре алмаза, что придает волокну (по направлению вдоль) невероятную прочность. «Наиболее дорогими видами углеволокна считаются очень прочные тонкие нити, состоящие всего из нескольких тысяч филаментов, — говорит Андрей Антонов. — К тонким нитям больше требований при изготовлении. С толстыми жгутами работать легче, и выход больше, но из-за особенностей технологии эти нити не такие прочные».

Итак, готовые углеволокна оказываются в ткацком цеху, однако между тканью и карбоновой деталью стоит еще один этап — предварительной пропитки, или изготовления «препрега» (от англ. prepreg — pre-impregnated, «предварительно пропитанный»).

Интересно, что препреги могут делаться как на основе тканей, так и на основе отдельных волокон, которые укладываются рядом (возможно, с легким нахлестом). Получается нечто вроде однонаправленной ткани, только без поперечных волокон — материал скрепляет связующее вещество на основе эпоксидных смол. И в случае с тканью, и в случае с отдельными волокнами технология создания препрега примерно одинакова — материал из углеволокна выкладывается на лист бумаги, покрытый связующим веществом. Сверху наносится другой слой связующего, поверх которого укладывается еще один бумажный лист. Этот «сэндвич» прокатывается через обогреваемые каландры (систему валиков), которые, подобно асфальтовому катку, придают материалу нужную толщину и плотность. Бумага затем удаляется.

Препрег — готовое сырье для выкладки детали, которая будет состоять из множества слоев пропитанной смолами ткани и подвергнется запеканию в автоклаве. Однако специфика производства заключается в том, что этот финальный этап выполняется не специализированной компанией, производящей композиты, а самим производителем самолетов, кораблей, автомобилей и т. д. «Именно поэтому компаниям, привыкшим работать с металлами, особенно в авиации, порой бывает очень сложно перейти на композиционные материалы, — говорит Андрей Антонов. — Сейчас мы организовываем инжиниринговый центр, который предназначен именно для того, чтобы повышать уровень образованности инженеров этих компаний, помогать с расчетами и проектированием. Надеемся, что это поможет распространению композитных технологий в России».