Узнать больше о том, что такое композиционные материалы и где они применяются, смогли кировчане 13-14 ноября на лекциях Фёдора Новикова– заместителя директора департамента по связям с общественностью «Росатом Композитные материалы». Эксперт посетил Киров в рамках проекта «Энергия науки» сети Информационных центров по атомной энергии (ИЦАЭ).

«Композитный, или композиционный материал – это неоднородный сплошной материал из двух и более компонентов, которые в сочетании приводят к появлению нового материала с характеристиками, отличными от характеристик отдельных компонентов. У композитов есть армирующий компонент, который определяет прочность, жёсткость и деформируемость материала, и связующая матрица, которая обеспечивает монолитность материала, передачу напряжения и стойкость к различным внешним воздействиям, – начал свою лекцию эксперт.

Обращаясь к истории, Фёдор рассказал о том, что к первым композитам можно отнести фанеру (самый старый кусок фанеры найден в Египте в одной из усыпальниц), глину и солому (в Древнем Египте люди укрепляли глину соломой) и лук (монгольские воины создавали мощные луки, склеивая дерево, рог и сухожилия).

Спикер объяснил, что практически все структурные материалы в живой природе являются композитами. В древесине упрочняющая арматура – это целлюлозные волокна, а соединяющая матрица – лигнин и гемицеллюлоза. В костях арматура – волокна коллагена, а матрица – кристаллы гидроксиапатита. «Даже наша кожа, сухожилия, хрящи – всё это сложные натуральные композиты, где волокна коллагена и эластина погружены в матрицу из других белков и веществ», — подчеркнул эксперт.

Композитные материалы бывают с полимерной, углерод-углеродной, металлической и керамической матрицей. Армирующий компонент может быть разным по структуре: в виде тонкодисперсных частиц, армированных волокон и нитевидных кристаллов, а также в виде тонких слоёв (плёнок, пластин, тканей).

Революция произошла в XIX веке, когда впервые было организовано производство стекловолокна и впервые получено углеволокно Томасом Эдисоном. Дальше стартовала эра пластиков, когда были разработаны полиэфирные смолы, винил, фенол. Наконец, в XX веке изобрели стеклопластик и углепластик, что стало настоящим прорывом в отрасли.

Основой для создания современных углеродных волокон служит ПАН-прекурсор — специальное сырье на основе полиакрилонитрила. «ПАН – это основа технологического суверенитета, это технологию нельзя купить. Владеют такой технологией сейчас только 12 стран в мире, включая Россию», — подчеркнул спикер.

Процесс его производства является многоэтапным и технологически сложным. Получение ПАН-прекурсора начинается с добычи нефти, из которой в дальнейшем производится акрилонитрил — ключевой мономер для синтеза полимера. На следующем этапе осуществляется синтез полиакрилонитрила и его осаждение в процессе формования волокна. На стадии формования полимерный раствор под высоким давлением пропускается через фильеры, в результате чего образуются тонкие белые нити будущего углеволокна. После этого полученные волокна проходят обязательную стадию сушки для удаления остатков растворителя.

Дальнейшие этапы производства, включая высокотемпературную обработку, позволяют преобразовать эти белые нити в сверхпрочные и легкие углеродные волокна, широко востребованные в разных сферах.

«Композиты сейчас применяются практически везде», — рассказал Фёдор Новиков. Он показал широкое применение композитов в спорте, авиации, автомобилестроении, ветроэнергетике, космосе, строительстве, медицине, судостроении и производстве предметов потребления – вплоть до чехла телефона. Композитные материалы применяются также и в атомной отрасли – например, для изготовления роторов газовых центрифуг, которые используются при обогащении урана.

«Росатом обладает единственной в России, СНГ и Восточной Европе полной производственной цепочкой по углекомпозитам и полной технологической цепочкой по стеклопластикам», — с гордостью подчеркнул эксперт. Композитный дивизион «Росатома» включает в себя 17 заводов в 13 регионах России. На предприятиях реализована полная производственная цепочка по стекло- и углекомпозитам: от песка до ветролопастей и от продуктов переработки нефти до крыла самолета МС-21.

Большое внимание Фёдор Новиков уделил теме переработки композитов, рассказав о том, что учёные работают над созданием перерабатываемых композитных материалов, которые можно использовать повторно.

«Композиты реализуют мечты. Этот материал помог людям реализовать то, что они хотели», — завершил свою лекцию спикер.

На следующий день в Детском космическом центре прошло научно-популярное ток-шоу «Разберём на атомы», в ходе которого эксперты разобрали тему композитов с разных сторон.

Фёдор Новиков также рассказал зрителям об углеволокне, его истории и технологиях производства. О том, как сегодня композитные материалы применяются в авиа- и ракетостроении, слушатели узнали от Сергея Соловьёва, методиста планетария Музея К. Э. Циолковского, авиации и космонавтики.

«Применение композитных материалов в авиационно-космической отрасли обеспечивает ряд ключевых преимуществ. К ним относится значительное снижение веса конструкции самолёта или ракеты, которое может достигать 20-30%. Это, в свою очередь, приводит к существенной экономии топлива. Кроме того, увеличивается ресурс планера летательного аппарата. Важным свойством также является радиопрозрачность, которая обеспечивает снижение радиолокационной заметности объекта», — рассказал Сергей Соловьёв.

Исторически первым композитным материалом в авиации стала авиационная фанера, широко применявшаяся в XX веке. В конструкции советских истребителей ЛаГГ-3 и Ла-5 использовались детали из дельта-древесины, что было вызвано острым дефицитом дюралюминия в военные годы.

В дальнейшем широкое распространение в ракетостроении получил стеклотекстолит. Из стеклопластика был создан первый цельнокомпозитный самолёт «Винде́кер А-7».

«Корпус ракеты с реактивным двигателем твёрдого топлива фактически является камерой сгорания и должен выдерживать давление горячих газов, что обусловило применение композитов. Ярким примером является первая американская твердотопливная баллистическая ракета «Поларис А-3», корпус которой был изготовлен из стеклопластика методом намотки, что позволило в разы увеличить её дальность полёта», — подчеркнул эксперт.

Современные разработки продолжают эту тенденцию. Так, углепластик используется для создания криогенных топливных баков и головных обтекателей ракет-носителей. «Предприятие «Технология» в Обнинске производит обтекатели из углепластика, что даёт выигрыш в весе более чем на тонну», — рассказал Сергей Соловьёв.

Широкофюзеляжные самолёты, такие как Boeing 787 Dreamliner и Airbus A350, демонстрируют масштабное использование композитов, доля которых в массе планера достигает 52%. «Наш российский авиалайнер МС-21 оснащён первым в мире композитным крылом, серийное производство которого планируется начать к 2027 году», — поделился со слушателями спикер.

Зрители также узнали, что контроль качества и прочности композитных конструкций осуществляется с помощью строгих испытаний. Самый надежный способ — это статические испытания, в ходе которых конструкцию нагружают до возникновения разрушающей деформации, чтобы проверить её предел прочности.

Связь между эволюцией кино и композитных материалов показала культуролог Анастасия Зубарева. По её мнению, кинематограф, являясь синтетическим искусством, интегрирует выразительные возможности литературы, живописи, музыки, фотографии и театра, а его технологическая эволюция неразрывно связана с внедрением новых материалов.

Эксперт выделила ключевые этапы влияния композитов на создание кинематографической реальности. Так, в додекоративную и пост-цифровую эпохи в начальный период истории кино материальный мир фильма, включая такие материалы, как фанера, был тесно связан с театральными традициями. В современную пост-цифровую эпоху, несмотря на развитие технологий, сохраняется ценность осязательности, что проявляется в использовании дерева, картона и других натуральных материалов при создании декораций.

Следующим этапом стало развитие аниматроники, ярким примером которой является фильм «Челюсти» (1975 г.). Это позволило перейти от условных декораций к материальной достоверности, обеспечивая большее погружение зрителя в пространство картины.

Революция CGI (компьютерной графики) принесла новые композитные решения. С появлением компьютерной графики и технологии захвата движения возник новый тип визуальности. Для создания цифровых персонажей, таких как Голлум в исполнении Энди Серкиса, стали активно применяться композиты: анимированный полиуретан, смеси с карбоновыми нитями и текстильные материалы, удерживающие датчики. Кроме того, композитные материалы, включая углепластик и стеклопластик, стали основой для прототипов, используемых при дальнейшей цифровой доработке, как в случае с костюмом Железного человека.

Современный кинематограф вступил в гибридную эпоху, для которой характерно возвращение к «оптической честности». Он комбинирует реальные фактуры, цифровую доработку и материалы нового поколения. «Это способствует возвращению к «оптической честности», когда камера фиксирует естественный свет и текстуры, делая изображение максимально достоверным. Тело в кино теперь часто представляет собой композицию из реальной и цифровой частей, создающих целостное зрелище», — рассказала Анастасия.

По мнению культуролога, композитные материалы сделали кино осязаемым, динамичным, убедительным и выразительным. «Дальнейшее развитие индустрии, включая использование экзоскелетов для операторов и карбоновых кинематических дронов, будет делать ещё больший акцент на натуральности и интеграции ручного труда. Работа над декорациями сегодня – это комплексное сочетание художественного замысла и технического исполнения», — завершила свое выступление спикер.

Проект «Энергия науки» создан сетью ИЦАЭ, чтобы знакомить жителей регионов
с новейшими научными открытиями и идеями. Лучшие популяризаторы, учёные и научные журналисты из разных регионов страны рассказывают о самых передовых экспериментах и теориях, открытиях и гипотезах.