Что такое композиционные материалы и как они стали неотъемлемой частью нашей жизни, узнали слушатели лекций популяризатора композитов Фёдора Новикова, которые состоялись в Ульяновске 12 и 13 ноября в рамках федерального проекта «Энергия науки» сети Информационных центров по атомной энергии (ИЦАЭ).

Фёдор Новиков – заместитель директора Департамента по связям с общественностью «Росатом. Композитные технологии», основатель проекта «Росатом. Композиты внутри», популяризатор науки, а также музыкант-мультиинструменталист.  

«Энергия науки» началась с лекции «Росатом. Композиты внутри. Российские технологии и проекты» для студентов-материаловедов Ульяновского технического университета.
Фёдор объяснил, что композит — это неоднородный сплошной материал из двух и более компонентов, которые в сочетании дают новый материал с характеристиками, отличными от характеристик отдельных составляющих: можно сказать, что при создании композитного материала действует формула 1+1=3.  

Армирующий компонент определяет механические характеристики материала — его прочность, жёсткость и деформируемость. Матрица, или связующее, обеспечивает монолитность материала, передачу напряжения в армирующем материале и стойкость к различным внешним воздействиям.

«Проще всего понять, что такое матрица и что такое армирующий компонент, на примере железобетона. Армирующий компонент в нем – металлические стержни, а матрица – заливаемый бетон. Эчпочмак по сути тоже композит: тесто – матрица, а армирующий компонент – начинка», — привел примеры спикер.

В XIX и XX веках началась настоящая революция в области материалов. В 1930-е годы появилось стекловолокно, а в 1960-е было организовано его промышленное производство. Еще один важный компонент композитов – углеродное волокно – материал, состоящий из элементарных волокон, или филаментов, диаметром в 10 раз тоньше волоса. Впервые такое волокно было получено американским изобретателем Томасом Эдисоном для нитей накаливания в электрических лампах.

Углеволокно отличается высокой прочностью и малой массой: оно прочнее стали и легче алюминия. Благодаря этим свойствам оно незаменимо в авиации, транспорте, энергетике, медицине и других сферах, в том числе в атомной отрасли.

Основным сырьём для производства углеродного волокна служит полиакрилонитрильный прекурсор (ПАН-прекурсор). Производственная цепочка включает добычу нефти, производство акрилонитрила, синтез полиакрилонитрила и его осаждение в процессе формования волокна. Качество ПАН-прекурсора определяет 70–80% свойств будущего углеродного волокна, в первую очередь его прочности. Технология производства ПАН-прекурсора считается важной частью технологического суверенитета: приобрести готовую технологию невозможно.

Углеволокно активно применяется во многих областях промышленности. Например, в атомной отрасли из него изготавливают ротор газовой центрифуги для разделения изотопов урана при производстве ядерного топлива, а также для разделения изотопов других химических элементов.

«Композитный дивизион Росатома включает 15 заводов в 13 регионах России с полной производственной цепочкой по стекло- и углекомпозитам — от песка до ветролопастей и от продуктов переработки нефти до крыла самолёта МС-21», – подчеркнул эксперт.

Вечером гостей ИЦАЭ Ульяновска ждала лекция «Музыка композитов». Начать лекцию Фёдор Новиков решил нестандартно: исполнил на карбоновой гитаре авторское произведение «Ульяновск 2025» – таким образом композиты получили своё звучание. 

На заре человечества практически все материалы имели природное происхождение: кости, рога, кишки животных, кожа, металлы и др. Это была эпоха натуральных материалов в музыке. В целом звук инструментов этой эпохи был органичным и «живым», но оставался тихим и нестабильным из-за чувствительности натуральных материалов к влажности и температуре.

«Современные технологии позволяют создавать инструменты и музыкальные изделия из композитов. Они не боятся никаких погодных условий – хоть в баню бери. Инструмент не изменит ни звучания, ни структуры – в этом и уникальность композитных материалов. Мою карбоновую гитару делали в Ульяновске. Этот же материал используется для производства крыльев и фюзеляжей самолетов МС-21», — отметил спикер.

На следующий день Фёдор Новиков прочитал лекцию «Что общего у самолёта, скейта и гитары?» в Инженерном лицее №102. Он рассказал, что композиты сейчас применяются практически везде, и продемонстрировал их использование в космосе, авиации, спорте, медицине, атомной и ветроэнергетике. Много композитов и в окружающих нас предметах – от мебели до обложки на паспорт (и показал такую).

 «Мы часто слышим, что композиты – это очень популярный сейчас материал. Но мало кто знает, что в древнем Египте и Месопотамии люди укрепляли глину соломой, чтобы строить более прочные дома. Это один из старейших материалов – саман – по своей структуре композит. Есть ещё более древняя находка — кусок фанеры в одной из египетских усыпальниц, примерно 2 600 г. до н.э.», — отметил спикер.

Использование композитных материалов позволяет уменьшать массу конструкций и повышать их эффективность.  Особенно это актуально в авиации и космонавтике.

«Наш российский авиалайнер МС-21 оснащён первым в мире композитным, так называемым «чёрным» крылом, и его изготавливают здесь, в Ульяновске», — подчеркнул Фёдор Новиков.

В современных пассажирских лайнерах, таких как Boeing 787 Dreamliner и Airbus A350, доля композитов может достигать 50%. При замене стеклопластика на углепластик масса ракеты-носителя «Протон-М» уменьшилась на 1,5 тонны.

«Я до лекции не думал, что наш регион так связан с композитами. Про чёрное крыло и завод ветролопастей я знал, но то, что первый в России композитный мост был построен в 2019 году в селе Языково, узнал впервые. И, конечно, карбоновая гитара – это невероятно, а сделали её недалеко от моего дома. Давно занимаюсь музыкой, теперь мечтаю сыграть на композитном инструменте», — поделился эмоциями слушатель Всеволод Яковлев.

«Энергия науки» — проект сети ИЦАЭ, призванный знакомить жителей регионов с новейшими научными открытиями и идеями, чтобы формировать у аудитории широкую картину современной научной жизни.