Углеродистая композиция

Углеродистая композиция — это искусственный или природный композиционный материал, в котором основным компонентом (матрицей или наполнителем) выступает углерод в различных аллотропных модификациях (графит, алмаз, углеродные волокна, фуллерены, графен). В широком смысле термин охватывает все материалы, содержащие углерод в качестве структурообразующего элемента, от традиционных углерод-углеродных композитов (УУКМ) до современных наноструктурированных систем.

Классификация

Углеродистые композиции классифицируют по нескольким признакам: по типу матрицы, по форме и размерам наполнителя, по способу получения.

По типу матрицы

• Углерод-углеродные композиты (УУКМ) — матрица и наполнитель выполнены из углерода. Обладают высокой термостойкостью (до 3000 °C в инертной среде) и прочностью. Применяются в ракетно-космической технике (сопла двигателей, тормозные диски).
• Углерод-полимерные композиты — углеродное волокно или ткань, пропитанные полимерной смолой (эпоксидной, феноло-формальдегидной). Легкие, прочные, используются в авиации, автомобилестроении, спортивном инвентаре.
• Углерод-металлические композиты — углеродные волокна или частицы в металлической матрице (алюминий, медь, никель). Повышают износостойкость и теплопроводность.
• Углерод-керамические композиты — углеродный наполнитель в керамической матрице (карбид кремния, оксид алюминия). Отличаются высокой твердостью и химической стойкостью.

По форме наполнителя

• Дискретные волокна — короткие отрезки углеродного волокна (длиной 1–50 мм). Используются в литьевых композитах.
• Непрерывные волокна — нити, жгуты, ленты. Обеспечивают максимальную прочность в заданном направлении.
• Тканые структуры — углеродные ткани, трикотаж, нетканые полотна. Позволяют создавать композиты с равномерными свойствами.
• Наноразмерные наполнители — фуллерены, нанотрубки, графен. При малом содержании (0,1–5%) значительно улучшают механические и электрические характеристики.

История

Первые углеродистые композиции были созданы в конце XIX века для изготовления электродов и щеток электрических машин. В 1950-х годах в СССР и США начались работы по созданию углерод-углеродных композитов для ракетной техники. В 1960-х годах были разработаны технологии получения высокопрочных углеродных волокон из полиакрилонитрила (ПАН). К 1970-м годам углеродные композиты стали применяться в авиастроении (крылья, хвостовое оперение). В 1990-х годах с открытием фуллеренов и углеродных нанотрубок началась эра наноструктурированных углеродистых композиций.

Свойства

Углеродистые композиции обладают уникальным сочетанием свойств, недостижимым для традиционных материалов:

• Высокая удельная прочность — прочность на единицу массы в 5–10 раз выше, чем у стали.
• Термостойкость — УУКМ сохраняют работоспособность до 3000 °C в бескислородной среде.
• Химическая инертность — устойчивы к большинству кислот, щелочей и органических растворителей.
• Электропроводность — от проводящих (графит) до полупроводниковых (алмаз) свойств.
• Низкий коэффициент теплового расширения — близок к нулю, что обеспечивает стабильность размеров при нагреве.
• Биосовместимость — некоторые виды углеродных композитов (например, пиролитический углерод) используются в медицине для протезирования клапанов сердца.

Производство

Основные технологии получения углеродистых композиций:

1. Пропитка и карбонизация — углеродный наполнитель пропитывают полимерным связующим, затем подвергают пиролизу (нагреву без доступа кислорода) для превращения связующего в углерод. Процесс может повторяться многократно для уплотнения.
2. Химическое осаждение из газовой фазы (CVD) — углеродсодержащий газ (метан, пропан) разлагается на поверхности наполнителя, образуя пиролитический углерод. Позволяет получать высокоплотные композиты.
3. Спекание — смесь углеродных порошков с вяжущим прессуют и нагревают до 2000–3000 °C. Используется для изготовления графитовых и углерод-керамических композиций.
4. Нанесение покрытий — методы плазменного напыления, лазерной абляции, электрохимического осаждения для создания тонких углеродных слоев на различных подложках.

Применение

Авиация и космонавтика

Углеродистые композиции составляют до 50% массы современных самолетов (Boeing 787, Airbus A350). В космической технике из УУКМ изготавливают сопла ракетных двигателей, носовые обтекатели, теплозащитные экраны. Например, в ракете-носителе «Протон-М» используется углерод-углеродный композит для сопловых насадок.

Автомобилестроение

Карбоновые кузовные панели, тормозные диски, валы и подвески. Углеродистые композиции применяются в гоночных автомобилях (Формула-1), а также в премиальных серийных моделях (BMW i3, Lamborghini Aventador).

Энергетика

Лопасти ветрогенераторов длиной до 100 м изготавливаются из углерод-полимерных композитов. В ядерной энергетике УУКМ используются для графитовых замедлителей и оболочек тепловыделяющих элементов.

Медицина

Из углеродистых композиций производят искусственные клапаны сердца, эндопротезы суставов, зубные имплантаты, хирургические инструменты. Пиролитический углерод обладает высокой биосовместимостью и износостойкостью.

Спорт и рекреация

Карбоновые велосипеды, теннисные ракетки, клюшки для гольфа, удилища, лыжные палки. Благодаря малому весу и высокой жесткости эти изделия обеспечивают спортсменам преимущество.

Перспективы

Развитие углеродистых композиций связано с нанотехнологиями. Внедрение графена и углеродных нанотрубок позволяет создавать материалы с рекордными показателями прочности (до 130 ГПа) и электропроводности. Ведутся исследования по созданию самовосстанавливающихся углеродных композиций, интегрированных с датчиками и актуаторами. В России разработкой углеродистых композиций занимаются НИЦ «Курчатовский институт», ВИАМ, МГУ имени М.В. Ломоносова.

Критика и ограничения

Основные недостатки углеродистых композиций:

• Высокая стоимость — особенно для аэрокосмического и медицинского применения.
• Сложность утилизации — углеродные волокна не разлагаются в природе, требуют специальных методов переработки.
• Хрупкость при ударных нагрузках — многие углеродные композиты разрушаются без пластической деформации.
• Чувствительность к концентраторам напряжений — отверстия, резьба, острые кромки снижают прочность.

Источники

1. Углерод-углеродные композиционные материалы / под ред. В.И. Костикова. — М.: Металлургия, 1985.
2. Композиционные материалы на основе углерода: свойства, технологии, применение / А.С. Филатов, В.Н. Барабанов. — М.: Наука, 2008.
3. Carbon Composites: Composites with Carbon Fibers, Nanofibers, and Nanotubes / Ed. by P. Morgan. — Elsevier, 2016.
4. Материалы для авиационной и космической техники / под ред. Е.Н. Каблова. — М.: ВИАМ, 2012.
5. ГОСТ Р 57940-2017 «Композиты углерод-углеродные. Технические условия».