4. Перспективы применения композитных материалов

Современный уровень развития техники вызывает необходимость создания новых материалов, обладающих особыми, не присущими природным материалам свойствами. К таким новым материалам относят композитные материалы.

Новые композитные материалы на основе реактопластов, армированных волокнами, обладают свойствами, превышающими по некоторым показателям свойства традиционно применяемых материалов (стали, алюминиевых и титановых сплавов, древесины) причем, чем выше удельные характеристики композита, тем легче или прочнее конструкция.

Уникальность композитов также состоит в том, что можно заранее спроектировать материал таким образом, чтобы придать изделию из него свойства, необходимые для конкретной области применения.

Благодаря своим свойствам, они могут применятся практически во всех отраслях промышленности. Например, для современной ракетно-космической техники характерно интенсивное использование новых материалов, технологий и перспективных конструкций на их основе. Развитие коммерческой сферы применения новых технологий и техники в космосе и мировая конкуренция за получение заказов на доставку полезных грузов на орбиту Земли стимулируют снижение стоимости запуска груза и заставляют разработчиков ракетно-космической техники активно применять композиты для оптимизации энергомассовых характеристик ракет-носителей, увеличению объема полезного груза. Из композитов изготавливают: оболочки головных обтекателей, обтекатели ступеней, приборные рамы и воздуховоды ракет-носителей; оболочки, трубы, силовые профили для космических телескопов и спутников; тепловые панели систем терморегулирования космических аппаратов; теплозащитные покрытия для космических аппаратов и т.д.

Мировое авиастроение в настоящее время активно осуществляет переход от металлов к композитным материалам. Основные авиастроительные компании (Airbus и Boeing) заменяют алюминий и другие материалы при производстве деталей самолетов (фюзеляжей, крыльев, закрылок, килей, стабилизаторов, люков и дверей, окантовок иллюминаторов, элементов интерьера и т.д.) на высокоэффективные композиты низкой плотности для снижения массы своих самолетов. Это приводит к сокращению эксплуатационных расходов для авиаперевозчиков и создает конкурентные преимущества для производителей подобных машин. Экономия на эксплуатационных расходах образуется за счет более низких затрат на топливо и меньшей потребности в материально-техническом обслуживании, необходимость которого возникает при использовании металлов из-за их усталости и коррозии.

Композиты по-мимо высоких прочностных арактеристик, обладают высокой коррозионной стойкостью и дрофобностью, что обуславливает их применение в судостроение. Применение композитов также позволяет снизить вес конструкций, в результате чего уменьшается расход топлива и увеличивается маневренность судов. При создании изделий, редназначенных для спасения людей при пожаре на воде, применяют композиты с высокой тепло- и огнестойкостью.

Композиты широко применяются при производстве еталей и узлов в автомобилестроении и сельскохозяйственном машиностроении. Основные достоинства композитов для данных отраслей промышленности: коррозионная стойкость, повышенная стойкость к повреждениям, звукопоглощение, малый вес, экономичность. Благодаря использованию легких и облегченных композитов снижается общий вес автомобильной и сельскохозяйственной техники, а значит, экономится топливо при его эксплуатации.

Кроме того, насыщение современной техники ектроникой означает увеличение числа корпусов, готавливаемых из широкого ассортимента прочных и теплостойких композитов. Мало- и среднегабаритные детали и изделия для автомобильной и сельскохозяйственной техники из композитов производятся крупными сериями.

Современные композиты применяются при производстве подвижного железнодорожного состава, как пассажирского, так и грузового, что обеспечивает его облегчение, дешевление, долговечность и меньшие затраты на эксплуатацию. Весовые показатели особенно важны для высокоскоростного движения на существующих линиях.

Снижение массы является определяющим критерием для обеспечения оптимального расположения центра тяжести кузовов вагонов, что очень важно для наклона кузова при движении в кривых с высокой скоростью. Оптимизация массовых показателей обеспечивается использованием многослойных конструкций из композитов в элементах оснащения вагонов. Очень актуально применение композитов при производстве грузового подвижного состава, предназначенного для транспортировки агрессивных сред (вагоны и цистерны).

В гражданском строительстве композиты применяются в качестве строительных материалов различного назначения, готовых изделий для благоустройства прилегающих к зданиям и сооружениям территорий, а также в жилищно-коммунальной сфере.

Применение композитов обеспечивает cокращение общих расходов на строительство и последующую эксплуатацию, повышение производительности, cнижение веса конструкций и изделий, устойчивость конструкций к коррозии и их долговечность, а также решает проблему изношенности трубопроводных систем. Для примера из композитов изготавливают: композитные сэндвич-панели, соединительные элементы для трехслойных ограждающих конструкций, арматуру для армирования бетона, светопрозрачную кровлю, профили для окон, внешние трубопроводные системы для водоснабжения и канализации, детские площадки, бассейны, фонтаны, скамейки и т.д.

В промышленном строительстве композиты применяются при строительстве систем вентиляции и дымоотведения, водоснабжения, канализации и отвода сточных вод, шлакоудаления. Активно применяются композиты на предприятиях горно-обогатительной, химической и нефтехимической, целлюлозно-бумажной промышленности, цветной металлургии (трубопроводы и емкости для транспортировки и хранения агрессивных жидкостей химического и нефтехимического производства, масло- и бензопроводы, автоклавы, скрубберы, гальванические ванны и т.д.).

Основный принцип на всех дорогах мира - принцип обеспечения безопасности движения. Установка пешеходных мостов через автомобильные и железные дороги, а также безопасных столбов освещения, информационных щитов и остановок общественного транспорта обеспечивает соблюдение этого принципа. Применение современных композитов позволяет не только быстро произвести монтаж подобных конструкций, не прерывая основного движения (что очень актуально, особенно в больших городах), но и обеспечить необходимый уровень безопасности.

Одним из уникальных свойств композита можно считать способность перераспределять энергию удара, в результате чего, композитный элемент деформируется, гася приложенную силу удара. Особенно актуально в этой связи применение стеклокомпозитных опор освещения. Немало летальных исходов происходит именно из-за столкновения транспортных средств с бетонными столбами, не способными к упругой деформации. Стеклокомпозитный столб перераспределяет энергию удара, деформируясь и смягчая удар при столкновении.

В настоящее время при прокладке магистральных трубопроводов нефти и газа и решении других различных задач (в том числе стоящих перед подразделениями

Министерства обороны РФ) начинают активно применяться мобильные дорожные покрытия из стеклокомпозита.

Кроме того, композиты применяются при прокладке собственно железнодорожных путей, а также создании защитных стен для укрепления железнодорожного полотна в сложных горно-геологических условиях, что повышает безопасность движения железнодорожного транспорта.

Благодаря возможности изготавливать крупногабаритные высокопрочные изделия, стойкие к изменяющимся погодным условиям и осадкам, композитные материалы активно применяются при производстве ветроэнергетических установок.

Особенно это распространено в Европе, где сказывается недостаток природных ресурсов.

Но все природные ресурсы исчерпаемы, а значит подобный переход актуален и для России. В настоящее время достаточно перспективна такая отрасль альтернативной энергетики, как ветроэнергетика.

При разработке инвентаря для спорта и активного отдыха во всем мире широко используются высокие технологии и новейшие материалы (в первую очередь композиты).

Сегодня индустрия спорта - это индустрия больших побед не только спортсменов, но и проектировщиков и производителей спортинвентаря. Без современных материалов не были бы достигнуты рекордные скорости и высоты. Кроме того, все более высокими становятся требования, предъявляемые к качеству спортивной продукции, запасу прочности и надежности, которые и обеспечивают современные композиты. И это вполне оправданно, поскольку из-за недостаточной надежности спортивных товаров имеют место случаи травматизма и гибели спортсменов.

В Российской Федерации уже сложились все базовые предпосылки для формирования самостоятельной композитной отрасли, ведь вне зависимости от того где применяются изделия из композитов, основные технологические приемы их переработки остаются одними и теми же. Однако до сих пор эта трасль пребывает в зачаточном состоянии.

Основные причины:

- технологическая отсталость отечественного производства, причем, как производства исходного сырья (смолы и армирующие материалы) так и конечных продуктов - композитных изделий;

- отсутствие крупных потребителей композитных изделий в тех отраслях промышленности, где композиты способны заменить традиционные;

- отсутствие действующей и работоспособной системы технического регулирования, отсутствие современных стандартов, регламентирующих производство и методы испытаний композитов.

Решение данных проблем, создаст необходимые условия по существенно более широкому применению реактопластов, армированных волокнами в различных отраслях промышленности РФ.

Современный уровень развития техники вызывает необходимость создания новых материалов, обладающих особыми, не присущими природным материалам свойствами. К таким новым материалам относятся стеклопластики.

Стеклопластики являются важнейшим представителем группы полимерных материалов широкого спектра использования, перспективных с точки зрения изготовления, технологичности, долговечности и ремонтопригодности. Высокие физико-механические показатели, а также стойкость к воздействию агрессивных сред определили широкое применение этих материалов во многих областях промышленности и сферах жизнедеятельности человека.

Стекловолоконный наполнитель обеспечивает прочность и жёсткость стеклопластика. Связующее придаёт материалу монолитность, способствует эффективному использованию механических свойств стеклянного волокна и равномерному распределению усилий между волокнами, защищает волокно от химических, атмосферных и других внешних воздействий, а также само воспринимает часть усилий, развивающихся в материале при работе под нагрузкой. Кроме того, связующее придаёт материалу способность формовать изделия различных форм и размеров.

Области применения стеклопластиков постоянно расширяются, поэтому труд назвать отрасль промышленности, где бы они не применялись: от радиоэлектроники авиа- и ракетостроения, от деталей автомобилей, катеров, яхт, до деталей космических кораблей. В передовых странах стеклопластик используется как конструкционный материал при сооружении вентилируемых фасадов, оконных систем, зданий, мостов и несущих конструкций.

В мире строительства во все времена остро стояла проблема прочности и долговечность строительных конструкций. Не является исключением и область мостостроения. Срок службы пролётных конструкций из железобетона или стали предположительно составляет 80-100 лет, однако, фактически не превышает 40-50 лет. Причиной такому короткому сроку службы пролетных строений являются следующие факторы:

- использование в зимний период реагентов;

- перепад температур;

- воздействие агрессивных сред;

- усталостные разрушения (возникновение и рост трещин).

Решить проблему долговечности пролётных строений возможно благодаря использованию стеклопластиковых материалов. Такие конструкции обладают целым рядом преимуществ перед железобетонными и стальными:

- скорость и простота монтажа;

- лёгкость (уменьшение нагрузки от собственного веса пролётного строения на опоры);

- долговечность (Предполагаемый срок службы сто и более лет);

- высокая точность размеров и форм (позволяет избежать загрязнения стройплощадки строительным мусором);

- минимизация расходов на эксплуатацию (стеклопластиковые конструкции не подвержены коррозии, не требуют окраски и дополнительного обслуживания);

- возможность ведения монтажных работ при любых погодных условиях.

Таким образом, конструкции из стеклопластиков являются новой крайне перспективной альтернативой железобетонным аналогам. В Европе этот материал давно оценили по достоинству и активно используют в строительстве, тогда как в России рынок только начинает формирование.