Зачем нужен карбон?

Среди всевозможных пластиков и композитов, разработанных химиками-технологами, особое место в современном мире занимает карбон (углеволокно) - материал на основе тончайших углеродных нитей. Он на 75% легче железа и на 30% - алюминия, и при этом имеет прочность на разрыв в четыре раза выше, чем у лучших марок стали.
Сами по себе карбоновые нити довольно хрупкие, поэтому из них плетут гибкие и эластичные полотнища. При добавлении к ним связующих полимерных составов получают углепластики, которые совершили настоящий переворот в спорте, технике и многих других областях человеческой деятельности.

На дорогах, в небе и на море

Наиболее широко известная область применения карбона – это автомобилестроение. Вначале его выдающееся сочетание прочности и легкости заинтересовало конструкторов болидов Формулы-1, что позволило значительно снизить вес гоночных машин. Джон Бернард, инженер британского автомобильного производителя McLaren, впервые сделал элементы кузова из углеволокна в начале 1980-х гг. Это дало столь ощутимую прибавку в скорости, что сразу привело гоночную команду McLaren на призовые места.

Впрочем, право быть самым быстрым обходится весьма недешево из-за того, что все углепластиковые детали фактически изготавливаются вручную. Карбоновую ткань особого плетения выкладывают в литейные формы, затем соединяют полимерными составами. На заключительном этапе она подвергается обработке при высокой температуре и давлении. Поэтому долгое время карбоновые элементы кузова использовались только в суперкарах и моделях премиального класса. И лишь недавно анонсирован выпуск доступных широкой аудитории серийных моделей с углепластиковыми деталями. Так, в конструкции кузова нового BMW i3 будут широко представлены элементы из углеродного волокна. А в новой версии хэтчбека Volkswagen Golf GTI VII благодаря углепластиковым капоту и крыше удалось снизить вес машины сразу на 200 кг!

Еще более широкое применение материалы на основе карбона получили в авиастроении, где они начали теснить традиционные алюминий и титан. Первыми перспективы оценили авиаконструкторы, работающие в оборонной промышленности. Например, в новейших российских истребителях Су-47 и Т-50 используются углепластиковые компоненты крыла и фюзеляжа.

Все шире применяется карбон и в пассажирских самолетах, где он позволяет снизить расход топлива и повысить грузоподъемность. Так, в лайнере Boeing 787 Dreamliner не менее 50% элементов фюзеляжа изготовлены из композитных материалов на основе углерода, благодаря чему расход топлива снижен на 20%. С той же целью самый большой пассажирский авиалайнер Airbus А380 оснастили крыльями, которые на 40% состоят из углепластиков. А фюзеляж современного бизнес-джета Hawker 4000 почти целиком изготовлен из этого материала!

Не менее активно используется карбон и в кораблестроении. Причина популярности та же: уникальное соотношение прочности и веса, жизненно важное в суровых морских условиях. Кроме того, для корабелов ценны ударопрочность и коррозионная стойкость этого материала.

Как обычно, первыми начали применять углепластики в оборонной сфере. Из карбоновых композитов делают элементы корпусов подводных лодок, поскольку они серьезно снижают шум и обладают stealth-эффектом, делая судно «невидимым» для радаров противника. А в шведских корветах типа «Visbi» корпус и надстройки сделаны из карбоновых композитов по stealth-технологии. Используется многослойный материал с основой из ПВХ, которая покрыта тканью особого плетения из углеродных жгутов. Каждый такой жгут поглощает и рассеивает радиоволны от радаров, не давая обнаружить судно.

Для гражданских кораблей невидимость для радаров не нужна, а вот легкость, прочность и возможность изготавливать детали практически любой конфигурации оказались очень востребованными. Чаще всего карбон применяют при строительстве спортивных и прогулочных яхт, где важны скоростные характеристики.

Элементы будущего судна «лепятся» из углепластиковых холстов по компьютерной модели как из пластилина. Вначале делается полноразмерный макет палубы и корпуса из специального модельного пластика. Затем по этим лекалам вручную слоями выклеиваются полотнища карбоновой ткани, скрепляемой эпоксидными смолами. После просушки готовый корпус шлифуют, красят и покрывают лаком.

Впрочем, есть и более современные способы. Например, итальянская компания Lanulfi сумела почти полностью автоматизировать процесс. Крупные конструктивные элементы судна с помощью 3D моделирования разбивают на более мелкие, но идеально совпадающие части. По компьютерной модели с помощью станка с программным управлением выполняются основы, которые и служат матрицами для выклеивания углепластиковых деталей. Такой подход позволяет добиться максимальной точности, что очень важно для ходовых качеств спортивных яхт.

Карбон для каждого

Карбон начинает все шире применяться и в строительстве. Добавление углеродных волокон в состав бетона делает его гораздо более устойчивым к внешним воздействиям. Фактически получается сверхпрочный монолит с очень плотной поверхностью. Такая технология применяется в строительстве небоскребов и плотин, а также при обустройстве туннелей.

Стоит упомянуть и материалы для усиления, ремонта и реставрации железобетонных поверхностей - специальные холсты и пластины из карбоновой ткани (например, Mapewrap или Carboplate). Они позволяют полностью восстановить конструкцию, не прибегая к дорогостоящей и не всегда возможной перезаливке.

Для крупных девелоперов и частных застройщиков особо интересна такая инновация, как применение карбона в штукатурной системе утепления фасадов.

«Добавление в армирующий состав мельчайших карбоновых волокон диаметром менее 15 микрон приводит к очень важному результату – многократному увеличению ударопрочности фасада, – говорит Роман Рязанцев, проект-менеджер компании CAPAROL, эксперта в области защиты и теплоизоляции фасадов зданий. – В частности, карбоновая добавка в штукатурную систему CAPATECT Carbon (Caparol) позволяет фасаду без вреда переносить удары с энергией до 60 Джоулей – это в десять раз больше, чем способны выдерживать обычные варианты штукатурных фасадов».

Если владелец коттеджа решит использовать такую систему для внешней отделки своего жилища, то он не только сократит затраты на отопление и обеспечит благоприятный микроклимат в помещениях, но и защитит стены от любых механических воздействий. Крупный град разбивает виниловый сайдинг и оставляет вмятины на обычной песчаной штукатурке. Шквалистый ветер, несущий с собой мусор и ветки деревьев, также может повредить фасад. Но на отделке с добавлением карбоновых волокон не останется ни следа. Тем более не страшны ей такие бытовые воздействия, как удары мячом или шайбой в детских играх.

«Обычно для защиты цокольной части фасада от случайных повреждений используют облицовку камнем, например, керамогранитом, - отмечает Даниил Мазуров руководитель отдела оптовых продаж московской строительно-торговой компании «ПКК Интерстройтехнологии». – Но для отделки цокольной части жилого комплекса, который сейчас строится на юге Москвы, мы решили попробовать штукатурную систему с карбоном. В сравнительных испытаниях она показывала очень впечатляющие результаты».

Вадим Пащенко, руководитель направления WDVS Московского регионального отдела компании CAPAROL, называет еще одно ценное следствие применения в штукатурной системе армирующих компонентов с карбоновыми волокнами: фасад становится устойчив к температурным деформациям. Для архитекторов и владельцев частных домов это означает полную свободу в самовыражении – можно окрасить стены дома в любые самые тёмные и насыщенные цвета. С традиционной цементно-песчаной штукатуркой такие эксперименты могут закончиться печально. Темная поверхность стены слишком быстро нагревается под солнечными лучами, что приводит к образованию трещин на внешнем защитно-декоративном слое. Но для фасадной системы с карбоновыми волокнами подобной проблемы не существует.

Сейчас по всей Европе начинают появляться выделяющиеся на общем фоне частные коттеджи и коммерческие здания, школы и детские сады, которым карбон помог обрести выразительные и насыщенные цвета. По мере того как российские частные домовладельцы начинают экспериментировать с цветами фасадов, отходя от традиционных пастельных оттенков, эта инновационная технология становится востребована и в нашей стране.

Поколение Next

Без карбона ныне невозможно представить ни одну высокотехнологичную отрасль. Он становится все доступнее и для обычных людей. Сейчас мы можем приобрести углепластиковые лыжи, сноуборды, горные ботинки, спиннинги и велосипеды, шлемы и прочую спортивную экипировку.

Но на смену ему уже идет новое поколение материалов - углеродные нанотрубки, которые в десятки раз прочнее стали и обладают массой других ценнейших свойств.

Схематическое изображение нанотрубки

Так, канадский производитель одежды Garrison Bespoke разработал мужской костюм, который сделан из ткани на основе углеродных нанотрубок. Такая ткань останавливает пули до сорок пятого калибра и защищает от колющих ножевых ранений. Кроме того, она на 50% легче кевлара - синтетического материала, используемого для изготовления бронежилетов. Подобные костюмы наверняка войдут в моду среди бизнесменов и политиков.

К числу самых фантастических применений карбоновых нанотрубок относится космический лифт, который позволит доставлять на орбиту грузы без дорогих и опасных запусков ракет. Его основой должен стать сверхпрочный трос, протянутый от поверхности планеты к космической станции, находящейся на геостационарной орбите на высоте 35 тыс. км над Землей.

Эта идея была предложена еще великим русским ученым Константином Циолковским в 1895 году. Но до сих пор проект казался неосуществимым по техническим причинам, ведь не было известно материалов, из которых можно сделать настолько прочный трос. Однако открытие углеродных нанотрубок в начале 1990-х гг. заставило пересмотреть границы возможного. Сотканная из карбоновых нанотрубок нить миллиметровой толщины, способна выдержать нагрузку примерно 30 тонн. А значит, дешевые и безопасные путешествия на орбиту в кабине космического лифта из фантастического сюжета превращаются в практическую задачу для инженеров.