Что такое композиционные материалы и где они применяются, обсудили гости «ИЦАЭ OPEN: от моста до скейтборда» 22 января в Информационном центре по атомной энергии (ИЦАЭ) Ульяновска.
Вечер начался с мастер-класса «Бумажный сопромат». Участники конструировали мосты из бумаги, трубочек и скотча, а затем проверяли их на прочность, постепенно увеличивая нагрузку. В процессе работы они на практике увидели, как распределяется нагрузка в конструкции и как свойства материала влияют на устойчивость. Руководитель ИЦАЭ Ульяновска Ольга Мартыненко отметила, что композитные материалы применяются в мостостроении уже более 20 лет. Яркий пример — арочный мост в посёлке Языково в Ульяновской области.
Разговор о композитах продолжил доцент кафедры «Химия и технологии композиционных материалов» УлГТУ, инженер-технолог УНТЦ ВИАМ — НИЦ «Курчатовский институт» Юрий Судьин. По его словам, с точки зрения химика-технолога, композиты — это продуманный симбиоз материалов с конструкционными и функциональными свойствами. «Проще всего представить композит как тандем двух ключевых составляющих — армирующего наполнителя и матрицы, или связующего. Волокна принимают основные нагрузки, а матрица перераспределяет их и удерживает конструкцию как единое целое», — пояснил спикер.
По его словам, эта комбинация делает композиты особенно востребованными: они одновременно прочные и лёгкие, а в зависимости от конструкции могут быть гибкими, устойчивыми к износу и долговечными. Композиты сегодня используют в атомной отрасли, транспорте, спорте и медицине. В качестве примеров лектор привёл компоненты атомных реакторов, композитные мосты, стеклопластиковую арматуру, авиационные детали, автомобильные элементы и даже скейтборды.
Большинство современных композитов строится по принципу, который Юрий Судьин назвал «полимерным конструктором». «Мы можем проектировать материал, зная только условия его будущей работы. Фактически задаём свойства ещё на этапе формирования структуры, проектируя композит от молекулы к конструкции», — объяснил он. Такой подход позволяет точно определить, где в материале должны располагаться волокна, какие нагрузки они будут выдерживать и какие свойства нужны в конкретной зоне изделия.
Отдельное внимание спикер уделил армирующим волокнам. В композитах применяют стеклянные, углеродные и арамидные волокна. Стекловолокно устойчиво к влаге и широко используется в строительстве. Углеродные волокна лёгкие и прочные, но сложны и дороги в производстве. Арамидные хорошо рассеивают энергию удара, но при длительном воздействии влаги теряют часть прочности.
Не менее важна матрица — полимерное связующее.
«Это высокомолекулярные вещества, которые могут выглядеть как жидкости, порошки или кристаллы. Они обеспечивают целостность материала, перераспределяют нагрузки и во многом определяют функциональные свойства», — рассказал Юрий Судьин.
Свойства матрицы влияют на пожаробезопасность, рабочий температурный диапазон, дымовыделение и другие характеристики композита. Иногда в неё добавляют специальные компоненты, формируя многокомпонентные системы.
Спикер также рассказал о «самозалечивающихся» связующих, содержащих микрокапсулы: при повреждении они разрушаются и заполняют трещины, восстанавливая материал. Существуют и матрицы, которые реагируют на механические напряжения изменением цвета, позволяя «увидеть» перегрузку конструкции.
Для сложных инженерных объектов, например авиационных, проектирование композитов невозможно без цифровых технологий. Юрий Судьин отметил, что более 50% конструкции самолёта Boeing 787 выполнено из композитов. Инженер задаёт геометрию и условия эксплуатации, а программное обеспечение рассчитывает напряжённо-деформированное состояние и предлагает оптимальный «рецепт» композита — направление волокон, их количество и структуру материала. Это позволяет сократить число дорогостоящих натурных экспериментов.
Композиты окружают нас и в повседневной жизни: гофрокартон, стеклопластиковые ванны, спортивные лыжи, МДФ, фанера и зубные пломбы — всё это примеры таких материалов. «Композит — это не экзотика высоких технологий, а привычный материал, с которым мы сталкиваемся каждый день», — подытожил Юрий Судьин.
Завершающей частью вечера стала командная интеллектуальная игра «Адреналин: композитные технологии». Участники узнали, какими были композиты в древности, как 170 лет назад появился железобетон и как композиты начали использоваться в автомобилестроении и спортивном инвентаре. Также гости обсудили советские и российские композиты, применяемые в космических аппаратах и ядерных реакторах.
«Понравилось, что сложные темы разбирались на конкретных примерах — от мостов и спортивного инвентаря до авиации и атомной отрасли. После лекции и игры стало понятнее, как именно работают композитные материалы и почему они так широко применяются в разных отраслях», — поделилась участница «ИЦАЭ OPEN» Анастасия Шишкова.
«ИЦАЭ OPEN» – проект сети ИЦАЭ. Каждую неделю в регионах присутствия Информационные центры по атомной энергии становятся открытыми площадками, на которых любители интеллектуального досуга могут пообщаться с учёными, сыграть в интеллектуальные и настольные игры, стать зрителями научно-популярных ток-шоу и участниками мастер-классов.
