Автор Максат Камысов
В современном мире новые технологии развиваются чрезвычайно высокими темпами. Это прежде всего касается высокотехнологичных отраслей – широкое распространение получает автоматизация, добираются до обывателя технологии искусственного интеллекта, стабильно растут технологии обработки и использования данных. Однако прогресс касается не только информационных технологий, более традиционные отрасли тоже получают свой «кусок пирога» – развиваются и материалы.
Разработка и создание новых материалов, которые оказались бы прочнее, легче и надежнее, всегда были необходимостью и лежали в основе прогресса многих отраслей. Инструменты и механизмы обретали новые формы по мере развития материалов. Этот процесс продолжается до сих пор, и сегодняшнюю индустрию уже сложно представить без такой вещи, как композитные материалы.
Композиты состоят из нескольких компонентов, которые имеют разные физические и химические свойства и в сочетании образуют материал, обладающий новыми свойствами и характеристиками. Зачастую эти характеристики связаны с прочностью, весом, износостойкостью и другими параметрами, способными сделать изделия надежнее, а их применение – эффективнее.
Такое общее определение позволяет относить к композитам огромное количество материалов, но что общего, например, у саманного кирпича и углеволоконного «черного» крыла самолета МС-21? Если коротко, то это структура: и кирпич, и крыло изготовлены из материала, который состоит из двух элементов – матрицы и армирующего наполнителя. В случае с кирпичом основой для композита выступают простые глина и растительные волокна, в ситуации с самолетом – сложные углеродные соединения.
Идея использования комбинированных материалов не нова, однако композиты в современном понимании возникли только с развитием химической промышленности. Вследствие этого композитные материалы имеют широкое разнообразие – существуют композиты на основе металлов и керамики, разрабатываются био- и нанокомпозиты, однако самыми распространенными эксперты называют полимерные композитные материалы. В них роль матрицы выполняет полимерный материал, чаще всего это синтетическая смола, а в качестве армирующего наполнителя выступает углеродное или стеклянное волокно. Сегодня такие композиты широко применяются в аэрокосмической отрасли, судостроении и других отраслях, где к материалам предъявляются особые требования по прочности и весу. Например, в ракетостроении, где от веса изделия напрямую зависит расход топлива.
Композитные материалы составляют порядка 50% от массы планера в современных пассажирских самолетах. Но это не предел: в некоторых истребителях и военных вертолетах доля композиционных материалов может достигать 90% от веса планера
Алексей Кепман, кандидат химических наук, заведующий лаборатории химии и технологии композиционных материалов МГУ
На сегодняшний день существует два основных способа производства композитных элементов – автоклавный и инфузионный. Первый представляет собой классический метод, в котором для производства композита формируют «сэндвич»: его внутренний слой составляют алюминиевые соты, которые затем в процессе выкладки покрываются сотнями слоев углепластика, потом изделие отправляется в автоклав, устройство, где под действием давления материалы прессуются в деталь. Основным недостатком этого метода специалисты считают невозможность изготовления сложных монолитных деталей. Второй способ – инфузионная технология, она компенсирует недостаток первого и позволяет изготовлять сложные конструкции. При применении этого способа композиты формируются за счет пропитки изделия связующим веществом в вакууме, вследствие чего все пустоты заполняются смолой.
Технологически производство композитов все еще остается сложным и дорогостоящим, что оставляет их применение прерогативой высокотехнологичных отраслей. Однако эксперты отмечают тренд к удешевлению на фоне достижения зрелости технологии в развитых странах. Так, композитные материалы постепенно становятся доступными для более широкого круга отраслей – сегодня их применяют в производстве средств индивидуальной защиты, спортивных товаров, обуви, имплантов и прочих изделий. По мнению отраслевых аналитиков, этот список будет пополняться и рынок станет расти.
Мировой рынок полимерных композитов
Применение полимерных композитных материалов в различных областях формирует достаточно крупный и стабильный рынок. По оценкам экспертов, в 2022 году объем мирового рынка композитов составил порядка 93,5 млрд долларов, а к 2030 году он достигнет отметки в 151,3 млрд, при этом среднегодовой прирост составит 6,2%. В натуральном выражении к 2030 году на рынке будет представлено порядка 16,4 млн тонн полимерных композитов (рис. 1).
Технологическое лидерство в производстве композитов принадлежит компаниям Hexcel (США), Toray Industries (Япония), SGL Carbon SE (Германия), АО «Юматекс» (Россия). На сегодняшний день лидером отрасли выступает Северная Америка, которая занимает порядка 30% общего объема рынка, на Европу приходится 21%, однако ожидается, что в десятилетней перспективе ситуация изменится за счет достижения зрелости отрасли в двух ведущих регионах. Так, наиболее быстрорастущим, как и во многих других высокотехнологичных отраслях, станет Азиатско-Тихоокеанский регион, прежде всего за счет Китая, где в десятилетней перспективе ожидается пятикратное расширение отрасли.
Рост индустрии эксперты связывают с активным применением композитных материалов в аэрокосмической отрасли, автомобилестроении, судостроении, строительстве и энергетике. Важным фактором для роста отраслевые аналитики называют гибкость и способность выстраивать технологии производства под нужды заказчика. Сегодня количество производственных отраслей, использующих композитные материалы, сравнительно невелико, прежде всего из-за их дороговизны. По мере развития производственных технологий стоимость производства композитных материалов ожидаемо снизится, что также простимулирует рост.
Еще одним драйвером развития, по мнению аналитиков, должна стать государственная поддержка. Так, в США действует программа «Геном материала» с общим бюджетом в 100 млн долларов, аналогичная программа есть и в Китае. Европейский Союз также продолжает выделять средства на «развитие направления перспективных материалов и промышленных технологий», в 2020 году поддержка составила более 200 млн евро. Средства идут на создание и развитие производственной инфраструктуры, фундаментальные исследования и внедрение композитных материалов в производственные отрасли.
Помимо гражданских проектов, полимерные композиты применяют и в военной отрасли, в частности, в судостроении, что также поддерживает государство. Так, в Соединенных Штатах разработка и внедрение композитов в военную технику и вооружение включены в число технологий, критически важных для развития вооруженных сил. Во Франции разработана и действует национальная программа по применению полимерных композитов в морской технике, в реализации которой участвуют кораблестроительные предприятия, исследовательские институты, университеты и другие организации. Аналогичные программы и работы выполняются в Великобритании и Швеции.
В то же время для рынка существуют и сдерживающие факторы. Поскольку композитные материалы созданы искусственно и слабо подвержены естественным процессам разложения, остро встает вопрос об их утилизации. На сегодняшний день объем композитных отходов еще не так велик, но по мере распространения их использования и вывода из эксплуатации эта проблема будет становиться все более радикальной и сможет серьезно замедлить продвижение отрасли в развитых странах, в которых экологическая повестка выходит на первый план.
Вы можете дочитать этот и другие материалы сайта, оформив подписку.
