Останкинская телебашня в Москве и монумент "Родина-мать зовет" в Волгограде — в свое время эти гиганты были занесены в Книгу рекордов Гиннеса как самые высокие строения своего времени. Они и сейчас поражают величием. Правда, величие это недолговечно. Железобетон, самый популярный строительный материал XX века, увы, имеет короткий срок службы и 5 тысяч лет, как пирамиды Гизы, точно не выдержит. Однако способ продлить жизнь таким конструкциям существует. Московские ученые придумали прочную "одежду" для железобетона. Сейчас это последний писк в архитектурной моде. И не только.
Несмотря на то, что время Робина Гуда давно прошло, поклонников деревянного лука во всем мире еще не мало. Но профессиональные спортсмены выбирают современные технологии. Например, этот лук в два раза легче своего деревянного собрата, начальная скорость стрелы составляет 105 метров в секунду, прицельная дальность – 100 метров. Эти уникальные характеристики он получил благодаря материалу, из которого сделан – карбону.
Карбон или углепластик – этот материал хорошо известен не только в кругу спортсменов-лучников и охотников. Любой, кто хоть раз катался на современных горных лыжах, держал карбон в руках, ведь именно из него сделаны лыжные палки. Автолюбители грезят о капоте или бампере из карбона, велосипедисты все чаще отдают предпочтение карбоновой раме, а не алюминиевой. Даже у обычных бытовых предметов, вроде компьютерной клавиатуры или мышки, где суперсвойства ни к чему, дизайн бывает выполнен "под карбон". Однако есть целые отрасли промышленности, где как раз без суперсвойств этого материала уже не обойтись. Например, авиастроение.
"Здесь вы видите элемент крыла самолета, который полностью выполнен из углеродных материалов по новой технологии вакуумной инфузии. Основное отличие от алюминиевого традиционного крыла в том, что это изделие сделано полностью интегральным без применения каких-либо крепежных элементов и дополнительной сборки", — рассказывает Алексей Ульянов, заместитель начальника технологического департамента ЗАО "Аэрокомпозит".
- Сколько весит подобная деталь, выполненная из алюминия?
- Около 200 килограммов.
- А эта?
- Эта около 50 килограммов.
Несмотря на относительную легкость, этот фрагмент крыла может выдержать нагрузку почти в 2тысячи тонн. Кроме того, самолет с такими облегченными крыльями способен парить в воздухе подобно планеру, поэтому двигатели работают меньше, и это позволяет экономить в полете порядка 40 процентов топлива, а значит, и деньги пассажиров.
"Преимущество углеродных материалов в том, что конструктор может создать свойства конечного изделия по своему усмотрению, собирая различные компоненты, поэтому здесь применяются специальные материалы, рассчитанные под авиастроение, для которых перепады температур на земле и в воздухе не играют никакого значения", — поясняет Алексей Ульянов, заместитель начальника технологического департамента ЗАО "Аэрокомпозит".
Углеродная ткань — вот как выглядит этот удивительный материал. Обратите внимание, будущий элемент крыла самолета выкраивается из него, словно рукав для какого-нибудь большого костюма. Правда, слоев у такого рукава будет гораздо больше. Например, в этой детали их восемьдесят два.
Каким же образом обычная с виду ткань превращается с столь прочную конструкцию, которая способна выдерживать многотонные нагрузки и такие удары? Все дело в инфузионной технологии. Нарезанная и уложенная в нужную форму ткань помещается в вакуумный модуль и затем отправляется в большую печь. Туда по специальным патрубкам подается другой важнейший компонент – смола, которая связывает все слои ткани между собой в один монолит. Мировые лидеры авиастроения, такие как Boeing и Airbus, тоже используют в своих самолетах углепластики, но технология, разработанная в московской лаборатории компании "Аэрокомпозит", им пока не по зубам. А через год-другой конкурентов в этой области у России может вообще не остаться.
"Мы заканчиваем строительство двух серийных заводов. Один завод будет изготавливать как раз по технологии, которую вы здесь видите, основные силовые элементы, кессоны крыла. Запускаем мы его через два месяца, начало опытной эксплуатации и первое опытное крыло ОАК и "Аэрокомпозит" выдаст в середине следующего года. Второй завод в городе Казани, который будет делать элементы механизации и рули направления высоты. Это завод, который мы делаем вместе с нашими австрийскими партнерами, компанией Fischer. Он будет работать как на российские программы, так и обширные экспортные программы по заказу компании Fischer", — сообщил Анатолий Гайданский, президент ЗАО "Аэрокомпозит".
Единственное, в чем проигрывают на этом карбоновом поле российские производители – качество самого углеродного волокна, поэтому авиастроителям пока приходится использовать импортное сырье. Впрочем, скоро все изменится. В столичном технопарке "Москва" над разработкой и созданием конкурентоспособных углеродных тканей работает целая команда из ученых, инженеров и испытателей. В правительстве Москвы давно поняли, что за такими инновациями будущее, и создали ученым максимально комфортные условия для работы.
"Вот это последние образцы углепластика, они прочнее стали в четыре раза, сейчас я это вам докажу на разрывной машине. Для этого закрепляем образец в клеммы и производим испытание. Ну вот, наш образец выдержал две тонны", — показывает Евдокимов Антон, инженер испытательной лаборатории.
- Что может создать подобную нагрузку?
- Подобные нагрузки могут создавать, например, два внедорожника, тянущие данный образец в разные стороны на первой передаче.
- Получается, что сталь такой нагрузки бы даже не выдержала?
- Нет, конечно. Она бы выдержала в четыре раза меньше нагрузку, сопоставимую где-то с 500-700 кг, не больше.
Самое удивительное, что этот прочнейший на разрыв материал делают из жидкости. Точнее, из полиакрилонитрила.
Полиакрилонитрильное волокно изготавливают экструзионным способом. Проще говоря, полимер продавливают через специальную фильеру. В этой насадке, на вид полностью однородной, на самом деле есть сотни тончайших отверстий диаметром всего в семьдесят микрон, это средняя толщина человеческого волоса. Как только ее опускают в воду и подают давление, приглядевшись, можно увидеть тонкие белесые ниточки, выходящие из фильеры непрерывным потоком.
Проходя через эти горячие ванны со специальным раствором, полимерное волокно утончается примерно в шесть раз, с семидесяти микрон до двенадцати. Но благодаря тому, что молекулы в них выстраиваются определенным образом, эта нить становится только прочнее. В результате после многочисленных операций с полиакрилонитрилом происходит удивительная метаморфоза, и жидкий полимер становится прочным волокном.
"Это еще не конечный продукт, а лишь сырье для получения углеродного волокна. Прежде чем получить углеродное волокно, вот это полиакрилонитрильное волокно должно пройти процесс высокотемпературной обработки, а так же окисления, графитизации, а так же карбонизации", — объясняет Элина Билевская, представитель компании "Композит".
Получив очередную опытную партию сырья, исследователи проводят тщательный анализ изготовленного материала, затем корректируют настройки оборудования и запускают процесс по новой. Как говорится, совершенству нет предела.
"Наша задача — получить более экологически чистое волокно и удешевить технологию его получения. Что нам, по сути, и удается. За последний год мы разработали примерно сто опытных образцов, которые были в дальнейшем переданы для переработки в углеродное волокно. Мы непрерывно проводим исследования формования нашего волокна, а так же непосредственно физико-механических свойств полученного волокна", — говорит Денис Фокин, инженер-исследователь.
Несколько наиболее удачных разработок, вышедших из стен этой лаборатории в технопарке "Москва", уже с успехом используются в строительстве. Например, углеволокно добавляют в строительные растворы типа газо- и пенобетона, значительно увеличивая их технические характеристики. А в Челябинске уже не на опытном, а в серийном производстве налажен выпуск специальных углеволоконных лент, которые используются в ремонте и усилении железобетонных конструкций. Но так ли хороша эта технология на практике как на словах? Сейчас и узнаем.
Проведем показательный эксперимент. Представим, что это два автомобильных моста. На самом деле — это самая обыкновенная деревянная линейка в 30 сантиметров. А рядом тоже деревянная линейка, но с одной стороны она армирована углеволокном. Итак, начнем эксперимент. Для начала мы испытаем наш деревянный мост. Он ломается на третьем кирпиче. Теперь проверим линейку с углеволокном. Раз кирпич, два, три, четыре — линейка не сломалась, сломались опоры моста. Теперь я убедился, что конструкция, усиленная углеволокном, намного прочнее.
Типовая московская многоэтажка. С виду дом в неплохом состоянии, в его внешнем облике нет никаких признаков серьезных разрушений. Однако они уже происходят. В подвале дома на несущих конструкциях появились трещины. Пока не большие, но уже очень опасные. Если внутрь попадет влага, металлическая арматура заржавеет, сам бетон начнет расширяться, коррозировать и перекрытие может обвалиться.
"Чтобы эти трещины не появлялись снова, а эта еще сильнее не раскрывалась, мы ее усиливаем. На аналогичном участке у нас сейчас производятся работы", — показывает инженер Алексей.
Вот как на самом деле можно спасти любую железобетонную конструкцию от разрушения и вредного воздействия внешней среды. Здесь, в подвале дома, по сути, выполняется тот же самый технологический процесс создания углепластика, который мы видели на производстве авиационных деталей. Только здесь связующая смола наносится прямо на бетон. Углеволоконная лента нужной ширины прикатывается к обработанной поверхности и сверху покрывается еще одним слоем эпоксида. Через несколько часов, когда смола затвердеет, все трещины на поверхности железобетонного перекрытия будут уже надежно защищены слоем карбона толщиной в три миллиметра.
"Очевидное преимущество данной технологии в том, что этот участок перекрытия бригада из трех человек выполнила за четыре часа. Если бы усиление производилось классическими методами, например, при помощи металлических рам, времени бы ушло порядка трех дней, а через пять лет в данном сыром подвале метал снова бы начал коррозировать, пришлось бы возвращаться и переделывать", — поясняет строитель Алексей.
Спектр применения этой технологии в строительстве огромен. Ремонт железобетонных перекрытий, усиление опор многочисленных мостов и эстакад. Поскольку углепластику не страшна водная среда, его можно использовать при возведении и технологическом обслуживании дамб и подземных коммуникаций. Однако пока не многие строительные компании готовы широко использовать этот материал. Все дело в том, что на применение углепластиков в России до сих пор полностью не разработаны ни ГОСТы, ни СНиПы. Даже в профильных строительных вузах студентов учат на традиционных материалах – дерево, кирпич, железобетон. Как только в системе образования и стандартизации устранят этот досадный пробел, у многих архитектурных творений прошлого наконец появится прочный, карбоновый шанс на вторую молодость.
