Знание-сила, 2008 № 12 (978) - [24]
Сейчас этот необычный материал входит в наш повседневный быт. Но каковы перспективы отечественных производителей?
«Никогда не изобретай то, на что нет спроса»
Т.А.Эдисон
Похоже, этот материал вскоре будет встречаться всюду — в космических аппаратах и машинах «Формулы-1», в теннисных ракетках, музыкальных инструментах и конструкциях мостов. Он незаменим там, где требуются два качества: легкость и прочность. Два качества, которые всегда было так трудно совместить. В истории техники ведь столетиями считалось чем-то вроде аксиомы: легкое значит слабое, хрупкое; прочное — читай громоздкое, массивное. Здесь же — «застывший воздух», но крепче, чем сталь. Что же это за чудо-материал, которому нельзя не найти применение везде?
А ведь его время только началось. Углеволокно было изобретено сравнительно недавно. Хотя слово «изобретено» не совсем точно. В этой истории не было своего мастера, придумавшего в одночасье новый материал. Нет, здесь даже Эдисон оказался на вторых ролях. Ведь широкому внедрению углеродного волокна предшествовала череда новшеств. Материал рождался постепенно.
Итак, без Эдисона все же не обошлось. Двадцать седьмого января 1880 года Томас Алва Эдисон получил патент США № 223898 на изобретение «Углеродное волокно, изготовленное из целлюлозы и предназначенное для электрических ламп накаливания». В то время нитями накаливания служили обыкновенные швейные нитки, покрытые углем; их приходилось менять через каких-то сорок часов работы. Пытаясь найти лучший вариант, Эдисон и его помощники перепробовали самые разные вещества и соединения (всего — 6000 наименований!), затратив на опыты свыше 100 тысяч долларов, и, наконец, выбрали бамбук — обугленные бамбуковые волокна. В том же году Эдисон начал выпуск своих безопасных лампочек, которые продавал по цене 2,5 доллара за штуку. Однако недостатками этого волокна были хрупкость и высокая пористость, да и стоило оно дорого, а потому Эдисон стал впоследствии изготавливать нити накаливания из вольфрама.
В 1889 году в США был запатентован новый метод получения углеродного волокна — пиролизом (термическим преобразованием) смеси метана и водорода в железном тигле (изобретатели — Т.Хьюджес и Ч.Чамберс).
Однако по-настоящему интерес к углеродному волокну пробудился лишь в середине ХХ века, когда начался поиск материалов, из которых можно было бы изготавливать ракетные двигатели. Углеродное волокно оказалось хорошим кандидатом на эту роль.
К тому времени был сделан ряд важных открытий в области органического синтеза. Так, еще в 1907 году Л.Бакеланд — бельгийский химик, в молодости переехавший в США, — получил патент на новый материал, удостоенный торгового наименования «бакелит». В наши дни он более известен под названием «фенолоформальдегидная смола», ведь изготавливают его путем конденсации формальдегида и фенола. Это был первый синтетический реактопласт, то есть пластик, не размягчающийся при высокой температуре. Многие его свойства оказались привлекательны для инженеров: материал легкий, прочный — вот только хрупкий, легко бьющийся. И все же несколько десятилетий, вплоть до первых послевоенных лет, из бакелита изготавливали самые разные бытовые предметы — от электрических выключателей до посуды.
Работы же по созданию новых материалов — новых пластмасс — продолжались. Уже в 1930-е годы пришли к нам такие полимеры, как полиэфир и эпоксидная смола. Они были уже не столь хрупкими, как бакелит. Тогда же появились и первые пластики, армированные (упрочненные) волокном.
В 1945 году американцы Дж. Лабин и У. Гринберг придумали метод формования искусственных волокон, что позволило придавать химволокну нужную прочность. В 1955 году английская компания Royal Aircraft Establishment добилась важного технологического прорыва — изготовила углеродное волокно с направленными кристаллическими структурами.
Наконец, в 1959 году компания National Carbon Company, входившая в состав крупного химического концерна Union Carbide Company, представила углеродную ткань, изготовленную из вискозы. С этого времени в США начинается промышленное производство углеродного волокна на основе вискозы. Первое волокно, появившееся на рынке, — Thornel 25 производства Union Carbid Company — стоило более 1000 фунтов стерлингов за килограмм.
Томас Алва Эдисон
Уже в последующее десятилетие спрос на углеродное волокно заметно возрос: ведь оно отличается идеальным набором свойств — весит вдвое меньше стекловолокна, не ржавеет, обладает высокой прочностью и теплостойкостью, гасит вибрации и к тому же не горит. В продольном направлении это волокно имеет отрицательный коэффициент теплового расширения. Это значит, что при нагревании оно становится толще и короче. По удельному значению механических свойств, то есть по отношению модуля упругости или прочности к плотности, оно превосходит все известные жаростойкие волокнистые материалы.
Примечательно, что в отсутствие кислорода прочность углеродного волокна практически не меняется даже при нагревании до 1600—2000 градусов Цельсия. Поэтому его используют прежде всего в качестве теплоизоляционного материала. Впрочем, на воздухе его температура эксплуатации не превышает 300 — 400°C. Для того чтобы избежать его окисления в среде, содержащей кислород, можно покрыть волокно тонким слоем карбида, например карбида кремния, или нитридом бора.
