Читать книгу Композитные материалы в конструкции грузовых вагонов - - Страница 3

Сегодня словосочетание «композитный материал» вызывает ассоциации с самыми прорывными технологиями и решениями, на которых уже строится будущее. Это не совсем верно: ведь самой идее композита уже несколько тысяч лет. Но, несмотря на весь прогресс, основной принцип создания композитов сохраняет свою актуальность и по сей день.

К числу первопроходцев по части получения и применения композитных материалов относят жителей Месопотамии – они населяли регион 3,5 тыс. лет до нашей эры. Именно там зародилась история композита, а именно материала, до сих пор используемого людьми, – фанеры. Было достаточно сложить несколько листов дерева друг на друга под разным углом, закрепить их примитивным клеем, и материал, доказавший свою эффективность на долгие сотни лет вперед, готов.

Сочетание клея и листов дерева образовало новый, куда более прочный и износостойкий материал, дошедший до наших дней. Это базовый принцип композита: объединение свойств уже существующих материалов. С того момента, как человек освоил этот принцип, технический прогресс начал ускоряться – композиты стали спутниками целых цивилизаций.

Папирус – композит. При его изготовлении спрессовываются слои горизонтальных волокон растения с вертикальными. В результате легкий, прочный, долговечный материал. Достаточно сравнить его с теми же месопотамскими глиняными табличками: громоздкие и неудобные, они по всем параметрам проигрывали изящному изобретению египтян. Папирус было удобнее хранить, и, по сравнению с «царапанием» по глине, на нем гораздо проще писать и рисовать.

Бетон – также композитный материал. Бетон впервые был описан римским архитектором Витрувием еще 2 тыс. лет назад. Ученый делал ставку на сочетание вулканического пепла и известняка, чтобы придать своим постройкам надежность и прочность. Использование нового материала позволило в значительной степени улучшить физико-механические характеристики сооружений. Бетон применялся практически везде, будь то храмы, многоэтажные дома, стадионы, гавани, мосты, акведуки или дороги. Где-то он даже вытеснил кирпич. Римский Колизей – одна из вершин античного зодчества – сохранился до наших дней благодаря тому, что в его строительстве применялся бетон. Секрет прочности римских конструкций во многом продиктован именно использованием бетона: этот пластичный материал выдерживал несколько десятков лет воздействия воды и при этом становился только прочнее.

Во все времена исследователи отмечали особую роль луков в военном могуществе кочевников, державших в страхе государства Европы и Азии в период XIII—XV веков. И это неудивительно – ведь луки, которые использовали завоеватели, были композитными. Такой лук состоял из дерева, костей и клея животного происхождения. Это легкое и простое для использования конниками оружие обладало рядом преимуществ даже по сравнению со знаменитыми английскими длинными луками: в отличие от последнего, монгольский композитный лук придавал стреле ускорение на протяжении всего «выстрела». Сама конструкция композитного лука и его гибкость придавали дополнительное ускорение стреле, что упрощало работу лучника и сказывалось на точности стрельбы. Оружие обеспечило преимущество на поле боя и заложило основу могущества Монгольской империи.

Настоящий расцвет использования композитных материалов пришелся на XIX—XX вв, когда плоды научно-технического прогресса изменили понимание человека о природе вещей.

В начале XIX века в строительстве вновь начал применяться бетон. Он вернулся в цивилизацию благодаря тому, что в 1796 году англичанин Д. Паркер запатентовал технологию получения романцемента – вяжущего материала, способного к затвердеванию и на открытом воздухе, и в воде. Смешанный с гравием, песком и водой цемент образовывал бетон. Этот строительный материал, отличавшийся своей пластичностью, завоевал новую популярность – впервые со времен Древнего Рима. Прочный и водостойкий материал плохо выдерживал нагрузку на растяжение, поэтому в качестве основного материала для несущих конструкций применялось железо в виде кованых стержней и полос. Но оно, в свою очередь, было подвержено коррозии, из-за чего перед человечеством стояла задача: найти более универсальный материал, способный сочетать свойства как бетона, так железа. Так придумали объединить два материала: арматура легко обволакивалась бетоном, тем самым оказываясь включенной в его массу. Сила сцепления железа с бетоном была огромной: материалы начинали работать как одно целое. Так появился железобетон – композит, ставший новой вехой в истории строительства. «Спрятанное» в бетон железо не ржавело и сохраняло свою прочность, а сам железобетон показал высокую огнестойкость. Материал показал себя как долговечный, устойчивый к воздействию температур и удобный в использовании – с железобетоном конструкции можно придать практически любую форму.

В середине ХХ в. композиты активно начали применяться в авиации: индустрия отчаянно нуждалась в новых материалах, и именно композиты позволили дать ответ на насущные вопросы инженеров.

Одной из основных разработок была дельта-древесина. Инженеры пропитывали слои шпона фенол- или крезолформальдегидной смолой, спрессовывали их и получали уникальный материал, который легче и прочнее многих сплавов на основе алюминия. Новый материал также был огнестойким и не покрывался плесенью. Дельта-древесина использовалась, например, в самолетах ЛаГГ-3, эксплуатация которых началась в 1941 году.

Также во время войны стало известно о радиопроницаемости композитов из стекловолокна. Эта, казалось бы, мелочь, смогла избавить пилота от риска остаться без связи: «обтекатели» из стекловолокна защищали радиомодули от внешних факторов, не мешая коммуникациям.

В 1960-х был изобретен углепластик: материал, состоящий из тонких нитей диаметром от 5 до 10 мкм. Он характеризовал себя как прочный, легкий, эффективно справляющийся с температурами и химической инертностью.

Сегодня композитные материалы являются полноценной индустрией, на которой основаны самые критические производства и сферы жизни. Список сфер, где применяются композиты, обширен: это не только авиация и космос, но и архитектура, автомобильная отрасль, энергетика, инфраструктура, судостроение, медицина, спортивная и рекреационная индустрии. Общий объем рынка композитов оценивался в $74 млрд в 2020 году, и, по, прогнозам, достигнет отметки в $112 млрд уже в 2025 году.