Зачем нужен карбон?

Среди всевозможных пластиков и композитов, разработанных химиками-технологами, особое место в современном мире занимает карбон (углеволокно) - материал на основе тончайших углеродных нитей. Он на 75% легче железа и на 30% - алюминия, и при этом имеет прочность на разрыв в четыре раза выше, чем у лучших марок стали.
Сами по себе карбоновые нити довольно хрупкие, поэтому из них плетут гибкие и эластичные полотнища. При добавлении к ним связующих полимерных составов получают углепластики, которые совершили настоящий переворот в спорте, технике и многих других областях человеческой деятельности.

На дорогах, в небе и на море
Наиболее широко известная область применения карбона – это автомобилестроение. Вначале его выдающееся сочетание прочности и легкости заинтересовало конструкторов болидов Формулы-1, что позволило значительно снизить вес гоночных машин. Джон Бернард, инженер британского автомобильного производителя McLaren, впервые сделал элементы кузова из углеволокна в начале 1980-х гг. Это дало столь ощутимую прибавку в скорости, что сразу привело гоночную команду McLaren на призовые места.

Впрочем, право быть самым быстрым обходится весьма недешево из-за того, что все углепластиковые детали фактически изготавливаются вручную. Карбоновую ткань особого плетения выкладывают в литейные формы, затем соединяют полимерными составами. На заключительном этапе она подвергается обработке при высокой температуре и давлении. Поэтому долгое время карбоновые элементы кузова использовались только в суперкарах и моделях премиального класса. И лишь недавно анонсирован выпуск доступных широкой аудитории серийных моделей с углепластиковыми деталями. Так, в конструкции кузова нового BMW i3 будут широко представлены элементы из углеродного волокна. А в новой версии хэтчбека Volkswagen Golf GTI VII благодаря углепластиковым капоту и крыше удалось снизить вес машины сразу на 200 кг!
Еще более широкое применение материалы на основе карбона получили в авиастроении, где они начали теснить традиционные алюминий и титан.

Первыми перспективы оценили авиаконструкторы, работающие в оборонной промышленности. Например, в новейших российских истребителях Су-47 и Т-50 используются углепластиковые компоненты крыла и фюзеляжа.

Все шире применяется карбон и в пассажирских самолетах, где он позволяет снизить расход топлива и повысить грузоподъемность. Так, в лайнере Boeing 787 Dreamliner не менее 50% элементов фюзеляжа изготовлены из композитных материалов на основе углерода, благодаря чему расход топлива снижен на 20%. С той же целью самый большой пассажирский авиалайнер Airbus А380 оснастили крыльями, которые на 40% состоят из углепластиков. А фюзеляж современного бизнес-джета Hawker 4000 почти целиком изготовлен из этого материала!

Не менее активно используется карбон и в кораблестроении. Причина популярности та же: уникальное соотношение прочности и веса, жизненно важное в суровых морских условиях. Кроме того, для корабелов ценны ударопрочность и коррозионная стойкость этого материала.

Как обычно, первыми начали применять углепластики в оборонной сфере. Из карбоновых композитов делают элементы корпусов подводных лодок, поскольку они серьезно снижают шум и обладают stealth-эффектом, делая судно «невидимым» для радаров противника. А в шведских корветах типа «Visbi» корпус и надстройки сделаны из карбоновых композитов по stealth-технологии. Используется многослойный материал с основой из ПВХ, которая покрыта тканью особого плетения из углеродных жгутов. Каждый такой жгут поглощает и рассеивает радиоволны от радаров, не давая обнаружить судно.
Для гражданских кораблей невидимость для радаров не нужна, а вот легкость, прочность и возможность изготавливать детали практически любой конфигурации оказались очень востребованными. Чаще всего карбон применяют при строительстве спортивных и прогулочных яхт, где важны скоростные характеристики.

Элементы будущего судна «лепятся» из углепластиковых холстов по компьютерной модели как из пластилина. Вначале делается полноразмерный макет палубы и корпуса из специального модельного пластика. Затем по этим лекалам вручную слоями выклеиваются полотнища карбоновой ткани, скрепляемой эпоксидными смолами. После просушки готовый корпус шлифуют, красят и покрывают лаком.

Впрочем, есть и более современные способы. Например, итальянская компания Lanulfi сумела почти полностью автоматизировать процесс. Крупные конструктивные элементы судна с помощью 3D моделирования разбивают на более мелкие, но идеально совпадающие части. По компьютерной модели с помощью станка с программным управлением выполняются основы, которые и служат матрицами для выклеивания углепластиковых деталей. Такой подход позволяет добиться максимальной точности, что очень важно для ходовых качеств спортивных яхт.

Карбон для каждого
Карбон начинает все шире применяться и в строительстве. Добавление углеродных волокон в состав бетона делает его гораздо более устойчивым к внешним воздействиям. Фактически получается сверхпрочный монолит с очень плотной поверхностью. Такая технология применяется в строительстве небоскребов и плотин, а также при обустройстве туннелей.
Стоит упомянуть и материалы для усиления, ремонта и реставрации железобетонных поверхностей - специальные холсты и пластины из карбоновой ткани (например, Mapewrap или Carboplate). Они позволяют полностью восстановить конструкцию, не прибегая к дорогостоящей и не всегда возможной перезаливке.

Для крупных девелоперов и частных застройщиков особо интересна такая инновация, как применение карбона в штукатурной системе утепления фасадов.
 
«Добавление в армирующий состав мельчайших карбоновых волокон диаметром менее 15 микрон приводит к очень важному результату – многократному увеличению ударопрочности фасада, – говорит Роман Рязанцев, проект-менеджер компании CAPAROL, эксперта в области защиты и теплоизоляции фасадов зданий. – В частности, карбоновая добавка в штукатурную систему CAPATECT Carbon (Caparol) позволяет фасаду без вреда переносить удары с энергией до 60 Джоулей – это в десять раз больше, чем способны выдерживать обычные варианты штукатурных фасадов».

Если владелец коттеджа решит использовать такую систему для внешней отделки своего жилища, то он не только сократит затраты на отопление и обеспечит благоприятный микроклимат в помещениях, но и защитит стены от любых механических воздействий. Крупный град разбивает виниловый сайдинг и оставляет вмятины на обычной песчаной штукатурке. Шквалистый ветер, несущий с собой мусор и ветки деревьев, также может повредить фасад. Но на отделке с добавлением карбоновых волокон не останется ни следа. Тем более не страшны ей такие бытовые воздействия, как удары мячом или шайбой в детских играх.

«Обычно для защиты цокольной части фасада от случайных повреждений используют облицовку камнем, например, керамогранитом, - отмечает Даниил Мазуров руководитель отдела оптовых продаж московской строительно-торговой компании «ПКК Интерстройтехнологии». – Но для отделки цокольной части жилого комплекса, который сейчас строится на юге Москвы, мы решили попробовать штукатурную систему с карбоном. В сравнительных испытаниях она показывала очень впечатляющие результаты».

Вадим Пащенко, руководитель направления WDVS Московского регионального отдела компании CAPAROL, называет еще одно ценное следствие применения в штукатурной системе армирующих компонентов с карбоновыми волокнами: фасад становится устойчив к температурным деформациям. Для архитекторов и владельцев частных домов это означает полную свободу в самовыражении – можно окрасить стены дома в любые самые тёмные и насыщенные цвета. С традиционной цементно-песчаной штукатуркой такие эксперименты могут закончиться печально. Темная поверхность стены слишком быстро нагревается под солнечными лучами, что приводит к образованию трещин на внешнем защитно-декоративном слое. Но для фасадной системы с карбоновыми волокнами подобной проблемы не существует.

Сейчас по всей Европе начинают появляться выделяющиеся на общем фоне частные коттеджи и коммерческие здания, школы и детские сады, которым карбон помог обрести выразительные и насыщенные цвета. По мере того как российские частные домовладельцы начинают экспериментировать с цветами фасадов, отходя от традиционных пастельных оттенков, эта инновационная технология становится востребована и в нашей стране.

Поколение Next
Без карбона ныне невозможно представить ни одну высокотехнологичную отрасль. Он становится все доступнее и для обычных людей. Сейчас мы можем приобрести углепластиковые лыжи, сноуборды, горные ботинки, спиннинги и велосипеды, шлемы и прочую спортивную экипировку.
Но на смену ему уже идет новое поколение материалов - углеродные нанотрубки, которые в десятки раз прочнее стали и обладают массой других ценнейших свойств.
Так, канадский производитель одежды Garrison Bespoke разработал мужской костюм, который сделан из ткани на основе углеродных нанотрубок. Такая ткань останавливает пули до сорок пятого калибра и защищает от колющих ножевых ранений. Кроме того, она на 50% легче кевлара - синтетического материала, используемого для изготовления бронежилетов.  Подобные костюмы наверняка войдут в моду среди бизнесменов и политиков.

К числу самых фантастических применений карбоновых нанотрубок относится космический лифт, который позволит доставлять на орбиту грузы без дорогих и опасных запусков ракет. Его основой должен стать сверхпрочный трос, протянутый от поверхности планеты к космической станции, находящейся на геостационарной орбите на высоте 35 тыс. км над Землей.

Эта идея была предложена еще великим русским ученым Константином Циолковским в 1895 году. Но до сих пор проект казался неосуществимым по техническим причинам, ведь не было известно материалов, из которых можно сделать настолько прочный трос. Однако открытие углеродных нанотрубок в начале 1990-х гг. заставило пересмотреть границы возможного. Сотканная из карбоновых нанотрубок нить миллиметровой толщины способна выдержать нагрузку примерно 30 тонн. А значит, дешевые и безопасные путешествия на орбиту в кабине космического лифта из фантастического сюжета превращаются в практическую задачу для инженеров.

Пресс-служба CAPAROL