Это шлем Михаэля Шумахера. И на него действительно загнали танк. Не в бою, конечно, а в рамках демонстрации прочности.
Результат? Шлем остался цел. А вот тестовый экипаж чуть не инфаркт получил.
Внутри — 18 слоёв углеродного волокна T1000. Материал, который сегодня спасает жизни и делает болиды легче воздуха.
Стоил такой шлем в 2004 году около 20 000 долларов — и каждый доллар отбил. Потому что всего через пять лет такой шлем спас жизнь Фелипе Массе.
Гонка в Венгрии, 2009-й: пружина весом 800 грамм отлетает от машины соперника и со скоростью 275 км/ч бьёт Массу в голову. Шлем трескается, пилот теряет сознание, но остаётся жив. Массу выписали из больницы через несколько дней. В обычном шлеме у Фелипе не было ни единого шанса на таких скоростях.
Давайте посмотрим, как устроен этот уникальный материал. И стоит ли нам ждать, что он — такой прочный и легкий — скоро заменит привычные металлы.
Что такое углеродное волокно и почему оно круче стали
Углеродное волокно (или карбон) — это тончайшие нити углерода, скрученные в пучки. Диаметр одного волокна — от 3 до 15 микрон. Для сравнения: человеческий волос — от 30 до 70 микрон.
Ткань из нитей углерода пропитывают эпоксидной смолой и получается прочный и монолитный материал. Из него уже можно формировать изделия от шлемов до самолётов.
Получают волокно из ПАН-прекурсора (синтетический полимер) или нефтяных смол. Обжигают при 2000–3000°C.
Карбон — прямой «родственник» алмаза, эти материалы состоят только из атомов углерода. Только структура их разная.
В алмазе атомов стоят очень плотно и ровно. Они соединены с четырьмя соседями в трёхмерной решётке. Получается — крепкий кубик, это и есть структура алмаза.
А в карбоне шарики объединены в тонкие плоские листы, как соты в улье. И этих листов может быть много, они складываются и вытягиваются в очень тонкие прочные нити.
Прочность на разрыв: от 3500 до 7000 мегапаскалей. Это в 7-10 раз прочнее конструкционной стали. А вес в пять раз меньше. Добавим сюда устойчивость к коррозии, низкое тепловое расширение, малую усталость — и получаем идеальный инженерный материал. Ну почти.
В таблице я сравнил углеродное волокно с пластиком и металлами.
Собственно, от этих свойств и отталкиваются при его использовании.
Почему углеродное волокно еще не везде?
Дорого, сложно ремонтировать, хрупкое на удар, плохо перерабатывается. От температуры страдает (не забываем про эпоксидную смолу, которая от жара «тает»).
Сломать волокно можно, особенно при ударе. Но на разрыв и усталость очень стойкое.
Где карбон сильнее всех, а где бессилен
Преимущества углеродного волокна:
- Авиация и космос: Boeing 787 и Airbus A350 на 50% и более состоят из композитов
- Автоспорт: Формула-1, гиперкары, кузова и детали подвески
- Медицина: протезы, рентгенопрозрачные инструменты
- Строительство: армирование мостов, сейсмостойкие панели
- Спорт: велосипеды, клюшки, удочки, лыжи
Недостатки карбона:
- Высокие температуры: смола разрушается свыше 300°C
- Удары: хрупкость на точечные и резкие удары
- Ремонт: трещины не видны, починка дорогая
По экономике карбон проигрывает стали. Производство сложное и дорогое, переработка почти невозможна.
Поэтому в дешёвых телефонах, массовых авто и бытовой технике карбон редко встретишь. Но только пока — думаю, еще найдут способ удешевить производство. Ведь потенциально это очень выгодный материал. Углерод то — повсюду, очень распространенное вещество. Только вот надо научиться легко складывать в волоконную структуру.
В табличке я собрал те сферы, где пытались применить углеродное волокно, но оно себя не оправдало.
Технологии углеродного волокна в России
Началось все еще в Советском Союзе в 1970-х. В НИИ с говорящим названием «Графит» разрабатывали материалы для «Бурана», ракет «Тополь» и подлодок.
После распада СССР о карбоне почти забыли, так как космическая отрасль в приоритете не была. Теперь происходит ренессанс, с учетом того, что карбон научились использовать куда шире.
Сейчас в России основные производители карбона выглядят так:
ЮМАТЕКС. Крупнейший производитель углеволокна, 1400 тонн в год.
Препрег-СКМ. Пропитанные карбоновые ткани для авиации.
Аргон, Обнинскорганосинтез, ВИАМ — научные и промышленные партнёры.
Самолёт МС-21 на 35% состоит из российских композитов. Карбон — главный армирующий наполнитель для них.
Мы, кстати, ездили на завод «Авиастар», где эти самолеты собирают. Подробнее в этой статье:
Там, где делают самолеты. Съездили на завод, где собирают легендарный Ил-76
Карбон уже не экзотика, а инструмент инженерного выживания.
Электромобили выигрывают каждый километр за счёт снижения веса. Ветрогенераторы тянутся в небо с лопастями по 200 метров. Карбоновые мосты переживут свои бетонные аналоги.
3D-печать карбоном — уже реальность. Протезы, запчасти, архитектура. Уже сейчас печатают детали для мебели из карбона, в собранном виде выглядит довольно стильно:
Корпуса бытовой техники, всякие ручки и мелкие детали также будут заменяться — скоро не только самолет МС-21, но и ваша стиралка будет на треть из композитов состоять. И мы от этого только выиграем!
Ремонт всего и вся станет проще. Представьте, 3D-печать позволит быстро создавать детали сложной формы. При этом, обладающие промышленной прочностью!