Металл vs композит: главное — не материалы, а новые технологические решения

Металл vs композит: главное — не материалы, а новые технологические решения

Работа с наночастицами открывает бесконечные возможности управления свойствами материалов. Используя наночастицы как добавки, можно улучшить качество топлива, защитных и упрочняющих пленок, металлических и полимерных изделий, лекарственных препаратов, красок, текстиля, бумаги и т. д. Несмотря на относительно недавнее начало работ в этой области, уже сегодня можно говорить о том, что нанотехнологии не только повышают эффективность использования существующих материалов, но и создают новые продукты, способные видоизменить целые отрасли

Смогут ли нанотехнологии совершить революцию, сделать промышленные и потребительские товары более долговечными, качественными и компактными, и вместе с тем более дешевыми? Ответы на эти вопросы пытались найти участники панельной дискуссии «Способны ли нанотехнологии совершить революцию в материалах?» на прошедшем форуме «Открытые инновации».

На сегодня базовые материалы – это металл и сплавы, пластик, цемент, бетон. Именно поэтому фундаментальные свойства базовых материалов не менее важны, чем энергоэфективность.

«Фундаментальное увеличение эффективности базовых материалов способно радикально повысить вообще эффективность техносферы. Пример — автомобиль: он перевозит пять человек по 100 кг при собственной массе 2000 кг. То есть КПД — 25 %. Но если снизить вес автомобиля в два раза, произойдет рост КПД, сокращение объемов используемых материалов, уменьшение энергозатрат для обработки материала, сокращение транспортных затрат на перевозки, снижение объемов использования железной руды и кокса, руд цветных металлов. Увеличение фундаментальных прочностных свойств базовых материалов по масштабу своего влияния на техносферу сопоставимо с информационно-коммуникационными технологиями, проблемами энергоэффективности», — отметил Анатолий Чубайс.

Следующий материал — это углеродное волокно или карбон. Возник большой интерес к базальтопластикам — этого сырья еще больше, чем материалов для производства стеклокомпозитов, да и сами технологии проще.
Базовые плюсы композитов: они, несмотря на более высокую стоимость как самих материалов, так и конечных продуктов, обладают целым рядом базовых качеств. Во-первых, принципиально более высокая достижимая прочность.

«Многие задаются вопросом — почему BMW решила выпустить карбоновый автомобиль, который, кстати, увидит свет уже в 2013 г., — говорит Леонид Меламед. — Делать акцент на том, что карбон более легкий и прочный материал, экономит топливо — бессмысленно, так как автомобиль получается на 50 % дороже, чем из металла. Мы даже выстроили кривую, чтобы понять, какая должна быть цена на нефть, чтобы оправдать применение карбона. Выяснилось, что баррель должен стоить более 300 долларов. Так что же знают в BMW, чего не знаем мы? И когда все же удалось «расколоть» этот кейс, выяснилось, что применение карбона позволило компании в четыре раза сократить общее количество деталей. В итоге это позволило иметь экономику, которая, несмотря на 20-кратную разницу в стоимости карбона, делает ставку на него».

Поэтому мы ожидаем, что эта добавочная цепочка стоимости композиционных материалов, которая вызвана отсутствием массовых технологий, будет интенсивно и кардинально сокращаться и приведет к тому, что композиционные материалы будут втягиваться во все более широкие отрасли промышленности. Значит, чем больше они втянутся, тем больше будет масштаб производства и, соответственно, падение цен. По прогнозам специалистов есть большой запас по снижению стоимости всех видов композиционных материалов: стоимость стеклопластика уже минимальна, но возможно ее двукратное снижение. Карбон в ближайшие 10 лет ждет троекратное падение цены. Это расширит рынок: машиностроение, судостроение, где сегодня композиционные материалы остановились на применении 60-метровых судов.

«Пять-шесть лет назад появилась мысль создать самолет, который будет летать исключительно за счет солнечной энергии. Мы спонсировали этот проект (Самолет с названием «Солнечный импульс» (Solar Impulse) был представлен публике 26 июня 2009 г., 3 декабря того же года совершил первый полет, в июле 2010 г. — первый 26-часовой полет.

Высокотехнологичные полимерные материалы были предоставлены компанией «Байер» — Bayer MaterialScience. Прим. ред.), — говорит госпожа Нехода-Хан. — В этом проекте главное не материалы, сколько поиск принципиально нового решения».

Мнение сторонников композитных материалов «разбавил» Юрий Коропачинский, председатель Совета директоров SM.holding. По его мнению человечество будет использовать самые распространенные материалы: оксид кремния (это стекло), алюминий и углерод.

«В мире производится 15 млрд тонн материалов, из которых 10 — строительная керамика (это кирпич), 2,7 млрд тонн — цемент, 1,7 млрд тонн — это сталь. Все полимеры — 0,3 млрд тонн, из них полиэтилена — 50 млн тонн, стеклопастика — 6 млн тонн. Таким образом, базовые материалы — это то, что производится в количестве более 1 млн тонн в год, — говорит Юрий Коропачинский. — По прогнозам по производству материалов минимальный прирост в следующие 15 лет составит как минимум 2 млрд тонн».

По данным Коропачинского человечество сегодня «перелoпачивает» 30 млрд тонн материалов. Именно такой объем вынимается из биосферы Земли. Из них 8 млрд тонн — углерод, который впоследствии выбрасывается в атмосферу. То есть мы берем 8 млрд тонн из недр — уголь, газ, нефть, — сжигаем и выбрасываем в атмосферу, потому что материалов из углерода производится всего 300 млн тонн. Это примерно 0,3 %.

Решить данную проблему, по мнению Юрия Коропачинского, в ближайшие десятки лет можно только одним способом — применением аддитивов. При этом он поддержал академика Алексея Хохлова, утверждающего, что мало чего появилось нового: полиэтилен был изобретен в 1937 г., тефлон — в 1938 г. Но в 1991 г. были открыты нанотрубки — их прочность в 100 раз выше стали, электропроводность — выше, чем у меди. Последнее решает проблему электропроводности при использовании композитов в авиапромышленности, указанную господином Ботти.

«Так, перкалиционный эффект при добавлении нанотрубок наступает при 0,1 массовой доле. Наши реальные работы показывают, что нужно меньше 1 %, и деталь окраситься электростатически, — говорит Юрий Коропачинский. — Поэтому углеродные наноматериалы — это углеродные нанотрубки, графен и др. — возьмут вверх над остальными материалами». Главная причина — в фантастическом комплексе свойств. В настоящее время нет ни одного материала, который обладал бы такими свойствами даже в отдельности, тем более в комплексе: высокой прочностью и электропроводностью, низким весом, термической стойкостью и др.

Второй фактор — это универсальность аддитива. Нет никакого другого материала, добавление которого в самые различные матрицы позволяло бы получать колоссальный рост свойств. Нанотрубки можно добавлять в полимеры, алюминий, цемент.

Металл как конструкционный материал с первого места переместится на второе, отдав главенствующую роль композиционным материалам.

В перспективе углеродные наноматериалы возьмут вверх над остальными материалами. Главная причина — в фантастическом комплексе свойств. В настоящее время нет ни одного материала, который обладал бы такими свойствами даже в отдельности, тем более в комплексе.

В середине XX века стало понятно, что начался век полимеров. Но тогда о их молекулярной структуре еще ничего не было известно. Сейчас мы знаем о всех возможных молекулярных структурах. На горизонте, откровенно говоря, не просматривается ничего, что могло бы заменить базовые материалы. Они и потому базовые, что дешевые. Композиты – это, конечно, одно из прорывных направлений современной промышленности, но они очень дорогие и должны заменять небольшие ниши, в которых базовые материалы не работают.

Учитывая это, можно предположить две тенденции.

Что касается общего развития области материалов, стоит отметить тенденцию к получению биомиметических материалов. Из всех материалов самые совершенные — это живые системы. И любая самая элементарная клетка сложнее совершенного устройства, созданного человеком. Существует соответствующее направление, когда, подсматривая строение живых систем, человек пытается реализовать эти подходы для систем, материалов. Я думаю, именно в этом направлении будет идти развитии, а не в замене базовых материалов.

Пока не решена одна из главных проблем применения композитных материалов, проблема из области безопасности

Первым самолетом, где были применены композитные материалы, был Airbus 380 (EADS является единственным акционером компании Airbus S.A.S.). Доля композитных материалов в нем достигала 30 %. В следующем году намечен выпуск нового самолета, в котором будет применено уже 52 % композитных материалов. Но, веря в композитные материалы, делая на них ставку, мы пока не решили одну из главных проблем, общую для всей отрасли — электропроводимость композитных материалов. Подчеркну, это проблема безопасности, и все преимущества композитов ей перечеркиваются вследствие невозможности обеспечить заземление в случае молнии. Среди решений — использование медной сетки на фюзеляже. Большой потенциал видится как раз в применении углеродных нанотрубок.

Переход на композитные материалы ограничен также с экологической точки зрения: данные материалы слабо задействованы в рециклинге в силу сложности их переработки и невозможности повторного использования. При наличии эффективных технологий обработка композитов, производственный процесс гораздо дороже по сравнению со сплавами. То есть пока нет уверенности в выгоде композитов при наличии новых сплавов.

http://9000innovations.ru/…ie-resheniya?…

Работа с наночастицами открывает бесконечные возможности управления свойствами материалов. Используя наночастицы как добавки, можно улучшить качество топлива, защитных и упрочняющих пленок, металлических и полимерных изделий, лекарственных препаратов, красок, текстиля, бумаги и т. д. Несмотря на относительно недавнее начало работ в этой области, уже сегодня можно говорить о том, что нанотехнологии не только повышают эффективность использования существующих материалов, но и создают новые продукты, способные видоизменить целые отрасли

  • Хорошая аналитическая статья… Правильно расставлены акценты, намечены тенденции и перспективы…

В добрый путь и новых достижений!..