Углеродное волокно. Оглянувшись назад.

Уровень потребления композиционных материалов и изделий из них, важнейший показатель промышленного развития любой страны. Так, материальный баланс отрасли, уже характеристика технического уровня выпускаемой продукции. Сырье и материалы необходимые для изготовления изделий из композитов, относятся к категории стратегических, определяющих технологическую независимость и обороноспособность страны. Углеродное волокно важнейшее из них.

Уже в 60-е годы прошлого века стало ясно, что традиционные материалы (сплавы на основе железа, магния, алюминия, титана и т.д.) не могут обеспечить повышение тактико-технических характеристик изделий, надежности и срока службы, снижения материалоемкости и стоимости. Создаваемые сплавы обеспечивали некоторый, пусть и небольшой, рост удельной прочности, однако удельная жесткость оставалась практически без изменений. Следовательно, было невозможно повысить несущую способность конструкций, что вело к росту упругих деформаций. Кроме того некоторые задачи возникающие при конструировании и изготовлении изделий оборонного назначения, авиационной и ракетно-космической техники, атомной промышленности было невозможно решить используя традиционные материалы.

По комплексу свойств и стоимость углеродные волокна являются безусловным лидером среди других видов высокопрочных и высокомодульных волокон. Это стало следствием решения проблемы повышения поверхностной активности углеродных волокон и адгезионного взаимодействия на поверхности раздела волокно-смола.

В середине 60-х годов начальник ВИАМ А.Т. Туманов пришел к выводу, что для обеспечения технического, а значить и военного паритета с США стране нужны композиты нового поколения. Более того, композиционные материалы, один из магистральных путей развития материаловедения на многие десятилетия вперед. В ВИАМ было создано специализированное подразделение, институт начал финансировать первые этапы исследований в ВНИИВ (борные волокна) и НИИ Графит (углеродные волокна) В 1967 г были получены первые углепластики.

На межотраслевой выставке оборонных отраслей промышленности «Сетунь-68» был организован показ композиционных материалов и представлены убедительные доводы о необходимости подготовки проекта постановления Совета Министров СССР по всей проблеме материалов для новой техники. Потребность в новых материалах испытывала не только авиация, но и ракетостроение, атомная промышленность, некоторые другие отрасли. Вопрос недопущения технологического отставания мог быть решен только на государственном уровне. В декабре 1968 г было принято соответствующее решение ВПК, а 3 июня 1970 г постановление Совета Министров. Была создана организационно-финансовая база, проблема получила статус государственной. К работе было привлечено более 50 предприятий и организаций различных министерств и ведомств.

В 1971 г были паспортизированы первые и отечественные угле и боропластики: боропластик КМБ-1 с отношением Е/γ=14000 км (усл.ед.) углепластик КМУ-1 с Е/γ=9000 км (усл. ед.). Первые однонаправленные углепластики обладали удельной прочностью 60 км (усл. ед.), которая с появлением новых волокон была увеличена до 150 км (усл. ед.), а модуль упругости – до 12000 км (усл. ед.).

На авиасалоне в Ле-Бурже в 1973 г. американцами была показана эффективность применения композитов в авиастроении. Замена титана на боропластик, при изготовлении вертикального и горизонтального стабилизаторов, в самолетах F-14 и F-15 позволило снизить их вес на 20%. Естественно это не прошло незамеченным в СССР.

Результаты испытаний композитов на самолетах Ан-22, Ан-24, Су-25, двигателе Д-36 были успешными и практически все ОКБ заложили в свои конструкции изделия из углепластиков. Однако промышленность на данном этапе оказалась не готова к выпуску углеволокна и других материалов в нужном количестве. Министру приходилось лично распределять углеродные волокнистые наполнители. Спрос превысил возможности производства, и разработчикам части изделий новой техники, пришлось вернуться к традиционным материалам.

Через два года промышленность вышла на запланированные объемы производства. Однако в образцах техники уже были заложены традиционные материалы, применение углепластиков, а следовательно, и углеродных волокон оказалось минимальным. В Госрезерве и на предприятиях изготовителях стали накапливаться нереализованные излишки. Это привело к тому, что практически прекратились работы по улучшению углеволокна, совершенствованию технологии его изготовления. Существует довольно обоснованное мнение, что именно тогда началось отставание от зарубежных фирм в объемах выпуска и свойствах углеродных волокон.

Тем не менее, процесс был запущен. Изделия из композитов находили все новые и новые применения.

Создание РДТТ высокой массовой эффективности, сравнимой и превосходящей американские, не могло состоятся без широкого применения высокомодульных и высокопрочных волокон (как углеродного, так и арамидного, борного) Работы по РК «Курьер» (ПУ МБР замаскированная под фургон «Совтрансавто» и способная двигаться по обычным шоссейным дорогам) были бы вообще невозможны без углеволокна и создания сетчатых конструкций на его основе. В последующем такие конструкции получили широкое распространение в ракетной и космической технике. Уже у БРПЛ Р-39 масса изделий из неметаллических материалов составляла 46% от общей массы ракеты.

Разработка боевых блоков, для МБР и БПЛА, с высоким баллистическим коэффициентом, а следовательно, и высокой точности в принципе невозможно без использования углеволокна и УУКМ. Так после получения сведений о характеристиках американского ББ ракеты «Трайдент» возникли даже определенные сомнения не дезинформация ли это. Проведенные расчеты показали, что советский ББ будет на 40 кг тяжелее американского. Только использование углеволокна могло исправить эту ситуацию. Были разработаны углерод-углеродные композиционные материалы для наконечника КИМФ (3-D) и 4КМС-Л (4-D). Создан специальный углепластик для боковой поверхности. По мере уноса на боковой поверхности проявляется «подкручивающий» макрорельеф, образованный за счет специального переплетения уточных и каркасных нитей цельнотканой многослойной заготовки. Это позволило отказаться от «пилонов», что значительно улучшило сигнальные характеристики ББ.

Учеными ВНИИ Приборостроения были проведены 16 ядерных взрывов, что позволило создать заряд с удельной мощностью почти вдвое превосходящей американский. В ходе летно-конструкторской отработки прошли испытания более полусотни вариантов исполнения боевого блока. Успешное окончание этой работы было отмечено Государственной премией СССР.

Интересно, что созданный в то время углерод-углеродный композиционный материал КИМФ и сегодня производится в Челябинске на предприятии ГК " Росатом"

Создание лопастей вертолетных винтов из гибридного ПКМ позволило увеличить их ресурс (по сравнению с металлическими) вначале в 10 раз, а в дальнейшем и более. Вертолетные лопасти, как и статорные лопатки двигателей Д-36 и Д-18, были первыми объектами, на которых была продемонстрирована эффективность применения гибридных композитов. ПКМ (в первую очередь органопластики) получили самое широкое распространение в вертолетостроении. Так, масса конструкций из композитов в вертолете Ка-26 составляла 6%, Ка-27 (Ка-32) - 15%, Ка-126 (Ка-226) - 17%, Ка-50 - 35%, Ка- 62 - 55%. Применение композитов на вертолетах КБ им. Н.И.Камова обеспечивает: снижение массы на 15...35%, увеличение ресурса в 1,5...3 раза, повышение живучести, снижение трудоемкости и цикла изготовления вертолета в 1,5...3 раза.

Углепластики применялись в конструкции практически всех образцов авиационной техники: Ан-22, АН-124, Ан-225, Ту-160, Ту-204, Ил-96-300, Су-27, МиГ-29, Су-47, МФИ-1.44 и др.

На ракетоносителе «Энергия» применено 4,5 тонны углепластика КМУ-4. В составе ВКС «Буран» створки отсека полезного груза, имеющие площадь 144 м2 и массу 700 кг выполнены углепластиков КМУ-4 и КМУ-8 и гибридного углеорганопластика. Применение ПКМ в конструкции ВСК «Буран» позволило снизить его массу более чем на 1500 кг.

Конец 80-х годы расцвета промышленности полимерных композитов. Углеродные волокна производились на 8 заводах, в том числе на Московском и Челябинском электродных заводах, Балаковском ПО «Химволокно» (ПО «Аргон»), Светлогорском ПО «Химволокно». Созданные промышленные мощности, отлаженные промышленные механизмы и цепочки поставок обеспечивали отрасль композитов сырьем и материалами в необходимых количествах.

Однако в развитии композитной отрасли в СССР был и весьма существенный недостаток. По целому ряду причин применение композитов в гражданских отраслях было минимальным, практически отсутствовало производство товаров широкого потребления. В то же время на западе уже в 70-е годы изготавливались клюшки для гольфа, лыжный и хоккейный инвентарь, велосипеды, байдарки, удочки и спиннинги. В 1976 г на машинах McLaren появились первые углепластиковые детали, в 1981 г. McLaren MP4 с монококом, полностью изготовленным из углеволоконного композита. Так начинался путь углепластиков в автомобилестроении.

Такое положение оказывало непосредственное влияние на объемы производства углеволокна, и следовательно, его стоимость, развитие технологий переработки и совершенствования самого материала.

«Святые девяностые» оказали свое пагубное влияние, как на страну, так и на отрасль композитов и ее крупнейших потребителей.

К началу 2000 годов западные компании достигли ощутимых успехов в создании надкритичных газовых центрифуг с длинным ротором. Отставание в этом вопросе грозило огромными экономическими потерями (по состоянию на декабрь 2015 г. России принадлежало 46% мирового рынка обогащения урана), утратой завоеванных позиций и технологическим отставанием. Со временем гигантские обогатительные каскады «Росатома» насчитывающие сотни тысяч, а иногда и до полумиллиона центрифуг потеряли бы свою ценность.

В России (СССР) строились подкритичные центрифуги с коротким ротором. Надкритичная центрифуга с длинным ротором за единицу времени производит в 10—20 раз больше единиц работы разделения (ЕРР).

В 2003 г в «ОКБ - Нижний Новгород» начались работы над газовой центрифугой 9 поколения. Одним из важнейших был вопрос материалов, обладающих повышенной жесткостью. Уже в центрифугах 4 поколения ротор изготавливался из стеклопластика. В начале 90-х стало ясно, что из стекла выжато все что возможно и на центрифугах 7 поколения уже были использованы углеродные волокна. Однако для центрифуг 9 поколения (длина ротора, скорость) требовались волокна с модулем упругости значительно  более 400 ГПа. Возможно эта причина, наряду с другими, стала основанием для передачи предприятий производящих углеволокно в состав «Росатома»

В тот период производством углеволокна в России занимались: ООО «Аргон» годовая производственная мощность порядка 140 тонн высокомодульного графитированного и карбонизированного волокна и 60 т/год УВМ других ассортиментов. ООО «ЗУКМ» 80 тонн высокомодульного углеродного волокна. В ВНИИПВ был опытный цех углеродных волокон мощностью 5 т/г.

Начался новый этап в создании и производстве углеродных волокон отечественного производства и изделий из них