Новые материалы совершат революцию в авиастроении

На модерации Отложенный Специалисты Северо-Западного университета США разработали новый вид материалов на основе углерода — так называемую алмазную, или графеновую «бумагу». Ее можно свернуть в рулон, гнуть и трансформировать как обычный лист картона. Но при этом ее прочность приближается к алмазу. Как утверждают специалисты, этот материал способен произвести революцию в авиастроении, и, возможно, через несколько десятилетий в небо поднимутся лайнеры, на 100% состоящие из углерода.

Графен — это слой атомов углерода, расположенных в одной плоскости, формирующий двумерный кристалл. Получен он был в 2004 году в результате работ международной группы ученых из Манчестерского университета (Великобритания) и Института проблем технологии микроэлектроники и особо чистых материалов в Черноголовке (Россия). При помощи нанотехнологий, путем комбинирования слоев графена, ученые получали новые материалы, которые имели уникальные физические свойства. Накладывая друг на друга слои нанопленок, специалисты получали 3D-кристаллы графита, в результате чего достигалась колоссальная прочность.

«Графен располагает очень высокой термостойкостью, прочностью, а также имеет хорошие электрические свойства, — рассказывает руководитель группы исследователей из Северо-Западного университета США Родни Руофф. — Такие материалы приближаются по прочности к алмазу. Неудивительно, что уже давно ищутся пути его эффективного применения. И наконец это удалось сделать. Специалисты после проведения реакции окисления добавляли в полученный оксид воду, и после фильтрования образовывался слой толщиной в 100 мкм».

«Бумага» получилась небольших размеров — диаметр листа составляет всего 12,7 см. Между тем специалисты уже назвали ее появление долгожданным прорывом в материаловедении. «Дело в том, что новые материалы на основе графена и другие графитосодержащие композиты приближают ученых к давней мечте — созданию самолетов и других механических устройств, которые бы на 100% состояли из углерода, — рассказывает РБК daily заместитель директора по научной работе НИИграфит Анатолий Проценко. — Сейчас активно применяются алюминиевые сплавы. Они справляются с нагрузками, но уже тормозят дальнейшее развитие техники. Листы же на основе углеродных волокон легче и, самое главное, обладают повышенной термостойкостью. При увеличении температуры их прочность не только не падает, а, наоборот, растет. Эта особенность позволяет применять их для разработки лопаток для авиационных двигателей. В будущем же, возможно, будут созданы двигатели внутреннего сгорания, целиком состоящие из углеродных волокон. Уже ведутся эксперименты в этом направлении. Создаются поршни и валы. И по общему признанию, первым на очереди окажется роторно-поршневой двигатель Ванкеля. Его конструкция наиболее подходит для работы с углеродом. Ну а далее обязательно инженеры возьмутся и за реактивные двигатели».

«Пока же графеновая «бумага» будет полезна, в первую очередь, для изготовления облегченных обшивок и в качестве термоизоляторов, — рассказывает РБК daily начальник отдела ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов» Николай Раскутин. — Помимо высокой прочности она обладает и хорошей электрической проводимостью, что позволяет минимизировать ущерб при ударах молнии в самолет. Заряд распределяется по всему корпусу, и лайнер остается без серьезных повреждений. Сейчас же доля углеродосодержащих материалов в авиации достигает примерно 50%. К примеру, европейский самолет-гигант А380 сконструирован в таком соотношении. Ныне разрабатываемый американцами Boeing Dreamliner тоже наполовину будет из композитов, что из-за снижения веса, естественно, отразится на пассажировместимости и топливной экономичности. Графен позволит еще больше увеличить эту долю».

До сих пор углеродосодержащие материалы обладали главным недостатком — это неравномерное сопротивление нагрузкам. Так, если на разрыв и на сжатие они работают намного лучше, чем сталь, то на сдвиг значительно проигрывают ей. Углеродные волокна, связанные, словно клеем, различными наполнителями и смолами, могут смещаться относительно друг друга. Материал как бы расслаивается. В итоге инженерам приходится для каждого определенного участка самолета или ракеты проектировать свой лист из композитных материалов, в котором волокна расположены таким образом, чтобы сопротивляться нагрузкам только строго определенной стороной.

В графеновой «бумаге», напротив, слои переплетаются между собой хаотично, поэтому нагрузка может распределяться равномерно по всей структуре, делая ее невероятно прочной. «Обшивки, уплотнители и прокладки из графена будут практически вечными, — говорит Анатолий Проценко. — Перепады высоких температур и нагрузка ему не страшны. Единственный недостаток — это невероятно высокая цена. Но с началом масштабного введения этого материала в производство она будет падать».

Bладимир Гаврилов