Среди молодых ученых, отмеченных в этом году премией Верховной Рады, есть и два физика из института проблем прочности им. Писаржевского. Их работа посвящена актуальной теме — композиционным, т. е. составным, материалам. Точней — определению характеристик целого ряда таких материалов. Корреспондент «Ноосферы» встретился с лауреатами премии ВР — Максимом Заразовским и Евгением Данильчуком.
Оба они работают в лаборатории прочности материальных элементов конструкций при криогенных температурах (завлаборатории и научный руководитель — д. т. н. Николай Кучер). Оба в разные годы окончили НТУУ «Киевский политехнический институт», кафедру динамики и прочности машин. Придя в институт проблем прочности, они успешно защитили диссертации. Собственно, Максим и Евгений исследуют разные материалы, но по многим вопросам их работы пересекаются.
Евгений Данильчук
Максим Заразовский
Максим Заразовский: В нашей лаборатории есть аппаратура, при помощи которой мы исследуем поведение материалов при разнообразных нагрузках. К нам обращаются представители различных фирм и предприятий, когда есть необходимость проверить характеристики материалов, созданных в нашей стране или купленных за рубежом. И мы проводим полный спектр их исследований.
— Уточните, Максим, о каких материалах идет речь?
М. З.: На самом деле, мы с Евгением работали независимо друг от друга. Но у нас было единое общее направление: мы оба занимались новыми неметаллическими материалами, композитами, исследовали их физические свойства. Эти материалы сейчас получают все более широкое применение. Мы не занимаемся изготовлением композитов, мы только исследуем их на прочность. Нам присылают материал, полученный по какому-нибудь контракту, и наша задача — определить его характеристики и прогнозировать поведение при тех или иных нагрузках.
Поле моих исследований — углепластики и стеклопластики. Раньше их использовали в основном в авиации и космонавтике. Теперь из композитов изготовляют хоккейные клюшки, зубы, лыжные палки, корпуса и другие детали автомобилей. Я занимался волокнистыми материалами, а Женя — ткаными материалами.
Евгений Данильчук: Да, моя тема — тканые материалы, которые затем становятся составной частью композиционных материалов. Конечно, тросы, матерчатые пасы известны много столетий. Но серьезного изучения их свойств в зависимости от, скажем, способа плетения, проведено не было. Наши с Максимом работы имеют много общего, они связаны между собой. Мы объединили наши результаты в один цикл работ и подали их на конкурс работ молодых ученых. По нашим темам у Максима сейчас 34 публикации, у меня — 20. Есть два авторских свидетельства по технологиям, применяемым в наших разработках.
Вот, например, образцы тканых лент, применяемых в строительных подъемниках. Они бывают разной формы и ширины. Моей задачей было исследовать эти образцы на прочность при всех возможных нагрузках.
М. З.: Я занимался исследованиями углепластиков, которые находят применение для изготовления космических аппаратов, в элементах конструкций ракет и топливных баков. Мне также присылали стеклопластики с завода им. Антонова. Требовалось определить их характеристики по прочности при различных применениях. Кроме того, исследовался еще один класс композиционных материалов. Это многослойная ткань, пропитанная особым полимерным составом для усиления прочности. Из такого материала изготавливают обтекатели и носовые части самолетов. Материал должен выдерживать соударения, например, с птицами, а также выдерживать значительную разницу давлений и температур по разные стороны обтекателя. Основное отличие от металлических конструкций того же назначения — во много раз меньшая масса. Самолет из таких материалов весит намного меньше, а значит, для его полета требуются двигатели меньшей мощности.
Мы исследовали образцы углепластиков в комнатных условиях, а также при температуре жидкого азота. Нас интересовали как отдельные слои, в которых волокнистые структуры связаны матрицей из смолы, так и многослойные конструкции, где отдельные слои ориентированы в разных направлениях. Такой метод позволяет создавать намного более прочные материалы. Была разработана математическая модель, по которой можно было прогнозировать свойства таких композитов, а по ней создан алгоритм для программы. Зная характеристики одного слоя углепластика, можно прогнозировать прочность всего композита. Это основной результат нашей работы.
— Какие предприятия в Украине используют подобные материалы?
— Не могу сказать, что знаю все заводы и фабрики. Но к нам в институт для проверки свойств композитов обращаются в основном КБ «Южное», где создают космические корабли, АНТК им. Антонова. Впрочем, есть композиты других типов, они применяются в не столь экстремальных условиях, и у них важны другие свойства.
Е. Д.: Ужгородский завод прислал нам на определение свойств образцы, применяемые для изготовления автомобильных прицепов и автомагазинов. Этот материал представляет собой вспененный полистирол толщиной в 2-3 сантиметра, облицованный с обеих сторон стеклопластиком. Получается сэндвич, довольно прочный, и хорошо сохраняющий тепло. Есть образцы, в которых с одной стороны еще приклеен слой толстой фанеры, для придания материалу дополнительной прочности. Такой материал намного легче и металла, и дерева, он стойкий против коррозии, хорошо поддается обработке, например, пилится. Киоски на колесах, автоприцепы — прекрасное использование такого композита. Можно его использовать и в авиастроительстве — везде, где уменьшение веса имеет решающее значение. В западных самолетах уже процентов 60-70 конструкций и деталей сделаны из подобных композитов. В украинском самолетостроении пока процент намного ниже.
— Какова стоимость таких материалов?
М. З.: Пока они раза в 3-4 дороже, чем сталь, поэтому их применение ограничено. Но развитие технологий ведет к удешевлению композитов, а в некоторых случаях они уже сегодня незаменимы из-за своего малого веса. Сейчас, если нужно использовать подобные композиты, стараются использовать стеклопластик, он дешевле, чем углепластик.
Композиционные материалы целесообразно использовать тогда, когда необходимо экономить на массе, или когда нужно особая прочность на излом, на сдавливание, на сдвиг. Компонуя отдельные слои, имеющие усиленную прочность в заданных направлениях, мы добиваемся наиболее эффективного использования таких материалов.
Е. Д.: Основное преимущество композитов — это их не просто прочность, а удельная прочность, то есть прочность на единицу массы. Удельная прочность композитов в разы выше, чем у металлов. Это свойство используется в авиации и ракетостроении, где требуются повышенная прочность при минимуме веса.
М. З.: Важным аспектом является то, что углепластик и стеклопластик мало загрязняют окружающую среду по сравнению с обычными пластмассами.
— Почему их используют только КБ «Южное» и завод им. Антонова, а другие предприятия почти не применяют?
М. З.: Во-первых, композиты намного дороже металла. Во-вторых, мало специалистов, которые умели бы проектировать изделия из этих материалов. Обычно металл можно описать тремя-четырьмя параметрами, а для композиционных материалов нужно порядка 12 параметров. Это совсем иное материаловедение.
Е. Д.: И, в-третьих, для изделий из металла есть готовые линии, а для создания изделий из композиционных материалов еще надо вкладывать большие инвестиции. Но если не работать с композитами, мы обречем себя на вечное отставание от других стран.
М. З.: К сожалению, эту аксиому недостаточно понимают многие из тех, от кого зависит планирование производства в Украине. Очень мало предпринимателей, от которых зависит развитие производства, стараются думать вперед на года.
