Композитные материалы и зачем они нужны

Я вот сейчас подумал - я писал об истории, о космосе, о магии, короче, обо всём, кроме, собственно, тематики моего профильного образования. То есть композитных материалах в конструкциях аэрокосмической техники.

Где это может пригодиться в фантастике? Разумеется, в техническом порно. Так уж получилось, что композиты наиболее активно употребляются инженерами по вене именно в моей области, так что если вы пишете о космосе, стоит знать хотя бы в общих чертах, как и почему, чтобы блеснуть при случае. На самом деле, конечно, вряд ли это понадобится - иллюзий я не строю, но с другой стороны, почему бы и нет?

Что такое композит? Это материал, состоящий из двух и более фаз, то есть компонентов. Чаще всего это ткань или волокна, пропитанные связующим веществом, например, эпоксидной смолой. Смола обладает небольшой прочностью, но она воспринимает лишь малую часть нагрузок, основное её назначение - удерживать вместе слои армирующего вещества. Вот оно-то как раз имеет очень высокую прочность, жёсткость и так далее.

Естественный композит - дерево. Волокна там склеены между собой, образуя прочную структуру. 

Казалось бы, всё просто, но нет. Однонаправленные композиты имеют очень большую прочность вдоль волокон, но почти никакую - поперёк, потому что там нагрузку воспринимает связующее. Но потом один инженер утопил в смоле платье своей жены, понял, что это хорошо и сделал тканевые композиты, где волокна лежал и вдоль, и поперёк. Наименьшую прочность такая структура имеет при угле между вектором нагрузки и направлением волокон в 45 градусов, но даже тогда она гораздо выше, чем просто у смолы.

А вдобавок хитрые инженеры придумали выкладывать всё не одним слоем, а чередовать, например, один слой под 0 градусов, а второй - под 90. Или под 45. Или под 30, 60, 57, 32, короче, всё зависит от нагрузки.

В результате сложность расчётов композитной балки, пластины и тем более оболочки возрастает на пару порядков, так что в нормальных конторах всё это считают CAE-продуктами, причём не простыми, а ориентированными конкретно на композиты. Однако взамен мы получаем:

- очень высокую удельную прочность. Например, сплав титана ВТ9 имеет прочность 1200 МПа, примерно столько же, сколько у высокопрочной стали 30ХГСА - но при этом он на 40% легче, за что его и любят в авиации. Но и он нервно курит в сторонке при сравнении с высокопрочными углепластиками, которые при прочности в 2000 МПа вдоль волокон легче стали в 6-7 раз.

- радиопрозрачность. Чем больше композитов в конструкции самолёта, тем хуже его видят радары. Как деревянный кукурузник. Польза сомнительная, на самом деле - даже если целиком сделать самолёт из композитов, то вы столкнётесь с тем же самым, с чем столкнулись конструкторы F-117: вам никак не скрыть двигатель. Зато из композитов делается носовой обтекатель, чтобы обеспечить нормальную работу бортовой РЛС.

- пофигизм в отношении агрессивных сред. Там, где даже нержавейка покроется слоем окиси, годный композит будет спокойно продолжать работать.

- термическая стойкость. Если сталь начинает стремительно терять прочность уже при 300-400 градусов, то углепластику и 1000 нипочём. Нужно лишь подобрать такое же термически стойкое связующее.

Вообще разнородность сред позволяет оперировать свойствами материала как пожелает левая пятка. Например, в кукурузниках носовой шпангоут пропитывают не обычной эпоксидкой, а с добавкой оксида алюминия, что резко повышает его огнеупорность. Внутренний слой кабины делают не из углепластика, а из арамидной ткани (это всем известный кевлар), потому что углепластик при поломке образует острые щепки, и если неудачно навернуться с небес, хирурги потом замучаются удалять всю эту дрянь из тушки пилота. Арамидная ткань же не даёт этому произойти. Ну и так далее.

Как это выглядит? Ну, например, вот простейшая углеткань, с которой я работал (фото из интернета):

Оснастка промазывается смолой, кладётся ткань так, чтобы не было складок, снова промазывается смолой, кладётся ещё один слой и так далее, пока не наберётся нужное количество. Или вот:

Простите, не то. Вот арамидная ткань:

Да, именно из неё делают бронежилеты. 

Этим всем композиты не ограничиваются. Есть даже металлокомпозиты, где нити сделаны из одного металла, а связующее - из другого. Доля их в авиастроении повышается последние несколько десятков лет, а в космической технике так тем более, хотя металлы тоже не сдают позиции. Что будет дальше? Ну, посмотрим.