Композиты
Зачем применять один материал, когда два лучше? Сочетание различных материалов позволяет получать гибриды с необычными свойствами - выдерживающие температуры до тысяч градусов или неуязвимые для пуль. Передовые композитные материалы защищают космонавтов, солдат, полицейских - и даже ваш хрупкий смартфон.
7 октября 1968 года первый пилотируемый космический корабль «Аполлон» стартовал с авиабазы на мысе Кеннеди (Флорида) и отправился в напряженный 11-дневный полет, в котором предстояло проверить контакт между экипажем и центром управления полетом. Годом ранее три члена экипажа погибли при запуске другого пилотируемого аппарата «Аполлон». Оставшимся членам экипажа, тем не менее, все удалось — люди не только впервые высадились на Луне, но и успешно вернулись на Землю.
Одной из важных особенностей командного отсека «Аполлона» была его тепловая защита. «Аполлон-13» пострадал от взрыва, экипажу пришлось дотягивать до дома с минимальными ресурсами, и от тепловой защиты зависела их судьба. Если бы материал подвел, Джим Ловелл, Джек Суигерт и Фред Хейз изжарились бы.
В матрице
Тепловая защита «Аполлона» была сделана из композитных материалов с абляционными свойствами: они горят медленно и не допускают повреждения космического судна. Был применен композит под названием «авкоут», и, хотя после миссии «Аполлон» его не применяли, НАСА решило использовать его как защитное покрытие «Ориона» — следующего пилотируемого корабля, отправляемого на Луну. Как и прочие композиты, авкоут наделен особыми свойствами: он стоек к температурам в тысячи градусов, и все благодаря сочетанию нескольких материалов, что делает результирующий сверхматериал лучше, чем простая сумма достоинств компонентов.
Многие композиты имеют две составляющие. Одна — матрица, зачастую это смола, которая действует как связующее для другого компонента. Второе вещество — как правило, волокно или частицы, укрепляющие матрицу, они придают ей крепость и структурированность. Авкоут сделан из кремнесодержащих волокон, введенных в смолу, которой придают форму стекловолоконной ткани с ячеистой структурой. Командные отсеки «Аполлона» защищало покрытие более чем с 300 000 отверстий-ячеек, которые заполняли вручную.
Обыкновенные композиты
Может показаться, что никаких других материалов вроде авкоута мы и не знаем. Но композиты применяются далеко не только в космосе, они лишь на первый взгляд экзотика. Бетон — прекрасный пример композитного материала. Это смесь песка, гравия и цемента. Есть и природные композиты — кости, например. Они состоят из минерала гидроксиапатита и белка коллагена. Ученые-материаловеды пытаются воспроизвести структуру кости лабораторно и создать материалы, структурированные на наноуровне, с возможным применением в медицине.
«Я подумала, есть в этом что-то новое. Может пригодиться» Стефани Кволек (1923-2014), американский химик — об изобретении кевлара
Вероятно, самые известные композиты — углеродное волокно и кевлар. Углеродным волокном называются жесткие углеродные нити, придающие прочность клюшкам для гольфа, кузовам автомобилей «Формулы-1» и протезам. Этот материал был открыт в 1950-х годах Роджером Бейконом и стал частью первого высокоэффективного композита. (Бетон нашел широкое применение на сто лет раньше.) Бейкон назвал углеродные нити «усиками» и показал, что они в 10-20 раз крепче стали. Обычно, говоря «углеродное волокно», мы подразумеваем полимер, укрепленный углеродным волокном, — композитный материал, который образуется, когда «усики» интегрируют в смолу вроде эпоксидной — или в какое-нибудь другое связующее вещество.
Через несколько лет химик Стефани Кволек из американской компании «Дюпон» открыла арамиды, «Дюпон» запатентовал это изобретение, а сам материал поступил на рынок под названием «кевлар» в 1970-х. Кволек открыла этот пуленепробиваемый материал, разрабатывая материалы для покрышек: она обнаружила, что у нее получается волокно крепче нейлона, оно не рвется при сучении. Крепость кевлара обусловлена его высокоупорядоченным химическим устройством, что, в свою очередь, позволяет образовываться регулярным водородным связям между полимерными цепочками.
Полетели
Высокоэффективные композиты типа углеродного волокна применяются не только в космосе. Современный самолет — это конструктор из композитов. Основная часть корпуса самолета «Боинг-787 Дримлайнер» на 50% состоит из новейших композитных материалов, в основном — из пластмассы, укрепленной углеродным волокном.
Экономия веса дает преимущество и на земле, и в 2013 году инженеры из линчбергской компании «Эдисон 2» (Вирджиния, США) явили миру четвертую версию своего СЛА — сверхлегкого автомобиля. «СЛА 4.0» весит всего 635 килограммов, а это меньше, чем автомобиль «Формулы-1», и примерно вполовину меньше массы обычного семейного авто, хотя смотрится «СЛА 4.0» как крошечный белый самолетик. Как и «Дримлайнер», он сделан из стали, алюминия и углеродного волокна.
За десять лет разработок корабль «Орион» почти готов к первым непилотируемым тестовым полетам. Безопасность дальнейших пилотируемых полетов, как и у предыдущего «Аполлона», будет зависеть от авкоутовой теплозащиты командного отсека. Тепловая защита «Ориона» — пять метров в диаметре, ничего крупнее прежде не производили. Процесс производства придется «восстанавливать»: кое-какие из исходных ингредиентов теперь уже и не добыть. И все же авкоут по-прежнему считается лучшим для этих целей материалом — даже 50 лет спустя.
Кевлар
Существует множество разновидностей и типов кевларовых волокон, одни прочнее других. В основном нам доводится слышать про те, которые используют правоохранительные органы, - это легкие пуленепробиваемые материалы, но такие же волокна применяют и в корпусах морских судов, ветряных двигателях, а иногда и в смартфонах. Химически дело обстоит так: полимерные цепочки в кевларе напоминают нейлоновые, в обеих есть повторяющаяся амидная группа. Стефани Кволек из компании «Дюпон» создала кевлар, возясь с нейлоном. Но у нейлона цепочки скручены и не могут образовывать устойчивых слоев. Каждая амидная группа в кевларовом полимере способна образовывать сильные водородные связи с двумя соседними цепочками. Повторяясь вдоль всей длины каждой цепочки, такие связи создают упорядоченную и очень крепкую сетку. Есть, впрочем, один минус: эта структура придает материалу минимальную гибкость, и потому такой бронежилет спасет вам жизнь, однако носить его неудобно.
Самоисцеляющиеся материалы
Вообразите крыло самолета, которое само затянет на себе трещину. Одно из активно обсуждаемых свойств композитных материалов - их способность к самовосстановлению. Исследователи из университета Иллинойса (Урбана-Шампейн, США) работают над созданием усиленных волокном материалов, содержащих каналы, заполненные восстанавливающими веществами. Если материал поврежден, из каналов вытекают смола и отвердитель, и они вместе затягивают образовавшуюся брешь. В 2014 году ученые доложили, что разработали систему, способную самовосстанавливаться таким образом - и не единожды.