Композиты в судостроении
В настощее время композиционные материалы все шире применяются в машиностроении, в том числе и в судостроении. А что же такое композиционные материалы (композиты)?
Это материал, состоящий не менее чем из двух химически различных, нерастворимых друг в друге компонентов, при этом их количественное соотношение должно быть сопоставимым. Один из этих компонентов является непрерывной фазой (матрицей), которая может быть металлической, керамической, углеродной или полимерной, а другой – наполнителем. В качестве наполнителей полимерных композитов чаще всего выступают углеродные или стеклянные волокна, а роль матрицы играет полимер. В результате образуется практически новый монолитный материал, свойства которого качественно отличаются от свойств каждого из его составляющих в отдельности. Примерами таких материалов являются железобетон, стекло- и углепластики, резины и т.д.
История композитов насчитывает уже тысячелетия. Весьма вероятно, что первым композитом стал весьма распространенный даже сейчас строительный материал – смесь глины и соломы, служащий для изготовления «кирпичей». А еще около 3400 лет до н.э. в древней Месопотамии склеивали деревянные полосы под разными углами для создания фанеры.
В 1870–1890 гг. на сцену выходят синтетические полимерные смолы, которые с помощью процесса полимеризации превращались из жидких в твердые. В 1907 году американский химик Лео Бакеланд создает бакелит (также называется карболитом) – одну из первых синтетических смол. Смола была чрезвычайно хрупкой, но Бакеланд устранил этот недостаток, объединив ее с целлюлозой, то есть создал композит.
А в 1936 году Карлтон Эллис запатентовал ненасыщенные полиэфирные смолы, ставшие основным выбором для смол при производстве композитов. К концу 1930-х годов появились и другие полимерные системы, в том числе эпоксидные смолы.
В конце 1930-х годов американская компания Owens-Illinois разработала процесс вытягивания стекла в тонкие волокна и создания из них текстильной ткани. Сочетание стеклянных волокон с новыми синтетическими смолами привело к созданию прочных и легких композитов – стеклопластиков.
В это же время немецкий изобретатель Макс Химмельхебер разрабатывает технологию производства древесностружечных плит – листового композиционного материала, изготовленного путем горячего прессования древесных частиц, преимущественно стружки, смешанных со связующим веществом. Первый коммерческий образец был изготовлен на фабрике в Бремене в 1941 году с использованием фенольных связующих и еловой крошки.
В авиации широкое распространение получает авиационная фанера, изготовленная из березового шпона, для соединения пропитанного фенолоформальдегидным клеем и бакелитовой смолой. В 1935 году в СССР была создана дельта-древесина, в годы Великой Отечественной войны сыгравшая важную роль в отечественном авиастроении. Этот композит получался путем горячего прессования под высоким давлением слоев березового шпона, пропитанного фенол- или крезолоформальдегидной смолой.
Создаются и другие виды неметаллических слоистых композиционных материалов: гетинакс, декоративные бумажно-слоистые пластики, искусственные кожи, текстолиты, многослойные стекла, линолеум и многое другое.
Толчок к широкому распространению композитов дала Вторая мировая война. К 1945 году только в США производилось около 1,6 тыс. т стеклопластика в год.
С начала 1950-х начинают применять панели с сотовым заполнителем (сэндвич-панели), позволяющим при минимальном весе получать конструкции высокой прочности. Такие панели представляют из себя ячеистый сотовый наполнитель из алюминия, композитных материалов или пенопласта, помещенный между двумя тонкими листами жесткого материала (металла и др.), который обеспечивает материалу прочность на растяжение.
В 1961 году было запатентовано первое углеродное волокно. Использование этого волокна помогло продвинуть вперед многие отрасли, включая аэрокосмическую, автомобильную и морскую. В 1966 году Стефани Кволек, химик компании DuPont, изобрела кевлар, параарамидное волокно.
С начала 2000-х годов начали использоваться нанотехнологии. Наноматериалы входят в состав улучшенных волокон и смол, используемых в новых композитах. Развитие 3D-печати в 2010-х годах позволило воплотить в жизнь любой элемент, который можно создать с помощью САПР. Компании, производящие композиты, начали производство материалов для 3D-печати с содержанием армированных волокон, включая углеродное волокно или стекловолокно.
Железобетон
Первым композитом, получившим широкое применение в судостроении, стал железобетон. Еще в 1849 году в Марселе была построена железобетонная шлюпка, а в 1912 году в Гамбурге – самоходное судно грузоподъемностью 250 т.
В годы Первой мировой войны нехватка стали и квалифицированной рабочей силы дала толчок строительству бетонных судов. Такие суда строились в Англии, США, Германии, Франции, Италии, скандинавских странах.
Только в Англии этим занималось более 20 верфей, построивших около 200 судов: морских барж грузоподъемностью 1000 т, буксиров мощностью 750 л.с., сухогрузов грузоподъемностью 11 тыс. т.
С окончанием войны интерес к железобетонному судостроению за границей почти угас, но с началом Второй мировой снова возродился. Наибольшее количество бетонных судов было построено в Англии, США и Германии.
Например, в Германии строились танкеры грузоподъемностью 3000 т и 3400 т, лихтеры (700 т и 1000 т), сухогрузы (3700 т и 4200 т), рыболовные траулеры, речные самоходные суда и баржи.
В СССР строительство судов из железобетона началось только после Октябрьской революции: в 1920 году был построен понтон для плавкрана. В 1922 году Народный Комиссариат путей сообщения (НКПС) образовал комиссию по железобетонному судостроению, а в 1926 году Регистром СССР были выпущены первые «Нормы и правила для железобетонного судостроения».
С 1925 года и до начала Великой Отечественно войны на Ленинградской и Рыбинской верфях были построены плавучий док грузоподъемностью 4 тыс. т и еще 3 по 6 тыс. т, железнодорожный паром для переправы через Волгу, способный перевезти 22 вагона с паровозом, серии дебаркадеров полным водоизмещением 1575 и 2580 т, плашкоуты для Каспия. Многое из этого эксплуатируется до настоящего времени.
В первые годы войны строительство бетонных судов не велось, но уже в 1943 году в Баку началось строительство верфи железобетонного судостроения. С 1946 года на Херсонской верфи началось серийное строительство плавдоков подъемной силой 6 тыс. т. В 1946–1948 годах массовое строительство бетонных плавсредств велось также на шести речных верфях.