Композит - это любой материал, сделанный из более чем одной составляющей, поэтому вокруг нас много композиционных материалов, которые мы используем, не задумываясь об их принадлежности к классу композитов.
Современные композитные материалы обычно состоят из двух компонентов: волокна и матрицы. В качестве волокна используются высокопрочные стеклянные, углеродные, органические, борные и другие волокна. Матрицей являются как термореактивные смолы (фенольные, эпоксидные, полиэфирные и т.д.), так и термопластичные полимеры (полиамиды, полиэтилен, полистирол и др.). Эти материалы обладают достаточно высокой прочностью, низкой теплопроводностью, высокими электроизоляционными свойствами, кроме того, они прозрачны для радиоволн.
Матрица в композиционных материалах обеспечивает монолитность материала, передачу и распределение напряжения в наполнителе, определяет тепло-, влаго-, огне- и химическую стойкость. Армирующие наполнители в виде тонких волокон, нитей, жгутов или тканей воспринимают основную долю нагрузки композитов и обеспечивают физико-механические характеристики материала, в частности, высокую прочность и жесткость в направлении ориентации волокон. В композицию могут также входить загустители, пигменты и др.
Путем подбора состава и свойств матрицы и наполнителя, их соотношения, ориентации наполнителя можно получить материалы и готовые изделия с требуемым (заранее заданным) сочетанием эксплуатационных и технологических свойств. В настоящее время на международном и российском рынке наибольшее распространение получили полимерные композиционные материалы (рис.1).
Рис. 1 - Классификация композитных материалов
Мировой рынок композитов (композитные/композиционные материалы) в последние годы динамично развивается: по оценкам международных экспертов мировой рынок композитов в 2016 году составил более 82 млрд долл. в стоимостном выражении и около 11 млн. тонн в натуральном выражении. В период до 2022 года рынок композитов будет расширяться на 8% в год и по стоимости возрастет до 115,43 млрд долл.
Высокие темпы развития рынка композитов определяются широким спектром их свойств, превосходящих свойства традиционных материалов. Композитные материалы очень устойчивы к внешним воздействиям, поэтому пригодны для использования там, где необходима устойчивость к высоким температурам, коррозии или большим нагрузкам. Композитные материалы являются прекрасными электроизоляционными материалами при использовании как переменного, так и постоянного тока. Использование определенных наполнителей позволяет получать композиционные материалы, стойкие к различным агрессивным средам, в том числе и к воздействию концентрированных кислот и щелочей. Композиты обладают высокими механическими свойствами и т.д.
Мировой рынок композиционных материалов насыщен инновационной продукцией и имеет широкие горизонты развития. При этом к основным тенденциям, формирующим его емкость и структуру, можно отнести следующие:
-
рост спроса со стороны инновационных сфер экономики - авиастроения, автомобилестроения, судостроения, ветроэнергетики и др.;
-
улучшение технологических и экологических характеристик известных видов связующих и волокнистых наполнителей;
-
расширение использования компьютерного моделирования и проектирования деталей из композиционных материалов.
Основные производственные мощности по выпуску композиционных материалов сосредоточены в Китае, Японии, США и Европе (рис.2,3).
В 1980-х годах СССР занимал третье место в мире по применению композитов, однако в 1990-е годы развитие отрасли практически остановилось. С инновационными веяниями, происходящими в российской экономике в 21 веке, появилась потребность в композитных материалах и в настоящее время производством композитов в России занимаются около полутора сотен предприятий. Специальные композитные кластеры созданы в Татарстане, Московской и Саратовской областях. Вместе с тем, объемы производства композитов в развитых странах мира и в России несопоставимы по масштабам и отличаются на порядок, при этом российский рынок составляет не более 1 % от мирового. Например, в Китае
На сегодняшний день потребление композитных материалов на душу населения в России составляет всего 0,5 кг, что в 15 раз меньше, чем в развитых странах. Используются они главным образом в ЖКХ, транспортной инфраструктуре, авиации, космосе и энергетике.
Столь неблаговидное положение российской композитной отрасли объясняется многими причинами, среди которых ключевыми являются:
-
недостаточность российского сырья для композитов;
-
отсутствие отечественного оборудования;
-
ограниченность финансовых ресурсов;
-
сложный и длительный процесс сертификации отечественных разработок (3 года и более);
-
отсутствие нормативной документации применения композитных материалов в ряде отраслей экономики;
-
допуск на рынок РФ в стратегические отрасли импортных материалов при наличии отечественных аналогов;
-
отсутствие профильных направлений подготовки необходимых специалистов.
Российское производство композитных материалов не только ограничено по масштабам и, но и скудно по ассортименту, а сама отрасль крайне импортозависима: из-за границы ввозятся оборудование и основное сырье — смолы, отвердители, наполнители для сэндвич-структур, препреги.
Высокая зависимость от импорта отмечается во многих секторах российской экономики и прежде всего в секторах производства высокотехнологичной продукции, к которому относится малотоннажная химия – поставщик продукции для композитных изделий. Импортозависимость в области производства высокотехнологичной продукции получила начало в процессе перехода России от плановой экономики к рыночной, когда инвесторы предпочитали вкладывать капиталы в добывающие отрасли и в крупнотоннажные экспортоориентированные производства.
В целях снижения зависимости России от неблагоприятного импорта в 2014 году в Министерстве промышленности и торговли Российской Федерации была сформирована программа импортозамещения, включающая в себя отраслевые планы по преодолению критической зависимости от импорта, в том числе был разработан и уже боле двух лет реализуется план мероприятий по импортозамещению в химической промышленности, содержащий 136 импортозамещающих проектов, в том числе проектов по выпуску продукции, необходимой для производства композитных изделий (углеродные волокна, эпоксидные смолы).
Следует, однако, отметить, что несмотря на запуск процесса импортозамещения импорт высокотехнологичной химической продукции не сокращается и по отдельным продуктам, в том числе используемым в композитной отрасли (эпоксидные смолы, полисульфоны, углеродные волокна и др.), возрастает. Причины такой ситуации следующие:
-
рост российской экономики предопределяет рост потребности в высокотехнологичной продукции, в том числе продукции, для которой создание собственного производства из-за ограниченного спроса нерентабельно;
-
темпы роста спроса на импортируемую высокотехнологичную продукцию выше темпов расширения процесса импортозамещения;
- российская продукция по потребительским качествам уступает зарубежным аналогам.
Рис. 4 -Сверхпрочное композитное крыло МС-21
Позволяет значительно улучшить аэродинамику, что уменьшает расходы при эксплуатации лайнера на 12-15% по сравнению с существующими аналогами
Объявленные США санкции, запрещающие компаниям Hexcel (США) и Toray Industries (Япония) поставлять в Россию композитные материалы (углеродные волокна и препреги марки HexPly) для гражданского самолета необъяснимы и Объединенная авиастроительная компания (ОАК) запустила процедуру обжалования данного решения.
Однако уповать на получение положительного вердикта по российскому иску, заменять продукцию компаний Hexcel и Toray китайскими аналогами и тем более отказываться от серийного производства композитного самолета МС-21 в России не намерены.
Проект облегченного самолета МС-21 будет реализован с композитным крылом из материалов российского производства.
Такой вывод базируется на ряде предпосылок. Во-первых, в процесс инновационного развития композитной отрасли еще в 2014 году включился ряд государственных структур и частных компаний. В качестве центра компетенций в области композиционных материалов и конструкций определен холдинг «РТ-Химкомпозит», входящий в государственную корпорацию Ростех. Более чем полувековой опыт в области создания композитных материалов позволяет этому холдингу реализовывать масштабные проекты общероссийского значения. Одной из таких разработок стало создание комплектующих из композитных материалов для среднемагистрального самолета МС-21.
Работы по созданию технологии изготовления композитных конструкций из отечественных материалов с 2014 года ведутся в Росатоме, во Всероссийском научно-исследовательском институте авиационных материалов (ВИАМ), МГУ. Эти материалы находятся на стадии перехода к серийному производству, образцы уже проходят испытания.
Во-вторых, разработаны и результативно действуют программы, подпрограммы и «дорожные карты» федерального, регионального и корпоративного формата, касающиеся производства и применения композитных материалов.
В рамках Государственной программы Российской Федерации «Развитие промышленности и повышение ее конкурентоспособности» разработана Подпрограмма 14. «Развитие производства композиционных материалов в России». Главными приоритетами и ориентирами развития отрасли определены: создание инфраструктуры исследований и разработок, открытие (с использованием различных инструментов) объемных рынков для широкого применения композитов и обеспечение отрасли необходимыми финансовыми ресурсами для массового запуска инвестиционных процессов и опережающего развития.
Разработан и утвержден «План мероприятий («дорожная карта») по развитию отрасли производства композитных материалов» (Распоряжение Правительства РФ от 24 июля 2013 г. № 1307).
Реализуемые в рамках «дорожной карты» меры государственного регулирования должны создать необходимые условия для формирования и развития современной отрасли композитных материалов, способной конкурировать на внутреннем и мировом рынках.
Перечнем контрольных показателей, устанавливаемых «дорожной картой», предусмотрено достижение к 2020 году следующих показателей:
-
объем внутреннего производства композитных материалов и изделий - 120 млрд. рублей;
-
потребление продукции на душу населения - 1,5 кг/год, то есть возрастет втрое по сравнению с уровнем 2016 года (что, однако, лишь сократит разрыв относительно ведущих стран с 15-ти до 5-ти кратного отставания).
Перспективы роста композитной промышленности в России будут определяться спросом со стороны отраслей, для которых важнейшим показателем является снижение веса выпускаемой продукции при сохранении необходимой прочности, то есть со стороны авиации, автомобилестроения, судостроения, строительства, ветроэнергетики (рис.5).
Рис. 5. Прогнозный спрос со стороны основных отраслей-потребителей композитных материалов (согласно результатам интерактивного опроса), %
Министерство промышленности и торговли РФ на конкурсной основе выделяет субсидии на поддержку развития производства композиционных материалов и изделий из них в рамках реализации программы «Разработка технологий получения комплекса композиционных материалов (композитов) нового поколения, изделий и конструкций из них» и подпрограммы «Развитие производства композиционных материалов (композитов) и изделий из них». Главная цель - стимулирование развития отрасли конструкционных и композиционных материалов нового поколения.
Создается современная нормативно-правовая и нормативно-техническая база, регламентирующая разработку, производство и широкое внедрение композиционных материалов и изделий из них в ключевых секторах экономики. Разрабатываются и реализовываются пилотные масштабируемые инновационные проекты на основе первоочередных отраслевых проблемно-ориентированных НИОКР.
Внедрение имеющихся отечественных композитных материалов в программу МС-21 будет пошагово реализовано после завершения основных сертификационных испытаний в рамках общей программы импортозамещения. Предположительно, серийный выпуск композитного самолета МС-21 начнется в 2020 году.
