Композиты с металлическим покрытием на "кнопках"
У полимерных композиционных материалов, армированных углеволокном, есть масса достоинств, вот только нанести на них прочное металлическое покрытие до сих пор не удавалось. Теперь немецкие инженеры решили эту задачу.
Полимерные композиционные материалы, армированные углеродным волокном, обладают уникальными физическими и механическими свойствами. Благодаря легкости, прочности, жесткости, износостойкости и ряду других характеристик они все чаще конкурируют с традиционными конструкционными материалами - прежде всего, со сталью. Из таких композитов уже сегодня производятся, скажем, рамы гоночных велосипедов, элементы кузова гоночных болидов "Формулы-1", теннисные ракетки, горные лыжи, хоккейные клюшки, байдарки, весла и многое другое.
Элемент кузова болида "Формулы-1" из полимерного композита
Более широкому распространению этих материалов мешают недостатки, которые им, к сожалению, присущи. Один из основных - высокая стоимость. Однако в условиях массового производства цена снизилась бы довольно быстро. Хуже обстоит дело с другим недостатком полимерных композитов: на них практически не держится покрытие, особенно металлическое. Это делает их непригодными для целого ряда сфер применения, в которых они во всех других отношениях были бы идеальным материалом.
"Материал создан богом, поверхность - дьяволом", - заметил однажды знаменитый австрийско-швейцарский физик-теоретик, нобелевский лауреат Вольфганг Паули (Wolfgang Pauli). Специалисты часто вспоминают эту фразу, поскольку она в остроумной и афористичной форме передает их сегодняшние ощущения. А ведь при жизни Паули ни о каких композиционных материалах еще и речи не было, если не считать железобетона. Современные же композиты на основе матрицы из полимера и упрочняющих наполнителей из углеродного волокна ставят инженеров перед еще более сложными задачами.
И вот теперь специалистам Института технологии слоев и поверхностей имени Фраунгофера в Брауншвейге удалось решить проблему нанесения на такие композиты металлических покрытий. При этом они сделали ставку на что-то вроде кнопок - тех, что порой используются на одежде вместо пуговиц, но только миниатюрных. "Всем знакомы кнопки на джинсах, - говорит научный сотрудник института Андреас Дитц (Andreas Dietz). - Они состоят из двух половинок и защелкиваются при нажатии. Почти так же крепится и наше покрытие на изделии из композита".
Это, конечно, некоторое преувеличение. Инженер имеет в виду огромное количество микроскопических выступов и углублений, благодаря которым композит намертво соединяется с металлической пленкой. Для реализации такого технического решения необходимо, прежде всего, сделать поверхность изделия шероховатой. Это достигается не наждачной бумагой или напильником, а концентрированной кислотой. Такое травление позволяет получить на поверхности изделия мельчайшие углубления-поры, своего рода половинки кнопок-застежек.
"А дальше начинаются, собственно, наши хитрости", - говорит Андреас Дитц. Дело в том, что прочное соединение металлического покрытия и шероховатой поверхности изделия реализуется с помощью создаваемого между ними тонкого слоя электропроводящего материала. Для формирования этого промежуточного слоя изделие погружают в ванну со специальным раствором. Слой держится за счет того, что проникает глубоко в поры на поверхности композита, "кнопки" застегиваются. И только затем, используя для этого метод электролитического осаждения, на изделие наносят металлическое покрытие - например, медное.
Первое практическое применение такая конструкция найдет в космосе. Речь идет о сверхлегкой и прочной радарной антенне для европейского спутника Sentinel, запуск которого в рамках Программы по сбору информации в сфере экологии и безопасности намечен на декабрь 2012 года. "Антенна будет порой обращена к Солнцу, порой находиться в тени, - говорит Андреас Дитц. - Поэтому она должна выдерживать быстрые и весьма значительные перепады температур".
Эти перепады могут достигать ни много ни мало 300 градусов. Чтобы убедиться в том, что их изделие способно выдержать такие нагрузки, брауншвейгские инженеры подвергли его суровому испытанию на Земле. "Мы погружали наш волновод сначала в жидкий азот, а затем сразу же в кипяток, и металлическое покрытие не отслоилось", - говорит Андреас Дитц.
Инженер уверен, что изделия из полимерных композиционных материалов с металлическим покрытием найдут применение не только в космосе: "Мы представляем себе дело так, что у них очень высокий потенциал, например, в машиностроении. Собственно, везде, где компоненты оборудования должны быстро вращаться. Скажем, нажимные валки. Сегодня они, в большинстве случаев, изготовляются из стали. Такие тяжелые детали трудно разогнать". Проще было бы иметь дело с валками из полимерного композиционного материала, армированного углеродным волокном, и нанесенным на них износостойким металлическим покрытием.
Еще одна возможная сфера применения - молниезащита в авиации. "Это очень важная тема в самолетостроении, - говорит Андреас Дитц. - При попадании молнии в воздушное судно энергию электрического разряда нужно как-то отвести. Обычно это достигается так называемой металлизацией самолета, то есть соединением всех элементов конструкции в единую массу. Легкие и прочные композиты, казалось бы, словно созданы для авиастроения, да только все они - диэлектрики. Так вот, нанесение на них тонкого металлического покрытия позволит реализовать надежную молниезащиту. Это наверняка откроет путь композитам в самолетостроение".
Правда, лишь при одном условии: если технологию нанесения этого самого покрытия удастся упростить и удешевить. В этом направлении и работают сегодня брауншвейгские инженеры.
Публикация подготовлена сотрудниками CompMechLab® по материалам dw-world.de