Металлы и композиты: вместе навсегда Фото: Композитная геосетка в дорожном строительстве.
Форум "Армия-2020"
Металлургические гиганты генерируют 4,5% ВВП России. Металлургия – это 180 тысяч рабочих мест и 10% экспортной выручки. С другой стороны, стремительно развивается производство композитных материалов, которые из стратегических отраслей – авиации и космоса – прорываются в гражданские материалоемкие отрасли, такие как строительство, энергетика и т.д. Как далеко зайдет этот тренд? Какое будущее нас ждет в части конструкционных материалов? Эти вопросы были заданы экспертам в ходе сессии «Металлы vs композиты: кооперация или конкуренция?» на выставке Иннопром-2019.

Рынок композитных материалов считается одним из самых быстро растущих в мире. Например, рынок металлов растет на 2% в год, а композитов – на 11%. Еще 40 лет назад, когда композиты только стартовали, объем их применения во всех комбинациях составлял всего лишь 200 тыс. тонн. Сегодня общий объем композитов в мире – 11,5 млн тонн. Ключевые преимущества композитов – это вес (в 5 раз ниже стали), высокая прочность, стойкость к коррозии и химическому воздействию. Между тем объем рынка металлов – 1,7 млрд тонн стали и 55-60 млн тонн алюминия – на несколько порядков превосходит рынок композитов. По объему применяемых конструкционных материалов металлы находятся на втором месте после бетона, а композиты – на шестом. Тем не менее у композитов большое будущее. Прогнозируется, что к 2030 году рынок стали вырастет на 30%, а рынок композитов – в 3 раза.

Что интересно, основными драйверами развития рынка композитов являются те же отрасли, что и на рынке металлов. Это энергетика, авиация, судостроение, автомобилестроение, машиностроение, строительство.

В 2010 году в конструкции ветроэнергоустановки использовалось 52% композитных материалов, в 2018-м – уже 67%. Лопасти и еще целый ряд элементов на 100% изготавливаются из композитных материалов. По мере развития технологий доля композитов в ветроэнергетике будет расти, потому что ключевое качество ветроустановки – это вес конструкций, что принципиально при транспортировке и монтаже, особенно для оффшорных установок (расположенных в море). Сегодня в оффшорной установке используется 400-500 тонн стали, в оншорной (на земле) – 200-300 тонн. И там, где это возможно, сталь будет заменяться на композиты. Потому что если брать по весу, то 67% композитных деталей – это существенно меньше 100 тонн.

В авиастроении новая эра стартовала в начале 2000-х, когда Boeing принял решение проектировать новый широкофюзеляжный B787 Dreamliner с применением композитов. В его конструкции их почти 50%. На сегодня поставлено уже 840 лайнеров, производится 14 самолетов в месяц. В 2021 году появится B777Х с самым большим в мире композитным крылом. Есть аналогичное предложение и у Airbus – А350. Но в целом по отрасли пока доминируют легкие сплавы. Хотя это ненадолго – в основных конструкциях нового поколения узкофюзеляжных самолетов, которые придут на смену В737 MAX и А320neo, композиты будут использоваться обязательно, что подтверждает аналогичный российский МС-21, в котором применено композитное крыло. Такое крыло дает топливную эффективность – расход топлива сокращается примерно на 8%. Кроме того, увеличивается срок эксплуатации самолета за счет более высокого жизненного цикла композитных материалов. Эти эффекты успешно окупают повышенную стоимость композита относительно металла. Эксперты считают, что через 12-15 лет в большинстве новых пассажирских самолетов будут широко использоваться композитные материалы.

52% веса А350 составляют композиционные материалы.

В судостроении 10 лет назад доля композитов составляла 45%. В 2018 году – 52%. Здесь тренд во многом похож на авиацию. Малоразмерные суда – яхты, пассажирские катамараны – практически на 100% композитные конструкции, включая корпус и надстройки. Один из вариантов применения композитов, который сегодня прорабатывается в России, – это крышки для грузовых барж. Стальная крышка выходит из строя в течение 5-6 лет, расчетный срок эксплуатации композитной – 15-20 лет. При этом весовые характеристики снижаются в 5 раз, соответственно, повышается грузоподъемность баржи. Срок окупаемости даже при двукратном увеличении стоимости – 4-5 лет. Отечественные материалы на этом направлении занимают уверенные позиции на экспортных рынках. В частности, итальянские судоверфи, строящие яхты, в том числе элитные, уже 3 года покупают российские мультикоаксиальные ткани из углеродного и стекловолокна. Развивается в России и собственное производство. Объединенная судостроительная корпорация уже сделала целый ряд полностью композитных судов, а частная компания «Композитное кораблестроение» из Владивостока производит пассажирские катамараны вместимостью 10-15 человек, которые занимают уверенные позиции в Южной Корее. Стоимость этих судов на 30% дешевле аналогов.

В автомобилестроении тренд последних лет – создание электрических, экологически чистых авто. Главное нерешенное требование для электромобиля – это дальность пробега. Причина заключается в отсутствии компактных, легких и емких источников питания. Современные аккумуляторы слишком тяжелые, много их не поставишь, следовательно, путь сокращения массы автомобиля пока один – переход с металла на композиты. Сегодня все ключевые автомобилестроительные компании проектируют свои электромобили на 100% из композитных материалов. Пока это характерно только для электромобилей для сегмента лакшери, но следующий шаг – уже массовое производство.

Силовой алюминиевый каркас кузова с углепластиковыми панелями электромобиля BMW i3.

В строительной отрасли в России целый ряд компаний активно развивают композитное направление, в том числе с активным участием Минпромторга. Основные линейки – это композитная арматура, а также композитные материалы для строительства дорог. Композиты дают целый блок эффективных решений для обеспечения инфраструктурных проектов в условиях Арктики, где резкий перепад температур вызывает нестабильность почвы. Щебень и тяжелые бетонные плиты под дорожным покрытием при замерзании достаточно быстро дают серьезную усадку, что снижает эксплуатационные характеристики дорог. А композитные дорожные покрытия в разы легче, имеют жесткое сцепление, быстро и легко укладываются.

Сегодня композиты стали более доступными и дешевыми, хотя основной вызов ближайшего 10-летия – дальнейшее снижение себестоимости композитных конструкций. В той же авиационной отрасли композитные материалы позволяют радикально уменьшить количество узлов, деталей, крепежей. В то же время полностью металлы заменить нельзя. В нагруженных деталях, там, где одновременно нужны прочность, жароустойчивость и пластичность (в самолете это и шасси, и крепления крыльев, и двигатели), металл сохранит свои позиции.

Еще лет 20 назад давались прогнозы, что композиты заменят металлы во многих конструкциях. Но сегодня оценки даются уже более осторожные. Металлы тоже развиваются, создаются новые сплавы с новыми возможностями, более прочные и пластичные. Хотя то, что процент композитных материалов будет расти и как минимум сравняется с металлами – это очевидно. Сегодня главным потребителем металлов является Китай, на него приходится 46% мирового потребления стали. И он же является ключевым потребителем композитов в мире – 20%. У композитов есть огромный потенциал для роста. Правительство Китайской Народной Республики включило развитие композитного рынка и производителей композитов в число ключевых задач вновь начавшейся пятилетки. Поэтому противостояние металлов и композитов – это не тренд. Важнее комбинация материалов, но композиты будут отвоевывать все более и более высокие позиции. И России здесь нельзя отставать.

Автор: Сергей Савинов