Дельта древесина что это такое
СЕКРЕТНЫЕ СОВЕТСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
Расскажем о прорывах в области композитов, которые сделаны во времена СССР. В то время появились институты, разрабатывающие композитные материалы: НИАТ Композит, ЦНИИ специального машиностроения, Уральский НИИ композитных материалов, ВНИИ авиаматериалов — некоторые из них продолжают работу и сегодня.
Теория композита и его отличие от полимера
Композит — совокупность материалов, даже тех что не способны на химическое взаимодействие.
Полимер — химическое соединение, единый материал.
Композиционные материалы делят на армированные и наполненные. Пример наполненного композита — бетон. Состоит из песка, щебня, воды и цемента, визуально похож на единое химическое соединение. Даже сложные сплавы, к примеру, победит (вольфрам, кобальт, углерод) относят к наполненным композитам.
Пример армированного композита — железобетон. Бетон усиленный металлокаркасом. Армированный композит — матричный материал армированный прочными волокнами другого материала. И металл, усиленный волокнами бора (металлический композит) и клееную фанеру, можно считать армированными композитными материалами.
Дельта-древесина
В далеком 1932 году, 28 июня, указом наркома тяжелой промышленности СССР Григория Орджоникидзе создан Всесоюзный научно-исследовательский институт авиационных материалов — ВИАМ. Там и разработали дельта-древесину. Требовался легкий, прочный, простой в обработке и относительно недорогой материал для постройки самолетов. В то время изготовление металлических частей или полностью металлических фюзеляжей, было проблематично и затратно. С кризисом авиапромышленности помог справиться новый композитный материал — дельта-древесина (другие названия: древесный слоистый пластик, балинит, лигнофоль, ДСП-10)
Леонтий Иович Рыжков работал главным инженером на Кузнецком заводе авиационных винтов и лыж, и в ходе опытов с винтами создал бакелитовую фанеру, которую позже назвали «дельта-древесиной».
Технология: березовый шпон пропитывается спиртовым раствором фенолформальдегидной смолы, прессуется, затем слои склеиваются.
Свойства: прочность, легкость, огнестойкость, отсутствие пустот, легкость в обработке и долговечность.
Далее технология передана на ВИАМ. В институте разработали специальный клей для бакелитовой фанеры — ВИАМ-3Б.
Сталину презентовал новый материал конструктор Семён Лавочкин. Сталин попробовал поджечь образец своей трубкой, затем порезать ножом. В итоге, когда у него это не получилось, отдал распоряжение наградить изобретателя Рыжкова, орденом.
Из нового композита авиаконструкторы начали изготавливать силовые конструкции планеров, шпангоуты, лонжероны, детали фюзеляжа и позднее, вертолетные винты.
Много лет спустя дельта-древесина засветилась в освоении космоса — из нее делали воздушные рули первой ступени ракеты Р-7
Сегодня у этого материала утилитарные задачи, он используется только в случае когда элемент должен быть деревянным и на него ложится большая нагрузка. Например, в мебельной промышленности, для рукоятей ножей и топоров.
Силикальцит
Силикальцит, или искусственный камень, простой и функциональный композитный материал, создавался из 90% песка и 10% извести. Чаще всего его сравнивают с бетоном, но у селикальцита есть ряд выгодных отличий.
Технология изготовления: измельченный песок нагревают под давлением с частицами воздушной извести.
Преимущества: низкая стоимость и прочность выше чем у бетона, неизменный объем при затвердевании, легкость по сравнению с бетоном — 1900 кг/м3 против 2200 кг/м3. Материал не требователен к сырью, его можно изготовить из различных типов песка. Со временем селикальцит только укрепляется, поскольку под действием воздуха известь становится известняком.
Инженер-технолог Йоханнес Александрович Хинт по собственной инициативе проводил эксперименты с измельчением кирпичей при раскручивании дезинтегратора сверх разрешённых частот. В измельченном материале происходили изменения, приводившие к упрочнению сырья. Затем Хинт добавлял известь и на выходе получался прочный и легкий материал. Хинт упоминает впервые о изобретении в 1948 году, впоследствии технология стала интересна руководству страны и были открыты первые массовые производства этого материала. В 1961 году образовался Технологический институт силикальцита, под руководством Хинта, который в то время уже удостоился Ленинской премии. В 1981 году против инженера Хинта сфабриковали дело и посадили. Он умер в заключении, позже его реабилитировали, но производство созданного им материала так и не наладилось в стране.
Технология легендарного материала была продана сначала в Италию и Японию, затем в Германию, Австрию и США. Сегодня этот материал применяется очень широко по всему миру благодаря большей чем у бетона прочности и меньшей массе. Но у него все-таки есть пара серьезных недостатков: мелкодисперсная пыль образуемая в процессе производства, чрезвычайно вредная для здоровья, и высокие требования к квалификации сотрудников, при работе с автоклавом (устройство для нагрева материала под давлением).
Со стройплощадки в космос
В производстве композитных материалов есть важный аспект — не всегда достаточно только создать композитный материал, еще важно разработать правильную и максимально эффективную технологию его применения, чтобы композит работал в структуре с другими материалами.
Примером композита являющегося частью системы может быть сетчатая конструкция выполненная из композитного материала. Сетчатая конструкция сама по себе является примером нестандартного инженерного решения.
И композит и сетчатая структура призваны увеличить прочность и снизить вес конструкции. Соединить их в одной системе представлялось специалистам Центрального научно-исследовательского института специального машиностроения (ЦНИИСМ) невероятно эффективным решением.
Автор основополагающих трудов в этом направлении — Валерий Витальевич Васильев.
В 80-е годы в СССР началась разработка стратегических ракетных комплексов, появился РК «Молодец» и «Тополь-М». Тогда и встал вопрос максимального облегчения конструкции и сохранения прочной и жесткой структуры.
Спецы из ЦНИИСМ предложили совместить композитные материалы и технологию сетчатой структуры, используемую в строительстве. Необычная идея нашла поддержку и началась работа над проектом.
В конце 80-х технологию воплотили в жизнь. Система ребер из углепластика автоматически наматывалась на станках с программным управлением, формирую сетчатый цилиндр.
Характеристики этой системы были несравнимо лучше чем у многослойных композитных материалов или сплавов, не говоря о лёгкости всей конструкции.
Композитные сетчатые структуры существуют не только в рамках гонки вооружения. Сегодня они используются в конструкции ракеты-носителя «Протон-М», который выполняет вполне мирные задачи, поднимает грузы и спутники на орбиту Земли. В конструкции переходных отсеков сетчатые композитные структуры максимально эффективны. Они легче металлических аналогов на 60% и на 25% трехслойных конструкций, применяемых в американских носителях.
Академик РАН, Валерий Васильев по-прежнему занимается этой технологией.
Создание композитов — невероятное перспективное направление как в военной промышленности так и в создании продукции гражданского назначения, поэтому работа над композитными материалами идет и в современной России.
Дельта древесина что это такое
Сегодня композиционные, или композитные материалы — одна из основ промышленности. На слуху постоянно то углепластиковые кокпиты «Формулы-1», то мембраны Gore-Tex, то гипсокартонные стены. И мы задали себе вопрос — а какие прорывы в области композитов сделали в СССР? Ведь у нас были и есть крупные институты, занимающиеся разработкой композитных материалов — это и Уральский НИИ композиционных материалов, и НИАТ «Композит», и ЦНИИ специального машиностроения, и ВНИИ авиационных материалов. Давайте посмотрим!
Сперва небольшой ликбез. Многие путают композитные материалы с полимерами, хотя это кардинально разные понятия. Полимер — это химическое соединение, состоящее из длинных макромолекул, единый материал. Композит же — это совокупность нескольких материалов, причём порой вообще неспособных на химическое взаимодействие.
И вот здесь — важный момент, обратите на него внимание. Композиционные материалы делятся на две большие группы — композиты армированные и наполненные. Наполненный композит имеет матрицу из одного материала, наполненную дискретными частицами другого материала; визуально он очень похож на единое химическое соединение, из которого трудно выделить составляющие. Например, наполненным композитом является бетон (цемент, песок, щебень, вода). Нередко к наполненным композитам относят сложные сплавы, скажем, победит (вольфрам, кобальт, незначительное количество углерода).
Когда же мы в повседневной речи говорим слово «композит», мы подразумеваем в первую очередь армированные композиционные материалы (в англоязычной литературе употребляется определение advanced cоmposites). Это матричные материалы, армированные высокопрочными волокнами других материалов. Скажем, железобетон — это именно такой композитный материал, он состоит из бетона, армированного металлическим каркасом. Металл в свою очередь тоже можно армировать, например, волокнами бора — это будет металлический композит. И клееная фанера — это армированный композитный материал, поскольку слои шпона в ней склеиваются таким образом, что волокна каждого нового слоя перпендикулярны волокнам предыдущего (собственно, вся история армированных композитов началась с комбинаций природных волокон).
Углепластик — один из самых широко используемых современных композитов. Он представляет собой нити углеродного волокна в матрице из полимерных смол. Нередко углепластики прочнее стали и при этом значительно легче.
Полимеры не просто могут быть, но чаще всего являются одним из составляющих композиционного материала. Классический полимерный композит — это углепластик, который состоит из полимера, пронизанного углеродными волокнами. В общем, если перед вами материал, сочетающий несочетаемое и благодаря этому имеющий улучшенные относительно базовых компонентов свойства, то да, это композит.
А теперь — советские композиты!
Один из самых известных композитов, появившихся на свет в Советском Союзе, — это дельта-древесина, она же древесный слоистый пластик, она же балинит, она же лигнофоль, она же ДСП-10. Сегодня она потеряла своё стратегическое значение и используется в основном для производства нагруженных деревянных элементов — например, мебельных узлов. Но ещё полвека назад дельта-древесина была одним из важнейших композитов аэрокосмической отрасли — из неё изготовляли силовые конструкции самолётов и планеров, вертолётные винты (например, лопасти Ми-10 сделаны из дельта-древесины) и так далее.
Её историю можно отсчитывать от 28 июня 1932 года — в этот день указом наркома тяжёлой промышленности СССР Григория Орджоникидзе был образован Всесоюзный научно-исследовательский институт авиационных материалов (ВИАМ). Со временем он стал одной из ведущих исследовательских площадок, занимавшихся разработкой композитных материалов, а также сплавов и полимеров. До 1940 года ВНИИ занимался вопросами металлических сплавов, в частности — разработкой авиационной брони.
Тем временем, в советском авиастроении намечался кризис. Большая часть самолётов имела или цельнодеревянную, или деревометаллическую конструкцию, которая не выдерживала растущих скоростей и мощностей. Конечно, уже строились цельнометаллические самолёты, в ходу был дюралюминий — но он был исключительно дорог, как и другие сплавы алюминия, и массовое производство самолётов с дюралюминиевым каркасом наладить было проблематично. Более того, заводы не имели ни опыта, ни мощностей для производства металлических профилей и вообще цельнометаллических самолётов. В общем, нужен был лёгкий, прочный и простой в обработке материал.
ЛаГГ-3 (а точнее, его опытный образец И-301) конструкции Владимира Горбунова совершил свой первый полёт 28 марта 1940 года. Это был один из первых самолётов, в конструкции которого широко применялась дельта-древесина.
Решение нашёл главный инженер Кунцевского завода авиационных винтов и лыж Леонтий Иович Рыжков. В ходе опытов с винтами он разработал так называемую бакелитовую фанеру, позже получившую название «дельта-древесина». Делается она так: сперва берёзовый шпон плотно пропитывается спиртовым раствором фенолформальдегидной смолы, затем прессуется, а затем его слои склеиваются. Получившийся материал становится очень прочным, относительно лёгким и, что важно, негорючим!
Поскольку Кунцевский завод не имел мощностей для дальнейшей разработки, образцы и документы Рыжкова передали на ВИАМ, специализировавшийся на авиационных материалах. К 1940 году дельта-древесина была доведена до окончательного состояния группой инженеров под руководством Якова Аврасина. В институте в том числе разработали ВИАМ-3Б, специальный клей для бакелитовой фанеры.
В 2016 году со дна реки Усманка был поднял истребитель ЛаГГ-3 лётчика Николая Лысенко. На снимке — изготовленные из дельта-древесины элементы конструкции. Они пролежали на дне три четверти века (Лысенко был сбит в 1942-м) и по-прежнему сохраняют форму, не прогнили.
Дельта-древесину тут же взяли на вооружение советские авиаконструкторы, в частности, Владимир Горбунов (разработчик истребителя ЛаГГ-3) и Семён Лавочкин. Из дельта-древесины изготавливали шпангоуты, лонжероны, нервюры, элементы фюзеляжа и так далее. Она была значительно крепче любого дерева, хотя и уступала дюралюминию. По сути, это был переходный вариант. Лавочкин, к слову, презентовал новый композит лично Сталину, который сперва попытался поджечь демонстрационный лонжерон от трубки, а затем — порезать перочинным ножом. Когда у него это не получилось, он отдал распоряжение наградить изобретателя орденом, который Рыжков несколькими неделями позже и получил.
Дельта-древесина сыграла значительную роль в отечественном авиастроении. Из неё делали даже воздушные рули первой ступени ракеты Р-7! Сегодня, как уже говорилось, этот композит потерял своё стратегическое значение, но используется в случаях, когда некий элемент должен быть деревянным и при этом — нагруженным, чаще всего — в мебельной промышленности, также — для рукоятей топоров и ножей, и так далее.
Одно из характерных современных применений дельта-древесины — это рукояти ножей и другого работающего в напряжённых условиях оборудования. На снимке — кулинарная тяпка производства компании «Металлист».
Дельта-древесина гораздо прочнее и дерева, и фанеры, в ней нет и не может быть пустот и воздушных карманов, она легко поддаётся обработке и не разрушается со временем.
Ещё одна интересная история связана с появлением силикальцита — удивительно простого и функционального композита, изготовляющегося из 90% песка и 10% извести. По сути силикальцит — это искусственный камень, подобный застывшему бетону. Но у него есть целый ряд выгодных отличий от бетона. В частности, его относительно нетрудно изготовлять: для этого измельчённый песок спекают в автоклаве с частицами воздушной извести. Известь и песок значительно дешевле цемента, и при равных размерах блока из бетона и силикальцита, последний будет стоить намного меньше. Изобретатель силикальцита Йоханнес Хинт приводил целый список преимуществ своего композита: помимо низкой стоимости производства, он прочнее бетона и даже укрепляется, а не разрушается со временем, поскольку известь под действием воздуха постепенно становится известняком. Он легче — 1900 кг/м3 против 2200 кг/м3 у бетона, не изменяется в объёме при затвердевании и не требователен к сырью — производить его можно из самых разных типов песка.
Статья о силикальците и других современных строительных материалах в «Технике молодёжи» за 1957 год.
И вот тут возникает вопрос — где же этот легендарный силикальцит, почему из него не строится всё вокруг? Ну, во‑первых, конечно, многое из него строилось. Например, канал Москва — Волга облицован силикальцитными плитами. Сейчас его производство функционирует в Германии, Японии, США, Италии и так далее, например, крупным производителем является итальянская компания Sviluppo silicalcite. Редкость силикальцита в наших широтах обусловлена двумя факторами. Во‑первых, у него есть недостатки: при производстве силикальцита образуется мелкодисперсная пыль, которая делает процесс достаточно вредным. Помимо того, применение автоклавов требует высокой квалификации сотрудников, и вообще технологический процесс пусть и одноступенчатый, но всё-таки довольно сложный. Второй же фактор — политический. В начале 1980-х изобретатель силикальцита попал в опалу, а все дальнейшие разработки по его изобретению были прекращены.
Один из многих силикальцитных проектов периода расцвета, «Соцгородок» Кандалакши (Карелия), был построен из инновационного материала в 1960-х.
Вкратце же история такова. Йоханнес Александрович Хинт, уроженец Лифляндской губернии (ныне — Эстония), окончил в 1941 году Таллиннский политехнический институт, руководил эвакуацией ряда эстонских производств в РСФСР, попал в концлагерь, бежал, снова был арестован, а после войны вернулся в СССР и работал инженером-технологом. На досуге, по собственной инициативе, Хинт экспериментировал с измельчением кирпичей в дезинтеграторе. При раскручивании дезинтегратора сверх разрешённых частот (он делал это на свой страх и риск) в измельчённом материале происходили механохимические изменения, приводившие к упрочнению сырья, а при добавлении извести на выходе получился материал, который Хинт назвал силикальцитом.
Своё открытие Хинт впервые описал в 1948 году. Впоследствии технология заинтересовала руководство страны, появились производства силикальцита, он попал в реестры строительных материалов и ГОСТы, а в 1961 году был образован целый Технологический институт силикальцита, директором которого стал Хинт! Годом позже за изобретение силикальцита Йоханнес Хинт удостоился Ленинской премии.
Как и многое сегодня, «Соцгородок» находится в запустении, но силикальцитные стены по‑прежнему крепки.
Технология силикальцита была продана во многие государства — сперва в Италию и Японию, позже в Германию, Австрию, США. С Австрией вообще были тесные отношения: в 1974 году Хинт добился организации первого в СССР хозрасчётного (читай — частного) совместного с австрийцами предприятия AS Desintegraator, тремя годами позже — ещё одной компании, Dessim. К сожалению, попытки наладить частный бизнес в СССР простить не могли. Хотя Хинт не нарушал законодательства и обходил все запреты благодаря международному сотрудничеству, в 1981 году против него сфабриковали уголовное дело, лишили Ленинской премии и посадили. Все работы по силикальциту были прекращены, а Хинт умер в заключении. Позже его реабилитировали и доброе имя восстановили, но технология силикальцита в стране так и не возродилась.
Тем не менее, силикальцит продолжил своё шествие по планете. Сегодня он применяется если не повсеместно, то достаточно широко благодаря значительно большей, чем у бетона, прочности и меньшей массе. Заменить бетон у Хинта не получилось — но он изобрёл новый функциональный композит, применяющийся в ряде отраслей и двигающий строительную науку вперёд.
Конечно, изобретение нового композита — это значимое достижение. Новые композиционные материалы появляются ежедневно — это и ранее не существовавшие сочетания, и разновидности уже известных систем, например, углепластиков.
Тем не менее, есть в производстве композитов и ещё один аспект, о котором сторонний наблюдатель порой не задумывается. Важно разработать не только материал, но и правильную технику его применения. Особенно это касается случаев, когда композиты работают в «сообществе» с другими технологиями и материалами. Простой пример: есть композитный материал, который позволяет увеличить прочность конструкции и улучшить её механические свойства, а заодно облегчить систему. И есть технология сетчатых конструкций, ведущая свою родословную ещё от великого Шухова: она тоже позволяет облегчить и упрочнить систему. Можно ли сделать сетчатую структуру из композита? Из какого? Какое влияние это окажет на свойства системы? Как видите, вопросов много, хотя по отдельности мы можем описать и шуховскую технологию, и заданный композитный материал.
Башня в Полибино — это первая в мире гиперболоидная конструкция. Именно она была установлена на территории Всероссийской промышленной и художественной выставки в Нижнем Новгороде 1896 года.
Именно такими исследованиями (и не только ими, конечно) занимаются специалисты Центрального научно-исследовательского института специального машиностроения (ЦНИИСМ), и в частности — автор ряда основополагающих трудов в теории оболочек Валерий Витальевич Васильев.
В 1980-е годы экономика Советского Союза постепенно шла на спад, но, тем не менее, ряд отраслей по‑прежнему хорошо финансировался и был на подъёме. В первую очередь это касалось аэрокосмической отрасли, одного из фундаментов международного авторитета страны, а также «оборонки». В 1983 году началась разработка новых стратегических ракетных комплексов, приведшая в итоге к появлению РК РТ-23 УТТХ «Молодец» и ныне стоящих на вооружении РТ-2ПМ2 «Тополь-М». Серьёзно стояли вопросы максимального облегчения ракет при сохранении прочностной структуры и жёсткости.
И специалисты ЦНИИСМ предложили необычное решение — использовать не просто композитные материалы (это было на поверхности), а совместить их с сетчатой структурой, предложенной ещё Шуховым и используемой в промышленном строительстве. Со стройплощадки — в ракету? Да, звучало странно. Но идея, у истоков которой стоял Валерий Васильев, нашла поддержку, и работа закипела.
Основные этапы процесса изготовления сетчатой композитной конструкции: намотка ребер, намотка обшивки, удаление матриц
В итоге к концу 1980-х была готова технология: система рёбер из современных композитных материалов (в частности, однонаправленного углепластика) автоматически наматывалась на станках с программным управлением, образуя сетчатый цилиндр. Такая система жёсткости позволяла получить характеристики, несравнимо лучшие, чем если бы применяли многослойные композиты или сплавы, не говоря уже о лёгкости всей конструкции.
В принципе, сетчатые конструкции в авиастроение применяли и раньше — в частности, знаменитый британский бомбардировщик Vickers Wellington, выпущенный с 1936 по 1945 года в количестве более 11 000 машин, имел перекрёстные спиральные тонкостенные рёбра и обладал благодаря этому высокой живучестью — местные повреждения не влияли на прочность всего самолёта. Были и другие попытки применения такой технологии — но во-первых, они оставались единичными, а во-вторых, не комбинировались с композитными материалами.
Важно то, что композитные сетчатые структуры нашли себя и в мирной жизни. Они используются, в частности, в конструкции современной ракеты-носителя «Протон-М», поднимающей на орбиту многочисленные российские и иностранные спутники. Особенно эффективны они в конструкции переходных отсеков (адаптеров), соединяющих носитель с космическим аппаратом — при сравнении оказывается, что они на 60% легче металлических аналогов и на 25% — трёхслойных конструкций с сотовым заполнителем, применяемых в американских носителях. Валерий Васильев, ныне — академик РАН — по‑прежнему занимается вопросом сетчатых конструкций из композитных материалов, ведёт научно-исследовательскую работу и выступает перед сообществами учёных.
Конечно, эти три пункта — всего лишь капля в море советских и российских разработок в области композиционных материалов. Работа идёт и сегодня. Мы не знаем, куда шагнут технологии через десять, пятьдесят или сто лет — но уверены, что за композитами — будущее.