ВведениеКомпозиционные материалы имеют широкую перспективу применения в области транспорта, строительства, ветроэнергетики, производства труб и резервуаров, судостроении, электроники, аэрокосмической промышленности и т. д. Объем применения композиционных материалов в отраслях промышленности и техники постоянно увеличивается, например доля используемого в авиации слоистого карбопласта, многослойного углеволокна при производстве фюзеляжей самолетов «Боинг» и «Аэрбас» увеличилась с 5 % в 1990 г. до 50 % в 2020 г. В настоящее время объем использования композитов в автомобильной промышленности достиг 14 %, в судостроении – 10 % (при строительстве маломерных судов с длиной до 24 м – до 40 %), в строительстве – 31 %, при производстве труб, цистерн – до 16 %. Мировой объем рынка композиционных материалов оценивался в 114,68 млрд долл. США в 2024 г. и, по прогнозам, превысит 272,06 млрд долл. США к концу 2037 г., а среднегодовой темп роста составит более 6,9 % в период с 2025 по 2037 г. [1].Наиболее часто в судостроении применяются полимерные композиционные материалы (ПКМ). Классификационные общества, ведущие надзор за судами при их строительстве и эксплуатации, – Российский морской регистр судоходства (РМРС), Российское классификационное общество (РКО) – определяют виды ПКМ, которые могут применяться в судостроении. Согласно нормативному документу РМРС «Правила классификации и постройки морских судов. Часть XVI. Конструкция и прочность судов из полимерных композиционных материалов», пункт 1.2.2 [2], ПКМ имеет гетерогенную природу и состоит из армирующих элементов и полимерной матрицы. Согласно пункту 2.1.1 [2], требования РМРС распространяются на ПКМ на основе армирующих наполнителей из стеклянных или/и углеродных, а также арамидных волокон, термореактивных полимерных связующих – полиэфирных, винилэфирных и эпоксидных, которые применяются для изготовления корпусов и надстроек судов различного водоизмещения, в том числе катеров и лодок. Полимерные композиционные материалы, которые предоставляются для одобрения в РМРС, должны соответствовать требованиям [2, 3] и пройти ряд обязательных типовых испытаний и проверок. Конкретная технология для изготовления судовых конструкций из ПКМ в правилах РМРС не указана, но она должна, согласно пункту 2.1.2 [2], обеспечивать стабильное качество готового материала, а также возможность применения высокоэффективных методов формования и средств механизации.Правила РМРС [2] распространяются на корпуса и надстройки из ПКМ следующих типов судов: водоизмещающих с длиной 15–70 м включительно; высокоскоростных водоизмещающих судов с числом Фруда в пределах Frv ≈ 1,0–2,5; шлюпок и катеров с длиной 4,5–15 м и числом Фруда Frv < 2,5.Вместе с тем современные ПКМ, по мнению многих специалистов, позволяют строить суда с длиной до 100 м, поэтому возникает вопрос о возможности увеличения допустимой длины судов с корпусами из ПКМ от 70 до 100 м с одобрением классификационными обществами. Цель исследования – анализ опыта изготовления судов из ПКМ на основе научной и технической литературы.Задачи исследования: – рассмотреть требования отечественных классификационных обществ к максимальным размерам корпусов судов из ПКМ;– выполнить анализ наиболее часто используемых в России ПКМ и методов изготовления из них судовых конструкций и корпусов на основе научной и технической литературы;– провести анализ возможности применения ПКМ для строительства судов с длиной более 70 м. Методы и материалы исследованияВ качестве методов исследования использовались обзор научно-технической литературы, систематизация выявленных источников и их анализ.Особенности применения ПКМ в судостроении: высокие циклические нагрузки на корпус судна, включая изгибные и поперечные; длительное воздействие со стороны Солнца и его излучения; высокие риски возникновения коррозии; необходимость утилизации судна после морального и физического износа; работа с виброактивными механизмами; перепады температур; сложность геометрии форм корпусов современных судов.В таблице приведены результаты анализа отечественной научно-технической литературы в области применения ПКМ в судостроении для определения наиболее часто используемых материалов и способов изготовления из них судовых конструкций.Результаты анализа отечественной научно-технической литературыThe results of the analysis of Russian scientific and technical literatureВид судовойконструкцииВид ПКМСпособ изготовленияконструкции из ПКМИсточникКорпус и элементы корпуса маломерного судна – шлюпкиСтеклопластиковые композиционные материалыРучная формовка, вакуумная инфузия, напыление[4]Надстройка маломерного суднаСтеклопластиковые композиционные материалы Ручная формовка[5]Моторная лодка, маломерный катерКомпозиционный материал на основе пластика и полиэфирной смолыИнфузия (налив)или послойное формование[6]Муфта валопроводаСтеклопластик на основе ткани Т-10-14 и винилэфирного связующего DION FR 9300Метод контактного формования либо метод инфузии[7]Балки набора корпуса и элементы надстройкиУглепластикМетод вакуумной диффузии[8]Элементы корпусаСтекломат марки ЕМС-600-1250-Е, термореактивная ортофталевая полиэфирная смола, ровинговая стеклоткань марки EWR 560Ручная формовка[9]Гребные винтыCтекловолокно, карбон, E-стекло (алюмоборосиликатное стекловолокно с содержанием щелочных элементов менее 2 %)Формовка[10]Корпуса маломерных судовСтекловолокно Формовка и инфузия[11]Корпус маломерного судна – моторной лодкиСтеклопластик и смолаФормование[12]Корпуса яхт и маломерных судовСтеклопластикФормование, вакуумная инфузия[13]Надстройки судовСтеклопластик, углепластик, боропластик Вакуумная диффузия[14]Надстройки судов (ремонт)Стеклопластик, углепластикИнфузия и горячее прессование[15]Корпуса судов и надстройкиСтеклопластикВакуумная инфузия[16]Корпус судна, наружная обшивкаБазальтовое волокно в композициис полиэфирными, эпоксиднымии винилэфирными смоламиМетод контактного формования[17]Судовые конструкции разнообразного назначенияСтеклопластикМетод формирования[18] Таким образом, наиболее часто для изготовления судовых конструкций в отечественном судостроении используются ПКМ на базе стеклопластика и эпоксидных смол в качестве связующей среды. Данный вид ПКМ соответствует требованиям РМРС [2, 3]. В качестве методов изготовления корпусов судов и конструкций из ПКМ чаще всего применяется формование и вакуумная инфузия, они соответствуют требованиям РМРС [2, 3] и обеспечивают, согласно пункту 2.1.2 [2], стабильное качество, возможность применения высокоэффективных методов формования и средств механизации.  Результаты исследованияРассмотрим более подробно результаты проведенного анализа источников научно-технической информации.Вид изделий, изготавливаемых из ПКМ в судостроении.Наиболее часто из ПКМ изготавливаются корпуса маломерных судов с длиной до 24 м (рис. 1) или элементы надстроек и судовых конструкций (рис. 2), в меньшей степени производится строительство судов с длиной более 24 м (с пределом до 100 м), и большую часть в этом секторе занимают военные суда и яхты (рис. 3). В большинстве проанализированных источников длина корпуса судна из ПКМ составляет до 40 м для гражданских судов и до 70 м для военных кораблей. Отдельно мелкосерийными партиями производятся из ПКМ гребные валы, упругие муфты и гребные винты (рис. 4) [19–21].   Рис. 1. Маломерное судно из полимерныхкомпозиционных материаловFig. 1. Small vessel made of polymer composite materials   Рис. 2. Надстройка из полимерныхкомпозиционных материаловFig. 2. Superstructure made of polymer composite materials  Рис. 3. Катамаран из полимерныхкомпозиционных материаловFig. 3. Catamaran made of polymer composite materials   Рис. 4. Гребной винт из полимерныхкомпозиционных материаловFig. 4. A propeller made of polymer composite materials Ведущие специалисты в области судостроения считают, что максимальный размер корпуса из ПКМ не должен превышать 100 м. За последние 50 лет длина судов из ПКМ увеличилась, но фундаментальные технические проблемы, связанные с изготовлением судов с длиной 100 м и более, остаются нерешенными. При этом исследования [22, 23] прогнозируют возможную экономию веса корпуса при его изготовлении из ПКМ на 30 % по сравнению с корпусом из стали.Рассмотрим основные причины ограничения длины судов из ПКМ до 70 м.1. Ограничение длины 70 м в правилах РМРС [2], что уже рассматривалось выше.2. Отсутствие единой мировой общепризнанной методики расчета параметров прочности корпуса судов из ПКМ. Расчет прочности судовых конструкций из ПКМ традиционно сводится к ряду задач анализа: общей прочности корпуса судна в виде балки; местной прочности пластин и балок; прочности элементов, таких как фундаменты двигателя, мачты, крепления и т. д. В исследовании [22] приводятся критерии прочности судовых конструкций из ПКМ для трехслойных пластин (конструкция, наиболее часто применяемая в судостроении при использовании ПКМ) в соответствии с требованиями отечественных и международных классификационных обществ. Согласно правилам РМРС и РКО, при расчетах прочностных параметров корпусов судов из ПКМ требуется оценивать следующие основные параметры: нормальные напряжения, касательные напряжения в заполнителе, деформации с учетом сдвига. В то же время для зарубежных классификационных обществ LR, ABS, BV, DNV GL и др., помимо указанных выше параметров, требуется расчет минимальной толщины заполнителя или всей панели, минимального момента сопротивления судовой конструкции, деформаций без учета сдвига, межслойного сдвига и др. Данные параметры зависят от длины конструкции, и, соответственно, параметры прочности судна, рассчитанные по правилам одного из классификационных обществ, не будут соответствовать требованиям другого. 3. Затраты на изготовление корпуса судна и судовых конструкций из ПКМ. В исследовании [23] указано, что композиты дороже, чем их металлические конкуренты, что объясняется высокой ценой на стекловолокно, углеволокно, вспененные материалы для сэндвич-конструкций, а также термопластичные и термореактивные смолы. К тому же, когда дело доходит непосредственно до изготовления композитных деталей, производитель сталкивается с тем, что капитальные затраты на организацию такого производства выше, а оборудование дороже по сравнению с металлами. В то же время годовые затраты на топливо, наоборот, ниже при использовании ПКМ для изготовления корпуса судна, что позволяет после 7 лет эксплуатации окупить затраты. Вид наиболее часто используемых ПКМ в судостроении и причины их выбора.По данным [11], в 2011 г. доля стеклопластика в объеме ПКМ для судостроения составила 80 %, сэндвич-материалов – 15 %, остальные 5 % составляет углепластик.В соответствии с правилами РМРС [2], судовые конструкции, изготовленные с применением ПКМ, должны сохранять свои качества, прежде всего работоспособность и надежность, при эксплуатации в морских условиях в заданных диапазонах температур (от –40 до +60 °С) в течение длительного времени (не менее 20 лет); применяемые материалы, технологии и конструктивные решения должны обеспечивать пригодность корпусных конструкций к ремонту как в заводских условиях, так и при эксплуатации в море. Материалы должны соответствовать требованиям к огнестойкости, взрывозащите и токсичности при повышенных температурах, т. е. не представлять опасности для жизни и здоровья человека.Правила РМРС допускают использование двух типов ПКМ в судовых конструкциях: однослойные и трехслойные. К однослойным относятся материалы на основе стеклянных, углеродных арамидных волокон, при этом требуется применять термореактивные полимерные связующие, полиэфирные, винилэфирные и эпоксидные смолы. К трехслойным материалам относятся конструкции, состоящие из наружных несущих слоев, выполненных из ПКМ, и среднего слоя наполнителя, в качестве которого правила РМРС допускают применять следующее: поливинилхлоридные пенопласты, имеющие жесткую закрытую структуру, пенополиуретан, легковесные маты с микросферами.Многослойные ПКМ имеют неоднородную структуру, и на их прочность в большей степени оказывают влияние следующие факторы [9]: количество и порядок укладки слоев армирующего элемента; свойства и соотношение количеств использованных армирующего элемента и связующего; направление волокна относительно оси воздействия нагрузок; атмосферные факторы (температура, давление); экономичный метод изготовления.Полимерные композиционные материалы являются предпочтительным материалом для небольших судов из-за простоты изготовления, обеспечения необходимой жесткости для изготовления балок судового корпуса, устойчивости материала к изгибу, коррозии и ударам под водой. При этом ряд специалистов считает, что армирование углеродным волокном может обеспечить более экономичное решение (на 20–25 % дешевле), чем изготовление материала из чистого стекловолокна.3. Особенности использования ПКМ на судах с точки зрения пожаробезопасности.В требованиях главы II-2 Международной конвенции СОЛАС (правило 2) указано, что корпус, надстройки, конструктивные переборки, палубы и рубки должны быть изготовлены из стали или другого эквивалентного материала [24], а правило 17 главы II-2 Конвенции СОЛАС предусматривает «альтернативную конструкцию и приспособления» на основе эквивалентной безопасности. Шведский проект по применению легких конструкций на море (LASS) провел огневые испытания с использованием «реальных» сценариев пожара, чтобы продемонстрировать, что пожар как основное препятствие для более широкого использования ПКМ на судах может быть преодолен как с технической, так и с практической точек зрения. Композитная система с противопожарной изоляцией из минеральной ваты толщиной 75 мм и плотностью 110 кг/м3, противопожарная защита, рассчитанная на 60 мин, была на 15 % легче стальных переборок класса «А» [25]. Морские ПКМ должны иметь противопожарную защиту от пожаров сроком до 2,5 ч. В настоящее время стеклопластиковые материалы на судах с длиной более 50 м допускаются только для изготовления вторичных конструктивных элементов. В практике РФ требования по негорючести материалов для постройки судов введены в технический регламент о безопасности объектов морского транспорта, РМРС, а также в правила РКО для пассажирских судов категорий О-ПР и выше.4. Вид наиболее часто используемых методов для изготовления элементов судовых конструкций из ПКМ и причины их выбора.В источнике [18] приводится статистика применяемых методов для изготовления из ПКМ элементов судовых конструкций: намотка – 5 %; напыление – 5 %; прессование – 10 %; контактное формование – 80 %.Обычно изготовление морских судов из ПКМ осуществляется с помощью пресс-формы. Для крупного гражданского судна (более 40 м) затраты на оснастку, связанные с малым объемом производства, могут сделать проект финансово невыгодным. Суда из ПКМ могут изготавливаться методом нанесения гелевого покрытия на открытые формы, а затем методом распыления или ручного ламинирования, но при этом здоровье и безопасность рабочих, связанные с воздействием летучих органических соединений (особенно стирола), требуют дорогостоящих инвестиций в вентиляцию рабочего пространства.Наиболее предпочтительными процессами для изготовления корпусов крупных судов являются заливка смолы с помощью гибкой оснастки (RIFT, также известной как SCRIMP™, или VARTM) для прогулочных судов или предварительно обработанные материалы в вакуумном пакете для гоночных судов. Компоненты, изготовленные с использованием технологии VARTM (вариант RIFT), обладают механическими свойствами, сравнимыми с мокрой укладкой или приготовлением препрега в автоклаве.Качественно изготовленные корпуса из ПКМ не подвержены коррозии и, следовательно, требуют меньшего количества защитной краски против обрастания судового корпуса. Это сокращает время, затрачиваемое на техническое обслуживание, увеличивает время пребывания в море, срок службы судна и прибыль в коммерческой сфере.5. Особенности утилизации судов из ПКМ.Любое изделие, изготовленное из ПКМ, должно пройти оценку жизненного цикла, чтобы свести к минимуму его воздействие на окружающую среду. Морские суда проектируются и строятся таким образом, чтобы они были долговечны, но по истечении срока службы судна это создает большой объем отходов, с которыми трудно справиться. В то время как металлические конструкции могут быть относительно легко расплавлены и переработаны, высокая прочность ПКМ ограничивает возможности утилизации по истечении срока эксплуатации. Длительный срок службы судов из ПКМ может привести к тому, что на протяжении всего срока эксплуатации у них будет несколько владельцев. Денежные затраты на захоронение отходов и ограничения на сжигание увеличивают риск того, что брошенные малые и средние суда из ПКМ окажутся в географически удаленных от основных центров переработки местах.Использование матричных систем из термореактивных смол серьезно ограничивает возможности утилизации как отходов производства, так и готовых изделий. Когда судно становится морально и физически устаревшим и не может быть далее использовано по основному назначению, оно может применяться в качестве учебного, вспомогательного или в качестве объекта инфраструктуры.Наиболее распространенными методами переработки стеклопластика являются механический, термический или химический. В результате этих процессов образуется вторичный материал в виде наполнителя или армирующих частиц (для полимерных, асфальтовых или цементных композитов). Высокие затраты на переработку и низкая стоимость вторичного сырья в сочетании с отсутствием устоявшихся рынков сбыта являются слабым стимулом для пользователей ПКМ заниматься переработкой. Для разработки практичной и экономичной технологии переработки ПКМ по-прежнему требуются значительные исследования. В методах третичной переработки используются сжигание, пиролиз или сольвотермические процессы для разрушения полимерной матрицы и удаления волокон. При использовании методов пиролиза из полимерной матрицы могут быть получены химические вещества, которые могут стать потенциальным сырьем для производства ПКМ. Термическое удаление матрицы значительно снижает прочность стекловолокна, хотя кратковременная обработка переработанных стекловолокон горячей щелочью может восстановить их способность выступать в качестве эффективного армирующего материала в ПКМ второго поколения. Небольшие суда из ПКМ могут быть очищены от ценных материалов перед дроблением корпусов, но загрязнение корпусов топливом, смазочными материалами, краской и/или противообрастающими средствами может ограничить возможности утилизации.  Выводы1. В настоящее время наиболее часто, согласно источникам [4, 5, 7, 9–16, 18], для изготовления корпусов маломерных судов и судовых конструкций используются ПКМ на базе стеклянного волокна со связующими слоями из эпоксидных смол. 2. Строительство судов с длиной более 70 м из ПКМ в настоящее время ограничивается требованиями правил классификационных обществ (РМРС) [2], отсутствием единой мировой общепринятой методики расчета на прочность корпуса судна из ПКМ, более высокой стоимостью корпуса судна по сравнению с изготовлением его из металла, ограничением применения ПКМ по пожарной безопасности. 3. Возрастает проблема утилизации и переработки корпусов судов и судовых конструкций из ПКМ, что требует разработки соответствующих решений как для нормативной базы, так и в технологической области.4. Наиболее распространенным методом изготовления изделий из ПКМ является формовка, но она требует обеспечения безопасности для рабочих в производственном помещении, что связано с вредным воздействием паров эпоксидных и полиэфирных смол на организм человека.5. Отечественное судостроение использует ПКМ в основном для изготовления корпусов судов и надстроек, но не освоило в необходимом для рынка судостроения объеме технологии изготовления элементов судовых энергетических установок – гребных валов, винтов, упругих муфт и т. д.