Как делают лыжи из углеволокна?
Обсудить 0
В 1880 году Томас Эдисон запатентовал источник света, в котором нагревались углеродные волокна. В те времена углерод получали методом пиролиза из бамбуковых или хлопковых волокон. Только спустя 70 лет ученые обратили внимание на малый вес, высокую прочность и жесткость углеволокна и стали экспериментировать с ним как с несущим материалом. Теплостойкость, электропроводность и коррозионная стойкость открыли углепластику путь в авиацию и космонавтику. Со временем композитные технологии перекочевали из оборонной промышленности в гражданские отрасли, благодаря чему появились карбоновые удочки, фотоштативы и велосипеды. Разумеется, не смогла обойтись без пластика, армированного элементом №6, и такая высокотехнологичная отрасль зимних развлечений, как производство горных лыж. Но началась история углепластиковых, или, как их часто называют, карбоновых лыж с печального инцидента.
Основная проблема для производителя лыж — вовсе не масса и не жесткость на скручивание, а технологичность и экономичность — цена углепластика в 10−30 раз выше, чем стеклопластика. Лыжу из углепластика сложнее собирать, для прессования требуется больше времени, нужна более высокая температура и более высокое давление. Такую лыжу сложнее обрабатывать, крепления на нее ставят особым способом, ее очень сложно ремонтировать. Заусенцы и задиры верхнего слоя, которые образуются на любых лыжах, царапают одежду и руки, но в случае с углепластиком их очень непросто заделать. Компании Goode потребовалось более 10 лет, чтобы отработать технологию изготовления лыж из углепластика и перейти от экспериментальных образцов к большой коллекции спортивных снарядов.
От печали до радости
В 1975 году травма перечеркнула планы на дальнейшую карьеру в профессиональном спорте 19-летнего члена сборной США по горнолыжному спорту Дэйва Гуда — даже после трех операций левая голень так и не срослась правильно. Тогда он занялся бизнесом и через год запатентовал racer spacer — ремешок, который скреплял лыжи вместе, но не давал им царапать друг друга, а за следующие несколько лет фирма создала 200 различных лыжных аксессуаров. Как-то один из клиентов пожаловался, что алюминиевые палки легко гнутся и ломаются. Гуд стал заполнять их пеноматериалом. Это помогло, но принципиально не решило проблему, связанную со свойствами алюминия. Именно тогда Дэйв Гуд обратил внимание на появившиеся в те годы первые карбоновые клюшки для гольфа и теннисные ракетки.
Лыжи Nezza производства швейцарской компании ZAI мало похожи на обычные. Сквозь длинный сквозной продольный вырез перед креплениями лыжник может видеть снег, а задняя часть сделана по типу «ласточкин хвост» (с раздвоенной пяткой). Производитель утверждает, что на жестком снегу эти лыжи ведут себя фантастически хорошо. Но и цена пары фантастическая — около 7000 долларов.
Мечта превратилась в идею, идея — в действия, а действия — в реальную жизнь. Вскоре Гуд придумал, запатентовал и наладил выпуск углепластиковых палок, которые получили кличку «палки-карандаши». В отличие от сужающихся алюминиевых палок они имели небольшую толщину и постоянный диаметр по всей длине. Они были удобными, легкими, и их практически невозможно было сломать. Правда, и стоили «карандаши» в 1988 году намного больше обычных палок. Но Гуд вовсе не собирался почивать на лаврах. В 1994 году появились углепластиковые водные лыжи, на которых впоследствии было установлено несколько мировых рекордов. А через год компания создала первый прототип и вскоре наладила серийное производство углепластиковых горных лыж.
Масса и другие
Лыжи Goode получились почти в два раза легче, чем их обычные аналоги, и это стало их главным козырем. Причина, правда, была не только в широко разрекламированном углепластике (карбоне), но еще и в сердцевине, которую делали из легкого пеноматериала. Вообще говоря, малая масса для горных лыж — это важный, но все же не самый главный параметр. Легкие лыжи быстрее реагируют на движения лыжника, ими легче управлять, и конечно, их легче носить. Однако у них есть и недостатки — они менее устойчивы, особенно на высоких скоростях и, например, в сложных снежных условиях (на разбитой целине). У них ниже толерантность, то есть они меньше прощают ошибки и потому плохо подходят неопытным лыжникам. Зато массу лыжи легко измерить, в отличие от многих других параметров, таких как распределение жесткости, демпфирующие свойства, устойчивость, прочность.
Жесткость на скручивание углепластиковых лыж Goode выше, чем у традиционных, на 20 — 80%, что существенно при катании по жесткому снегу. Углеволокно почти в 15 раз меньше растягивается при нагрузке, чем стекловолокно, поэтому такие лыжи практически не меняют форму весового прогиба ни после активного катания, ни после длительного хранения и не скручиваются в пропеллер, как некоторые дерево-стеклопластиковые модели. Помимо традиционных моделей, фирма также выпускает лыжи для акробатики (малый вес и момент инерции облегчает выполнение вращений в полете), для езды по мягкому снегу — с обратным весовым прогибом, и даже лыжи без талии (с прямым профилем) для катания по целине. Сверхлегкие лыжи выигрывают в таких дисциплинах, как лыжная акробатика, альпинтур и хелискиинг (вертолетное катание).
Из чего же, из чего же?
Углепластик (он же карбон) — композитный материал, несущей основой которого является углеродное волокно, а связующим — эпоксидная или полиэфирная смола.
Существуют разные технологии изготовления углеродного волокна. Исходным сырьем служат либо природные — вискозные и полиакрило-нитрильные, — либо искусственные волокна, которые получают из фенольных смол, каменноугольных и нефтяных пеков. На первом этапе их нагревают до 250 °C в воздушной среде — происходит окисление волокон. На втором (карбонизация) — волокна нагревают до 800−1500°С в инертной среде (аргоновой или азотной), на третьем (графитизация) — температуру увеличивают до 1600−3000°С (тоже в инертной среде). В результате получают углеродное сырье — порошки, короткие или длинные нити, тканые, нетканые и плетеные материалы.
Углерод на пенсии
Вторичная переработка углепластика — дело непростое. Для традиционного перемалывания такого прочного материала требуется дорогое оборудование, мелкая пыль загрязняет окружающую среду и вредна для здоровья, а при этом свойства углеволокна ухудшаются. Пока что в Великобритании, Германии и Японии углепластики перерабатывают, используя пиролиз (термическое разложение без доступа кислорода). При этом смола в составе пластика разлагается на газообразные продукты, и остается только углеволокно. Этот процесс требует много электроэнергии и поэтому недешев. Перспективным способом считается электродинамическая фрагментация углепластиков, но пока что эта технология не отработана. Вторично переработанный углепластик используют в неответственных деталях автомобилей и самолетов, и, например, в корпусах дорогих ноутбуков.
Углеродные волокна тонки и прочны, но весьма хрупки: их сложно порвать, но они легко ломаются. С ними сложно работать, поэтому при производстве углепластиковых изделий используют другой материал — препрег (англ. preimpregnated, «предварительно пропитанный»). Карбон-препрег — это углепластик, которому не дали до конца затвердеть: волокна или ткань пропитывают эпоксидной смолой, полученный частично отвержденный материал помещают в холодильник, где он находится до 30 суток без полного отверждения. Препрег — полуфабрикат, его привозят на фабрику в рефрижераторах и хранят в холодильниках до начала сборки. Рабочим, которые собирают лыжи, приходится действовать быстро: при комнатной температуре препрег начинает твердеть и всего через час с небольшим становится жестким и уже непригодным для сборки. Работать с препрегом гораздо удобнее, чем с сухими волокнами или тканью. Кроме того, не нужно точно дозировать и размазывать эпоксидную смолу, а потом убирать излишки: все это уже сделано при подготовке препрега.
Не только лыжи
Сегодня редкая крупная лыжная фирма не вставляет карбон в свои премиум-модели: полосы, вилки и ребра из углепластика. Но на снегу карбон можно увидеть не только в лыжах.
Одна из небольших компаний, которые выпускают углепластиковые модели лыж — швейцарская фирма ZAI. В своих изделиях компания использует как традиционные (кедр), так и суперсовременные (высокомодульный полиэтилен, однонаправленное углеволокно, углеродные нанотрубки и другие) материалы… и только ручное изготовление.
После неудачных экспериментов со стеклопластиком в 1970-х все горнолыжные ботинки стали делать из термопластов. Но в ХХI веке карбон стал потихоньку проникать и в конструкцию горнолыжных ботинок. Во внешнем ботинке стали появляться вставки из термопласта, усиленного рубленным углеволокном, и ребра из углепластика. Углеволокно, несмотря на очень высокую цену и хрупкость, обладает серьезными достоинствами, которые важны для профессиональных спортсменов: малой массой и термостабильностью. Жесткость углепластика на изгиб мало зависит от температуры, так что такие ботинки одинаково ведут себя и при теплой, и при холодной погоде. Обувь для соревнований выпускает, например, компания Dodge (не имеющая отношения к автомобилям) — эти ботинки по своей компоновке мало отличаются от традиционных, однако вместо мягкого и толстого термопластика в них используют жесткий и тонкий углепластик, в результате чего ботинки получаются жесткие, точные… и в два раза легче обычных аналогов. Другой производитель, американская фирма APEX, предлагает горнолыжные ботинки нового типа, которые считает «первыми удобными лыжными ботинками» в истории. Конструкция APEX сочетает дизайн экзотических лыжных ботинок 1970-х и современных ботинок для сноуборда. «Разрабатывая нашу модель, мы думали о внутренней конструкции, ведь именно от нее зависит комфорт, — говорит глава фирмы Дэнни Хансон, —, а потом создавали углепластиковый внешний ботинок, который определяет жесткость на изгиб».
«Когда мы в 2003 году начали работать с углепластиком, — говорит Симон Джакоме, основатель и главный конструктор швейцарской компании ZAI, — мы не были в восторге ни от самого материала, ни от поведения лыж на снегу». На первом этапе компания стала использовать в конструкции лыж высокомодульный полиэтилен (Dyneema), постепенно шаг за шагом интегрируя углеволокно в различные элементы конструкции для получения нужных характеристик. При создании моделей 2017 года углеродное волокно высокой прочности выклеивают в девяти направлениях. Для сердцевины используется древесина кедра, ореховый шпон и фирменный однонаправленный углепластик zaiìra. Разные направления волокон определяют параметры конечной конструкции.
Лыжные крепления с новыми названиями появляются почти каждый сезон, но при этом количество фирм-производителей не меняется — просто одни фирмы покупают другие, и теперь на знакомых по форме креплениях можно увидеть новые названия. Приятным сюрпризом стало появление американской фирмы Kneebinding, которая поставила своей задачей сделать более надежные, удобные и легкие крепления. Их главное достоинство — независимое срабатывание задней части крепления вбок, что должно снизить вероятность получения травмы колена при боковых нагрузках. Как рассказал «ПМ» директор компании Джон Спрингер-Миллер, в серийной модели KB12C этого сезона используются пластиковые детали, армированные углеволокном, крепления получаются более жесткие и легкие.
Еще один защитный элемент экипировки горнолыжников и сноубордеров — шлем. Углепластиковые шлемы выпускают несколько компаний, однако никто из них не может внятно объяснить, с какой целью в конструкции используется углепластик. Для престижа, небольшого снижения массы и… более высокой цены. Ни одна фирма не решится заявить, что углепластиковый шлем надежнее традиционного. Наружный слой шлема предназначен для защиты не столько от ударов, сколько от проникновения камней или других острых предметов, поэтому для материала внешней оболочки не нужен слишком прочный материал. Основную роль в поглощении энергии удара играет пеноматериал внутри шлема. Более того, если внешняя оболочка разрушается при ударе, она таким образом поглощает часть энергии и тем самым уменьшает вероятность травм. Поэтому во многих шлемах в качестве наружной оболочки используется АБС-пластик или что-то подобное — легкое и недорогое.
Но самое точное определение необходимости углепластика в спортивной экипировке дал в неофициальной беседе один из специалистов крупнейших лыжных компаний: «Возьмите обычные стальные часы. Теперь наклейте на циферблат небольшой пятачок ткани из углеволокна — и вот уже часы стали эксклюзивными и «спортивными». Людям нравится карбон — это красиво, благородно и богато».
