Углепластиковые удилища

Каким станет автобудущее, демонстрируют дизайнеры и инженеры ведущих компаний

  С наступлением весны и нового сезона ловли по открытой воде, почти у каждого рыболова-поплавочника появляется желание усовершенствовать свою любимую снасть или приобрести новое удилище, или изготовить новый, более совершенный поплавок, или изготовить «секретную» и неотразимую прикормку. Но из года в год каждый рыболов прежде всего мечтает о том, чтобы иметь длинное, легкое и прочное удилище. И не просто длинное, а самое длинное. И не просто легкое, а самое легкое. И не просто прочное, а самое прочное. Из каких материалов можно изготовить такое «экстремальное» и «универсальное» удилище? Ответ — из композиционных материалов. Что же такое композиционные материалы?
     Под композиционными материалами, в широком смысле этого слова, принято понимать все материалы, которые созданы природой или человеком путем совмещения двух или нескольких разнородных по своим характеристикам материалов. Поясню для наглядности на нескольких примерах. Кость человека или животного является композиционным материалом, в котором совмещены костная ткань, соединительная ткань, кровеносные сосуды и нервные окончания. Все составляющие выполняют свои функции, но с точки зрения биомеханики имеют совершенно разные характеристики. Ствол дерева состоит из волокон древесины, обеспечивающих прочность ствола, и из тканей, которые поддерживают регенерацию, рост, питание дерева.
     Искусственные композиционные материалы, то есть материалы, созданные руками человека, имеют давнюю историю. Например, всем известный железобетон. В нем совмещены прочностные свойства стальной арматуры и прочность при сжатии бетона. Сам бетон, кстати, тоже композит, который состоит из цемента, песка и щебня. Песок и щебень предопределяют прочность материала, а цемент связывает их в единое целое. Таких примеров можно привести великое множество.
     Принято считать, что наиболее прочная и жесткая составляющая композита, которая и определяет потребительские качества материала, называется наполнителем, а связка, или клеевая составляющая, которая необходима для соединения наполнителя в единое целое в изделии, называется связующим или матрицей.
     В области создания и производства легких, но прочных материалов, которые бы являлись конкурентами традиционно наиболее прочных металлов и их сплавов, закономерное распространение получили композиционные материала, которые состоят из стеклянных, углеродных, керамических, металлических или полимерных волокон (наполнители) и связующих (матрица). В качестве связующих используются термопластичные полимеры (капрон, полипропилен, полиэтилен, поликарбонаты, полиэфиры и сотни других полимеров), термореактивные полимеры (эпоксидные, фенольные и другие смолы), те же металлы, клеи или смолы.
     В конструировании композиционного материала понятия конструкция и материал неразрывно связаны между собой. Под каждую конкретную конструкцию создается конкретный материал. И если создание материала-конструкции происходит успешно, то результат не заставляет себя ждать. Так, например, в США уже в 60-х годах удалось достичь сокращения на 20% массы авиационных конструкций по сравнению с алюминиевыми сплавами. А у известного самолета «Вояджер», который облетел земной шар, доля композитов в конструкции достигла 90%.
     Опыт самолетостроения хорош тем, что именно с этой области композиционные материалы начали свое восхождение к завоеванию рынка элитных рыболовных снастей, теннисных ракеток, лыж, корпусов яхт, горных велосипедов и корпусов болидов «Формулы 1». Военная промышленность всегда была тем полигоном новых разработок, с которого происходило перетекание технологий и материалов в производства «ширпотреба». До того момента, когда Советский Союз и союз стран СЭВ еще существовали, технология композиционных материалов была «за семью печатями». Технологи, которые занимались композиционными материалами, конечно, знали уже давно о достоинствах и недостатках того или иного материала, но внедрять в повседневную жизнь материалы, которые были засекречены, было просто невозможно. Поэтому практически до начала 80-х годов удилища для рыбной ловли производились во всем мире из композиционных материалов, состоящих из стеклянных волокон и эпоксидных или полиэфирных связующих. Знаменитая фирма «Daiwa» в конце 70-х выпустила даже уникальную серию удилищ, используя в качестве матрицы фенольное связующее.
     С течением времени, с развитием технологий и с «потеплением» международной обстановки, стеклянные волокна стали вытесняться углеродными. Именно углеродными волокнами, ведь известные некоторым рыболовам понаслышке борные волокна, есть не что иное, как тоже углеродное волокно с нанесенным на него из газовой фазы бором.
     Стеклянные волокна имеют свои достоинства. Композиты на их основе имеют очень неплохие прочностные характеристики, и если бы не относительно большая плотность волокон, а значит и вес конечного изделия, то все было бы хорошо. Вторым недостатком стеклянных волокон является то, что они имеют модуль упругости в несколько раз меньше чем у углеродных, графитированных волокон. Высокий удельный вес и низкий модуль упругости и предопределяют тот факт, что удилища из стеклопластика относительно более тяжелые, хлыстоватые, но зато надежные и прочные при изгибе.
     Углеродные же волокна имеют в несколько раз меньшую плотность и в несколько раз более высокий модуль упругости. Здесь есть смысл напомнить читателям о том, что такое модуль упругости. Модуль продольной упругости материала (модуль Юнга) численно равен силе, которую нужно приложить к образцу материала, чтобы увеличить его длину вдвое, конечно, если бы это было возможно на практике. Жесткие материалы рвутся при значительно меньших удлинениях. Таким образом, модуль упругости зависит только от материала и характеризует его способность сопротивляться деформированию, или его жесткость. А если взять в качестве критерия сравнения материалов отношение прочности и жесткости к плотности материала, то по этому параметру углеродные композиты опережают не только стеклопластики, но и стали.
     И все было бы хорошо и просто, если бы углеродные волокна были бы еще и дешевыми и технологичными в переработке. Но сама технология получения углеродных волокон достаточно сложна и главное энергоемка. Углеродное волокно можно получить при термообработке вискозных или полиакрилонитрильных волокон и некоторых других волокон уже при температуре 900 градусов, но это не то волокно, которое идет на создание композиционных материалов. То волокно, которое мы в бытовом потребительском понимании называем углеродным, представляет собой высокопрочное и высокоориентированное волокно, более близкое по структуре к алмазу. Оно имеет структуру графита. Такое волокно требует для своего производства температуры до 2200 град, а это деньги. Килограмм неплохого волокна стоит около 50 долл., а очень хорошего в десятки раз больше. Для того, чтобы изготовить семиметровое, надежное удилище для ловли леща, карпа или язя потребуется до 240 г низкосортного графитированного волокна или приблизительно 100 г качественного волокна. С учетом всех остальных затрат нормальная розничная цена на такое удилище может колебаться между 40 и 500 долл. Если вы покупаете удилище по более низкой цене, то это значит, что в составе его материала присутствуют как стеклянные, так и углеродные волокна. Стеклянные волокна — для прочности и цены, а углеродные — для веса и жесткости. Или, что еще хуже, при производстве были использованы отходы углеродных волокон.
     Фирмы, производящие углепластиковые удилища, стали писать на удилище рекламные обозначения, например, IM 6 или 7, или 9. О чем это говорит? А ни о чем. Даже если вы знаете, что маркировка IM 6 означает, что в изделии использовано волокно с модулем в 30000 Мпа, а в материале с применением графита IM 9 — волокно с модулем в несколько раз выше, то вы все равно не знаете, сколько данного волокна содержится в материале, а значит и не можете оценить качество конечного изделия. Проверить, из какого именно волокна, с каким модулем Юнга изготовлено то или иное изделие, практически невозможно. Поэтому вопрос о качестве изделия превращается в вопрос доверия к данной фирме-производителю.
     Приобретая то или иное углепластиковое удилище, нужно помнить о том, что чем оно дороже, легче и жестче, тем оно и более «нежное». Элитное удилище требует внимательного и аккуратного обращения с ним как на рыбалке, так и вне ее. Жесткое углеродное волокно очень хрупкое. Его нельзя завязать в узел, как обычную леску, оно сломается. Для каждого волокна существует свой минимальный критический угол перегиба. То есть, если угол изгиба волокна будет меньше определенного, то волокно сломается (как стекло или дерево, или пластмасса). Критический угол, при котором происходит излом композита, определяется свойствами не только волокна, но и полимерной матрицы (связующего). Это очень важный с точки зрения потребителя вывод. Дело в том, что можно взять прекрасное по качеству волокно, отличное связующее и изготовить плохое по качеству изделие, в данном случае удилище. Наиболее часто наблюдается неправильная пропитка волокна связующим в процессе производства. Если вы сломали удилище, то сразу же обратите свое внимание на место излома. Если волокно в месте излома жесткое и хрупкое, то это говорит о том, что композит изготовлен без нарушения технологии и связующее проникло в межволоконное пространство. Но если, часть волокон в месте излома «мягкие» на ощупь и свободны от связующего, то это явный брак. Это значит, что технология производства явно «не отработана». Кстати, это касается не только удилищ, но и килей поплавков. В последние годы, ведущие фирмы-производители при изготовлении композитов на основе сверхвысокомодульных волокон стали применять псевдоэластичные связующие. Такие связующие позволяют перераспределять нагрузки между волокнами и за счет внутреннего рассеяния энергии разгружать графитированные волокна во время приложения ударных нагрузок (поклевка, рывки рыбы, удары грузил, резкие махи при забросе). Но это не говорит о том, что удилище становится менее прихотливым.
     Любое углепластиковое удилище требует очень бережного к себе отношения. Оно боится ударов об острые углы, зацепов во время заброса за траву и ветки, которые расположены за спиной рыболова, дерганий в вертикальном направлении в случае «мертвых» зацепов. И чем удилище дороже, тем более аккуратно следует к нему относиться. Последнее поколение элитных удилищ ведущие фирмы, например «Daiwa» или «Maver», производят вакуумным способом вибрационного формования. Что это значит? Если рассмотреть схему укладки волокон в материале удилища, то при идеальном расположении волокон (РИС. 1) для заполнения межволоконного пространства требуется всего 25 % связующего, а не традиционные 35-40%. Вакуум (под вакуумом находится вся производственная нитка оборудования), в сочетании с вибрацией с определенной, резонансной для данного связующего частотой, позволяют вытеснить из материала избыток смолы. Японцы пошли дальше. Ведь для того, чтобы соединить между собой волокна, совершенно не обязательно заполнять связующим все межволоконное пространство. Достаточно нанести на каждое волокно тонкий слой смолы и склеить эти слои между собой. РИС.2. Так были созданы материалы, получившие название «Zero». Содержание клеевого связующего в таких материалах удалось снизить до 7-9%. Но в последние годы и этот предел был преодолен. Но об этом я расскажу через неделю.