Трехмерные карбоновые, они же углепластиковые, ткани постепенно становятся одним из самых перспективных направлений развития современных материалов. Их структурное строение позволяет создавать изделия, способные выдерживать сверхвысокие механические нагрузки при меньшем весе и увеличенном сроке службы по сравнению с традиционными композитными углеродными материалами. На наших глазах технология выходит за пределы лабораторий и внедряется в производственные процессы. Рассказываем, как она развивается в России, на примере компании «Карбонтекс», пионера в области трехмерных композитных материалов и армированных преформ для последующего промышленного применения.
Технические свойства и преимущества карбонового 3D-ткачества
В отличие от обычных композитов, которые получают из послойно уложенных волокон, 3D-ткань представляет собой многослойное переплетение большого количества нитей, идущих в нескольких направлениях. После пропитки связующим веществом такая структура превращается в очень прочный композит, устойчивый к механическим воздействиям. И при этом легкий, так как между нитями нет ничего, кроме воздуха. Материал более равномерно распределяет нагрузку и обладает меньшей склонностью к расслоению. Эти качества позволяют использовать трехмерную композитную ткань в углепластиковых конструкциях, где критически важны геометрическая стабильность формы и высокая прочность при ограничении по массе.
Одна из немногих в России компаний, которая занимается гражданскими разработками трехмерных карбоновых тканей, — «Карбонтекс». Она производит и сами ткани, и 3D-тканые преформы, которые затем применяют в промышленности для серийного производства. Рассмотреть перспективы технологий можно на примере их решений. С помощью технологии трехмерного ткачества изобретатели наладили производство цельнотканой объемно-армированной преформы за один технологический цикл.
Из этих преформ затем делают финальное углепластиковое изделие, например корпус квадрокоптера, детали экзоскелетов или медицинских изделий для восстановления костей человека после травм.
Технология позволяет получать объемные ткани большой толщины (до 200 мм), у которых нити могут быть расположены не только в горизонтальной плоскости, но и в вертикальном направлении, и под углами к горизонтали. В результате можно изготовить цельнотканую объемную армирующую структуру (3D-преформу), которая точно соответствует размерам и форме будущего композитного изделия. А это, в свою очередь, существенно снижает издержки: отходов практически нет, время изготовления конечного продукта уменьшается, так как сокращается количество последующих производственных операций.
На изображениях вверху можно видеть, что нити в 3D-преформах могут располагаться в разных направлениях (горизонтально, вертикально, по диагонали и т. д.), что придает форме дополнительную прочность.
3D-ткань демонстрирует повышенные результаты по таким параметрам, как максимально возможная нагрузка и максимальное напряжение:
А так выглядит структура углепластика при значительном увеличении:
Применение в реальной экономике
Сегодня «Карбонтекс» производит широкий набор объемных армирующих заготовок. Среди них — преформы для авиационных двигателей, включая заготовки для рабочих лопаток вентилятора ПД-14, которые формируются в геометрии, близкой к финальной. Изготавливает элементы корпусов беспилотных летательных аппаратов, листовые материалы на основе 3D-ткани, углепластиковые каркасы для дронов и другие композитные детали, представленные на отраслевых выставках.
А так работает станок для трехмерного ткачества карбоновых материалов:
Станок обеспечивает ткачество одновременно в трех измерениях: ширине, длине и высоте, позволяя объединять волокна под различными углами, включая перпендикулярное соединение плоскостей. Это придает тканому материалу особую плотность, прочность, монолитность и объемность. Использование такого материала при производстве дронов значительно повысит их эксплуатационные характеристики и эффективность.
Помимо производства компания развивает собственное программное обеспечение для проектирования объемных тканых структур. Раньше использовали зарубежные программы, которые требовали длительных расчетов, создаваемое компанией ПО сокращает время проектирования и проходит этап практической доработки.
Основные преимущества полимерных композиционных материалов (ПКМ), созданных на основе технологии 3D-качества:
обладают устойчивостью к расслоению и межслоевым деформациям при воздействии эксплуатационных нагрузок по всему объему изделия и во всех направлениях;
снижают вероятность образования и развития трещин, поскольку распространение дефектов ограничивается наличием армирования в третьем направлении и прекращается в пределах нескольких структурных ячеек;
имеют повышенную межслоевую прочность и изгибную жесткость;
обеспечивают прочную механическую связь между элементами структуры, формируя целостную и монолитную конструкцию;
равномерно распределяют механическую нагрузку по всему объему изделия благодаря пространственной системе армирования.
Благодаря отменным показателям по прочности и легкости 3D-тканями заинтересовались авиационная и беспилотная отрасли, медицина, судостроение и автомобилестроение. Нашлось им применение и в космических аппаратах. Сейчас трехмерные карбоновые ткани становятся одним из магистральных направлений развития современных материалов.
Их структурное строение позволяет создавать изделия, которые выдерживают колоссальные нагрузки при значительно меньшем (по сравнению с обычным углепластиком) весе. При этом они служат гораздо дольше распространенных углепластиковых решений. Технология вышла за пределы лабораторий и переместилась в производственные процессы. Поэтому важно понимать, как она развивается, какие перспективы есть у нее в России и как государство поддерживает ее разработку.
Еще одно применение, которое касается как медицины, так и отраслей, где необходимо поднимать тяжелые предметы, — это экзоскелеты. В них есть детали, например соединительные элементы между узлами, которые испытывают повышенную нагрузку, — там новые технологии оказались весьма к месту.
В авиации из карбоновых тканей создают легкие, прочные композитные конструкции, снижающие вес и повышающие эффективность самолетов.
В марте 2025 года на специализированной выставке композитных материалов «Композит-Экспо» в Москве «Карбонтекс» представил современные разработки в области 3D-ткачества и цельнотканых преформ, вызвавшие интерес у представителей авиационной, космической, оборонной и автомобильной промышленности.
Как развивается компания и кто ее поддерживает
Проект стартовал в Казанском национальном исследовательском техническом университете им. А. Н. Туполева, где по инициативе советника ректора Вячеслава Рогожникова и под руководством кандидата технических наук Петра Белиниса создали лабораторию 3D-ткачества.
Сначала для экспериментальной работы собрали первый опытный станок, который продемонстрировал работоспособность технологической модели. Позже для вывода технологии на рынок на основе лаборатории создали компанию. Петр Белинис стал ее научным руководителем, а Вячеслав Рогожников — генеральным директором.
Команда разработала промышленный ткацкий комплекс КТ-6250, а затем — более быстрый станок КТ-1000 при участии российских разработчиков станочного оборудования. Этот станок формирует преформы толщиной до 30 сантиметров и шириной до метра. Он может работать одновременно с большим количеством нитей из углеродного волокна, стеклоткани и арамидных материалов, а также комбинировать разные типы нитей в одном изделии.
В начале 2025 года «Карбонтекс» участвовал в конкурсном отборе Национальной технологической инициативы. Отбор проводил Фонд НТИ при участии Минобрнауки России в рамках федерального проекта «Развитие и производство композитных материалов и изделий из них» и национального проекта «Новые материалы и химия». Участники конкурса должны были соответствовать требованиям к продукту, рынку, бизнес-модели и команде. Организаторы отбора выбрали двух победителей, и одним из них стал «Карбонтекс».
Компания получила статус резидента НПЦ «БАС» и грант Фонда НТИ. Реализовала комплекс акселерационных мероприятий: персональное сопровождение проекта, консультации по развитию технологий и созданию дорожных карт, а также помощь в подготовке к отраслевым мероприятиям, чтобы повысить готовность проектов к промышленному внедрению.
Перспективы развития технологии
Внедрение 3D-ткачества сталкивается с объективными ограничениями. В судостроении сертификация новых материалов требует значительных финансовых затрат, что влияет на скорость внедрения. Несмотря на эти факторы, спрос на 3D-ткани и изделия на их основе растет. «Карбонтекс» отвечает на этот вызов: расширяет производственные мощности и строит дополнительные станки КТ-1000, планируя их полную загрузку. Компания продолжает развивать направление 3D-ткачества, сочетая конструкторские разработки, собственные программные инструменты, производственные процессы и участие в государственных технологических программах. Этот подход способствует дальнейшему распространению 3D-тканей в промышленных секторах, где требуется сочетание прочности, стабильности и малого веса.
На сессии «Tech-connect: технологические проекты будущего» международного экономического форуме «Россия — Исламский мир: Kazanforum» компания представила свою технологию 3D-ткачества композитных материалов.
По итогам встреч с заинтересованными в технологии участниками форума перед компанией открылись новые возможности для расширения промышленного использования 3D-тканых композитов на российском и международном рынках.
В конце 2025 года Фонд НТИ провел стратегическую сессию по итогам акселерационной программы, в рамках которой «Карбонтекс» победил в отраслевом отборе по направлению «Композитные материалы» нацпроекта «Новые материалы и химия». Технологию 3D-ткачества цельнотканых углепластиковых панелей с интегрированными силовыми элементами признали имеющей стратегическое значение для импортонезависимости и технологического суверенитета.
Компания также вошла в топ-100 идей форума «Сильные идеи для нового времени». В ходе акселерации Фонда НТИ компания прошла технологическую и бизнес-диагностику, выстроила производственные и коммерческие процессы, сформировала дорожную карту масштабирования и получила доступ к экспертам в области промышленной кооперации и привлечения инвестиций. Фонд НТИ подтвердил готовность продолжать сопровождение «Карбонтекса» на этапах расширения рынков и промышленного внедрения.
