Прочность композитов повысили за счет нестандартного сырья в пултрузии / ©Getty images
Исследователи из Сколтеха усовершенствовали метод пултрузии для производства термопластичных композитных профилей — укрепленных искусственным волокном полимеров с постоянным сечением. Эти легкие и прочные материалы из пластика и стекло- или углеволокна не ржавеют, пригодны для переработки и сварки и могут однажды заменить сталь и алюминий в строительстве или судостроении. Пока они по большей части производятся и исследуются в лабораториях.
Исследование опубликовано в журнале Composites Communications, в числе авторов — обучающиеся школы для одаренных детей «Летово». Термопластическая пултрузия — технология изготовления композитных материалов с постоянным поперечным сечением (профилей, балок). Метод заключается в протягивание армирующего волокна в виде лент, пропитанных плавкими полимерами, через специальную оснастку. В ней пластик плавится, дополнительно пропитывает волокна, и на выходе получается композитный материал. Главное преимущество этого метода заключается в высокой производительности — до пяти метров профиля в минуту.
Научная группа из Центра технологий материалов во главе с заведующим Лабораторией композитных материалов и структур старшим преподавателем Александром Сафоновым повысила качество получаемых пултрузией композитов за счет использования нестандартного сырья. Вместо привычных лент исследователи заказали у китайского производителя «Чжунцзи Кампани» листы исходного материала с примерно таким же составом, как у обычно используемых лент, и нарезали их на узкие полоски. В итоге полученные композиты оказались на 20–27 процентов прочнее. Подобные листы были использованы для производства плоских профилей впервые.
«Мы изготовили для сравнения композиты как из лент, так и из нарезанных листов, причём содержание армирующих волокон в сырье совпадало, — рассказал первый автор исследования, аспирант Сколтеха Кирилл Минченков. — Испытание механических свойств показало преимущество материала из листов: у него заметно выше прочность на сжатие, растяжение и изгиб».
Исследователи связывают полученные результаты с тем, что листы имеют меньшую толщину по сравнению с лентами, поэтому волокно в листах легче пропитать полимером. Как следствие, в материале меньше пор и других дефектов, которые ухудшают его механические характеристики.
Поскольку полимерная составляющая композита — полипропилен, полученный материал не только легок и прочен, но вдобавок пригоден для сварки и переработки.
«Бывают реактопластичные ламинаты, а бывают термопластичные, как наш. В первых полимерный компонент застывает раз и навсегда, а вторые можно повторно расплавить, чтобы сварить две детали или переработать изделие, — пояснил Минченков. — Полипропилен всем знаком по упаковке продуктов из супермаркета (маркировка 5, PP или ПП). От огня он размягчается, тает и течет. За счет этого можно менять форму и/или извлекать волокна композита — примерно это и происходит при сварке и переработке».
По мере того как характеристики термопластические плоских ламинатов, получаемых пултрузией, улучшаются, а стоимость изготовления снижается, эти материалы приближаются к тому, чтобы конкурировать с промышленными металлами — сталью и алюминием — в строительстве, судостроении и других областях. Помимо ученых из Сколтеха и школьников «Летово», которые принимали участие в экспериментах летом 2021 года, в исследовании участвовал специалист из Харбинского технологического института (Китай).