Российские ученые предложили технологию создания легкого и прочного композитного материала. В его основе полимерная матрица и углеродные волокна.
Такой материал может быть использован в авиастроении для создания элементов силового набора и корпусных конструкций.
Разработанный композит легко поддается переработке или утилизации, что делает его более экологичным, чем аналоги.
Исследование опубликовано в Polymers.
Проблема та же: углепластики очень трудно перерабатывать и получать из них углеродное волокно, готовое для вторичной переработки.
Ученые Университета «МИСиС» создали новый композиционный материал на основе инженерных термопластичных полимеров и углеродного волокна, эффективно сохраняющий свои эксплуатационные свойства в агрессивных средах, таких как авиационное топливо, при этом легко утилизируемый.
В качестве армирующего материала использован углепластик российского производства. Впервые для производства матриц вместо обычной эпоксидной смолы был использован порошок полиэфирсульфона. Это аморфный термопластичный полимер с отличными механическими свойствами, устойчивый к высоким температурам, пару и различным химическим веществам. Также важно, что полиэфирсульфон пригоден для вторичной переработки, в отличие от эпоксидной смолы.
Исследователи МИСиС подобрали наилучшие условия получения композиционного материала и определили, что оптимальное содержание углеродных волокон для авиационных композитов на основе полиэфирсульфона составляет 60–70% от общей массы конструкции.
Поверхность углеродного волокна была дополнительно модифицирована путем термического окисления, в результате чего на поверхности углеродных нитей образовался тонкий слой, состоящий из большого количества кислородсодержащих функциональных групп. Это способствует лучшей адгезии углеродного волокна к полимерной матрице.
Для пропитки углеродной заготовки использовали растворную технологию – порошок полиэфирсульфона сначала растворяли в органическом растворителе при комнатной температуре, после чего полученным раствором пропитывали модифицированное углеродное волокно.
Затем образцы для испытаний сушили при 100°С в течение четырех часов, после чего заготовку помещали в форму, где заготовки формовали под давлением при 350°С в течение 30 минут.
В результате исследователи добились стабильной структуры полученного композита и значительно улучшили его механические свойства и устойчивость к высоким температурам. При этом, как отмечают авторы исследования, предлагаемая технология создания композитов на основе полиэфирсульфона и углеродных волокон позволяет регулировать свойства конечного материала в зависимости от степени наполнения полимерной матрицы волокнами.
«Говоря о возможностях применения материалов, нужно смотреть на конкретное изделие, в котором они будут использоваться, так как от этого зависят условия работы в конструкции, требования по прочности, предельно допустимые деформации. Соответственно меняется и рисунок армирования, и степень наполнения (содержание волокон) также будет варьироваться.Но, если говорить, например, о материалах для авиастроения, то оптимальное содержание углеродных волокон будет скорее в пределах 60–70% от общей массы композита», — поясняет соавтор работы, старший научный сотрудник Центра композиционных материалов МИСиС, к.т.н. Андрей Степашкин.
