"Труды ВИАМ" №7 (113) 2022
рубрика: наука
Обзор статей по композитной тематике из электронного научного журнала "Труды ВИАМ" №7 (113) 2022
Е. Д. Колпачков, А. О. Курносов, С. Н. Папина, А. П. Петрова
ОСОБЕННОСТИ ФОРМОВАНИЯ СТЕКЛОПЛАСТИКОВ НА ОСНОВЕ PMR-ПОЛИИМИДОВ
Представлены технологические особенности переработки стеклопластиков на основе полиимидных связующих PMR-типа. Продемонстрированы основные подходы к изготовлению образцов из полимерных композиционных материалов (ПКМ) на основе стеклянных наполнителей и полиимидных расплавных связующих с учетом их физико-химических особенностей. Показано, что ПКМ на основе полиимидных связующих расплавного типа могут перерабатываться по различным режимам, обеспечивающим разный уровень характеристик.
Развитие авиационно-космической отрасли поставило ряд задач перед представителями различных областей промышленности. В первую очередь необходимо было обеспечить высокую удельную прочность конструкций летательных аппаратов, что позволяло бы в перспективе увеличивать взлетную массу, полезную нагрузку и топливную эффективность в процессе эксплуатации. Решение данной проблемы осуществлялось различными путями, но наиболее эффективным является создание, развитие и применение полимерных композиционных материалов (ПКМ). Новый класс материалов позволил существенно снизить массу летательных аппаратов, обеспечив высокие показатели прочности [1–3].
В условиях постоянно растущих скоростей авиационной техники и развития космических аппаратов все более жесткие требования предъявлялись к характеристикам уже применяемых ПКМ и изделий на их основе, в частности к максимальным температурам эксплуатации. Во второй половине прошлого века были найдены подходы к решению этой задачи – разработаны полиимидные связующие типа СП и кремнийорганические связующие типа К для изготовления материалов, работоспособных до температур ~350 °С. В настоящее время в отечественной промышленности разработаны и применяются материалы, обеспечивающие возможность эксплуатации ПКМ на их основе при температурах до 400 °С [4–15].
А. В. Хрульков, К. И. Донецкий, М. Н. Усачева, А. Н. Горянский
МЕТОДЫ ИНФУЗИИ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ (обзор). Часть 2
Полимерные композиционные материалы (ПКМ) все активнее вытесняют традиционные материалы. Постоянно ведутся разработки новых ПКМ, более экономичных и в то же время обеспечивающих качественное изготовление деталей и конструкций из них. Процесс инфузии уверенно занимает важное место среди таких процессов, как автоматизированная намотка и автоматизированная выкладка препрега с последующим формованием в автоклаве. Однако при использовании автоклавной технологии имеются ограничения по габаритам формуемых деталей, кроме того, этот метод – достаточно дорогостоящий в эксплуатации. Поэтому процесс инфузии все шире применяют при изготовлении деталей в авиа- и судостроении, строительной индустрии и др.
В настоящее время полимерные композиционные материалы (ПКМ) применяют практически во всех отраслях промышленности: в атомной индустрии, судостроении, строительстве, авиации и космосе. Это можно объяснить несколькими обстоятельствами. В некоторых случаях традиционные материалы, такие как сталь и алюминиевые сплавы, не могут применяться из-за слишком большой массы или недостаточной жесткости. А иногда просто невозможно изготовить интегральную конструкцию по существующим технологиям из металлов. С целью обеспечения композитной индустрии необходимыми материалами и технологиями разработаны «Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года» [1]. Работы по этим направлениям позволили обеспечить разработку ПКМ нового поколения и современных технологий их переработки [2–4]. Разработаны материалы с повышенной прочностью после удара благодаря использованию высоковязкой матрицы [5, 6]. Проведены различные исследования и представлены обзоры материалов, применяемых в авиационной и автомобильной промышленности, а также перспективных «зеленых» материалов. Кроме того, разработаны различные связующие и ПКМ на их основе [7–12].
Работа выполнена при поддержке ЦКП «Климатические испытания» НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ.
А. И. Сидорина, А. М. Сафронов
ИССЛЕДОВАНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ УГЛЕРОДНЫХ ВОЛОКОН К ОКИСЛЕНИЮ
Представлены результаты исследования устойчивости углеродных волокон различных типов и разных производителей к окислению методом воздействия заданной температуры в течение определенного времени. Исследованы высокопрочные углеродные волокна со стандартным и средним модулем упругости. Рассмотрены результаты краткосрочных и долгосрочных испытаний и термогравиметрического анализа. Показано, что среди исследуемых волокон наибольшим термоокислительным сопротивлением обладают высокопрочные углеродные волокна со средним модулем упругости.
Внимание к углеродным волокнам как перспективному современному материалу не ослабевает в последние десятилетия по причине широких возможностей применения углеродных волокон в различных специальных областях производства: аэрокосмической и химической промышленности [1, 2], автомобилестроении, общем машиностроении, ракетостроении, ядерной энергетике, а также при армировании композиционных материалов на основе различных матриц [3]. Причинами постоянно расширяющегося применения углеродных волокон являются их уникальные свойства (в том числе высокая термостойкость), технологичность и возможность вторичной переработки [4]. Основным фактором, ограничивающим применение углеродных волокон в основном высокотехнологичными областями производства, является их высокая стоимость, которая складывается из стоимости прекурсора, затрат на его переработку, выхода по углероду и др.
Структура и свойства углеродных волокон
Свойства углеродных волокон определяются типом исходного сырья (химическим составом прекурсора, его структурой и физико-механическими свойствами), а также условиями переработки прекурсора путем высокотемпературного контролируемого пиролиза: температурно-временны́ми параметрами процессов окисления и карбонизации, условиями натяжения, наличием или отсутствием стадии графитации в технологическом процессе, поверхностной обработки готовых волокон (например, травление поверхности методом электрохимической обработки, как известно, приводит к увеличению содержания торцевых атомов углерода).
Свойства углеродных волокон значительно различаются в зависимости от структуры. Известно что, основой структуры углеграфитовых соединений является плоская макромолекула, состоящая из сконденсированных ароматических циклов с сильно выраженной системой полисопряжения, а графитоподобные соединения имеют слоистое строение, что способствует выраженной анизотропии их характеристик [5]. В углеродных волокнах атомные слои представляют собой базисные графеновые структуры (плоскости), кривизна и дефектность которых зависит от условий получения волокна. Основной структурной единицей большинства углеродных волокон является кристаллит турбостатной структуры, который состоит из пакета слоев базисных графеновых плоскостей, смещенных относительно идеального положения кристалла графита. Кристаллиты, в свою очередь, образуют такие элементы структуры, как микрофибриллы и фибриллы углеродного волокна [6].
А. С. Бойчук, И. А. Диков, А. С. Генералов
ОЦЕНКА ПЛОЩАДИ УДАРНЫХ ПОВРЕЖДЕНИЙ ПКМ РАЗЛИЧНЫМИ МЕТОДАМИ УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ
Статья посвящена оценке площади ударных повреждений в образцах из углепластика после ударных воздействий. Показано, что контроль и оценку размеров повреждений можно проводить ультразвуковыми теневым и эхо-импульсным, а также импедансным методами. Проведен сравнительный анализ оценки площадей ударных повреждений перечисленными методами. Оценку размеров ударных повреждений наибольшей точности можно получить при использовании автоматизированного ультразвукового эхо-импульсного метода с применением фокусированных преобразователей, а также при использовании ультразвуковых фазированных решеток.
Применение полимерных композиционных материалов (ПКМ) с полимерными матрицами и углеродными и/или стеклянными наполнителями в узлах и конструктивных элементах самолетов, вертолетов, космических аппаратов и другой техники в настоящее время является одной из приоритетных задач во многих отраслях промышленности. Это объясняется тем, что данный класс материалов за счет своих свойств позволяет снизить массу различных конструкций и при этом обеспечить необходимые прочностные характеристики в заданных направлениях. Во всем мире учеными ведутся разработки новых ПКМ и технологических режимов и приемов изготовления из полимерных композитов узлов и конструктивных элементов [1–7]. Как известно, при разработке новых материалов и технологий проводится большое количество различных испытаний, чтобы определить прочностные, химические и другие характеристики, подтверждающие возможность их дальнейшего применения в той или иной конструкции.
В процессе эксплуатации изделий из ПКМ могут появляться дефекты типа ударных повреждений, которые опасны тем, что при их появлении на поверхности изделия визуально может наблюдаться лишь небольшая вмятина от удара, а внутри образовываться огромные расслоения и трещины (рис. 1). Ударные повреждения в изделиях из ПКМ могут появляться как в результате попадания посторонних твердых предметов, так и при воздействии других внешних факторов, например удара молнии.
А. В. Начаркина, И. В. Зеленина, М. И. Валуева, С. Л. Барботько
ПОЖАРОБЕЗОПАСНОСТЬ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ УГЛЕПЛАСТИКОВ АВИАЦИОННОГО НАЗНАЧЕНИЯ (обзор)
Представлены результаты исследований параметров пожаробезопасности высокотемпературных углепластиков, изготовленных на основе различных термостойких полимерных связующих, проведенных с целью определения возможности их потенциального применения в конструкциях изделий авиационной техники, с точки зрения соответствия требованиям регламентирующих документов в области авиационной пожаробезопасности.Показано, что рассмотренные углепластики обладают высокими значениями характеристик пожарной безопасности и могут использоваться в изделиях авиационной техники.
Как известно, к свойствам материалов авиакосмического назначения предъявляются самые жесткие требования. К числу важных критериев эксплуатационных свойств относится их пожаробезопасность.
Характеристики пожаробезопасности в иностранных источниках обозначаются аббревиатурой FST, представляющей собой сокращение от слов «fire», «smoke» и «toxicity», которые в переводе с английского языка означают «огонь», «дым» и «токсичность» [1, 2]. Соответственно, в процессе испытаний материалов проводится определение их горючести (воспламеняемости), дымообразования и токсичности продуктов горения [3–5]. Однако термин «пожаробезопасность» в более широком смысле включает определение не только горючести, дымообразования и токсичности при горении, но и огнестойкость (как метод испытаний по определению стойкости к сохранению работоспособности в условиях воздействия пламени), тепловыделение, кислородный индекс и ряд других характеристик [6–11].
Изначально требования по пожарной безопасности к материалам авиационного назначения введены в действие с середины XX в., но постоянно претерпевают изменения и дополняются. В последние 5 лет разработаны и планируются к введению новые требования по пожарной безопасности, в том числе для внешнего контура самолета, которые ранее не были включены в перечень требований [12, 13].
