Новая технология для авиаматериалов позволит регулировать их конечные свойства

НИТУ «МИСиС», 14 сентября 2022 года

Российские ученые предложили технологию создания легкого и прочного композиционного материала на основе полимерной матрицы и углеродных волокон. Такой материал может заменить импортные аналоги, в том числе применяемые в авиастроении, для создания элементов силового набора и корпусных конструкций самолетов. Разработанный композит может быть легко переработан или утилизирован, что делает его экологичнее аналогов. Исследование опубликовано в журнале Polymers. 

Углеродное волокно – уникальный материал, состоящий практически полностью из атомов углерода. Большая механическая прочность при малом весе, устойчивость к высоким температурам и отличная коррозионная стойкость обеспечили ему широкое применение таких высокотехнологичных отраслях как ракетостроение, авиация, строительство, медицина. Композитные материалы, армированные углеродным волокном, особенно востребованы в авиастроении. Изготовленные из них детали и конструкции позволяют снизить конечный вес самолета, а значит и потребление топлива, тем самым снижая стоимость эксплуатации воздушного судна и воздействие на окружающую среду. Однако большинство существующих на сегодняшний день композитов с углеродным волокном создаются на основе эпоксидной смолы и других неплавких, нерастворимых материалов, не подлежащих утилизации.

Ученые из Университета МИСИС создали новый композитный материал на основе суперконструкционных термопластичных полимеров и углеродного волокна, который эффективно сохраняет свои эксплуатационные свойства под воздействием агрессивной среды, такой как авиатопливо, и при этом легко поддается вторичной переработке. 

В качестве армирующего материала исследователи использовали углеродное волокно российского производства. Для изготовления матрицы, вместо обычной в таких случаях эпоксидной смолы, впервые был применен порошок полиэфирсульфона. Это аморфный термопластичный полимер, устойчивый к воздействию высоких температур, пара и различных химикатов, а также обладающий превосходными механическими свойствами. Также немаловажно, что полиэфирсульфон поддается переработке и утилизации, в отличие от «эпоксидки».

Исследователи НИТУ МИСИС подобрали наилучшие условия получения композитного материала и определили, что оптимальное содержание углеродных волокон для авиакомпозитов на основе полиэфирсульфона составляет 60-70 процентов от общей массы конструкции.

Поверхность углеволокна была дополнительно модифицирована методом термического окисления, в результате чего на поверхности углеродных нитей образовался тонкий слой, содержащий большое количество кислородсодержащих функциональных групп, способствующий лучшему сцеплению углеволокна с полимерной матрицей. Для пропитки углеродной преформы, вместо традиционной пропитки расплавом полимера под высоким давлением, была использована растворная технологиям – порошок полиэфирсульфона сначала растворяли с помощью органического растворителя при комнатной температуре, после чего модифицированное углеродное волокно пропитывали полученным раствором. Далее опытные образцы высушивались при температуре 100 °C в течение четырех часов, в дальнейшем преформа помещалась в пресс-форму, где под давлением при температуре 350 °C в течение 30 минут окончательно формировались заготовки.

Использование модифицированного углеродного волокна позволило добиться стабильной структуры полученного композита и значительно улучшить его механические свойства и устойчивость к воздействию высоких температур. При этом, как отмечают авторы исследования, предложенная 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 материала, надо смотреть на конкретное изделие в котором они будут применяться, так как для каждого есть свои условия работы в конструкции, требования по прочности, максимально допустимым деформациям. Соответственно, меняется схема армирования, и степень наполнения (содержание волокон) тоже будет разной. Но, если говорить, например, о материалах для авиастроения, оптимальное содержание углеродных волокон будет скорее в интервале 60-70 процентов от общей массы конструкции», – поясняет один из авторов работы, старший научный сотрудник Центра композиционных материалов НИТУ МИСИС к.т.н. Андрей Степашкин. 


НИТУ «МИСиС» – динамично развивающийся научно-образовательный центр мирового уровня. В основе целевой модели вуза – стремление внести максимальный вклад в экономику России за счет повышения интенсивности исследовательской деятельности.
Университет входит в топ-500 лучших вузов мира по версии QS WUR и в группу 151+ предметного рейтинга QS Materials Science, являясь лидером в области материаловедения среди российских вузов.  
В университете действует более 40 научно-исследовательских лабораторий и инжиниринговых центров мирового уровня, в которых работают ведущие российские и зарубежные ученые. В основе образовательной модели вуза лежит интеграция образования и науки. НИТУ «МИСиС» сотрудничает более чем с 1600 крупнейшими компаниями России и мира. Благодаря комплексной программе профессиональной навигации средний балл ЕГЭ поступающих в университет вырос с 67,3 в 2012 году до 88,8 баллов в 2021 году.
В состав НИТУ «МИСиС» входит 10 институтов и 6 филиалов – четыре в России и два за рубежом. В университете около 22 000 обучающихся, 25% студентов – граждане из 84 стран мира.


Сообщения компаний:

КРЭТ запустил на «Инженерах будущего» образовательный трек по ИИ и беспилотным системам
КРЭТ

Реконструкция аэродромного комплекса аэропорта Братск выполнена на 85%
Аэропорт Братск

Опытный самолет Як-130М выполнил первый полет
ОАК

ОДК начала сборку первых серийных двигателей ПД-8 для самолета «Суперджет»
ОДК

Из Международного аэропорта Владивосток - в Яньтай!
Международный аэропорт Владивосток

Сразу две полетные программы в Далянь запущены из международного аэропорта Хабаровск
АО «Хабаровский аэропорт»

ГТЛК уже законтрактовала свыше 100 беспилотников по ГГЗ-2026
ГТЛК

ОДК проведет образовательный модуль по двигателестроению на форуме «Инженеры будущего – 2026»
ОДК

Аэрофлот увеличивает частоту полётов между Минеральными Водами и Стамбулом
Аэрофлот

Red Wings перевезла более 30 млн пассажиров за 27 лет
Red Wings

Ростех впервые представил на «Инженерах будущего» ключевые компоненты для отечественных БПЛА
Ростех

МС-21-310 продемонстрировал дальность полета свыше 3800 километров
ОАК

Red Wings открыла продажи билетов в Израиль на зимний сезон
Red Wings

Наработка установок ОДК-Авиадвигатель и ОДК-Пермские моторы на объектах ТЭК превысила 50 млн часов
ОДК

В МАИ открыт набор на первую в России программу БВО по подготовке инженеров для проектирования беспилотных систем
МАИ

ОДК-Кузнецов впервые провел Семейный день на площадке опытного производства
ОДК

В Иркутском аэропорту начнётся апробация новых правил пересечения государственной границы для иностранных граждан
АО «Международный Аэропорт Иркутск»

Коллектив Авиастара награжден Орденом Почета
ПАО "ОАК"

Эмирейтс покажет Чемпионат мира FIFA 26 в прямом эфире на рейсах по всему миру
Авиакомпания Emirates

Ростех успешно испытал устойчивый к РЭБ квадрокоптер «Сибирячок-5»
Госкорпорация Ростех