Введение

Количество внедряемых полимерных композиционных материалов (ПКМ) при производстве изделий, в том числе и в российской промышлености, постоянно увеличивается. Наиболее быстрорастущим сегментом являются ПКМ на основе углеродных волокнистых наполнителей, используемых в качестве армирующих элементов. Широко применяются углепластики при изготовлении различных деталей и агрегатов авиационной техники и космических аппаратов, силовых элементов крыла, планера, малой механизации, мотогондолы, авиационных двигателей и т. п. При этом требования к прочности и модулю упругости применяемых материалов постоянно повышаются [1, 2].

Необходимость разработки углепластиков с улучшенными характеристиками жесткости и температурной размерной стабильности при сохранении высоких показателей прочности диктуется потребностями таких объектов новой техники, которые по условиям эксплуатации должны сохранить стабильность геометрических размеров при больших знакопеременных силовых и температурных нагрузках. Применение данных материалов в объектах авиационной техники нового поколения позволяет достичь аэродинамической жесткости элементов планера, особенно при малой строительной высоте конструктивных элементов [3, 4].

Отличительная особенность высокомодульных углепластиков – повышенная степень анизотропии упругих и прочностных характеристик. Наиболее высоких значений прочности и жесткости достигают в композициях с однонаправленным расположением непрерывных волокон в направлении укладки при нагружении, а наименьших – при нагружении в ортогональном направлении [5].

Углеродные волокна обладают следующими уникальными свойствами, которые обеспечивают их незаменимость при разработке современных ПКМ и конструкций на их основе:

– высокие удельные характеристики прочности и модуля упругости при растяжении;

– высокая термостойкость в инертных средах или в вакууме при температуре до 3000 °С, а на воздухе до 550 °С;

– удельное электрическое сопротивление от 0,02·10^–6 до 1,0·10⁹ Ом·м;

– большая активная поверхность (до 2500 м²/г) и сорбционная способность;

– высокая атмосферо- и химическая стойкость к концентрированным кислотам, щелочам и растворителям, устойчивость к действию света и проникающей радиации;

– биостойкость и биоинертность, жаростойкость и трудногорючесть.

Наиболее широкое распространение в качестве волокон для изготовления конструкционных углепластиков получили углеродные волокна на основе полиакрилонитрила (ПАН-волокно). Процесс производства углеродных волокнистых наполнителей включает следующие стадии: окисление (200–325 °С) с вытягиванием, карбонизация (1000–1500 °С) и графитация (2500–2800 °С). В зависимости от того, при какой температуре завершен производственный цикл, получают волокна с высокой прочностью (карбонизованное волокно) или высоким модулем упругости (графитированное волокно) [5–8].

Работа выполнена при поддержке ЦКП «Климатические испытания» НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ в рамках реализации комплексного научного направления 13. «Полимерные композиционные материалы» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года»).

Высокомодульные углеродные волокна

В Российской Федерации производством высокомодульных углеродных волокон на основе ПАН-волокна занимается ООО «Аргон» (г. Балаково), а на основе вискозного волокна – ООО «Завод углеродных и композиционных материалов» (г. Челябинск). В настоящее время еще одним производителем высокомодульных волокон является компания ЮМАТЕКС.

Освоен следующий ассортимент углеродных волокнистых наполнителей: углеродные волокна (нити, жгуты) для армирования углеродных композитов (УКН-П, УКН-М, Грапан, КАЖ, ГЖ) и углеродные ленты для армирования углепластиков (ЛУ-П, ЭЛУР, ЛЖУ-М, ЛЖУ-П).

В табл. 1 приведены основные типы, марки и характеристики углеродных волокон, применяемых для армирования конструкционных материалов.

Таблица 1

Основные типы, марки и свойства углеродных армирующих наполнителей, производимых в Российской Федерации

Из данных, представленных в табл. 1, видно, что по мере увеличения степени графитации волокна прочность углеродных волокон снижается, а модуль упругости возрастает.

В табл. 2 приведены свойства высокомодульных жгутовых наполнителей, разработанных и производимых в Российской Федерации [6–10].

Таблица 2

Свойства высокомодульных жгутовых наполнителей отечественных производителей

Разработанные в России высокомодульные углепластики на основе отечественных углеродных наполнителей марок ГЖ-20, Кулон, ЛУ-24П не применяются, так как прекращен выпуск соответствующих исходных компонентов.

В настоящее время российская промышленность осваивает выпуск новых перспективных волокон марки UMT, которые позволяют разрабатывать размеростабильные материалы и авиационные конструкции.

Импортные высокомодульные углеродные наполнители имеют ограничения на поставку в Российскую Федерацию.

Основными производителями высокомодульных волокон за рубежом являются компании Toray (США), Teijin и Mitsubishi chemical (Япония). Свойства ряда таких волокон представлены в табл. 3.

Таблица 3

Свойства высокомодульных жгутовых наполнителей зарубежных производителей

Высокомодульные волокна представлены в широком ассортименте, что позволяет использовать их для производства большого количества изделий как в России, так и за рубежом. Материалы обладают повышенной стойкостью к воздействию химических агрессивных жидкостей и газов, что открывает возможность их применения в химическом машиностроении, в том числе для производства реакторов, трубопроводов, центрифуг, лопастей насосов и других конструктивных элементов. Высокая износостойкость позволяет использовать данные волокна для изготовления деталей ткацкого оборудования (ремизных рам, рапир, спиц), что снижает стоимость эксплуатации изделий благодаря увеличению срока их службы. Повышенная электропроводность способствует применению высокомодульных углеродных волокон в качестве нагревательных элементов, а низкие значения коэффициента линейного теплового расширения (ГОСТ Р 57708–2017) дают ощутимые преимущества при производстве изделий криогенной техники. Кроме того, углепластики находят применение в электротехнике, судостроении, железнодорожном транспорте, нефтяной и газодобывающих отраслях российской промышленности, при разработке и изготовлении спортивного инвентаря [11–13].

Высокомодульные углепластики

В НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ имеется опыт разработки углеродных композиционных материалов на основе армирующих высокомодульных углеродных волокон, таких как материалы марок КМУ-7л, КМУ-4ВМ, ВКУ-14, ВСТ-1208/ГЖ-25, ВКУ-37 и ВКУ-38 [14–27].

Углепластик марки КМУ-7л разработан для изготовления деталей конструкционного назначения с повышенными требованиями по жесткости (тонкие оболочковые конструкции, пластины и стержни). Данный материал выполнен на основе связующего ВС-2526к и углеродной ленты конструкционного назначения ЛУ-24П. Его основные свойства представлены в табл. 4.

Таблица 4

Упруго-прочностные свойства углепластика марки КМУ-7л

Разработанный на рабочую температуру 150 °С композиционный материал КМУ-7л сохраняет свои основные упруго-прочностные характеристики при рабочей температуре: модуль упругости при растяжении находится на уровне 90 %, при этом уровень сохранения прочности при растяжении и сжатии составляет соответственно 87 и 86 %, а прочности при межслойном сдвиге: 66 %.

В табл. 5 приведены сравнительные свойства углепластиков на основе эпоксидной матрицы ВС-2526к и различных армирующих наполнителей из высокомодульных волокон.

Таблица 5

Сравнение свойств высокомодульных углепластиков

с различными армирующими наполнителями

Разработанный позднее углеродный композит марки КМУ-4ВМ, представляющий собой слоистый материал на основе растворного эпоксидного связующего ЭНФБ-2М, армированного тканой однонаправленной лентой УОЛ-300-0,23/190-ЭД (сформированной по основе графитированного жгута ГЖ-20/500), рекомендован для изготовления изделий, работающих при температурах от –60 до +150 °С, в том числе при +150 °С в течение 100 ч. Данный углепластик предназначен для применения в элементах жесткости, стенках оболочек и подкрепляющем силовом наборе. Основные свойства материала марки
КМУ-4ВМ представлены в табл. 6.

Таблица 6

Упруго-прочностные свойства углепластика марки КМУ-4ВМ

Разработанный на рабочую температуру 120 °С композиционный материал КМУ-4ВМ сохраняет свои основные упруго-прочностные характеристики при рабочей температуре: модуль упругости при растяжении находится на уровне >95 %, при этом уровень сохранения прочности при растяжении и сжатии составляет соответственно 100 и 70 %, а прочности при межслойном сдвиге: 75 %.

Углепластики на основе расплавного полициануратного связующего ВСТ-1208 и углеродных высокомодульных жгутовых наполнителей ГЖ-25 (ВСТ-1208/ГЖ-25) и ЖГВ-430-12К (ВКУ-37) предназначены для применения в размеростабильных рамных конструкциях, работающих при температуре до 170 °С. Основные свойства углепластика на основе препрега ВСТ-1208/ГЖ-25 представлены в табл. 7.

Таблица 7

Упруго-прочностные свойства углепластика на основе препрега ВСТ-1208/ГЖ-25

Исследование образцов из углепластика на основе препрега ВСТ-1208/ГЖ-25 после длительной экспозиции (60 сут) при температуре 60 °C и относительной влажности 85 % показало, что среднее значение влагопоглощения (1,03 %) сравнимо с влагопоглощением типовых углепластиков на основе эпоксидной матрицы (до 1,2 %).

Разработанный на рабочую температуру 170 °С композиционный материал ВКУ-37 сохраняет свои основные упруго-прочностные характеристики при рабочей температуре: модуль упругости при растяжении находится на уровне 95 %, при этом уровень сохранения прочности при растяжении и сжатии составляет не менее 85 %, а прочности при межслойном сдвиге: 70 %. Основные свойства данного материала представлены в табл. 8.

Таблица 8

Упруго-прочностные свойства углепластика ВКУ-37

В табл. 9 представлено сравнение основных свойств углепластиков ВКУ-37 и КМУ-4ВМ с зарубежным аналогом на основе эпоксидной матрицы.

Таблица 9

Сравнение свойств высокомодульных углепластиков на основе эпоксидной матрицы

Наиболее высокотемпературными высокомодульными углепластиками, разработанными на рабочие температуры не менее 350–400 °С, являются материалы на основе лестничных полимеров, такие как ВКУ-14 и ВКУ-38, имеющие в своем составе связующее на основе тетрафталонитрильного мономера и катализатора.

Наиболее высокую эксплуатационную стойкость при температурах до 400 °С показал материал ВКУ-14 на основе связующего ИП-5. При изготовлении углепластика применяется метод нанесения порошка связующего на армирующие волокна электростатическим осаждением в камере псевдоожижения.

Основное назначение материала – изготовление термонагруженных деталей конструкционного назначения, в том числе широкохордных рабочих, статорных лопаток и других конструкционных элементов газотурбинного двигателя. Результаты исследования углепластика ВКУ-14 также показывают, что он обладает температурной стойкостью, в том числе при 370 °С в течение 500 ч и при 400 °С в течение 50 ч [22–26]. Основные свойства данного материала представлены в табл. 10.

Таблица 10

Упруго-прочностные свойства углепластика марки ВКУ-14

Разработанный на рабочую температуру до 400 °С композиционный материал ВКУ-14 сохраняет свои основные упруго-прочностные характеристики при рабочей температуре: модуль упругости при растяжении находится на уровне 65–70 %, при этом уровень сохранения прочности при растяжении и сжатии составляет соответственно 90 и 75 %, а прочности при межслойном сдвиге: 100 %.

На основе порошкообразного связующего ВСН-31 и углеродного однонаправленного тканого наполнителя УТОВ-300-200 из жгута ЖГВ-430-12К разработан углепластик ВКУ-38, который изготавливают по препреговой технологии методом нанесения порошка связующего с последующим его оплавлением. Основные свойства данного материала представлены в табл. 11.

Таблица 11

Упруго-прочностные свойства углепластика ВКУ-38

Разработанный на рабочую температуру до 350 °С композиционный материал ВКУ-38 при однонаправленной укладке сохраняет свои основные упруго-прочностные характеристики при рабочей температуре: модуль упругости при растяжении находится на уровне 65 %, при этом уровень сохранения прочности при растяжении и сжатии составляет соответственно 70 и 72 %, а прочности при межслойном сдвиге: 65 %.

В табл. 12 приведено сравнение свойств высокотемпературных углепластиков ВКУ-38 и ВКУ-14 с зарубежным аналогом на основе фталонитрильного связующего.

Таблица 12

Сравнение свойств высокомодульных углепластиков

на основе высокотемпературных связующих

Заключение

Разработанные высокомодульные углепластики на основе российских углеродных волокнистых однонаправленных и тканых наполнителей предназначены для применения в высоко- и средненагруженных авиационных конструкциях (таких как крыло, центроплан), элементах механизации крыла, корпусных деталях двигателя, антеннах и каркасах спутников, размеростабильных конструкциях, работающих при повышенных температурах, и используются при создании различных конструкций современной и перспективной авиационной и космической техники, отвечающих повышенным требованиям к жесткости, а также в энергетике, машино- и судостроении, атомной промышленности.