ИСПОЛЬЗОВАНИЕ УГЛЕТКАНИ КАК ОСНОВНОЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ СОЗДАНИЯ РКТ ДВОЙНОГО НАЗНАЧЕНИЯ Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 629.78

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ УГЛЕТКАНИ КАК ОСНОВНОЙ МАТЕРИАЛ

ДЛЯ СОЗДАНИЯ РКТ ДВОЙНОГО НАЗНАЧЕНИЯ

А. И. Келлер, А. А. Дудин, С. А. Титовец, А. В. Кравченко

Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ.«Красноярский рабочий», 31

Е-mail: titovecz12@yandex.ru

В данной работе проведён анализ свойств углеткани, используемой в авиационной и космической технике и оборудовании, а также затраты на ее производство и перспективы использования перед основным материалом - алюминием.

Ключевые слова: углеткань, карбон, дюралюминий, ракета, производство.

USE OF CARBON FABRIC AS THE BASIC MATERIAL FOR THE CREATION

OF DUAL-PURPOSE SRT

A.I. Keller, A.A. Dudin, S.A. Titovec, A. V. Kravchenko

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarskii rabochii prospekt, Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: titovecz12@yandex.ru

This paper analyses the properties of carbon fibre used in aerospace engineering and equipment, and the costs of its production and prospects for its use compared to the basic material, aluminium.

Key words: carbon fiber, duralumin, rocket, production.

Всё современное производство ракет состоит из сплавов алюминия. Характеристики данного материала проверены годами. Он очень легкий, дешевый, а также алюминий достаточно мягкий материал. Он занимает четвертое место по мягкости после: золота, серебра и меди. Актуальность использования этого материала вполне понятна -экономическая выгода и большое количество. Его получают путем рудо добычи, а также химическим разложением оксида алюминия (Al2O3).Тем не менее, использование данного материала растут с каждым годом. Этот металл можно начинать заменять на более продвинутые материалы, чтобы использовать его в других, тоже немаловажных отраслях.

Менеджер ОАО «Русал» озвучил, что в 2022г. появится дефицит алюминия, он превысит 1,5 млн т. и с каждым годом спрос будет только возрастать [1].

К сожалению, месторождения трудно возобновить искусственным способом. Нужно будет ждать несколько столетий, чтобы он появился вновь и его можно было бы использовать опять.

Впервые углеродные волокна-филаменты появились в 1880г. американским изобретателем Эдисоном, но в то время их использовали в электрических лампах, в качестве нити накаливания. Через время, интерес к углеродным волокнам появился, когда искали материалы, которые были бы пригодны для изготовления ракетных двигателей. Они оказались одними из наиболее лучших подходящих для этого. Их использовали в качестве армирующих материалов, потому что они обладают высокой термостойкостью, хорошими

Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2022. Том 1

теплоизоляционными свойствами, коррозионной стойкостью к воздействию газовых и жидких сред, высокими удельными прочностью и жёсткостью.

Появление углеткани дало возможность создавать материал из воздуха, в буквальном смысле. Карбон состоит из 99% углерода, а углерод (С), в свою очередь, есть во всех органических соединениях, начиная с алканов, заканчивая аренами. Из этого можно сделать вывод, что этот материал можно создавать практически бесконечно, путем разложения органических веществ, даже из обычного угля. Изначально углеволокно - ткань, выполненная из множества тонких нитей. Процесс создания начинается с полимерного волокна, состоящего из тонких нитей, которые химически изменяются, образуя цепочку атомов углерода, эти нити выравнивают, а дальше - пропускаются через печь с окислением кислорода, для придания жаропрочности материалу. Волокно погружают в ванну, с электрически заряженной водой, чтобы протравить его поверхность, что укрепляет атомную связь. Чтобы придать прочность этому материалу, используют полиэфирную смолу, либо эпоксидную [2].

Для сравнения в табл. 1 представлены основные свойства сплава алюминия -дюралюминия 2024 (Д2024), который используется в качестве основного материала корпусов РКТ и филамента 12К 1200 [з].

Таблица 1

Свойства Д2024 и филамента 12К 12000

Материал Массовая плотность, (гр/смЗ) Температур а плавления, (◦С) Модуль упругости, (Мпа) Предел прочности Яш, (Мпа) Предельно удлинение, (%)

Д2024 2,77 500-638 73 000 440 9

12К12000 1,74 1505-3003 290 000 5000 1,5

Как видно по данным, сплав алюминия Д2024 значительно уступает по показателям материалу, в состав которого входит филамент 12К 12000. Использование материала из филамента 12К 12000 обеспечивает большую жаропрочность (т.к. температура плавления много выше), прочность, упругость, чем сплав алюминия Д2024. Как следствие, использование материала из филамента 12К 12000 увеличит показатель полезной нагрузки РКТ почти на 8%, благодаря меньшей массовой плотности.

Для более детального анализа рассмотрим филаменты, которые активно используются для создания углеткани.

Таблица 2

Свойства филаментов

Филамен ты Предел прочности, (Мпа) Модуль упругости при растяжении, (Мпа) Предель ное удлинение, (%) Линей ная платность, (г/км) Массов ая плотно сть, (г/см3) Диамет р филамента, (мкм) Цена за кг., руб. с НДС

3К 3000 4500 240 000 1,9 198 1,79 7 4800 руб

12К 12000 4600 240 000 1,9 800 1,79 7 2400 руб

12К 12000 5000 240 000 2,1 800 1,79 7 2950 руб

12К 12000 5000 290 000 1,5 740 1,79 7 7000 руб

Данные филаменты активно используются в РКТ. Из-за высоких физических показателей повышается долговечность и износостойкость изделия, выполненного из материала с филаментами. Но цена сплава алюминия Д2024 ниже в 2,5 раза, чем самого дешевого филамента, представленного в табл. 2. В условиях большого производства и зависимости «цена-качество», данный сплав занимает лидирующую позицию.

Однако в настоящее время, использование алюминия в машиностроение очень велико (рис.1). Замена алюминия на углеткань хоть на 20% обеспечит стабильное использование алюминия и отбросит момент его дефицита в производстве РКТ на большой период.

I Строительство Фольга Упаковка Электротехника I Машиностроение I Потребительские товары I Транспорт

Рис. 1. Использование алюминия

Проведенный анализ показывает, что использование сплавов алюминия в качестве основного материала РКТ может привести к истощению месторождений этого цветного металла. Но производство углеткани - более дорогостоящий процесс, чем добыча алюминия. Развитие и удешевление производства углеткани с помощью современных технологий позволит создавать РКТ, соответствующую современным требованиям.

Библиографические ссылки

1. Интерфакс [Электронный ресурс]. URL: https://www.interfax.ru/business/819831 (дата обращения: 27.03.2022).

2. Академик [Электронный ресурс]. URL: https://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/1152991 (дата обращения: 27.03.2022).

3. Заплатин В.Н. Основы материаловедения (металлообработка): учебник. Москва: издательсво «Академия», 2017. 167-176 с.

4. ТАСС [Электронный ресурс]. URL: https://tass.ru/ekonomika/13653699?-utm_source=google.com&utm_medium=organic&utm_campaign=google.com&utm_referrer=goog le.com (дата обращения: 27.03.2022).

© Келлер А. И., Дудин А. А., Титовец С. А., Кравченко А.В.2022