CC BY
265
УДК 678.8
Е.Н. Каблов, Г.М. Гуняев, С.И. Ильченко, В.В. Кривонос, А.Ф. Румянцев, Т.Н. Кавун, О.А. Комарова, А.Н. Пономарев*, И.С. Деев, В.М. Алексашин
КОНСТРУКЦИОННЫЕ УГЛЕПЛАСТИКИ С ПОВЫШЕННОЙ ПРОВОДИМОСТЬЮ
Углепластики нашли широкое применение в авиакосмической технике в качестве материалов несущих элементов конструкций благодаря выдающимся показателям удельной прочности и жесткости. В меньшей степени используются их другие уникальные свойства - тепло-, электропроводность, сочетающиеся с температурной размерной стабильностью. Даже в направлении, перпендикулярном плоскости армирования, теплопроводность углепластиков в 1,5 раза выше, чем у стекло- и органопласти-ков. Проводимость углепластиков можно регулировать в широких пределах вследствие разного ее уровня для отдельных марок углеродных наполнителей, путем использования анизотропии углепластика (регулирование укладкой), а также повышением проводимости полимерной матрицы. Такое регулирование позволяет задавать разную величину теплового потока одним универсальным материалом. Если удастся довести характеристики проводимости конструкционных углепластиков до уровня проводимости металлов, то это позволит существенно расширить сферу их применения. Востребованность таких материалов, помимо авиационно-космической техники (детали внешнего контура планера, нетермостатируемые панели космических аппаратов, размероста-бильные каркасы космических платформ и антенн, длинномерные движущиеся части манипуляторов), легко представить в конструкциях теплообменников с несущими функциями для объектов машиностроения, а также устройств, условия эксплуатации которых связаны со скоростным перемещением или с циклическим нагревом-охлаждением. Следует подчеркнуть, что повышение проводимости полимерных композитов улучшает их способность к рассеиванию энергии нагружения (в первую очередь, тепловой), а следовательно, повышает стойкость к термическим и усталостным повреждениям.
Продольная проводимость углепластиков изначально обеспечивается природной тепло-, электропроводностью углеродных волокон. Она может быть значительно повышена путем применения супервысокомодульных волокон (например, пековых). При этом, однако, пришлось бы поступиться конструкционной прочностью материала. Целью данной работы является наращивание характеристик тепло-, электропроводности углепластиков при сохранении не менее 85% их прочности.
В настоящее время созданию конструкционных углепластиков с повышенной продольной проводимостью способствует выпуск высокомодульных углеродных волокнистых наполнителей, получаемых высокотемпературной переработкой ПАН-волокна и жгутов (ЭЛУР, УКН, ЛУ-24, Кулон, ЛЖУ, УТ, УОЛ), которые сочетают в себе большую жесткость и высокую прочность.
Для повышения поперечной проводимости углепластиков необходимо минимизировать изолирующее влияние полимерной матрицы. С этой целью в работе рассмотрены следующие варианты технического решения задачи:
*Сотрудник фирмы «Астрин» (г. Санкт-Петербург).
- трехосное уплотнение полимерного композита с помощью высокого изостатиче-ского давления;
- наполнение полимерной матрицы неметаллическими проводящими дискретными частицами;
- структурная модификация полимерной матрицы и межфазных границ углепластика углеродными наноматериалами - фуллеренами и астраленами.
Фуллероидные наноматериалы обладают необычной электронной структурой, которую определяет множество слабосвязанных и делокализованных валентных электронов. Сочетание электронной активности и высокой стабильности атомного каркаса фуллероидов создает реальную перспективу структурирования композиционных материалов с улучшением проводящих и прочностных свойств. Важно отметить принципиальную особенность астраленов: помимо высокой электропроводности, они обладают заметной анизотропией формы и фрактальной асимметричностью. Это приводит к тому, что на границах раздела фаз, в топологических зонах с неоднородным потенциалом эти частицы поляризуются и превращаются в диполи с дипольным моментом, огромным по сравнению с дипольными моментами обычных молекул. Поле этих диполей не может не влиять на характер взаимодействия границы твердой фазы с окружающей средой. Это означает как минимум увеличение адгезионного взаимодействия, снижение электрического сопротивления в зазорах между проводящими твердыми фазами (в сочетании с возможностью организации объемной проводимости) и повышение плотности вещества окружающей среды в приграничной области [1, 2].
Анализ характеристик проводимости углеродных волокнистых наполнителей
Проводящие характеристики углеродных материалов определяет их микроструктура, а именно концентрация и подвижность носителей заряда в графитовом слое.
Для электропроводности углеродных материалов применимо уравнение
oi= |е| nд , (1)
где с1 - электропроводность слоев; е - заряд электрона; n - концентрация носителей заряда; д - средняя подвижность носителей в плоскости слоев.
Для теплопроводности справедливо уравнение
h =1/2сУф Ьф , (2)
где h1 - теплопроводность в плоскости графитового слоя; с - удельная теплоемкость; Уф - средняя скорость фононов в плоскости слоя; Ьф - средняя длина пробега фононов до соударения.
Значения характеристик с и Ьф близки для всех углеродных материалов, причем Ьф определяется дефектностью слоев.
Эти зависимости показывают, что процессы рассеяния электронов и фононов в углеродных материалах имеют близкую природу.
Для получения углеродных волокон с более высокими проводящими свойствами необходимо повысить степень графитизации волокна, что достигается высокой температурой его обработки. Величина теплопроводности монотонно увеличивается при росте конечной температуры обработки вследствие роста степени совершенствования графитовых слоев в микроструктуре волокна при нагреве вплоть до 2800°С [3]. Величина электропроводности до начала графитации мало зависит от конечной температуры обработки, а после графитизации возрастает в несколько раз, что связано с увеличением подвижности зарядов [4]. Так, если удельное электросопротивление углеродной
ткани УТМ-8 с конечной Гобр=1000°С составляет 10 Ом-см, то для углеродной ткани ТГН-2М с Гобр=2000°С оно понижается больше чем на два порядка (0,05 Ом-см). Таким образом, при выборе наполнителя для конструкционных углепластиков с повышенной проводимостью необходимым условием является применение графитированных углеродных волокон с высокой конечной температурой обработки (>1500°С): ЭЛУР, ЛУ, ЛУ-24, Кулон, УТ-900-2,5.
Совершенствование графитовой структуры углеродного волокна в процессе термообработки однозначно приводит к увеличению упругих характеристик волокна. Это позволяет установить зависимости удельных характеристик тепло-, электропроводности углеродного волокна от его модуля упругости. Начиная с некоторых значений модуля упругости эти зависимости носят линейный характер [5].
Эксперимент по применению высокого изостатического давления
Обычная технология получения полимерных композитов основана на приложении к пакету препрегов невысокого одноосного давления до 10 МПа, роль которого сводится в основном к обеспечению монолитности материала и устранению пор. Применение высокого давления по схеме всестороннего сжатия оказывает структурирующее влияние на композит, что может быть использовано для улучшения его эксплуатационных характеристик. Процесс изготовления эпоксиуглепластика по новой технологии включает следующие стадии:
- изготовление препрега;
- предварительную подформовку пакета препрегов при температуре гелеобразова-ния связующего;
- холодное изостатическое прессование (ХИП) подформованного пакета препрегов в гидростате при давлении 50-360 МПа;
- окончательное отверждение углепластика в автоклаве.
Микроструктуру углепластика исследовали методом электронной сканирующей микроскопии. Согласно полученным данным, высокое изостатическое давление проявляется в виде силового и термодинамического факторов. Как силовой фактор высокое давление приводит к устранению дефектов типа пор, микротрещин, непроклеев (рис. 1), а также к повышению равномерности и плотности распределения армирующих волокон в полимерной матрице (рис. 2).
а) б)
Рис. 1. Структура (х200) углепластика: а - после ХИП-обработки; б - контрольный образец
а) б)
Рис. 2. Упаковка (х2000) углеродных волокон: а - после ХИП-обработки; б - контрольный образец
В качестве термодинамического фактора высокое давление способствует улучшению смачиваемости и взаимодействия между матрицей и волокном на границе раздела фаз, что в свою очередь ведет к формированию граничного слоя матрицы с более регулярной структурой (рис. 3). Значительное влияние оказывает изостатическое давление на структурообразование эпоксидной матрицы. Ее обычная структура представляет собой молекулярно-дисперсионную среду, в которой относительно равномерно распределены частицы микродисперсной фазы. Эти частицы по своим средним размерам (500 нм) превышают обычные макромолекулы. Высокое изостатическое давление изменяет размеры, форму и характер распределения частиц микродисперсной фазы в дисперсионной среде: размеры частиц уменьшаются в 2-2,5 раза, плотность их упаковки увеличивается в 2 раза, а форма частиц из разветвленной превращается в округлую (рис. 4). Наблюдаемая реорганизация структуры матрицы положительно влияет на физико-механические характеристики углепластика. Если разрушение контрольного образца при испытании на сжатие имеет адгезионный характер и в основном происходит по границе раздела «волокно-матрица», то вследствие повышения прочности границы раздела в результате ХИП-обработки разрушение приобретает когезионный характер -по граничному слою матрицы (рис. 5).
а) б)
Рис. 3. Граница раздела «волокно-матрица» (х20000): а - после ХИП-обработки; б - контрольный образец
а)
б)
Рис. 5. Характер разрушения границы раздела (х 10000): а - после ХИП-обработки; б - контрольный образец
В результате совершенствования структуры композита, повышения плотности упаковки углеродных волокон и улучшения границы раздела фаз продольная теплопроводность Кх углепластика увеличена на 40%, поперечная Kz - на 60%. Прочность эпоксидного углепластика ЭЛУР-П/ВС-2526 при сжатии повышена с 1230 до 1660 МПа, прочность при межслоевом сдвиге с 74 до 111 МПа. Потребность в уникальном оборудовании (гидростат) и сложная технология переработки материала не позволяют, к сожалению, довести эту интересную техническую разработку до практического применения.
Подбор и опробование дисперсных наполнителей с высокой удельной теплопроводностью
Повышение трансверсальной и межслоевой проводимости углепластиков остается наиболее трудной задачей. Наполнение полимерной матрицы мелкодисперсными металлическими порошками (например, карбонильным N1 или Л§) приводит к значительному увеличению плотности композита и потере прочности. Определенный интерес представляют легкие порошки неметаллов с высокой собственной теплопроводностью. Установлен принцип подбора таких наполнителей: вещества с атомной тетраэд-рической решеткой. Это элементы четвертой группы, а также бинарные соединения, построенные из элементов, равноудаленных от этой группы, с наличием на внешней
оболочке суммарно восьми электронов. С помощью наполнителей такого типа - BeO, AlN, BN, C (графит, ацетиленовая сажа) теплопроводность эпоксидных матриц удалось поднять с 0,21 до 0,62 Вт^м-K) при относительно небольшом приросте плотности и без большой потери прочности. Однако этого оказалось недостаточно. Существует концентрационный предел: с увеличением содержания наполнителя до 20% (по массе) теплопроводность полимера возрастает практически линейно, а при большем наполнении начинает сказываться объемный эффект - увеличение теплопроводности через материал частиц наполнителя происходит в меньшей степени, чем снижение теплопроводности через полимерные прослойки между ними. Частичное преодоление этого барьера было достигнуто путем «прошивки» полимерной прослойки рубленным высокомодульным углеродным волокном Кулон-П длиной 0,1-0,15 мм. Введение в состав связующего ВС-2526 18,8 мас. ч. таких дискретных волокон позволило повысить межслоевую теплопроводность Kz углепластика на основе ленты ЛУ-П с 0,65 до 1,96 Вт/(м•K). Ориентацию рубленных углеродных волокон по нормали к слоям непрерывного армирующего наполнителя осуществляли путем пульсирующего нагружения-разгрузки пакета препрегов в автоклаве перед формованием. Прошивка монослоев углепластика позволила создать элементы проводящего трехмерного структурного каркаса и повысить прочность при сдвиге композита.
Структурная модификация углепластиков углеродными наноматериалами
Аппретирование поверхности углеродных волокнистых наполнителей Фуллереном С60 С целью повышения проводимости и прочности при сдвиге границы раздела «углеродное волокно-полимерная матрица» проводили аппретирование поверхности высокомодульных углеродных наполнителей ЭЛУР-П, УТ-900-2,5, ЛУ-24, Кулон насыщенным раствором Фуллерена С60 в толуоле. Минимальной концентрации фулле-рена (значительно менее 1%) оказалось достаточно, чтобы перекрыть суммарную поверхность углеродного волокна, так как наночастицы фуллерена обладают огромной удельной поверхностью, равной 600 м /г (определена методом низкотемпературной адсорбции криптона). Аппретирование поверхности углеродных волокон углеродными наночастицами, обладающими химическим сродством к материалу волокна и электронной активностью, обеспечивает «залечивание» микродефектов поверхности армирующего наполнителя и ее активацию по отношению к связующему. Это в свою очередь способствует повышению проводимости и прочности композита при межслоевом сдвиге - характеристик, наиболее чувствительных к состоянию границы раздела фаз.
Пластифицирование термореактивной эпоксидной полимерной матрицы и
наномодификация ее надмолекулярного порядка В качестве полимерной матрицы в композиционных материалах на основе высокомодульных углеродных волокон широкое применение нашли эпоксидные связующие, позволяющие получать высокопрочные углепластики с наиболее полной реализацией прочности углеродного волокна. Недостатком существующих эпоксидных матриц, особенно густосшитых теплостойких (например, ВС-2526), является их повышенная хрупкость, низкое сопротивление росту трещин в направлении ориентации слоев и между слоями. С ростом модуля упругости армирующих волокон и уровня их проводимости необходима матрица с резко улучшенной деформативностью и трещиностой-костью. Возможность пластифицирования хрупких эпоксидных полимерных матриц открывают углеродные наноматериалы. Методом термомеханического анализа авторами выявлено повышение текучести эпоксидных связующих, увеличение деформатив-
ности гель-фазы и отвержденного термореактивного полимера в стеклообразном состоянии в присутствии Фуллерена С60 (рис. 6).
о
СЗ
Рис. 6. Температурная зависимость н вязкости связующего ВС-2526 в пре- § преге на основе исходной углеродной ленты ЭЛУР (-) и ленты, аппретированной Фуллереном С60 ( )
Рис. 7. Структура (СЭМ) отвержденной эпоксидной матрицы: а - до введения астралена (х 10000); б - после введения 3,6% Астралена (х5000)
Введение в эпоксидную полимерную матрицу Астралена приводит к превращению надмолекулярной структуры полимера в анизотропную, особенно на границе раздела «Астрален-матрица», где образуется высокоориентированный граничный слой полимера толщиной ~10 мкм. Это хорошо видно на рис. 7 по микроструктуре наномо-дифицированной матрицы, исследованной методом электронной сканирующей микроскопии. По всей вероятности, это связано с высокой энергетической активностью поверхности наночастиц Астралена. Образование высокоориентированных граничных слоев и более однородной структуры матрицы способствует повышению ее трещино-стойкости и проводимости. Таким образом, структурирование термореактивной матрицы достигнуто без применения сильного внешнего физического воздействия типа ХИП.
Испытание углеродных наночастиц в аспекте создания материала с объемной проводимостью Для оценки уровня контактного электронного взаимодействия углеродных на-ночастиц проведены испытания удельного электрического сопротивления сухого порошка агломерата Астралена при различных давлениях его опрессовки. Результаты испытаний показали (табл. 1) высокую электропроводность Астралена. Особое значение имеет тот факт, что приложение давления вплоть до 360 МПа не дает существенного приращения электропроводности. Это однозначно доказывает, что уже в свободном насыпном состоянии частицы Астралена проявляют коллективное электронное взаимо-
действие. Таким образом, введение в состав полимерной матрицы порошка Астралена целесообразно для создания объемной мостиковой проводимости и улучшения транс-версальной тепло-, электропроводности углепластиков. Задачей последующих этапов работы является определение экономически обоснованной минимальной концентрации ультрадисперсного порошка Астралена, обеспечивающего достаточное суммарное количество проводящих точечных контактов С-С между структурными единицами нано-материала и их прямых контактов с поверхностью армирующих углеродных волокон. Для обеспечения прямых проводящих контактов С-С необходимо также уменьшить содержание связующего-диэлектрика в составе углепластика. При этом нельзя допустить потери прочности композита.
Таблица 1
Электропроводность порошка Астралена
Давление прессования, РУд, МПа Изменение высоты штабика прессуемого порошка к, мм Удельное электрическое сопротивление р, Ом-м
0 5,9 0,028
90 5,4 0,016
181 5,0 0,015
271 5,0 0,014
360 5,0 0,014
Изготовление наноструктурированныхуглепластиков Технологический процесс изготовления наноструктурированных углепластиков с повышенной проводимостью включал следующие стадии:
- аппретирование высокомодульных углеродных наполнителей ЭЛУР, ЛУ-24, Кулон, УТ-900-2,5 насыщенным раствором Фуллерена С60 в толуоле;
- дезинтеграцию агломератов фуллероидных многослойных углеродных наномоди-фикаторов «Астрален» (марка NTC) в среде ацетона с помощью ультразвукового излучателя УЗОН-А;
- приготовление ультрадисперсной суспензии Астралена в эпоксидной смоле ЭХД с применением ультразвуковой обработки смеси в ванне УЗУ 025;
- изготовление связующего на основе модифицированной Астраленом эпоксидной смолы и отвердителя ДАДФС (диаминодифенилсульфон);
- пропитку аппретированных Фуллереном С60 углеродных наполнителей раствором модифицированного Астраленом связующего в ацетоне;
- сушку препрега при комнатной температуре с целью удаления ацетона;
- раскрой препрега и его выкладку в соответствии с необходимой схемой укладки;
- отверждение пакета препрегов по ступенчатому температурно-временному режиму с конечной стадией при 175 °С в течение 4 ч под давлением Руд=0,5 МПа.
Определение теплопроводности углепластиков
Продольная теплопроводность углепластика может быть приближенно вычислена с использованием правила смеси:
Кх=¥г.К+ГтКт , (3)
где У - объемное содержание углеродного волокна; К - продольная теплопроводность углеродного волокна; Ут - объемное содержание матрицы; Кт - теплопроводность матрицы.
Правило смеси справедливо, если тепловой поток идет вдоль волокна. Если волокна расположены под углом 0 град к тепловому потоку, то Кх рассчитывается из Кх=Кхсо80.
Трансверсальную теплопроводность (К2) рассчитать трудно, ее можно оценить с помощью уравнения Аггаривела-Браутмана [6]:
1 -А
К=ц-у , (4)
где ^(А)=3^(а/6); (а/6) - отношение поперечных размеров волокна в его сечении; У^.0 -объемное содержание однонаправленного углеродного волокна (0 град).
и=[(К//Ки)-1] / [(К//Ки)+А] . (5)
Если волокно имеет круглое сечение, то А=0 и уравнение для расчета трансвер-сальной теплопроводности углепластика упрощается:
К = 1/(1-пУ/) . (6)
Используем приведенные расчетные зависимости для оценки теплопроводности типичного углепластика (однонаправленного, а также с принятыми вариантами укладки) в различных направлениях по отношению к тепловому потоку. В качестве примера рассмотрим материал КМУ-4э на основе углеродной ленты ЛУ-П0,1 и эпоксиноволач-ного связующего ЭНФБ. В качестве исходных данных примем: У/ =0,6; Ут =0,4; К/=13 Вт/(м-К); Кт=0,21 Вт/(м-К). В табл. 2 приведены расчетные значения теплопроводности углепластика. Для сравнения показаны результаты экспериментальных измерений коэффициентов теплопроводности. Сравнение показывает удовлетворительную сходимость результатов. Таким образом, на основании показателей теплопроводности компонентов можно с большим приближением рассчитать тепловые характеристики композита.
Таблица 2
Расчетные и экспериментальные значения теплопроводности углепластика КМУ-4э
Схема армирования, Направление Удельная теплопроводность, Вт/(мК)
[град] расчетная экспериментальная
[0] Кх 7,88 7,60
Ку 0,92 0,97
К 0,70 0,63
[0; 90] Кхх 4,47 4,52
[0; +45] Кхх 5,63 5,80
Куу 3,50 3,67
Данные табл. 2 показывают, что теплопроводность углепластика в направлении, перпендикулярном направлению волокна (Ку, К2), на порядок ниже, чем вдоль волокна (Кх). Если Ку удается повысить путем изменения схем армирования, то увеличения К2 можно добиться только модифицированием матрицы и межфазных границ, что представляет, как показано в работе, сложную материаловедческую и технологическую задачу. Целесообразно сравнить результаты решения этой задачи, достигнутые разными способами. В табл. 3 представлены показатели трансверсальной Ку и межслоевой К2 теплопроводности исходного (контрольного) углепластика КМУ-7э на основе связую-
щего ВС-2526 и однонаправленной углеродной ленты ЭЛУР-П с укладкой [0 град] и углепластиков того же состава, изготовленных: по технологии ХИП (вариант 1), с «прошивкой» рубленными углеродными волокнами (вариант 2), с применением нано-материалов (вариант 3) - углепластик КМУ-7эНМ («Н» - нано-, «М» - модифицированный). Эти результаты (см. табл. 3) получены с помощью установки ИТЭМ-1М и будут уточнены после разработки новой, более совершенной методики определения коэффициентов теплопроводности углепластиков (и других анизотропных слоистых материалов) при генерации импульсного теплового потока.
Таблица 3
Поперечная теплопроводность углепластиков (Вт/м-К)
Вариант В направлении Ку В направлении К
1 1,23 0,97
2 3,27 1,84
3 4,02 2,93
Контрольный* 0,89 0,61
* Углепластик КМУ-7э.
По совокупности достигнутых показателей и технологических преимуществ вариант 3 является наилучшим. Благодаря применению углеродных наноматериалов характеристики поперечной теплопроводности углепластиков удалось повысить в 4-5 раз. При этом достигнуто существенное повышение прочности композита, особенно при сдвиге.
Определение электропроводности углепластиков
Испытания образцов конструкционных углепластиков серий КМУ-7 и КМУ-7НМ на продольную электропроводность проводили по «методу квадрата».
В табл. 4 представлены упруго-прочностные характеристики и показатели продольной проводимости Кх углепластиков серий КМУ-7 и КМУ-7НМ на основе высокомодульных, высокопрочных углеродных волокнистых наполнителей ЭЛУР-П, УОЛ-300-1, Кулон-П. Для сравнения показаны характеристики легких сплавов.
Таблица 4
Сравнительные характеристики легких конструкционных электро-, теплопроводящих материалов
Материал Удельная Удельная Удельная Удельная
прочность Св/ё, жесткость Е/ё, теплопроводность X, электропроводность 5",
км (усл. ед.) км (усл. ед.) Вт^м^) См/м
Углепластики:
КМУ-7э(-7эНМ) 75 (81) 780 (780) 8 (11) 4х104 (7х104)
КМУ-7т(-7тНМ) 96 (102) 970 (960) 12 (16) 6х104 (1х105)
КМУ-7к(-7кНМ) 63 (68) 1670 (1710) 22 (27) 1,7х105 (2,8х105)
Alсплав В95 20 330 160 4х106
^ сплав ВТ23 22 490 15 7,5х104
Сравнение характеристик материалов показывает, что углепластики не уступают по показателям продольной тепло-, электропроводности титановому сплаву, а по удельным упруго-прочностным характеристикам превосходят металлы. Нанострукту-
рирование углепластиков фуллеренами и астраленами позволило повысить на 25-40% показатели продольной и в 4-5 раз поперечной проводимости при существенном росте прочности композита. Такой значительный технический эффект достигнут «мягким» способом, без применения сильного внешнего физического воздействия типа ХИП и сложной технологии переработки композита.
Таким образом, в результате анализа характеристик проводимости углеродных волокнистых наполнителей установлено, что необходимым условием при выборе наполнителя для конструкционных углепластиков с повышенной проводимостью является применение графитированных углеродных волокон с высокой конечной температурой обработки (>1500°С): ЭЛУР, ЛУ-24, Кулон, УОЛ, УТ.
Экспериментально показана высокая эффективность применения высокого изо-статического давления для повышения уровня эксплуатационных характеристик углепластиков. За счет повышения плотности упаковки армирующих волокон и улучшения границы раздела «армирующее волокно-полимерная матрица» продольная теплопроводность Кх углепластика ЭЛУР/ВС-2526 увеличена на 40%, поперечная К2 - на 60% при существенном приросте прочности.
Установлен принцип отбора неметаллических дисперсных наполнителей с высокой удельной теплопроводностью: вещества с атомной тетраэдрической решеткой. Это элементы четвертой группы, а также бинарные соединения, построенные из элементов, равноудаленных от этой группы, с наличием на внешней оболочке суммарно восьми электронов. С помощью рубленных высокомодульных углеродных волокон Кулон-П осуществлена прошивка полимерной прослойки между слоями армирующего волокна, что позволило повысить межслоевую теплопроводность К2 углепластика КМУ-4л с 0,65 до 1,96 Вт/(м-К).
Исследована возможность повышения трансверсальной и межслоевой проводимости конструкционных углепластиков путем структурной модификации полимерной матрицы и межфазных границ углеродными наноматериалами - фуллеренами и астра-ленами. По совокупности положительных технических эффектов (прирост прочности, отсутствие привеса, рациональная технология) такое решение является оптимальным. Повышение в 4-5 раз поперечной тепло-, электропроводности углепластиков достигнуто без применения сильного физического воздействия на композит (типа ХИП) и сложной технологии его переработки.
Концентрационный порог протекания (перколяции) носителей зарядов (фононов и электронов) оказался при этом весьма низким (<2%) благодаря огромной удельной поверхности наночастиц (для сравнения - такой порог при примении технического углерода достигает 20%).
С использованием углеродных наноматериалов разработан легкий тонкослойный защитный ламинат ТЗЛ, обеспечивающий сохранность углепластиковых конструкций внешнего контура планера после воздействия смещающегося электрического разряда большой мощности [7]. ТЗЛ успешно прошел стендовые испытания на молние-стойкость. Он сохраняет до 85% остаточной прочности и может включаться в расчетную схему конструкции.
Для варианта молниезащиты направление Кх выкладки препрега (см. табл. 2) выбирается таким образом, чтобы обеспечить смещение канала молнии в полете по направлению набегающего потока от кромки детали к металлическим узлам ее крепления.
Перспектива кардинального решения поставленной в данной статье технической задачи видится в создании конструкционного композиционного материала на основе хиральных углеродных нанотрубок, обладающих металлической проводимостью.
ЛИТЕРАТУРА
1. Пономарев А.Н. Нанотехнология и наноструктурированные материалы //Индустрия, 2002, № 1(27), с. 12.
2. Ponomarev A.V. Nanotechnologe as structured materials processing with high dispersed fulleroid nanoparticles: Fifth ISTC Scientific Advisory Committee Seminar: St-Petersburg, May 27-29 //Abstr., 2002, A.048 p, p. 57.
3. Котосонов А.С., Левинтович И.Я., Остронов Б.Г. Структура и свойства углеродных материалов. - М.: Металлургия, 1987, с. 88-100.
4. Каверов А.Т. Структура и свойства углеродных материалов. - М.: Металлургия, 1987, с. 74-81.
5. Kalnin I.L. Thermal Conductivity of High Modulus Carbon Fibers //ASTM STR, 1975, v. 580, p. 560.
6. Aggarival R.K. Evalution of Relative Wettabilite of Carbon Fibers //Carbon, 1977, № 15, р. 291.
7. Каблов Е.Н., Гуняев Г.М., Ильченко С.И., Пономарев А.Н., Кавун Т.Н., Комарова О.А., Копылов А.Е. Многослойное молниезащитное покрытие: Пат. 2217320 (РФ), 2002.
УДК 678.8
С.И. Ильченко, Г.М. Гуняев, В.М. Алексашин, А.Н. Пономарев*, О.А. Комарова, И.С. Деев
УГЛЕРОДНЫЕ НАНОЧАСТИЦЫ - СТРУКТУРНЫЕ МОДИФИКАТОРЫ И УПРОЧНИТЕЛИ ПОЛИМЕРОВ И ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИТОВ
С открытием фуллеренов и нанотрубок наука об углероде переживает подлинный ренессанс, сравнимый с рождением органической химии. Подтверждается способность углерода к самоорганизации. С древних времен известны: алмаз - пространственный полимер углерода (кристаллическая кубическая решетка) с spъ-гибридизацией валентных электронных орбиталей и графит - плоскостной полимер (5р -гибридизация) - рис. 1. В 1960 году в России открыт карбин** [1] - линейный полимер (¿р-гибриди-зация), который можно представить в виде полиина (-С^С-С^С-)И или поликумулена (=С=С=С=С=)П .
* Сотрудник фирмы «Астрин» (г. Санкт-Петербург).
** Сладков А.М., Касаточкин В.И., Коршак В.В., Кудрявцев Ю.П. Диплом на открытие №107 с приоритетом от 4 ноября 1960 г.
