CC BY
241
ИННОВАЦИИ № 12 (110), 2007
Производство изделий из современных композиционных материалов, модифицированных наноразмерными компонентами
Ю. В. Загашвили,
директор Института систем управления БГТУ «Военмех», д. т. н., профессор
Рассмотрены перспективы применения нанотехнологий в производстве современных композитов с целью получения материалов с принципиально новыми, значительно более высокими эксплуатационными свойствами. Изложены основные направления и положения инновационного проекта по разработке технологических процессов и организации производства изделий из композиционных материалов на основе углеродной и керамической матрицы, в том числе модифицированных наноразмерными наполнителями.
Развитие большинства ведущих отраслей современной промышленности (авиационной, ракетно-космической, двигателестроения, транспорта, химической, энергетики, радиоэлектроники и др.) в определяющей степени зависит от их обеспеченности технологическими, функциональными и конструкционными материалами нового поколения. Особенно перспективными являются композиционные материалы (КМ) с углеродной (углерод-углеродные КМ — УУКМ) и керамической (керамические КМ-ККМ) матрицей, характеризующиеся уникальными комплексами физико-механических, электромагнитных, теплофизических и фрикционных свойств и способные функционировать в условиях воздействия высоких температур, агрессивных и радиационных сред. Для производства изделий из УУКМ и ККМ в основном применяются жидко- и газофазные технологические процессы, а также их комбинации. Подобные технологии и получаемые с их помощью материалы относятся к высокотехнологичным, наукоемким продуктам самого последнего поколения, потенциальные возможности которых еще предстоит реализовать в практических разработках.
С другой стороны, революционный прорыв в различных областях человеческой деятельности в настоящее время связывается с интенсивным разви-
В. И. Кулик,
генеральный директор ООО «НПФ «кераком», к. т. н., профессор БГТУ «Военмех»
А. С. Орыщенко,
зам. генерального директора ЦНИИ км «Прометей», к. ф.-м. н.
тием нанотехнологий. В полной мере это относится и к проблемам материаловедения. Очевидно, что применение нанотехнологий в производстве композиционных материалов последнего поколения (нанокомпозитов) может привести к получению материалов с принципиально новыми, значительно более высокими эксплуатационными свойствами. Следует отметить, что исследования по разработке и производству УУКМ и ККМ, прежде всего, модифицированных наноразмерными наполнителями, во всем мире отнесены к приоритетным научно-техническим направлениям и имеют критическую значимость для обеспечения конкурентоспособности экономик высокоразвитых стран. Особенно это актуально для России, где наметилось определенное отставание по этой проблеме от ведущих стран мира.
В 2006 году на базе инициативной исследовательской группы, состоящей из специалистов Балтийского государственного технического университета «Военмех» и ряда других технических университетов и коммерческих фирм Санкт-Петербурга, было создано ООО «Научно-производственная фирма «Кераком». Основным направлением научной и практической деятельности фирмы является реализация инновационного проекта по разработке комбинированных технологических процессов и организации производства изделий из композиционных материалов на основе углеродной и керамической (прежде всего SiC) матрицы, в том числе модифицированных углеродными и другими наноразмерными наполнителями.
результаты выполнения данного проекта могут быть использованы во многих областях промышленности с целью повышения тактико-технико-
экономических показателей изделии за счет использования в них современных КМ. Наибольшую эффективность применения УУКМ и ККМ следует ожидать в изделиях, предназначенных для эксплуатации в экстремальных силовых, температурных, эрозионных, радиационных и химических условиях. Выделим области возможного эффективного применения этих материалов:
• в авиационной, автомобильной промышленности, железнодорожном транспорте (тормозные диски, диски сцепления, колодки, подшипники);
• в химическом производстве и нефтедобывающей промышленности (детали оборудования, работающие в условиях агрессивных и абразивосодержащих сред при высоких температурах, в частности пары трения погружных центробежных насосов для добычи нефти);
• в ракетно-космической технике (элементы сопловых блоков РДТТ и ЖРД, обтекатели головных частей ракет и крыльев и т. п.);
• в области обеспечения безопасности: элементы систем броневой защиты (индивидуальные бронежилеты и бронезащита транспортных средств: автомобилей, судов, яхт, вертолетов, самолетов и т. д.);
• в металлургическом производстве (тигли, литейная оснастка, электроды для электродуговых печей, огнезащитные кожухи, вальцы, подшипники, нагреватели, пресс-формы, футеровка и т. д.);
• в энергетической промышленности (детали насосов, подшипники, сальники, теплоизоляция и др.), в том числе в ядерной энергетике (ТВЭЛы, поглощающие элементы, отражатели, конструктивные элементы «первой стенки» (дивертор), подшипники ядерных силовых установок);
• на предприятиях машиностроения в составе выпускаемых изделий, где требуется износостойкость в условиях высоких механических и тепловых нагрузок и агрессивных сред;
• в прецизионной и оптической технике, где требуется высокая размерная термостабильность конструктивных элементов, например рефлекторов для различных оптических, в том числе лазерных, систем.
Этот обширный список объектов различного назначения показывает, насколько велика область потенциального применения названных материалов.
При решении проблем разработки керамических композитов с SiC-матрицей и углеродными волокнами мы ориентируемся на использование технологических процессов, в основе которых лежит механизм реакционного спекания материала заготовки — процесс жидкофазного силицирования (процесс LSI — Liquid Silicon Infiltration). В качестве заготовок обычно используют пористые полуфабрикаты, в состав которых обязательно входят углеграфитовые компоненты. В случае получения волокнисто-армированных ККм такие полуфабрикаты дополнительно содержат армирующие углеродные или керамические волокна.
В процессе жидкофазного силицирования расплав кремния под действием капиллярных сил и внешнего давления фильтруется через пористую заготовку. В результате химического взаимодействия между расплавом и углеграфитовым материалом заготовки образуется конечный продукт — карбид кремния матрицы. Данные технологические процессы обладают рядом достоинств по сравнению с другими методами: ККМ имеют достаточно высокую прочность и теплопроводность; матрица имеет плотную, практически беспори-стую структуру; для реализации процесса требуется относительно простое технологическое оборудование; процесс относительно недорог и производителен вследствие его небольшой продолжительности.
В частности, мы развиваем модификацию процесса, в котором в качестве заготовки используется карбонизированный углепластик (рис. 1). Эта модификация технологии LSI считается наиболее перспективной для получения триботехнических, баллистических и радиационностойких ККМ с SiC матрицей. Данная технологическая схема обладает рядом достоинств. Прежде всего, это технологичность и экономичность процесса, а также гибкость и универсальность по отношению к материалам, получаемым на ее основе. В зависимости от стадии процесса могут быть получены полуфабрикаты, заготовки или изделия из углепластика, из УУКМ и, наконец, из ККМ с карбидокремниевой матрицей.
Основное направление развития и совершенствования современных КМ — это всемерное использова-
Рис. 1. Схема процесса получения ККМ с SiC матрицей методом силицирования карбонизированного углепластика
ИННОВАЦИИ № 12 (110), 2007
ИННОВАЦИИ № 12 (110), 2007
ние нанотехнологий, прежде всего предполагающее модифицирование композитов наночастицами. Очевидно, что наибольшие перспективы связаны с использованием углеродных наноматериалов — фулле-ренов, углеродных нанотрубок (УНТ) и нановолокон (УНВ), т. к. углеродные наноструктурные материалы, в состав которых входят частицы вещества размером менее 100 нм, обладают необычным набором механических, теплофизических, оптических, электронных и магнитных свойств. Многообразие углеродных наноматериалов, широкий диапазон их свойств и почти неограниченные возможности модифицирования позволяют считать их основой для создания новейших технологий XXI века и принципиально нового поколения суперматериалов — нанокомпозитов. Следует отметить, что исследования по нанокомпозитам на основе различных матриц ведутся во многих лабораториях мира, однако фактически в открытой литературе мало данных о достигнутых результатах и прежде всего это касается сведений о составе композитов и технологических методах их получения.
В рамках данного проекта предполагается провести комплекс исследований, направленных на практическое решение проблемы создания новых эффективных композиционных материалов на основе полимеров, углеродной и керамической матрицы и углеродных нанокомпонентов. Причем предполагается, что исследования будут касаться проблем создания нанокомпозитов на всех их базовых структурных уровнях. В качестве таких структурных уровней в проекте принимаются:
1. Углеродные наноразмерные компоненты (на-норазмерные армирующие наполнители). Проблемы — товарное производство фуллеренов и УНТ.
2. Матричные материалы, модифицированные углеродными наноразмерными компонентами. Проблемы — диспергирование наноразмерных наполнителей и получение на их основе гомогенных сухих смесей, суспензий и полимерных масс (механическое, вибрационное, ультразвуковое и импульсное перемешивание).
3. Микро- и макроразмерные армирующие элементы на основе углеродных наноразмерных компонентов или традиционные стекло-, органо- и углеволокнистые наполнители (волокна, нити, жгуты, ленты, ткани), модифицированные углеродными на-норазмерными компонентами. Проблемы — получение макроволокон на основе УНТ, получение полимерных нанокомпозитных волокон, нанесение УНТ на поверхность армирующих микроволокон, введение УНТ в межволоконное пространство комплексных армирующих наполнителей.
4. Полуфабрикаты на основе армирующих элементов и матричного материала (в том числе и типа препрегов). Проблемы — совмещение волокнистого наполнителя и полимерного связующего, модифицированных УНТ.
5. Готовые нанокомпозиты и изделия на их основе. Проблемы — обеспечение заданного уровня
связи наполнителя и матрицы, реализация свойств нанокомпонентов в готовом материале, разработка технологических процессов формования волокнисто-армированных КМ.
Из основных научно-практических проблем, которые предполагается решить в рамках проекта, выделим наиболее важные, с точки зрения реализации процессов получения нанокомпозитов:
• обеспечение требуемого уровня связи на границе между нанокомпонентами и матрицей;
• диспергирование нанокомпонентов и получение их однородного распределения в различных средах и в объеме композита;
• введение нанокомпонентов в волоконную структуру КМ;
• сохранность углеродных нанокомпонентов в процессе жидкофазного силицирования;
• оценка влияния типа углеродных нанокомпонентов, параметров технологического процесса, состава, структуры, содержания волокнистого, микро- и наноразмерного наполнителя на эксплуатационные характеристики КМ.
В качестве приоритетных объектов для организации производства в рамках проекта выбраны следующие группы изделий:
1) фрикционные материалы и изделия в узлах вы-соконагруженных тормозных и передаточных устройств (тормозные диски, накладки и колодки, муфты сцепления) самолетов, тяжелых грузовиков, спортивных и легковых автомобилей, мотоциклов, тракторов, высокоскоростного железнодорожного транспорта, подъемно-транспортных устройств, танков и прочей тяжелой боевой техники;
2) антифрикционные конструктивные элементы узлов трения для химического и насосного оборудования, используемого для перекачки высокотемпературных, агрессивных и абразивосодержащих жидкостей, в том числе для насосов в атомной энергетике и в погружаемых центробежных насосах для добычи нефти;
3) элементы броневой защиты в бронежилетах (жилетная вставка) и броневые листы для автомобилей, самолетов и кораблей.
Одним из самых перспективных, на наш взгляд, направлений применения наномодифицированных УУКМ и ККМ является разработка и производство узлов тормозных устройств и узлов сцепления различных транспортных средств. Можно выделить следующие преимущества систем торможения на основе этих материалов по сравнению с системами на основе традиционных (металлических и металлокерамических) материалов: высокий и устойчивый коэффициент трения и низкий износ во время обычного и высокотемпературного (370-815°С) скольжения; малая плотность, позволяющая уменьшить вес систем торможения (примерно на 40-70%); отсутствие коррозии и высокая стойкость к изнашиванию в различных атмосферных условиях; высокая надежность систем торможения, особенно при экстренном тор-
можении; повышение долговечности узлов системы торможения; возможность эксплуатации после аварийного торможения, когда температуры могут достигать 1650°С (в авиации и в высокоскоростном железнодорожном транспорте); способность поглощать при торможении большое количество кинетической энергии путем преобразования ее без повреждения в тепловую; высокая стойкость к термическому удару и термоциклированию.
Наиболее перспективным и интересным представляется направление, связанное с использованием ККМ в системах торможения серийных грузовых и легковых автомобилей, а также мотоциклов. Технико-экономический эффект от использования фрикционных ККМ в тормозных системах серийных автомобилей дополнительно к перечисленным выше может включать следующие аспекты: снижение не-подрессоренных масс и уменьшение гироскопического эффекта; улучшение управляемости автомобилей и мотоциклов; высокий экономический эффект по сравнению с традиционными системами торможения, получаемый за счет уменьшения эксплуатационных расходов (уменьшение расходов на приобретение новых деталей и расходов, связанных с оплатой ремонта тормозной системы). Обладая высокими и стабильными триботехническими характеристиками, высокой тепло- и износостойкостью, они весят примерно на 5075% меньше стальных, а срок эксплуатации оценивается не менее 300000 км пробега автомобиля, кроме того, экономия топлива для автомобилей при их установке оценивается до 20%. Тормозные диски и диски сцепления из ККМ уже сейчас устанавливаются на автомобилях марок AMG Mersedes, Ро^е 911 ТшЬо, Hyundai ЕОи^, Ferrari F48, Jaguar С-Туре и мотоциклах Yamaha YZF-R1 и Suzuki и т. д. Отлично зарекомендовали себя тормозные диски на основе карбидокремниевого композита в спортивных болидах «Формула 1», где они оказались значительно более эффективными не только по сравнению с металлическими, но и с угле-род-углеродными тормозными дисками.
В целом можно утверждать, что применение в серийных автомобилях и мотоциклах в качестве фрикционных материалов ККМ может привести к созданию более надежных систем торможения, способных сократить путь и время торможения (особенно экстренного торможения) и, как следствие, может существенно повысить безопасность дорожного движения. это обстоятельство может оказаться определяющим при решении вопроса о применении ККМ в узлах систем торможения серийных автомобилей.
Другое перспективное направление применения фрикционных УУКМ и ККМ — изготовление тормозных устройств в авиационной и авиакосмической технике. Хотя тормозные диски из ККМ здесь пока не нашли широкого применения, но тем не менее, крупнейшими мировыми фирмами ведутся активные работы по созданию коммерческого продукта в виде как самого фрикционного материала, так и конструкций авиационных тормозов на их основе.
Еще одно направление, где эффективно могут быть использованы тормозные системы на основе ККм, — это высокоскоростной железнодорожный транспорт. Фрикционные элементы из этих материалов уже применяются в высокоскоростных поездах TVG (Франция), Talent (Германия), Pendolino (Италия), APT (Англия), AVE (Испания), HSR-350x (Корея), Shinkansen (Япония) и в ряде других.
В настоящее время в рамках отработки отдельных стадий процесса нами изготавливаются и исследуются опытные образцы композитов с карбидокремниевой матрицей, армированной углеродными волокнами [1-4]. На рис. 2 приведены готовые образцы из ККм в виде дисков и кольца, подготовленные к трибологическим испытаниям.
Рис. 2. Дисковые образцы из ККМ с SiC-матрицей (диаметр 142 мм)
Исследование триботехнических характеристик наших фрикционных ККМ проводятся на инерционных стендах ГНУ «Институт порошковой металлургии» (Минск, Беларусь), позволяющих испытывать фрикционные материалы в условиях, максимально приближенных к реальным режимам функционирования узлов трения. Зависимость коэффициента трения от скорости, характерная для опытных образцов фрикционных материалов, приведена на рис. 3.
Рис. 3. Зависимость коэффициента трения опытных образцов ККМ от скорости
На рис. 4 приведен общий вид опытного образца системы торможения с диском из композита с карбидокремниевой матрицей (диаметр диска 260 мм).
ИННОВАЦИИ № 12 (110), 2007
ИННОВАЦИИ № 12 (110), 2007
Рис. 4. Опытный образец тормозного диска для легкового автомобиля
Важной частью проекта является разработка программного обеспечения, позволяющего моделировать и численно исследовать сложные газофазные и жидкофазные технологические процессы получения углеродных нанотрубок и композитов с углеродной и керамической матрицей, тонких пленок и покрытий [5-9]. Это направление обеспечивает теоретическую поддержку нашему проекту. Создаваемое программное обеспечение, адаптированное для моделирования процессов получения УУКМ и ККМ, является тем инструментом, с помощью которого мы рассчитываем минимизировать затраты на проведение дорогостоящих и длительных экспериментов с целью обеспечения планируемых технико-экономических параметров выпускаемых изделий.
С другой стороны, разрабатываемое программное обеспечение и возможности, которое оно предоставляет, — самостоятельный коммерческий продукт, в качестве которого могут выступать как пакеты прикладных программ (коммерческие расчетные коды), так и консалтинговые и научно-исследовательские услуги, оказываемые заказчикам с использованием нашего программного обеспечения.
Нами разработана комплексная программа развития проекта, включающая этапы НИОКР и организации промышленного производства, которые предполагается реализовать совместно с ЦНИИ конс-
трукционных материалов «Прометей» (Санкт-Петербург), располагающим производственными площадями, и Балтийским государственным техническим университетом «Военмех», располагающим преподавательскими кадрами, способными обеспечить целевую подготовку необходимых специалистов. Таким образом, реализация данного проекта предполагает создание полного производственного цикла — от разработки технологий и материалов до подготовки кадров и выпуска продукции. Бизнес-план проекта в настоящее время находится на рассмотрении в Российской государственной корпорации «Российские нанотехнологии».
Литература
1. В. И. Кулик, А. П. Гаршин, А. С. Нилов, В. А. Курнукин, А. В. Кулик. Исследование влияния процесса жидкофазного силицирова-ния на свойства углеволокнистых наполнителей и полуфабрикатов. Тезисы докладов международной конференции «Современное материаловедение: достижения и проблемы» MMS-2005, Т. 1, 2630 сентября, 2005, Киев, Украина, с. 237-238.
2. А. П. Гаршин, В. А. Курнукин, В. И. Кулик, А. С. Нилов. Структурные особенности углепластика, инфильтрованного расплавом кремния. Новые огнеупоры. №12, 2005, с. 45-48.
3. В. И. Кулик, В. А. Борковских, Н. Н. Борковских, В. В. Савин. Структурные и физико-механические характеристики пиро-уплотненных углерод-углеродных композиционных материалов на основе тканевых наполнителей. Вопросы материаловедения, 2006, № 3(47), с. 70-77.
4. V. Kulik, A. Nilov, V. Rumyantsev, A. Osmakov, R. Sapronov. Microstructure and Properties of 2D-Cf/C-SiC (Si) Composites Prepared by the Silicon Melt Infiltration Process. Abstracts book International Conferences on modern materials and technologies (CIMTEC 2006), June 4-9, 2006, Acireale, Sicily, Italy, p. 193.
5. V. I. Kulik, A. V. Kulik, M. S. Ramm, Yu. N. Makarov. Modeling of SiC-Matrix Composite Formation by Isothermal Chemical Vapour Infiltration // J. Crystal Growth. 2004, v. 266, p. 333 — 339.
6. V. I. Kulik, A. V. Kulik, M. S. Ramm, Yu. N. Makarov. Modelling of SiC-matrix composite formation by thermal gradient chemical vapour infiltration. Mater. Sci. Forum 457-460 (2004), p. 253 — 256.
7. В. И. Кулик, А. В. Кулик, М. С. Рамм. Исследование термоградиентных процессов газофазного насыщения SiC-матрицей сложнопористых волокнистых каркасов с 3D-структурой. Труды первого российского научно-технического симпозиума «Интеллектуальные композиционные материалы и конструкции» (23-24 июня 2004 г., Москва, МГТУ им. Н. Э. Баумана), М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2004, с. 36-41.
8. V. I. Kulik, A. V. Kulik, M. S. Ramm, A. S. Nilov, M. V. Bogdanov. Two-dimensional Model of the Conjugate Heat and Mass Transport in the Isothermal Chemical Vapor Infiltration of 3D-preform by SiC Matrix. Mater. Sci. Forum Vols. 483-485 (2005) pp. 245-250.
9. А. В. Кулик, М. С. Рамм, Д. Х. Офенгейм, М. В. Богданов, В. И. Кулик. Моделирование тепломассообмена в процессе газофазного получения композиционных материалов с углеродной и керамической матрицей. Техника машиностроения. № 4 (2006), с. 5-12.
