CC BY
188
УДК 678
Малаховский С.С., Панафидникова А.Н., Костромина Н.В., Осипчик В.С. УГЛЕПЛАСТИКИ В СОВРЕМЕННОМ МИРЕ: ИХ СВОЙСТВА И ПРИМЕНЕНИЯ
Малаховский Семен Сергеевич, магистрант кафедры технологии переработки пластмасс, e-mail: malakhovskii.ss@mail.ru
Панафидникова Анастасия Николаевна, магистрант кафедры «Материаловедение и технологии материалов» НИИ «ВИАМ», e-mail: elka512@mail.ru;
Костромина Наталья Васильевна, к.т.н., доцент кафедры технологии переработки пластмасс; Осипчик Владимир Семенович, д.т.н., профессор, заведующий кафедрой технологии переработки пластмасс; Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева; Россия, 125047, Москва, Миусская площадь, д.9.
В работе представлены сведения о полимерном композиционном материале - углепластике. Рассматриваются общие характеристики материала. Описаны методы получения полимерного материала. Приводятся области применения углепластика, их преимущества и недостатки. Отмечаются факторы, влияющие на физико-механические характеристики получаемого углепластика. Оценивается потенциал применения композиционного материала в авиастроении.
Ключевые слова: полимерные композиционные материалы, углепластик, препрег, области применения, композитный материал, утилизация.
CARBON FIBER REINFORCED PLASTIC IN THE MODERN WORLD: THEIR PROPERTIES AND AREA OF APPLICATION
Malakhovskiy S.S., Panafidnikova A.N., Kostromina N.V., Osipchik V.S.
D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
Federal State Unitary Enterprise All-Russian Scientific Research Institute of Aviation Materials
The paper presents an overview of the polymer composite material - carbon fiber reinforced plastic. The general characteristics of the material are considered. Described methods for producing polymeric material. Areas of application of carbon fiber reinforced plastic, their advantages and disadvantages. The factors affecting the physico-mechanical characteristics of the resulting carbon fiber reinforced plastic are noted. Estimated potential use of composite material in the aircraft industry.
Key words: polymeric composite materials, carbon fiber reinforced plastic, prepreg, applications, composite material, utilization.
Углепластики - высокопрочные
композиционные материалы, широко используемые в различных отраслях промышленности и в народном хозяйстве. Наблюдается непрерывное увеличение объема потребления углепластиков (УП) различного назначения из года в год, несмотря на другие композиционные материалы такие, как стеклопластики, органопластики и прочие волокнистые полимерные композиционные материалы (ВПКМ) [1]. Широкое распространение углепластики получили не только за высокие физико-механические показатели, но и из-за способности и возможности регулирования в широких диапазонах их эксплуатационных и электрофизических свойств [2,3].
На данный момент углепластики успешно конкурируют с металлами. Все больше изделий заменяются на ВПКМ в летательных аппаратах. Углепластики, например, заменяют тяжелые металлические узлы в конструкции крыла самолета. Их низкая плотность и возможность создания высокопрочного и высокомодульного материала -одни из главных преимуществ [4]. Экономическая целесообразность внедрения УП взамен
металлических деталей обуславливается также сравнительно низкими удельными затратами энергии на производство конструкционных и функциональных материалов и изделий [5].
Углепластики - многофазные гетерогенные системы, свойства которых зависят от свойств входящих компонентов и характера взаимодействия. При создании углепластика возможно прибегнуть к широкому спектру наполнителей на основе углеродных волокон - нити, жгуты, ткани и трехмерноармированные многослойные ткани. Однако даже на сегодняшний день стоимость исходного компонента - углеродного волокна -остается высокой, чем углепластики и проигрывают, например, стеклопластикам, где армирующий наполнитель стоит меньше углеродного [4].
Другой проблемой, которую можно увидеть в углепластике, - это проблема его утилизации. Основной путь решения проблемы утилизации ПКМ - это их вторичная переработка. Задача при утилизации ПКМ - извлечение армирующего углеродного наполнителя, который в дальнейшем может использоваться повторно при производстве полимерных композиционных материалов.
Сравнительно низкие значения прочности при сдвиге и удельной ударной вязкости также можно отнести к недостаткам УП на сегодняшний день. Для повышения прочности при сдвиге, например, применяют методы активирования поверхности углеродных волокон.
Отличительной особенностью полимерных композиционных материалов на основе углеродных волокон является высокая степень анизотропии упруго-прочностных характеристик. Наиболее высокие значения прочности и жесткости достигаются в композициях с однонаправленным расположением непрерывных волокон [6].
В производстве углепластиков в качестве связующих наибольшее применение нашли эпоксидные, фенолформальдегидные,
эпоксициануратные, бисмалеинимидные,
полиимидные и фталонитрильные смолы. Такие полимерные материалы благодаря наличию сырьевой базы, достаточно хорошим технологическим и физическими свойствами послужили основой для создания конструкционных [7] и функциональных углепластиков [8]. Широкий ассортимент создаваемых связующих (а также наполнителей) позволяет ученым, химикам и материаловедам создавать разнообразные изделия из УП, в зависимости, например, от требуемых физико-механических параметров или температуры эксплуатации (вплоть до 400°С кратковременно). Следует отметить также, что при создании углеродных полимерных композиционных материалов может быть задействована и термопластичная матрица, однако использование реактопластов, в частности, эпоксидных смол, имеет преимущества.
Известно большое количество технологий пропитки армирующих наполнителей связующим при создании углеродных полимерных композиционных материалов, основная задача которых заключается в создании условий наилучшего смачивания поверхности волокон наполнителя пропитывающим составом. Процессы пропитки условно можно подразделить на два вида:
- традиционные, с изготовлением полуфабриката — препрега, семипрега, премикса и т.д.;
- «директивные» или прямые, в которых процесс пропитки наполнителя осуществляется непосредственно в формующей- оснастке (УЛЯТМ, т, ЯТМ и т.д.).
Самым распространенным способом
изготовления ПКМ на сегодняшний день является препреговая технология. Традиционным способом изготовления препрегов на пропиточных установках является пропитка наполнителя окунанием в ванну с растворным связующим. В этом случае основными факторами, влияющими на качество пропитки, будут следующие: технологические свойства армирующих наполнителей (равновесный краевой угол
смачивания волокон, концентрация
адсорбированных из окружающей среды низкомолекулярных веществ, толщина
пропитываемого слоя, плотность волокон структуры армирующего наполнителя, коэффициент
пористости и коэффициент проницаемости), вязкость связующего также является определяющим фактором пропитки [9]. Для производства углепластика по препреговой технологии существуют специальные машины: Coatema БЬ-2800, УПСТ-300.
В течение почти полувека углепластики внедрялись в конструкции самолетов, вертолетов и космических шаттлов. Это неудивительно: глобальный пассажиропоток растет, цены на авиабилеты снижаются, авиакомпании стараются сократить эксплуатационные расходы, в том числе и за счет снижения массы воздушных судов [10].
Однако область применения изделий из углепластика в аэрокосмической отрасли не ограничивает другие сферы их применений.
В настоящее время благодаря техническому прогрессу углепластики можно наблюдать в ветроэнергетической промышленности. Лопасть для ветряных турбин выполнена из стеклопластика, но изделия длиной более 45 метров имеют так называемое ребро жесткости по всей длине, которое выполнено из углепластика. Обеспечение требуемой жесткости без утяжеления изделия позволяет более эффективно производить электроэнергию.
В автомобилестроении каждый год растут объемы применения углепластика, но пока что далеко не в промышленных масштабах, а только для изготовления отдельных деталей автомобилей премиум класса: рамы, кузова (днища кузова) и полов автомобиля, элементы лицевой поверхности -бампер и крыша, приборные панели и детали экстерьера.
В профессиональном автомобильном спорте углепластик- это один из основных материалов при производстве корпусов суперкаров и болидов Формулы 1, обеспечивающий высокий предел упругости и прочности на разрыв. Углепластик способен поглощать большое количество энергии без значительной деформации даже при столкновениях на больших скоростях.
Широкое применение углепластика в индустрии спорта и отдыха обусловлено высокими показателями производительности, так как значительное снижение веса снаряжения имеет принципиальное преимущество в достижениях спортсменов. Профессиональные велосипедисты используют именно сверхлегкие велосипеды, выполненные из углепластика (велосипеды, теннисные ракетки, клюшки для гольфа, сноуборды, доски для серфинга и т.д.). На рисунке 1 изображены области применения углепластика.
Рис. 1. Области применения углепластика: А - медицинские протезы; Б - капот двигателя для BMW машин; В ■
хвостовое оперение в самолетах A380; Г - рама велосипеда
Помимо представленных применений углепластиков, не стоит забывать о таких сферах, как строительство, где развито армирование бетона углеродными жгутами, судостроение, производство баллонов высокого давления, труб, кабелей и многое другое. Заключение
Полимерные композиционные материалы на основе углеволокна становятся все более востребованными в различных областях промышленности, поскольку технология их получения развивается стремительно. Уже сейчас углепластики в пять раз легче стали и до десяти раз прочнее. Однако это не предел — ведущие международные научно-исследовательские центры работают над совершенствованием характеристик углепластиков [11]. По словам специалистов, углепластики сохранят лидерство в отечественном авиастроении (как в гражданском, так и в военных секторах), а также в остальных сферах применения.
Список литературы
1. Каблов Е.Н., Чурсова Л.В., Бабин А.Н., Мухаметов Р.Р., Панина Н.Н. Разработки ФГУП «ВИАМ» в области расплавных связующих для полимерных композиционных материалов // Полимерные материалы и технологии. 2016. Т.2. №2. С.37-42.
2. Каблов Е.Н. Тенденции и ориентиры инновационного развития России: сб. информ. материалов. 3-е изд., перераб. и доп. М.: ВИАМ,
2015. 720 с.
3. Каблов Е.Н. I Инновационные разработки ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ по реализации «Стратегических направлений развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года» // Авиационные материалы и технологии. 2015. №1 (34). С. 3-33.
4. Давыдова И.Ф., Кавун Н.С. Стеклопластики -многофункциональные композиционные материалы // Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 253-260.
5. Молчанов Б.И., Гудимов М.М. Свойства углепластиков и области их применения // Авиационная промышленность. 1997. №3-4. С.58-60.
6. Гращенков Д.В., Чурсова Л.В. Стратегия развития композиционных и функциональных материалов // Авиационные материалы и технологии. 2012. №6. С. 231-242.
7. Платонов А.А., Душин М.И. Конструкционный углепластик ВКУ-25 на основе однонаправленного препрега // Труды ВИАМ. 2015. №11. С. 45-52.
8. Гуляев И.Н., Гуняева А.Г., Раскутин А.Е., Федотов М.Ю. Молниезащита и встроенный контроль для конструкций из ПКМ // Труды ВИАМ. 2013. №4. С. 32-41.
9. Технология производства препрегов для ПКМ: Учебное пособие / В.М. Виноградов, Г.С. Головкин, А.И. Горохович и др. - Уфа: УГАТУ, 1995. -92 с.
10. Полимеры играют большую роль в авиастроении // Композитный мир. 2016. №3. С.2-3.
11. Доля применения углепластиков в отечественном авиапроме возрастет // Композитный мир. 2011. С.14
