В современных условиях полимерные композиционные материалы широко востребованы в авиационной и ракетно-космической промышленности. Уникальное сочетание в них нескольких компонентов с разными свойствами образует более прочный, долговечный и легкий материал. Отечественные предприятия заинтересованы в том, чтобы с его помощью расширять производство изделий ответственного назначения. Это позволит выполнить одну из ключевых задач, поставленных Правительством РФ, — обеспечение ускоренного технологического развития страны. Но прежде чем массово изготавливать детали из полимерных композитов, необходимо проводить испытания материала, которые занимают технологическое время. Ученые Пермского Политеха разработали методику для определения одного из ключевых параметров, влияющих на качество и характеристики будущего композитного изделия. Ее применение в 2 раза сокращает время на производственные испытания.
Статья с результатами опубликована в журнале «Вестник ПНИПУ. Машиностроение, материаловедение» №4, 2024 год. Исследование проведено в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».
При изготовлении композитного материала в качестве основы (связующего) используют смолу, в которую постепенно добавляют различные укрепляющие наполнители, например, углеродное волокно. Оно стало востребовано из-за уникальных характеристик: высокой прочности, малого веса, гибкости, термической и химической стойкости. Углепластик успешно и эффективно применяют для создания более легких и долговечных деталей авиационной и ракетной техники.
Важнейший этап внедрения получаемого материала в части летательного аппарата — это проведение испытаний и изучение его физико-химических характеристик. Так исследуют плотность, толщину слоев, степень полимеризации и содержание полимерного связующего в составе. От последних 2-х параметров зависят эксплуатационные свойства и безотказная надежность всей конструкции.
Выделяют несколько основных методов определения содержания полимера в материалах из углепластика, но каждый из них имеет свои недостатки — пониженную точность, большую длительность испытания или серьезную опасность для специалиста во время использования кислот при высоких температурах. В настоящее время для серийного производства деталей из полимерных композитов необходим достоверный и наименее времязатратный способ.
Ученые Пермского Политеха разработали и предлагают использовать для этого технологию низкотемпературного сольволиза. Она заключается в использовании индивидуальных химических сред, которые инициируют ускорение разрушения полимерной сетки, при этом сохраняя поверхность армирующего наполнителя. Для исследования изготовили растворные составы, включающие серную кислоту, пероксид водорода и специальные добавки — инициаторы реакции, позволяющие снизить температуру разложения полимера.
Политехники разработали методику проведения испытаний углепластика указанным способом и сравнили ее с широко применяемыми на практике методами — травлением в агрессивных средах, где связующее длительно разлагается в кислотах, и расчетным, где по известным значениям плотности и количества слоев математически вычисляется толщина пластика.
Для проверки предложенной технологии исследователи предварительно просушивали и взвешивали образцы углепластика с разными типами волокон и схемами их укладки, затем помещали их в закрытую емкость с раствором и нагревали до растворения полимера. После этого смесь охлаждали, фильтровали и снова взвешивали.
— В сравнении с другими методами, разработанный нами не уступает в достоверности, отклонение значений показателя составляет не более 2%. При этом процессе длительность анализа составила 2 часа 30 минут, что в два раза меньше аналогичных способов определения содержания связующего, — рассказывает Галина Шайдурова, профессор кафедры механики композиционных материалов и конструкций ПНИПУ, доктор технических наук.
Разработанная методика ученых и аспирантов Пермского Политеха по определению содержания полимерной основы в углепластиках позволяет вдвое сократить технологическое время проведения испытаний. Технология перспективна для серийного отечественного производства ответственных деталей из композитов.
