Связующие для полимерных композиционных материалов нового поколения. Статья. Связующие для полимерных композиционных материалов нового поколе. Связующие для полимерных композиционных материалов нового поколения
 Скачать 4.49 Mb.
|
|
ВИАМ/2013-Тр-04-12св УДК 678.8 СВЯЗУЮЩИЕ ДЛЯ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ А.Н. Бабин кандидат технических наук Апрель 2013 Всероссийский институт авиационных материалов (ФГУП «ВИАМ» ГНЦ) – крупнейшее российское государственное материаловедческое предприятие, на протяжении 80 лет разрабатывающее и производящее материалы, определяющие облик современной авиационно-космической техники. 1700 сотрудников ВИАМ трудятся в более чем тридцати научно- исследовательских лабораториях, отделах, производственных цехах и испытательном центре, а также в четырех филиалах института. ВИАМ выполняет заказы на разработку и поставку металлических и неметаллических материалов, покрытий, технологических процессов и оборудования, методов защиты от коррозии, а также средств контроля исходных продуктов, полуфабрикатов и изделий на их основе. Работы ведутся как по государственным программам РФ, так и по заказам ведущих предприятий авиационно-космического комплекса России и мира. В 1994 г. ВИАМ присвоен статус Государственного научного центра РФ, многократно затем им подтвержденный. За разработку и создание материалов для авиационно-космической и других видов специальной техники 233 сотрудникам ВИАМ присуждены звания лауреатов различных государственных премий. Изобретения ВИАМ отмечены наградами на выставках и международных салонах в Женеве и Брюсселе. ВИАМ награжден 4 золотыми, 9 серебряными и 3 бронзовыми медалями, получено 15 дипломов. Возглавляет институт лауреат государственных премий СССР и РФ, академик РАН, профессор Е.Н. Каблов. Статья подготовлена для опубликования в журнале «Труды ВИАМ», №4, 2013 г. УДК 678.8 А.Н. Бабин СВЯЗУЮЩИЕ ДЛЯ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ Новые композиционные материалы требуют создания связующих с уникальным комплексом свойств и функций, которые можно перерабатывать различными технологиями. Получение материалов должно проводиться по экологически безопасным и энергоэффективным технологиям. Связующие создаются на основе широкого класса полимерных систем, используя всестороннюю оценку самих связующих и материалов на их основе. Ключевые слова: связующее, препрег, полимерные композиционные материалы, безавтоклавное формование. A.N. Babin RESIN SYSTEM FOR NEW GENERATION OF POLYMER COMPOSITE MATERIALS New composite materials are interesting for creation of new resin systems with special properties and application spheres, with different technology processings. The ecological and energy-effective technologies for production of materials are of great importance. Resin systems are created for wide classes of polymer systems, with complete estimation of resin systems and end products. Key words: resin system, prepreg, polymeric composite materials, out-of-autoclave processing. Перспективный путь развития машиностроения – использование конструкционных полимерных композиционных материалов (ПКМ). Важнейшей частью ПКМ является полимерная матрица, обеспечивающая многие характеристики материала: теплостойкость, механические свойства, стойкость к воздействию климатических факторов и агрессивных сред и другие [1,2]. Современные материалы требуют высококачественных связующих, обеспечивающих самые высокие характеристики при снижении затрат на производство изделия и соблюдении требований экологических стандартов и принципов «Зеленой химии». ФГУП «ВИАМ» создавая программу стратегических направлений, учитывало растущий интерес к этому виду материалов, поэтому проблема создания современных связующих для ПКМ выделено в отдельное направление [3,4]. Один из принципов используемых при разработке связующих – это отказ от использования органических растворителей в связующих и переход на расплавные технологии. Такой подход требует использования специализированого оборудования при изготовлении связующих и производстве полуфабрикатов из них, что позволяет получать связующие с большим содержанием термопластичных компонентов, увеличивающих стойкость к ударным воздействиям, а также минимизировать работу с опасными растворителями в процессе производства связующих и препрегов. Созданные ФГУП «ВИАМ» связующие охватывают все используемые и перспективные технологии получения композиционных материалов: автоклавное формование, вакуумное формование препрегов, пропитка под давлением (RTM, Resin transfer molding), вакуумно-инфузионный метод (VaRTM, Vacuum assisted resin injection) и пропитка с использованием пленочного связующего(RFI, Resin film infusion) [5-7]. Полимерные основы для разработанных связующих включают классы эпоксидных, кремнийорганических, фенольных, поликарбосилановых, цианэфирных и тетранитрильных олигомеров и мономеров. Использование такого широкого класса полимерных систем позволяет создавать материалы различного назначения от радиотехнических до материалов интерьера самолетов. Рабочие температуры конструкционных материалов на основе этих связующих достигают 350°С при длительной эксплуатации и 800°С при кратковременном воздействии. Композиционные материалы на основе керамообразующих полимеров реализуют температуру эксплуатации до 1200°С [8-10]. Отличительной особенностью эпоксидных связующих для высоконагруженных композиционных материалов, разработанных ФГУП «ВИАМ», является высокая сдвиговая прочность и значения прочности сжатия после удара углепластика выше 220 МПа. Разработка современных полимерных связующих и композиционных материалов требует привлечения значительного количества методов исследований и испытаний. Создание связующих требует исследований химических свойств исходных компонентов, процессов их взаимодействия, структурообразования на различных масштабных уровнях. Для этого привлекаются методы аналитической химии, хроматографии, термического анализа, ИК-спектроскопии, различных видов микроскопии, механические испытания. Удовлетворение технологических требований обеспечивается реологическими исследованиями, исследованиями процессов гелеобразования и опробованием экспериментальных составов на образцах композиционных материалов. Таким образом, всесторонняя оценка материала не только в части связующего но и в составе композиционного материала позволяет разрабатывать ПКМ, перерабатываемые по перспективным технологиям с уникальным набором характеристик. Дальнейшее развитие полимерных связующих для конструкционных материалов требует снижения издержек при производстве материалов и получения материалов с дополнительными функциями. Путями снижения затрат на изготовление изделий из ПКМ может являться: снижение температур полимеризации без потери теплостойкости и механических характеристик, использование альтернативных способов отверждения, создание связующих для безавтоклавных технологий. Важным направлением регулирования свойств полимерных матриц является использование наночастиц в качестве микроармирующих компонентов и агентов структурирующих полимерную матрицу [11]. Одним из направлений функционального развития полимерных матриц является приданием им способности к самозалечиванию [12-14]. Перспективные работы необходимо проводить во взаимосвязи с фундаментальными работами институтов Российской академии наук, а также в непосредственном контакте с разработчиками изделий из композиционных материалов. Такой подход позволит связать воедино научные подходы и требования конечного пользователя, что обеспечит создание востребованных материалов и технологий. ЛИТЕРАТУРА 1. Михайлин Ю.А. Конструкционные полимерные композиционные материалы. СПб.: НОТ. 2008. 820 с. 2. Кербер М.Л., Виноградов В.М. Полимерные композиционные материалы: структура, свойства, технология. СПб.: Профессия. 2009. 560 с. 3. Каблов Е.Н. Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года // В сб.: «Авиационные материалы и технологии» Юбилейный науч.-техн. сб. (приложение к ж-лу «Авиационные материалы и технологии»). М.: ВИАМ. 2012. С. 231–242. 4. Гращенков Д.В., Чурсова Л.В. Стратегия развития композиционных материалов и функциональных материалов // В сб.: «Авиационные материалы и технологии» Юбилейный науч.-техн. сб. (приложение к ж-лу «Авиационные материалы и технологии»). М.: ВИАМ. 2012. С. 7–18. 5. Чурсова Л.В., Душин М.И., Коган Д.И., Панина Н.Н., Ким М.А., Гуревич Я.М., Платонов А.А. Пленочные связующие для RFI-технологии //Российский химический журнал. 2010. Т. LIV. С. 63–67. 6. Мухаметов Р.Р., Ахмадиева К.Р., Чурсова Л.В. //Российский химический журнал. 2010. Т. LIV. №1. С. 57–62. 7. Мухаметов Р.Р., Ахмадиева К.Р., Ким М.А., Бабин А.Н. Расплавные связующие для перспективных методов изготовления ПКМ нового поколения /В сб.: «Авиационные материалы и технологии» Юбилейный науч.-техн. сб. (приложение к ж-лу «Авиационные материалы и технологии»). М.: ВИАМ. 2012. С. 260–265. 8. Минаков В.Т., Швец Н.И. Модифицированные кремнийоранические полимеры для теплостойких композиционных материалов /В сб.: «Авиационные материалы, 1938-2002, избранные труды» науч.-техн. сб. М.: ВИАМ. 2002. С. 362–376 9. Керамикообразующая композиция, керамический композиционный материал на ее основе и способ его получения: пат. 2190582 Рос. Федерация. №2001100305/03; заявл. 09.01.01; опубл. 10.10.02 Бюл. №28. 10. Солнцев С.С., Миронова Н.А., Швец Н.И., Ямщикова Г.А., Деев И.С. Нанокомпозиты на основе керамообразующих полимеров //Авиационные материалы и технологии. 2005. №1. С. 60–64. 11. Акатенков Р.В., Алексашин В.Н., Аношкин И.В., Бабин А.Н., Богатов В.А., Грачев В.П., Кондрашов С.В., Минаков В.Т., Раков Э.Г. Влияние малых количеств функционализированных нанотрубок на физико-механические свойства и структуру эпоксидных композиций //Деформация и разрушение материалов. 2011. №11. С. 35–39. 12. Jay A. Syrett, C. Remzi Becer and David M. Haddleton. Self-healing and self- mendable polymers //Polym. Chem. 2010. С. 978–987. 13. B.J. Blaiszik, S.L.B. Kramer, S.C. Olugebefola, J.S. Moore, N.R. Sottos, and S.R.White. Self-Healing Polymers and Composites //Annu. Rev. Mater. Res. 2010. 40:179–211 14. Wu DY, Meure S, Solomon D. 2008. Self-healing polymeric materials: a review of recent developments //Prog. Polym. Sci. 33(5):479–522 |