Россия, Ярославская область, г. Переславль-Залесский E-mail: info@niikam.ru (тел./факс (48535)68120, 31535 ) Цианатэфирные связующие и углепластики на их основе Аристов В.Ф., Вихров И.А. В настоящее время всё более широкое применение композиционные материалы находят в: авиации автомобилестроении судостроении Производители препрегов в этих сферах Ежегодно в США, Европе и Азии производятся десятки тысяч пропиточных машин, например фирмами: “Microsam” (Македония) “Kroenert” (Германия) и др. Все эти машины рассчитаны на массовый рынок относительно простых и дешёвых препрегов на основе стеклотканей, низко или среднемодульных углеродных волокон и эпоксидных либо эпоксифенольных связующих. Требования к препрегам для космических аппаратов Препрег для космоса совершенно другой, чем для наземной или авиационной техники Специфические требования к углепластикам для космических конструкций: • высокая жесткость и размеростабильность; • низкое влагопоглощение; • высокая трещиностойкость при многократных циклических перепадах температур (например ± 160 ̊С); • низкий КЛТР; Этим требованиям лучше всего удовлетворяют углепластики на основе высокомодульных углеродных волокон и цианатэфирных связующих. Сравнительные характеристики водопоглощения и диэлектрических свойств цианатэфирных, бисмалеимидных и эпоксидных связующих Водопоглощение (в кипящей H2O), % Диэлектрическая постоянная, 1 МГц* 1 2 0 1 2 3 4 5 6 Цианатэфиры Бисмалеимиды 3 4 Эпоксиды 5 6 1 2 3 4 Набухание (объемн. %) •Кроме того, тангенс угла диэлектрических потерь для цианатэфирных связующих примерно на порядок меньше чем у эпоксидных или бисмалеимидных связующих Примеры использования композитов на основе цианатэфирных связующих (производитель Tencate, США) и высокомодульных углеродных волокон 1. 2. 3. 4. 1 – Обшивка сотовых панелей супер-легковесного грузовика для доставки оборудования на Хаббл. 2-4 – Каркас (2) и несущая конструкция (3) для системы зеркал (4) космического телескопа имени Джеймса Вебба. 5 – Корпус частного орбитального самолета Lynx Mark II 5. Использования данного типа материалов обусловлено их исключительной размеростабильностью и устойчивостью к микротрещинам при экстремально низких температурах Рынок препрегов для космонавтики Американские фирмы-монополисты данной области: “Tenсate” и “Cytec” Узкоспециализированные пропиточные машины для «космического» препрега эти фирмы разработали и изготовили сами для себя Ни одна из фирм, торгующих пропиточным оборудованием, не имеет опыта изготовления машин для высокомодульных углеродных волокон и цианатэфирного связующего. Ни одна из этих фирм не обладает так же соответствующей технологией пропитки, т. к. производство цианатэфирных связующих монополизировано теми же американскими фирмами и они продают только готовый «космический» препрег, не продавая цианатэфирного связующего для него. В ООО «НИИКАМ» была проведена разработка цианатэфирного связующего и освоено его лабораторное производство. Разработана конструкция специализированной пропиточной машины и технология пропитки на ней высокомодульных углеродных волокон цианатэфирным связующим. Технические характеристики линии: Пропиточная машина Основа: углеродная ткань, углеволокно Поверхностная плотность волокон: 70 г/м² - 160 г/м² Поверхностная плотность ткани: 80-1000 г/м² Материал покрытия: термоактивные смолы Содержание связующего: 30-50% Точность покрытия смолой: +/-0,5% при 50 г/м² Габариты линии (LxBxH): 20м x 2.5м x 3.5м Ширина роликов: 350 мм Рабочая ширина: 300 мм Механическая скрость: 0.2-10 м/мин Рабочая скорость: 0.2-3 м/мин Преимущества пропиточной машины разработки НИИКАМ: 1. все валы и другие детали машины, контактирующие с горячими связующим и препрегом керамические; 2. прецизионная система регулировки и поддержания одинакового натяжения на всех нитях однонаправленного препрега; 3. уникальное устройство плющения обеспечивает расплющивание без повреждения волокна; 4. автоматизированное неконтактное неразрушающее измерение массы связующего и его процентного содержания в препреге, обеспечивает равномерное содержание связующего по всей длине и ширине рулона с точностью ± 0.5%; 5. высокоточные системы регулирования и поддержания температуры и давления в каландрах, в зонах прогрева, пропитки и охлаждения; 6. автоматическая замена антиадгезионных бумаг, оптимальных для каландрирования, на антиадгезионную бумагу и плёнку, оптимальных для хранения препрега; 7. управляющий компьютер и специализированное программное обеспечение позволяют с высокой точностью обеспечивать необходимые технологические режимы, в том числе режимы «по памяти». Сравнение композитов на основе цианат-эфирных связующих и высокомодульных углеродных волокон, разработанных ООО «НИИКАМ» (Россия) и Tencate (США) Тип препрега Модуль Юнга КЛТР*, при изгибе, -6 -1 [10 К ] [ГПа] при Т=20°С Предел прочности при изгибе, МПа при Т=20°С Равновесное влагопоглощение Температура при Т=25°С и стеклования*,[°С] влажности воздуха 85% ОПМ/ЛКВ, [%] (США) EX-1515/M55j 61 314 1100 120 0,05 % 0,18/0,01 52 320 1600 125 0,04 % 0,10/0,01 (Россия) НИИКАМ-РС/M55j [патент RU 2484102] *- для отверждённой при температуре 120 °С смолы Видно, что новая разработка ООО «НИИКАМ» позволяет создать углепластики, не уступающие и даже превосходящие по основным свойствам углепластики фирмы Tencate. На основе этих углепластиков можно развивать новые поколения изделий для космической и авиационной промышленности, в том числе антенные комплексы, несущие конструкции и др. Производство препрега, изготовление образцов углепластика (раскройка, термо-вакуумное формование),зеркальность поверхности. Измерение параметров шероховатости поверхности образцов углепластиков на основе адамантан-содержащего цианатэфирного связующего с напылением из алюминия Шероховатость Ra в мкм Ra пар Ra пар средн S Δ Ra пер 0.042 0.055 0.041 0.040 0.034 0.039 0.003 0.004 0.036 0.038 0.052 0.041 0.038 Ra пер средн S 0.044 0.009 Δ Ra параллельно волокнам – 0,039 ± 0,004 мкм Ra перпендикулярно волокнам - 0,044 ± 0,011 мкм 0.011 Шероховатость Rz в мкм Rz пар Rz пар средн S Δ Rz пер 0.211 0.200 0.222 0.173 0.191 0.210 0.012 0.015 0.166 0.205 0.189 0.219 0.149 Rz пер средн 0.175 S Δ Rz параллельно волокнам – 0,210 ± 0,015 мкм Rz перпендикулярно волокнам - 0,175 ± 0,025 мкм 0.020 0.025 Спасибо за внимание!