Для авиации и автопрома: прочные и суперлегкие полимерные композиты разработали в РТУ МИРЭА

Суперлегкие и жесткие композиты разработали исследователи из Российского технологического университета МИРЭА совместно с научно-производственным объединением АО «НПО Стеклопластик им. Н.Н. Трофимова». В основе полученных материалов — термопластичные полимеры, наполненные микроскопическими полыми стеклянными сферами. Увеличение грузоподъемности и экономия топлива в транспортной сфере, производство бытовой техники и создание уникальных сложных конструкций, которые ранее нельзя было изготавливать из-за ограничений по весу, — возможности, которые открывает применение новых композитов.

Вопрос массы играет очень важную роль в авиа- и автомобилестроении. Облегчение конструкции транспортных средств — ключ к снижению расхода топлива, увеличению грузоподъемности и сокращению вреда для окружающей среды. Для этого ведется поиск материалов, которые смогут заменить привычный металл в промышленности. Одна из самых перспективных альтернатив — полимерные композиционные материалы.

Передовую разработку в этой области представили ученые из РТУ МИРЭА, создав термопластичные композиты с особым наполнителем — крошечными полыми сферами из стекла, невидимыми невооруженным глазом. Эти микроскопические шарики снижают плотность материалов, придавая им легкость пены с множеством пузырьков. При этом жесткость композитов повышается, и они сохраняют стойкость к механическим нагрузкам.

Деталями разработки с корреспондентом «Научной России» поделился доцент кафедры химии и технологии переработки пластмасс и полимерных композитов Института тонких химических технологий им. М.В. Ломоносова РТУ МИРЭА кандидат технических наук Александр Алексеевич Пыхтин. 

«Полые стеклянные микросферы обладают высоким модулем упругости, за счет чего повышается общая жесткость дисперсно-наполненного полимерного композиционного материала. Прочность композита реализуется за счет полимерной матрицы, в то время как микросферы отвечают за легкость и жесткость материала», — объяснил ученый.

Самая сложная задача при изготовлении материалов заключалась в том, чтобы равномерно распределить микросферы в толще полимера, не раздавив их. Исследователи успешно справились с этой задачей, подобрав подходящую технологию.

«Процесс получения инновационного композита — это, прежде всего, формирование новаторской идеи. В основе концепции создания принципиально новых дисперсно-наполненных полимерных композиционных материалов лежат проектирование их состава и структуры, а также направленное регулирование комплекса их технологических и эксплуатационных свойств, — рассказал А.А. Пыхтин. — Для получения полимерных композиционных материалов с пониженными весовыми характеристиками используется двухшнековый экструдер, позволяющий создавать композиты отличного качества с равномерно распределенными по объему полимерной матрицы частицами наполнителей. Смешение проводится при малых оборотах (не более 25 оборотов в минуту) и давлении не более 15 Бар, что позволяет избежать разрушения полых стеклянных микросфер».

Важнейшая особенность новых материалов состоит в том, что они были целенаправленно адаптированы к 3D-печати. Это дает возможность использовать композиты для создания деталей и конструкций очень сложной формы. В то же время в случаях, когда упор делается не на уникальность, а на масштабируемость и высокую производительность, новые материалы можно применять и для изготовления изделий традиционными методами, например, вакуумным формированием и экструзией.

«Данный подход к получению дисперсно-наполненных полимерных композиционных материалов применим к широкому ряду термопластичных полимеров, включая суперконструкционные высокотемпературные пластики, такие как полиэфирэфиркетон, полиэфиримид, полисульфон, полифениленсульфид и т.д., — добавил А.А. Пыхтин. — В зависимости от характеристик термопластичной матрицы можно существенно варьировать свойства композиционных материалов с пониженными весовыми характеристиками, полученных на их основе. Можно производить материалы гибкие либо жесткие, с повышенными химической, радиационной или температурной стойкостью».

Исследователи глубоко продумали технологию, подобрав наилучшее сочетание размера и концентрации микросфер в термопластах, а также оптимальные режимы 3D-печати и экструзии при использовании новых материалов на производстве. «Испытания полученных композиционных материалов проходили в соответствии с государственными стандартами и авторскими методиками, разработанными на кафедре химии и технологии переработки пластмасс РТУ МИРЭА, — отметил А.А. Пыхтин. — Оптимальное соотношение полых стеклянных микросфер и полимерной матрицы составляет 35/65 объемных процентов».

Возможности новых материалов позволяют использовать их в изготовлении деталей корпусов и элементов интерьера самолетов и автомобилей, защитных кожухов и других изделий, вплоть до средств малой авиации. Разработчики отмечают, что полученные композиты могут с успехом заменять многие металлические детали в нагруженных конструкциях.

«В будущем мы совместно с нашим технологическим партнером АО “НПО «Стеклопластик им. Н.Н. Трофимова” планируем разрабатывать композиционные материалы с пониженными весовыми характеристиками и повышенной прочностью, — добавил А.А. Пыхтин. — Данные параметры могут быть достигнуты за счет разработки технологии получения полых стеклянных микросфер с более прочными оболочками».

Достижение ученых открывает путь к снижению массы критически важных промышленных изделий с сохранением их надежности и без необходимости серьезно перестраивать процесс производства. Исследование вносит вклад в укрепление технологического суверенитета страны, предлагая отечественную замену дорогостоящим зарубежным материалам. Статья о разработке представлена в журнале «Пластические массы».

Новость подготовлена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ

Источник: пресс-служба РТУ МИРЭА. 

Фото на превью: пресс-служба РТУ МИРЭА. 

Фото на странице: пресс-служба РТУ МИРЭА (в т.ч. фото Анзора Курбанова).