16 февраля

Замену традиционно используемым в авиационном двигателестроении и ракетостроении металлам алюминию и титану разработали химики МГУ, которые предложили использовать разработанный ими уникальный высоко температуростойкий полимерный материал нового поколения.

Полимерный композитный материал (ПКМ) Московских ученых, обладающий уникальными свойствами, был создан группой ведущего научного сотрудника Алексея Валерьевича Кепмана на кафедре химической технологии МГУ им. М.В. Ломоносова. Новый композит на полимерной основе позволит изготавливать детали и конструкции, работающие при высоких температурах до 400-450С, что позволит заменить используемые ранее аналоги из металлов.

Развитие отрасли производства полимерных композитных материалов для ракетостроения и авиационной техники давно является перспективной темой, в рамках которой в разных странах мира массово происходит замена металлов на компосты нового поколения. Созданный в России материал обладает более высокой удельной прочностью по сравнению с металлом и в то же время имеет меньшую массу, что крайне важно для летательных аппаратов всех классов и типов.

Композиты нового поколения значительно дороже титана и алюминия, к примеру, стоимость килограмма титана или алюминиевых сплавов в 8-10 раз меньше, чем полимерных композитных материалов (ПКМ). Однако при изготовлении крыла из ПКМ условно нужно создать 10 элементов, а для конструкция аналога из металла уже условно 100 элементов. Сам монтаж металлического крыла является значительно более трудоемким и сложным и обходится дороже. Плюс ко всему прочность углепластиков в 6-8 раз выше, чем у алюминия, а удельный вес ниже в 1,5 раза. В итоге самолёт Boeing 787 Dreamliner на 50% состоит из композитов, а показатель использования композитных материалов в истребителе Eurofighter достигает 70%.

Таким образом, преимущества применения более легких и прочных композитных материалов очевидны, поскольку помимо улучшения механических свойств летательных аппаратов, происходит одновременно снижение потребления топлива, увеличивается полезная нагрузка ракет и самолетов, что дает совокупный технический и экономический эффект, превосходящий затраты на разработку новых полимерных композитных материалов.

Помимо прочего композитные материалы, как правило, имеют больший срок эксплуатации и дешевле в обслуживании, поскольку в отличие от металлов не подвержены коррозии.

Обычно ПМК, из которых изготавливают детали самолётов, не выдерживают температуру выше 200С, размягчаются и не держат форму. Перед химиками из МГУ стояла задача создать композитный материал двойного назначения, который при заданных физических характеристиках должен был выдерживать высокие температурные режимы работы - выше 400C. Такой материал необходим, к примеру, чтобы использовать его при изготовлении лопаток компрессора реактивного двигателя, которые подвергаются высокому нагреву и должны выдерживать высокую температуру.

Прочность и температурная устойчивость пластиков сегодня достигается за счет исходных материалов и конструкции изделий, когда полимерная связующая матрица наполняется армирующим наполнителем. например, в углепластиках в качестве армирующего наполнителя используется углеродная ткань, а связующей матрицей выступает эпоксидная смола. В решении, которое было найдено группой Алексея Кепмана, в качестве связующей матрицы были использованы полимеры из фталонитрильных мономеров, которые относительно легкоплавки при повышенных температурах, но одновременно при затвердевании остаются стабильными и прочными при температурных режимах выше 400С. За счет большей гибкости полученного полимера, достигнутого за счет внедрения специальные группы в молекулу мономера.

Таким образом, российские химики создали уникальные полимерные матрицы и получили вещества, из которых легче изготавливать термостойкие детали сложной формы с минимальным количеством соединительных элементов.

Группа А. В. Кепмана работала над получением новых полимерных матриц для ПКМ в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014 - 2020 годы». В настоящее время первые партии деталей, изготовленные с использованием материала группы Кепмана, и установленные в реактивных двигателях, проходят испытания на стендах в Центральном институте авиационного моторостроения (ЦИАМ) им. П.И. Баранова и в Казанском национальном исследовательском техническом университете им. А. Н. Туполева.

Последние 10 - 12 лет комплексные работы в области создания высокопрочных высокотемпературных ПКМ ведутся в наиболее развитых с военной точки зрения странах - России, США и Китае. Помимо авиационной и ракетно-космической тематики полимерные композитные материалы используются при изготовлении автомобилей премиум-класса, гоночных болидов Формулы 1, а также являются перспективной областью и для подводного флота. В частности, данные разработки ведутся в США, где компосты этого класса испытываются в качестве внутренних переборок подводных лодок. Композиты группы ПКМ помимо прочности и температурной стойкости также абсолютно не горючи, что крайне важно для безопасности подводных лодок. Значительный объем исследований в этой области происходит в закрытом режиме.

На фото: на химическом факультете МГУ создали полимер, способный заменить алюминий и титан в авиалайнерах.