Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка новых полимерных матриц на основе фталонитрилов для полимерных композиционных материалов с температурами эксплуатации выше 350 С.

Докладчик: Кепман Алексей Валерьевич

Должность: Заместитель генерального директора, к.х.н.

Цель проекта:
1. Развитие аэрокосмической области, создает потребность в новых материалах для разрабатываемых высокотехнологичных изделий. Требуются легкие устойчивые к окислению и высоким температурам материалы, которые обладали бы при этом высокими механическими характеристиками и могли бы быть использованы, в том числе и в космическом пространстве. Производимые в настоящий полимерные матрицы для ПКМ обеспечивают длительную эксплуатацию изделий до 280°С, что является недостаточным для решения современных задач авиа-, двигателе- и ракетостроения. Задачей настоящего проекта является разработка новых полимерных матриц на основе фталонитрилов, позволяющих повысить максимальную температуру эксплуатации изделий из ПКМ выше 350°С. 2. Целью реализуемого проекта является разработка полимерных связующих с высокой термической стабильностью на основе фталонитрилов, включая разработку методов синтеза полимерных матриц и методических подходов получения ПКМ на их основе. Формирование научно-технического задела для организации производства полимерных связующих позволяющих производить изделия из ПКМ с температурой эксплуатации до 350 °С методами RTM и вакуумной инфузии в интересах ракетно-космической и оборонной промышленностей.

Основные планируемые результаты проекта:
1. В результате реализации проекта будут разработаны методы синтеза и изучены свойства фталонитрильных мономеров и отвержденных полимеров на их основе, изучено влияние катализаторов на отверждение фталонитрильных мономеров, разработаны рецептуры связующих на основе фаталонитрилов для ПКМ, определены физико-механические свойства ПКМ и отработаны режимы их формования по различным технологиям, сформулированы преимущества и рекомендации по применению новых связующих.

2. Планируется, что разработанные связующие будут обеспечивать получение ПКМ на основе углеродных волокон со следующими характеристиками:
- прочность при растяжении вдоль волокон не менее 2 ГПа;
- прочность при сжатии не менее 1ГПа;
- прочность при межслоевом сдвиге не менее 65 МПа;
- прочность при сдвиге в плоскости не менее 70 МПа;
Сохранение прочности при 300°С не менее 50% от соответствующих значений при комнатной температуре.

3. В рамках проекта впервые будут разработаны новые фталонитрильные связующие с низкой температурой плавления, способные после полимеризации выдерживать температуры эксплуатации выше 350°С. Низкая температура плавления будет достигнута путем использования принципиально нового подхода, подразумевающего включение гибких силоксановых мостиков в структуру мономера. Фталонитрильные связующие полимеризуются без выделения газообразных продуктов, что позволит снизить давление при формовании или проводить процесс отверждения только при атмосферном давлении, т.е. впервые позволит использовать наиболее перспективные технологии, такие как вакуумная инфузия или вакуумное формование препрегов для изготовления изделий из ПКМ эксплуатирующихся при температурах выше 350°С.

4. В США, на протяжении более 20 лет, активно ведётся разработка фталонитрильных связующих группой Тедди Келлера. За это время группой Келлера опубликовано более 10 статей и получено более 10 патентов по данной тематике. В 2013 г., в новостном издании Composite worlds, появилось сообщение о получении фталонитрильного связующего с низкой температурой плавления, но детали разработки не раскрываются. Количество публикаций по теме фталонитрильных связующих за последние годы существенно выросло с 5-6 в год в 90-х до 20 статей в 2012 г. Появились сообщения о начале коммерческого выпуска данных материалов в США.
Существующие в настоящий момент в РФ разработки связующих для ПКМ с температурами эксплуатации выше 350°С технологически мало применимы, так как разработанные связующие обладают высокой температурой плавления, как правило выше 150°С, что делает невозможным изготовление препрегов на их основе, а так же затрудняет применение литьевых технологий. Данный факт делает технологически невозможным применение существующих высокотемпературных материалов.

5. Снижение температуры плавления фталонитрильных мономеров с сохранением термической стабильности связующих на их основе, планируется достичь за счёт введения гибких силоксановых мостиков в структуру мономера. Комплекс заявленных результатов планируется достигнуть за счет тесного сотрудничества с МГУ имени М.В. Ломоносова и потенциальными потребителями результатов проекта.


Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1. Результат проекта будет востребован ракетно-космической, авиационной и судостроительной отраслями и оборонной промышленностью. Реализация проекта позволит создать новые полимерные композиционные материалы, превосходящие зарубежные аналоги и послужит заделом для целого направления работ по разработке связующих на основе новой компонентной базы.

2. Наиболее востребован класс разрабатываемых материалов при создании новых образцов космической техники и авиационных двигателей.

3. Применение нового класса связующих, позволит эксплуатировать изделия из ПКМ при температурах выше 350°С, что даст возможность применять прочные и легкие композиционные материалы в конструкциях, где раньше было возможно применение только металлов. Замена металлических конструкций на композитные позволит существенно снизить вес узлов и деталей эксплуатирующихся при высоких температурах, что в свою очередь даст возможность конструкторам создавать новые виды гражданской и специальной техники с уникальными тактико-техническими характеристиками.

Текущие результаты проекта:
Впервые синтезировано шесть ранее не описанных мономеров. Проведен анализ температуры стеклования полученных мономеров. Проведено отверждение мономеров и изучена их теплостойкость.
Полученные мономеры не склонны к кристаллизации и переходят в стеклообразное состояние при охлаждении. Введение фрагмента, содержащего SiMeMe приводит к минимальной температуре стеклования 0-1°С, фрагмент SiMePh приводит к температуре стеклования около 10°С , фрагмент SiPhPh приводит к температуре стеклования 20-25°С. Таким образом лучшее агрегатное состояние обеспечивает SiMeMe. Все полученные мономеры обладают наименьшей температурой размягчения из описанных в литературе, при этом в отвержденном состоянии мономеры проявляют теплостойкость выше 350°С, свойственную отвержденным фталонитрилам.
Полученные на отчетном этапе результаты прикладной научно-исследовательской работы
оцениваются авторами как впервые полученные.