Регистрация / Вход
Прислать материал

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

Номер контракта: 14.576.21.0039

Руководитель: Кепман Алексей Валерьевич

Должность руководителя: ведущий научный сотрудник

Докладчик: Кепман Алексей Валерьевич, заместитель генерального директора

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
полимерные композиционные материалы (пкм), фталонитрилы,полимерные матрицы, преперги, вакуумная инфузия

Цель проекта:
Развитие современных высоких технологий требует создания принципиально новых изделий из полимерных и конструкционных материалов, обладающих способностью сохранять свои высокие эксплуатационные и технологические характеристики при воздействии различных деструктивных факторов. С расширением области применения полимерных композиционных материалов растут требования к их качеству, прочностным и термическим показателям. Целью выполняемого проекта является разработка полимерных связующих с высокой термической стабильностью на основе соединений из класса фталонитрилов, обеспечивающих возможность создания полимерных композиционных материалов (ПКМ) с температурой эксплуатации до 350°С в интересах ракетно-космической и оборонной промышленности.

Основные планируемые результаты проекта:
В результате выполнения проекта будут созданы новые полимерные матрицы (связующие) из класса фталонитрилов с высокой термической стабильностью, позволяющие получать ПКМ с температурой эксплуатации до 350°С, в том числе будет определена оптимальная химическая структура и разработаны методы синтеза фталонитрильных мономеров, рецептуры полимерных матриц на их основе, технологии их получения и формования ПКМ из них методами вакуумной инфузии, инфекции в форму, прессования и формования из препрегов. В результате проведенных исследовательских работ в соответствии с разработанными технологиями будут получены опытные образцы фталонитрильных связующих и ПКМ на их основе и проведено комплексное определение их основных физико-химических и физико-механических характеристик. Разрабатываемые фталонитрильные связущие и ПКМ на их основе должны характеризоваться высокой термо- и термоокислительной стабильностью, высокими значениями прочностных свойств и показателей трещиностойкости, стабильными при температурах до 350°С, влагостойкостью, для связующих приемлемой технологичностью для их переработки и изготовления качественных изделий.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Разрабатываемые фталонитрильные матрицы благодаря высокой теплостойкости и прочностным характеристикам, не уступающим, а по некоторым параметрам и превосходящим, известным на сегодняшний день термостойким аналогам, обеспечат возможность длительной эксплуатации изделий из ПКМ на их основе в условиях воздействия повышенных температур и давлений в составе различных объектов авиационной и космической техники различного назначения. Отличием разрабатываемых фталонитрильных матриц от существующих на сегодняшний день аналогов является их улучшенная технологичность, благодаря пониженным температурам плавления мономеров до 20°С и расширенному температурному интервалу их переработки, позволяющая проводить изготовление ПКМ с применением широкого спектра современных методов вакуумного и автоклавного формования из препрегов, вакуумной инфузии и инфекции в форму. Для решения задачи по улучшению технологичности полимерных матриц было проведен анализ, определение химической структуры и синтез новых ранее не описанных мономеров из класса фталонитрилов. Применение новых структур потребовало разработки новых подходов к получению полимерных связующих и формованию ПКМ на их основе, в том числе с отработкой соответствующих технологических процессов на базе известных методов формования.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Композиционные материалы со стабильными эксплуатационными характеристиками в условиях действия повышенных температур до 350…400°С могут быть востребованы при изготовлении образцов ракетно-космической, авиационной, судостроительной и оборонной техники. Замена металлических материалов на композиционные позволит существенно снизить вес узлов и деталей, эксплуатирующихся при высоких температурах, и даст возможность проектировать новые виды гражданской и специальной техники с уникальными тактико-техническими характеристиками. Созданные лабораторные технологии получения фталонитрильных матриц и формования ПКМ на их основе в интересах изготовления изделий из ПКМ с высокой теплостойкостью для ракетно-космической и оборонной промышленности послужат основой для проведения опытно-технологических работ в целях дальнейшей реализации и коммерциализации результатов проекта.

Текущие результаты проекта:
В результате выполнения работ по проекту в 2014-2015 г.г. проведена отработка методов и подобраны оптимальные условия синтеза наиболее перспективных ранее не описанных структур фталонитрильных мономеров с силоксановыми связывающими фрагментами с уникально низкой температурой плавления до 20°С и с фенилфосфатным фрагментом, обладающим наряду с низкой температурой плавления более высокой стойкостью к окислению и свойствами антипирренов. Оптимизация методов синтеза фталонитрильных мономеров обеспечила получение выхода целевых продуктов до 95% со степенью чистоты до 99%.
Разработаны рецептуры термостойких связующих на основе синтезированных фталонитрильных мономеров с подбором эффективных каталитических систем отверждения из класса диаминов (диаминодифенилсульфон, диамин Р), где в качестве модификатора свойств предложено и синтезировано соединение из класса фталонитрилов, позволяющее повысить на 15..20% прочностные свойства связующих и существенно улучшить их термостойкость.
Отработан процесс отверждения фталонитрильных связующих по ступенчатому режиму с постепенным повышением температуры до 375°С, обеспечивающий получение температуры стеклования до 430°С для связующих с силоксановым фрагментом и до 480°С для связующих
с фенилфосфатным фрагментом.
Разработана лабораторная технология синтеза фталонитрильных мономеров и изготовления связующих на их основе и получены опытные образцы связующих для определения комплекса их физико-химических и механических свойств. По результатам исследовательских испытаний получена высокая термическая и термоокислительная стабильность фталонитрильных связующих до 500..520°С, повышенные механические свойства связующих при растяжении и изгибе по прочности до 70 МПа и модулю упругости до 4,5 ГПА. Для разработанных фталонитрильных связующих показана повышенная в 1,5 раза теплостойкость и улучшенные на 15…20% параметры трещиностойкости по сравнению с существующими на сегодняшний день аналогами из класса фталонитрилов и полиимидов.
Проводятся работы по отработке технологии изготовления и формования ПКМ на основе разработанных фталонитрильных связующих и углеродных армирующих материалов методами вакуумной инфузии и инжекции в форму. По разрабатываемой лабораторной технологии изготавливаются опытные образцы для определения комплекса физико-химических и механических свойств.
По результатам проведенных исследований подана заявка на патент на тему «Модифицированный кремнийорганическими фрагментами фталонитрильный мономер, способ его получения, связующее на его основе и препрег (заявление №2014142910 с приоритетом от 24.10.2014 г.), опубликована научная статья на тему "Low-melting siloxane-bridged phtalonitriles for heat-resistant matrixes" (European Polymer Journal, Volume 66, May 2015, Pages 452-457).
Полученные при выполнении проекта результаты были представлены на ХХ научно-технической конференции молодых ученых и специалистов (10-14 ноября 2014 г., г. Королев МО, РКК "Энергия" имени С.П.Королева), международной конференции Thermosets 2015 From monomers to components (16-18 сентября 2015 г., Берлин, Fraunhofer PYCO), а также в рамках II Дальневосточного конгресса инженеров «Наука-инженер-промышленность» (6-7 сентября 2015 г., г. Комсомольск-на-Амуре, Хабаровский край).