14.577.21.0095

1. Создание композиционных материалов на основе наноструктурированного углерода с повышенными не менее чем в 2 раза стойкостью к рентгеновскому излучению, не менее чем в 1,3 раза термостойкостью, не менее чем в 2 раза теплопроводностью, по сравнению с аналогами на основе эпоксидной смолы.
2. Создание композиционных материалов на основе модифицированного углеродного волокна, устойчивых до 1400 °С.
3. Создание композиционных материалов на основе эластомеров и углеродного волокна или углеродных нанотрубок, устойчивых до 400 °С.

Проблема защиты конструкций и биологических объектов от воздействия потоков микроволнового излучения разрабатывается не один десяток лет, но по-прежнему актуальна. Исключительная сложность данной проблемы вызвана разнообразием видов излучения, их интенсивности, спектрального и пространственного распределения. Это разнообразие привело к формированию самостоятельных по методам и средствам подходов к защите от излучений в радиотехнике, ядерной энергетике, ракетной и космической технике, технологиях обработки материалов и неразрушающего контроля. В настоящее время многомасштабность становится все более распространенным приемом, повышающим точность и глубину их анализа физических процессов. В настоящей работе многомасштабный подход применяется при разработке технологии получения нового поколения композиционных материалов с повышенной термостойкостью, повышенной стойкостью к коротковолновому, в том числе рентгеновскому излучению. Появление таких материалов открывает возможность создания более совершенных систем защиты от различных видов излучения, чем уже известные.

В рамках ПНИ разрабатываются новые композиционные материалы (КМ) с повышенной термостойкостью и повышенной стойкостью к рентгеновскому излучению.

В качестве матрицы при создании композиционных материалов на основе эластомера был выбран обладающий наибольшей теплостойкостью силоксановый каучук, а в качестве наполнителя - углеродные нанотрубки и рубленые углеродные волокна различной длины. Для улучшения адгезии наполнителя к матрице, проводилась поверхностная модификация волокна и углеродных нанотрубок.

Для увеличения термической стабильности композиционных материалов на основе углеродного волокна была разработана технология модификации углеродного волокна углеродными нанотрубками и фуллеренами.

Для всех полученных образцов были определены прочностные характеристики,  проведены испытания на термостойкость, теплопроводность, а также климатические испытания. 

Проведено математическое моделирование температурного и напряженно-деформированного состояния композиционных материалов на основе наноструктурированного углерода для условий воздействия микроволнового, в том числе рентгеновского излучения. Проведено математическое моделирование удельной теплоемкости, модуля упругости композиционных материалов на основе наноструктурированного углерода.

Экспериментально изучено получение химически модифицированных углеродных наноструктурированных материалов. Экспериментально изучено нанесение электропроводного полимерного покрытия на углеродное волокно с целью изготовления композиционных материалов на основе углеродного волокна и наноструктурированных форм углерода. Разработан метод получения композиционных материалов на основе силоксанового эластомера и многостенных УНТ, а также УНТ, покрытых полипирролом и полидофамином, изготовлены экспериментальные образцы. Разработан способ изготовления композиционных материалов на основе рубленого углеродного волокна, а также, химически модифицированного рубленого углеродного волокна и эластомера. Разработан лабораторный технологический регламент получения композиционных материалов на основе углеродного волокна и эластомера. Изготовлены экспериментальные образцы.

Изучены поверхностная и объемная модификации углеродного волокна наноструктурированными формами углерода. На основании анализа литературных данных для работы выбран метод объемной модификации многостенными углеродными нанотрубками и фуллеренами. Выбраны оптимальные условия изготовления модифицированных углеродных волокон. Проведено изучение реологических свойств дисперсий углеродных нанотрубок и прядильных растворов. На основе разработанных лабораторных регламентов изготовлены экспериментальные образцы углеродного волокна из ПАН-прекурсора, модифицированные фуллеренами и многостенными углеродными нанотрубками.

Разработана Программа и методики испытаний экспериментальных образцов композиционных материалов на основе наноструктурированного углерода. Испытания экспериментальных образцов КМ на термостойкость показали, что потеря массы при 400°С (для КМ на основе силоксанового эластомера) и 1400°С (для УУКМ) не превышает 5%.  Испытания экспериментальных образцов КМ на теплопроводность показали, что КМ на основе силоксанового эластомера обладают теплопроводностью до 0,42 Вт/м•К, УУКМ - от 36 до 54 Вт/м•К. В ходе определения прочностных характеристик экспериментальных образцов КМ было установлено, что при армировании силоксановой матрицы УНТ модуль упругости увеличивается на 15-45%, а УВ - до 92%, для УУКМ модуль упругости при растяжении составляет от 85 до 94%. Климатические испытания экспериментальных образцов КМ показали, что климатическое воздействие эквивалентное 10 000 часам мало влияет на прочностные характеристики, характер разрушения, морфологию и теплоемкость образцов. 

Реализация данного проекта позволит создать композиционные материалы, обладающие рядом уникальных свойств: высокой термо- и радиационной стойкостью, высокими показателями прочности и пластичности. Широкое внедрение таких композиционных материалов способно существенно повысить качество выпускаемой в России высокотехнологической продукции, особенно в тех областях, где требуется особенно высокая надёжность и устойчивость изделий к неблагоприятным факторам, в частности, к высоким температурам и рентгеновскому излучению. Разрабатываемые композиционные материалы могут использоваться для изготовления термостойких деталей конструкций перспективных ракет, космических аппаратов и энергетических установок с улучшенными механическими характеристиками.