Цианатэфирные связующие и углепластики на их основе

Россия, Ярославская область, г. Переславль-Залесский
E-mail: info@niikam.ru
(тел./факс (48535)68120, 31535 )
Цианатэфирные
связующие и углепластики
на их основе
Аристов В.Ф., Вихров И.А.
В настоящее время всё более широкое применение
композиционные материалы находят в:
авиации
автомобилестроении
судостроении
Производители препрегов в этих сферах
Ежегодно в США, Европе и Азии производятся десятки тысяч
пропиточных машин, например фирмами:
“Microsam” (Македония)
“Kroenert” (Германия) и др.
Все эти машины рассчитаны на массовый рынок относительно простых и
дешёвых препрегов на основе стеклотканей, низко или среднемодульных
углеродных волокон и эпоксидных либо эпоксифенольных связующих.
Требования к препрегам для космических аппаратов
Препрег для космоса совершенно другой, чем для наземной или
авиационной техники
Специфические требования к углепластикам для космических
конструкций:
•
высокая жесткость и размеростабильность;
•
низкое влагопоглощение;
• высокая трещиностойкость при многократных циклических перепадах
температур (например ± 160 ̊С);
•
низкий КЛТР;
Этим требованиям лучше всего удовлетворяют углепластики на основе
высокомодульных углеродных волокон и цианатэфирных связующих.
Сравнительные характеристики водопоглощения и диэлектрических
свойств цианатэфирных, бисмалеимидных и эпоксидных связующих
Водопоглощение (в кипящей H2O), %
Диэлектрическая постоянная, 1 МГц*
1
2
0
1
2
3
4
5
6
Цианатэфиры
Бисмалеимиды
3
4
Эпоксиды
5
6
1
2
3
4
Набухание (объемн. %)
•Кроме того, тангенс угла диэлектрических потерь для цианатэфирных связующих примерно на порядок меньше
чем у эпоксидных или бисмалеимидных связующих
Примеры использования композитов на основе цианатэфирных
связующих (производитель Tencate, США) и высокомодульных
углеродных волокон
1.
2.
3.
4.
1 – Обшивка сотовых панелей супер-легковесного грузовика
для доставки оборудования на Хаббл.
2-4 – Каркас (2) и несущая конструкция (3) для системы зеркал
(4) космического телескопа имени Джеймса Вебба.
5 – Корпус частного орбитального самолета Lynx Mark II
5.
Использования данного типа материалов обусловлено их
исключительной размеростабильностью и устойчивостью к
микротрещинам при экстремально низких температурах
Рынок препрегов для космонавтики
Американские фирмы-монополисты данной области: “Tenсate” и “Cytec”
Узкоспециализированные пропиточные машины для «космического»
препрега эти фирмы разработали и изготовили сами для себя
Ни одна из фирм, торгующих пропиточным оборудованием, не имеет опыта
изготовления машин для высокомодульных углеродных волокон и
цианатэфирного связующего.
Ни одна из этих фирм не обладает так же соответствующей технологией
пропитки, т. к. производство цианатэфирных связующих монополизировано теми
же американскими фирмами и они продают только готовый «космический»
препрег, не продавая цианатэфирного связующего для него.
В ООО «НИИКАМ» была проведена разработка
цианатэфирного связующего и освоено его
лабораторное производство.
Разработана конструкция специализированной
пропиточной машины и технология пропитки на ней
высокомодульных углеродных волокон
цианатэфирным связующим.
Технические характеристики линии:
Пропиточная машина
Основа: углеродная ткань, углеволокно
Поверхностная плотность волокон: 70 г/м² - 160 г/м²
Поверхностная плотность ткани: 80-1000 г/м²
Материал покрытия: термоактивные смолы
Содержание связующего: 30-50%
Точность покрытия смолой: +/-0,5% при 50 г/м²
Габариты линии (LxBxH): 20м x 2.5м x 3.5м
Ширина роликов: 350 мм
Рабочая ширина: 300 мм
Механическая скрость: 0.2-10 м/мин
Рабочая скорость: 0.2-3 м/мин
Преимущества пропиточной машины разработки НИИКАМ:
1. все валы и другие детали машины, контактирующие с горячими связующим и
препрегом керамические;
2. прецизионная система регулировки и поддержания одинакового натяжения на всех
нитях однонаправленного препрега;
3. уникальное устройство плющения обеспечивает расплющивание без повреждения
волокна;
4. автоматизированное неконтактное неразрушающее измерение массы связующего
и его процентного содержания в препреге, обеспечивает равномерное содержание
связующего по всей длине и ширине рулона с точностью ± 0.5%;
5. высокоточные системы регулирования и поддержания температуры и давления в
каландрах, в зонах прогрева, пропитки и охлаждения;
6. автоматическая замена антиадгезионных бумаг, оптимальных для
каландрирования, на антиадгезионную бумагу и плёнку, оптимальных для хранения
препрега;
7. управляющий компьютер и специализированное программное обеспечение
позволяют с высокой точностью обеспечивать необходимые технологические
режимы, в том числе режимы «по памяти».
Сравнение композитов на основе цианат-эфирных связующих и
высокомодульных углеродных волокон, разработанных
ООО «НИИКАМ» (Россия) и Tencate (США)
Тип препрега
Модуль Юнга
КЛТР*,
при изгибе,
-6
-1
[10 К ]
[ГПа]
при Т=20°С
Предел
прочности
при изгибе,
МПа
при Т=20°С
Равновесное
влагопоглощение
Температура
при Т=25°С и
стеклования*,[°С] влажности воздуха
85%
ОПМ/ЛКВ,
[%]
(США)
EX-1515/M55j
61
314
1100
120
0,05 %
0,18/0,01
52
320
1600
125
0,04 %
0,10/0,01
(Россия)
НИИКАМ-РС/M55j
[патент RU 2484102]
*- для отверждённой при температуре 120 °С смолы
Видно, что новая разработка ООО «НИИКАМ» позволяет создать углепластики, не уступающие и даже
превосходящие по основным свойствам углепластики фирмы Tencate. На основе этих углепластиков можно
развивать новые поколения изделий для космической и авиационной промышленности, в том числе антенные
комплексы, несущие конструкции и др.
Производство препрега, изготовление образцов углепластика
(раскройка, термо-вакуумное формование),зеркальность поверхности.
Измерение параметров шероховатости поверхности образцов
углепластиков на основе адамантан-содержащего
цианатэфирного связующего с напылением из алюминия
Шероховатость Ra в мкм
Ra
пар
Ra пар
средн
S
Δ
Ra
пер
0.042
0.055
0.041
0.040
0.034
0.039
0.003
0.004
0.036
0.038
0.052
0.041
0.038
Ra
пер
средн
S
0.044
0.009
Δ
Ra параллельно волокнам – 0,039 ± 0,004 мкм
Ra перпендикулярно волокнам - 0,044 ± 0,011 мкм
0.011
Шероховатость Rz в мкм
Rz
пар
Rz
пар
средн
S
Δ
Rz
пер
0.211
0.200
0.222
0.173
0.191
0.210
0.012
0.015
0.166
0.205
0.189
0.219
0.149
Rz
пер
средн
0.175
S
Δ
Rz параллельно волокнам – 0,210 ± 0,015 мкм
Rz перпендикулярно волокнам - 0,175 ± 0,025 мкм
0.020
0.025
Спасибо за внимание!