| Аннотация |
Суперконструкционные полимеры (СКП) — это класс полимерных материалов, превосходящих по свойствам традиционные полимеры. К таким полимерам относят семейства полиарилэфиркетонов (ПАЭК, англ. PAEK), полиарилсульфонов (ПАСУ, англ. PASU), полиэфирсульфоны (ПЭС, англ. PES) и другие. Данные полимеры, такие как полиэфирэфиркетон (PEEK), полиэфиркетонкетон (PEKK), полисульфон (PSU) и полифениленсульфон (PPSU), обладают уникальными свойствами: в первую очередь, высокой термостойкостью, а также химической устойчивостью, высокой удельной прочностью и биосовместимостью. С 1980-х годов ПАЭК используется в машиностроении, демонстрируя отличную обрабатываемость. Полимеры группы ПАЭК представляют собой термопластичные полимеры с температурой плавления 320-370°C. В группе ПАЭК наиболее широко известны два полимера; первый – полиэфирэфиркетон (PEEK), а другой – полиэфиркетонкетон (PEKK). PEKK обычно встречается либо в полукристаллическом, либо в аморфном виде, в то время как PEEK может иметь уровень кристалличности до 40%. Аморфная природа PEKK способствует межслойной диффузии полимерных цепей и адгезии слоев, но PEEK имеет более высокую температуру непрерывного использования (250 °C), чем PEKK (150 °C, необработанный). Данные материалы обладают высокой биосовместимостью и близостью физических и механических характеристик к характеристикам человеческой кости, что делает PEEK и PEKK применимыми для производства имплантов. Ввиду высокой технологичности, данные материалы широко применяют в различных отраслях промышленности. PEKK применяют для 3D-печати деталей. Например, PEKK применён в Boeing CST Starliner, а также для изготовления шлемов астронавтов, производимых SpaceX. Предлагается использовать PEKK для аддитивного производства непосредственно на международной космической станции, рассматривается использование в космосе или за пределами Земли в будущем. Объём общемирового рынка PEKK в 2022 году оценивался более чем в 450 млн долларов США. Ожидается среднегодовой рост рынка полиэфиркетонкетона примерно на уровне 6‑11% и достижение объёма 900 млн долларов США к 2030 году. Уникальность полиэфирсульфонов связана с их химической структурой, содержащей сульфонные и эфирные группы, обеспечивающие высокий уровень термостойкости (до 180–200 °C) и превосходную химическую устойчивость. Материал сохраняет свои механические свойства в широком диапазоне температур, отличается низким газо- и водопоглощением, а также высокой устойчивостью к УФ-излучению и радиации.
Свойства PASU и PES включают высокую прочность, жесткость, износостойкость, стабильность размеров и хорошую электроизоляцию. Они обладают высокой прозрачностью, что расширяет область их применения в оптических устройствах. Кроме того, они характеризуются хорошей технологичностью и могут перерабатываться методами литья под давлением и экструзии. Ключевым аспектом развития авиа- и ракетостроения является повышение эффективности летательных аппаратов – увеличение дальности полёта и количества полезной нагрузки. Один способ увеличения общей эффективности – повышение весовой эффективности конструкции летательного аппарата, то есть снижение массы конструкции при сохранении её прочности и жесткости. Материалами с наибольшей удельной прочностью и жесткостью являются различные волокна – углеродные, стеклянные, борные и др. На их основе изготавливают композиционные материалы с полимерной матрицей – углепластики, стеклопластики, боропластики и другие. Полимерные композиционные материалы (ПКМ) традиционно изготавливали из волокнистых армирующих наполнителей и реактопластичной матрицы. Основными сложностями жизненного цикла конструкций из таких ПКМ являются долгий цикл формования (реакционного отверждения смолы), низкая ремонтопригодность и сложность с утилизацией таких конструкций. Невозможно без нарушения сплошности матрицы и армирующих волокон восстановить разрушенную зону. Это приводит к существенному ухудшению прочностных и жесткостных характеристик. Также утилизация возможна только механическим способом (измельчение и использование в качестве дисперсного наполнителя в менее ответственных объектах). Применение термопластичных матриц, обладающих возможностью многократного фазового перехода из твёрдого состояния в жидкое, позволит быстро формовать изделие и применять такие технологические операции как сварка и пайка, что позволит существенно увеличить производительность производства и ремонтопригодность композитных конструкций. ПКМ активно применяют не только в областях авиа- и ракетостроения, но и нефтегазовой промышленности. Композитные трубы с реактопластичными матрицами обладают низкой технологичностью и ремонтопригодностью. Термопластичные суперконструкционные полимеры, такие как PEEK и PEKK, применённые в качестве матриц композитных труб, позволят обойти данные ограничения. Современные парадигмы проектирования сложных технических систем основываются на численном моделировании поведения проектируемого изделия и его компонентов в течение различных процессов жизненного цикла. Для проведения численного моделирования необходимы справочные данные о характеристиках материалов. Для классических материалов существуют верифицированные справочные данные для широкого спектра свойств. Для композиционных материалов, ввиду их специфической природы и большого количества варьируемых параметров, значимо влияющих на свойства и характеристики материала, количество справочных данных мало. Справочные данные о характеристиках ПКМ с термопластичной матрицей из суперконструкционных полимеров, применимые при численном моделировании ПКМ в пакетах CAE (Computer-Aided Engineering), отсутствуют ввиду новизны данного класса материалов.
Ожидаемые технические решения и их новизна:
1. Разработка композиционных материалов:
Создание новых препрегов и компаундов на основе спецполимеров, армированных непрерывными и дискретными волокнами.
Использование методов суспензионного, порошкового, пленочного формования и компаундирование для получения новых материалов с быстрым циклом формования, высокой ремонтопригодностью и возможностью вторичной переработки.
2. Методики испытаний и база данных:
Разработка программы и методик испытаний для оценки механических, термических и химических свойств спецполимеров и композитов достаточной для получения характеристик материалов, используемых в CAE-системах.
Создание базы данных, содержащей более 40 различных параметров материалов, включая плотность, модули упругости и пределы прочности при растяжении, сжатии, изгибе и сдвиге в различных направлениях, коэффициенты Пуассона, коэффициенты линейного термического расширения, трещиностойкость, механические характеристики армирующих тканей, нитей и волокон (прочность, модуль, удлинение, плотность), а также свойства связующих матриц (прочность, модули упругости, теплостойкость, температура стеклования и др.) для использования в CAE-системах.
Анизотропия свойств композитов проявляется в зависимости от направления воздействия, что обусловлено ориентацией армирующей фазы (волокон, слоев, частиц).
Актуальность базы данных (БД), в которой представлены характеристики материалов с учётом анизотропии по трем направлениям (например, вдоль волокон, поперек и в толщину), заключается в необходимости точного моделирования и проектирования деталей в авиастроении, космической технике и других высокотехнологичных отраслях, где необходимо использование анизотропных (ортотропных) моделей материала. Данные о характеристиках материала с учётом анизотропии позволяет корректно прогнозировать поведение материала при сложных нагрузках, оптимизировать конструкцию, получать точные оценки прочности и долговечности. Представление информации в виде базы данных ускоряет процесс разработки композитов, обеспечивая инженеров достоверными данными для численного анализа (например, в CAE-системах), упрощая доступ к информации, предоставляя удобный инструмент для обновления, хранения и резервирования данных. Кроме того, такая форма представления данных (база данных) позволяет организовать многопользовательский доступ для различных отделов: испытательного, технологического, проектного, а также производственного. Аккумуляция различных данных о материалах: характеристик, описания технологии производства, информации о производителе и прочих сведений в единой информационной системе позволит применять интеллектуальные методы обработки данных и машинное обучение для прогнозирования характеристик материалов.
3. Инновационные аспекты:
Впервые в России будет создана комплексная база данных характеристик термопластичных композитов, что ускорит проектирование изделий и повысит точность моделирования.
Разработанная программа и методики испытаний новых термопластичных композиционных материалов позволит получить комплекс характеристик материалов для численного моделирования с учётом анизотропии свойств композиционных материалов.
Будут получены данные о значениях не менее 40 характеристик термопластичных композиционных материалов по каждому из материалов.
В качестве типовых изделий для отработки методологии моделирования будут спроектированы, изготовлены и испытаны кронштейн-петля (прессование) для запуска БПЛА с катапульты и уголок плоский (литье под давлением) для крепления/усиления элементов интерьера/экстерьера.
Таким образом, проект, направленный на разработку изделий и композитов на основе суперконструкционных полимеров, разработку методик испытаний образцов полимеров и композитов, а также формирование базы данных характеристик термопластичных полимеров и композиционных материалов позволит подготовить практическую и теоретическую база для массового внедрения суперконструкционных полимеров и композитов в различные отрасли промышленности нашей страны. Применение новых материалов, позволяющих создавать эффективные изделия и конструкции, является ключевым аспектом устойчивого развития. Создание отечественных информационных систем и баз данных характеристик материалов являются компонентами технологического суверенитета.
|
