Углеволокно предложили сшивать нанотрубками

Прочность деталей из сшитого углеволокна оказалась на 30 процентов больше 29 Август 2016, 06:27
Массачусетский технологический институт предложил при производстве композитных деталей сшивать слои углеволокна между собой при помощи углеродных нантрубок. Как пишет Aviation Week, разработчики уже провели испытания предложенного способа и выяснили, что композитные детали, сделанные из сшитых нанотрубками углеволокон, оказались на 30 процентов прочнее обычных композитных элементов.

При производстве композитных деталей углеволокно выкладывается на рабочую поверхность параллельными слоями, а затем заливается отвердевающим полимерным связующим. Композиты отличаются от традиционных материалов более высокой прочностью и меньшей массой, поэтому их все чаще используют в авиации и автомобильном спорте для облегчения конструкции техники.

В некоторых случаях от сильного удара может происходить расслоение деталей из композиционных материалов. Дело в том, что наложенные друг на друга слои удерживаются вместе только полимерным связующим. При сильном ударе оно может растрескиваться и перестает выполнять свою функцию.

Для того, чтобы избегать расслоения, некоторые разработчики предлагали сшивать слои углеволокон или углеткани z-образными стежками полимерной нити. Однако этот метод не получил распространения, поскольку он приводит к повреждению самих углеродных волокон во время сшивания. Впоследствии это негативно сказывается на прочности готовой композитной детали.

В способе, предложенном разработчиками из Массачусетского технологического института, механическое сшивание слоев углеволокон иглой отсутствует. Исследователи выращивают углеродные нанотрубки в печи методом химического осаждения из паровой среды. При этом трубки имеют небольшую длину и расположены вертикально.

После выращивания слой таких нанотрубок выкладывается на слой обычного препрега, заранее пропитанной связующим углеткани. При этом нанотрубки располагаются перпендикулярно волокнам в ткани. Поверх слоя нанотрубок выкладывается следующий слой препрега. При вакуумировании и последующем запекании нанотрубки самостоятельно продавливаются между углеродными волокнами, сшивая слои.

Толщина выращиваемых нанотрубок в несколько раз меньше толщины углеродных волокон. Поэтому при вакуумировании, когда происходит сдавливание выложенной на специальной оснастке детали из препрега, нанотрубки сами попадают в пространство между углеродными волокнами.

В лаборатории исследователи провели эксперимент, создав композитную деталь из 16 слоев препрега, сшитых между собой углеродными нанотрубками. Затем разработчики провели испытание на прочность, в котором металлический болт с усилием протягивался через отверстие в детали. В этом тесте композитная деталь показала на 30 процентов большую прочность, по сравнению с обычной деталью из препрега. При сдавливании участка деталь выдержала на 14 процентов большее усилие.

Сегодня для производства композитных деталей используются два основных метода: выклейки из препрегов и вакуумной инфузии. В первом случае заранее пропитанные связующим слои углеткани выкладываются в специальную форму, запечатываются в вакуумный пакет, вакуумируются и запекаются в автоклаве при определенной температуре для застывания связующего.

Метод выклейки из препрегов позволяет относительно быстро выпускать композитные детали, но требует сложного оборудования и строгого соблюдения сроков производства. В частности, срок хранения препрегов с момента производства редко превышает 30 суток. Выпекание деталей в автоклавах производится под давлением до шести атмосфер на протяжении нескольких часов. Методом выклейки из препрегов изготавливаются, например, панели планеров истребителей МиГ-29.

В случае с методом вакуумной инфузии используются либо полоски из углеволокна, либо углеткань. Ни те, ни другая не пропитаны связующим. После того, как все слои выкладываются на оснастку, они запечатываются в вакуумный пакет с подсоединенными к нему трубками. По одной трубке из пакета откачивается воздух, а по другой подается связующее. Затем деталь в пакете выпекается в обычной промышленной печи.

Метод вакуумной инфузии позволяет изготавливать детали быстро, относительно дешево и без жесткой привязки к срокам хранения материалов. Сухое углеволокно может храниться до трех лет с момента изготовления. Полимерное связующее же хранится замороженным в холодильниках на протяжении нескольких месяцев. Вакуумная инфузия позволяет при выпекании склеивать несколько деталей вместе, и получается единая конструкция. Этим методом производятся верхняя и нижняя панели крыла перспективного пассажирского самолета МС-21.