5. Перспективные неметаллические материалы для авиакосмических конструкций.

Композиционные материалы (КМ) разработаны на основе матриц различной химической природы: полимерных(ПКМ), углеродных (УКМ), металлических (МКМ), керамических(ККМ). Комплекс эксплуатационных свойств ПКМ, УКМ, МКМ, ККМ определяется свойствами матриц, наполнителей и взаимодействием компонентов в гетерофазной структуре КМ (табл. 47).

К материалам 1-ого поколения относятся изотропные материалы, которые могут быть однофазными (конструкционные металлические сплавы, объемная керамика, полимеры, модифицированные низкомолекулярными добавками, смеси термодинамически совместимых полимеров и др.) или гетерофазными (композиционными), представителями которых являются материалы, наполненные дисперсными частицами(порошки, короткие волокна) и сохраняющие изотропность свойств на микроуровне. Наполнение полимеров дисперсными частицами позволяет получать ПКМ с более высоким уровнем свойств (особенно, при использовании волокон длиной в 10-100 раз большей критической длины волокна, когда реализуется механизм перераспределения напряжений с матрицы на упрочняющие волокна), а также получать ПМ со специальными свойствами (токопроводящие, электроактивные, магнитодиэлектрицеские, радиопоглощающие и др.). Такое наполнение не дает возможности реализовать главное преимущество ПКМ, наполненных непрерывными волокнами (ВПКМ, армированные ПКМ, Composite Materials), т.е. конструировать структуры высокопрочных и высокомодульных материалов c планируемой анизотропией свойств, что особенно важно для высоконагруженных изделий авиакосмической техники.

Совершенствование ПКМ первого поколения связано с использованием наукоёмких технологий. Примерами таких материалов являются нанокомпозиты, использующие в качестве наполнителей дисперсные частицы наноразмеров (нм=10^-9м) керамической (Al₂O₃, SiO₂, «наноглины») и углеродной (фуллерены, нанотрубки, основное применение которых связано с микро- и нано- электроникой, молекулярной электроникой) природы.

Благодаря высоким значениям активной поверхности наночастиц, композиции приобретают ценный комплекс эксплутационных свойств даже при малом объеме наполнения. Другое направление- получение “молекулярных” композитов на основе жидкокристаллических полимеров, мезофазы которых формируют волокнистые структуры ( принцип самоармирования ,самоусиления ). Механические свойства анизотропных молекулярных композитов аналогичными свойствами полимеров с 20-30 % об. дисперсных наполнений (например, стеклянных волокон).

:

Рис.83. ВКС второго поколения (проекты); 1 – Клипер (РКК «Энергия»); 2 – Венчур Стар (звездный риск), X-33, США; 3 – Hyper-X (5-7 Max, NASA); 4 – ВКС компании Грумман (США) [49].

Р ис. 84. Конструкция (мачта) из эпоксидного углепластика для разнесения блоков стереоскопической антенной системы, использованной для построения объемного изображения земной поверхности с разрешением 15 м[48]:

1. - мачта длиной. 60 м из эпоксидного углепластика;

2. - блок антенной системы, излучающей и принимающей радиосигналы в х-диапазоне (3 см, 10 ГГц, спецрейс Шаттла 1999 г., трехмерная топология 80% земной поверхности);

3. - блок внешней выносной антенны для приема отраженных от Земли сигналов радиолокатора;

4. - трехмерная карта поверхности (переводится в электронную карту, компьютер крылатой ракеты).

Таблица 47. Сравнительные механические свойства конструкционных материалов.

Материалы \ Свойства					Плотность р, г/см3	σ+, ГПа	Е+, ГПа	σ+/ρ, км	Е+/ρ*103
Ненаполненные пластики и ПКМ (однонаправленные волокиты)(1)
Ненаполненные пластики					0,9-1,8	0,02-0,1(0,33)	0,5-17,5	0,1-3,0	0,1-1,0
Стеклопластики					1,6-2,2	0,34-1,7	13-70	30-100	1,1-3,35
Эпокидные стекло-волокниты		Стекло Е			2,0	1,6	56	76	2,6
		Стекло BM-1			2,2	2,1	70	100	3,2
		Стекло E/S			2,1	1/1,62	45/55	80	2,8
		CBAM (15:1, БС6200+ЭДТ)			2,1	0,95	46
		АГ-4С (1:0, МНС101200+Р-2М)			2,1	0,67	38
УГЛЕПЛАСТИКИ					1,3-1,9	0,6-1,8	120-220	33-100	5-15
Однонаправленные углеволокниты (1:0)				Россия	1,5-1,6	1-1,8	80-180 (220)	66-100	8-12
				Зарубежные	1,6	0,76-1,24	145-220	47-78	9-13,75
КМУ-7Л (ВС-2526К+ЛУ24П)*					1,5	0,97-1,5 (с УКН-П-5000)	180-200 (215)	65-100	12-13,3 (14,3)
КУМ-11Э(ЭДТ-69Н-ЭЛУР-0,1П)*					1,5	1,05	143	66	9,5
ОРГАНОПЛАСТИКИ					1,2-1,35	0,78-1,5	60-80	66-100	5-5,8
Однонаправленные кевларопластики (кевлар 49, σ+ 2,8-4; Е+ 125-140)					1,4	1,24	76
Органит 7Н (5-211-БН+нить СВМ №34 σ+ 3,8-4,5; Е 125-135)					1,35	2-2,2	80 (79-95)	148	5,9
Органит 7ТО (полотно ТО-6 из СВМ σ+ 2,5-3,5 Гпа)					1,25	1,2-1,5	65-78
Углеродные материалы и УУКМ
Стеклоуглерод					1,4	0,04-,0,05	32	9	2,28
Поликристаллический графит					1,9	0,042	12	2	0,64
УУКМ «С/С»	Структура 2D				1,45	1,35	175	93	12
	Структура 3D				1,85	0,25	90	14	4,85
	Сепкарб 40				1,3-1,7	0,08-0,11	15-30
	КУП-ВМ-ПУ				1,24-1,4	0,23-0,42	16
Керамические материалы и КМК
Керамические материалы	Изотропные ненаполненые		Керамические материалы		1,9-4,9	0,14-0,37	90-420	2-100	4,7-13,5
			SiC		3,05-3,2	0,31-0,45	360-430(2)
			BN		>1,9	0,3-1,1(2)	50-80
			B4C3		2,5	0,4	400
			AlN		3,24	0,35	310
			Si3N4		1,5-2,3	0,3-0,9	до 630
	КМК (однонап-равленные волокни-ты)		Si/C		2,3-2,5	0,58
			SiC/SiC		2,3-2,5	0,40
			Si3N4/SiC		…	0,69-0,86
			Стекло 7740/C		1,9	1,02	200
Металлы и МКМ(7)
Металлы **					1,8-7,85(3)	0,1-2(8)	40-340	4-53(6)	2,2-3,6(4)
Сплавы алюминия **					2,68-2,8	0,186-0,637(5)	62-73
АМГ-6					2,64	0,34	72	12,9	2,7
МКМ В/А1; ВКА-1А(сплав 01420, Al-2,5 Mg-0,12Zr; 50%Б-1)					2,65	1,2-1,6	220-260
МКМ С/А1; ВКУ-1 (сплав 01420, 45% кулон Т-300)					2,3	1,1	145
МКМ AI2O3/AI (Al+α- A12O3(FP))					3,3	0,56-0,7	220
МКМ SiC/Al (Al+SiC (никалон))					2,6	0,8-1,2	115
МКМ сталь/А1(AI+40% об. Стальная проволока)					4,8	1,57	118
СПЛАВЫ МАГНИЯ **					1,74-1,8	0,186-0,3	39-42
МА-2-1					1,8	0,32	43	17,8	2,4
МКМ B/Mg; BKM-1 (45-48% Б-1, сплав Mg-8Al-lZn)					2,2	1,2	196
МКМ C/Mg:MKУ-l M (45% об. Кулон)					1,83	0,52	290
СПЛАВЫ ТИТАНА **					4,47-4,8	0,7-1,5	103-125
ВТ-3-1					4,5	1,25	110-120	27-28	2,2-2,7
СТАЛЬ **					7,75-8,1	0,3-2,2	186-206
ЭП-679					7,89	1,9	200	24,2	2,54

1. Нужны ПКМ с σ⁺ (250 °С)=2,35 ГПа

2. Сохраняют >80% σ⁺ при 1200 °С

3. Li-0.5

4. Ве-до 6, предел для большинства 2,3-2,6

5. До 0,65-0.80

6. Для большинства σ⁺/ρ ≤ 20-30 км

7. Нужны МКМ с σ⁺(450 °С)>1,45 ГПа после 100 час при 750 °С σ⁺≥0,42 ГПа

* - связующие эпоксидные, остальные эпоксифенолъные

** - в графах для ρ, σ⁺, E⁺, σ⁺/ρ, E⁺/p, приведены интервалы возможных значений

(8) σ⁺_практ в 100-1000 раз ниже σ⁺_теор. σ⁺ аморфных сплавов в 2 раза выше, чем у лучших легированных сталей (σ⁺ сплава Fe₈₀B₂₀ 3,7 ГПа), σ⁺ к 2010г по нанотехнологии материалов до 1010 Н/м² (10 ГПа)

ВПКМ- материалы второго поколения , анизотропные гетерофазные композиции на основе непрерывных армирующих высокомодульных волокон в виде различных текстильных форм (нити, жгуты, ровинги, ленты, ткани). Структура ВПКМ при использовании современного расчетного аппарата , используемого для вязкоупругих тел , может быть оптимизирована по отношению к характеру внешних воздействий и сконструирована с требуемым уровнем анизотропии свойств. ВПКМ , как правило , являются материалами многофункционального назначения, которые в зависимости от свойств компонентов могут сочетать конструкционные свойстве, с тепло- и термостойкостью, химостойкостью, способностью экранировать ионизирующее излучение, радиопрозрачностью, радиоэкранированием, радиопоглощением.

Токопроводящие и магнитодиэлектрические ПКМ, наполненные углеродными компонентами, ферритами, аморфными металлами являются узко- или широко- диапазонными радиопоглощающими материалами, используемыми для уменьшения радиолокационной заметности (УРЗ, технология Стелс).

Основными матрицами ПКМ являются составы на основе реактопластов (отвержденных эпоксидных, фенольных, эпоксифенальных, полиимидных связующих).

Их недостатки стимулировали переход к использованию составов на основе термопластов (термопластичные связующие на основе жесткоцепных полифениленоксидов, полиэфиркетонов, полисульфонов, полиэфиримидов), свойства которых позволяют более полно реализовать высокие упругопрочностные свойства волокон в композиции. Пленочная и волоконная технологии переработки термопластичных ПКМ в изделия существенно упрощает и удешевляет производство изделий из ВПКМ.

При оптимизации структур ВПКМ им придается определенный уровень «интеллектуальности», в части хотя и пассивной, но эффективной реакции материала на внешние воздействия (диссипация энергии при разрыве волокон, вязкоупругое поведение и гашение колебаний при вибрациях, остановка роста трещин стопперами и т.д.).

Направленная интеллектуализация материалов (переход к ПКМ 3-его покаления) обеспечивает стабильность свойств конструкционных и специальных ПКМ за счет модификации их специальными компонентами и на основе использования достижений микро- и нанотехнологий, переводящих ПКМ в самодиагностирующиеся и адаптирующиеся к внешним воздействиям интеллектуальные полимерные композиционные материалы (ИПКМ). За счет введения в объем изделий из ПКМ, ВПКМ(конформно) датчиков (сенсоров, элементов микросенсорики), исполнительных компонентов и механизмов (актюаторов, элементов микромеханики), элементов систем связи, обработка информации и управления(оптические волокна, микропроцессоры, элементы микроэлектроники, микрооптоэлектроники) в ИПКМ реализуются возможности самодиагностики и адаптирования. Для cоздания датчиков, исполнительных механизмов и систем управления в ИМ используют различные материалы( токопроводящие, электроактивные, фоторефрактивные, люминисцирующие, пьезоэлектрические, фоторезисторные, механохимические, дендримерные, жидкокристаллические и другие полимеры) и процессы [50].

Контролируемые процессы деструкции ВПКМ(фенольных, фенокремнийорганических углепластиков) лежат в основе технологии получения углеродных и углеродкерамических композиционных материалов (УКМ, УУКМ, УККМ), нашедших применение в качестве абляционных теплозащитных материалов (ГЧ БРДД, сопловые блоки РДТТ), многоразовых переизлучающих теплозащитных материалов ( ТЗ ВКС), материалов для горячих трактов авиадвигателей 5 и 6 поколений.