Углеволокно предложили сшивать нанотрубками

Массачусетский технологический институт предложил при производстве композитных деталей сшивать слои углеволокна между собой при помощи углеродных нанотрубок. 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 растрескивается 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, чем обычная деталь из препрега. При сдавливании участка деталь выдержала на 14 процентов большее усилие.

Сегодня для производства композитных деталей используются два основных метода: выклейка из препрегов и вакуумная инфузия. 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.

Василий Сычёв