Над созданием принципиально нового вида широко используемых в авиа и ракетостроении полимерных композиционных материалов (ПКМ) работала группа сотрудников кафедры химической технологии МГУ им. М.В.Ломоносова под руководством ведущего научного сотрудника Алексея Валерьевича Кепмана. Из такого материала можно создавать конструкции и детали для использования при экстремально высоких температурах, до 400-450С. До этого они делались исключительно из металлов.
Если говорить в целом о классе ПКМ, то из них уже сегодня делаются разные детали летательных аппаратов. Эти материалы обладает более высокой удельной прочностью по сравнению с металлом, за счет чего можно заметно снижать массу самолетов и космических кораблей. Например, самолёт Boeing 787 Dreamliner на 50% состоит из композитов, истребитель Eurofighter – на 70%. Снижение массы машины приводит к снижению потребления топлива и увеличению полезной нагрузки, то есть в долгосрочной перспективе затраты на производство деталей из ПКМ компенсируются экономией на топливе. Композиты также дешевле в обслуживании, так как не подвержены коррозии.
Нашей целью было разработать ПКМ, который можно было бы эксплуатировать при температурах выше 400C, – рассказал «Эксперт Online» Алексей Кепман, – такие материалы, в основном, двойного назначения и имеют довольно ограниченную сферу применения. Например, из них можно изготовить лопатки компрессора реактивного двигателя, которые размещаются внутри него и должны выдерживать очень высокие температуры.
Обычно ПКМ состоит из полимерной связующей матрицы и армирующего элемента (наполнителя), который придаёт материалу прочность. В углепластиках армирующим наполнителем может служить углеродная ткань, а в качестве связующей матрицы выступать, например, эпоксидная смола. По словам Алексея Кепмана, в их разработке в качестве связующей матрицы использовались полимеры из фталонитрильных мономеров.
Как правило, чем устойчивей к температуре полимерный материал, тем выше его температура «плавления». Нашей же задачей было сделать легкоплавкий материал, который можно было бы обрабатывать так же, как обычный. Но который при затвердевании оставался бы стабильным и прочным при температурах более 400С, – объясняет Алексей Кепман. Для того, чтобы добиться легкоплавкости полимера, ему «добавляли гибкости» на молекулярном уровне, внедряя специальные группы в молекулу мономера. Обычные ПКМ, из которых изготавливают разнообразные детали самолётов, не могут выдержать температуру, превышающую 200С – при более высоких они размягчаются и не держат форму.
Работа над новыми полимерными матрицами для ПКМ велась в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014 - 2020 годы». Первые, сделанные из нового материала детали реактивного двигателя проходят испытания на стендах в Центральном институте авиационного моторостроения (ЦИАМ) им. П.И. Баранова и в Казанском национальном исследовательском техническом университете им. А. Н. Туполева.
По словам Алексея Кепмана, разработки высокопрочных высокотемпературных ПКМ ведутся на протяжении последних 10 лет – у нас, и в США. Кстати, в США подобные материалы разрабатывают для изготовления внутренних переборок подводных лодок – материал абсолютно не горючий. Аналогичными разработками занимаются также в Китае. Однако коммерческих продуктов с подобными свойствами пока нигде не производится.
