Andrey Stepashkin, Ph.D., senior forskare vid MISIS University Center for Composite Materials. Kredit:Sergey Gnuskov/NUST MISIS
Ryska forskare har föreslagit en teknik för att skapa lätt och hållbart kompositmaterial. Den är baserad på en polymermatris och kolfibrer. Sådant material kan användas i flygplanskonstruktioner för att skapa delar av en kraftsats och skrovstrukturer. Den utvecklade kompositen kan lätt återvinnas eller kasseras, vilket gör den mer miljövänlig än dess analoger. Studien har publicerats i Polymers .
Kolfiber är ett unikt material som nästan helt består av kolatomer. Dess höga mekaniska hållfasthet vid låg vikt, motståndskraft mot höga temperaturer och utmärkta korrosionsbeständighet säkerställde dess breda tillämpning inom sådana högteknologiska industrier som raketer, flyg, konstruktion och medicin. Kolfiberförstärkta kompositmaterial är särskilt efterfrågade inom flygplansindustrin. Delar och strukturer gjorda av dem minskar flygplanets slutvikt och därmed bränsleförbrukningen, vilket minskar kostnaderna för flygplanets drift och miljöpåverkan. Men de flesta av dagens kolfiberkompositer är baserade på epoxiharts och andra icke-smältande, olösliga material som inte är återvinningsbara.
Forskare från MISIS University har skapat ett nytt kompositmaterial baserat på tekniska termoplastiska polymerer och kolfiber, som effektivt behåller sina prestandaegenskaper i aggressiva miljöer, såsom flygbränsle, samtidigt som det är lätt att återvinna.
Som förstärkningsmaterial har den rysktillverkade kolfibern använts. För första gången användes polyetersulfonpulver för matrisframställning istället för det konventionella epoxihartset. Det är en amorf termoplastisk polymer med utmärkta mekaniska egenskaper och motståndskraftig mot höga temperaturer, ånga och olika kemikalier. Det är också viktigt att polyetersulfon är återvinningsbart, till skillnad från epoxi.
MISIS Universitys forskare har valt ut de bästa förutsättningarna för att erhålla ett kompositmaterial och fastställt att det optimala innehållet av kolfibrer för luftburna kompositer baserade på polyetersulfon är 60–70 % av strukturens totala vikt.
Ytan på kolfibern modifierades ytterligare genom termisk oxidation, varvid ett tunt skikt innefattande ett stort antal syrehaltiga funktionella grupper bildades på ytan av kolfilamenten. Det underlättar bättre vidhäftning av kolfibern till polymermatrisen. För att impregnera kolförformen, istället för den traditionella högtrycksimpregneringen av polymersmältan, användes en lösningsteknik - polyetersulfonpulvret löstes först med ett organiskt lösningsmedel vid rumstemperatur, varefter den modifierade kolfibern impregnerades med den resulterande lösning. Testproverna torkades sedan vid 100°C under fyra timmar, och förformen placerades sedan i en form där arbetsstyckena formades under tryck vid 350°C under 30 minuter.
Som ett resultat uppnådde forskare en stabil struktur av den erhållna kompositen och förbättrade avsevärt dess mekaniska egenskaper och motståndskraft mot höga temperaturer. Samtidigt, som påpekats av författarna till studien, tillåter den föreslagna komposittekniken baserad på polyetersulfon och kolfibrer att justera egenskaperna hos det slutliga materialet beroende på graden av fyllning av polymermatrisen med fibrer.
"Apropå möjligheterna med materialapplikationen måste vi titta på den specifika produkt där de kommer att användas, eftersom det påverkar arbetsförhållandena i strukturen, krav på hållfasthet, maximalt tillåtna deformationer. Följaktligen förändras förstärkningsmönstret, och fyllnadsgraden (fiberhalten) kommer också att variera. Men om vi till exempel talar om material för flygplanskonstruktion, kommer det optimala innehållet av kolfiber att vara mer sannolikt i intervallet 60–70 % av den totala vikten av strukturen", förklarar en medförfattare till arbetet, en senior forskare vid MISIS University Center for Composite Materials, Ph.D. Andrey Stepashkin. + Utforska vidare
