Полиэтилен или износостойкая сталь: чему отдать предпочтение
Б.А. Карпунькин, генеральный директор ООО «Полиэтиленпластик» (Казань); В.В. Кудинов, гл. научный сотрудник Института металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН
Преимущества композиционных материалов для технологов всех отраслей стали очевидны: они долговечны, не подвержены коррозии, при этом по своей прочности не уступают сталям и цветным металлам. Эти достоинства обуславливают широкое использование композиционных материалов (КМ) в машиностроительной промышленности, с ведущей ролью в этом направлении наиболее продвинутых компаний. Если в 1950–1960-х годах средний автомобиль содержал около 10 кг КМ, то в современной машине их наберется до 100–150 кг. Кроме того композиционные материалы – лёгки, а значит, они позволяют существенно снизить массу техники, повысить её динамические характеристики и, что очень актуально сейчас, уменьшить потребление топлива. В самолётах доля композиционных материалов достигает 70% от веса. Корпуса ракет и кораблей часто полностью изготавливаются из композиционных материалов. Еще композиционные материалы более доступны по цене, чем некоторые дорогостоящие элементы из высоколегированной стали или цветных металлов. Наконец, они легче поддаются обработке, из них можно получить детали необычных форм и цветов, что очень привлекает конструкторов и дизайнеров.
Большие надежды сегодня связываются с технологиями сверхпрочных композиционных материалов: углепластиков, органопластиков на основе высокопрочных высокомодульных жёсткоцепных арамидных и гибкоцепных сверхвысокомолекулярных полиэтиленовых волокон. В табл. 1 приведены физические свойства высокопрочных полиэтиленовых волокон. В табл. 2 представлены физические свойства наиболее лёгких конструкционных материалов.
Из табл. 1 и 2 видно, что оптимальным сочетанием прочностных и весовых характеристик обладает высокопрочное высокомодульное полиэтиленовое волокно.
Однако сверхпрочные композитные материалы пока ещё дорогое удовольствие, поэтому и платят за них только богатые клиенты. Например, за снижение веса агрегата на 1 кг, автомобильный концерн готов инвестировать 15 евро, авиационный 300–1000 евро. Создатели космических платформ готовы выложить 10 тыс. евро и более. Но в будущем технологи надеются удешевить производство этих материалов, чтобы массовый выпуск их стал реальностью.
В табл. 3 приведен сравнительный анализ стоимости высокопрочных волокон на международных рынках.
В первой двадцатке развитых стран производство композиционных материалов на душу населения составляет 4 кг, в России – 0,7 кг. И если «старинные» стеклопластики в России достаточно ходовой конструкционный материал, то о сверхлёгких современных композиционных материалах конструкторам приходится только мечтать. Между тем российские учёные и технологи предлагают не просто сверхлёгкие конструкционные материалы аналогичные импортным, а материалы более высокого класса, основанные на применении нанотехнологий. Эти инновационные материалы разработаны в России и превосходят зарубежные аналоги.
Всем известен полиэтилен. Химически устойчивый материал, но малоустойчивый к механическим нагрузкам. Давно выпускается и другой полиэтилен, сверхвысокомолекулярный (СВМПЭ). Изготовленные из него волокна в 10–15 раз прочнее стали, в 2–3 раза легче стеклянных, арамидных и углеродных волокон. Из него делают судовые канаты, рыболовецкие сети, даже военную броню. Почему же волокно из СВМПЭ не применяется в качестве конструкционного композиционного материала? Оказывается его невозможно соединить с матрицей. Волокна полиэтилена настолько инертны, что совершенно не прилипают к любому виду матрицы. Поэтому полиэтиленовое волокно не применяют для создания композиционных материалов. Несмотря на эту проблему, современная товарная продукция из высокопрочного высокомодульного полиэтиленового волокна производится на сумму более 60 млрд долл. США. В основном в Китае, Голландии, Японии и США.
Десятилетия учёные во всем мире пытаются сделать из этих суперпрочных нановолокон конструкционный композиционный материал. Не получается!
Задача создания такого КМ решена в России [1, 2]. Материал запатентован и назван «полиэтиленпластик». Патент РФ №2419691, КМ «полиэтиленпластик» был представлен на выставках ОАО «Роснано» в Москве. Награжден Золотой медалью Чешской Республики и специальным дипломом Третьего Европейского Конгресса по транспортной авиации в Берлине.
Это как раз тот случай, когда не надо догонять зарубежные технологии. Их удалось просто перешагнуть.
Ближайшая перспектива промышленного применения полиэтиленпластика – в качестве материала футеровки карьерной техники. Днище кузова карьерного самосвала, незащищённое футеровкой, разбивается скальными породами за 6 месяцев. Если защищать его износостойкой сталью, самосвал может работать дольше. Но в зимний период самосвалы перевозят более 10 т примороженной к днищу кузова горной породы. Полиэтиленпластик избавляет от этой проблемы. Его не пробивает скальный грунт, и горные породы к нему не примерзают. Рабочая температура полиэтиленпластика – до –120°С. Истираемость полиэтиленпластика – на уровне износостойкого полиуретана.
Новый футеровочный материал создан на основе высокопрочных полиэтиленовых волокон, применяемых для защиты от огнестрельного оружия и осколков артиллерийских снарядов. Специальные добавки делают поверхность футеровки не восприимчивой к налипанию и примерзанию перевозимого грунта. Предлагаемая футеровка из полиэтиленпластика позволяет увеличить срок службы кузова транспортного средства при перевозках скальных грунтов в 2 раза, чем футеровка из листового сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ). Цена полиэтиленпластика сопоставима с существующими футеровками из листового СВМПЭ.
Для устранения примерзания транспортируемой горной массы к обшивке кузовов карьерных автосамосвалов в настоящее время широко используют обогрев кузовов выхлопными газами двигателя. Однако, как показывает опыт эксплуатации, во многих случаях существующие системы – не эффективны.
Разработанная нами футеровка, позволяет улучшить показатель примерзания грунта без ухудшения термодинамического цикла двигателя.
На основе полиэтиленпластика разработано сверхлёгкое энергопоглощающее устройство для системы пассивной безопасности автомобиля. Это – будущие бампер, буфер, стойки, пороги, двери. При ударном воздействии КМ «полиэтиленпластик» преобразует кинетическую энергию удара в другие виды энергии, не передавая ее на пассажиров автомобиля. Изделие легко встраивается в существующие технологии и модели автомобилей.
Из полиэтиленпластика создан сверхлёгкий, сверхпрочный ранец для переноски беспилотного летательного аппарата. Ранец из композиционного материала на основе высокопрочного высокомодульного полиэтиленового волокна предохраняет беспилотный летательный аппарат (БПЛА) от повреждений при транспортировке в горах, лесах и по воде. По массе он легче аналогов в 3–6 раз. При ударном воздействии ранец не разрушается и не пробивается. Он герметичен, радиопрозрачен, химически и биологически устойчив и не разрушается ультрафиолетовыми лучами и морской влагой.
К настоящему времени созданы образцы противоосколочной брони для защиты военных комплексов морского воздушного и космического применения. Броня имеет массу в 7 раз меньшую, чем металлические аналоги.
Применение сверхлёгкого композиционного материала в технике делает возможным существенное повышение характеристик за счёт увеличения полезной нагрузки, понижения удельного расхода топлива, уменьшения энергопотребления и экологической нагрузки на окружающую среду. Например, в вертолете типа «Ми-17» при замене традиционных материалов полиэтиленпластиком можно увеличить полезную нагрузку на 15%. Беспилотный летательный аппарат при замене корпусных деталей из стеклопластика на полиэтиленпластик может увеличить дальность полета на 30%. Полицейская бронированная транспортная машина КАМАЗ может увеличить полезную нагрузку на 40%. Собственная масса быстроходных судов типа «Метеор» может быть снижена на 30%.
В арктических условиях изделия из полиэтиленпластика не подвергаются обледенению. С понижением температуры окружающей среды прочностные характеристики волокон резко возрастают. Они хорошо переносят динамические нагрузки при температурах ниже – 120°С. Сочетание уникальной прочности и радио прозрачности высокопрочных высокомодульных полиэтиленовых волокон открывает возможность использования материалов на их основе в глубоководных радиолокационных станциях, подводных лодках, а также в конструкциях антенн воздушных и морских судов.
Наполнителем для производства такого сверхлёгкого высокопрочного материала служит волокно из СВМПЭ.
Прочное соединение между волокном и матрицей в КМ необходимо для эффективной передачи нагрузки на волокно и включения в совместную работу всех элементов структуры композита. Фундаментальная проблемой является задача по оптимизации физико-химического взаимодействия между материалом матрицы и активированного плазмой многофиламентного высокопрочного высокомодульного полиэтиленового волокна (ВВПЭ-волокна) на межфазных границах, а также разработка методов оптимальной активации волокна плазмой.
Иновационность работы состоит в том, что для активации нанокристаллического ВВПЭ-волокна при производстве КМ применяется высокочастотная плазма. Плазменная обработка увеличивает прочность соединения волокна с матрицей в 2–3 раза, что даёт возможность получать монолитный высокопрочный КМ полиэтиленпластик с плотностью ~1,1 г/см3.
Для армирования КМ применяют комплексное или многофиламентное волокно, которое состоит из нескольких тысяч филаментов. Особенно высокую прочность волокнообразующим полимерам придаёт их наноразмерная кристаллическая структура. Одновременно с уменьшением размеров филаментов увеличивается их удельная поверхность, что повышает степень влияния поверхностных характеристик филаментов на свойства КМ.
ВВПЭ – волокно на 95–98% состоит из нанокристаллитов размером 5–50 нм. Наноразмеры кристаллитов создают бездефектную структуру ВВПЭ-волокна. Дефекты аморфной фазы блокируются и перекрываются параллельной бездефектной структурой, что улучшает свойств волокна.
Главными научно-техническими задачами получения КМ из многофиламентного ВВПЭ-волокна являются наиболее полная его пропитка матрицей и создание прочного соединения между волокном и матрицей. Для начала физико-химического взаимодействия между волокном и матрицей они должны войти в физический контакт, который достигается смачиванием поверхности волокна материалом матрицы. Для смачивания необходимо, чтобы поверхностная энергия волокна была больше энергии межфазной поверхности, образующейся в процессе смачивания между волокном и матрицей.
Управление структурой и свойствами упрочняющих волокон осуществляли с помощью метода плазмохимической обработки твёрдых тел плазмой при пониженном давлении. В технологии используется высокочастотная плазма в атмосфере нейтрального газа аргона.
ЛИТЕРАТУРА:
- Корнеева Н.В. Новые возможности получения композитных материалов, армированных высокопрочными высокомодульными полиэтиленовыми волокнами / Н.В. Корнеева, В.В. Кудинов, С.Л. Баженов [и др.] // Механика композитных материалов. – 2002. – Т. 38, №6. – с. 837–846.
- Кудинов В.В. Влияние плазменной обработки и технологии пропитки на прочность соединения полиэтиленового волокна с эпоксидной матрицей при получении композиционных материалов / В.В. Кудинов, М.Ф. Шаехов, Н.В. Корнеева [и др.] // Физика и химия обработки материалов. – 2004. – № 3. – С. 18–24.
- Kudinov V.V. The effect of the bonding between the HPPE fiber and the matrix on the properties and the fracture mode of the polymeric composite materials / V.V. Kudinov, N.V. Korneeva, Abdullin I.Sh. // Proc. of the 18th Int. Conf. on Composite Materials (ICCM-18). – Island of Jeju, Republic of South Korea, 21–26 August, 2011. Seul: Ed. by Korean society of composite materials, 2011. – Paper AF 253 (USB).
- Е.А. Сергеева, И.Ш. Абдуллин, Н.В. Корнеева, В.В. Кудинов, Е.И. Мекешкина-Абдуллина. Исследование адгезионной способности ВВПЭ волокон, обработанных плазмой ВЧ-разряда // Вестник Казанского технологического университета. Казань: изд-во КГТУ. – 2009. №1. с.27–32.
