КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 20-79-00004

НазваниеКомпозит с алюминиевой матрицей и углеродным волокном

РуководительГалышев Сергей Николаевич, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регионФедеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики твердого тела имени Ю.А. Осипьяна Российской академии наук, Московская обл

Срок выполнения при поддержке РНФ 07.2020 - 06.2022 

КонкурсКонкурс 2020 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-205 - Разработка новых конструкционных материалов и покрытий

Ключевые словакомпозит, алюминиевая матрица, углеродное волокно, золь-гель покрытия, прочность, трещиностойкость

Код ГРНТИ55.09.43


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Проект направлен на решение проблемы создания волокнистых композитных материалов с металлической матрицей. На сегодняшний день известно не более нескольких десятков промышленных применений композитов с металлической матрицей армированной волокном. В большинстве случаев это частные, узкие применения в штучных изделиях космической промышленности и ВПК. Столь узкое применение этих материалов обусловлено в первую очередь высокой стоимостью технологий производства. Настоящий проект является совокупностью исследований междисциплинарного характера, которые станут фундаментальной научной базой для создания экономически эффективной технологии композита с алюминиевой матрицей и углеродным волокном. Полимерные композиты благодаря высокой прочности и низкому весу с большим успехом всё больше и больше вытесняют традиционные конструкционные материалы, такие как сталь, алюминиевые и титановые сплавы. Однако область применения углепластика ограничена низкими эксплуатационными температурами (до 300 °С), низкой прочностью при межслоевом сдвиге (менее 100 МПа), невысокой трещиностойкостью (не более 3 МПа*м^1/2), низкой электропроводностью и теплопроводностью, а так же сложностью стыковки с металлическими частями конструкции. Эти параметры особенно актуальны для авиационной и ракетно-космической отраслей. Так, например, в силу указанных ограничений, в современном пассажирском самолёте лишь 50% массы планера может быть выполнено из углепластика. Силовые элементы, из-за недостаточной трещиностойкости углепластиков, выполняются из алюминиевых сплавов. Эффективная замена легким и прочным композитом массивных металлических силовых элементов в конструкции современных летательных аппаратов возможна при замене полимерной матрицы на металлическую, например алюминиевую. Такая замена позволит значительно снизить вес силовых элементов конструкций летательных аппаратов, а значит увеличить массу полезной нагрузки. Научная новизна проекта определяется в первую очередь методом нанесения барьерных покрытий углеволокна - золь-гель метод. Это позволит не только ограничить химическое взаимодействие, но и даст возможность управлять прочностью связи матрица-волокно, варьируя толщину, структуру и химический состав покрытия. Не смотря на не малое число публикаций посвященных золь-гель покрытиям углеродных волокон, на сегодняшний день в открытой печати нет ни одной работы, где систематически исследована возможность управления прочностью границы матрица-волокно применительно к углеалюминию, вместе с тем полностью отсутствует информация о механических свойствах углеалюминиевого композита, с оксидными золь-гель покрытиями углеволокна, выполняющими роль «слабых» границ.

Ожидаемые результаты
Основными результатами настоящего проекта являются комплекс физических зависимостей, которые послужат фундаментальной научной базой для (1) нанесения защитных оксидных покрытий углеродного волокна, (2) разработки технологии углеалюминиевой проволоки с прочностью не ниже 2000 МПа, (3) разработки объемных изделий из углеалюминиевого композита. Применение такого типа композитов в транспортных машинах, в частности, - в конструкциях летательных аппаратов, позволит существенно (на 10 – 20 %) снизить их сухую массу с соответствующим социально-экономическим и экологическим эффектом. Это позволит также российским производителям летательных аппаратов существенно опередить их зарубежных конкурентов.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2020 году
1. Впервые для нанесения оксидных покрытий на углеродное волокно был применен метод комбинирующий золь-гель процесс и электролитического осаждение. Предложенный метод позволяет наносить однородные покрытия на все филаменты углеродного жгута. Характерной особенностью структуры всех полученных покрытий является то, что они сформированы из связанных между собой частиц округлой формы. Толщина покрытия может быть задана в диапазоне от нескольких нанометров до 1,2 мкм. 2. В работе представлены результаты исследования влияния температуры, плотности тока, времени нанесения, концентрации соли, pH, молярного соотношения TEOS/H2O и концентрации спирта в исходной реакционной среде на структуру и толщину формируемых покрытий. Представленные результаты хорошо согласуются с классическими представлениями о поведении кремнеземных золей. 3. Установлено, что полученное покрытие, состоит из аморфного оксида кремния и кристаллического карбоната калия. Нагрев выше 870 °С приводит к кристаллизации кристобалита из аморфного диоксида кремния. При температуре термообработки 870 °С покрытие приобретает гладкую поверхность, а нагрев до 1170 °С приводит к его деструкции. 4. Исследовано влияние термической обработки покрытия на эффективную прочность волокна. Полный цикл нанесения покрытия, включающий термическую чистку от аппрета, нанесение покрытия и отжиг при 870 °С в течении 5 минут приводит к снижению эффективной прочности волокна на 13% по сравнению с исходным состоянием. 5. Исследовано влияние толщины покрытия и времени контакта расплава матрицы с волокном на прочность при трехточечном изгибе углеалюминиевой проволоки. Прочность композита увеличивается при уменьшении толщины покрытия и увеличении времени контакта, что указывает на хорошие барьерные свойства покрытия. Разрушение проволоки, армированной волокном с покрытием, имеет не хрупкий характер. Покрытие волокна в композите имеет достаточную сплошность и присутствует на всех филаментах волокна. Используемые покрытия в достаточной мере выполняют свои функции и не требуют дополнительной оптимизации. 6. Предварительные эксперименты позволили получить углеалюминиевую проволоки, прочность которой превышает 2000 МПа, что по меньшей мере на 50% превосходит прочность всех известных разрабатываемых углеалюминиевых композитов и на 25% превосходит по удельной прочности ближайший промышленный аналог 3M™ ACCR (США).

 

Публикации

1. Галышев С.Н. Формирование оксидных барьерных покрытий на поверхности углеродного волокна для армирования алюминиевой матрицы ХVII Российская ежегодная конференция молодых научных сотрудников и аспирантов «Физикохимия и технология неорганических материалов» / Сборник трудов. – М: ИМЕТ РАН, 2020, стр. 21-23 (год публикации - 2020).

2. Галышев С.Н. Композит с алюминиевой матрицей и углеродным волокном XХII Зимняя школа по механике сплошных сред Пермь, 22 – 26 марта 2021г. Тезисы докладов /ПФИЦ УрО РАН. – Электронные данные. – Пермь, 2021, стр. 93 (год публикации - 2021).

3. Галышев С.Н., Гомзин А.И. ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ЗОЛЯ НА СТРУКТУРУ И ТОЛЩИНУ SIO2- ПОКРЫТИЯ УГЛЕРОДНОГО ВОЛОКНА XXXII Международная инновационная конференция молодых ученых и студентов (МИКМУС - 2020): Сборник трудов конференции (Москва, 2-4 декабря 2020) / М: Изд-во ИМАШ РАН, стр. 37-41 (год публикации - 2021).

4. Галышев С.Н., Постнова Е.Ю. Electrochemical deposition of SiO2-coatings on carbon fiber Fibers, 2021, 9, 33 (год публикации - 2021).

5. С.Н. Галышев, А.И. Гомзин, Н.Г. Зарипов Effect of the sol temperature on the structure and thickness of the SiO2 coating of carbon fibers IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 1129 (2021) 012005 (год публикации - 2021).