Не алюминий, не титан

Технологи МГУ создали материал, способный заменить алюминий и титан в авиалайнерах.

Сотрудники химического факультета МГУ создали уникальные полимерные матрицы на основе новых фталонитрильных мономеров для полимерных композиционных материалов. Разработанные материалы обладают более высокой удельной прочностью по сравнению с металлами, за счет чего позволяют радикально снижать массу деталей летательных аппаратов, самолетов и космических кораблей, эксплуатирующихся при высоких температурах. Результаты работы ученых опубликованы в изданиях Journal of Applied Polymer Science иEuropean Polymer Journal.

Группа сотрудников кафедры химической технологии МГУ под руководством ведущего научного сотрудника Алексея Валерьевича Кепмана занимается конструкционными полимерными композиционными материалами (ПКМ). Из них изготавливаются различные конструкции, детали машин, элементы сооружений, воспринимающих силовую нагрузку. Для аэрокосмической промышленности, где требования к материалам повышены, требуются ПКМ с повышенными эксплуатационными характеристиками. ПКМ состоят из полимерной связующей матрицы и армирующего элемента (наполнителя), между которыми есть четкая граница. На примере углепластиков, в качестве армирующего наполнителя может служить углеродная ткань, а в качестве связующего — полиэфирная, эпоксидная смолы, бисмалеимиды, полиимиды и многие другие полимеры.

Современный самолет Boeing 787 Dreamliner на 50% состоит из ПКМ (), а истребитель Eurofighter — на 70%. Создание высокотемпературных ПКМ позволит заменить существующие металлические детали двигателя (например, лопатки компрессора низкого давления) или обшивки сверхзвуковых самолетов на детали из ПКМ.

Химики предложили новый подход к молекулярному дизайну бис-фталонитрильных мономеров, из которых состоит полимерная матрица, и получили вещества, из которых легче, по сравнению с известными аналогами, получать термостойкие детали сложной формы с минимальным количеством соединительных элементов.

— Сейчас температурный диапазон применения ПКМ составляет не более 150°С для самых распространенных материалов и до 250°С — для термостойких. Мы же разработали ПКМ, пригодные для эксплуатации при температурах до 450°С, обладающие при этом простотой переработки, сравнимой с наиболее распространенными в применении для этих целей эпоксидными смолами», — рассказали участники проекта, Борис Булгаков и Александр Бабкин.

На сегодняшний день стоимость килограмма титана или алюминиевых сплавов значительно меньше, чем ПКМ — в 8–10 раз. Но, по словам Бориса Булгакова, изготовление и обслуживание крупных деталей сложной формы из ПКМ в разы дешевле. Эффект достигается за счет существенного снижения трудоемкости изготовления деталей и высокой степени интегральности конструкций из углепластика.

— Например, крыло из ПКМ условно состоит из 10 элементов, а из металла — из 100. То есть монтаж металлического крыла обходится дороже. К тому же, прочность углепластиков выше, чем у алюминия, в 6–8 раз, а удельный вес — ниже в 1,5 раза, — поясняет Борис Булгаков.

ПКМ широко используются для производства автомобилей премиального сегмента, гоночных болидов Формулы 1, самолетов и космических аппаратов. Снижение массы самолета приводит к снижению потребления топлива и к увеличению полезной нагрузки, то есть в долгосрочной перспективе затраты на производство деталей из ПКМ компенсируются экономией на топливе и количестве перевезенных пассажиров и грузов. Кроме того, ПКМ дешевле в обслуживании, так как не подвержены коррозии.

Работа над новыми матрицами для ПКМ велась в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014–2020 годы». Заведующим кафедрой химической технологии и новых материалов, профессором В. В. Авдеевым поставлена задача по организации пилотного производства фталонитрильных связующих. Опытные партии материала, синтезированные в лаборатории МГУ, проходят испытания в Центральном институте авиационного моторостроения (ЦИАМ) имени П.И.
Баранова, в Казанском национальном исследовательском техническом университете имени А. Н. Туполева (КАИ) и других организациях.