Поліетилен або зносостійка сталь чому віддати перевагу - Журнал
Б.А. Карпунькін, генеральний директор ТОВ "Поліетиленпластик" (Казань); В.В. Кудінов, гол. науковий співробітник Інституту металургії та матеріалознавства ім. А.А. Байкова РАН
Переваги композиційних матеріалів для технологів усіх галузей стали очевидними: вони довговічні, не схильні до корозії, при цьому за своєю міцністю не поступаються сталям і кольоровим металам. Ці переваги зумовлюють широке використання композиційних матеріалів (КМ) у машинобудівній промисловості, з провідною роллю у цьому напрямі найбільш розвинених компаній. Якщо в 1950-1960-х роках середній автомобіль містив близько 10 кг КМ, то в сучасній машині набереться їх до 100-150 кг. Крім того, композиційні матеріали – легкі, а значить, вони дозволяють суттєво знизити масу техніки, підвищити її динамічні характеристики і, що дуже актуально зараз, зменшити споживання палива. У літаках частка композиційних матеріалів сягає 70% ваги. Корпуси ракет і кораблів часто виготовляються з композиційних матеріалів. Ще композиційні матеріали доступніші за ціною, ніж деякі дорогі елементи з високолегованої сталі або кольорових металів. Нарешті, вони легше піддаються обробці, з них можна отримати деталі незвичайних форм та кольорів, що дуже приваблює конструкторів та дизайнерів.
Великі надії сьогодні пов'язуються з технологіями надміцних композиційних матеріалів: вуглепластиків, органопластиків на основі високоміцних високомодульних арамідних жорстколанцюгових і гнучких надвисокомолекулярних поліетиленових волокон. У табл. 1 наведено фізичні властивості високоміцних поліетиленових волокон. У табл. 2 представлені фізичні властивості найлегшихконструкційних матеріалів.
З табл. 1 і 2 видно, що оптимальним поєднанням міцнісних та вагових характеристик має високоміцне високомодульне поліетиленове волокно.
Однак надміцні композитні матеріали поки що дороге задоволення, тому і платять за них тільки багаті клієнти. Наприклад, за зниження ваги агрегату на 1 кг автомобільний концерн готовий інвестувати 15 євро, авіаційний 300–1000 євро. Творці космічних платформ готові викласти 10 тис. євро та більше. Але в майбутньому технологи сподіваються здешевити виробництво цих матеріалів, щоби масовий випуск їх став реальністю.
У табл. 3 наведено порівняльний аналіз вартості високоміцних волокон на міжнародних ринках.
У першій двадцятці розвинутих країн виробництво композиційних матеріалів на душу населення складає 4 кг, в Україні – 0,7 кг. І якщо «старовинні» склопластики в Україні досить ходовий конструкційний матеріал, то про надлегкі сучасні композиційні матеріали конструкторам доводиться лише мріяти. Тим часом українські вчені та технологи пропонують не просто надлегкі конструкційні матеріали аналогічні імпортним, а матеріали вищого класу, що ґрунтуються на застосуванні нанотехнологій. Ці інноваційні матеріали розроблені в Україні та перевершують зарубіжні аналоги.
Усім відомий поліетилен. Хімічно стійкий матеріал, але малостійкий до механічних навантажень. Давно випускається й інший поліетилен, надвисокомолекулярний (СВМПЕ). Виготовлені з нього волокна в 10–15 разів міцніші за сталі, у 2–3 рази легші за скляні, арамідні та вуглецеві волокна. З нього роблять суднові канати, рибальські сіті, навіть військову броню. Чому ж волокно зі СВМПЕ не застосовується як конструкційний композиційний матеріал?Виявляється, його неможливо з'єднати з матрицею. Волокна поліетилену настільки інертні, що зовсім не прилипають до будь-якого виду матриці. Тому поліетиленове волокно не застосовують створення композиційних матеріалів. Незважаючи на цю проблему, сучасна товарна продукція із високоміцного високомодульного поліетиленового волокна виробляється на суму понад 60 млрд. дол. США. В основному в Китаї, Голландії, Японії та США.
Десятиліття вчені у всьому світі намагаються зробити з цих суперміцних нановолокон конструкційний композиційний матеріал. Не виходить!
Завдання створення такого КМ вирішено в Україні [1, 2]. Матеріал запатентований та названий «поліетиленпластик». Патент Україна №2419691, КМ «поліетиленпластик» було представлено на виставках ВАТ «Роснано» у Москві. Нагороджений Золотою медаллю Чеської Республіки та спеціальним дипломом Третього Європейського Конгресу з транспортної авіації у Берліні.
Це якраз той випадок, коли не треба наздоганяти зарубіжні технології. Їх вдалося просто переступити.
Найближча перспектива промислового застосування поліетиленпластику – як матеріал футерування кар'єрної техніки. Днище кузова кар'єрного самоскида, незахищене футеруванням, розбивається скельними породами за 6 місяців. Якщо захищати його зносостійкою сталлю, самоскид може працювати довше. Але в зимовий період самоскиди перевозять понад 10 т примороженої до днища кузова гірської породи. Поліетиленпластик позбавляє цієї проблеми. Його не пробиває скельний ґрунт, і гірські породи до нього не примерзают. Робоча температура поліетиленпластику – до –120°С. Стирання поліетиленпластику - на рівні зносостійкого поліуретану.
Новий футерувальний матеріал створений на основі високоміцних поліетиленових волокон, що застосовуються для захисту відвогнепальної зброї та уламків артилерійських снарядів. Спеціальні добавки роблять поверхню футерування не сприйнятливою до налипання і примерзання грунту, що перевозиться. Пропонована футерування з поліетиленпластику дозволяє збільшити термін служби кузова транспортного засобу при перевезеннях скельних ґрунтів у 2 рази, ніж футерування з листового надвисокомолекулярного поліетилену (СВМПЕ). Ціна поліетиленпластику можна порівняти з існуючими футеровками з листового СВМПЕ.
Для усунення примерзання гірської маси, що транспортується, до обшивки кузовів кар'єрних автосамоскидів в даний час широко використовують обігрів кузовів вихлопними газами двигуна. Однак, як показує досвід експлуатації, у багатьох випадках існуючі системи не є ефективними.
Розроблене нами футерування дозволяє покращити показник примерзання грунту без погіршення термодинамічного циклу двигуна.
На основі поліетиленпластику розроблено надлегкий енергопоглинаючий пристрій для системи пасивної безпеки автомобіля. Це майбутні бампер, буфер, стійки, пороги, двері. При ударному впливі КМ «поліетиленпластик» перетворює кінетичну енергію удару на інші види енергії, не передаючи її на пасажирів автомобіля. Виріб легко вбудовується в існуючі технології та моделі автомобілів.
З поліетиленпластику створений надлегкий надміцний ранець для перенесення безпілотного літального апарату. Ранець з композиційного матеріалу на основі високоміцного високомодульного поліетиленового волокна оберігає безпілотний літальний апарат (БПЛА) від пошкоджень при транспортуванні в горах, лісах та воді. За масою він легший від аналогів у 3–6 разів. При ударному вплив ранець не руйнується і не пробивається. Він герметичний, радіопрозорий, хімічно табіологічно стійкий і не руйнується ультрафіолетовими променями та морською вологою.
На цей час створено зразки протиосколкової броні для захисту військових комплексів морського повітряного та космічного застосування. Броня має масу у 7 разів меншу, ніж металеві аналоги.
Застосування надлегкого композиційного матеріалу у техніці уможливлює істотне підвищення показників рахунок збільшення корисної навантаження, зниження питомої витрати палива, зменшення енергоспоживання і екологічної навантаження на довкілля. Наприклад, у гелікоптері типу «Мі-17» при заміні традиційних матеріалів на поліетиленпластик можна збільшити корисне навантаження на 15%. Безпілотний літальний апарат при заміні корпусних деталей із склопластику на поліетиленпластик може збільшити дальність польоту на 30%. Поліцейська броньована транспортна машина КамАЗ може збільшити корисне навантаження на 40%. Власна маса швидкохідних суден типу "Метеор" може бути знижена на 30%.
В арктичних умовах вироби з поліетиленпластику не зазнають зледеніння. Зі зниженням температури навколишнього середовища міцності волокон різко зростають. Вони добре переносять динамічні навантаження за температур нижче – 120°С. Поєднання унікальної міцності та радіопрозорості високоміцних високомодульних поліетиленових волокон відкриває можливість використання матеріалів на їх основі в глибоководних станціях радіолокацій, підводних човнах, а також у конструкціях антен повітряних і морських суден.
Наповнювачем для виробництва такого надлегкого високоміцного матеріалу служить волокно із СВМПЕ.
Міцне з'єднання між волокном і матрицею в КМ необхідне для ефективної передачі навантаження на волокно та включення в спільнуроботу всіх елементів структури композиту Фундаментальною проблемою є завдання щодо оптимізації фізико-хімічної взаємодії між матеріалом матриці та активованої плазмою багатофіламентного високоміцного високомодульного поліетиленового волокна (ВВПЕ-волокна) на міжфазних межах, а також розробка методів оптимальної активації волокна плазмою.
Інноваційність роботи полягає в тому, що для активації нанокристалічного ВВПЕ-волокна під час виробництва КМ застосовується високочастотна плазма. Плазмова обробка збільшує міцність з'єднання волокна з матрицею в 2-3 рази, що дає можливість отримувати монолітний високоміцний КМ поліетиленпластик із щільністю
Для армування КМ застосовують комплексне чи багатофіламентне волокно, що складається з кількох тисяч філаментів. Особливо високу міцність волокноутворюючим полімерам надає їх нанорозмірна кристалічна структура. Одночасно із зменшенням розмірів філаментів збільшується їхня питома поверхня, що підвищує ступінь впливу поверхневих характеристик філаментів на властивості КМ.
ВВПЕ - волокно на 95-98% складається з нанокристалітів розміром 5-50 нм. Нанорозміри кристалітів утворюють бездефектну структуру ВВПЕ-волокна. Дефекти аморфної фази блокуються та перекриваються паралельною бездефектною структурою, що покращує властивості волокна.
Головними науково-технічними завданнями отримання КМ із багатофіламентного ВВПЕ-волокна є найбільш повне його просочування матрицею та створення міцного з'єднання між волокном та матрицею. Для початку фізико-хімічної взаємодії між волокном та матрицею вони повинні увійти у фізичний контакт, який досягається змочуванням поверхні волокна матеріалом матриці. Для змочування необхідно, щоб поверхнева енергіяволокна була більше енергії міжфазної поверхні, що утворюється в процесі змочування між волокном та матрицею.
Управління структурою та властивостями зміцнювальних волокон здійснювали за допомогою методу плазмохімічної обробки твердих тіл плазмою при зниженому тиску. У технології використовується високочастотна плазма у атмосфері нейтрального газу аргону.