Разработка и исследование современных бикомпозитных полимерных материалов на основе реактопластичных матриц для климатических зон холодного климата и Арктики

Объектами исследования являются высокомодульные волокна, модифицированные эпоксидные связующие и эластомерные материалы, армированные высокомодульными тканями из базальто-, стекло- и углеволокон. Цель работы: разработка и исследование высокопрочных комбинированных композиционных материалов на основе высокомодульных армирующих волокон и модифицированных реактопластичных матриц. Проведены исследования микроструктуры, упруго-прочностных и ускоренных натурных климатических испытаний полученных комбинированных материалов. При выполнении работы использован комплексный подход с применением методик ГОСТов для определения технологических и физико-механических свойств композиционных материалов, с использованием сканирующей электронной микроскопии, инфракрасной спектроскопии, термогравиметрическим метод анализа, динамо-механический анализатором, проведены стендовые и натурные испытания. Основные результаты. 1) Получены и исследованы упруго- прочностные свойства образцов комбинированных бикомпозитных базальто-углепластиковых стержней на основе базальтовых и углеродных волокон. Установлено, что объёмное содержание углеродных волокон в количестве 25% в комбинированных стержнях способствует значительному улучшению их физико-механических характеристик. 2) Проведены исследования упруго-прочностных свойств, износостойкости, твердости и адгезии у разработанных композитных эластомеров, между базальто-, стекло- и углетканями с эластомерной матрицей. Установлено, что после экспонирования и хранения контрольных образцов упруго-прочностные свойства не подверглись существенному изменению, с незначительным снижением адгезионной прочности. 3) На основе проведенных исследований разработан анизотропный материал на основе эластомерной матрицы и углеродных волокон с регулируемыми свойствами в зависимости от направления прикладываемых волокон. При поперечной укладке углеродных волокон в эластомерную матрицу прочность повышается в 6 раз и снижается удлинение до 18%, продольная укладка углеродных волокон в эластомерную матрицу существенно не влияет на прочность и удлинение по сравнению с исходным эластомером. Таким образом, задачи этапа 2024 г. проекта решены в полном объеме. Степень реализации и основные технико-эксплуатационные показатели. Изготовлены опытные образцы гибридных композитов на основе комбинирования углеродных и базальтовых волокон с повышенными упруго-прочностными характеристиками, получаемые при использовании пултрузионной технологии. Разработан анизотропный композиционный материал на основе бутадиен-нитрильной матрицы, ключевой характеристикой которого является ориентация усиливающего слоя углеродных волокон. Направление укладки волокон играет решающую роль в формировании механических свойств материала, поскольку именно оно определяет распределение нагрузки и степень анизотропии. Результаты исследований физико-механических свойств разработанного анизотропного материала продемонстрировали значительное влияние ориентации углеродных волокон на его характеристики. Установлено, что поперечная укладка углеродных волокон в эластомерную матрицу способствует шестикратному увеличению условной прочности, однако сопровождается снижением относительного удлинения до 18%. В то же время продольная ориентация волокон практически не оказывает влияния на прочность и удлинение материала. Области применения. Разработка бикомпозитных высокомодульных материалов нового поколения открывает значительные перспективы для их применения в качестве конструкционных материалов в различных отраслях промышленности, транспорте и строительстве, способных эффективно работать в сложных климатических условиях, благодаря их уникальным физико-механическим характеристикам, включающим высокую прочность, жесткость, устойчивость к воздействию агрессивных сред и экстремальных климатических условий. Разработка бикомпозитных материалов стимулирует прогресс в технологиях композитов и позволяет реализовывать инженерные решения, недоступные для традиционных материалов. В 2024 г. опубликованы 11 статей (индексируемых в базах данных RSCI — 2 и из списка РИНЦ — 8).