УДИВИТЕЛЬНОЕ ВОЛОКНО

На пленарном заседании с докладом «Физика и технология углеродного волокна и композитов» выступил профессор, заведующий кафедрой 10 В.Д. Борман.

...Углеродное волокно обладает в совокупности уникальными упруго-прочностными свойствами, теплостойкостью и малой плотностью. Благодаря этому оно находит широкое применение в самых разных областях: авиации, ракетостроении, строительстве, в нашей отрасли - производстве центрифуг для разделения изотопов урана.

Спрос на углеволокно (УВ) растет с каждым годом. Его потребление за 10 лет выросло в 15 раз. Хороший пример - в аэробусе А320 (1990 г.) его применяется две тонны, а в А380 (2007 г.) уже 35 тонн. Другой пример возьмем ближе к нашей отрасли. Речь идет о применении УВ для изготовления роторов газовых центрифуг для разделения изотопов. Ситуация тут проста: разделительная способность пропорциональна квадрату предельной скорости вращения центрифуги, которая в свою очередь пропорциональна отношению прочности к плотности. Можно получить выигрыш в производительности в разы по сравнению с другими материалами! Как известно, разделение изотопов - энергоемкий процесс и выигрыш даже в несколько процентов уже считается хорошим достижением.

Что касается производства углеволокнистых материалов в РФ для широкого потребления, то они выпускаются, в основном, по технологиям конца 80-х годов и в малых промышленных объемах, которые не удовлетворяют спрос. Отечественные углеволокнистые материалы (УВМ) на рынке пока не могут конкурировать с импортными аналогами ни по цене, ни по качеству. Прочностные характеристики волокна отличаются даже внутри одной партии. Учитывая это, производителям изделий из волокна, например, для строительства, приходится закладывать в конструкции высокий коэффициент запаса прочности, соответственно увеличивается количество волокна в изделии. В итоге покупать наше УВМ становится невыгодно. А высокопрочное волокно в России сейчас вообще не производится.

На сегодняшний день назрела необходимость в коренном изменении этой ситуации. Для этого был создан проект, который поддерживается федеральной программой при содействии корпорации РосНано.

Это очень масштабная задача, так как производство углеродного волокна - многостадийный высокотехнологический процесс с большим количеством влияющих факторов, которые в итоге и определяют качество волокна. Необычность этих процессов состоит в том, что если греть органическую нить до 300 С, то она сгорит, разрушится структура с длинными цепочками молекул, это же волокно не сгорает, а происходит преобразование одной кристаллической структуры в другую. На сегодняшний день нет полноценной математической модели, описывающей эти процессы.

Несколько слов о работах в этой области, проводимых в МИФИ. К масштабному проекту было привлечено несколько кафедр университета. Перечислим некоторые основные результаты.

Методом фотоэлектронной оже-спектроскопии и масс-спектрометрии было произведено сравнительное исследование состава различных ПАН волокон по основным элементам и примесям в его объеме и в приповерхностном слое. Был обнаружен большой разброс этих параметров для разных образцов волокна внутри одной партии. Также была установлена прямая связь между разбросом этих параметров и прочностными характеристиками волокна. Эти результаты позволили поставить вопрос о требованиях к качеству ПАН волокна и выбору его поставщика.

Также при помощи растровой электронной и атомно-силовой микроскопии исследовалась структура исходного и готового углеродного. Были установлены дефекты на поверхности ПАН волокна, которые в дальнейшем наследуются углеродным волокном, снижая его прочность. Проанализирована фибриллярная структура углеродного волокна. Изображения, полученные методом сканирующей туннельной микроскопии, позволили установить эволюцию поверхности углеродного волокна в нанометровом масштабе в различных режимах его финишной обработки.

Изучены распределения углеродных волокон по диаметрам для различных видов УВ, измерены и рассчитаны распределения пор по размерам. Важный этап исследований - изучение изменений поверхности волокна при его направленной модификации. По их результатам даны рекомендации производителям углеволокна, и они дали положительный эффект.

В заключение можно сказать, что производство углекомпозитных материалов является высокотехнологичным и наукоемким процессом, а решение поставленных задач зависит от всех предприятий, интегрированных в этот процесс. НИЯУ «МИФИ» должен занять место в этой цепочке и как научный центр разработки технологий, и как кузница кадров для предприятий, задействованных в этой отрасли.

Материал подготовил
С. Потешин,
ведущий инженер кафедры 10.